Rivoluzionario materiale ibrido a spirale resistente, leggero e conduttivo
Tra i metalli commerciali, il rame e l’alluminio hanno la resistenza elettrica più bassa, il che li rende buoni conduttori elettrici. Infatti, tutti i metalli sono stati valutati utilizzando come riferimento la conduttività elettrica del rame: nel 1913 la Commissione elettrotecnica internazionale ha definito l’International Annealed Copper Standard (IACS) lo standard internazionale del rame ricotto, in termini di conduttività elettrica del rame, fissandolo a 100 % IACS (58,00 mS/m). Ciò non significa che il rame non abbia resistenza, ma piuttosto che è lo standard sulla base del quale vengono misurati gli altri materiali. Un filo di alluminio deve essere più grande di un filo di rame per ottenere la stessa efficienza. Poiché il rame ha una resistenza doppia rispetto all’alluminio, la sezione trasversale di un filo di alluminio deve essere larga il doppio rispetto a quella di rame per ottenere la stessa capacità portante. Generalmente, il rame è la prima scelta per i fili elettronici e per le telecomunicazioni, mentre l’alluminio, un materiale più leggero ed economico, è adatto per le linee elettriche aeree.
Combinare i materiali in modi nuovi
Le strategie di progettazione dei materiali ispirate ai sistemi biologici naturali possono introdurre forme e disposizioni degli elementi costitutivi che consentono nuovi gradi di libertà per gli ibridi. Il progetto HybridMat, finanziato dall’UE, ha sottoposto a test materiali ibridi con un’architettura interna a spirale dalle eccezionali proprietà fisiche e meccaniche. L’ibrido combina l’elevata resistenza e l’elevata conduttività del rame con il peso leggero e il costo contenuto dell’alluminio. I ricercatori hanno esaminato molti diversi parametri dell’elica per individuare quale progetto porti a una maggiore resistenza e conduttività nei conduttori ibridi. Particolare attenzione è stata dedicata all’evoluzione delle fasi intermetalliche formate nell’interfaccia alluminio-rame durante la lavorazione. È noto che questo tipo di lega intermetallica presenta una conduttività inferiore rispetto ai rispettivi componenti puri, che oltre alla loro intrinseca fragilità possono compromettere gli effetti benefici del materiale ibrido. Il team del progetto ha inoltre sviluppato un nuovo modello analitico per prevedere l’effettiva conduttività elettrica dei campioni ibridi. Il modello tiene conto della presenza di uno strato intermetallico. Contrariamente alla regola delle miscele, il modello dipende da due parametri: la frazione del volume del rame e la geometria del costituente elicoidale. «Il modello si è dimostrato utile per valutare in che modo i parametri dell’elica e la larghezza dell’interfaccia influiscano sulla conduttività effettiva dei campioni ibridi ed è quindi adatto per la progettazione ottimale dei conduttori ibridi», spiega Rima Lapovok, borsista Marie-Curie.
Deformazione del metallo in nanoscala
È stato compiuto uno sforzo significativo nello sviluppo di tecniche di severe plastic deformation (SPD, o deformazione plastica severa), processi di formazione dei metalli che impartiscono la deformazione da taglio ai materiali metallici sfusi. La deformazione da taglio produce materiali a grana estremamente ultrafine fino alla gamma dei nanometri. «La SPD apre nuove opportunità per la produzione di materiali ibridi con proprietà fisiche e meccaniche migliorate, come l’elevata resistenza e l’elevata conduttività elettrica, per applicazioni industriali mirate. Abbiamo dimostrato che i campioni ibridi con rinforzo elicoidale presentano una maggiore resistenza, una maggiore capacità di carico e un maggiore indurimento della deformazione rispetto ai campioni con rinforzo parallelo dritto», conclude la Lapovok.
Parole chiave
HybridMat, rame, materiale ibrido, alluminio, conduttività, resistenza, capacità di carico, deformazione plastica severa (SPD)
