Lavorazione di compositi ceramici di allumina/titanato di alluminio ad alta temperatura da fonti pulite

Jun 21, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 5957 (2022) Citare questo articolo

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Produrre nuovi materiali tecnologici ad alte prestazioni da fonti pulite è diventata un’esigenza globale. I compositi allumina/titanato di alluminio (Al2O3/Al2TiO5) sono materiali portentosi ad alta temperatura utilizzati in varie applicazioni avanzate. In questo lavoro sono stati ottenuti diversi compositi Al2O3/Al2TiO5 con elevate proprietà termiche e meccaniche per applicazioni ad alta temperatura mediante un processo a basso costo. I compositi target sono stati prodotti da allumina calcinata e minerale rutilo estratto dalle sabbie nere egiziane mediante sinterizzazione senza pressione a una temperatura di 1650 °C/2 h. Il rutilo è stato aggiunto all'allumina con un contenuto diverso (0-40% in peso) per promuoverne la sinterizzazione e la risposta termo-meccanica. È stata studiata la valutazione dei compositi prodotti in termini di composizione di fase, densificazione, caratteristiche microstrutturali, proprietà meccaniche e termiche. I risultati hanno indicato che l'aggiunta di piccole quantità di rutilo (10 e 20% in peso) è riuscita a formare una struttura composita Al2O3/Al2TiO5 stabile. Tuttavia, un contenuto più elevato di rutilo ha portato alla formazione di compositi a matrice ricca di Al2TiO5. Inoltre, aumentando il contenuto di rutilo, sono stati ottenuti compositi altamente densi con microstruttura armonica e maggiore resistenza meccanica. Il composito con solo il 10% in peso di aggiunta di rutilo ha dato la densità più alta di 3,6 g/cm3 e i più alti valori di resistenza alla frantumazione a freddo e modulo di rottura di 488,73 MPa e 106,19 MPa, rispettivamente. In particolare, l'aggiunta di rutilo ha un effetto sostanziale nel promuovere le proprietà termiche e la stabilità termica dei compositi ottenuti fino ad una temperatura elevata di 1400 °C. Il presente studio mostra che l’aggiunta di minerale rutilico all’allumina è un modo economico per migliorare la densificazione e l’espansione termica di Al2O3 per applicazioni ad alta temperatura. L'utilizzo di una fonte pulita come il minerale rutilo che contiene alcuni stabilizzanti termici come Fe2O3, Al2O3, SiO2, ZrO2 e MgO invece del TiO2 puro ha svolto un ruolo notevole nel migliorare la reazione di sinterizzazione e nel produrre un materiale altamente qualificato. Pertanto, i compositi sinterizzati Al2O3/Al2TiO5 possono essere considerati un promettente materiale ad alta temperatura per applicazioni avanzate.

Al giorno d'oggi, con il continuo sviluppo dei diversi settori industriali, la lavorazione di materiali avanzati ad alta temperatura è diventata un'esigenza urgente. È stato stabilito che i materiali ad alta temperatura sono quelli che resistono ad ambienti con temperature comprese tra 500 e 600 °C1,2,3,4. Pertanto, i materiali ceramici e refrattari sono stati considerati i candidati più promettenti per le applicazioni ad alta temperatura. È stato inoltre riscontrato che l'idoneità e la sostenibilità dei materiali per le applicazioni ad alta temperatura dipendevano dalle loro prestazioni termiche e meccaniche ad alta temperatura, nonché dai costi di produzione. Inoltre, dal punto di vista economico e industriale, uno dei problemi più critici che devono affrontare questi materiali ad alta temperatura è la riduzione del loro costo5. Pertanto, la sfida principale è ottenere materiali ad alta temperatura con elevate proprietà termiche e meccaniche a basso costo.

Uno dei materiali ceramici ad alta temperatura più conosciuti è l'allumina (Al2O3, A). È un noto materiale ceramico strutturale che può essere ampiamente utilizzato in vari campi di applicazione grazie alle sue proprietà superiori. Alcune di queste proprietà sono l'elevato punto di fusione, l'inerzia chimica, la buona resistenza alla corrosione, la resistenza all'usura, la durezza, l'elevato isolamento e la facilità di lavorazione. Tuttavia, il guasto catastrofico dell'allumina si verifica in un ambiente termico acuto a causa di grandi sollecitazioni sofisticate sulle variazioni termiche. Inoltre, nonostante l’elevata resistenza meccanica dell’allumina, la sua elevata dilatazione termica (α20–1000 °C = 8 * 10–6 K−1) e conduttività termica, ne limitano il range per alcune applicazioni strutturali ad alta temperatura6,7,8,9 .