Cause ed effetti dei gradienti termici e microstrutturali nelle ceramiche sinterizzate flash. Credito:WMG, Università di Warwick
La sinterizzazione flash è una tecnica di lavorazione della ceramica che utilizza la corrente elettrica per riscaldare intensamente il campione di ceramica internamente anziché utilizzare solo il riscaldamento esterno del forno. Il processo può abbassare significativamente le temperature e le durate di lavorazione della ceramica, consentire la co-lavorazione della ceramica con metalli o altri materiali, e riducendo il consumo di energia.
Però, il processo può portare a ceramiche di bassa qualità a causa di debolezze causate da disomogeneità nella microstruttura.
Le origini di queste disomogeneità causate dai gradienti termici nel materiale durante la sinterizzazione flash sono state studiate dai ricercatori del WMG, Università di Warwick e collaboratori accademici e industriali, e vengono delineati percorsi per mitigare gli effetti di questi dislivelli.
L'adozione di questi percorsi di sinterizzazione flash modificati consentirà un uso più ampio della sinterizzazione flash nella lavorazione della ceramica, consentendo una produzione di energia inferiore di molti prodotti ceramici utili, comprese le batterie a stato solido.
L'addensamento della ceramica mediante sinterizzazione flash riduce il consumo di energia e può essere utilizzato per migliorare la fattibilità della produzione di strutture ceramiche complesse come quelle necessarie per le batterie allo stato solido abbassando le temperature e accorciando la durata del trattamento termico.
Lavorando in collaborazione con partner accademici e industriali, ricercatori di WMG, L'Università di Warwick ha pubblicato una revisione dello stato dell'arte della sinterizzazione flash concentrandosi sulla formazione di regioni disomogenee all'interno della ceramica che attualmente limitano il potenziale di sinterizzazione flash. La revisione rileva che i gradienti termici sono responsabili delle disomogeneità microstrutturali e suggerisce percorsi per eliminare o ridurre questi effetti.
Lo sviluppo microstrutturale cambia con diversi approcci di sinterizzazione. La sinterizzazione flash produce microstrutture fini ad altissima densità con un consumo energetico inferiore rispetto agli approcci convenzionali. Credito:WMG, Università di Warwick
La riduzione del consumo energetico nell'industria manifatturiera della ceramica è un passo fondamentale per raggiungere gli obiettivi globali di riduzione delle emissioni, poiché i processi convenzionali richiedono lunghi trattamenti di cottura a temperature molto elevate. Negli ultimi dieci anni sono stati sviluppati diversi processi a bassa energia, con la sinterizzazione flash che emerge come un percorso particolarmente promettente per l'addensamento di materiali da utilizzare in applicazioni tra cui batterie a stato solido, rivestimenti a barriera termica, e giunti in ceramica.
Nella carta, "Promuovere l'omogeneità microstrutturale durante la sinterizzazione flash della ceramica attraverso la gestione termica" pubblicato come parte di un numero speciale del bollettino MRS, Gareth Jones e la dottoressa Claire Dancer di WMG, L'Università di Warwick ha lavorato con i collaboratori dell'Università di Trento, Università di tecnologia di Wuhan, Normandie Université, e Lucideon Ltd per esaminare le origini delle variazioni microstrutturali in diverse regioni dei materiali ceramici sottoposti a sinterizzazione flash.
Le differenze nello sviluppo microstrutturale derivano da gradienti termici all'interno del materiale durante la lavorazione, e questi possono essere ridotti da un'attenta gestione termica durante il processo di sinterizzazione flash. Questi includono:
I risultati di questa revisione forniscono una tabella di marcia per ulteriori ricerche sulla gestione termica nella sinterizzazione flash, che accelererà lo sviluppo del processo di implementazione industriale.
Simulazione della distribuzione del calore durante la sinterizzazione flash. Credito:WMG, Università di Warwick
Dott.ssa Claire Ballerina, leader del Gruppo Ceramica all'interno della Direzione Materiali e Sostenibilità di WMG, L'Università di Warwick commenta:
"Abbassare le temperature di lavorazione della ceramica utilizzando tecniche come la sinterizzazione flash è un passaggio essenziale per la produzione di strutture multimateriali complesse come quelle necessarie per le batterie a stato solido, e per ridurre il consumo energetico complessivo nell'industria ceramica.
"Però, il processo deve produrre materiali ceramici omogenei robusti per essere di uso diffuso. Il nostro articolo spiega perché la sinterizzazione flash può portare a proprietà disomogenee nella ceramica e suggerisce una serie di percorsi per mitigare questi effetti".
