LINCE (Laboratorio di Tecnologia e Ingegnerizzazione dei Materiali Ceramici)

Gli obiettivi di LINCE

L’attività del centro LINCE, che riunisce tre unità di ricerca INSTM, si propone come obiettivo la creazione di una struttura permanente di riferimento nel settore della tecnologia e ingegnerizzazione dei materiali ceramici, in grado di agire su due livelli operativi distinti, ma che sono, nella volontà dei proponenti, fortemente interconnessi.

Da un lato, LINCE è in grado di garantire fondate competenze nella ricerca di base ed applicata, da impiegarsi nella concezione di nuovi materiali sia per applicazioni strutturali che funzionali, con una missione quindi avente una forte connotazione verso l’innovazione scientifica in questo settore. Questa sua caratteristica lo rende pertanto un candidato privilegiato alla collaborazione con altri gruppi di ricerca (nazionali ed internazionali) che possono ritrovare in LINCE molteplici e sinergiche competenze derivanti dall’aggregazione dei tre proponenti.

Dall’altro lato, i partecipanti a LINCE possiedono anche consolidata esperienza nella relazione con il mondo della produzione industriale, sia per le loro competenze nell’approccio “problem solving” di tecnologie già in atto, sia, in particolare, nel trasferimento industriale di nuovi prodotti e processi. Questo, quindi, costituisce una solida base per rendere LINCE un interlocutore privilegiato del settore ceramico industriale nazionale ed europeo (come dimostrano peraltro pregressi contratti di ricerca stipulati dai proponenti con Aziende leader del settore). La sinergia dell’aggregazione è fortemente connotata dal fatto che le tre unità partecipanti portano a LINCE competenze e professionalità fortemente complementari.

L’UdR INSTM di Modena ha una più spiccata connotazione verso i materiali ceramici cosiddetti tradizionali, che costituiscono un settore industriale di grande rilevanza nazionale, che viene gestita mantenendo una salda relazione con gli aspetti teorici della scienza e tecnologia dei materiali ceramici, e, anzi, approfondendo anche approcci computazionali e di simulazione, che ben si adattano anche a materiali per applicazioni tecnologiche più avanzate. Inoltre l’UdR INSTM di Modena ha competenze per quanto riguarda i compositi ceramici e i biomateriali ceramici, a base di biovetri e sistemi ibridi polimero/ceramico.

L’UdR INSTM del Politecnico di Torino ha competenze riconosciute sia per quanto riguarda i materiali ceramici tradizionali, sia per quanto concerne lo studio, la progettazione e lo sviluppo, fino a livello pre-industriale, di materiali e componenti ceramici per applicazioni ingegneristiche, sia di tipo meccanico/termomeccanico, che funzionale, a completare pertanto il panorama sui materiali ceramici che possono interessare il mondo della ricerca accademica o industriale.

Infine, l’UdR INSTM di Cagliari apporta le competenze tipiche dello scale-up di processo e prodotto che la connotano per gli aspetti più schiettamente di ingegneria chimica e una strumentazione (Spark Plasma Sintering, SPS) di elevato profilo ed interesse nell’attuale ricerca verso la realizzazione di materiali monofasici e compositi anche nanostrutturati per implementate prestazioni meccaniche e funzionali. I componenti della UdR INSTM di Cagliari hanno acquisito una solida conoscenza teorica e pratica, grazie alla collaborazione che li ha legati e tuttora li lega a laboratori leader internazionali, nel settore della densificazione dei materiali tramite SPS e hanno da breve acquisito presso il loro laboratorio tale apparecchiatura. L’SPS rappresenta una delle concrete prospettive per la realizzazione a costi contenuti e con una accettabile libertà di disegno di componenti ceramici ad alta densità anche nanostrutturati: è significativamente impiegata in Giappone ed in Corea mentre non più di una decina di unità SPS sono disponibili in Europa (Svezia, Spagna, Francia, Germania ed Italia) ed in USA. Data l’ancora non ampia diffusione della tecnologia SPS, almeno a livello europeo, l’apparecchiatura gestita dall’UdR di Cagliari può rappresentare un forte polo di attrazione per ricercatori pubblici e privati.

Partendo da queste premesse, è evidente come LINCE possa collocarsi come un centro di riferimento a 360° nel mondo dei materiali ceramici, con particolare riguardo agli aspetti tecnologici ed ingegneristici, coprendo la molteplicità delle tipologie di prodotti e processi che a questa categoria di materiali fa riferimento (dalle ceramiche “tradizionali” a quelle per applicazioni avanzate) e potendo fornire competenze scientifiche ed accesso a strumentazioni che possono ricoprire un largo spettro di esigenze.

Per questo le linee di ricerca, studio e sperimentazione alle quali LINCE si rivolgerà sono le seguenti:

  • Materiali ceramici tradizionali per applicazioni in edilizia ed architettura. Nell'attività particolare risalto dovranno avere gli studi inerenti i materiali ceramici strutturali per applicazioni industriali e vetrosi, che dovranno essere affrontanti sia nei loro aspetti teorici, ma anche in quelli più applicativi, tenendo conto che la grande evoluzione nelle tecnologie industriali e nei processi richiede lo sviluppo di nuovi materiali sempre più performanti. L’attività da sviluppare in forte sinergia anche con le aziende operanti nel settore, può essere ricondotta al alcuni grandi filoni: a) materiali ceramici per applicazioni edilizie (prevalentemente piastrelle e sanitari); b) materiali cementizi innovativi, a prestazioni e durabilità incrementati, con specifica attenzione a prodotti e processi a ridotto impatto ambientale (cementi e calcestruzzi rinforzati con nanotubi o microinerti in carbonio; cementi self-healing, miscele geopolimeriche); c) progettazione, caratterizzazione ed applicazione di vetri (anche da materie prime di risulta e prodotti da riciclare) materiali vetroceramici, coloranti e pigmenti per l’industria ceramica; d) innovazione di processo e materiali ad alte prestazioni con riferimento particolare alla realizzazione di superfici ceramiche funzionalizzate con prestazioni sempre più spinte, ottenute con microstruttura controllata su scala nanometrica con processi anche non convenzionali; e) studio e caratterizzazione di materiali antichi; individuazione delle fenomenologie di degrado; sviluppo di nuovi materiali compatibili con quelli preesistenti da impiegarsi per il restauro, protezione e consolidamento dei beni architettonici e culturali, ottenuti sia attraverso la formulazione di nuove composizioni, sia coniugando materiali tradizionali a soluzioni innovative (materiali ibridi organici/inorganici).
  • Materiali ceramici per applicazioni biomedicali. Il centro avrà tra gli obiettivi primari quello di promuovere la ricerca e lo sviluppo di materiali ceramici per applicazioni biomedicali, il cui forte interesse è dettato dalle loro spiccate caratteristiche meccaniche, ottima biocompatibilità, assenza di fenomeni di corrosione e, qualora necessarie, dovute proprietà estetiche. Le attività da sviluppare in forte sinergia anche con le aziende operanti nel settore, possono essere ricondotte al alcuni grandi filoni: a) ceramici strutturali bio-inerti: sviluppo e caratterizzazione di materiali monolitici (in particolare allumina e zirconia) e ceramici compositi/nanocompositi, anche a composizione e microstruttura complessa, per applicazioni ortopediche (protesi dell’anca, del ginocchio, delle dita), dentali (corone, ponti ed impianti) e spinali (dischi lombari); b) ceramici porosi, bioattivi, ed eventualmente bio-riassorbibili, da impiegarsi come sostituti ossei, principalmente a base di idrossiapatite, tricaclio fosfato e loro compositi, anche in sistemi ibridi polimero-ceramico, per la realizzazione di sostituti ossei in applicazioni ortopediche, dentali e maxillofacciali. Sviluppo di componenti a porosità controllata (taglia, distribuzione ed interconnessione) ed a gradiente di porosità (PGM: porosity gradient material), in grado di accoppiare ad elevate prestazioni meccaniche di bulk una porosità gradualmente variabile verso l’esterno, in modo da facilitare la colonizzazione cellulare; c) sviluppo di rivestimenti biocompatibili, per applicazioni protesiche. In particolare vengono investigati sistemi metallo-idrossiapatite e metallo-biovetro; d) sviluppo di biovetri innovativi con composizione ottimizzata al fine di ottimizzarne la bioattività; e) eventuale sintesi e caratterizzazione di particelle magnetiche, attraverso processi di elaborazione innovativi, da impiegarsi per la diagnostica medica, per l’acquisizione di immagini e per terapie contro il cancro.
  • Materiali compositi, per applicazioni meccaniche e termomeccaniche. Obiettivo del centro sarà quello di promuovere la progettazione e lo sviluppo di ceramici compositi, caratterizzati da elevata resistenza meccanica e stabilità termica, ideati quindi per operare per lungo tempo in condizioni ostili. A titolo di esempio, si riporta lo sviluppo di compositi/nanocompositi bi-fasici quali allumina-YAG e Allumina-ZrO2 e loro sistemi trifasici. Tali materiali potranno essere prodotti sia come componenti massivi (con molteplici applicazioni, dagli utensili da taglio, ai guidafili per l’industria tessile, all’ambito aeronautico ed aerospaziale) che porosi (con applicazioni ad alta temperatura, in ambienti ostili e chimicamente aggressivi, ad esempio per la filtrazione di sali fusi o gas ad alta temperatura e supporti catalitici).
  • Ceramici per applicazioni funzionali. Anche qui, la ricerca e le competenze del LINCE possono fare riferimento ad alcuni filoni principali, quali: a) sensori ceramici di gas (CO/CO2, NOx, NH3, O3) e di umidità. Sviluppo di sensori tramite tecnica serigrafica o deposizione elettroforetica, a partire da (nano)polveri commerciali o di sintesi per via solida, sol-gel od idrotermale; b) ceramici trasparenti (ad esempio: YAG) impiegabili come laser allo stato solido (se opportunamente drogati), come finestre ottiche, come barriere di sicurezza; c) ceramici ferroelettrici impiegabili in dispositivi elettronici basati sul principio piezoelettrico, quali sensori di pressione o temperatura, attuatori, energy harvester.
  • Ceramici per rivestimenti: materiali a incrementata resistenza e stabilità termica, da impiegarsi per esempio per la protezione termica di turbine o hot-structures nell’industria aeronautica ed aerospaziale.
  • Ceramici prodotti attraverso tecnologie di sinterizzazione non convenzionali. Si fa riferimento in particolare allo sviluppo della tecnologia SPS, i cui studi preliminari hanno già evidenziato ampiamente le potenzialità di questa tecnica, in grado di coniugare la rapidità con cui avvengono le trasformazioni chimiche con il mantenimento della struttura nanometrica eventualmente presente nelle polveri iniziali. La sperimentazione riguarderà materiali per impieghi in applicazioni strutturali ad alta temperatura in diversi settori le cui principali caratteristiche richieste siano elevata resistenza a usura a caldo, elevata tenacità a caldo, eventuale comportamento superplastico. Particolare attenzione verrà rivolta all’estensione della tecnologia alla realizzazione di pezzi complessi ad esempio in carburi o in compositi ceramico/metallo eventualmente ottenuti anche per EDM.
  • Materiali ibridi polimero-ceramico: sviluppo e caratterizzazione di compositi a matrice termoindurente o termoplastica rinforzati con una seconda fase ceramica in grado di migliorare proprietà funzionali quali la stabilità termica o la risposta piezoelettrica dei materiali organici, conservandone però gli aspetti positivi quali il peso limitato o la flessibilità.

Il Coordinatore e le UdR coinvolte


Cosa può offrire LINCE all'industria


La dotazione strumentale di LINCE

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