Ceramici ultra-refrattari multi-elemento

Stabilizzazione e sviluppo di ceramici ultra-refrattari mediante “entropy engineering”

Responsabile: Frédéric Monteverde

Personale coinvolto: Federico Saraga

Il “disordine composizionale” può essere ingegnerizzato in composizioni multielemento popolando specifici sotto-reticoli di strutture cristalline ad elevata simmetria come BCC o FCC con molteplici cationi chimicamente distinti. I composti che ne derivano promuovono forme sovente sconosciute della materia solida cristallina dove i cationi incorporati vanno ad interagire tra di loro dando vita a nuovi legami chimici.

Modelli termodinamici di detti sistemi multicomponente ci dimostrano che il contributo entropico all’energia libera di Gibbs predomina su quello termodinamico e può controllare trasformazioni allo stato solido reversibili tra uno stato multifase e uno stato monofasico. Le distribuzioni di cationi contribuiscono alla stabilizzazione della nuova struttura quanto più si dimostrano casuali ed omogenee.

La gestione del “entropy engineering” offre una potente strategia per:

• immaginare e scoprire nuove fasi della materia solida cristallina;
• indagare opportunità inesplorate per l’ingegnerizzazione di proprietà funzionali.

Ceramici ultra-refrattari multi-elemento, più noti come ad elevata entropia, appartengono alla classe dei boruri e carburi dei metalli di transizione e catalizzano un’intensa ricerca di base che parte dalla sintesi degli stessi fino alla fabbricazione di materiali sinterizzati. L’entropia è configurabile in soluzioni solide varie e può essere appunto massimizzata per stabilizzare la formazione di nuovi composti: in genere, almeno quattro elementi possono essere mescolati in concentrazioni equi-molari. La micro-durezza di queste soluzioni solide multicomponente ha già dimostrato fare un salto di qualità rispetto a quella dei singoli componenti.

Strumenti e processi

• Pressatura uniassiale a caldo

Pubblicazioni e brevetti

• F. Monteverde, F. Saraga, Entropy stabilized single-phase (Hf,Nb,Ta,Ti,Zr)B₂ solid solution powders obtained via carbo/boro-thermal reduction, Journal of Alloys and Compounds Volume 824, 25 May 2020, 153930