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Stato Avanzamento Attività commessa
Materiali elettroceramici per l’energetica e l’elettronica


  anni:  2006   2007   2008   2009   2010   2011   2012   2013   2014 

Stato di Avanzamento attività anno 2014

Previsione attività per l'anno 2014
Risultati conseguiti:
L'attività svolta nell'ambito del progetto Evolve ha consentito di stabilire la piena compatibilità tra i materiali esaminati, in particolare tra Al2O3 e LST e più in generale tra il sistema NiCrAl e il La:SrTiO3. Tale conclusione è supportata sia da esperimenti realizzati appositamente su miscele di polveri dei vari componenti, sia da test sul composito reale, ovvero su schiume impregnate e trattate ad alta temperatura per tempi fino a 500 h. Inoltre è stata verificata la difficoltà di ottenere compositi ad elevata conducibilità con trattamenti di riduzione in H2 in tempi ragionevoli, dell'ordine di 25-50 h a temperature fino a 900 °C. A supporto delle attività di testing di celle e materiali per SOFC è stato realizzato un apparato per la caratterizzazione elettrochimica dotato di regolazioni accurate per il carico meccanico, il controllo dell'atmosfera, la temperatura e la polarizzazione elettrica in maniera differenziale per anodo e catodo. Grazie a questo tester, denominato real life tester (RLT), è stato possibile verificare l'efficacia di strati protettivi costituiti da spinelli di Cu-Mn, depositati su acciaio ferritico al cromo per SOFC. Tali strati, realizzati presso l'ITT-DLR per thermal spray, mostrano migliori proprietà conduttive e protettive nei confronti della migrazione di Cr rispetto ai materiali stato dell'arte a base di ossidi di Co-Mn. Nell'ambito del progetto FIRB-INCYPIT sono state misurate le conducibilità di diversi composti, preparati per reazione allo stato solido, quali LaNbO4, La0.99Ca0.01NbO4, LaNb0.84W0.16O4.04, determinando l'energia di attivazione della conduzione ionica degli elettroliti. La struttura dei composti è stata inoltre studiata mediante esperimenti XRD condotti in luce di sincrotrone presso ESRF a Grenoble. Paste conduttive. Sono stati dapprima selezionati i composti inorganici più promettenti in base a considerazioni sul punto di fusione e sulla compatibilità con l'argento e il silicio Alcuni dei prodotti ottenuti sono stati poi utilizzati nella preparazione di paste di argento ed effettuate prove di stampa su substrati di silicio commerciali e fabbricazione di celle fotovoltaiche simulando le condizioni reali del processo industriale. L'aspetto fondamentale dell'innovazione tecnologica nella componente inorganica della pasta consiste nella sintesi diretta per via chimica di un appropriato composto a partire da soluzioni di idonei precursori in un opportuno solvente, generalmente acqua. I risultati ottenuti hanno permesso la stesura di una domanda di brevetto italiano n.° MI2013A 001398 depositata il 22 agosto 2013 di cui la dr.ssa Chiara Costa risulta co-inventore. Di tale brevetto è poi stata chiesta l'estensione internazionale (PCT/EP2014/067803 dell' agosto 2014) Sono stati preparati ceramici conduttivi densi (dens. rel. >93%) di BaTiO3 drogato con niobio (BaTi1-xNbxO3, x = 0 – 0.1) per sinterizzazione e ricottura in ambiente riducente a varie temperature. Di tali materiali sono state misurate le proprietà di trasporto (conducibilità elettrica, conducibilità termica, coeff. di Seebeck) nell'intervallo di T tra 20 e 400K. I materiali più promettenti per le proprietà termoelettriche hanno mostrato una conducibilità elettrica di 20 S/cm, un coefficiente di Seebeck di -140 µV/K ed una conducibilità termica di 4.5 W/(m K) a T ambiente. Si tratta di valori interessanti ma ancora insufficienti per l'applicazione pratica. Si tratta comunque di risultati utili per chiarire l'eventuale influenza dell'ordine ferroelettrico sulle proprietà di trasporto. I compositi ottenuti per sinterizzazione delle particelle SrTiO3@BaTiO3 hanno mostrato una microstruttura particolare e proprietà elettriche innovative. La densificazione rapida FAST ha permesso di preservare la struttura core-shell delle particelle sintetizzate per via idrotermale nel composito finale nonostante un certo livello di interdiffusione che comunque contribuisce in mode determinante alle proprietà. I compositi mostrano una costante dielettrica praticamente indipendente dalla temperatura tra -150 e 50°C e, al contempo, una tunability relativa superiore al 20% per un campo applicato di 40 kV/cm. Tipicamente i materiali dielettrici con una tunability accettabile mostrano una permittività fortemente dipendente dalla temperatura il che costituisce una forte limitazione per le applicazioni. Variando sistematicamente la composizione del solvente (miscele acqua-glicole etilenico) ed il rapporto stechiometrico Li/Nb è stato possibile produrre per via solvotermale particelle di LiNbO3 con dimensione comprese tra 100 nm e 2 micron. Complessivamente, nel corso del 2014, le attività di ricerca del modulo hanno prodotto 7 pubblicazioni su riviste JCR con impact factor.
Risorse strumentali:
Le attività della commessa necessitano di varie e numerose risorse strumentali sia per la preparazione dei materiali che per la loro caratterizzazione microstrutturale e funzionale. Per la sintesi delle polveri ci si avvale di vari tipi di reattori discontinui e tubolari con controllo di temperatura, pH, flussi dei reagenti, agitazione. La sintesi idrotermale e solvotermale viene realizzata usando bombe per digestione acida in acciaio rivestito con teflon. La formatura del ceramico viene realizzata tramite pressatura monoassiale o pressatura isostatica a freddo. Per la sinterizzazione si hanno a disposizione vari forni a camera e tubolari, con temperatura di lavoro fino a 1800°C. La caratterizzazione delle polveri viene effettuata misurandone la densità tramite picnometria ad elio, l'area superficiale e la porosità tramite adsorbimento di azoto, la distribuzione dimensionale mediante dynamic light scattering, il comportamento termico mediante analisi termogravimetrica e termica differenziale, la cinetica di sinterizzazione per mezzo della dilatometria. La morfologia delle particelle e la microstruttura dei ceramici viene determinata mediante microscopia ottica e microscopia elettronica a scansione e a trasmissione. Il microscopio elettronico è dotato di un sistema di microanalisi a dispersione di energia. La composizione in fasi e la struttura cristallina vengono determinate dalla diffrazione di raggi X. Per la caratterizzazione delle proprietà elettriche è stato realizzato un sistema integrato che permette di effettuare l'analisi di impedenza su materiali ceramici in un ampio intervallo di temperature (20-1300K) e di frequenza (0.01Hz -1MHz) con la possibilità di controllare la composizione dell'atmosfera. Il sistema integrato comprende forni tubolari in atmosfera controllata dotati di specifici portacampioni, l'analizzatore di impedenza, l'interfaccia dielettrica per la misura di materiali isolanti, un software realizzato in ambiente LabView per la pianificazione delle misure, l'acquisizione e la visualizzazione dei dati, programmi per l'analisi dei dati tramite l'uso di circuiti equivalenti. E' possibile anche effettuare misure in presenza di un gradiente di potenziale chimico, esponendo le due facce del campione ad atmosfere diverse. Le misure al di sotto della temperatura ambiente vengono effettuate tramite un criostato ad elio. A partire dall'analisi dallo spettro di impedenza è possibile ottenere la permittività dielettrica e la conducibilità del materiale e separare i contributi dovuti all'interno dei grani, al bordo grano e alle interfacce materiale/elettrodo. Ci si è poi avvalsi di risorse strumentali esistenti presso altre istituzioni italiane e straniere. Tra le più importanti: Diffrattometro in luce di sincrotrone (ESRF, Grenoble, Francia) Microscopio elettronico a scansione ad alta risoluzione dotato di cannone ionico (CBA, Università di Genova) Microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (Università di Bucarest). Apparecchiatura per Spark Plasma Sintering (Università di Pavia). Misura delle proprietà di trasporto a bassa temperatura (Università di Genova). Misura della dielectric tunability (Università di Iasi, Romania).
Punti critici:
Nel complesso la commessa riesce ad attrarre un elevato numero di progetti e finanziamenti adeguati. Manca tuttavia un adeguato supporto dal settore tecnico a causa di un organico largamente insufficiente, così come una adeguata politica del personale ricercatore.
Commento ad eventuali scostamenti tra le entrate previste e quelle realizzate nell'anno corrente:
Le entrate previste per il progetto IDRO-RIN-TRANS-GENESI non sono state erogate dal coordinatore (Distretto SIIT) a causa del protrarsi delle formalità necessarie all'ottenimento del nulla osta ministeriale. La previsione è stata rinnovata per il 2015 in forza delle rendicontazioni effettuate che costituiscono titolo per ottenere il finanziamento.
 
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