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Materiali che resistono a temperature fino a 1500°C: qual è l'ingrediente segreto dei rivestimenti termoisolanti?
Con il progresso della tecnologia aerospaziale ed energetica, i rivestimenti a barriera termica (TBC) sono diventati un campo importante nella scienza dei materiali ad alta temperatura. Questi sistemi di materiali vengono spesso applicati a superfici metalliche, in particolare a componenti che operano in ambienti ad alta temperatura, come i combustori e le turbine delle turbine a gas. Il loro spessore può variare da 100 micron a 2 millimetri e funge da buon materiale di isolamento termico, prolungando efficacemente la vita del componente e la sua resistenza al calore.
La funzione principale di un rivestimento a barriera termica è quella di isolare il substrato metallico, consentendogli di funzionare in condizioni di carichi termici estremi, massimizzando così le temperature operative senza danneggiare la struttura sottostante.
I rivestimenti a barriera termica sono in grado di mantenere un significativo differenziale di temperatura tra il componente e la superficie rivestita, che consente loro di funzionare a temperature operative crescenti senza un'eccessiva esposizione termica ai componenti strutturali. Ciò riduce gli effetti dell'ossidazione e della fatica termica, prolungando così la durata dei componenti. Con l’aumento della domanda di motori più efficienti in grado di funzionare a temperature più elevate, anche i requisiti dei materiali per i TBC si stanno spostando verso punti di fusione elevati, bassa conduttività termica e migliore resistenza all’ossidazione.
Struttura e proprietà dei materiali dei rivestimenti a barriera termica
I rivestimenti barriera termica basati su materiali ceramici sono solitamente costituiti da quattro strati: substrato metallico, rivestimento adesivo metallico, strato di ossido cresciuto termicamente (TGO) e strato superficiale ceramico. In questa fase, la zirconia stabilizzata (YSZ) è ampiamente utilizzata come strato superficiale ceramico. Ha una conduttività termica molto bassa, ma subirà cambiamenti di fase e causerà crepe sopra i 1200°C. Negli sviluppi basati su YSZ, sono stati esplorati nuovi zirconati di terre rare in sostituzione, che hanno mostrato buone prestazioni a temperature superiori a 1200°C ma con scarsa resistenza alle fessurazioni.
Rischi e opportunità coesistono e in passato sono stati sviluppati molti nuovi materiali ceramici in grado di funzionare a temperature estremamente elevate, aprendo la strada allo sviluppo di rivestimenti con barriera termica ad alta efficienza in futuro.
Meccanismo di cedimento del rivestimento della barriera termica
Il meccanismo di cedimento del TBC coinvolge molti fattori, ma ci sono tre meccanismi chiave: crescita dell’ossido cresciuto termicamente (TGO), shock termico e sinterizzazione dello strato superficiale. La formazione di TGO provoca sollecitazioni di compressione e una mancata corrispondenza con la dilatazione termica del substrato può portare alla formazione di crepe. Se sottoposte a più cicli di riscaldamento e raffreddamento, queste crepe possono propagarsi in tutto il rivestimento, causando eventuali guasti. Soprattutto nel funzionamento dei motori aeronautici, uno dei motivi principali è anche lo shock termico causato da frequenti operazioni di avvio e arresto.
La progettazione dei rivestimenti con barriera termica deve considerare la corrispondenza dei coefficienti di dilatazione termica tra gli strati per prolungare la durata di servizio e ridurre la formazione di crepe.
Applicazione di rivestimento barriera termica
Nei settori automobilistico e aerospaziale i rivestimenti a barriera termica sono ampiamente utilizzati. Nelle automobili, vengono utilizzati per ridurre la perdita di calore dai componenti del sistema di scarico del motore e per ridurre il rumore e il calore del vano motore. Nell'industria aerospaziale, i TBC vengono utilizzati per proteggere le superleghe a base di nichel e migliorarne le prestazioni in ambienti ad alta temperatura. Lo sviluppo di nuove tecnologie consente di applicare rivestimenti ceramici ai materiali compositi, che non solo proteggono i materiali, ma migliorano anche la resistenza all'usura.
I materiali e la progettazione dei rivestimenti a barriera termica, studiati da scienziati e ingegneri, rappresentano un'attuale frontiera nella scienza dei materiali. Con l’avanzare della tecnologia, si prevede che una serie di miglioramenti futuri realizzeranno il loro potenziale in ambienti più estremi. Tuttavia, possiamo trovare il rivestimento barriera termica perfetto per soddisfare le esigenze e le sfide tecniche sempre crescenti?
