Dispositivo per la polarizzazione di materiali ceramici ferroelettrici operante con variazioni di temperatura e campo elettrico applicato, integrabile in strumenti di analisi morfologica e microstrutturale

Titolarità: Università degli Studi di Sassari

Inventori: Iacomini Antonio, Sanna Davide, Garroni Sebastiano, Enzo Stefano, Mariani Alberto, Mulas Gabriele, Melis Andrea, Labate Pier Nicola

Dipartimento: Scienze Chimiche, Fisiche, Matematiche e Naturali

Area: Chimica dei Materiali

Estensioni: Brevetto Europeo sarà pubblicato in data 12 Marzo 2025 con il seguente numero ufficiale: EP4519657

Data di Deposito: 06/05/2022

Data di Concessione: 23/04/2024

Introduzione

La presente invenzione, denominata X-poll, riguarda lo sviluppo di un dispositivo tecnologico unico nel suo settore di ricerca, dedicato alla caratterizzazione di materiali piezoelettrici in funzione di diversi parametri, quali temperatura e campo elettrico. 

Il gruppo di inventori della proposta brevettuale si caratterizza per la presenza di cinque tra professori e ricercatori di area chimica con interesse comune nello studio di una classe specifica di materiali, denominata “smart materials” (materiali intelligenti), un amministratore fondatore di start up innovativa (Relicta) e due tecnici/ingegneri tra il personale di ateneo UNISS. Tra i diversi aspetti legati allo sviluppo e applicazione di questa classe di materiali, gli otto componenti presentano specifiche e comprovate esperienze nella sintesi e caratterizzazione di materiali piezoelettrici, i quali trovano applicazione in diversi dispositivi industriali e nella vita di tutti i giorni.

I ceramici piezoelettrici fanno parte di quella categoria di materiali funzionali che trova impiego in un’ampia gamma di prodotti industriali e di largo consumo, tra cui sonar, ecografi, microfoni e iniettori. Riguardo il contesto economico, i trasduttori piezoelettrici a ultrasuoni, per esempio, utilizzati nelle applicazioni di diagnostica per “imaging”, hanno generato, solo nel 2017, un mercato di circa 1 miliardo di dollari. Grandi sforzi si stanno ancora facendo per ottimizzare la composizione e controllare il processo di produzione dei piezoceramici. Risulta evidente che l’ottimizzazione delle proprietà elettromeccaniche dei piezoceramici è intimamente correlata alla microstruttura del materiale stesso, la quale viene definita attraverso l'impiego di diverse tecniche di caratterizzazione. Tra queste, la diffrazione dei raggi X è una delle tecniche più importanti e diffuse per lo studio delle proprietà microstrutturali dei solidi cristallini e non. Un altro aspetto molto importante relativo alla caratterizzazione dei piezoceramici è legato al fatto che molti di essi, al seguito e durante il processo di polarizzazione, variano la loro microstruttura. Da quanto descritto sopra emerge come lo studio della relazione struttura-proprietà sia di fondamentale importanza per l'implementazione di tali materiali sia da un punto di vista industriale che di scienza di base. 

Per tale motivo abbiamo sviluppato una cella di misura, oggetto delle proposte brevettuali, capace di polarizzare il campione durante la misura di diffrazione dei raggi X.

Il prototipo si presta a essere inglobato nel grande mercato a livello mondiale dei materiali ceramici piezoelettrici per il quale si prevede che guadagnerà slancio dalle crescenti attività di ricerca e sviluppo mirante ad ottenere piezoceramiche senza piombo. Le informazioni sulla crescita del mercato sono fornite da Fortune Business Insights™ il quale afferma che questa dimensione al 2019 il mercato di questi materiali si aggira intorno ad un introito di 1.3 miliardi di dollari e prevede che raggiungerà 1.8 miliardi di dollari entro il 2027, mostrando così un CAGR del 4,0% durante il periodo di previsione. Il report è stato sviluppato andando a studiare i principali player al mondo e le loro crescite sul mercato segmentato in cui i più importanti settori sono quello automobilistico, assistenza sanitaria, IT e telecomunicazioni, beni di consumo, aerospaziale e difesa. Di seguito i player più importanti al mondo:

• PI Ceramics GmbH (Germania)
• L3Harris Technologies, Inc. (Stati Uniti)
• Arkema (Francia)
• Solvay (Belgio)
• Sparkler Ceramics (India)
• TDK Corporation (Giappone)
• Hong Kong Piezo Co. Ltd. (Cina)
• Meggit PLC (Regno Unito)

Accanto a questa opportunità di mercato, i numerosi gruppi di ricerca (universitari e centri di ricerca applicati) costituiranno una grande fetta di potenziali acquirenti del prodotto una volta concepito per il mercato tecnologico. Infine, compagnie come la Rigaku, leader mondiale nello sviluppo e vendita di diffrattometri, potranno rappresentare non solo futuri partner per lo sviluppo della tecnologia da integrare ai loro strumenti, ma anche dei diretti interessati all’acquisto del dispositivo.

Caratteristiche tecniche

Descrizione dettagliata del dispositivo. 

Il dispositivo oggetto del brevetto, denominato X-Poll (vedi figura sotto il titolo di questa relazione), è caratterizzato dai seguenti componenti (vedi Figura 1):

• due cavi elettrici collegati al generatore di tensione da una parte ed agli elettrodi sulla cella per la generazione del campo elettrico ad alto voltaggio (1- Figura 1 a).
• elettrodo superiore in rame a forma di "U". Questa forma è stata progettata per facilitare il contatto elettrico e garantire l'esposizione del campione al fascio di raggi X (2- Figura 1 a).
• corpo solido (5 cm x 5 cm x 3 cm) appositamente progettato e realizzato tramite stampa 3D in acrilonitrile stirene acrilato (ASA), (3 – Figura 1a).
• vite in rame (elettrodo inferiore), (4 – Figura 1a).
• blocco della vite in rame (5 – Figura 1a).
• molla in acciaio inossidabile. La molla attorno alla vite in rame consente un contatto elettrico ottimale tra il pellet e i due elettrodi in rame applicando una leggera pressione (6 – Figura 1a).
• Un cassetto, sempre in ASA, removibile progettato per facilitare il posizionamento del campione all'interno della cella e proteggere la componente metallica (vite in rame) evitando eventuali interazioni con il fascio di diffrazione dei raggi X (Figura 1b).

Nel nostro sistema, la geometria accettabile dei pellet ceramici da studiare può essere sia a disco che a piastra rettangolare, a seconda delle specifiche esigenze di caratterizzazione.

Inoltre, è stato implementato un sistema di messa a terra per garantire la dissipazione di eventuali cariche residue, migliorando così la sicurezza e la stabilità del setup sperimentale.

Il sistema di riscaldamento del dispositivo comprende (vedi Figura 2):

• una cartuccia riscaldante (1- Figura 2), (diametro: 6 mm, lunghezza: 15 mm, resistenza: 5,96 Ω, tensione: 12 V, potenza: 97 W, intervallo di temperatura: dalla temperatura ambiente fino a 200 °C).
• un termistore per il controllo misura della temperatura. (2- Figura 2).
• un circuito di controllo ed attuazione della temperatura basato sulla scheda GT2560, programmata con piattaforma per firmware tipo ARDUINO (3- Figura 2).
• il sistema di alimentazione della cartuccia (12-24 V), (4- Figura 2).

Il materiale ASA utilizzato per il corpo solido è un polimero termoplastico amorfo spesso impiegato come alternativa all’acrilonitrile butadiene stirene (ABS). Rispetto all’ABS, l’ASA offre una maggiore durabilità e una buona resistenza, inclusa la tolleranza all’acqua e alle radiazioni UV. Inoltre, presenta ottime proprietà meccaniche, grazie all’elevata adesione tra gli strati durante la stampa, che garantisce una notevole resistenza agli urti e robustezza strutturale.

Il generatore di corrente, o alimentatore, è fornito da Consort BVBA (modello EV3330) e opera in un intervallo di tensione compreso tra 300 e 3000 V.

Il setup sperimentale specifico utilizzato per gli esperimenti in situ di polarizzazione e riscaldamento consente di riscaldare il campione nell'intervallo di temperatura 25-140°C, applicando un campo elettrico fino a 30 kV/cm, mentre l’evoluzione della microstruttura di fase viene monitorata tramite un diffrattometro a raggi X da laboratorio in un intervallo esteso di angoli 2θ (10-120°, sorgente X a target di Cu). Il campo elettrico viene applicato lungo l’asse Z, considerato come la direzione verticale (perpendicolare alla vite in rame). Questa configurazione assicura un allineamento ottimale del campo applicato rispetto al campione.

Possibili Applicazioni

Il dispositivo rappresenta un unicum nella sua categoria poiché consente durante l’analisi di diffrazione ai raggi X, di testare la resistenza dell’elettrodo, polarizzare il materiale applicando un campo elettrico adeguato e modulare la temperatura. L’operazione consente i) di rendere il materiale effettivamente piezoelettrico e testare quindi le proprietà fondamentali per essere poi usato in una applicazione commerciale; ii) studiare come varia la sua microstruttura in funzione della temperatura e del campo elettrico così da capire come ulteriormente migliorare la sua preparazione e quindi le sue proprietà finali. 

Vantaggi

Uno dei principali punti di forza della cella X-Poll è la possibilità di effettuare misure senza l'ausilio di una cover protettiva. Come descritto nella domanda di brevetto, il dispositivo di riscaldamento è stato progettato in modo tale da minimizzare le differenze di temperatura all'interno del sistema. Inoltre, la presenza di minime quantità di olio al silicone consente di ridurre efficacemente la formazione di archi elettrici, garantendo un funzionamento stabile e sicuro.

L'assenza di una cover rappresenta un vantaggio significativo in diverse applicazioni. Nei tradizionali esperimenti di diffrazione a raggi X, l'uso di film protettivi (come il Kapton) introduce inevitabilmente un background non desiderato e fenomeni di scattering a bassi angoli, che possono compromettere la qualità dei dati sperimentali. La nostra cella elimina completamente questa problematica, offrendo un segnale più pulito e una maggiore affidabilità nei risultati. Ancora più rilevante è la possibilità di impiegare la cella X-Poll per tecniche che non consentono alcun tipo di barriera tra il campione e la sorgente di radiazione, come la microscopia elettronica. In queste condizioni, l’assenza di interfacce intermedie è essenziale per garantire un'analisi diretta e priva di artefatti.

Un altro aspetto distintivo è la versatilità della cella rispetto alla tipologia di materiali analizzabili. Mentre alcune celle sono limitate allo studio di film sottili, la X-Poll è stata progettata e testata con materiali massivi (bulk), che sono ampiamente utilizzati nei dispositivi tecnologici avanzati. Questo amplia significativamente il campo di applicazione, permettendo lo studio di sistemi più rappresentativi delle reali condizioni operative nei dispositivi commerciali. Inoltre, i materiali massivi richiedono voltaggi di polarizzazione molto più elevati rispetto ai film sottili. La X-Poll è in grado di applicare campi elettrici di intensità superiore di diversi ordini di grandezza rispetto ad altre soluzioni disponibili, rispondendo così alle esigenze di ricerca e sviluppo di materiali funzionali per applicazioni ad alta tecnologia.

Infine, il sistema di riscaldamento della cella X-Poll introduce un'innovazione sostanziale rispetto agli approcci convenzionali. Invece di necessitare di elementi di raffreddamento aggiuntivi per compensare l’isolamento termico della struttura, il sistema di riscaldamento è posizionato direttamente a contatto con il campione. Questo design minimizza le differenze di temperatura tra l’elemento riscaldante e il campione stesso, garantendo un controllo termico più preciso e una velocità di riscaldamento significativamente superiore. Inoltre, la configurazione aperta del dispositivo elimina la necessità di sistemi di raffreddamento, riducendo la complessità e migliorando l’efficienza operativa.

In sintesi, la cella X-Poll si distingue per la sua capacità di fornire misure più affidabili e versatili, un controllo termico ottimizzato e la possibilità di applicare campi elettrici elevati su materiali massivi, rendendola una soluzione altamente innovativa per la caratterizzazione di materiali funzionali.

I vantaggi qui elencati si aggiungono alla possibilità di integrare più misure con un grande risparmio di tempo e costi (un sistema classico per la polarizzazione costa oltre i 15.000 €).

La compattezza e la versatilità del sistema sono dati dalla possibilità di modificare la cella di polarizzazione attraverso le tecniche di stampa 3D FDM per la parte plastica e CNC per la parte in metallo. Queste due tecniche sono fondamentali sia nella realizzazione del prototipo che nei suoi futuri sviluppi in altri campi di applicazione come batterie, scienze della vita, altre tipologie di materiali intelligenti e tecniche di misurazione di altre proprietà del materiale come quelle morfologiche, termiche e meccaniche. Le due tecniche inoltre rendono il processo produttivo sostenibile e scalabile per via dei materiali usati (riciclabili) e nel risparmio in termini energetici, di tempo e di produzione in serie.