Rivista di informazione del Dipartimento di Ingegneria Industriale
Università di Trento
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È una storia che nasce lontano, nei laboratori di scienza dei materiali della Tohoku University di Sendai, in Giappone. Nel 1976 il professor Shigeyuki Yajima realizzò una scoperta destinata a cambiare profondamente il modo di concepire i materiali ceramici avanzati: dimostrò che fibre ceramiche di carburo di silicio (SiC), dotate di resistenze meccaniche elevatissime (3–4 GPa) e stabili oltre i 1600 °C, potevano essere ottenute a partire da fibre polimeriche. Il principio alla base era tanto semplice quanto rivoluzionario: un polimero metallorganico – il policarbosilano – veniva trasformato in ceramica attraverso un trattamento termico in atmosfera inerte. Durante la pirolisi, il materiale perdeva progressivamente idrogeno, convertendosi in una fibra ceramica di carburo di silicio. Nasce così il concetto di Polymer-Derived Ceramics (PDC): un paradigma che affianca ai processi tradizionali di sinterizzazione un approccio completamente nuovo, basato sulla trasformazione controllata di polimeri in materiali ceramici. L’impatto di questa innovazione è stato immediato. Le fibre di SiC hanno reso possibile lo sviluppo di compositi a matrice ceramica (CMC) capaci di operare in condizioni estreme, trovando applicazione nei settori aeronautico e aerospaziale, dove leggerezza, resistenza e stabilità termica sono requisiti imprescindibili. Nel tempo, la ricerca sui PDC si è ampliata ben oltre il carburo di silicio, includendo sistemi sempre più complessi come SiCN, SiOC e materiali multicomponente (Si–B–O–C, Si–Ti–O–C, Si–Al–O–C, tra gli altri). Questi materiali offrono proprietà modulabili su scala nanometrica, elevata stabilità chimica e resistenza all’ossidazione e al creep ad alte temperature. Una caratteristica comune è il colore nero, legato alla presenza di una fase nanometrica di carbonio libero. Proprio questa componente, tuttavia, rappresenta anche una leva progettuale: la sua quantità e distribuzione influenzano in modo significativo le proprietà elettriche, ottiche e meccaniche.
In questo contesto si inserisce l’attività del Laboratorio di Vetro e Ceramici del DII, che ha sviluppato un filone di ricerca distintivo sugli ossicarburi di silicio (SiOC) derivati da precursori polimerici. Uno dei risultati più rilevanti riguarda il controllo fine della composizione del materiale agendo direttamente sulla chimica del precursore. Questo ha permesso di ottenere SiOC privi di carbonio libero, superando la tipica colorazione scura. Il risultato è sorprendente: materiali che mantengono le eccellenti proprietà termo-meccaniche degli ossicarburi di silicio – elevata stabilità, durezza e viscosità – ma che risultano anche otticamente trasparenti, con caratteristiche simili a quelle del vetro.
Questa combinazione, rara nel panorama dei materiali avanzati, apre nuove prospettive applicative, introducendo una dimensione funzionale completamente nuova.
Il gruppo del professor Sorarù è stato inoltre tra i pionieri nello sviluppo di aerogel ceramici derivati da polimeri. Si tratta di materiali ultraleggeri, altamente porosi e caratterizzati da una struttura nanometrica tridimensionale.
Il processo di sintesi si articola in tre fasi chiave:
Grazie al controllo della chimica e dei parametri di processo, è stato possibile modulare in modo preciso composizione e microstruttura. In particolare, l’eliminazione della fase carboniosa ha consentito di realizzare aerogel ceramici trasparenti, combinando leggerezza, stabilità termica e proprietà ottiche (Fig.1).
Un ulteriore sviluppo riguarda l’utilizzo di preforme polimeriche successivamente convertite in ceramica. Il processo prevede:
Questa strategia consente di preservare la geometria originale, trasformando strutture polimeriche – anche molto complesse – in materiali ceramici porosi e leggeri.
Particolarmente interessante è l’integrazione con la stampa 3D (FFF), che permette di progettare strutture reticolari altamente controllate. La trasformazione polimero–ceramica mantiene fedelmente l’architettura progettata, aprendo nuove possibilità nella progettazione di materiali funzionali e strutturali. L’approccio si estende naturalmente alla progettazione di compositi ceramici avanzati. Utilizzando filamenti polimerici già caricati con una seconda fase (ad esempio particelle di SiC o fibre di carbonio), è possibile ottenere, dopo pirolisi, materiali con proprietà meccaniche significativamente migliorate.
Esempi includono:
Questa strategia consente di progettare materiali “su misura”, combinando leggerezza, resistenza e stabilità ad alta temperatura (Fig.2).
La tecnologia PDC rappresenta oggi una piattaforma estremamente versatile, capace di connettere chimica dei materiali, processi avanzati e progettazione strutturale. Il contributo del DII in questo ambito dimostra come sia possibile partire da una scoperta fondamentale – la trasformazione polimero–ceramica – per arrivare a soluzioni concrete, che spaziano dagli aerogel ultraleggeri ai compositi strutturali, fino a materiali trasparenti per applicazioni avanzate. Un esempio emblematico di come ricerca di base, competenze interdisciplinari e capacità di innovazione possano convergere nella costruzione dei materiali del futuro.
Fig.1: Schema del processo di sintesi di aerogel pre-ceramici derivati da polimeri.
La fotografia sotto lo schema mostra il cosiddetto “wet gel”, ovvero l’aerogel nella fase iniziale in cui i pori della struttura tridimensionale sono ancora riempiti di solvente. Affianco è invece visibile lo stesso campione dopo essiccazione supercritica, processo che consente di rimuovere il solvente preservando l’integrità della struttura porosa.
Fig.2: Schiume di SiC/C ottenute per infiltrazione di schiume reticolari in TPU con un polimero preceramico e successiva pirolisi.
