Accesso

Cira

 

 

 

Materiali Innovativi<img alt="" src="http://webtest.cira.it/PublishingImages/stma_MAIN.jpg" style="BORDER:0px solid;" />https://www.cira.it/it/competenze/strutture-e-materiali/__subnav/materiali-innovativi/Materiali InnovativiMateriali Innovativi<h3>Obiettivi</h3><p style="text-align:justify;">I principali obiettivi di questo settore disciplinare sono:</p><ul style="text-align:justify;"><li><p> Sviluppo di modelli avanzati del comportamento meccanico dei materiali</p></li><li><p> Studio delle proprietà delle superfici e sviluppo di metodologie per la loro modifica</p></li><li><p> Analisi delle proprietà termiche e meccaniche dei materiali </p></li><li><p> Sviluppo di soluzioni innovative per materiali per protezione termica</p></li><li><p> Sviluppo di nuove formulazioni e sintesi di nanoparticelle </p></li></ul><h3>Temi di ricerca</h3><p><strong>Meccanica dei materiali microstrutturati/meccanica multiscala</strong></p><p style="text-align:justify;">I materiali cellulari con struttura casuale (schiume) o ordinata (lattice materials) rappresentano una vasta classe di materiali sia naturali che artificiali e possiedono un notevole potenziale per applicazioni avanzate in campo aerospaziale, in quanto combinano ad una elevata leggerezza una notevole resistenza specifica ed grande capacità di assorbimento di energia. Scegliendo opportunamente la topologia della microstruttura è possibile ottenere un materiale di grande rigidezza oppure ingenerare dei comportamenti non usuali, come realizzare materiali che esibiscono un modulo di Poisson nullo o negativo in alcune direzioni specifiche. Il recente avvento delle tecniche additive di produzione (stampa 3D) rende possibile realizzare a prezzi contenuti interi componenti con una micro-struttura ben stabilita, sia utilizzando materiali metallici che polimerici. Tuttavia non sono ancora disponibili opportuni mezzi di modellazione e di analisi per materiali microstrutturati. In fatti se da un lato non è praticabile modellare individualmente ogni singolo elemento della microstruttura di un componente in quanto la dimensione del modello numerico sarebbe tale da renderne impossibile la soluzione, allo stesso modo non è possibile modellare questi materiali idealizzandoli semplicemente come materiali elastici anisotropi, in quanto in questo modo non si terrebbe conto di tutte le peculiarità del loro comportamento in campo non lineare che ne costituiscono l’unicità e la forza.</p><p style="text-align:justify;">Una soluzione a questo problema è offerta dai metodi multiscala. I metodi multiscala consentono di determinare la risposta macroscopica di un componente o di un materiale, a partire da modelli della loro microstruttura. L’elemento centrale in questo tipo di approccio è l’esistenza di corrette correlazioni cinematiche che consentano la definizione delle condizioni al contorno per il modello microscopico a partire dalle condizione al contorno del modello macroscopico. Nel caso di modelli con struttura ripetitiva, come i lattice materials, la periodicità del materiale consente alcune esemplificazioni e permette di collegare direttamente il tensore di deformazione del modello macroscopico a quello del modello microscopico, tenendo conto sia di non linearità di origine geometrica, dovute a grandi spostamenti, che non linearità del materiale, dovute a grandi deformazioni del materiale solido. Secondo un metodo di omogeneizzazione non lineare sviluppato da ricercatori del CIRA le proprietà macroscopiche del materiale possono essere determinate mediante una analisi limitata ad un elemento di volume rappresentativo (RVE), che contiene un numero finito di celle unitarie, su cui vengono applicate le seguenti condizioni al contorno: una condizione cinematica secondo cui le direzioni periodiche del materiale si deformano secondo il gradiente di deformazione macroscopico, ed una condizione di equilibrio secondo la quale il volume di riferimento è in condizioni di equilibrio periodico.</p><p style="text-align:justify;">Questo approccio permette non solo di tenere conto delle varie sorgenti di non linearità a cui il modello è soggetto ma anche di tracciare l’insorgenza di instabilità e biforcazioni della soluzione. Esso è inoltre promettente per la soluzione di problemi avanzati come la risposta dinamica dei materiali cellulari e la evoluzione di danneggiamenti o fratture.</p><p style="text-align:justify;"><strong>Ingegneria delle Superfici dei Materiali </strong></p><p style="text-align:justify;">Le superfici dei materiali in qualsiasi settore e campo di applicazione, hanno un’importanza fondamentale poiché interagiscono in forme differenti con l’esterno (molti esempi sono presenti in natura e in campo biologico). Con l’avvento dei nanomateriali e soprattutto delle nanotecnologie è possibile modificare la struttura della materia a livelli anche subnanometrici. A ridurre la scala dimensionale, le proprietà superficiali acquistano un ruolo sempre più di primo piano. Al ridurre della dimensione, aumenta il rapporto superficie/volume e conseguentemente è possibile enfatizzare ed ottenere proprietà fino ad ora “mascherate”. Il CIRA da anni lavora con nanomateriali (silice, titania, nanotubi di carbonio, grafene, ecc…). In particolare l’uso di opportune micro e nanocariche, inserite in resine polimeriche opportunamente scelte, ha consentito e consente di sviluppare nuovi e più performanti coating per applicazioni aeronautiche e spaziali che sono all’avanguardia ed in molti casi innovativi nel contesto europeo e non di questi due settori. </p><p style="text-align:justify;">L’ingegneria delle Superfici dei Materiali parte da una approfondita conoscenza delle proprietà/prestazioni dei materiali che come noto cambiano radicalmente in base alle loro scale dimensionali nelle quali si studiano e nelle quali vengono impiegate. Se le proprietà dei materiali costituenti vengono messe in relazione alla forma dei componenti da ottenere, nonché ai processi migliori per la loro realizzazione, è chiaro che la progettazione e l’ingegnerizzazione superficiale è una Scienza assai complessa con un elevato numero di variabili. L’ingegneria delle Superfici copre diversi obiettivi, dallo sviluppo di nuovi coating, al miglioramento dei fenomeni adesivi nel caso di giunzioni strutturali di materiali di natura diversa (metallo-composito) fino alla funzionalizzazione delle fibre dei materiali compositi per modulare opportunamente l’adesione fibra-matrice e ottimizzarne quindi il comportamento globale dell’intero laminato su scala macroscopica. I principali temi di ricerca in tale ambito sono prevalentemente lo studio di nuove formulazioni e quindi nuovi coating polimerici con proprietà innovative che rientrano nei cosiddetti coating “idrofobici e superidrofobici” (autopulenti, self-cleaning, anti-fog, ghiacciofobici) ma anche coating “idrofilici e superidrofilici” (ad esempio rivestimenti autolubrificanti). Le applicazioni sono sia per il settore aeronautico che spaziale. È infatti interessante in quest’ultimo caso, studiare il comportamento in microgravità del comportamento capillare dell’acqua sulle superfici opportunamente funzionalizzate con tali proprietà estreme. L’altro tema di ricerca è l’ottimizzazione topologica superficiale tramite processi di 3D printing di componenti in lega di Titanio e lega di Alluminio per ottenere proprietà estreme. La massimizzazione di tali proprietà può avvenire anche tramite processi di funzionalizzazione superficiale mediante processi elettrochimici. In ogni caso quindi si ottengono tali prestazioni senza l’applicazione di coating. Ciò ha come vantaggio eventuali problemi di scollamento all’interfaccia dovuto a stress termomeccanici dovuti alle differenti proprietà termomeccaniche dei materiali accoppiati. Inoltre il vantaggio di funzionalizzare direttamente superfici metalliche risiede nella peculiarità di avere una superficie che mantengo tali proprietà estreme poiché altamente resistenti all’abrasione/erosione.</p><p style="text-align:justify;"><strong>Materiali ablativi per sistemi di protezione termica</strong></p><p style="text-align:justify;">I sistemi di protezione termica passiva sono necessari per permettere il volo in condizioni ipersoniche. In maniera particolare sono essenziali nei velivoli da rientro per proteggere l’equipaggio e il carico utile dagli alti flussi termici che si realizzano all’impatto con l’atmosfera. Le tecnologie di interesse per il laboratorio includono:</p><ul style="text-align:justify;"><li><p>Ultra-high temperature ceramics (UHTC) e materiali compositi a matrice ceramica (ceramic matrix composite – CMC), questi materiali appartengono alla classe dei sistemi di protezione riutilizzabili in quanto resistono ad elevati flussi termici senza eccessiva degradazione;</p></li><li><p>Materiali ablativi, questi materiali resistono ai carichi termici superficiali attraverso processi che comportano una serie di trasformazioni chimico-fisiche sulla loro superfice e la perdita di massa. I materiali ablativi sono in grado di dissipare i carichi termici superficiali attraverso processi reattivi, trasformazioni di fase e trasferimenti di materia. Questi materiali sono solitamente sistemi compositi costituiti da una matrice polimerica organica (resine termoindurenti) rinforzata con fibre. I compositi carbon-fenolici, costituiti da una matrice in resina fenolica rinforzata da fibre di carbonio, sono tra gli esempi di materiali maggiormente utilizzati come TPS a partire dalla NASA (missioni Apollo), dalla JAXA (es. missione MUSES-C) e dall’ESA che sta sviluppando il Norcoat-Liege (resina fenolica mescolata a sughero) nell’ambito del Manned Space Transportation Program. Il ritrovato interesse nei materiali ablativi è testimoniata dalla NASA che ha utilizzato un ablatore della famiglia del PICA (Phenolic Impregnated Carbon Ablator) come protezione termica per la navicella ORION testata in volo nel dicembre del 2014.</p></li></ul><p style="text-align:justify;"><strong>Sintesi di materiali nanostrutturati</strong></p><p style="text-align:justify;">Le nanocariche, ovvero particelle di dimensioni nanometriche, hanno la capacità di conferire migliorate proprietà alla matrice ospite, soprattutto se opportunamente funzionalizzate e ben disperse in essa. In tal modo l’aggiunta di piccole quantità di nanotubi o di grafene ad una resina epossidica è in grado di rendere quest’ultima conduttiva, particelle di silice ottenute in situ mediante il processo sol-gel e opportunamente funzionalizzate migliorano le proprietà meccaniche della matrice in termini di aumento della Tg e del modulo elastico a valle della transizione vetrosa. L’aggiunta di alluminosilicati come le montmorilloniti è in grado di migliorare le proprietà barriera e di resistenza termica. Queste citate sono solo alcune delle svariate proprietà conferite ai materiali dall’introduzione di opportune nanoparticelle. In tale contesto il laboratorio di materiali innovativi si occupa della sintesi e caratterizzazione di materiali nanostrutturati sia in termini di matrici polimeriche, formulate ad hoc per determinate applicazioni, che di sintesi/funzionalizzazione di nanoparticelle, che della loro dispersione nella matrice polimerica ospite.</p><p style="text-align:justify;">I temi di ricerca sono la sintesi di nanoparticelle opportunamente funzionalizzate ottenute mediante il processo sol-gel, la formulazione di matrici polimeriche (elastomeriche, epossidiche, idrogeli, etc) al fine di garantire proprietà sviluppate ad hoc per specifiche applicazioni, la sintesi e la caratterizzazione di sistemi ibridi organico/inorganico nanostrutturati utilizzando sia particelle preformate (MWNT, SiO2, TiO2, Graphene, MMT, etc,), che particelle ottenute in situ mediante il processo sol-gel, la sintesi di coating superidrofobici per applicazioni aeronautiche, la formulazione e la caratterizzazione di propellente ibrido nanocaricato per motori a razzo.<br></p>

 Attività