Architectured AlN/Al Composites Produced by Material Extrusion and Pressure Infiltration: Processing–Structure–Property Relationships

Immagina di voler costruire uno scheletro super-resistente e super-leggero per un robot. Vuoi che sia tenace come il metallo ma anche capace di resistere al calore senza sciogliersi o deformarsi, come una ceramica. Nel mondo della scienza dei materiali, gli scienziati cercano da tempo di mescolare questi due mondi molto diversi: le ceramiche (che sono dure e resistenti al calore ma fragili) e i metalli (che sono forti e flessibili ma possono diventare teneri quando fa caldo). Di solito, mescolarli è come cercare di mescolare olio e acqua; non vogliono stare insieme e il risultato è spesso pieno di punti deboli o di buchi.

Tuttavia, un nuovo modo di costruire le cose chiamato "manifattura additiva" (o stampa 3D) ha cambiato le regole del gioco. Invece di fondere tutto insieme in una volta sola, gli scienziati possono ora stampare uno scheletro simile a una spugna fatto di ceramica, lasciarlo asciugare e indurire, e poi versare metallo liquido nei minuscoli fori. È come cuocere un biscotto di ceramica cavo e poi riempire le crepe con cioccolato fuso. La grande domanda che i ricercatori si sono posti è: possiamo stampare queste strutture ceramiche con una precisione tale che il metallo liquido riempia ogni singolo angolo e fessura senza lasciare bolle d'aria, e il mix finale tiene davvero insieme sotto pressione e calore?

Questo articolo racconta la storia di un team che ha deciso di provare esattamente questo. Hanno utilizzato un tipo speciale di stampa 3D per costruire una struttura porosa di nitruro di alluminio (una ceramica super-dura) e poi hanno forzato l'alluminio liquido all'interno di essa. Volevano vedere se potevano creare un "composito" in cui la ceramica e il metallo si incastrano perfettamente, come un puzzle 3D, per creare qualcosa che sia sia leggero che incredibilmente resistente.

Ecco cosa hanno scoperto. Il team ha iniziato stampando una forma ceramica porosa utilizzando un metodo chiamato "estrusione di materiale". Immaginate di spremere un dentifricio denso, pieno di ceramica, attraverso un ugello per disegnare un motivo a griglia, simile a come funziona una pistola per colla a caldo, ma con polvere di ceramica. Hanno stampato un cilindro con un particolare schema di "riempimento a linee", lasciando il 30% dello spazio vuoto per creare una struttura simile a una spugna. Dopo la stampa, dovevano eliminare la colla appiccicosa (il legante) che teneva insieme la polvere ceramica durante la stampa. Ci hanno fatto questo in due fasi: prima immergendola in un solvente per lavare via parte della colla, e poi riscaldandola per bruciare il resto. Infine, hanno cotto la spugna ceramica in un forno a una temperatura rovente di 1650 °C per fondere le particelle insieme in uno scheletro solido, ma ancora poroso.

Una volta che lo scheletro ceramico era pronto, è avvenuta la vera magia. Hanno preso un contenitore di una lega di alluminio fusa (miscelata con un pizzico di magnesio per aiutarla ad aderire) e, usando la pressione, hanno forzato il metallo liquido nella spugna ceramica. Era come spremere l'acqua in una spugna asciutta, ma con metallo caldissimo e abbastanza pressione per garantire che raggiungesse ogni singolo angolo.

I risultati sono stati impressionanti. Quando hanno esaminato il prodotto finito sotto potenti microscopi e scanner a raggi X, hanno visto che l'alluminio aveva riempito con successo la struttura ceramica. Il materiale finale era composto da circa il 75,4% di ceramica e il 24,6% di alluminio. Fondamentalmente, hanno trovato quasi nessuna grande bolla d'aria rimasta all'interno. La quantità totale di piccoli fori (porosità) nell'intero materiale era incredibilmente bassa, misurando solo lo 0,68%. Ciò significa che il metallo e la ceramica erano bloccati insieme in una struttura interpenetrante densa, proprio come una torta a spugna perfettamente cotta senza sacche di impasto crudo.

Il team ha anche testato come questo materiale si comportava quando si scaldava o quando cercavano di schiacciarlo. Hanno riscaldato il materiale fino a 500 °C e hanno osservato quanto si espandesse. Hanno scoperto che, dopo il primo ciclo di riscaldamento, il materiale si è assestato ed è diventato molto stabile. Il suo tasso di espansione (quanto cresce quando fa caldo) era compreso tra 11,6 e 12,9 × 10⁻⁶ K⁻¹, il che è molto meglio dell'alluminio puro ed è perfetto per applicazioni in cui le cose devono mantenere le stesse dimensioni anche quando fa caldo.

Quando hanno schiacciato il materiale per vedere quanto fosse resistente, hanno scoperto che poteva sopportare molta pressione. Interessantemente, il materiale era leggermente più forte quando veniva schiacciato dall'alto (nella direzione in cui è stato costruito) rispetto a quando veniva schiacciato lateralmente. La resistenza era di circa 567 MPa nella direzione verticale e 511 MPa nella direzione orizzontale. Questa piccola differenza mostra che il modo in cui hanno stampato gli strati ha influenzato la resistenza, ma nel complesso, il materiale era incredibilmente tenace.

Il punto principale di questo lavoro è che, combinando la stampa 3D con l'infiltrazione a pressione, gli scienziati possono ora costruire parti complesse e personalizzate che sono un mix perfetto di ceramica e metallo. Hanno dimostrato che è possibile stampare uno scheletro ceramico, riempirlo con il metallo e ottenere un materiale che è denso, forte e stabile alle alte temperature. Questo apre la porta alla creazione di parti più leggere e resistenti per oggetti come aerei, automobili ed elettronica che devono gestire il calore senza andare in pezzi. L'articolo suggerisce che questo metodo è un modo affidabile per creare questi materiali avanzati, pur sottolineando che il lavoro futuro dovrà esplorare come questi materiali si comportano su lunghi periodi e in forme ancora più complesse.