I rivestimenti ceramici nanostrutturati non si affaticano, rileva uno studio

Oct 01, 2023

17 novembre 2022

dall'Università della Tecnologia di Vienna

I rivestimenti ceramici estremamente sottili possono modificare completamente le proprietà dei componenti tecnici. I rivestimenti vengono utilizzati, ad esempio, per aumentare la resistenza dei metalli al calore o alla corrosione. I processi di rivestimento svolgono un ruolo importante sia per le pale delle turbine di grandi dimensioni che per gli strumenti estremamente sollecitati nella tecnologia di produzione.

TU Wien (Vienna) ha ora studiato cosa determina la stabilità di tali rivestimenti. E i risultati, alcuni dei quali ottenuti al sincrotrone DESY di Amburgo, sono piuttosto sorprendenti: gli strati ceramici si decompongono in modo completamente diverso rispetto ai metalli. La fatica dei materiali difficilmente ha un ruolo; il fattore decisivo è l'intensità dei picchi di carico estremi (il cosiddetto fattore di intensità dello stress). Questa scoperta cambierà il metodo utilizzato per misurare e migliorare ulteriormente la resistenza dei film sottili in futuro.

Lo studio è pubblicato su Acta Materialia.

"In molte applicazioni, i carichi periodici rappresentano un grosso problema", afferma il prof. Helmut Riedl, capo del gruppo di ricerca sulla tecnologia applicata delle superfici e dei rivestimenti presso l'Istituto di scienza e tecnologia dei materiali della TU Vienna. "Se esponi ripetutamente i componenti metallici a una certa forza, i cambiamenti avvengono su scala microscopica." Alcuni atomi possono spostarsi, si formano strati che possono scivolare uno sull'altro, possono svilupparsi minuscole crepe che alla fine portano alla frattura dell'intero componente. Tali effetti di fatica dei materiali sono onnipresenti in ingegneria e sono ben studiati.

Ciò che accade ai rivestimenti sottili sotto stress, tuttavia, è meno chiaro. "I rivestimenti ceramici hanno spesso uno spessore compreso tra pochi nanometri e 10 µm, il loro comportamento è completamente diverso da quello di un pezzo solido di ceramica", afferma Lukas Zauner, che sta lavorando alla sua tesi nel gruppo di ricerca sulla tecnologia applicata delle superfici e dei rivestimenti.

Per comprendere più a fondo questo comportamento, alla TU Wien sono stati sviluppati metodi di misurazione completamente nuovi: invece di testare insieme metallo e rivestimento ceramico, come avviene di solito, il team ha escluso il metallo e ha prodotto campioni estremamente sottili di vari materiali ceramici tipicamente utilizzati nella tecnologia a film sottile e li hanno esposti a carichi diversi in modo preciso, più e più volte, fino a dieci milioni di volte.

Per scoprire esattamente se di conseguenza cambia la struttura atomica della ceramica, il team ha portato l'impianto sperimentale ad Amburgo: lì sul sincrotrone di DESY sono disponibili raggi X estremamente ben focalizzati, con cui è possibile esaminare vari punti del campione durante l'esperimento di caricamento. In questo modo dovrebbero essere rilevabili anche piccoli cambiamenti nella struttura cristallina o nella distanza tra gli atomi vicini.

Ma sorprendentemente, queste misurazioni hanno dimostrato che la ceramica praticamente non cambia. Anche milioni di cicli di carico non comportano affaticamento del materiale. "La ceramica standard si affatica secondo determinati modelli, simili al tipo di affaticamento che conosciamo per i metalli. Ma questi strati estremamente sottili non mostrano questo comportamento", afferma Helmut Riedl. "La loro microstruttura alla fine è la stessa che era all'inizio."

Ciò significa che la durabilità degli strati sottili è determinata esclusivamente dalla loro resistenza alla frattura: se si supera un limite di carico caratteristico del materiale, lo strato viene distrutto, improvvisamente e irreversibilmente. Tuttavia, tutti i carichi inferiori a questo limite non rappresentano un problema, non invecchiano lo strato ceramico, non hanno praticamente alcun effetto.

"Naturalmente ciò cambia anche la strategia con cui vengono concepiti i progetti di ricerca per materiali di rivestimento ceramici nuovi e migliorati", afferma Helmut Riedl. "Non è necessario fare lunghi test a lungo termine, è sufficiente scoprire con un semplice test di carico quale materiale si rompe sotto quale forza. Non devi preoccuparti di come alleviare eventualmente gli effetti di fatica nel materiale, puoi dobbiamo solo trovare materiali con la massima resistenza alla frattura possibile: anche questo non è un compito semplice."