Riassunto analitico
Questa ricerca esplora la creazione di rivestimenti termicamente stabili e ben aderenti sulla struttura dei compositi a matrice ceramica a ossidi (OCMC) per sviluppare un nuovo concetto di reattore per processi endotermici ad alta temperatura, come la produzione di idrogeno attraverso la riforma del metano. Attualmente, i reattori sono realizzati in acciaio inossidabile e sono riscaldati tramite gas, che reagisce con idrogeno e/o carbonio sopra i 900°C, causando il rinvenimento. Questo progetto mira a sostituire i tubi a fascio di acciaio inossidabile riscaldati esternamente con fasci di OCMC riscaldati elettricamente per aumentare la temperatura di reazione e ridurre il consumo di combustibili primari. Sono state impiegate due tecniche di spruzzatura termica: la spruzzatura di fiamma a sospensione ad alta velocità (HVSFS) e la spruzzatura a plasma atmosferico (APS), per ottenere rivestimenti compatti. Sono stati esaminati vari materiali con diversi valori di espansione termica, come Al2O3, ZrO2, YSZ, SiO2. Lo studio ha coinvolto l'analisi XRD di polveri e rivestimenti per verificare che durante il processo di deposizione non si siano verificati cambiamenti di fase, osservazioni al microscopio ottico e SEM per identificare eventuali difetti nei rivestimenti, e test di indentazione per determinare le proprietà meccaniche. Tutti i rivestimenti sono stati sottoposti a trattamento termico per 2 ore a 1200°C in condizioni atmosferiche per comprendere la stabilità di fase ed valutare eventuali crepe. I risultati indicano il potenziale per la produzione di rivestimenti adatti per applicazioni industriali ad alta temperatura attraverso la spruzzatura termica. Sulla base di rivestimenti privi di crepe dopo il processo di sinterizzazione, l'esito selezionato prevede l'uso di un rivestimento multistrato composto da uno strato di collegamento YSZ e uno strato di Al2O3 come strato superiore. La scelta di queste due polveri per il multistrato è stata basata su un confronto di densità, microdurezza, rugosità e proprietà di porosità. In particolare, considerando l'applicazione del materiale OCMC, il rivestimento di Al2O3 è stato selezionato come strato superiore per le sue alte proprietà di resistività elettrica, che sono significativamente superiori a quelle di YSZ.
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Abstract
This research explores the creation of well-adhered, thermally stable coatings on the structure of OCMCs (Oxide Ceramic Matrix Composites) to develop a new concept of a reactor for high-temperature endothermic processes, such as hydrogen production through methane reforming. Currently, reactors are made of stainless steel and are heated by gas, which reacts with hydrogen and/or carbon above 900°C, causing hardening. This project aims to replace externally heated stainless steel bundle tubes with electrically heated OCMC bundles to increase the reaction temperature and reduce the consumption of primary fuels. Two thermal spraying techniques have been employed: High-Velocity Suspension Flame Spraying (HVSFS) and Atmospheric Plasma Spraying (APS), to achieve compact coatings. Various materials with different CTE values, such as Al2O3, ZrO2, YSZ, SiO2, have been examined. The study involved XRD analysis of powders and coatings to verify that no phase changes occurred during the deposition process, optical and SEM microscope observations to identify any defects in the coatings, and indentation tests to determine the mechanical properties. All coatings were heat-treated for 2 hours at 1200°C under atmospheric conditions to understand the phase stability and evaluate any cracks. The results indicate the potential for producing coatings suitable for high-temperature industrial applications through thermal spraying. Based on crack-free coatings after the sintering process, the selected outcome involves the use of a multilayer coating consisting of a YSZ bond coat and a layer of Al2O3 as a top coat. The choice of these two powders for the multilayer was based on a comparison of density, microhardness, roughness, and porosity properties. In particular, considering the application of OCMC material, the Al2O3 coating was selected as the top coat due to its high electrical resistivity properties, which are significantly higher than those of YSZ.
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