Ceramiche affidabili per sistemi ad alte prestazioni

Gli studi sulle ceramiche avanzate hanno evidenziato le loro eccezionali proprietà meccaniche, termiche e tribologiche, in particolare per applicazioni come moderni cuscinetti a rotolamento e scorrimento, oppure utensili per la lavorazione dei metalli e il taglio. Il team di ROLICER (Enhanced reliability and lifetime of ceramic components through multiscale modelling of degradation and damage) si è adoperato per colmare le lacune attuali sulla conoscenza delle proprietà microstrutturali delle ceramiche, il loro danneggiamento e degradazione. Poiché la microstruttura della ceramica ne controlla il comportamento macroscopico, la degradazione microstrutturale inciderà sull’affidabilità di ogni componente in uso.

I ricercatori hanno messo insieme una catena di strumenti di simulazione ed esperimenti di modelli bersaglio, per descrivere i meccanismi di danneggiamento che incidono sulla durata e l’affidabilità del nitruro di silicio. I calcoli e le simulazioni delle fratture su scala atomica possono evidenziare l’orientamento e i piani in cui sono maggiori le probabilità che si verifichino fratture a dimensioni superiori. Inoltre, utilizzando simulazione su macroscala, è possibile identificare i gradienti di stress che influenzano lo stato di sollecitazione in corrispondenza della fessurazione e, di conseguenza, indirizzare verso determinate raccomandazioni di progettazione o carico.

Mediante l’analisi agli elementi finiti, i ricercatori sono riusciti a studiare il comportamento delle fratture di nitruro di silicio sotto diversi carichi. I modelli di zona di coesione contribuiscono a simulare e predire l’insorgenza e la propagazione di piccole fessurazioni di dimensioni comprese tra 10 e 100 μm. Nel caso di crepe più grandi, il team ha utilizzato il metodo degli elementi finiti esteso.

Su scala atomica, l’attenzione si è indirizzata sulla modellizzazione precisa delle proprietà dei granuli, le relative interfacce, le strutture in massa e le pellicole di interfaccia intergranulare (IGF) che appaiono ai bordi dei grani. Queste simulazioni hanno consentito ai ricercatori di studiare la resistenza coesiva di granuli di nitruro di silicio con o senza difetti e impurità. Inoltre, le simulazioni IGF hanno reso più facile studiare l’adesione tra granuli.

In base alle scoperte scaturite da simulazioni numeriche, il lavoro si è incentrato sia sulla progettazione dei materiali, sia sull’introduzione nell’industria. Il team è riuscito a produrre e testare due qualità di nitruro di silicio adattati per il rotolamento a caldo. I rulli ceramici hanno processato 150 000 kg di diverse qualità di acciaio, tra cui una quantità senza precedenti di fili di superlega a base di nichel.

Il lavoro svolto dal team ROLICER sta per essere trasferito all’applicazione nell’industria. Le conclusioni del progetto dovrebbero contribuire ad ampliare notevolmente la gamma di sistemi ad alte prestazioni che utilizzano componenti ceramici, tra cui ingranaggi ceramici e sistemi a scorrimento e attrito.