EEE-CFCC
Evoluzione Economicamente ed Ecologicamente sostenibile di Compositi Fibrorinforzati a matrice Ceramica in forma Complessa
SUMMARY
Il progetto svilupperà un nuovo materiale ceramico composito fibrorinforzato per applicazioni nel settore trasporti, ed in particolare per l’alleggerimento dei veicoli, strada obbligata per ridurre consumi ed impatto ambientale. I materiali più promettenti per l’alleggerimento, cioè i compositi polimerici, PMC, non sono applicabili nelle zone dove si generano elevate temperature (siano esse zone in contiguità al motore a combustione interna, ovvero a elettronica di potenza o al sistema frenante). Laddove le temperature superino i 400°C, anche le leghe leggere risultano non applicabili, quindi l’unica soluzione per garantire alleggerimento è introdurre materiali inorganici termostrutturali, o materiali isolanti termici in grado di fungere da interfaccia nei confronti dei materiali strutturali. L’importante risultato ottenuto all’interno del Laboratorio MITAI (Tecnopolo di Ravenna, sede di Faenza) cui vuole dare prosecuzione la presente domanda è stato lo sviluppo di un nuovo materiale CMC (composito ceramico) denominato BasKer per richiamarne la natura chimica di ceramico rinforzato con fibre di basalto, con costi di produzione paragonabili (ed in prospettiva inferiori) a quelli di un composito polimerico, in grado di combinare capacità termostrutturali fino a 600-800°C, bassa densità (<2 g/cm3) resistenza al fuoco e capacità di isolamento termico fino a 1200°C. La presente proposta avrà come obiettivo il raggiungimento del TRL 6 relativamente alla produzione di componenti in Basker di forma complessa, e pannelli coibenti resistenti al fuoco, anche sfruttando materie prime seconde (es: feltri di basalto da pirolisi di PMC). Per ottenere l’obiettivo si svilupperanno materiali geopolimerici ottimizzati per gli stampi termostrutturali e coibenti porosi resistenti al fuoco, sfruttando diverse tipologie di rifiuti industriali. Si studieranno inoltre delle opportune soluzioni a fine vita dei materiali e l’LCA di materiali e processi.
SUMMARY
The project is going to develop fiber-reinforced ceramic composite materials for applications in the transport and constructions sectors, in particular exploiting them for the weight reduction of vehicles, in order to reduce the fuel consumption and the environmental impact.
The polymer composites (PMC) are the most promising materials for the vehicles weight reduction, but they are not able to be applied in high temperatures areas (whether contiguous areas to the internal combustion engine or the braking system or power electronics). Where temperatures exceed 400° C, even light alloys are not applicable and ceramic matrix composites (CMC) become interesting, as a low cost thermostructural and thermal insulating material.
“BasKer” is a new low cost CMC, the important results obtained within project MITAI (at the Faenza premisis of Ravenna Technopole) which this new project aims to implement. The material name was chosen to recall the chemical nature, being a basalt reinforced ceramic material, characterized by production costs similar (and in perspective lower) to those of a polymeric matrix composite (PMC). BasKer is able to combine very interesting characteristics: thermostructural properties up to 600-800° C , low specific weight (< 2 g/cm3), fire resistance and thermal insulation capacity up to 1200 C.
The project aims at the achievement of TRL 6 in the production of complex shape components and fire-resistant insulating panels, using also secondary raw materials (e.g. basalt felts from pyrolysis of PMC). In this perspective, the project will develop optimized geopolymer materials for thermostructural molds and fire resistant porous insulating materials, using different types of industrial wastes. In addition the project will study end-of-life solutions for materials and the Life Cycle Assessment of materials and processes.
OBIETTIVI e ATTIVITÀ
La logica del progetto prevede una fase di discussione con le imprese, prima coinvolte individualmente poi in tavoli comuni, per definire le linee guida del progetto in termini di applicazioni e relativi prototipi finali. Seguirà una fase realizzativa, che correrà in parallelo all’ottimizzazione dei processi e all’upgrade della strumentazione. Come ultima fase i componenti verranno testati in condizioni simulanti l’esercizio e, se possibile, in condizioni reali. Il progetto analizzerà quindi il materiale ed il processo per ottenerlo in termini di sostenibilità economica ed ambientale. Infine si avvierà un’azione mirata di promozione e divulgazione dei risultati.
Nello specifico, congiuntamente ai partner industriali, saranno perseguiti:
- lo sviluppo di un componente in forma complessa in BasKer, in particolare sfruttando materie prime seconde per produrre lo stampo in geopolimero;
- lo sviluppo di pannelli coibenti resistenti al fuoco, più prossimi possibile alla scala reale, con riempimento isolante in geopolimero poroso;
- la qualifica dei componenti in condizioni simulanti l’esercizio, in funzione delle condizioni di lavoro attese;
- lo studio LCA del processo, congiuntamente allo sviluppo di soluzioni per la gestione del fine-vita
Il progetto si concluderà con la disseminazione dei risultati.
GOALS and ACTIVITIES
The starting point of the project has been a discussion with the supporting companies to define the most interesting applications and the demonstrators. The ongoing step is the processes optimization and the equipments upgrade. The following step will be the components testing in expected working conditions. The project will then discuss the economic and environmental sustainability of the materials and the processes, and carry out targeted promotion and dissemination actions.
Goals to pursue jointly with the industrial partners:
- the development of a BasKer complex shaped component, using secondary raw materials to realize the geopolymer mold;
- the development of BasKer fire-resistant panels – as near as possible to full scale, with porous geopolymer insulating filling;
- the components qualification under conditions simulating exercise;
- an LCA study of the materials and processes developed, and a discussion of suitable end-of-life solutions.
The project will end with the dissemination of the results.
APPLICAZIONI
Le due applicazioni che si prenderanno in considerazione saranno:
- componenti termostrutturali e termoisolanti in forma complessa, generalmente a basso spessore (<3-5mm). Tali componenti sono di fondamentale importanza per permettere un uso esteso dei PMC, intrinsecamente termolabili, per l’alleggerimento in presenza di motori a combustione interna.
- pannelli coibenti termici, con capacità di resistenza al fuoco: è l’altro tema di forte attualità nel settore trasporti (in particolare per il trasporto marittimo e ferroviario) e costruzioni. I componenti devono contribuire al contenimento dei consumi energetici e all’aumento della sicurezza in caso di incendio.
APPLICATIONS
The focus will be on two categories of applications:
- complex shaped themostructural and thermally insulating components, usually thin (<3-5mm). Such insulating parts enables a more extensive use of PMC.
- thermal insulating, fire resistant panels for the transport (in particular maritime and railways transports) and the building sectors. The components should contribute to reduce the energy consumption and to increase safety in case of fire.
COERENZA CON LA STRATEGIA REGIONALE DI SPECIALIZZAZIONE INTELLIGENTE
| SISTEMI PRODUTTIVI | ORIENTAMENTI TEMATICI | DRIVERS DI CAMBIAMENTO | KETs |
|---|---|---|---|
| Meccatronica & Motoristica Edilizia e Costruzioni |
Soluzioni Ecologiche | Materiali, ricoprimenti e trattamenti superficiali ad alte prestazioni | Advanced materials, advanced manufacturing technologies, nanotechnology |
I materiali, a prestazioni incrementate per applicazioni specifiche (advanced materials), se prodotti in maniera economicamente ed ecologicamente sostenibile rappresentano senz’altro il driver di sviluppo più solido, perché il mercato e l’occupazione che ne derivano possono essere efficacemente protetti da brevetti o, più semplicemente, dalla riservatezza sul know-how prodotto in collaborazione con i centri di ricerca. La qualità e le prestazioni uniche sono quindi le caratteristiche da perseguire in ogni ipotesi di nuovo prodotto, mentre l’applicazione di tecnologie innovative e un alto contenuto di ricerca garantiscono l’unicità dell’offerta del prodotto, aprendo a mercati transnazionali. In questo senso la regione Emilia-Romagna offre certamente un sistema di strutture di ricerca di eccellenza, in grado sia di sopperire ad alcune lacune presenti entro in sistema delle imprese in termini di capacità di ricerca e sviluppo. In queste strutture i neolaureati possono completare la loro formazione specialistica, ad esempio svolgendo un dottorato, accedendo a strumentazione scientifica unica, ed al contempo venire in contatto con le esigenze delle imprese, committenti alle strutture pubbliche di contratti per ricerche o servizi. All’interno dei nuovi materiali, le strutture di ricerca faentine risultano focalizzate sui materiali ceramici (ISTEC), i compositi per applicazioni strutturali e termostrutturali (ENEA TEMAF, CIRI MAM) e le applicazioni in edilizia (CERTIMAC), con la possibilità di mettere a sistema un insieme di competenze già dimostrata nel progetto MITAI. Da tempo le stesse strutture perseguono attività di ricerca e sviluppo secondo la logica dell’advanced manufacturing technologies, ovvero secondo processi versatili e customizzabili. In questo senso le tecniche di prototipazione rapida associate alla laminazione rappresentano un compromesso particolarmente efficace per avere da un lato flessibilità, dall’altro bassi costi di produzione su piccole.
GLOSSARIO
COMPOSITI FIBRORINFORZATI ovvero materiali strutturali fibrorinforzati: sono materiali strutturali, ovvero utilizzati per svolgere funzioni meccaniche, comprendenti una matrice (ovvero la fase prevalente, intesa come percentuale in volume) ed un elevato contenuto di fibre, lunghe o corte.
COMPOSITI A MATRICE POLIMERICA – PMC: Sono materiali compositi fibrorinforzati, a fibra lunga o corta, in cui la matrice è polimerica, mentre il rinforzo può essere costituito da fibre di varia natura, generalmente fibre di carbonio, ma anche vetro, basalto o fibre polimeriche. Di solito si ottengono per laminazione di prepreg, ovvero tessuti preimpregnati di matrice polimerica.
COMPOSITI A MATRICE CERAMICA – CMC: Sono materiali compositi, ovvero comprendenti una molteplicità di fasi solide, in cui la matrice (ovvero la fase prevalente, intesa come percentuale in volume) è ceramica, mentre il rinforzo è generalmente di natura inorganica, particolato ceramico o fibre (ad esempio di C, di basalto o ceramiche).
CMC a fibra lunga: Si intende una sottocategoria dei CMC, dove il rinforzo è costituito da fibra lunghe, generalmente tessute. Un’altra sigla internazionalmente accettata per questi materiali è CFCC.
PREPREG PRECERAMICI: in analogia ai compositi polimerici, si possono ottenere a partire da prepreg, ovvero tessuti preimpregnati di polimeri particolari, che si possono convertire in materiali ceramici. Per brevità si indicano questi prepreg come prepreg preceramici.
MATERIALI INORGANICI TERMOSTRUTTURALI: un materiale termostrutturale è un materiale che prodotto per svolgere una funzione meccanica ad alta temperatura. Poiché solo i materiali inorganici non degradano in temperatura, solo i materiali inorganici termostrutturali possono continuare svolgere, nel tempo, questa funzione. I CMC ed i CFCC sono una sottocategoria dei materiali inorganici termostrutturali, generalmente con elevata resistenza specifica, ovvero per unità di peso, caratteristica resa possibile dall presenza di fibre di rinforzo.
MATERIALI GEOPOLIMERICI/GEOPOLIMERI: si tratta di polimeri inorganici allumino-silicatici amorfi o semi-cristallini, ottenuti a bassa temperatura da precursori inorganici e/o minerali, attivati con soluzioni di silicati e/o idrossidi alcalini. Per natura, sono materiali adatti a svolgere una funzione termostrutturale e possono essere fibrorinforzati.
MATERIE PRIME SECONDE – MPS: Per materie prime seconde si intendono rifiuti o sottoprodotti di lavorazione, processati per essere utilizzati come materia prima in altri processi industriali.
TRL6: TRL è l’acronimo di Technology Readiness Level – Livello di maturità tecnologica. Nei bandi Horizon 2020 viene indicato il livello (in totale 9) di maturità tecnologica in cui le attività da implementare si dovrebbero collocare, al fine di meglio comprendere l’impatto delle varie azioni all’interno del processo che dall’idea porta alla realizzazione di prodotti / servizi per il mercato. Il livello 6 è “Dimostrazione nell’ambiente rilevante”, che viene interpretato come produrre e caratterizzare un dimostratore in scala rappresentativa di quella di interesse.
POLIMERO PRECERAMICO: polimero che si converte in ceramico per pirolisi, ovvero trattamento termico in gas inerte.
PREPREG PRECERAMICO: tessuto inorganico (ad esempio di fibra di carbonio, basalto o ceramica) impregnato di polimero preceramico.
CVI: Chemical Vapour Infiltration, ovvero tecnica per produrre compositi ceramici rinforzati a fibra lunga (CFCC) a partire da fibre e precursori gassosi.
PIP: Polymer Impregnation Pyrolysis, ovvero tecnica per produrre compositi ceramici rinforzati a fibra lunga (CFCC) a partire da fibre e precursori polimerici.