Istituto di scienza e tecnologia dei materiali ceramici (ISTEC)

Competenze

COMPETENZE UNICHE A LIVELLO NAZIONALE PER QUANTO RIGUARDA I PROCESSI PORDUTTIVI DI POLVERI, MATERIALI MASSIVI DENSI E POROSI, COMPONENTI E DISPOSITIVI CERAMICI. ASSOCIA ALLA INGENERIZZAZIONE E PROGETTAZIONE DEI MATERIALI LA CAPACITA' DI CONTROLLARE I PROCESSI PER OTTENERE PRESTAZIONI SPECIFICHE RICHIESTE DELLE APPLICAZIONI.

COMPETENZE SUI Processi

REAZIONI E SINTESI POLVERI E NANOPOLVERI
TRATTAMENTO POLVERI,
FORMATURE DI MANUFATTI A GEOMETRIA SEMPLICE E COMPLESSA
RIVESTIMENTI
GIUNZIONI
TRATTAMENTI TERMICI E SINTERIZZAZIONE in aria, sotto vuoto, atmosfera controllata con e senza pressione applicata.

TECNICHE ANALITICHE E RELATIVE COMPETENZE
Microstruttura e tessitura: Microscopia ottica, Microscopia elettronica a scansione (SEM, ESEM), Superfice specifica, Porosimetria, Analisi granulometrica, Diffrazione dei Rx (XRD), Microscopia elettronica a trasmissione in laboratori esterni.
Analisi delle Superfici: Rugosimetria.
Caratteristiche Chimico-Fisiche:Tensione superficiale ed angoli di contatto, Spettroscopia ICP-AES, Spettroscopia EDX, Cromatografia ionica (HPLC), Spettrofotometria FT-IR, Spettroscopia elettro-acustica (Potenziale Z), Dynamic light scattering (DLS.)
Caratterizzazione reologica di sistemi dispersi: Viscosità , Limite di scorrimento, Tempo-dipendenza (tissotropia), Viscoelasticità.
Proprietà meccaniche: Resistenza a flessione fino a 1500°C, Durezza, Nano-durezza, Moduli di Young, Tenacità a frattura fino a 1500°C, Tribologia e usura, Usura e adesione, Attrito, Erosione.
Misure elettriche: Rigidità dielettrica, Risonanza piezoelettrica , Caratterizzazione dielettrica DC ed AC 100 Hz- 3.0 GHz, Isteresi ferroelettrica, Temperatura di Curie e costanti piezoelettriche, Misure di spostamento, Misure di sensitività acustica, FORC.

Analisi termiche
Bio-compatibilità e citotossicità
Caratterizzazione Tecnologica
Taglio e finitura superficiale
Ossidazione e corrosione
Permeabilità e Suscettività magnetica

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QUESTE COMPETENZE SONO IL SUPPORTO ALLO STUDIO DEI MATERIALI E COMPONENTI OGGETTI DI STUDIO, PER LE PRINCIPALI AREE DI RICERCA ( DI SEGUITO ELENCATE)

HIGH TECH E NANOTECNOLOGIE

Laterizi e riciclo di scarto
Il CNR-ISTEC è in prima linea nello studio delle prestazioni del laterizio (durabilità e proprietà termo-igrometriche) e del comportamento tecnologico degli impasti argillosi, in collaborazione con aziende, università e centri di ricerca.
Particolare attenzione è dedicata al riciclo di scarti e sottoprodotti industriali nel ciclo di produzione del laterizio e delle piastrelle di ceramica, nel quale il CNR-ISTEC ha un'esperienza pluridecennale che include:
- analisi di laboratorio
- assistenza nelle prove industriali
- consulenza per problematiche di prodotto e di processo
- banca dati sull'utilizzo dei residui civili e industriali in ceramica.

Materie prime ceramiche
I prodotti ceramici per l'edilizia e per gli usi domestici ed industriali sono ottenuti facendo largo impiego di materie prime naturali. Laterizi, piastrelle, sanitari, stoviglierie, aggregati leggeri e refrattari silico-alluminosi sono tutti fabbricati utilizzando principalmente materiali argillosi. Il comportamento durante il processo tecnologico e le proprietà tecniche dei prodotti ceramici dipendono strettamente dalle caratteristiche delle materie prime. In questo ambito, il CNR-ISTEC è impegnato non solo a ricercare, caratterizzare e sviluppare nuovi giacimenti e impieghi di scarti industriali come materie prime per ceramica, ma anche modellizzare le loro proprietà e il loro comportamento tecnologico.

Pigmenti ceramici e tecniche di decorazione
I pigmenti ceramici sono cristalli colorati che vengo¬no dispersi in una matrice vetrosa, in cui sono insolu¬bili, allo scopo di impartire il colore attraverso una mi¬scela eterogenea. Pigmenti ceramici sono largamente usati per colorare piastrelle, stoviglierie, sanitari, smalti e vetri. Il CNR-ISTEC sviluppa nuovi pigmenti, in collaborazione con università e imprese italiane e straniere, al fine di migliorare le proprietà ottiche, la stabilità nel processo ceramico, la produzione e il costo industriale, la salute e la sicurezza. Esempi: Hardystonite, blu, Ca2(Zn,Co)Si2O7. Ematite inclusa in silice, rosso, [Fe2O3]SiO2. Srilankite, giallo, Zr(Ti1-x-ySnx-yVyYy)O4. Pirocloro, viola, Y2(Sn,Cr)2O7-d. Rutilo, nero, Ti1-x-yVxWyO2. Corindone, grigio-blu, Al2O3-MoOx. Pseudobrookite, marrone, Fe2TiO5.

Superfici ceramiche funzionalizzate
La funzionalizzazione delle superfici ha suscitato negli ultimi anni un particolare interesse in diversi settori industriali: ceramica, vetro, metalli. La modifica delle proprietà chimico-fisiche di superficie - attraverso la deposizione di nanorivestimenti, - consente di realizzare materiali a bagnabilità controllata, in grado di degradare sostanze inquinanti (superfici fotocatalitiche, superidrofiliche) o di evitare l'adesione dello sporco o del fouling marino
Negli ultimi anni, l'ISTEC ha sviluppato il know-how per la realizzazione di: superfici "self cleaning", superfici superidrofiliche (angolo di contatto con l'acqua < 5°), superfici superidrofobiche (angolo di contatto con l'acqua >160°), superfici ad elevata idrofobicità dinamica (angolo di "sliding"< 20°), superfici oleofobiche (angolo di contatto con oli >120°), superfici antifouling a ad attrito ridotto.
Sono attive linee di ricerca e di sviluppo precompetitivo per la realizzazione di superfici rivestite con ossidi semiconduttori, ad es. TiO2, in grado di presentare elevata idrofilicità e capacità di degradazione sia di molecole organiche che di ossidi inorganici (NOx) sotto irraggiamento UV; in questo ambito, si stanno studiando soluzioni innovative per implementare l'attività delle superfici anche in condizioni di illuminazione non idonea (ad es. al buio o con fonte di illuminazione nel visibile) in modo da ampliare la destinazione d'uso dei prodotti. Nel contempo sono stati realizzati all'ISTEC prototipi di superfici ceramiche a diversa finitura (smaltate e non, con smalti di composizione diversa), superidrofobiche che presentano, nel contempo, elevata idrofobicità dinamica e oleofobicità con grandi prospettive applicative in molteplici settori industriali.

Tessuti ceramizzati
La presente attività riguarda la funzionalizzazione di substrati tessili con un rivestimento ceramico nano strutturato attraverso una deposizione sol-gel, sulla base delle seguenti fasi: ottimizzazione del nano sol da depositare, ottimizzazione dei parametri della deposizione: pre e post trattamenti del substrato, tempi di immersione, trattamenti termici di curing per il fissaggio del rivestimento, caratterizzazione chimico fisica e funzionale dei campioni ceramizzati
Il processi di ceramizzazione di substrati tessili, sono finalizzati all'ottenimento di prodotti tessili performanti (autopulenti, antiusura, antifiamma) dove le proprietà della fase ceramica sono trasferite al substrato tessile, preservandone colore, traspirabilità.
All'ISTEC è stato sviluppato un processo di ceramizzazione di substrati tessili per arredamento con un rivestimento a base di TiO2 che è risultato trasparente, uniformemente distribuito e stabile nei confronti dei trattamento di lavaggio e test di usura. Sui campioni tessili ceramizzati sono state testate le proprietà foto catalitiche quali l'efficienza in processi di rimozione di macchie comuni quali caffè, olio, pomodoro, sotto l'esposizione della luce del sole. Gli stessi campioni tessili ceramizzati sono stati montati all'interno di un foto reattore e testati per la rimozione di NOx, registrando un abbattimento istantaneo dei gas inquinanti. Un progetto di impresa denominato Tessuti Ceramizzati ha ricevuto il primo premio per l'area nord italia alla business plan competition CNR/Il Sole 24 Ore nel 2010, concentrando l'interesse di molti addetti ai lavori.

Sintesi e design di nanomateriali
La presente attività è articolata secondo tre argomenti fondamentali:
i) sintesi e funzionalizzazione di nano sols e/o nano polveri;
ii) formulazione di nano sols (pH, contenuto di polveri e additivi);
iii) processi di ceramizzazione di superfici tramite la deposizione di nano sols.
Nell'ambito delle sintesi di nano materiali si sono messe a punto sintesi di ossidi di metalli e/o metalli tramite processi sol-gel di diverso tipo sia con tecniche di riscaldamento convenzionale che al microonde. Grazie alla progettazione/ottimizzazione delle procedure di sintesi è stato possibile realizzare nanostrutture complesse di tipo core-shell, ossido-metallo, ma anche ossido-ossido o metallo-metallo, ottenendo quindi proprietà sinergiche e mirate tra i materiali. Nell'ambito della ingegnerizzazione di superfici è stata trasferita la decennale esperienza che l'ISTEC vanta nella scienza dei colloidi per controllare le proprietà di superficie dei nano materiali e i processi di confinamento degli stessi (potenziale zeta, diametro dinamico dei sistemi nano dispersi, stabilità colloidale, tensione superficiale). Recentemente l'interesse si è spostato verso la funzionalizzazione di superfici solide (tessili, ceramiche, polimeriche, polveri) mediante deposizione di film nano strutturati trasparenti di materiali ceramici. L'ampia versatilità dei nanomateriali sintetizzati (ossidi e metalli) ha permesso di studiare la loro applicabilità nei settori più disparati: processi catalitici, nanofluidi per scambio termico, superfici antibatteriche/autopulenti.
Una attenzione particolare è rivolta agli aspetti relativi al nano-safety: ingegnerizzazione di superfici in modo da diminuire l'impatto che i nano materiali possono avere sui recettori biologici e l'ambiente, misure di esposizione nei luoghi di lavoro.

Giunzioni ceramiche
Le giunzioni tra materiali ceramici o tra materiali ceramici e metalli o vetri riveste particolare importanza in numerose applicazioni nelle quali è necessario accoppiare materiali con prestazioni diverse (ceramici e metalli ad esempio) o in cui venga richiesto un componente ceramico con una forma complessa. I ceramici spesso possono essere prodotti solo con forme semplici e questo ne limita l'utilizzo. Le tecniche di giunzione offrono la possibilità di ovviare a questo problema congiungendo tra loro più componenti di forma semplice.
Le tecniche di giunzione sviluppate presso ISTEC si possono così riassumere:
o Giunzione con interstrati vetrosi tra materiali ossidici e non ossidici
o Giunzione diretta tra materiali ossidici e non ossidici
o Brasatura tra ceramici e metalli con interstrati formati da elementi attivi

Ceramici compositi polifunzionali
Con lo sviluppo di compositi ceramici, si ha la possibilità di progettare e produrre materiali che soddisfino diverse tipologie di requisiti:
o specifiche funzioni elettriche
o elevata lavorabilità
o miglioramento delle proprietà meccaniche (resistenza e tenacità a frattura)
L'aggiunta di una fase elettro-conduttiva (ceramica, intermetallica o metallica), in quantità di almeno il 30% in volume, conferisce un'elevata conduttività elettrica a ceramici dielettrici (ad. essempio allumina, nitruro di silicio o di alluminio, carburo di silicio). Tra i compositi studiati all'ISTEC vi sono: Si3N4-TiN, Si3N4-MoSi2, SiC-AlN-MoSi2, Al2O3-TiC, Al2O3-TiB2, Al2O3-TiN, Al2O3-Mo, Al2O3-NiAl.
L'aggiunta di una fase secondaria "lubrificante" come il BN (esagonale) consente anche un'elevata lavorabilità meccanica. L'associazione di funzioni elettriche a quelle termiche e meccaniche rende questi materiali idonei per riscaldatori, accenditori e componenti a resistività elettrica controllata. I CERMET (compositi metallo-ceramica) a base di TiCN-WC-Ni-Co e metalli duri WC-Co sono invece studiati come utensili per lavorazioni meccaniche.
Tessiture conmplesse come le strutture laminate sono prodotte e studiate epr le loro superiori carateristiche meccaniche e tribologiche.
L'attenzione è rivolta, in tutti i casi, allo sviluppo del processo produttivo, e al controllo della miscrostruttura e misura delle proprietà elettriche, termo-meccaniche, comportamento in ambienti ossidanti e corrosivi.

Materiali piezoelettrici per applicazioni elettromeccaniche
L'attività di ricerca sui materiali ceramici piezoelettrici è orientata allo sviluppo dei materiali e dei componenti massivi (densi o porosi) o film spessi per applicazioni specifiche operanti a bassa ed alta potenza, in un ampio intervallo di frequenze. Possono essere sviluppati (progettati e realizzati) prototipi di:
a) attuatori e sensori piezoelettrici massivi e multistrato,
b) trasformatori,
c) sensori acustici,
d) trasduttori per soppressione attiva di vibrazione o recupero di energia meccanica (energy harvesting). Infatti l'unità di ricerca ha una consolidata esperienza nello
a)sviluppo di materiali e componenti piezoelettrici ceramici nei sistemi PZT, PLZT, BNBT, BST, PMN, PMN-PT, PSNT, CCTO, compositi PZT-CF
b)sintesi di polveri perovskitiche nanometriche anche leadfree per gel combustion
c)sviluppo di materiali porosi PZT (anche a gradiente di porosità e con porosità anisotropa) con metodi a secco (pressatura) o da sospensioni.
d)produzione di i) componenti sottili per colatura su nastro, ii) forme cilindriche per estrusione, iii) piccole serie di campioni e relativa finitura (taglio, deposizione elettrodi, polarizzazione), iv) film spessi (1-50 micron) .
e)studio di compositi multiferroici combinando il materiale ferroelettrico (PZT, BNBT) con il materiale ferromagnetico (ferriti).
f)caratterizzazione morfologico-microstrutturale e funzionale dei materiali e componenti piezoelettrici.

Geopolimeri per edilizia ed infrastrutture, trasporti, riciclo e biomateriali.
I geopolimeri sono polimeri inorganici sintetici a base alluminosilicatica o fosfatica legati chimicamente a T<300°C. Questa tecnologia consente la produzione di materiali con proprietà ceramiche con le stesse modalità di alcune materie plastiche, evitando gli equipaggiamenti pesanti e le alte temperature dagli impianti ceramici industriali. Infatti i manufatti in geopolimero possono essere prodotti per stampaggio e senza l'ausilio di ulteriori finiture. I geopolimeri sono eco-compatili ed eco-sostenibili. È importante sottolineare che i materiali geopolimerici sono sempre compositi: la resina geopolimerica funge da collante per le cariche inerti che funzionalizzano o rinforzano il materiale.
I geopolimeri trovano applicazione in molti settori, quali: trasporti, edilizia ed infrastrutture, metallurgia, trattamento dei rifiuti, restauro, arte, biomedicale, ecc.
ISTEC collabora a livello nazionale ed internazionale per sviluppare questa tecnologia, affrontando lo studio di base della reattività delle materie prime, in particolare di metacaolini, e la definizione di composizioni con fasi secondarie funzionalizzanti come fibre bio-solubili e particelle ceramiche.
Inoltre ISTEC produce materiali a base geopolimerica per applicazioni strutturali e termo meccaniche quali: pannelli leggeri isolanti termici, acustici e taglia-fuoco; leganti per alta temperatura, schiume e rivestimenti refrattari.
Infatti, i geopolimeri hanno una grande tolleranza alle alte temperature poiché sono incombustibili, non sviluppano gas o fumi, non sono tossici e non "esplodono" poiché contrariamente ai cementi idraulici tradizionali non contengono acqua in struttura.
Scarti e sottoprodotti industriali di varia natura possono essere riciclati come materie prime o cariche inerti per questo tipo di applicazione.

Ceramici luminescenti per applicazioni LED
Il mercato dei LED (light Emitting Diodes) per illuminazione è in fortissima crescita (circa 30 % all'anno). Per una diffusione più capillare (ad esempio per l'illuminazione domestica e per elevate potenze) è necessario il superamento di alcuni problemi.
Uno dei punti critici risiede nel materiale utilizzato attualmente come convertitore di luce, formato da particelle di un fosforo (generalmente Ce:YAG) inglobate in una matrice siliconica. Le matrici siliconiche sono caratterizzate da una bassa conducibilità termica, si degradano con rapidità, e hanno una bassa trasmittanza a causa di uno scattering della luce elevato. Tutto questo compromette la qualità e quantità della luce emessa.
Presso ISTEC sono attualmente in corso studi su componenti a base di Ce:YAG policristallino in grado di sostituire il componente luminescente a matrice siliconica presente nei LED ed aumentarne quindi le prestazioni.
I vantaggi del componente ceramico inorganico rispetto alle matrici siliconiche sono numerosi: Maggiore qualità della luce emessa (più vicina alla luce naturale), Maggiore stabilità termica, Aumento dell'efficienza dei LED, Costanza delle prestazioni nel tempo, Applicazioni molto competitive nel mercato dell'illuminazione domestica attualmente non coperto dai LED in commercio.

Ceramici ultra-refrattari per applicazioni spaziali ed industriali
I metalli di transizione (Ti, Zr, Hf, Ta) formano boruri e carburi che, per il loro punto di fusione tra 3000K e 4200K, vengono definiti ceramici ultra-refrattari (UHTC). Questi materiali sono contraddistinti da: punti di fusione elevatissimi, alta durezza, elevata conduttività termica ed elettrica, buona resistenza all'ossidazione, resistenza meccanica ad alta temperatura che li rende unici per alcune applicazioni in ambienti estremi, e specialmente nell'aero-spazio come: coni di prua, bordi alari d'attacco, superfici di controllo per veicoli ipersonici, superfici di controllo per veicoli di rientro, inserti per ugelli di razzi, componenti per sistemi di propulsione forzata in aria.
ISTEC-CNR è la sola realtà istituzionale scientifica che a livello nazionale ed europeo porta avanti da 15 anni attività di ricerca e sviluppo sugli UHTC. Questa mole di attività è stata spesso condotta all'interno di contratti e collaborazioni con: Centro Italiano Ricerche Aerospaziali, Agenzia Spaziale Italiana, European Space Agency, Dipartimento di Ingegneria Aerospaziale dell'Università di Napoli,US Air Force, Compagnia Generale dello Spazio, Ministero della Difesa, U.S National Science Foundation, Shanghai Institute of Ceramics (Cina), PROMES-CNRS (Fr), INO-CNR, Ing. Aerospaziale, etc.
Le attività scientifiche sono focalizzate su:
Processi innovativi per fabbricazione di materiali bulk densi o porosi, compositi rinforzati con fibre, whiskers, piattine o carbonanotubi;
Caratterizzazioni avanzate: caratterizzazione termo-meccanica ad alta temperatura, comportamento aero-termico (in collaborazione), caratterizzazione TEM ad alta risoluzione, caratterizzazione ottica (in collaborazione);
Design e fabbricazione di prototipi su scala di laboratorio fino alla fabbricazione di dimostratori e prototipi a forma complessa e dimensioni realistiche.

ENERGIA E AMBIENTE

Sistemi ceramici di accumulo elettrico (batterie ZEBRA)
Le batterie ZEBRA (Zero Emission Battery Research Activities), grazie all'elevata densità di energia e potenza, costituiscono una delle migliori soluzioni alla moderna richiesta di accumulo energetico per l'uso stazionario e alla domanda di mobilità sostenibile con le auto elettriche ed ibride. Questi sistemi sono costituiti da celle nickel-sodio cloruro, operanti ad alta temperatura (circa 270°C-350 °C), racchiuse in un contenitore termico ed utilizzano un tubo ceramico di Na-²"-allumina come elettrolita solido. Il processo ceramico necessario alla produzione del sistema elettrolitico risulta di fondamentale importanza per potere incrementare le prestazioni delle batterie ed adeguarle alle richieste relative all'uso in regime stazionario. Ogni minimo scostamento in termini composizionali o di processo modifica infatti fortemente le proprietà finali del manufatto. A questo scopo ISTEC si occupa dello studio ad hoc del processo produttivo, dalla sintesi delle polveri alla loro formatura al finale consolidamento termico, necessario a produrre membrane di ²"-allumina con adeguate caratteristiche morfologico-strutturali. La ricerca è focalizzata all'analisi approfondita del comportamento in sinterizzazione del materiale, con particolare attenzione a processi di reactive sintering e all'influenza dei trattamenti termici sulle caratteristiche chimico-strutturali del materiale. L'ottimizzazione dell'intero processo ceramico mira alla produzione di un materiale "full density" con proprietà chimico-microstrutturali idonee alla realizzazione di batterie ad elevata efficienza.

Ceramici trasparenti per laser di potenza
Molte applicazioni industriali e scientifiche richiedono laser di alta energia e potenza di picco che possono essere ottenuti esclusivamente utilizzando componenti a base di cristalli singoli o ceramici policristallini.
In questo ambito i ceramici laser ricoprono un ruolo importante per diverse ragioni:
o La fabbricazione di componenti di grande dimensioni è più facile rispetto a quella dei cristalli singoli realizzabili con le usuali tecnologie di crescita controllata;
o I ceramici laser sono vantaggiosi per produrre strutture complesse, come quelle a gradiente composizionale o stratificate, fondamentali per migliorare il controllo della trasmissione del calore e delle sollecitazioni termiche che rappresentano attualmente uno dei fattori che limitano l'ottenimento di elevate potenze.
Presso ISTEC la ricerca nell'ambito dei ceramici per laser allo stato solido pompati a diodi si è focalizzata sul sistema YAG e prende in considerazione il ruolo e trattamento delle materie prime, i parametri e tecnologie di sinterizzazione . Allo stato attuale è stato ottimizzato il processo per l'ottenimento di materiali con varie composizioni e livelli di drogaggio con Nd, Yb, Er.

Celle solari fotovoltaiche di terza generazione a colorante organico (DSSC)
Le celle solari fotovoltaiche sono utilizzare per convertire direttamente la luce solare in energia elettrica. Nel 1991 O'Regan e Gratzel hanno realizzato prototipi di celle solari con buona efficienza utilizzando materiali meno pregiati e costosi del silicio monocristallino.
Le DSSC (Dye Sensitized Solar Cell) sono costituite da multistrati di materiali a band gap selezionato che permettono l'assorbimento dei fotoni e la loro trasformazione in energia elettrica. Cuore del sistema è uno strato di semiconduttore inorganico (generalmente TiO2) che presenta la duplice funzione di ricevitore degli elettroni ad alta energia generati dal colorante organico in seguito all'assorbimento di fotoni e di supporto allo stesso. In entrambi i casi la struttura porosa è essenziale.
L'Istituto si occupa dello studio e dell'ottimizzazione di un prototipo di cella solare fotovoltaica con particolare attenzione alla realizzazione e ottimizzazione degli strati ceramici semiconduttori e del sigillante vetroceramico.
Il prototipo di cella solare viene studiato e realizzato con tecniche e materiali direttamente collegabili al mondo industriale per una riduzione di tempi e costi che induca una più rapida introduzione di questo prodotto nel mercato.

Elettrolizzatori ceramici ad alta temperatura (SOEC)
Un elettrolizzatore planare ad ossidi solidi (SOEC) permette, grazie all'alta temperatura di esercizio, la produzione di idrogeno con una maggior velocità e costi minori dei corrispondenti sistemi a celle polimeriche o alcaline. Un dispositivo di questo tipo può essere considerato come un multistrato ceramico dove l'elettrolita denso è posto tra due elettrodi porosi.
La realizzazione di un manufatto con questa geometria richiede un'attenta ottimizzazione di tutte le fasi del processo: sintesi delle polveri, processi di formatura,trattamenti termici necessari al loro consolidamento.
L'attività di ISTEC è principalmente rivolta allo studio e ottimizzazione di quei processi ceramici affidabili e facilmente industrializzabili che consentano l'ottenimento dei dispositivi sopracitati in modo economicamente vantaggioso e il più possibile eco-compatibile, sfruttando tecniche come: colaggio su nastro, serigrafia, pressatura.
I materiali elettrolitici utilizzati spaziano dalla convenzionale zirconia stabilizzata con ittria (YSZ) alla più innovativa ceria drogata con gadolinia (GDC) e più recentemente a conduttori protonici a base di cerati-zirconati (BCY, BCZY). Principale obiettivo è l'individuazione delle relazioni che intercorrono tra proprietà iniziali delle polveri, microstruttura ed efficienza elettrochimica del prodotto finale, conoscenze fondamentali per l'ottimizzazione dell'intero processo ceramico per la produzione di SOEC. A questo scopo ISTEC si occupa dell'intero processo ceramico necessario alla realizzazione di una SOEC, dalla sintesi delle polveri alla loro formatura e sinterizzazione, nonché della loro caratterizzazione chimico-fisica e microstrutturale. ISTEC collabora infine con molti centri italiani e internazionali per la produzione e caratterizzazione di celle SOEC.

Celle a combustibile ad ossido solido (SOFC)
Le celle a combustibile ad ossido solido (SOFC), generalmente utilizzate per applicazioni stazionarie, presentano caratteristiche di flessibilità sia in termini di carburanti (possono essere utilizzati idrogeno, metano ma anche bio-masse) che di potenza erogata, che le rendono appetibili sia per applicazioni industriali che residenziali. Nonostante questi indubbi vantaggi, i sistemi SOFC sono ancora in via di sperimentazione o in forma pre-competitiva soprattutto per gli alti costi connessi con la produzione delle singole celle e con la gestione dell'intero apparato.
L'attività di ISTEC è principalmente rivolta allo studio e ottimizzazione di quei processi ceramici affidabili e facilmente industrializzabili che consentano l'ottenimento dei dispositivi sopracitati in modo economicamente vantaggioso e il più possibile eco-compatibile. Sfruttando quindi tecniche già note all'industria ceramica tradizionale come: colaggio su nastro, serigrafia, pressatura,
ISTEC lavora all'ottimizzazione del ciclo di produzione di SOFC delle tre generazioni di celle planari:
o elettrolita-supportate,
o elettrodo-supportate,
o metallo-supportate.
I materiali elettrolitici utilizzati spaziano dalla convenzionale zirconia stabilizzata con ittria (YSZ) alla più innovativa ceria drogata con gadolinia (GDC) e più recentemente ai conduttori protonici a base di cerati-zirconati di bario (BCY, BCZY). Principale obiettivo è l'individuazione delle relazioni che intercorrono tra proprietà iniziali delle polveri, microstruttura ed efficienza elettrochimica del prodotto finale, conoscenze fondamentali per l'ottimizzazione dell'intero processo per la produzione di SOFC. A questo scopo ISTEC si occupa dell'intero processo ceramico necessario alla realizzazione di una SOFC, dalla sintesi delle polveri alla loro formatura e sinterizzazione, nonché della loro caratterizzazione chimico-fisica e microstrutturale.

Assorbitori solari ceramici per sistemi di produzione di energia
Il solare termico è una tecnologia per la produzione di energia sicura, sostenibile e a basso costo. La massima temperatura operazionale di un impianto solare è inferiore a 600°C, a causa del rapido degrado dei suoi componenti.
Lo scopo di questa attività è lo studio di materiali ceramici innovativi da impiegare come assorbitori solari a temperature oltre i 1000°C. Tali materiali devono possedere requisiti specifici tra cui:
P Assorbimento selettivo dello spettro solare
P Bassa emissività ad alta temperatura
P Elevata conducibilità termica
P Stabilità chimica ad alta temperatura
Materiali ceramici con differenti caratteristiche di "bulk" e superficie vengono prodotti e analizzati dal punto di vista delle loro proprietà fondamentali ottiche (in collaborazione con istituzioni italiane e straniere) e termo-meccaniche sia a temperatura ambiente che ad alta temperatura.
Al momento la ricerca si focalizza su ceramici a base di: HfC, ZrC, HfB2, ZrB2 (UHTCs).

Strutture porose ad architettura complessa
Realizzazione di strutture a porosità funzionale, controllata e specificamente organizzata.
Sono progettate sulla base delle specifiche applicazioni e possono essere in generale caratterizzate o differenziabili in termini di:
o morfologia dei pori: pori globulari-isotropi o canaliformi-anisotropi;
o distribuzione dimensionale dei pori, dal range sub-micronico ad ultra-macrometrico,
o porosità interconnessa
o distribuzione spaziale 3D dei pori con presenza o meno di gradienti di porosità nella struttura 3D,
o anisotropia, sviluppo preferenziale dei pori in una specifica direzione
o composizione/chimica del materiale costitutivo (tipo e stechiometria della fase ceramica, compositi ceramico-ceramico, compositi ibridi)
o trattamenti di consolidamento-sinterizzazione
In generale sono utilizzate le seguenti tecnologie, anche in combinazione tra loro: replica/ impregnazione di templanti sacrificali, additivazione di porogeni (per es. salt leaching, gas bubbling), foaming diretto, freeze casting, freeze drying, sistemi di macro-granulazione.

BIOMEDICALE

Funzionalizzazione di superfici per applicazioni medicali
Processi di sintesi di nano-polveri biomimetiche per rigenerazione di tessuti connettivali duri
Processi morfo-sintetici e trasformazioni biomorfiche per scaffold ossei a struttura gerarchicamente organizzata
Scaffold compositi bio-ibridi per la rigenerazione di regioni ossee e osteocondrali
Scaffold a base di polimeri naturali per la rigenerazione di tessuti molli
Fasi magnetiche bioattive per rigenerazione tissutale e terapie basate sull'ipertermia
Scaffold porosi biomimetici e bio-riassorbibili a base ceramica e ceramico-polimerica per applicazioni rigenerative load-bearing in ortopedia e chirurgia spinale
Sistemi di rilascio
Processi di sintesi e funzionalizzazione per il controllo del fenotipo cellulare
Ceramici bio-inerti per protesi strutturali

PATRIMONIO CULTURALE

Prodotti e tecnologie per la conservazione ed il restauro: geopolimeri e malte idrauliche
I prodotti per la conservazione ed il restauro dei materiali ceramici e lapidei nei Beni Culturali devono avere compatibilità con i materiali su cui si interviene e durabilità e stabilità nel tempo.
Le malte idrauliche naturali a base di grassello di calce e meta caolino sono ottimali per la messa in sicurezza di strutture archeologiche; la ricollocazione di lacerti musivi su supporto mobile; il recupero di edilizia storica; interventi di bioedilizia su edifici storici e per il recupero di centri storici. Hanno tempi di presa rapidi. Sono un'ottima e naturale alternativa alla malte cementizie, non completamente compatibili e che sviluppano nel tempo sali solubili.

Ceramica, mosaico e malte nei Beni Culturali: archeometria e diagnostica
Gli studi archeometrici attraverso caratterizzazioni chimico-minero-petrografiche, microstrutturali e fisiche permettono la conoscenza del materiale al fine di identificare le materie prime e la loro provenienza; forniscono inoltre precise indicazioni circa le tecnologie di lavorazione utilizzate.
- Ceramica. Composizione chimico-mineralogica, proprietà fisiche del corpo ceramico. Caratteristiche petrografiche della matrice e dello scheletro. Caratteristiche chimico-fisico-microstrutturali del rivestimento.
- Mosaico: Tessere lapidee (colore, caratteristiche e classificazione petrografica), Tessere in vetro (colore, struttura, composizione chimica, classificazione), Tessere in ceramica.
- Malta di allettamento e degli strati preparatori (composizione del legante, composizione dimensioni e forma dell'aggregato, grado di idraulicità, rapporto legante/aggregato, caratteristiche fisiche e microstrutturali)
Diagnostica. Studio analitico dei materiali ceramici, musivi e malte con particolare riguardo alla identificazione delle forme e prodotti di degrado per riconoscere le cause di degrado (naturale e antropico).