INSTM - Consorzio Interuniversitario Nazionale per la Scienza e Tecnologia dei Materiali
CONSORZIO INTERUNIVERSITARIO NAZIONALE
PER LA SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI
Centro di Riferimento INSTM:
Laboratorio di tecnologia e ingegnerizzazione dei materiali ceramici (LINCE)
Coordinatore del Centro
Coordinatore:
Laura Montanaro
E-mail:
laura.montanaro@polito.it
Qualifica:
Prof. Ordinario
Categoria di afferenza:
B1
Sezione:
1. Materiali inorganici cristallini ed amorfi
Unità di Ricerca:
Torino Politecnico
Università o Ente:
Politecnico di Torino
Dipartimento:
Dip. di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica
Telefono:
011-5644680
Fax:
011-5644665
Ricercatore INSTM del Centro
Ricercatore:
Serena Di Nunzio
E-mail:
serena.dinunzio@polito.it
Qualifica:
Ricercatore INSTM
Categoria di afferenza:
A
Sezione:
1
Unità di Ricerca:
Torino Politecnico
Università o Ente:
Politecnico di Torino
Dipartimento:
Dip. di Scienza dei Materiali e Ingegneria Chimica
Telefono:
011-5644678
Fax:
011-5644699
Altre Unità di Ricerca partecipanti al Centro di Riferimento
Università di Cagliari
Dip. di Ingegneria Chimica e Materiali
Università di Modena e Reggio Emilia
Dip. di Ingegneria dei Materiali e dell
Obiettivi del Centro di Riferimento
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 ceramici per applicazioni strutturali, ma in prospettiva anche 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.
L’UdR INSTM del Politecnico di Torino si connota, in questo centro, come un gruppo con riconosciute competenze nello studio, progettazione e sviluppo, fino a livello pre-industriale, di materiali e componenti ceramici per applicazioni di elevato profilo ingegneristico, 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 nanostrutturati per implementate prestazioni meccaniche e funzionali. I membri della UdR 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, una delle pochissime presenti al momento in Europa. L’SPS rappresenta una delle concrete prospettive della realizzazione a costi contenuti e con una accettabile libertà di disegno di componenti ceramici ad alta densità e nanostrutturati: e’ significativamente impiegata in Giappone ed in Korea, ancora scarsamente in Europa e USA. Infatti, solamente tre SPS sono disponibili in Europa (Svezia, Germania ed Italia,) ed una in USA (University of California at Davis). Data l’ancora non ampia diffusione dell’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 tradizionali per applicazioni edilizie. 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 a quattro grandi filoni: a) materiali ceramici per applicazioni edilizie (prevalentemente piastrelle e sanitari); b) 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; c) 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.
- materiali ceramici ingegneristici per applicazioni meccaniche e termomeccaniche: sviluppo di materiali ceramici compositi a microstruttura controllata (potenzialmente nanostrutturati) per applicazioni meccaniche di elevato profilo (elevate resistenze a flessione, durezza) con implementazione dei tempi di vita a usura. A questa famiglia di materiali faranno anche riferimento le ricerche per lo sviluppo di componenti massivi o a film spesso (ad esempio ottenibili con deposizione elettroforetica) per la protezione termica di componenti di turbina o di hot-structures da applicarsi nell’industria aeronautica e aerospaziale. Nell’ambito delle applicazioni tribologiche e per barriera termica, questo centro potrà senz’altro interagire con entità analoghe (create o in fase di creazione in ambito consortile) direttamente votate alla produzione e caratterizzazione di rivestimenti. Inoltre particolare attenzione sarà dedicata anche a componenti porosi, a porosità controllata o a gradiente di porosità (PGM: porosity gradient materials) per applicazione alla filtrazione in condizioni di lavoro ostile (alte temperature, atmosfere chimicamente aggressive,..) e alla realizzazione di componenti per l’industria biomedica, quali adeguati sostituti ossei in grado di accoppiare ad elevate prestazioni meccaniche di bulk una porosità gradualmente variabile verso l’esterno, in modo da facilitare la colonizzazione cellulare.
- sviluppo della tecnologia SPS. 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/metalloeventualmente ottenuti anche per EDM.
Offerta del Centro all'industria
Alcuni dei proponenti hanno depositato un brevetto europeo dal titolo “Composition de revetement et procédé de revetement d’une surface d’un substrat” (European patent n° 01402318.8-2111 (2002)) e stanno depositando tramite Consorzio INSTM un brevetto italiano, dal titolo “Nuove tecnologie per la produzione di nanocompositi ceramici”, che potranno essere applicati nell’ambito dell’attività di LINCE.
Con riferimento ai possibili sfruttamenti industriali si prevede la verticalizzazione in chiave di spin off.
Possibilità di attivazione di contratti di ricerca specifici e mirati su problematiche che riguardino l'innovazione di prodotto e di processo nel settore dei materiali ceramici con particolare riferimento a: applicazione di materie prime e prodotti di sintesi; formulazione di impasti; innovazione ed ottimizzazione dei processi produttivi e del riutilizzo dei sottoprodotti di lavorazione; ottimizzazione delle variabili di conduzione dei processi di macinazione, essiccamento, cottura e dei trattamenti finali; caratterizzazione massiva e superficiale per la progettazione di nuovi materiali o nuove applicazioni di materiali prodotti su larga scala; modellizzazione multiscala ed aspetti predittivi riguardanti le correlazioni fra microstruttura e proprietà fisiche macroscopiche.
Realizzazione di spin-off per giovani che abbiano maturato esperienza sufficiente all'interno del Centro e nelle sedi che partecipano alle attività del centro.
Realizzazione di attività di formazione e ricerca in comune fra i partecipanti al Centro e le aziende che si dimostreranno interessate alle iniziative. Disponibilità a trasferire competenze, risultati di ricerca ottenuti, brevetti e prototipi sviluppati al settore industriale specifico di migliore pertinenza.
Organizzazione di attività di formazione e di trasferimento di conoscenza da realizzare in collaborazione alle aziende sulle tematiche che gli organismi preposti alla gestione dell'attività del Centro individueranno essere di interesse per il settore ceramico.
Dotazione strumentale
Descrizione strumentazione
Analisi termica simultanea DTA-TG
Analizzatore BET
Diffrattometro a Raggi X con camera calda HT
Dilametro assoluto
Dilatometro differenziale
Forno a camera e tubolare
Granulometro laser
Macchina serigrafica di produzione
Porosimetro a mercurio
SEM/EDS
Ball milling reactors
Diffrattometro RX
GC/MS
HPLC
ICP-OES
Instrom Tensile test
Reattori SHS
SEM-EDS
SPS
Anali termica per altissima temperatura
Analizzatore BET
Diffrattometro RX per polveri a T variabile
Forno a microonde
Forno per trattamenti termici in atmosfera controllata
Granulometro laser
ICP Plasma
Porosimetro a Hg
SEM/EDS
Sistema per analisi termica e termodilatometrica
Viscosimetro rotazionale shear rate and shear stress control