SUSPENCE

Ceramici ultra-resistenti per protezione in ambienti ostili e difesa

Responsabile: Laura Silvestroni

Personale coinvolto: Diletta Sciti, Nicola Gilli, Simone Failla, Alex Sangiorgi, Cesare Melandri, Claudio Capiani

Data di inizio: 15/09/2020
Durata: 36 mesi
Finanziamento totale: 300.000 €
Bando: NATO Emerging Security Challenges Division, SPS Programme
Ruolo CNR-ISTEC: Project Coordinator
Coordinatore: Laura Silvestroni (CNR-ISTEC)
Consorzio: Institute of Technical Sciences of the Serbian Academy of Sciences and Arts (ITS-SASA) – Serbia, Missouri Science and Technology University (MS&T) – U.S., Industrie Bitossi S.p.A. (Italy), Italian Aerospace Research Centre – CIRA (Italy)
Website: www.suspence-natosps.it

SUSPENCE propone soluzioni tecnologiche innovative per rispondere alle priorità delineate dal programma Science for Peace and Security (SPS) che riguarda la protezione di personale, risorse critiche e infrastrutture mediante lo sviluppo di ceramici nano-strutturati e ultra-resistenti capaci di operare in ambienti ostili. Ostile in questo contesto si riferisce a due maggiori campi: i) protezione balistica, in cui sono richiesti elevata resistenza, durezza e basso peso per dissipare l’alta energia di impatto e resistere alla penetrazione del proiettile nell’armatura e ii) sistemi ipersonici, che necessitano di materiali capaci di sopravvivere a elevati flussi di calore così come carichi aerodinamici e meccanici.
Gli attuali materiali soffrono una serie di limitazioni tecnologiche, come rapporto sfavorevole tra costi di produzione e prestazioni, o incapacità di sopravvivere a importanti flussi ablativi. I ceramici ultra-refrattari (UHTCs) sono possibili candidati che, dopo opportuna messa a punto di composizioni e microstrutture, possono offrire una soluzione in entrambe le aree.
SUSPENCE studia nuovi materiali con migliore efficienza e durabilità su un ampio intervallo di temperatura a costi ridotti e per usi in protezioni balistiche e sistemi ipersonici.
Questo obiettivo verrà raggiunto unendo il diboruro di titanio (TiB2) con fasi super-dure e composti dei metalli di transizione (TM) per sfruttare i molteplici benefici delle singole fasi, Fig.1. Punto chiave per ottenere alta resistenza meccanica da temperatura ambiente e fino ad almeno 2000°C, è lo sviluppo di una particolare morfologia del grano, nota come core-shell. Questa comprende un core con il grano iniziale puro, TiB2, e uno shell con una soluzione solida che contiene diverse quantità di un catione secondario TM, (Ti, TM)B2. Con opportuni trattamenti termici di sinterizzazione e ricottura, si faciliterà la formazione di una struttura gerarchica nanostrutturata in cui nanoparticelle metalliche sono disperse in una matrice micrometrica a base di UHTC. Questa particolare configurazione offre benefici strutturali e meccanici per via del locale aumento della tenacità alla frattura, deformazione plastica e capacità di sostenere elevati carichi in regimi di temperatura ultra-elevati, oltra che ad una migliore resistenza all’ossidazione.
Le composizioni ottimizzate verranno infine testate in ambienti rilevanti per le due applicazioni.

Pubblicazioni e brevetti

• L. Silvestroni, S. Failla, N. Gilli, C. Melandri, U. Savacı, S. Turan, D. Sciti, “Disclosing small scale length properties in core-shell structured B4C-TiB2 composites”, Materials & Design 197 (2021) 109204.
• L. Silvestroni, N. Gilli, A. Migliori, D. Sciti, J. Watts, G.E. Hilmas, W.G. Fahrenholtz, “A simple route to fabricate strong boride hierarchical composites for use at ultra-high temperature”, Composites B 183 (2020) 107618.
• R.J. Grohsmeyer, L. Silvestroni, G.E. Hilmas, F. Monteverde, W.G. Fahrenholtz, A. D’Angió, D. Sciti, “ZrB2-MoSi2 ceramics: a comprehensive overview of microstructure and properties relationships. Part II: Mechanical properties”, Journal of the European Ceramic Society, 39 [6] (2019) 1948-1954.
• L. Silvestroni, S. Failla, V. Vinokurov, I. Neshpor, O. Grigoriev, “Core-shell structure: an effective feature for strengthening ZrB2 ceramics”, Scripta Materialia 160 (2019) 1-4.
• L. Silvestroni, K. Stricker, D. Sciti, H.-J. Kleebe, “Understanding the oxidation behavior of a ZrB2–MoSi2 composite at ultra-high temperatures”, Acta Materialia, 151 [1] (2018) 216-228.
• L. Silvestroni, S. Failla, I. Neshpor, O. Grigoriev, “Method to improve the oxidation resistance of ZrB2-based ceramics for reusable space systems”, Journal of the European Ceramic Society, 38 [6] (2018)2467-2476
• L. Silvestroni, H-J. Kleebe, W.G. Fahrenholtz, J. Watts “Super-strong materials for temperatures exceeding 2000°C”, Sci. Rep. 7, 40730; doi: 10.1038/srep40730 (2017). 4.259
• L. Silvestroni, H-J. Kleebe, “Critical oxidation behavior of Ta-containing ZrB2 composites in the 1500-1650°C temperature range”, Journal of the European Ceramic Society, 37 (2017) 1899–1908. 3.794
• L. Silvestroni, D. Sciti, F. Monteverde, K. Stricker, H-J. Kleebe, “Microstructure evolution of a W-doped ZrB2 ceramic upon high-temperature oxidation”, Journal of the American Society, 100 [4] (2017) 1760-1772.
• F. Monteverde, L. Silvestroni, “Combined effects of WC and SiC on densification and thermo-mechanical stability of ZrB2 ceramics”, Materials & Design 109 (2016) 396–407. 4.364
• L. Silvestroni, D. Sciti, “TEM analysis, mechanical characterization and oxidation resistance of a highly refractory ZrB2-composite”, Journal of Alloys and Compounds B, 602, 346-355 (2014).
• L. Silvestroni, D. Sciti, “Transmission electron microscopy on Hf- and Ta- carbides sintered with TaSi2”, Journal of the European Ceramic Society 31 (2011) 3033–3043
• L. Silvestroni, D. Sciti, “Densification of ZrB2–TaSi2 and HfB2–TaSi2 Ultra-High-Temperature Ceramic Composites”, Journal of the American Ceramic Society, 94 [6], 1920-1930 (2011)
• L. Silvestroni, H-J. Kleebe, S. Lauterbach, M. Müller, D. Sciti, “Transmission Electron Microscopy on Zr- and Hf-borides with MoSi2 addition: Densification Mechanisms”, Journal of Materials Research 25 [5] 828-834 (2010).