Sintesi e robocasting di xerogel YAG: uno

Dec 27, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8454 (2022) Citare questo articolo

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È stato effettuato un protocollo sol-gel ottimizzato per produrre uno xerogel di granato di ittrio e alluminio (YAG) da alcossido di alluminio e un sale di ittrio su scala semi-pilota. Questo xerogel è stato utilizzato con successo senza previa pirolisi come carico solido con l'ausilio di additivi nella preparazione di paste. Il trattamento termico dei corpi verdi, ottenuto mediante robocasting della pasta, ha portato alla ceramica YAG coesiva monofase. La produzione di pezzi di ceramica con metodi additivi consentirà di dare forma a forme complesse, mentre la conversione/consolidamento in un unico passaggio semplificherebbe il processo tecnologico, riducendo i costi energetici globali. Poiché YAG possiede un’elevata resistenza e un buon comportamento allo scorrimento viscoso alle alte temperature, questi pezzi refrattari potrebbero sostituire le leghe metalliche utilizzate nelle pale delle turbine per l’esplorazione dello spazio profondo. Sono state eseguite caratterizzazioni strutturali, termiche e chimiche su polveri, paste e ceramiche YAG di xerogel.

L'Agenzia spaziale francese (CNES) ha condotto attività di ricerca e sviluppo sugli ossido ceramici con l'obiettivo di migliorare la progettazione di sottosistemi cruciali per la propulsione spaziale. La temperatura massima consentita della turbina, imposta dalla resistenza delle leghe metalliche, rappresenta una limitazione delle prestazioni per i cicli dei motori a razzo a propulsione liquida. L'introduzione dell'ossido ceramico per le parti della turbina dello statore/rotore potrebbe essere una soluzione promettente per aumentare la temperatura del ciclo e ottenere di conseguenza miglioramenti delle prestazioni. Dal punto di vista della durata, la ceramica resistente al creep rappresenterebbe la tecnologia chiave per lo sviluppo di sistemi di produzione di energia a bordo per l’esplorazione dello spazio profondo1. A questo scopo è stato scelto il granato di ittrio e alluminio (YAG, Y3Al5O12). Oltre ad essere noto come materiale ospite del guadagno laser2,3,4 per i laser a stato solido5, può essere utilizzato anche per le sue caratteristiche meccaniche. Presenta infatti interessanti proprietà meccaniche alle alte temperature6, grazie alla sua elevata resistenza, buon comportamento al creep alle alte temperature (> 1000 °C), buona stabilità fisica e chimica, bassa conduttività termica e buona resistenza alla corrosione del vapore acqueo7. Viene utilizzato anche in ambienti ossidanti per rivestimenti di barriera termica8 o anche in applicazioni che richiedono ritenzione a lungo termine9.

Tra tutti i protocolli riportati per la preparazione di YAG, incluso lo stato solido10,11, la sintesi sol-gel ha dimostrato di essere un buon metodo per preparare YAG monofase, poiché la miscelazione omogenea dei precursori nel metodo sol-gel garantisce la chimica uniformità del prodotto e una temperatura di lavorazione più bassa12. Ad esempio, seguendo questo processo, Gowda13 ha preparato gel di ittrio e acetato di alluminio tri-sec-butossido, che cristallizzavano in YAG quando trattati termicamente tra 800 e 1400 °C. Inoltre, Manalert e Rahaman14 hanno ottenuto YAG amorfo da una miscela di alluminio tri-sec-butossido e acetato di ittrio idrato utilizzando il metodo sol-gel ed essiccazione supercritica con estrazione di CO2. Infine, Singlard et al.15 hanno sviluppato una sintesi sol-gel di YAG monofase da tri-sec-butossido di alluminio e cloruro di ittrio anidro e successivo trattamento termico.

In ogni caso, queste polveri devono essere prodotte e modellate mantenendo le loro proprietà ceramiche. Attualmente, grazie al suo basso costo e alla facilità d’uso, l’estrusione è una delle tecnologie più utilizzate per la formatura diretta della ceramica16,17. Nel caso della produzione di YAG, in letteratura si possono trovare solo alcuni esempi, vale a dire la stampa 3D utilizzando un impasto acquoso di polveri miste18 e la scrittura diretta con inchiostro 3D di nanoparticelle YAG19. Tuttavia, la maggior parte di queste innovazioni appartengono al campo dell'ottica, dove YAG è drogato con elementi metallici delle terre rare e le proprietà desiderate sono legate all'indice di rifrazione17, alla fotoluminescenza20, ecc. e nulla ha a che fare con l'estrusione di xerogel.