La Cina sviluppa un materiale ceramico resistente che potrebbe rivoluzionare l’ingegneria aerospaziale

Gli scienziati cinesi della Guangzhou University’s School of Materials Science and Engineering hanno sviluppato una nuova ceramica porosa che potrebbe rivelarsi rivoluzionaria per l’ingegneria aerospaziale, energetica e chimica. Il materiale ha un’elevata resistenza meccanica ed eccellenti proprietà di isolamento termico che potrebbero renderlo ideale anche per gli aerei ipersonici. 

Un equilibrio sottile

I materiali ceramici porosi sono sempre più richiesti per l’isolamento termico grazie alla loro leggerezza, all’inerzia chimica e alla bassa conducibilità termica, che li rende buoni isolanti. Raggiungere un’elevata resistenza meccanica e un elevato isolamento termico nelle ceramiche porose è una sfida perché un maggior numero di pori comporta una minore resistenza meccanica. La maggiore porosità viene a migliorare la capacità di isolamento e la leggerezza, ma, nello stesso tempo, viene a causare dei problemi alle qualità fisiche del mezzo.

I materiali porosi convenzionali possono perdere resistenza e restringersi alle alte temperature, rendendoli inadatti alle applicazioni aerospaziali. Per questo motivo, un team della Guangzhou University’s School of Materials Science and Engineering ha sviluppato un nuovo tipo di ceramica che supera i limiti della ceramica tradizionale. ha un designIl nuovo materiale  strutturale multiscala e il team ha pubblicato i suoi risultati sulla rivista Advanced Materials il 2 gennaio.

“La ceramica, denominata 9PHEB, mostra un’eccezionale conservazione delle dimensioni e della resistenza fino a 2.000 gradi Celsius [3.600 Fahrenheit], rendendola adatta all’uso in condizioni estreme”, ha scritto Chu, che ha guidato lo studio, nell’articolo. Il 9PHEB, o diboruro poroso ad alta entropia a 9 cationi, è stato creato mescolando nove componenti basati sul concetto di alta entropia. Tutti sono cationici, ovvero ioni con carica positiva.

Nel suo articolo, Chu ha sottolineato il crescente interesse per la progettazione ad alta entropia con i materiali ceramici sin dalla sua nascita nel 2015, grazie al suo potenziale per lo sviluppo di microstrutture uniche e proprietà personalizzabili. Il 9PHEB ha circa il 50% di porosità, ma la sua resistenza alla compressione a temperatura ambiente è di circa 337 MPa, il che lo rende significativamente più forte delle ceramiche porose precedentemente descritte.

La ceramica ha ottenuto buoni risultati nei test di isolamento e stabilità termica, mantenendo il 98,5% della sua resistenza a 1.500 gradi Celsius. Il 9HPEB ha dimostrato una deformazione plastica 2.000 gradi Celsius, a differenza delle ceramiche tradizionali più fragili.

Quando il materiale è stato deformato ad alte temperature, ha subito una deformazione del 49%, che ne ha aumentato la resistenza a 690 MPa – più del doppio della resistenza iniziale. Un fenomeno interessante però e che poi, sottoposto di nuovo a ricottura a temperature di 2000 gradi Celsius il materiale si è ridotto di circa il 2,4%, ma il volume è rimasto praticamente inveriato. Questo quindi rende il materiale precotto molto utile per qualsiasi impego che successivamente richieda una resistenza alle alte temperature, come i prodotti di rivestimeto per mezzi ipersonici.

Chu ha spiegato che le proprietà meccaniche e termiche della ceramica sono dovute al suo design “multiscala”, che comprende pori ultrafini su scala micro, interfacce di alta qualità su scala nanometrica e una forte distorsione reticolare su scala atomica.

Le dimensioni e la distribuzione dei pori nelle microstrutture della ceramica sono fondamentali per la sua progettazione. Secondo gli scienziati, il 92% dei pori è ultrafine, con dimensioni comprese tra 0,8 e 1,2 micrometri, il che li rende impareggiabili per le loro proprietà di isolamento termico. La ceramica presenta connessioni forti e prive di difetti su scala nanometrica che aumentano la resistenza meccanica. Su scala atomica, la distorsione del reticolo dovuta al design ad alta entropia migliora la rigidità e riduce la conduttività termica.

Adatto a condizioni estreme

Secondo i ricercatori, queste caratteristiche migliorano la resistenza meccanica e l’isolamento termico del materiale, rendendolo adatto a condizioni estreme. Zhuang Lei, professore associato presso la School of Materials Science and Engineering, ha dichiarato che il materiale ha ampie possibilità di applicazione nei settori aerospaziale, energetico e dell’ingegneria chimica.