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Oct 25, 2023

Laboratori nazionali dell'Idaho, Idaho Falls, ID

Molte delle attuali tecnologie ad alte prestazioni – reattori nucleari, veicoli spaziali, impianti solari a concentrazione e celle a idrogeno – richiedono materiali avanzati. Avanzati significa che sono realizzati con metalli e ceramiche in grado di resistere a condizioni estreme o soddisfare specifiche rigorose.

In passato, questi materiali avanzati venivano generalmente prodotti da polvere che veniva versata in uno stampo, sottoposta ad alta pressione e riscaldata lentamente in un processo chiamato pressatura a caldo. Tuttavia, la pressatura a caldo genera calore disperso, contribuendo a costi elevati. Tali costi hanno limitato l’uso diffuso di materiali avanzati nelle industrie che producono oggetti di uso quotidiano come le automobili.

Più recentemente, gli ingegneri hanno sviluppato un processo di risparmio sui costi chiamato sinterizzazione al plasma a scintilla (SPS). Invece del calore, l’SPS invia elettricità attraverso lo stampo, e talvolta il materiale stesso, per fondere le molecole di metalli in polvere, ceramica o una miscela di entrambi.

Ora, l’Idaho National Laboratory ha sviluppato capacità di livello mondiale per aiutare l’industria a progettare processi di produzione SPS efficienti. L'ultima aggiunta al laboratorio, una delle macchine più grandi del suo genere al mondo, consente di produrre nuovi materiali su scala industriale rilevante.

"Il processo SPS è molto più veloce, molto più efficiente dal punto di vista energetico e più capace di mantenere le proprietà originali e superiori della polvere nella parte completamente sinterizzata", ha affermato Troy Holland, scienziato/ingegnere senior dei materiali SPS presso INL.

Mantenere le proprietà del materiale in polvere originale è importante a causa dei requisiti prestazionali spesso rigorosi di queste parti. "Se li riscaldi per lungo tempo spesso perdi i benefici che avevi nella polvere originale", ha detto Holland.

INL ha progettato e costruito quattro macchine SPS personalizzate che spaziano dal supporto di piccoli esperimenti su scala da banco a sistemi su scala industriale, di grande formato e ad alta produttività.

Come suggerisce il nome, il Nano-SPS è una piccola macchina in grado di fondere insieme polvere di metallo o ceramica per realizzare parti su scala nanometrica o micrometrica. Il Nano-SPS non è fatto per la costruzione di parti commerciali, di per sé, ma è una macchina sperimentale che può aiutare i ricercatori a prevedere e controllare la nanostruttura e la microstruttura di un componente osservando come i materiali in polvere scorrono e interagiscono con una risoluzione nanometrica.

Gli esperimenti di diffrazione di raggi X e neutroni che utilizzano la configurazione Nano-SPS forniscono dati in tempo reale sull'evoluzione chimica e della microstruttura durante il processo SPS.

Comprendere come le molecole della polvere interagiscono durante l'SPS, dai legami atomici alle nanostrutture locali fino alle microstrutture, è importante perché la variazione su queste scale può fare una grande differenza nelle prestazioni.

"Il nostro obiettivo è comprendere e controllare il processo abbastanza bene da essere in grado di controllare le microstrutture locali delle parti", ha affermato Holland, "Ciò ci consente di ridurre al minimo la variazione o sfruttare la variazione intenzionale locale all'interno della parte nel modo più ripetibile possibile". per produrre parti prequalificate."

La prossima macchina, la Micro-SPS, può produrre parti su scala approssimativamente micrometrica o centimetrica ed è utile anche per comprendere l’evoluzione microstrutturale. Il Micro-SPS viene utilizzato per determinare i dati cinetici di sinterizzazione del materiale sfuso. Lo fa fornendo finestre sugli strumenti per supportare la radiografia a raggi X e neutronica in tempo reale dell'elaborazione SPS di massa.

L’SPS è anche una tecnologia emergente per la fabbricazione avanzata di combustibili nucleari. Il Radiological Spark Plasma Sintering System (RSPS) presso il complesso di materiali e combustibili dell'INL è un sistema appositamente progettato integrato all'interno di un vano portaoggetti per lavoro radiologico.

La DCS-800 è una macchina SPS più grande che può realizzare pezzi di dimensioni fino a circa un metro quadrato. Situato presso l'Energy Systems Laboratory dell'INL, il DCS-800 funziona ad alta potenza, alte temperature e alta pressione. Permette di dimostrare materiali scoperti su scala industriale su scale rilevanti a livello industriale.