Elevata resistenza alla flessione a 1800 °C superiore a 1 GPa in TiB2

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6915 (2023) Citare questo articolo

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Il composito ceramico ad alta densità (99,5%) composto da boruro di titanio e carburo di boro (70/30 vol%) è stato ottenuto mediante sinterizzazione al plasma a scintilla ed è stato testato mediante test di flessione a 3 punti in atmosfera di Ar a 1800 °C. La resistenza alla flessione era elevata, circa 1,1 GPa. La curva resistenza-deformazione presenta una forma peculiare composta da tre regioni dove sono attive deformazioni elastiche e plastiche con peso diverso. Sulla base delle osservazioni al microscopio elettronico a trasmissione proponiamo un processo di assorbimento di energia meccanica guidato dallo stress di taglio nei cristalli di carburo di boro: difetti di impilamento con piani di impilamento (1-11) e (011) e gemelli con piano di gemellaggio (1-11) riorganizzati in nano-gemelli con (10-1) piani di gemellaggio, ortogonali ma equivalenti a quelli iniziali. Questo meccanismo di riarrangiamento fornisce in primo luogo una segnatura plastica, ma contribuisce ulteriormente a rafforzarla.

I progressi tecnologici in settori strategici come l’energia nucleare e l’industria aerospaziale sono legati principalmente alla progettazione di materiali funzionali avanzati e innovativi1. Tali materiali per condizioni estreme dovrebbero essere in grado di resistere a temperature molto elevate, possedere elevata durezza, tenacità e, idealmente, una buona conduttività termica, elettrica e stabilità chimica. Tutte le funzionalità sopra menzionate dovrebbero verificarsi contemporaneamente. Inoltre, la produzione di questi materiali dovrebbe essere economica, veloce e scalabile2.

Solo poche famiglie di materiali3 soddisfano il particolare e ristretto insieme di requisiti sopra menzionati. Tra questi figurano i metalli refrattari (ad es. W e Mo), gli ossidi (ZrO2 e MgO), i boruri (TiB2 e TaB)4, i carburi (TaC, ZrC e TiC) o i nitruri (TaN e HfN). In generale, a temperatura ambiente i metalli sono duttili e subiscono deformazione plastica, mentre le ceramiche sono fragili, dure e si deformano elasticamente. Tuttavia, del tutto inaspettato, può verificarsi un comportamento deformativo accompagnato da insoliti meccanismi fisici di deformazione. Ad esempio, alcune ceramiche come il carburo di tantalio (TaC), il boruro di afnio (HfB2) e il carburo di boro (denotato BC) sono in grado di adattarsi a deformazioni plastiche ad alte temperature simili a quelle dei metalli, a causa ad esempio della dinamica dei difetti cristallografici5,6,7, 8. Sotto carico meccanico, l’interazione tra le proprietà intrinseche del materiale (chimica dei cristalli e difetti) e la microstruttura su scala nano e micro (dimensione dei grani, distribuzione, forma e confini dei grani) può promuovere nuovi meccanismi fisici di rilassamento energetico. Questi meccanismi danno luogo ai profili peculiari delle curve sforzo/deformazione. Inoltre, è noto che è necessario considerare le condizioni di applicazione del carico (ad esempio il tipo di carico, la quantità e l'angolo di applicazione), la dimensione e la forma del campione.

Negli ultimi anni c'è un grande interesse per la ceramica TiB2 e i compositi rinforzati, ad esempio, con B4C e SiC9,10,11,12,13,14,15. Queste ceramiche vengono studiate mediante prove di flessione solitamente a temperatura ambiente. In generale, a seconda della dimensione dei grani, del rinforzo e della microstruttura del composito, considerando anche i difetti, la resistenza alla flessione a temperatura ambiente raggiunge valori di 600–900 MPa. I meccanismi di frattura macroscopica sono legati alla formazione e allo sviluppo di crepe, meccanismi tipici delle ceramiche fragili. Tra questi, la letteratura indica l'indurimento delle microfessure interfacciali dovuto a differenze di coefficiente di dilatazione termica dei componenti compositi, deflessione delle fessure, clivaggio e aumento della frattura intergranulare14. È stato riportato un numero molto inferiore di studi sulle proprietà meccaniche di questi materiali alle alte temperature. Nel rif.9 vengono esaminati i lavori che presentano la resistenza alla flessione ad alte temperature del TiB2. Apprendiamo che anche i valori di resistenza alla flessione non superano 1GPa anche se un trend crescente con l'aumento della temperatura del test è notevole e merita attenzione. È stato recentemente riportato che la resistenza alla flessione del composito TiB2-B4C raggiunge valori elevatissimi fino a 8,4 GPa a 2000 °C16. Questi valori superano significativamente il limite di 1GPa per la resistenza alla flessione a temperatura ambiente.