Carbonio

Dec 13, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 17850 (2022) Citare questo articolo

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L’articolo esamina l’influenza del rivestimento di carbonio sulla nanopolvere di ferro utilizzata come ausilio per la sinterizzazione della polvere di ferro atomizzata con acqua. La nanopolvere di ferro senza tale rivestimento è stata utilizzata come ausilio di sinterizzazione di riferimento per isolare l'influenza del rivestimento di carbonio. Entrambe le varianti di nanopolveri sono state caratterizzate utilizzando XPS e HRTEM. I risultati hanno mostrato una struttura nucleo-guscio per entrambe le varianti. La nanopolvere di ferro è ricoperta da uno strato di ossido di ferro spesso 3-4 nm, mentre la nanopolvere di ferro rivestita di carbonio è incapsulata con diversi strati di carbonio nanometrici. La termogravimetria condotta in un ambiente di idrogeno puro mostra un comportamento a picchi multipli per la nanopolvere di ferro rivestita di carbonio, mentre si osserva un comportamento a picco singolo per la nanopolvere di ferro. Due tipi di polveri micro/nanobimodali sono state ottenute mescolando la nanopolvere con polvere di ferro atomizzata in acqua. È stato osservato un restringimento lineare migliorato durante la sinterizzazione quando è stata aggiunta la nanopolvere di ferro rivestita di carbonio. Ciò può essere spiegato dalla riduzione della diffusione superficiale nella nanopolvere causata dal rivestimento di carbonio, che consente alla nanopolvere di sinterizzare a temperature più elevate e migliora la densificazione. Sono state eseguite anche analisi del carbonio e dell'ossigeno, misurazioni della densità, microscopia ottica e calcoli JMatPro.

Pressa e sinterizzazione è un percorso di produzione metallurgica delle polveri (PM) in cui vengono utilizzate tecniche di sagomatura come la compattazione uniassiale per trasformare la polvere metallica nella forma richiesta, dopodiché il materiale compatto viene sinterizzato per renderlo utile per l'applicazione. Durante la sinterizzazione, la parte viene riscaldata in modo che le particelle metalliche si leghino tra loro, conferendo così la resistenza necessaria. La resistenza ottenuta è proporzionale alla densità del componente1. Pertanto, è essenziale migliorare la densità per migliorare le proprietà dei componenti PM e successivamente ampliare la loro gamma di applicazioni. La densità può essere migliorata in molti modi, ad esempio aggiungendo un ausilio alla sinterizzazione. La nanopolvere è uno di questi ausili alla sinterizzazione ed è nota per ridurre l'energia di attivazione richiesta per la sinterizzazione2,3. L'aggiunta di nanopolveri è stata esplorata nel campo dello stampaggio a iniezione di metalli (MIM), dove sono state osservate proprietà migliorate4.

Le nanoparticelle hanno proprietà uniche dipendenti dalle dimensioni, che sono attribuite alla grande frazione di atomi presenti sulla superficie di questi materiali rispetto ai materiali di contropartita5,6. Queste proprietà uniche sono state sfruttate per applicazioni in settori quali l'analisi chimica, la microelettronica, i sensori biologici e altre applicazioni funzionali7,8. Tuttavia, affinché le nanoparticelle siano utili in queste applicazioni, è importante che rimangano stabili e mantengano le loro dimensioni. A causa del loro ampio rapporto superficie-volume, ad essi è associata un'energia superficiale in eccesso. Pertanto, hanno una forte tendenza a coalizzarsi, il che porta a cambiamenti significativi nella lavorabilità. La nanopolvere può essere rivestita con carbonio, che stabilizza le nanoparticelle contro l'agglomerazione e la coalescenza. La nanopolvere di ferro rivestita di carbonio è stata utilizzata in applicazioni quali archiviazione di dati magnetici, toner magnetici nella xerografia, agenti di contrasto nella risonanza magnetica, supporti catalitici e sistemi di rilascio di farmaci e geni9,10,11,12,13. Inoltre, il rivestimento in carbonio fornisce una fonte di carbonio, che altrimenti dovrebbe essere aggiunto separatamente per determinare la composizione finale dentellata dell'acciaio sinterizzato14.

In lavori precedenti, gli autori hanno esplorato l'aggiunta di nanopolvere di ferro puro come ausilio alla sinterizzazione della polvere di ferro atomizzata con acqua15. Le curve di sinterizzazione hanno rivelato un'influenza pronunciata dell'aggiunta di nanopolvere sul comportamento di sinterizzazione di questi compatti di polvere bimodali micro/nano. Esperimenti di sinterizzazione condotti a temperature intermittenti per tracciare lo sviluppo dei colli di sinterizzazione con l'aumento della temperatura e la successiva analisi frattografica dei compatti hanno rivelato che la sinterizzazione della nanopolvere a temperature fino a 600 °C, al di sotto dell'inizio della sinterizzazione del micrometro- polvere base dimensionata. Sebbene il ritiro lineare della polvere di ferro atomizzata con acqua sia migliorato con l’aggiunta di nanopolvere di ferro come ausilio alla sinterizzazione, è necessario un ulteriore miglioramento. Ciò consente l'adattamento della pressa a densità quasi completa e delle parti PM sinterizzate in aree in cui queste non sono attualmente in uso, dove sono necessarie prestazioni migliorate. Per ottenere una densità quasi completa, viene utilizzata la pressatura isostatica a caldo (HIP). Per consentire l'HIP senza capsule, è necessaria una porosità chiusa (densità teorica del 95%) o una porosità quasi chiusa. Questa ricerca fa parte di un quadro più ampio per misurare l’efficacia dell’uso della nanopolvere come ausilio alla sinterizzazione per ottenere una porosità chiusa nella polvere di ferro atomizzata con acqua.