Scienziati dell'Università di Nagoya, lavorando in collaborazione con NGK Spark Plug Co., srl, hanno sviluppato una serie di materiali compositi composti da strati di ossido di alluminio (Al2O3) e carburo di tungsteno (WC) con atomi di zirconio in mezzo. Questi speciali materiali compositi Al2O3-WC superano le prestazioni dei materiali superduri esistenti nel combinare la durezza con la resistenza a piegarsi o rompersi in modo permanente. Credito:Università di Nagoya
I compositi a matrice ceramica (CMC) sono materiali incredibilmente resistenti utilizzati nei motori a reazione, turbine a gas, e utensili da taglio per superleghe di nichel. Ossido di alluminio (Al 2 oh 3 ) è duro e chimicamente inerte, e il carburo di tungsteno (WC) viene utilizzato come materiale superduro, ma gli sforzi passati per creare un Al 2 oh 3 -WC CMC ha prodotto risultati insoddisfacenti. Recentemente, uno studio di scienziati giapponesi, pubblicato in Rapporti scientifici , mostra che l'aggiunta di atomi di zirconio si traduce in un miglioramento dell'Al 2 oh 3 -WC CMC.
Data la potenziale utilità di Al 2 oh 3 -WC CMC come materiali superduri, ricercatori di tutto il mondo hanno testato diverse formulazioni per identificarne una con un'elevata resistenza alla flessione, che è una misura dello stress fisico a cui un materiale può essere sottoposto prima che diventi permanentemente piegato o rotto. In precedenza, nessun gruppo aveva sviluppato un Al 2 oh 3 -WC CMC con resistenza alla flessione maggiore di 1 gigapascal, il che significava che quelli precedenti Al 2 oh 3 - Le CMC WC non sono state in grado di superare le prestazioni dei materiali CMC esistenti. Nel tentativo di ottenere una maggiore resistenza alla flessione, il suddetto team di scienziati giapponesi ha condotto uno studio, guidato da scienziati dell'Università di Nagoya, in collaborazione con NGK Spark Plug Co., Ltd. Nel loro studio, gli scienziati hanno sperimentato l'aggiunta di piccole quantità di biossido di zirconio (ZrO 2 ) durante la creazione di Al 2 oh 3 -WC CMC. Questa aggiunta ha prodotto Al . "superduro" 2 oh 3 -WC CMC con resistenza alla flessione maggiore di 2 gigapascal. Come notano gli investigatori principali, il Dr. Tomohiro Nishi e il Dr. Katsuyuki Matsunaga, "Questo è il massimo storico in campo".
In particolare, i ricercatori hanno ottenuto questi notevoli miglioramenti della resistenza alla flessione con un'aggiunta relativamente modesta di ZrO2. L'additivo rappresentava meno del 5% della massa dell'Al . finito 2 oh 3 -WC CMC, che è inferiore alla quantità di additivo solitamente presente nelle CMC con aggiunta di additivi. Quando i ricercatori hanno studiato le strutture del loro Al . potenziato con ZrO2 superduro 2 oh 3 -WC CMC che utilizzano un metodo chiamato microscopia elettronica a trasmissione a scansione a risoluzione atomica, hanno scoperto che gli atomi di Zr si trovavano in strati sottili tra fogli di Al 2 oh 3 e WC. Per quanto riguarda le interfacce tra Al 2 oh 3 e lenzuola WC, Il dottor Nishi e il dottor Matsunaga affermano, "Tali interfacce sono generalmente punti deboli rispetto alle proprietà meccaniche". Perciò, l'interfaccia tra i fogli è una posizione plausibile per gli atomi di Zr per esercitare effetti che rafforzano l'Al 2 oh 3 -WC CMC. Infatti, quando i ricercatori hanno modellato gli effetti degli atomi di Zr utilizzando tecniche di un campo della fisica matematica noto come teoria del funzionale della densità, i loro risultati hanno indicato che uno strato interfacciale di atomi di Zr migliorerebbe la stabilità dei loro CMC.
Gli investigatori prevedono un brillante futuro per i loro nuovi CMC. Commentando le loro potenziali applicazioni, Il dottor Matsunaga afferma, "I materiali che abbiamo sviluppato possono essere utilizzati come materiali superduri in dispositivi per la lavorazione dei metalli per il taglio di componenti metallici duri da utilizzare in aeroplani e automobili". Infatti, notano che gli ingegneri della NGK Spark Plug Co. hanno già commercializzato i materiali come componenti negli utensili da taglio.
La creazione di questi Al . potenziati 2 oh 3 -WC CMC serve come esempio dei notevoli miglioramenti nelle proprietà fisiche che possono essere ottenuti con aggiunte relativamente minori a un materiale.
La carta, "Materiali compositi superduri avanzati con resistenza meccanica estremamente migliorata grazie alla segregazione interfacciale di droganti diluiti, " è stato pubblicato sulla rivista Rapporti scientifici il 3 dicembre 2020.
