I materiali stanno alla base di molteplici attività industriali e il loro studio risulta quindi un punto cruciale per lo sviluppo di nuove tecnologie e per il miglioramento delle esistenti; la capacità di crearne di nuovi con proprietà specifiche è fondamentale per la progettazione di prodotti innovativi e l’ottimizzazione delle prestazioni di quelli attualmente utilizzati.
Di tutto questo e molto altro ancora se ne occupa la “scienza dei materiali”, la quale si basa sulla conoscenza delle loro proprietà a livello atomico e molecolare sottolineando le potenzialità di progettazione con vecchi e nuovi materiali, applicando particolare enfasi alle correlazioni esistenti tra microstruttura e prestazioni.
La ricerca sui materiali ha portato a importanti sviluppi in diversi settori, come la medicina, l’energia, l’informatica, l’industria automobilistica e naturalmente anche quella aerospaziale!
L’obiettivo di questo articolo è proprio quello di mostrare i materiali (discutendo proprietà e caratteristiche degli stessi) dietro alcune delle applicazioni tecnologiche nell’ambito dell’aerospazio, fornendo inoltre una panoramica dei più recenti sviluppi nella ricerca relativa alle leghe ad alta entropia.
Per avere uno schema chiaro di quello che è lo studio dei materiali è bene partire dalla loro classificazione di base nelle tre categorie principali ossia metalli, polimeri e ceramici, i quali vengono così differenziati per proprietà intrinseche dovute alla loro struttura a livello atomico/molecolare; lo step successivo riguarda i materiali compositi ossia formati eterogeneamente da due o più fasi con proprietà fisiche differenti.
In questo articolo, in particolare, ci concentreremo sull’analisi della categoria dei metalli lasciando la trattazione delle altre categorie per articoli futuri.
Iniziamo con l’assegnare la definizione chimico-fisica di “metallo”, la quale è dettata dalla sua posizione come elemento nella tavola periodica, anche se talvolta il termine viene generalizzato intendendo un qualsiasi materiale formato da uno o più metalli (leghe);
le principali proprietà di questi materiali sono: l’elevata conducibilità termica ed elettrica, la capacità di riflettere la luce (dando luogo in tal modo alla cosiddetta lucentezza metallica), spesso buone caratteristiche di resistenza meccanica e infine la fusibilità se sottoposti al calore.
Il motivo per il quale vengono così largamente utilizzati sta però nel loro caratteristico legame atomico, per l’appunto detto “metallico”, che consiste nella delocalizzazione degli elettroni;
in parole povere ciò consente, non solo le proprietà precedentemente discusse, bensì anche la possibilità che atomi di elementi diversi si leghino facilmente, formando un’intima miscela omogenea per la creazione ad hoc di leghe con caratteristiche altamente specifiche tramite il processo di drogaggio.
Il drogaggio è un processo che consiste nell’inserire una piccola percentuale di un materiale diverso all’interno della matrice di un altro. In questo modo si alterano le proprietà chimiche, ottenendo un diverso comportamento elettrico, meccanico o chimico in base alle necessità. Questo procedimento permette di sfruttare una o più caratteristiche del materiale drogante, evitando però le difficoltà o i costi che comporta l’uso del materiale puro.
Le tecniche di drogaggio oggi sono diventate incredibilmente precise, al punto che è possibile inserire variazioni grandi un solo atomo. Questa enorme precisione è determinante per creare leghe ad alta entropia, materiali scoperti di recente e che di solito sono l’unione di almeno cinque diversi elementi. Esse, essendo estremamente resistenti e duttili, sono ideali per la realizzazione di oggetti che devono resistere ad un lancio per poi restare in orbita.
Queste leghe multicomponente vengono definite “ad alta entropia” e indicate con l’acronimo di HEAs (High-entropy alloys) proprio per la mescolanza casuale dei costituenti, la quale a livello teorico avrebbe dovuto portare alla formazione di precipitati di molte fasi diverse, difficili da analizzare e con utilizzi pratici limitati.
In realtà tramite evidenze sperimentali si è dimostrato l’opposto: l’elevata entropia di mescolamento facilita la formazione di fasi di soluzioni solide, le quali però, avendo strutture semplici, riducono del numero di fasi complessive presenti.
Come citato precedentemente, lo studio di queste leghe è ancora acerbo, ciononostante sono già state appurate delle importanti caratteristiche quali: eccellente resistenza specifica, prestazioni meccaniche superiori a temperature elevate, eccezionali doti di duttilità, tenacità a temperature criogeniche, superparamagnetismo e superconduttività.
Lo sviluppo di leghe ad alta entropia per l’ottenimento di materiali innovativi e performanti, anche in condizioni ambientali estreme come quelle delle missioni spaziali, è proprio l’obiettivo del progetto ATLAS, (Advanced Design of High Entropy Alloys Based Materials for Space Propulsion) il quale mira ad un importante avanzamento nella progettazione e costruzione dei propulsori spaziali, tramite la realizzazione di sistemi capaci di lavorare senza cedimenti in ambienti con variazioni di temperature da prossime allo zero assoluto a picchi di migliaia di gradi.
Riuscire ad aumentare le proprietà di resistenza oltre certi limiti è di per sé una grande sfida ma il problema principale sta anche nel limitare il peso dei vari componenti del velivolo, è qui che entrano in gioco le leghe ad alta entropia in grado di coniugare la soluzione ai due problemi.
Tramite un approccio multidisciplinare ATLAS si occupa di progettare e realizzare materiali compositi, utilizzando come matrice le leghe ad alta entropia, le quali poi vengono rinforzate con materiali ceramici. Si otterranno così materiali in grado di ottimizzare le proprietà richieste per essere utilizzati nelle camere di combustione dei propulsori spaziali. Per la realizzazione di rivestimenti e componenti con i materiali precedentemente nominati, si utilizzeranno due tecniche di manifattura additiva tra loro diverse ma complementari: una di natura dinamica chiamata “Cold Spray”, l’altra di natura termica detta “Powder Bed Fusion” (PBD).
Il cold spray, o spruzzatura a freddo, è una tecnica di deposizione delle polveri che, a differenza delle altre tecnologie, sfrutta l’energia cinetica e non richiede la fusione delle polveri. Tale processo si basa sull’accelerare le polveri metalliche a velocità supersoniche, attraverso questo meccanismo le polveri che impattano il substrato rimangono adese e formano progressivamente un rivestimento con spessore crescente. L’unica proprietà richiesta affinché l’adesione abbia luogo è che il materiale sia deformabile plasticamente e presenti, quindi, caratteristiche di duttilità. Ciò rende il cold spray particolarmente utile in quanto applicabile alla gran parte dei metalli, oltre che a rendere possibile lo sviluppo di nuovi materiali basati sulla miscelazione di polveri diverse.
La PBD, invece, consiste nel creare un pezzo strato su strato a partire da un letto di polvere metallica; tramite un laser le singole particelle vengono fuse consentendo una stampa 3D del pezzo finale. Tuttavia, essendo un processo tanto preciso quanto costoso, le sue applicazioni si limitano a componenti di piccole dimensioni.
Il progetto ATLAS e molti altri, partendo dalla scala microscopica/atomica, fanno riferimento alla scienza dei materiali per spiegare e migliorare gli effetti macroscopici dell’ingegneria, prospettando l’innovazione attraverso lo studio dei materiali, il quale è (e continuerà ad essere!) una sfida importante per il progresso nell’ambito aerospaziale.
A CURA DI
Fabrizio David Previti
Fonti:
https://www.polito.it/didattica/corsi-di-laurea/ingegneria-dei-materiali
https://www.tomshw.it/altro/gli-incredibili-materiali-che-usiamo-per-andare-nello-spazio/
https://www.chimicamo.org/chimica-fisica/leghe-ad-alta-entropia
https://www.ilsole24ore.com/art/materiali-resistenti-condizioni-estreme-lo-spazio-ricerca-guida-italiana-AEK764L
https://www.askanews.it/old/op.php?file=/scienza-e-innovazione/2021/05/25/materiali-basati-su-leghe-ad-alta-entropia-per-missioni-spaziali-pn_20210525_00038
https://www.3dnatives.com/it/laser-powder-bed-fusion-lpbf-050920219/