• CNT
• combustion-synthesis
• CVD
• microwaves
• modeling

Questa attività di ricerca è focalizzata sullo studio dei metodi produttivi su scala di laboratorio di due differenti strutture ibride a bassa densità per applicazioni nel settore automotive, con lo scopo di valutare l’influenza di diversi parametri di processo sulle caratteristiche finali del materiale composito.
I materiali ibridi comprendono compositi con rinforzo mediante fibre o particelle, schiume e lattici, e quasi tutti i materiali naturali. L’interesse scientifico di questi materiali è orientato sulla loro capacità di combinare diverse proprietà, massimizzare l’efficienza strutturale, minimizzare il peso ed i costi di produzione.
In questo studio sono state analizzate due tipologie di materiali ibridi con differenti strutture ed applicazioni. Il primo materiale è un intermetallico, nello specifico un alluminuro di nichel, che viene prodotto attraverso sintesi per combustione (CS) attivata da microonde. Esso viene impiegato come elemento di giunzione fra materiali eterogenei, come inconel e titanio, e risulta essere adatto sia per riparare componenti in-situ sia per assemblare componenti con diverse caratteristiche, che devono essere contemporaneamente esposti ad ambienti, temperature o sforzi meccanici differenti. Il secondo è invece un composito nanostrutturato dove nanotubi di carbonio (CNTs) sono fatti accrescere, mediante tecnica di Chemical Vapor Deposition, su un substrato a matrice di carbonio rinforzato con fibre di carbonio. I benefici nell’impiego di tali strutture ibride risiedono nella possibilità di controllare il coefficiente di espansione termica del componente finale, migliorandone la resistenza all’usura, l’idrofobicità e la conducibilità termica. Grazie alla resistenza all’abrasione ad elevata temperatura, esso viene impiegato nel gruppo freno e/o frizione nel settore delle competizioni automobilistiche.
L’approccio analitico impiegato per lo sviluppo delle tecniche di sintesi dei due materiali sopra menzionati è differente. Nel caso degli alluminuri di nichel, lo scopo principale della attività è basato sullo sviluppo di un modello matematico predittivo della CS di polveri metalliche micrometriche innescata da microonde.
La simulazione ha accoppiato diversi moduli, in particolare chimico, termico ed elettromagnetico, al fine di ottenere informazioni altrimenti difficilmente misurabili per via sperimentale. In tal modo è possibile valutare sia la variazione composizionale e delle temperature sia la cinetica di reazione durante il procedere della sintesi, dimostrando come l’applicazione delle microonde durante e dopo la sintesi possa alterare la velocità di raffreddamento dei prodotti e, di conseguenza, la loro microstruttura. La CS è stata scelta come tecnica di giunzione grazie alla sua capacità di sfruttare reazioni chimiche fortemente esotermiche che, una volta innescate, si autopropagano fino a completo esaurimento delle specie reagenti. Inoltre grazie al riscaldamento a microonde, che si basa sul trasferimento di energia invece che sul trasporto di calore, una volta innescata la reazione, è possibile continuare a generare calore nei prodotti, riscaldandoli e minimizzando la zona termicamente alterata.
Nello studio dei compositi nanostrutturati si sono invece analizzati due differenti approcci sperimentali che permettessero la sintesi di CNT su un substrato a base carbonio; essi differiscono per la presenza o meno di uno strato intermedio tra componente e rivestimento. La crescita di CNT è un approccio promettente per migliorare le proprietà meccaniche, elettriche e termiche di compositi strutturali. Tuttavia, il presente lavoro costituisce solamente uno studio preliminare di una tematica più ampia nell’ambito dello sviluppo di un nuovo materiale composito, come l’ infiltrazione in resina e l’ottimizzazione di tale processo.

The aim of the activity is focused on laboratory scale production methods of two different lightweight hybrid structures for high performance automotive application and on understanding the influence of several process parameters on the composite final characteristics. Hybrid materials include composites reinforced by fibers or particles, foams and lattices, and almost all natural materials. The goals of hybrid structures are the combination of different material properties, maximization of structural efficiency, weight and costs reduction. In the present study two types of hybrid materials showing different structures and target applications were analyzed. The first one is an intermetallic, in particular a nickel aluminide, produced through combustion synthesis (CS) activated by microwaves. This lightweight intermetallic is applied as joining material between heterogeneous base metals, like inconel and titanium, and it can also be used to in-situ repair damaged components and for assembling components presenting dissimilar characteristics, which need to be simultaneously exposed to different environments and/or temperature and/or mechanical stresses. The latter is a nanostructured composite where carbon nanotubes (CNTs) are grown on substrates made of carbon matrix reinforced with carbon fibers, by means of chemical vapor deposition technique. The benefits expected from the use of CNT-containing hybrid structures are related to the possibility to control expansion coefficient of the final components, and meanwhile to improve wear resistance, hydrophobicity and thermal conductivity. Thanks to high wear resistance at elevated temperature carbon nanotubes are currently used for high performance brake and clutch manufacturing in automotive applications. The two hybrid materials have been investigated using two different analytical approaches. With respect to nickel aluminides, the main research purpose is focused on developing a predictive and mathematical model of microwave ignited and sustained CS of micrometric metal powders. The simulation couples chemical, thermal and electromagnetic models to overcome the difficulty, or impossibility, to perform non perturbative temperature measurements during microwave initiated CS. Numerical simulation is also used to estimate the heating and cooling rates in each portion of the reactants and products volume, as well as of the surrounding substrates and supporting materials. The CS process has been chosen as joining technique because is based on the highly exothermic reaction by reactants, which, if properly ignited, spontaneously turn into products. In addition the activation by microwave heating is particularly efficient because is based on energy transfer instead of heat transfer, thus it allows continuous heating during and after the ignition, varying the cooling rate and, as a consequence, the microstructure and there is also a more rapid temperature increase of the whole reaction zone. This is also expected to minimize the extension of heat affected zones. Concerning nanostructured carbon composites, two different experimental approaches which allow the synthesis of CNT on carbon-based substrate have been used. One method exploits a barrier layer between substrate and CNTs, the other tries to grow CNTs directly on the carbon-based composite. The CNT growth is a promising approach for improving the mechanical, electrical and thermal properties of structural composites. However, this work is only a preliminary study focused on the growth process of CNT and further developments are necessary for inspecting wider issues concerning the new composite material like infiltration with the carbon matrix precursors and optimization of such process