Effetto dell'addizione di fibre corte di carbonio su microstruttura e proprietà di materiali a base di ZrB2

Il lavoro di tesi, svolto presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (ISTEC-CNR, Faenza, RA), ha affrontato la produzione e la caratterizzazione di ceramici a base di boruro di zirconio (ZrB2) con lo scopo di valutare l’efficacia delle fibre corte di carbonio come potenziale rinforzo. Il boruro di zirconio appartiene a una famiglia di materiali noti come UHTC (Ultra-High Temperature Ceramics) caratterizzati da elevato punto di fusione e in grado di mantenere la resistenza meccanica e operare con limitata ossidazione a temperature superiori ai 2000°C. Il principale ostacolo nella produzione dei materiali a base di ZrB2 è il processo di sintesi, infatti, a causa della loro elevata temperatura di fusione, per ottenere un materiale completamente denso è necessario utilizzare processi a temperatura e pressione elevati (T > 2000°C e P > 30 MPa), condizioni che vanno ad influenzare la microstruttura della matrice e delle fibre e di conseguenza le proprietà meccaniche del materiale. L’aggiunta di additivi di sinterizzazione idonei permette di ottenere materiali perfettamente densi anche a temperature e pressioni inferiori. Tuttavia lo ZrB2 non viene ampiamente utilizzato per applicazioni strutturali a causa della sua fragilità, per far fronte alla sua bassa tenacità il materiale viene spesso rinforzato con una fase allungata (whiskers o fibre). È già oggetto di studi l’utilizzo di fibre corte e whiskers di SiC per tenacizzare lo ZrB2, tuttavia la forte interfaccia che viene a crearsi tra fibra e matrice, che non permette il pull-out delle fibre, ci porta a credere che una fibra che non tenda a reagire con la matrice, presentando un’interfaccia più debole, possa portare ad una tenacizzazione più efficace. Per questo scopo sono stati realizzati mediante pressatura a caldo due materiali rinforzati con fibre corte di carbonio: ZrB2 + 5% vol MoSi2 + 8% vol fibre di carbonio e [ZrB2 + 2 % peso C] + 8% vol fibre di carbonio, indicati rispettivamente con Z5M_Cf e Z2C_Cf. Sono stati analizzati e discussi diversi aspetti del materiale rinforzato tra cui: il comportamento di densificazione durante la pressatura a caldo, l’evoluzione della microstruttura della matrice, la distribuzione e la morfologia delle fibre, l’influenza del rinforzo sulle proprietà meccaniche di durezza e tenacità e sulla resistenza all’ossidazione. L’elaborato è strutturato come segue: inizialmente sono state introdotte le caratteristiche generali dei ceramici avanzati tra cui le proprietà, la produzione e le applicazioni; successivamente è stata approfondita la descrizione dei materiali a base di boruro di zirconio, in particolare i processi produttivi e l’influenza degli additivi di sinterizzazione sulla densificazione e sulle proprietà; ci si è poi concentrati sull’effetto di una seconda fase allungata per il rinforzo del composito. Per quanto riguarda la parte sperimentale vengono descritte le principali fasi della preparazione e caratterizzazione dei materiali: le materie prime, disperse in un solvente, sono state miscelate mediante ball-milling, successivamente è stato evaporato il solvente e la polvere ottenuta è stata formata mediante pressatura uniassiale. I campioni, dopo essere stati sinterizzati mediante pressatura uniassiale a caldo, sono stati tagliati e lucidati a specchio per poter osservare la microstruttura. Quest’ultima è stata analizzata al SEM per studiare l’effetto dell’additivo di sinterizzazione (MoSi2 e carbonio) e l’interfaccia tra matrice e fase rinforzante. Per approfondire l’effetto del rinforzo sulle proprietà meccaniche sono state misurate la durezza e la tenacità del composito; infine è stata valutata la resistenza all’ossidazione mediante prove in aria a 1200°C e 1500°C. L’addizione di MoSi2 ha favorito la densificazione a 1800°C mediante formazione di una fase liquida transiente, tuttavia il materiale è caratterizzato da una porosità residua di ~ 7% vol. L’addizione del carbonio ha favorito la densificazione completa a 1900°C grazie alla reazione dall’additivo con gli ossidi superficiali dello ZrB2. La microstruttura delle matrici è piuttosto fine, con una dimensione media dei grani di ~ 2 μm per entrambi i materiali. Nel caso del materiale con Z5M_Cf sono presenti nella matrice particelle di SiC e fasi MoB derivanti dalla reazione dell’additivo con le fibre e con la matrice; invece nel materiale Z2C_Cf sono presenti grani di carbonio allungati tra i bordi grano, residui delle reazioni di densificazione. In entrambi i materiali le fibre sono distribuite omogeneamente e la loro interfaccia con la matrice è fortemente reattiva. Nel caso del materiale Z5M_Cf si è formata una struttura core-shell con lo strato più esterno formato da SiC, formato dalla reazione tra il siliciuro e la fibra di C. Nel caso del materiale Z2C_Cf non si forma una vera e propria interfaccia, ma la fibra risulta fortemente consumata per via dell’alta temperatura di sinterizzazione. I valori di durezza Vickers dei materiali Z5M_Cf e Z2C_Cf sono rispettivamente 11 GPa e 14 GPa, valori inferiori rispetto al valore di riferimento di 23 GPa dello ZrB2, ma giustificati dalla presenza di una fase meno dura: le fibre di carbonio e, nel caso di Z5M_Cf, anche della porosità residua. I valori di tenacità dei materiali Z5M_Cf e Z2C_Cf, misurati con il metodo dell’indentazione, sono rispettivamente 3.06 MPa·m0.5 e 3.19 MPa·m0.5. L’osservazione, per entrambi i materiali, del fenomeno di pull-out della fibra, sulla superficie di frattura, e della deviazione del percorso della cricca, all’interno della fibra di carbonio, lasciano supporre che siano attivi questi meccanismi tenacizzanti a contributo positivo, unitamente al contributo negativo legato allo stress residuo. La resistenza all’ossidazione dei due materiali è confrontabile a 1200°C, mentre dopo esposizione a 1500°C il materiale Z5M_Cf risulta più resistente rispetto al materiale Z2C_Cf grazie alla formazione di uno strato di SiO2 protettivo, che inibisce la diffusione dell’ossigeno all’interno della matrice. Successivamente, sono stati considerati metodi per migliorare la densità finale del materiale e abbassare ulteriormente la temperatura di sinterizzazione in modo da minimizzare la degenerazione della fibra. Da ricerca bibliografica è stato identificato il siliciuro di tantalio (TaSi2) come potenziale candidato. Pertanto è stato prodotto un terzo materiale a base di ZrB2 + Cf contenente una maggiore quantità di siliciuro (10% vol TaSi2) che ha portato ad una densità relativa del 96% a 1750°C. Questo studio ha permesso di approcciare per la prima volta le problematiche legate all’introduzione delle fibre di carbonio nella matrice di ZrB2. Investigazioni future saranno mirate alla termodinamica delle reazioni che hanno luogo in sinterizzazione per poter analizzare in maniera più sistematica la reattività delle fibre nei confronti della matrice e degli additivi. Inoltre riuscendo ad ottenere un materiale completamente denso e con fibre di carbonio poco reagite si potrà valutare la reale efficacia delle fibre di carbonio come possibili fasi tenacizzanti.

Studio di fattibilità di una protesi di piede realizzata con fibra di carbonio a basso costo

Il mondo dei materiali compositi è in continua espansione, e sono sempre di più le aziende che richiedono componenti prodotti con questi materiali, uno dei quali è la fibra di carbonio. Tali aziende producono inevitabilmente scarti di lavorazione derivanti dal taglio di sagome dai fogli di fibra di carbonio; questi ritagli rappresentano ancora una buona materia prima, che, se ben conservata, può essere utilizzata per la fabbricazione di prodotti secondari. Così facendo sarà possibile ridurre il costo di smaltimento della fibra, e, al contempo, ottenere manufatti in fibra di carbonio a basso costo. È in questo contesto che rientra il lavoro e la ricerca di questo elaborato il cui obbiettivo è riutilizzare gli sfridi di lavorazione per realizzare protesi di piede a basso costo in fibra di carbonio. Un ulteriore attenzione è stata posta al metodo di fabbricazione della protesi, il quale deve risultare semplice da realizzare. Per questa ragione si è deciso che la pressione durante la cottura fosse da applicare per via meccanica, attraverso la presenza di uno stampo e di un controstampo, serrati tramite collegamenti bullonati. Nell’elaborato sarà descritto il lavoro svolto per l’ottenimento della forma e della disposizione degli strati di fibra di carbonio, basato su simulazione di modelli ad elementi finiti, che ha condotto alle migliori sagome e al miglior orientamento delle fibre negli strati di materiale composito. Sarà inoltre illustrato il metodo utilizzato per ottenere lo stampo, e le procedure da seguire per la realizzazione del prototipo di protesi. Saranno infine illustrati i risultati ottenuti dalle prove di caratterizzazione di due prototipi differenti, uno ottenuto con fibre intere, e uno realizzato con fibre corte.

Sistemi multistrato per il miglioramento del comportamento tribologico dell'acciaio inossidabile AISI 316L: cementazione a bassa temperatura seguita da deposizione PACVD di carbonio amorfo (a-C:H)

Gli acciai inossidabili austenitici presentano ottime caratteristiche che li rendono ideali in tutti quei settori in cui è richiesta un’elevata resistenza alla corrosione associata a caratteristiche estetiche e funzionali. L’acciaio AISI 316L risulta essere uno dei più studiati ed utilizzati, specie nell’industria alimentare e farmaceutica, dove leapparecchiature debbono poter essere sottoposte ad aggressive procedure di sanificazione. Tuttavia, la modesta resistenza meccanica e la bassa durezza superficiale di questo acciaio determinano un comportamento non soddisfacente dal punto di vista dell’usura da strisciamento in assenza di lubrificanti, situazione che si verifica sovente in molti macchinari dedicati a queste industrie. Tra le varie soluzioni, studiate per migliorare il suo comportamento tribologico, la cementazione a bassa temperatura (LowTemperature Carburizing, LTC) seguita dalla deposizione PE-CVD (Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition) di un rivestimento di carbonio amorfo idrogenato (a-C:H), sembra essere molto promettente. In questo lavoro vengono analizzate le caratteristiche tribologiche dell’acciaio AISI 316L cementato a bassa temperatura e rivestito di carbonio amorfo idrogenato, tramite prove tribologiche di strisciamento non lubrificato in geometria di contatto pattino su cilindro. Sono state verificate, inoltre, le caratteristiche microstrutturali e meccaniche superficiali del rivestimento multistrato LTC/a-C:H tramite osservazioni morfologiche/topografiche, analisi in spettroscopia micro-Raman e misure di indentazione strumentata sulle superfici rivestite, seguite da analisi metallografia e misura dei profili di microdurezza Vickers in sezione trasversale. I risultati ottenuti dimostrano che, ai fini di contenere l’effetto negativo legato all’aumento di rugosità dovuto al trattamento LTC, è opportuno effettuare una lucidatura precedente al trattamento stesso, poiché effettuandola successivamente si rischierebbe dicomprometterne lo strato efficace. Inoltre, si osserva come il trattamento LTC incrementi le capacità del substrato di supportare il rivestimento a-C:H, portando ad un miglioramento delle prestazioni tribologiche, nelle prove di strisciamento non lubrificato. Infine, si dimostra come l’utilizzo di un rivestimento a base di carbonio amorfo idrogenato adeguatamente supportato permetta una riduzione dell’attrito (di oltre cinque volte) e dell’usura (di circa dieci ordini di grandezza) rispetto ai corrispondenti materiali non rivestiti.

Mitigazione sequestro e stoccaggio di diossido di carbonio

The main objective of my thesis was the technical-economic feasibility of a system of electricity generation integrated with CCS. The policy framework for development processing is part of the recent attention that at the political level has been directed towards the use of CCS technologies with the aim of addressing the problems of actual climate change. Several technological options have been proposed to stabilize and reduce the atmospheric concentrations of carbon dioxide (CO2) among which, the most promising for IPPC (Intergovernmental Panel on Climate Change)are the CCS technologies (Carbon Capture and Storage & Carbon Capture and Sequestration). The remedy proposed for large stationary CO2 sources as thermoelectric power plants is to separate the flue gas capturing CO2 and to store it into deep subsurface geological formations (more than 800 meters of depth). In order to support the identification of potential CO2 storage reservoirs in Italy and in Europe by Geo Capacity(an European database) new studies are developing. From the various literature data analyzed shows that most of the CO2 emitted from large stationary sources comes from the processes of electricity generation (78% of total emissions) and from (about 60%) those using coal especially. The CCS have the objective of return "to the sender" , the ground, the carbon in oxidized form (CO2) after it has been burned by man starting from its reduced form (CH4, oil and coal), then the carbon dioxide is not a "pollutant" if injected into the subsurface, CO2 is an acid reagent that interacts with the rock, with underground fluid and the characteristics of the host rock. The results showed that the CCS technology are very urgent, because unfortunately there are too many industrial sources of CO2 in assets (power plants, refineries, cement plants, steel mills) in the world who are carrying too quickly the CO2 atmospheric concentration levels to values that aren't acceptable for our dear planet.

Sintesi di nanocluster molecolari di platino stabilizzati da monossido di carbonio

Questo lavoro di Tesi è diviso essenzialmente in due parti. La prima parte consiste nello studio delle reazioni di decomposizione termica dei cluster di Chini [Pt3n(CO)6n]2– (n = 3-6) sia come sali sodici che come sali di tetra alchilammonio. Al variare delle condizioni di reazione si ottengono vari prodotti, a volte come specie singole, ma più spesso come miscele. Tra questi sono stati individuati i prodotti già noti [Pt19(CO)22]4-, [Pt24(CO)30]2–, [Pt26(CO)32]2-. Inoltre sono stati isolati e caratterizzati strutturalmente i nuovi cluster [Pt33(CO)38]2- e [Pt44(CO)45]2-. Nella seconda parte del lavoro di Tesi è stata studiata l'ossidazione di [Pt19(CO)22]4- con l'acido HBF4•(OCH2CH3)2. Anche questa reazione porta alla formazione di vari prodotti a seconda della quantità di acido impiegata e del tempo di reazione. Sono state individuate al momento le specie [Pt19(CO)22]3-, [Pt40(CO)40]6-, [Pt36(CO)44]2- e [Pt38(CO)44]2-. Tutte queste specie, tranne la prima, sono state caratterizzate strutturalmente. Le nuove specie [Pt33(CO)38]2- e [Pt36(CO)44]2- mostrano delle strutture ccp difettive riconducibili a quella di [Pt38(CO)44]2-. Il cluster [Pt44(CO)45]2- mostra invece una struttura compatta complessa ABCBA, che può essere vista come due frammenti ccp geminati tramite un piano di riflessione. Il cluster [Pt40(CO)40]6- rappresenta un raro caso (unico per i cluster di platino) di cluster con elevata nuclearità di struttura bcc. La struttura dei nanocluster molecolari ottenuti è stata determinata tramite cristallografia a raggi X su cristallo singolo e le proprietà redox di alcuni di questi cluster sono state investigate tramite voltammetria ciclica. Il profilo della voltammetria ciclica del [Pt33(CO)38]2– mostra una serie di processi redox, due ossidazioni e quattro riduzioni, che indicano alcune proprietà di reversibilità chimica permettendo così di individuare una serie di cluster strettamente correlati del tipo [Pt33(CO)38]n– (n=0-6) come suggeriscono anche gli studi IR spettroelettrochimici. Inoltre sono stati condotti studi 13C{1H}NMR di [Pt19(CO)22]4- arricchito isotopicamente con 13CO per investigare il comportamento di questa specie durante il processo ossidativo.

Caratterizzazione sperimentale dell'ossido di stronzio per l'assorbimento del diossido di carbonio da correnti gassose ad alta temperatura e considerazioni sulla sua applicazione industriale in processi CCS

Del granulato di ossido di stronzio (anche nella formula carbonato) è stato testato come nuovo possibile materiale di utilizzo per la cattura ad alta temperatura di diossido di carbonio da effluenti gassosi di scarto. Sono stati condotti diversi esperimenti con strumentazioni già preposte, quali test termogravimetrici, microscopia elettronica (SEM) e Xray (XRD). Mentre per la sperimentazione in quantità più rilevanti di materiale è stato costruito un impianto a letto fisso ex novo. Le prove TG hanno evidenziato una capacità media di sorbente parti a circa il 5% in massa di ossido, a temperature tra i 1100°C e i 1200°C, in situazione di regime (dopo numerosi cicli di carb/calc), con una buona conservazione nel tempo delle proprietà adsorbitive, mentre per le prove a letto fisso, si è registrato un calo di valori variabile tra il 3 e il 4%, con un netto miglioramento nel caso di calcinazione in vapore surriscaldato fino al 5%. Il trattamento in vapore ha sortito l’importante effetto di calcinazione del diossido di carbonio dal sorbente, quindi facilmente separabile dal flusso in uscita, misurato tramite cattura in una soluzione di idrossido di bario. Importanti fenomeni di sintering e densificazione hanno portato ad occludere completamente la camera di reazione sviluppando notevoli sovrappressioni interne. Tali fenomeni sono stati approfonditi tramite analisi SEM e XRD. Si è constatato un aumento notevole della grandezza dei granuli in caso di trattamento in vapore con la formazione di legami stabili e con conservazione della porosità. Nel caso di trattamento senza vapore surriscaldato i granuli hanno sinterizzato tramite formazione di legami, ma sempre con conservazione della macroporosità. Il lavoro di tesi è stato inquadrato nel contesto tecnologico al riguardo le tecniche CCS esistenti ed in progetto, con un attento studio bibliografico riguardo lo stato dell’arte, impianti esistenti, costi, metodi di cattura usati, metodologie di trasporto dei gas, metodologie di stoccaggio esistenti e in progetto. Si sono considerati alcuni aspetti economici per sviluppare un modello previsionale di spesa per una possibile applicazione di cattura per un impianto di produzione energetica. Con la progettazione e dimensionamento di un sistema integrato di adsorbimento tramite l’accoppiamento di 2 reattori dedicati ai cicli di carbonatazione e calcinazione del materiale sorbente. Infine si sono considerati gli aspetti salienti dello stoccaggio del diossido di carbonio in reservoir tramite le tecniche di EOR e EGR (Enhanced Oil/Gas Recovery) utilizzando la stessa CO2 come fluido spiazzante degli idrocarburi in posto. Concludendo il lavoro di tesi e di sperimentazione ha contribuito in modo tangibile allo scopo prefissato, andando a caratterizzare un nuovo materiale per la cattura di diossido di carbonio da effluenti gassosi ad alta temperatura, ed andando a verificare un’importante fenomeno rigenerativo non previsto delle capacità sorbitive dei materiali sottoposti a test.

Produzione di diossido di carbonio ad uso alimentare

Nell'elaborato di tesi viene descritto il funzionamento di un impianto di quadri-generazione con la peculiarità del recupero di diossido di carbonio dai fumi di combustione utilizzato poi per l'imbottigliamento e la realizzazione di soft drink. Sono state valutate fonti alternative al gas naturale e una tecnica alternativa al recupero mediante solventi chimici.

Studio dell’effetto di cicli termici su materiali CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer) attraverso prove di caratterizzazione statica

L’intento di questa tesi è fornire un andamento di alcune proprietà dei materiali compositi in fibra di carbonio, CFRP, utilizzati soprattutto nell’ambito aeronautico e navale, esposti quindi a condizioni ambientali specifiche di variazione ciclica della temperatura. Lo studio è effettuato sulle prove di caratterizzazione statica, di compressione, flessione in tre punti e taglio interlaminare, che generano risultati sulla resistenza delle fibre e della matrice e sul modulo elastico a compressione e trazione del composito.

Indagine sul meccanismo di stiratura semipermanente del capello per la ricerca di alternative all'uso di aldeide formica

La scarsità di informazioni sulle reazioni che intervengono nel processo di stiratura semipermanente dei capelli e la necessità di trovare prodotti alternativi all’uso della formaldeide ha portato a intraprendere questo lavoro di tesi. Esso si è svolto seguendo due linee principali: l’indagine sui possibili meccanismi di reazione che intervengono fra composti aventi gruppi aldeidici, quali formaldeide o acido gliossilico (particolarmente efficaci nel processo di stiratura), e alcuni amminoacidi presenti nei capelli da un lato, e uno studio sulle modificazioni che intervengono nella fibra attraverso spettroscopia Raman e ATR-FT-IR e microscopia elettronica a scansione (SEM) dall’altro. Partendo dall’ipotesi più plausibile di una addizione sull’atomo di carbonio carbonilico da parte di nucleofili presenti su alcuni residui amminoacidici della catena polipeptidica, sono stati presi in considerazioni tre gruppi funzionali presenti sugli amminoacidi che possono dar luogo ad addizione reversibile al carbonio carbonilico: il gruppo tiolico che comportandosi come nucleofilo allo zolfo potrebbe dare formazione di semitioacetali, il gruppo ossidrilico di amminoacidi come serina e treonina che potrebbe dare semiacetali, ed il gruppo amminico di amminoacidi basici che agendo da nucleofilo all’azoto potrebbe generare immine. Dopo aver indagato sulla reazione fra aldeide formica (o acido gliossilico) con cisteina e derivati, l’indagine è proseguita utilizzando come amminoacido basico modello N-acetil-L-lisina, dove il gruppo amminico in posizione alfa al carbossile è protetto per cercare di mimare la situazione nel polipeptide. Alcune prove sono state condotte facendo reagire questo substrato sia con una serie di aldeidi aromatiche in diverse condizioni sperimentali che con acido gliossilico. In seguito sono state svolte analisi mediante spettroscopia Raman e ATR-FT-IR su ciocche di pelo di yak nelle diverse fasi del trattamento più comunemente utilizzato nella stiratura semipermanente. Questo ha permesso di ottenere indicazioni sia sulle modificazioni della struttura secondaria subite dalla fibra che sul verificarsi di reazioni fra agente lisciante e residui amminoacidici presenti su di essa. Infine è stata svolta un’indagine SEM sia su fibre di yak che su capelli umani ricci per osservare le variazioni superficiali nei diversi stadi del trattamento.

Simulazione numerica di giunzioni incollate in materiali compositi : valutazione degli effetti di bordo

Sviluppo di uno studio numerico, tramite metodo agli elementi finiti (FEM), sull'effetto di bordo in giunti incollati a sovrapposizione semplice (unsupported single-lap joints). E’ stata implementata l’analisi numerica di provini standard da normativa relativa a test sperimentali, per giunzioni tra lamine metalliche e tra materiali compositi in fibre di carbonio/matrice epossidica (CFRP). E’ stato cercata la geometria del bordo dello strato adesivo che potrebbe garantire una maggiore resistenza del giunto.