La ricerca nel campo delle armature e dei materiali metallici ha fatto notevoli progressi, focalizzandosi principalmente sulla riduzione del peso e sull'incremento della resistenza all'impatto. Le armature tradizionali, come quelle in acciaio o in leghe di alluminio, note come armature omogenee, sono state progettate per resistere agli attacchi di proiettili e altre minacce. Tuttavia, con l'evoluzione della tecnologia delle armi, in particolare delle munizioni perforanti e dei missili, le armature omogenee si sono rivelate inadeguate nel contrastare l'incremento della potenza penetrante di queste minacce. L'aumento dello spessore dell'armatura, pur migliorando la protezione, comporta inevitabilmente un aumento del peso, influendo negativamente sulla mobilità del veicolo blindato.

Per affrontare queste sfide, è stata sviluppata l'armatura composita, che integra diversi materiali e consiste generalmente in più strati di componenti metallici e non metallici. La disposizione stratificata, che alterna materiali di diversa natura e spesso mantiene spazi tra i vari strati, permette di dissipare l'energia dei proiettili in ingresso. Questo approccio riduce l'efficacia dei proiettili perforanti, deviando la traiettoria del nucleo metallico o addirittura distruggendolo, grazie alla differente durezza dei materiali coinvolti. L'efficacia di questa tecnologia è notevole: in termini di resistenza per unità di peso, l'armatura composita è due volte più efficace rispetto a quella in acciaio omogeneo. Le armature composite si dividono in tre principali categorie: armature metalliche e metalliche, armature metalliche e non metalliche, e armature a strato separato. Tutte presentano elevate prestazioni di protezione complessiva.

L'utilizzo di leghe leggere, combinate con materiali compositi ad alta tenacità, ha contribuito alla riduzione del peso delle armature, migliorando al contempo la loro resistenza balistica. Ad esempio, sono stati ottenuti ottimi risultati in termini di proprietà balistiche con laminati che mescolano il 20% di Ti-6Al-4V con l'80% di Al3Ti. L'uso di materiali come fibra di vetro, resina epossidica, fibra di carbonio e ceramiche, combinati con metalli, ha ulteriormente potenziato le prestazioni delle armature, permettendo di ridurre il peso dei veicoli blindati e migliorare sia la mobilità che la protezione balistica.

Un altro interessante sviluppo riguarda l'uso di sensori piezoelettrici incorporati nelle armature metalliche composite. Questi sensori potrebbero contribuire a migliorare la capacità di rilevamento e promuovere l'intelligenza dei veicoli blindati in futuro, aprendo la strada all'automazione e al miglioramento delle strategie di difesa.

Nel settore delle applicazioni energetiche, i materiali compositi hanno trovato un ruolo altrettanto cruciale, soprattutto nell'ambito delle celle a combustibile a idrogeno con membrana a scambio protonico (PEMFC). Le piastre bipolari microfluidiche, che distribuiscono uniformemente i gas, raccogliono la corrente e svolgono funzioni di raffreddamento e supporto all'interno delle celle, rappresentano uno degli elementi chiave di queste tecnologie verdi per l'aviazione. I materiali compositi, come quelli a matrice di grafite e metallo, sono utilizzati per ottimizzare le prestazioni delle piastre bipolari, migliorando la conduttività elettrica, la resistenza meccanica e la resistenza alla corrosione, pur mantenendo un basso costo di produzione. Sebbene la conduttività termica ed elettrica di questi materiali compositi sia inferiore rispetto ai materiali puri, le ricerche sono in corso per ottimizzare le composizioni e i processi di fabbricazione, al fine di ottenere piastre bipolari che soddisfino le crescenti richieste per le PEMFC.

Anche nel settore energetico nucleare, l'uso di compositi metallici ha aperto nuove strade. Le barre di combustibile nucleare, componenti essenziali per il funzionamento dei reattori, sono state oggetto di innovazioni materiali. Una nuova tipologia di composito, sviluppata dalla NUST MISIS, è costituita da uno strato sandwich di acciaio-vanadio-acciaio, capace di resistere a temperature fino a 700 °C, radiazioni dure, stress meccanici e esposizione chimica. Questo materiale potrebbe rivoluzionare la progettazione delle capsule di contenimento dei nuclei reattori, migliorando l'affidabilità e la sicurezza della produzione di energia nucleare.

Tuttavia, la ricerca sui materiali compositi non si limita all'uso di metalli e ceramiche. Le innovazioni si estendono a nuove formulazioni, geometrie e dimensioni dei combustibili nucleari, necessarie per ottimizzare l'efficienza energetica e la sicurezza dei reattori. Tali progressi sono essenziali per il miglioramento della sicurezza e dell'efficienza della produzione di energia, in particolare in un contesto di crescente domanda di energia a basse emissioni di carbonio.

In sintesi, i materiali compositi metallici e non metallici hanno rappresentato una risorsa preziosa in numerosi settori, dalla difesa alla produzione di energia. L'efficienza di questi materiali è strettamente legata alla capacità di selezionare i materiali giusti e migliorare i processi di preparazione e lavorazione, una sfida che richiede non solo avanzamenti teorici, ma anche enormi investimenti in ricerca sperimentale.

Qual è il ruolo del rivestimento SUS304 nel miglioramento della resistenza al legame tra metalli dissimili in laminati Cu/Al/Cu?

L'analisi dei laminati Cu/Al/Cu con interstrato di SUS304, soggetti a riduzione di laminazione del 50%, 70% e 80%, ha messo in evidenza l'importanza cruciale di questo interstrato nel miglioramento della resistenza del legame tra i metalli dissimili. La formazione di un'interfaccia solida e resistente tra il rame e l'alluminio è un obiettivo fondamentale nella metallurgia, e l'introduzione di SUS304 sembra essere un meccanismo promettente in questo contesto. I risultati sperimentali suggeriscono che l'interstrato di SUS304 svolge un ruolo fondamentale in tre principali aspetti: impedisce la formazione di intermetallici (IMCs) senza compromettere la diffusione degli elementi, crea un’area di "incastro meccanico" attraverso frammenti di SUS304, e allunga il percorso di deformazione della zona di indurimento da deformazione, migliorando la resistenza al legame tra i metalli di matrice.

L'interfaccia di legame tra i materiali dissimili comprende due componenti principali: la zona di contatto diretto tra il rame e l'alluminio, e l'area dove si trovano i frammenti di SUS304. Questi frammenti, che agiscono come un elemento di "innesto", sono fondamentali per limitare il movimento relativo dei metalli dissimili e quindi rafforzare il legame. È interessante notare che il volume di questi frammenti aumenta con la riduzione della laminazione, il che porta a un rafforzamento del legame, ma questo aumento non è lineare. In altre parole, l’area di contatto che coinvolge i frammenti di SUS304 è direttamente correlata al volume di legame, ma non c'è un miglioramento sostanziale se la riduzione di laminazione supera una certa soglia.

Un altro elemento cruciale che emerge da questo studio è la formazione di una zona di indurimento da deformazione nella superficie di contatto. Questo fenomeno, che si verifica durante il processo di laminazione, è essenziale per l’espansione del materiale e la formazione dell'interfaccia di legame. La resistenza al legame dipende dalla duttilità della superficie di contatto e dal rapporto di espansione, parametri che sono influenzati dalla presenza di SUS304. L’introduzione dell’interstrato di SUS304 aumenta significativamente il rapporto di espansione della superficie di contatto, allungando il percorso di deformazione della superficie stessa e provocando la rottura e l’estrusione dei materiali della matrice. Questo processo contribuisce in modo significativo al rafforzamento del legame tra i metalli dissimili.

La deformazione differenziale tra rame e alluminio nelle varianti con e senza l’interstrato di SUS304 è un altro aspetto importante. Mentre nelle configurazioni senza l'interstrato (WO), i materiali subiscono una deformazione simile, nel caso dei campioni con SUS304, il rame e l'alluminio seguono percorsi di deformazione distinti. Il rame, meno deformato, concentra la deformazione nelle interfacce con SUS304, mentre l'alluminio si deforma severamente, ma con una microstruttura a lamine tradizionali. La microstruttura fine formata nelle interfacce è fondamentale per ottenere un legame solido e durevole.

Inoltre, i risultati dell'analisi EBSD dei campioni soggetti a riduzioni di laminazione del 50%, 70% e 80% hanno mostrato una tendenza interessante. Nei campioni con SUS304, la dimensione dei grani si è significativamente ridotta, e sono state osservate microfessure che indicano una deformazione maggiore e una maggiore resistenza al legame. Questo riflette un miglioramento della qualità dell’interfaccia grazie alla formazione di una zona di deformazione fine, che è cruciale per migliorare la resistenza meccanica del legame tra i metalli dissimili.

Va sottolineato che l’interstrato di SUS304 non solo ha un impatto positivo sulla resistenza del legame, ma anche sulla qualità complessiva dell’interfaccia tra rame e alluminio. La formazione di strati di indurimento da deformazione, la presenza di frammenti di SUS304 e l’espansione del percorso di deformazione sono fattori chiave che dovrebbero essere presi in considerazione in future applicazioni di laminazione di metalli dissimili. Questo processo potrebbe portare alla produzione di laminati ad alte prestazioni, con un significativo miglioramento delle proprietà meccaniche e termiche.

Infine, è importante notare che la qualità del legame tra i metalli dissimili dipende fortemente dalle condizioni di deformazione. Sebbene l'introduzione di SUS304 migliora sensibilmente la resistenza del legame, l'efficacia di questo miglioramento è limitata oltre un certo livello di riduzione di laminazione. Inoltre, l’analisi delle interfacce a livello microscopico, come dimostrato dai risultati EBSD, è fondamentale per comprendere il comportamento delle fasi di legame e le possibili aree di debolezza che potrebbero compromettere la durata e la stabilità del legame.

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