Il Gruppo di ricerca sui Ceramici Trasparenti di CNR ISTEC si occupa da circa un decennio dello sviluppo dei materiali ceramici trasparenti, a base YAG o di sesquiossidi con drogaggio di terre rare per applicazioni in ottica e fotonica, e a base di MgAl2O4 spinello per applicazioni come finestre ottiche protettive e resistenti anche in condizioni estreme ed alte temperature nell'ambito di aerospazio o difesa. Lo spinello è un materiale ceramico policristallino con struttura cristallina cubica, è otticamente isotropo, inoltre ha temperatura di fusione di 2135°C , elevate proprietà meccaniche e una eccellente trasparenza, dal vicino UV fino al medio IR. Per la produzione del MgAl2O4 -spinello trasparente esistono due possibili approcci: il primo di basa sulla sinterizzazione di polveri micrometriche o nanometriche di fase MgAl2O4 mentre il secondo sulla sinterizzazione reattiva di polveri a partire da una miscela stechiometrica di polveri di Al2O3 e MgO. Lo studio qui riportato è stato condotto in collaborazione da CNR ISTEC e ICSI, che hanno messo a frutto l'esperienza maturata separatamente nel corso degli anni sull'argomento. In particolare, presso ISTEC era stata precedentemente messa a punto una tecnologia di produzione di componenti trasparenti a base di spinello partendo da polveri di ossidi di Al2O3 e MgO e utilizzando la pressa a caldo (Hot Press, HP) per la densificazione. Ad ICSI erano invece stati ottenuti campioni con un elevato grado di trasmittanza utilizzando polveri di spinello e la pressa isostatica a caldo (Hot Isostatic Press, HIP). Lo scopo dell'attività qui descritta è lo sviluppo di una tecnologia per la produzione di componenti ceramici trasparenti a base di MgAl2O4-spinello di medie dimensioni (fino a 80 mm di diametro) che possa essere trasferita su scala industriale. Nello studio sono state utilizzati una tecnica mista di densificazione (HP+HIP), polveri commerciali di ossidi separate, che densificano più velocemente e con pressioni inferiori rispetto alle polveri di spinello, e additivi di sinterizzazione alternativi a quelli proposti in letteratura. Come risultati preliminari sono stati ottenuti campioni di 30 mm di diametro, 5-6 mm di spessore, densi al 100%, con trasmittanza ottica a 1100 nm superiore all'82%, corrispondente al 94% di quella massima teorica, e durezza HV1.0 di 14 GPa. Dalla sperimentazione di una gamma di materie prime commerciali sono inoltre stati identificati due tipi di polveri di Al2O3 idonee alla produzione di MgAl2O4 -spinello di buona qualità. E' infine stata investigata la possibilità di utilizzare additivi di sinterizzazione alternativi al convenzionale fluoruro di litio (LiF) ottenendo risultati molto promettenti. La fase successiva del progetto sarà rivolta alla verifica della scalabilità del processo per la produzione di componenti di 80 mm di diametro. In uno scenario futuro, i risultati contribuiranno alla creazione di un impianto industriale in grado di fornire lotti medio-grandi di protezioni per i sensori infrarossi elettro-ottici e/o finestre protettive ad elevata resistenza meccanica a base di spinello, di qualità elevata e costante e a prezzo ragionevole. Lo studio è stato co-finanziato dal Ministero della Difesa con il contratto n. 1876 di rep. del 21/12/2016.
Materiali ceramici trasparenti a base MgAl2O4-spinello per applicazioni aerospaziali
Jan Hostasa;Andreana Piancastelli;Valentina Biasini;
2018
Abstract
Il Gruppo di ricerca sui Ceramici Trasparenti di CNR ISTEC si occupa da circa un decennio dello sviluppo dei materiali ceramici trasparenti, a base YAG o di sesquiossidi con drogaggio di terre rare per applicazioni in ottica e fotonica, e a base di MgAl2O4 spinello per applicazioni come finestre ottiche protettive e resistenti anche in condizioni estreme ed alte temperature nell'ambito di aerospazio o difesa. Lo spinello è un materiale ceramico policristallino con struttura cristallina cubica, è otticamente isotropo, inoltre ha temperatura di fusione di 2135°C , elevate proprietà meccaniche e una eccellente trasparenza, dal vicino UV fino al medio IR. Per la produzione del MgAl2O4 -spinello trasparente esistono due possibili approcci: il primo di basa sulla sinterizzazione di polveri micrometriche o nanometriche di fase MgAl2O4 mentre il secondo sulla sinterizzazione reattiva di polveri a partire da una miscela stechiometrica di polveri di Al2O3 e MgO. Lo studio qui riportato è stato condotto in collaborazione da CNR ISTEC e ICSI, che hanno messo a frutto l'esperienza maturata separatamente nel corso degli anni sull'argomento. In particolare, presso ISTEC era stata precedentemente messa a punto una tecnologia di produzione di componenti trasparenti a base di spinello partendo da polveri di ossidi di Al2O3 e MgO e utilizzando la pressa a caldo (Hot Press, HP) per la densificazione. Ad ICSI erano invece stati ottenuti campioni con un elevato grado di trasmittanza utilizzando polveri di spinello e la pressa isostatica a caldo (Hot Isostatic Press, HIP). Lo scopo dell'attività qui descritta è lo sviluppo di una tecnologia per la produzione di componenti ceramici trasparenti a base di MgAl2O4-spinello di medie dimensioni (fino a 80 mm di diametro) che possa essere trasferita su scala industriale. Nello studio sono state utilizzati una tecnica mista di densificazione (HP+HIP), polveri commerciali di ossidi separate, che densificano più velocemente e con pressioni inferiori rispetto alle polveri di spinello, e additivi di sinterizzazione alternativi a quelli proposti in letteratura. Come risultati preliminari sono stati ottenuti campioni di 30 mm di diametro, 5-6 mm di spessore, densi al 100%, con trasmittanza ottica a 1100 nm superiore all'82%, corrispondente al 94% di quella massima teorica, e durezza HV1.0 di 14 GPa. Dalla sperimentazione di una gamma di materie prime commerciali sono inoltre stati identificati due tipi di polveri di Al2O3 idonee alla produzione di MgAl2O4 -spinello di buona qualità. E' infine stata investigata la possibilità di utilizzare additivi di sinterizzazione alternativi al convenzionale fluoruro di litio (LiF) ottenendo risultati molto promettenti. La fase successiva del progetto sarà rivolta alla verifica della scalabilità del processo per la produzione di componenti di 80 mm di diametro. In uno scenario futuro, i risultati contribuiranno alla creazione di un impianto industriale in grado di fornire lotti medio-grandi di protezioni per i sensori infrarossi elettro-ottici e/o finestre protettive ad elevata resistenza meccanica a base di spinello, di qualità elevata e costante e a prezzo ragionevole. Lo studio è stato co-finanziato dal Ministero della Difesa con il contratto n. 1876 di rep. del 21/12/2016.I documenti in IRIS sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
