Mission e Obiettivi

Mission

L’ingegneria delle superfici è la disciplina che affronta il problema della progettazione integrata di superficie e substrato, così da fabbricare un sistema solido con variazioni graduali delle sue funzioni e offrire un notevole miglioramento delle prestazioni, garantendo al contempo l’efficienza di costi (Bell 2000).

Al fine di conferire caratteristiche nuove o migliorate sia funzionali sia strutturali (ottiche, termofisiche, elettriche, magnetiche, adesive o antiadesive, di passivazione, di biocompatibilità, di ridotto coefficiente di attrito, di elevata tenacità o resilienza, di elevata durezza, …), esistono moltissime tecnologie già disponibili sul mercato per ottenere adeguate proprietà superficiali le quali hanno un impatto economico rilevante: stime recenti valutano in circa il 3% del PIL il valore dell’industria del trattamento delle superfici in Italia, con circa diecimila aziende coinvolte in tale settore (Manuale di trattamenti e finiture, 2003). La scala dimensionale propria dell’ingegneria delle superfici copre ben 6 ordini di grandezza: i rivestimenti si possono infatti classificare in base ai seguenti elementi: materiali depositati (metallici, ceramici, polimerici o compositi); spessori di rivestimento (film sottili, nell’ordine delle decine di micrometri, e film spessi, fino a qualche millimetro); durezza (rivestimenti morbidi, duri, super-duri); applicazione (per resistenza a usura, resistenza a corrosione, resistenza a fatica, barriera termica, decorazione ecc.); struttura (a costituente singolo, multicomponente, monostrato, multistrato, a gradiente).

I principali problemi dell’odierna ingegneria delle superfici sono legati alla limitata affidabilità industriale di diverse tecnologie, ai costi di alcuni processi, alla difficoltà di caratterizzare con tecniche semplici ed economiche una parte dei rivestimenti progettati, alla circoscritta conoscenza scientifica e tecnica. Sotto quest’ultimo punto di vista, alcuni processi con particolari complicazioni tecnologiche e le relazioni fra i parametri di processo e le proprietà derivate sono ancora poco conosciuti o sono comunque di difficile controllo a causa dell’elevato numero di parametri operativi coinvolti. Manca poi una consolidata capacità modellistica e di simulazione dei processi e dei comportamenti degli strati superficiali.

In questo contesto le attività di ricerca del gruppo di Scienza e Tecnologia dei Materiali di Roma TRE riguardano prevalentemente (ma non esclusivamente) i rivestimenti ottenuti mediante tecniche di deposizione da fase vapore e galvaniche, delle dimensioni tipiche da qualche decina di nanometri fino a qualche decina di micron.

In questo ambito, il contributo tecnico scientifico del gruppo si focalizza nella determinazione della correlazione tra la microstruttura, la composizione e le proprietà meccaniche ottenibili con i parametri di processo, potendo anche contribuire a livello di progettazione meccanica numerica ed analitica del sistema rivestimento substrato, la conseguente produzione con un impianto MS-PVD e la caratterizzazione che si avvale delle tecniche disponibili al LIME e delle altre presenti nei laboratori del gruppo, fra le quali nanoindentatori ex-situ e in-situ, un AFM e un profilometro 3D ottico interferometrico/confocale, la diffrazione a raggi X, la misura dell’energia superficiale. Un aspetto peculiare dell’approccio del gruppo è la risoluzione spaziale delle analisi meccaniche; tramite metodologie sviluppate internamente grazie a fondi provenienti sia da commesse private che da progetti nazionali ed europei, sono disponibili tecniche per la misura della tenacità, del modulo elastico, del coefficiente di Poisson, delle tensioni residue che possono essere correlate localmente alle informazioni provenienti da analisi microstrutturali e compositive.

In breve, la nostra mission è quella di aumentare la conoscenza dei materiali dalla macro alla nano scala e il supporto alle imprese sia nel controllo qualità e analisi dei guasti (failure analysis), che nel miglioramento delle performance del prodotto industriale tramite:

• Studio delle proprietà superficiali di sistemi per applicazioni di ingegneria meccanica avanzata e micro-dispositivi;​
• Sviluppo di metodologie multiscala avanzate relative alla caratterizzazione microstrutturale e nanomeccanica dei materiali attraverso sonde ottiche, ioniche, elettroniche e a contatto;​
• Sviluppo di nuovi film sottili, nanomateriali e materiali multifunzionali, attraverso una combinazione di modellazione avanzata-caratterizzazione-progettazione-produzione di materiali multiscala.
• Sviluppo di tecniche per l’applicazione delle correlazioni nano-microstruttura-processo-proprietà-prestazioni per il controllo e l’ottimizzazione della lavorazione dei materiali in particolare per lo sviluppo di rivestimenti antiusura e resistenti alla corrosione.
• Applicazione delle nostre conoscenze e delle nostre tecniche di caratterizzazione avanzata nell’ingegneria forense

Obiettivi della ricerca

• Studio delle proprietà superficiali di sistemi per applicazioni avanzate di ingegneria meccanica e micro-dispositivi, attraverso modellazione numerica e analitica, metodi avanzati di caratterizzazione, test tecnologici, meccanici, tribologici e chimici.
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  L’obiettivo principale è lo sviluppo di nuove tecniche di deposizione di rivestimenti al fine di funzionalizzare substrati di materiali fornendo loro alcune proprietà specifiche superiori al loro comportamento reale. Ad esempio, la deposizione di un rivestimento multistrato migliora la resistenza ai graffi sulle lenti degli occhiali, aumentandone la durata. Recentemente, maggiore attenzione è stata data ai rivestimenti biocompatibili: materiali come il Poli-metilmetacrilato o il Titanio, usati frequentemente per realizzare protesi umane grazie al loro peso ridotto, richiedono una modifica superficiale per migliorare alcune caratteristiche come la durezza, la resistenza all’usura, la resistenza alla corrosione , osteointegrazione e così via.
  L’utilizzo delle tecniche di Microscopia a Fascio Ionico Focalizzato, Microscopia Elettronica a Scansione e Microscopia Elettronica a Trasmissione consente la caratterizzazione morfologica, microstrutturale e compositiva al fine di valutare se gli indici prestazionali dei rivestimenti sono congrui o meno a quelli richiesti (composizione chimica specifica, assenza di difetti quali porosità, microdroplet o micro-nano crack).
  La caratterizzazione meccanica come le prove di indentazione (a livello macro, micro e nano), test di resistenza al graffio e ball crater, consente di valutare la durezza, il modulo elastico e l’adesione dei rivestimenti, nonché la resistenza all’usura.
  Altre caratteristiche superficiali come le proprietà idrofobiche o antibatteriche possono essere valutate attraverso la misura dell’angolo di contatto che attraverso la misura dell’angolo di contatto di diversi liquidi sulla superficie estrapola l’energia libera superficiale.
  Gli indici prestazionali, misurati con le tecniche elencate, sono utilizzati per identificare la migliore configurazione possibile dei rivestimenti, conoscendo i parametri di processo; solitamente la conoscenza e l’ottimizzazione delle proprietà meccaniche, fisiche ed estetiche dei rivestimenti è stata raggiunta attraverso la tecnica del Design of Experiment (DOE).
  Attraverso la sinergia di caratterizzazioni sperimentali (ottenimento di indici prestazionali), modellazione FEM, selezione dei materiali e approccio statistico, è possibile migliorare la qualità dei rivestimenti o le proprietà superficiali dell’universo dei materiali.

• Sviluppo di metodologie avanzate multiscala relative alla caratterizzazione morfologica, microstrutturale e microanalitica dei materiali attraverso sonde ottiche, ioniche, elettroniche e a contatto.
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  Le più recenti attività di ricerca scientifica e tecnologica nazionale e internazionale sono orientate all’analisi e allo sviluppo dei nanomateriali, al loro studio, interpretazione e applicazione al fine di migliorare le prestazioni dei prodotti. A causa di una nanostrutturazione del “Material System” che costituisce un futuro nodo di fabbricare, l’uso delle nanotecnologie fornisce un migliore controllo sulle proprietà collettive funzionali e strutturali fino alla macroscala. La caratterizzazione delle superfici su diverse scale dimensionali rappresenta quindi la chiave necessaria per la comprensione del comportamento di un sistema consolidato.

  • Metodi di ricerca tra cui la microscopia ottica ed elettronica (SEM e TEM) offrono la capacità di indagine delle proprietà morfologiche, microstrutturali e compositive anche a livello di nanometri.
  • Utilizzando la tecnologia FIB-SEM/FEG è anche possibile eseguire alcuni micro e nano-lavorazioni al fine di effettuare un’indagine sub-superficiale più elaborata, valutando stress residui, adesione all’interfaccia rivestimento-substrato, difetti, inclusioni , porosità, ecc…
  • Con le metodologie di caratterizzazione meccanica attraverso il test di micro e macrodurezza, unitamente alle tecniche di nanoindentazione, è possibile ottenere la durezza ed il modulo elastico su diverse scale dimensionali.
  • Queste informazioni sono essenziali per i componenti di uso comune in settori come l’elettronica, la bioingegneria, decorativi o automotive, ecc…
  • I laboratori sono dotati di strumentazioni che consentono simulazioni di prove di danneggiamento come l’usura (mediante il calotest) e di resistenza al graffio (scratch test).
  • La rugosità superficiale viene misurata sulle diverse scale e risoluzioni mediante l’uso di microscopia a forza atomica e profilometria confocale e interferometrica.
  • Dalla sinergia dei risultati ottenuti sulle diverse scale dimensionali e dalle diverse tecniche di caratterizzazione è possibile valutare ed ottimizzare il comportamento del componente.