EEE-CFCC: Evoluzione Economicamente ed Ecologicamente sostenibiledi Compositi Fibrorinforzatia matrice Ceramicain forma Complessa

Claudio Mingazzini (ENEA Faenza) Coordinatore Scientifico del progetto, finanziato all’interno del POR-FESR 2014-2020 Asse 1, Azione 1.2.2

EEE-CFCC: Compositi Ceramici Fibrorinforzati

EEE-CFCC (durata: da 01/04/16 a 01/04/18, finanziamento 879k€) svilupperà un nuovo materiale ceramico composito fibrorinforzato per il settore dei trasporti e delle costruzioni

EEE-CFCC porterà avanti i risultati ottenuti nell’ambito del Laboratorio MITAI (Tecnopolo di Ravenna, Faenza), per lo sviluppo di un composito ceramico di basso costo, denominato BasKer in grado di combinare un basso peso specifico, con prestazioni termostrutturali fino a 600-800 C, garantendo resistenza al fuoco e isolamento termico fino a 1200 C

EEE-CFCC: Compositi Ceramici Fibrorinforzati

L’ottenimento di Ceramici Fibrorinforzati (in sigla CMC o CFCC) è un obiettivo difficile da ottenere a costi compatibili con una produzione di massa

Risponde all’esigenza di avere rotture, non fragili, bensì un danneggiamento progressivo, che viene definito «rottura pseudoplastica»

Normalmente si parte dalle fibre ceramiche e si produce una matrice a partire da un gas (CVI) o da un Polimero Preceramico (PIP)

CFCC da CVI (Chemical Vapour Infiltration)

Vantaggi

Processo facilmente automatizzabile

e massimizzazione performance

Svantaggi

Lunghi tempi di processo ed alti costi

IMPIANTO

CVI/CVD

ENEA

Faenza

CFCC da PIP (Polymer Impregnation Pyrolysis)

Impianto PIP di pirolisiin ENEA Faenza

Camera utile: = 40 cmL = 75 cm

Il PIP tradizionale prevede 6-10 cicli di Impregnazione in Polimero preceramico e Pirolisi, con un tempo di produzione che non può essere inferiore ad un mese e non automatizzabile

Questo insieme agli alti costi dei Polimeri Preceramici rende vincente l’approccio CVI

CFCC: da PIP a PrePreg Preceramici

L’approccio basato sui PrePregPreceramico punta a compensare la porosità dovuta alla riduzione di volume conseguente alla conversione del polimero in ceramico, con la presenza di fibra lunga, al fine di conservare proprietà termomeccaniche accettabili

CFCC: da PIP a PrePreg Preceramici

Unico stepdi PIP

Nell’ambito del progetto regionale MITAI, ENEA (Faenza) ha sviluppato:

formulazioni preceramiche per FilamentWinding

procedure per la produzione di PrepregPreceramici (RM2014A000725, 16/12/14)

procedure per la produzione di componentiin CFCC da Prepreg Preceramici, (RM2014A000726, 16/12/14, in cotitolaritàcon RiBa Composites; superata fase PCT)

CFCC low cost da Preceramici

Le azioni di sviluppo di ENEA Faenzaall’interno di MITAI hanno seguito la logica di:

dare un vantaggio competitivo tecnologico ad aziende che già operano nel settore del composito polimerico, sfruttandone il più possibile le facilities già disponibili, per produrre materiali con performance non raggiungibili dal composito polimerico

Sfruttare la collaborazione con un terzista come RiBa Composites per un’azione di avvicinamento ad altri End User, per arrivare a focalizzare le applicazioni

CFCC low cost da Preceramici

LABORATORIO MITAIMateriali Innovativi e

Tecnologie per ApplicazioniIndustriali

PrePreg preceramici: a bassi spessori sono formabili senza ritiro, sugli stessi stampi e con le stesse tecniche dei compositi polimerici, aggiungendo una pirolisi finale (T intorno a 700 C, in azoto fluente)

CFCC low cost da Preceramici

PMC, Composito a Matrice Polimerica

CMC, Compositoa Matrice Ceramica

PMC

CMC

Ad oggi l’unica soluzione Low Cost prevede la combinazione di basalto e siliconi, per dare una matrice ceramica del tipo SiCO. Il basalto crea in maniera spontanea un’interfaccia fibra-matrice adatta.

BasKer: da tessuti di basalto + siliconi

Basalto / SiCOx da Prepreg preceramici

Resistenza meccanica a flessione a 400˚C:

Fino a 150-200 MPa

Densità: 1.9-2.0 g/cm30

20

40

60

80

100

120

140

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0

Displacement [mm]

Str

ess

[M

pa

]

EEE-CFCC: il nuovo progetto

Partner beneficiari: la messa a sistema di tutte le realtà di ricerca presenti a Faenza, ovvero ENEA TEMAF, CNR-ISTEC, CIRI-MAM-UniBo, Certimac, Centuria

Realtà industriali: Tampieri Energie, Curti Costruzioni Meccaniche, Edilteco, Riba Composites (aziende con cui già esisteva un background di collaborazione)

Focalizzare gli obiettivi in un’ottica di sostenibilità economica ed ambientale

EEE-CFCC: le applicazioni

Paracalori e tubi di scarico, ovvero componenti in forma complessa per l’alleggerimento nel settore trasporti (sfruttando la discreta capacità di isolamento termico del BasKer, 0.35W/mk)

Pannelli coibenti resistenti al fuoco per trasporti e costruzioni (sfruttando la resistenza a fuoco di una «pelle» in BasKere un coibente poroso geopolimerico

Materie prime seconde, LCA, fine vita

EEE-CFCC: le applicazioni

Paracalori e tubi di scarico, ovvero componenti in forma complessa per l’alleggerimento nel settore trasporti (sfruttando la discreta capacità di isolamento termico del BasKer, 0.35W/mk)

EEE-CFCC: le applicazioni

Pannelli coibenti resistenti al fuoco per trasporti e costruzioni (sfruttando la resistenza a fuoco di una «pelle» in BasKere un coibente poroso geopolimerico

Coibenti porosi

EEE-CFCC: la sostenibilità

Materie prime seconde:

Ceneri da biomasse → per geopolimeriporosi da usare come coibenti

fibre corte di C, da pirolisi di composito polimerico (PMC) a fine vita e sfridi di lavorazione → per geopolimeri da usare per stampi termostrutturali

Fibre di basalto di recupero e fanghi di rettifica → per abbassare costi del BasKer

Valutazioni LCA, fine vita

EEE-CFCC: obiettivi, approccio e impatto

L’obiettivo è il TRL 6, ovvero la produzione e qualificazione di dimostratori in scala rappresentativa di quella reale, usando ove possibile facilities industriali, ovvero predisponendo linee pilota

- Componenti in forma complessa inBasker o multimateriale (es: BasKer+PMC)

- Pannelli coibenti resistenti al fuoco

Ottimizzazione sostenibilità economica ed ambientale sfruttando materie prime seconde con cui si svilupperanno geopolimeri per stampi termostrutturali per le forme complesse e coibenti porosi resistenti al fuoco

Partner beneficiari: ENEA TEMAF

Laboratori ENEA FaenzaDipartimento Sostenibilità

Divisione Materiali

Dipartimento Sostenibilità dei Sistemi Produttivi e Territoriali: ENEA-SSPT

Svolge ricerche sui sistemi di produzione e consumo basati su un utilizzo sostenibile delle risorse e sulla riduzione delle emissioni e dell’impatto, e sulla gestione e la mitigazione dei rischi del territorio

Divisione Tecnologie e Processi dei Materiali per la Sostenibilità:

ENEA-SSPT-PROMAS

Laboratorio TEMAF

Responsabile Ing. Sergio Sangiorgi

Centro ENEA di Bologna (Faenza)

Partner beneficiari: ENEA TEMAF

ENEA Faenza opera in vari ambiti, con una competenza che parte del background del nucleare e dei materiali avanzati, con un approccio che punta alla produzione e qualificazione di dimostratori in scala reale, utilizzando materiali avanzati, in particolare ceramici e compositi

In ambito compositi, oltre al progetto MITAI, ENEA Faenza coordina il WP sui materiali compositi nel progetto MATISSE (materiali per il nucleare di fissione di IV generazione)e partecipa al progetto bandiera Italia 2020 del cluster trasporti (materiali per l’alleggerimento nel settore automotive

ENEA Faenza, fondata nel 1994, conta al momento 22 dipendenti +2 TD, opera su 3000mq con impianti di taglia intermedia fra la ricerca di base e la produzione

Partner beneficiari: ENEA TEMAF

• Tre macchine per test statici e dinamici fino a

500 kN e 1500˚C

• Dieci macchine per creep a trazione fino a

1000˚C, tre per creep a flessione fino a 1500˚C

• Test di pressurizzazione fino a 200 bar

• Test di fatica basati su flessione rotazionale

• Frequency analysis con metodo della risonanza

• Impact tests

Qualificazione meccanica e termomeccanica

ENEA TEMAF: ruolo nel progetto

Coordinamento del progetto e del rapporto con i partner industriali per focalizzare le applicazioni ed i dimostratori

Sviluppo di linee pilota in scala rappresentativa (per la produzione di Prepreg Preceramico e per la pirolisi di componenti)

Sviluppo di formulazioni e processi per componenti in BasKer nella forma di piastre, tubi, profili a C e forme complesse

Sviluppo soluzioni multimateriale

Partner beneficiari: Certimac

Organismo di Ricerca, Certificazione e Prove sui materiali opera dal 1993 a supporto della Filiera Costruzioni.

fondato e partecipato da:

CertiMaC è Laboratorio Accreditato della ReteAlta Tecnologia Emilia-Romagna - PiattaformaCostruzioni – Piattaforma Energia Ambiente

Nell’ambito del Tecnopolo di Ravenna, CertiMaC coordina il progetto MITAI - MaterialiInnovativi e Tecnologie per Applicazioni Industriali: 4 linee di ricerca per l’innovazionedei materiali in partnership con CNR Istec ed ENEA.

Certimac: outline

Analisi e Prove MaterialiEfficienza Energetica Edifici

Ricerca Industriale & Trasferimento Tecnologico

PRESTAZIONISOSTENIBILITÀ

SICUREZZA

Sviluppo e qualificazione di materiali e soluzioni

per l’involucro ad alte prestazioni

CARATTERIZZAZIONI MARCATURA CE

MARCHI QUALITÀ

Test, analisi e prove per la qualità e le prestazioni

dei materiali e degli edifici

PRODOTTI INNOVATIVIPROCESSI PIU’ EFFICIENTI

NUOVE TECNOLOGIE

Centro ricerche per l’innovazione dei materiali: Edilizia | Restauro | Meccanica | Energia | Ambiente

Certimac: ruolo nel progetto

Caratterizzazione ed ingegnerizzazione degli stampi e coibenti in geopolimero e degli elementi in BasKer

Qualificazione e modellazione termomeccanica e termofisica nelle condizioni di lavoro attese

Soluzioni a fine vita dei CMC e dei geopolimeri

Partner beneficiari: CNR-ISTEC

Via Granarolo, 64 – 48018 Faenza (RA) Tel.: +39 0546-699711 Fax: +39 0546-699719Web: www.istec.cnr.it

• Fondato nel 1965• 66 Dipendenti• 24 Dottorandi e visitatori• 5 Ml $ Budget annuale per la Ricerca• 3,5 Ml $ Risorse esterne• 1,5 Ml $ Fondi pubblici

Direttore Dott.ssa A.Tampieri

Il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) è Ente pubblico nazionale con il compitodi svolgere, promuovere, diffondere, trasferire e valorizzare attività di ricerca neiprincipali settori di sviluppo delle conoscenze e delle loro applicazioni per lo svilupposcientifico, tecnologico, economico e sociale del Paese.

L’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (CNR-ISTEC) siconfigura come l'unica struttura di ricerca del CNR, e la più grande struttura italianaoperante nel paese con programmazione poliennale, specificamente indirizzata allostudio globale dei materiali ceramici. CNR-ISTEC ha la sua sede a Faenza.

CNR-ISTEC: outline La ricerca presso CNR-ISTEC è indirizzata all'innovazione di materiali e dei processi

in risposta alle emergenti esigenze del comparto industriale, scientifico e culturale nazionale ed internazionale, nei diversi settori che richiedono l'applicazione di materiali e dispositivi ceramici.

• Hi-Tech & Ambiente

• Salute & Nanotecnologie

• Energia & Meccatronica

• Beni culturali & Edilizia e costruzioni

Ricerca di Base e applicata

CNR-ISTEC: ruolo nel progetto

Porosità gerarchica: supporti, sorbenti e membrane

Refrattari, isolamento termo-acustico e fire-proof

Riciclo di materie prime

Arte e beni culturali

Al2O3·x(SiO2)

+

M2O·x(SiO2)·nH2O

+

Filler

I GEOPOLIMERI sono ceramiche consolidate per via chimica in ambiente alcalino.

Nella loro accezione applicativa sono materiali compositi: la matrice è costituita da nano-precipitati che fungono da legante per le cariche funzionali.

Partner beneficiari: CIRI MAM UniBo

UO 04 - Materialistrutturati e/o compositi

FAENZA- parco scientifico tecnologico «Torricelli»

Loris Giorgini, loris.giorgini@unibo.it

Tiziana Benelli (Ricercatrice)

Laura Mazzocchetti (Ricercatrice)

Chiara Leonardi (Assegnista di Ricerca)

Giorgio Zattini (Assegnista di Ricerca)

Emanuele D’angelo (dottorando)

Doriana Silvestri (Assegnista di Ricerca)

Emanuele Maccaferri (Assegnista di Ricerca)

CIRI-MAM: outlineANALISI TERMICA e TERMO-MECCANCIA

(TGA, DMA, DSC)

ANALISI TERMICA e TERMO-MECCANCIA

(TGA, DMA, DSC)

ANALISI MICRO- E SPETTROSCOPICHE (SEM-EDX, XRF, FT-IR, Raman e microRaman)

ANALISI MICRO- E SPETTROSCOPICHE (SEM-EDX, XRF, FT-IR, Raman e microRaman)

ANALISI DEGLI ADDITIVI, MIGRATION TESTS,

PROPRIETA’ ALLA FIAMMA, INVECCHIAMENTO ACCELERATO

ANALISI DEGLI ADDITIVI, MIGRATION TESTS,

PROPRIETA’ ALLA FIAMMA, INVECCHIAMENTO ACCELERATO

EVENTUALE RILASCIO DI CONTAMINANTI

PACKAGINGALIMENTO

CONO-CALORIMETRO

XENON WEATHERING TEST CHAMBERTGADSC

DMA

TENSILE STRENGTH

SEM-EDX

FT-IR ATR XRF

CIRI-MAM: ruolo nel progetto

Ottimizzazione delle fibre di carbonio riciclate, come materia prima seconda per i geopolimeri

Valutazione LCA in termini di ecosostenibilità

PIROLISI

SYNGAS

OIL

TAGLIO E GASSIFICAZIONE

Uso come rinforzo per matrici

geopolimeriche

Uso come rinforzo per matrici

geopolimeriche

CENTURIA Agenzia per l’Innovazione della Romagna

Centuria è un centro per l‘innovazione e il trasferimento tecnologico accreditato dallaRegione Emilia-Romagna nell’ambito della Rete Alta Tecnologia.

E’ una società senza fini di lucro con oggetto sociale la promozione dell’Imprenditorialità,della Ricerca Industriale e dell’Innovazione.

Servizi per lo sviluppo delle imprese:

Scouting e sorveglianza brevettuale. Protezione e

valorizzazione assetintangibili. Newsletter

tecnologie e brevetti. Tutela

proprietà industriale e intellettuale.

Gestione Incubatori d’impresa. Analisi

di mercato e finanziarie.

Business planning. Partner search. Relazioni con

Venture Capital, Banche d’affari e Business Angels. Crowdfunding.

Assistenza e consulenza su finanziamenti

europei, nazionali, regionali.

Monitoraggio politiche e programmi comunitari.

Progettazione. Project

Management.

Convegni. Seminari.

Workshop. Open day. Visite a

laboratori e centri di ricerca. Comitati

tecnici e di indirizzo. Gruppi di lavoro congiunti tra

imprese e ricercatori.

NETWORKING & TRAINING

BREVETTI & TECNOLOGIE

STARTUP &NEOIMPRENDITORIA

PROGETTI &FINANZIAMENTI

Partner non beneficiari: Riba Composites

• RIBA Composites opera nel settore dei materiali compositi avanzati per il settore dei trasporti (automotive, aeronautico, nautico). Collabora alla individuazione di nuove applicazioni per materiali compositi termostrutturalied è interessata alla gestione del fine vita del PMC e dei relativi sfridi

Partner non beneficiari: Curti Industries

• Curti, che opera nel settore aeronautico da oltre 30 anni, realizzando componenti in titanio e ad altissima tecnologia, ha avviato il progetto di un proprio elicottero biposto a turbina, per il quale è interessato a paracalori e tubi di scarico con elevato rapporto prestazioni/peso

Partner non beneficiari: Tampieri Energie

• Tampieri Energie ricerca soluzioni tecnologiche per lo smaltimento di residui di combustione di biomasse ad uso energetico: i residui sono valorizzabili come materie prime seconde per geopolimeri

Partner non beneficiari: EDILTECO

• Edilteco è un gruppo internazionale interessato, come end user, a soluzioni per coibentazione e protezione dal fuoco nel settore trasporti e costruzioni

GRAZIE per L’ATTENZIONE!!!!!

Info e Contatti: Claudio Mingazzini <claudio.mingazzini@enea.it>; Luca Laghi <l.laghi@certimac.it>;

Valentina Medri <valentina.medri@istec.cnr.it>; Elena Landi <elena.landi@istec.cnr.it>; Annalisa Natali Murri <annalisa.natalimurri@istec.cnr.it>; Loris Giorgini <loris.giorgini@unibo.it>; Chiara Leonardi <chiara.leonardi3@unibo.it>; Alessandra Folli <a.folli@centuria-agenzia.it>; Mattia Morganti <m.morganti@certimac.it>; Giulia Ruta < g.ruta@certimac.it >; Matteo Scafè <matteo.scafe@enea.it>; Sergio Sangiorgi <sergio.sangiorgi@enea.it>

Siti web: ENEA TEMAF (www.enea.it/it/uttmatf); CNR-ISTEC (www.istec.cnr.it); CERTIMAC

(www.certimac.it); CIRI-MAM (www.mam.unibo.it); Centuriagenzia (www.centuria-agenzia.it)