Lo sviluppo di materiali compositi a matrice ceramica(CMC) di tipo SiC/SiC è oggetto di grande interesse sia da parte della comunità scientifica che al livello industriale, tant'é che è già possibile trovare alcuni componenti in CMC nelle strutture calde dei più recenti motori aeronautici.
Purtroppo però il loro utilizzo è fortemente condizionato dalla bassa resistenza all¿ossidazione in presenza di vapore acqueo ad alta temperatura che porta al degrado della superficie del materiale. Si rende quindi necessaria la realizzazione di un rivestimento protettivo che sia in grado di proteggere efficacemente la superficie dei componenti più termicamente sollecitati all¿interno delle turbine di nuova generazione. Questi rivestimenti protettivi sono noti con il nome di Environmental Barrier Coatings (EBC).
Questi sistemi per essere efficaci dovranno essere in grado di:
¿ Assicurare un¿elevata stabilità chimica in presenza di O2 e il vapore acqueo ad alta temperatura;
¿ Favorire la compatibilità termomeccanica del sistema multistrato in termini di coefficienti di espansione termica (CTE);
¿ Avere una bassa conducibilità termica
Questo progetto ha come obiettivo quello di realizzare un sistema EBC innovativo, che sia in grado di proteggere efficacemente i CMC con cui sono realizzati alcuni componenti dei motori turbofan di nuova generazione, utilizzando come tecnica di deposizione l¿ APS (Atmospheric Plasma Spray), già ampiamente utilizzata al livello industriale. Questi risultati saranno ottenuti scegliendo opportunamente i materiali con cui andare a realizzare il rivestimento (i silicati di terre rare), ma soprattutto ingegnerizzandone l'architettura, in modo tale da sfruttare al meglio le proprietà dei materiali utilizzati e di minimizzare gli stress dovuti alle differenze di CTE tra i materiali utilizzati. Nello specifico verrà realizzato un rivestimento multistrato e con gradienti composizionali.
Attualmente il trasporto aereo genera circa il 2% dei 36 miliardi di tonnellate di CO2 rilasciate annualmente dalle attività umane. La tematica della qualità dell'aria è di grande interesse, soprattutto nelle regioni caratterizzate da un grande traffico aereo, tant' é che nel 2011 la Commissione Europea e l' High Level Group (HLG) on Aviation and Aeronatics Research hanno pubblicato il documento "Flightpath 2050 - Europe's Vision for Aviation" dove sono stati definiti diversi obiettivi da raggiungere entro il 2050 tra cui la riduzione del 75% delle emissioni di CO2 per chilometro per passeggero e la riduzione del 90% delle emissioni di NOx.
Al fine di centrare questi obiettivi, la Commissione Europea ha finanziato Clean Sky e Clean Sky2, i più grandi programmi di ricerca europei per lo sviluppo di tecnologie all'avanguardia volte alla riduzione della CO2, delle emissioni di gas e dei livelli di rumore prodotti dagli aerei. Inoltre, sempre in relazione al documento "Flightpath 2050", il consiglio consultivo per la ricerca sull'aviazione in Europa (ACARE) ha prodotto un'agenda strategica per la ricerca e l'innovazione (SRIA) che delinea il percorso da seguire per raggiungere questi obiettivi. Questo documento evidenzia chiaramente l'importanza di sviluppare motori aeronautici aventi una maggiore efficienza, con particolare riguardo ai materiali utilizzati che giocheranno un ruolo molto importante per la realizzazione di strutture più leggere e resistenti alle alte temperature.
Il progetto di ricerca proposto ha proprio come obiettivo quello di centrare i requisiti di efficienza, riduzione del consumo di carburante e affidabilità che stanno guidando lo sviluppo dell' industria aeronautica europea e globale.
In virtù di questi requisiti sarà necessario sviluppare sistemi EBC innovativi che siano in grado di proteggere efficacemente i componenti dei motori aeronautici realizzati con materiali compositi a matrice ceramica, il cui uso consente di realizzare motori con peso ridotto e di aumentare la temperatura dei gas in turbina, aumentando in questo modo l'efficienza del motore stesso, oltre naturalmente a ridurre le emissioni di CO2 e NOx.
Lo studio e lo sviluppo di rivestimenti EBC innovativi è di grande interesse per l'industria aeronautica, essendo orientato verso il miglioramento dell'efficienza, della durabilità e dell'affidabilità dei motori aeronautici di nuova generazione. Questi risultati saranno raggiunti ottimizzando opportunamente la scelta dei materiali con cui realizzare i rivestimenti e ingegnerizzandone l' architettura. La sfida consiste proprio nel realizzare dei rivestimenti con un'elevata durabilità e affidabilità negli ambienti di esercizio, ragion per cui sono oggetto di grande studio sia al livello europeo che globale.
Nell'ambito di questo progetto di ricerca, al fine di sfruttare al meglio le proprietà dei materiali utilizzati, verrà realizzato un sistema multistrato in cui ogni strato svolgerà una specifica funzione. Dal momento che i materiali utilizzati per i vari strati (tipicamente RE2Si2O7 per gli strati più interni e RE2SiO5 per gli strati più esterni) hanno CTE diversi tra di loro, per migliorarne la compatibilità termomeccanica verranno realizzati dei graded coatings, in cui si ha una graduale variazione della composizione dello strato del rivestimento e quindi una graduale variazione del CTE e delle proprietà dello strato stesso.
I disilicati di terre rare presentano polimorfismo e per evitare che si abbiano transizioni di fase con conseguenti variazioni volumetriche che potrebbero introdurre degli stati tensionali all'interno della struttura, si farà uso di soluzioni solide ottenute utilizzando diversi disilicati di terre rare (ad esempio YxYb(2-x)Si2O7). Contrariamente ai disilicati puri, alcune soluzioni solide opportunamente selezionate non presentano polimorfismo, quindi il loro uso consentirà sia di evitare la generazione di stati tensionali nel rivestimento che di avere un miglioramento delle prestazioni del rivestimento stesso grazie alle loro migliori proprietà (ad es. esempio una minore conducibilità termica e una migliore resistenza all'ossidazione).
Si presterà molta attenzione anche alla deposizione stessa dei rivestimenti, in quanto dalla letteratura è noto che i silicati di terre rare hanno una forte tendenza a formare fasi amorfe quando depositati mediante la tecnica APS. Per questa ragione, sarà fondamentale ingegnerizzare la deposizione, al fine di mettere a punto un sistema di riscaldamento del substrato che consenta di evitare la transizione da amorfo a cristallino che potrebbe portare alla formazione di stati tensionali nel rivestimento.