Sintesi di un nuovo metodo laser per sintetizzare il carburo di afnio
Un gruppo di ricerca della North Carolina State University ha messo a punto un procedimento capace di ottenere carburo di afnio (HfC) in un unico passaggio, impiegando un laser a CO₂. Questo materiale si distingue per il suo punto di fusione oltre i 3 900 °C, l’elevata durezza e la resistenza a ossidazione e shock termico, caratteristiche fondamentali per rivestimenti termici di veicoli ipersonici e moduli di rientro atmosferico.
Dal percorso multistadio al laser single-step
Finora la sintesi di ceramiche ultrarifrattili come HfC prevedeva diversi stadi: reticolazione del precursore, pirolisi in forno ad alta temperatura e successive lavorazioni di purificazione. Il nuovo approccio, battezzato SLRP (Selective Laser Reaction Pyrolysis), sfrutta un fascio laser industriale OMTech per riscaldare un precursore liquido di tipo SHP199 HFC prodotto da Starfire Systems, il tutto in una camera protetta da flusso di argon. In pochi secondi il calore supera i 2 000 °C, innescando reticolazione e pirolisi contemporanee, con conseguente formazione diretta di polvere o rivestimento ceramico senza stampi né forni tradizionali.
Ottimizzazione con additivi
Per migliorare resa e purezza, sono stati testati due tipi di attivatori:
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Dicumil perossido, che agisce da catalizzatore termico senza alterare la riflettanza laser, aumentando la quantità di ceramica ottenuta e mantenendo bassa la presenza di ossidi indesiderati.
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Benzofenone, attivatore fotochimico sensibile a radiazione UV, riduce la riflessione del laser e favorisce l’assorbimento termico, ma introduce tracce di ossido di afnio a causa di ossigeno residuo.
I risultati indicano che il percorso termico garantisce un controllo di fase più affidabile, mentre l’attivazione fotochimica richiede un ambiente ancora più rigoroso.
Caratterizzazione strutturale e meccanica
Analisi con diffrazione a raggi X hanno confermato la formazione di un reticolo cubico omogeneo per campioni trattati a 1 700 °C, 1 800 °C e 2 000 °C senza attivazione UV. La dimensione media dei cristalliti si è attestata sui 40 nm, mentre osservazioni al microscopio elettronico hanno mostrato grani compatti a bassa porosità e distribuzione uniforme degli elementi. Nei campioni termici non è emersa contaminazione ossidativa, a testimonianza dell’efficacia dell’atmosfera inerte.
Deposizione di rivestimenti su compositi carbonio–carbonio
Un’ulteriore applicazione del metodo riguarda il rivestimento di substrati in composito carbonio–carbonio, largamente utilizzati nei sistemi aerospaziali. Una singola passata di deposizione riduce le asperità superficiali colmando i vuoti tra le fibre; un secondo strato modifica appositamente la rugosità e il profilo 3D, permettendo di calibrare le proprietà superficiali in funzione delle prestazioni termiche o aerodinamiche desiderate.
Confronto con le tecniche tradizionali
Le metodologie basate su polimeri ceramici prevedono ore di riscaldo e portano a rese del 26–36 %. SLRP raggiunge il 56 % di resa in meno di dieci minuti, grazie al riscaldamento rapido e localizzato che preserva la qualità del materiale. Questa caratteristica lo rende particolarmente adatto alla produzione di componenti complessi, piccoli lotti o geometrie termicamente sensibili.
Altro impiego dei laser nella lavorazione ceramica
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Lithoz & Oak Ridge National Laboratory hanno avviato un accordo per sperimentare il Laser-Induced Slipcasting (LIS) su ceramiche non ossidiche come carburo di silicio e nitruro di silicio, utilizzando la stampante CeraMax Vario V900. Il procedimento integra essiccazione a laser di paste ceramiche, per pezzi complessi senza supporti, e prevede test di sinterizzazione e performance termiche.
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Jiangnan University ha sviluppato un sistema di stampa 3D che unisce estrusione diretta (DIW) e fotopolimerizzazione a infrarossi vicini (NIR), con un laser da 980 nm in grado di solidificare filamenti ceramici da 0,4 mm a 3,5 mm al passaggio dell’ugello, senza necessità di riscaldamento aggiuntivo. Ciò consente di produrre strutture a sbalzo come molle e mensole, con precisione e bassi tempi di post-processo.
Prospettive di trasferimento tecnologico
Il team guidato dai professori Tiegang Fang e Chengying Xu si dichiara disponibile a collaborazioni con partner industriali e istituzioni governative per adattare il metodo SLRP a soluzioni pratiche: dalla produzione di rivestimenti protettivi al rivestimento di componenti per turbine aerospaziali, fino a elementi per reattori di fusione.
