RLT 2.0

C.N.R. e UniGe
Real life tester per materiali

Il Real Life Tester è uno strumento per effettuare test per investigare proprietà e comportamento dei materiali sottoposti a polarizzazione o cariche elettriche in ambienti caratterizzati da alte temperature e pressioni.

In origine è stato progettato per testare celle a combustibile ad ossidi solidi operanti tra 600 e 850°C in idrogeno e aria. I test fanno parte di ricerche che hanno l’obiettivo di sviluppare materiali e ossidi sempre più performanti e con migliore resa energetica. Il prodotto si chiama Real Life Tester perché ha lo scopo di indagare come i materiali si comporteranno nelle condizioni operative che incontreranno nelle loro reali applicazioni.

I ricercatori hanno espresso l’esigenza di effettuare analisi qualitative accurate su piccoli campioni di materiale. Prendendo spunto da alcuni grandi macchinari già presenti in commercio siamo riusciti a creare una nuova macchina molto versatile, compatta e in grado di condurre diversi tipi di test contemporaneamente.

Attualmente due esemplari della nostra macchina RLT 2.0 sono in funzione nell’Istituto di Chimica della Materia Condensata e di Tecnologie per L’Energia del C.N.R. e nel Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale dell’Università di Genova.

macchinario RLT in funzionemacchina RLT con forno aperto
Funzionamento

I campioni analizzati sono elementi ceramici speciali, elettrolita ceramici solidi o leghe metalliche speciali sotto forma di dischetti aventi dimensioni fino a 30mm di diametro e spessore variabile da meno di 1 mm a 5 mm.

All’interno dell’apparecchio, due camere tubolari sono fissate direttamente a due anelli adattabili applicati sulle due facce del disco campione in modo da avere due volumi di gas a tenuta stagna separati dal campione stesso. I tubi e gli anelli sono fatti di allumina per essere inerti e stabili alle alte temperature a cui opera l’apparecchio. Una terza camera circonda esternamente le prime due per raccogliere le eventuali perdite di gas e flussare gas inerte. Questa soluzione garantisce sicurezza e mantiene il campione in condizioni stabili. Le tre camere sono inserite in un forno tubolare capace di raggiungere 1000°C di temperatura. Il campione è sottoposto a queste condizioni per centinaia di ore.

riproduzione trasparente della disposizione degli elettrodi e del campione nella macchina RLT
Riproduzione trasparente del “cuore” del Real Life Tester: si possono vedere il dischetto campione (in rosso), i due elettrodi metallici all’interno delle due camere cilindriche stagne e la terza camera esterna che racchiude tutto.
tubo di allumina per condurre il gas all'interno della macchina RLT
Particolare: uno dei tubi di allumina che conducono gas all’interno del Real Life Tester

In ognuna delle due camere interne, un elettrodo di metallo nobile tocca una faccia del disco campione consentendo le misurazioni elettrochimiche. Gli elettrodi hanno forma di dischetti su cui sono ricavati solchi per il passaggio dei gas. Gli elettrodi sono collegati a quattro fili dello stesso materiale. I fili sono condotti fuori dalla macchina e collegati ad apparecchiature di acquisizione ad altissima precisione con vari scopi di misurazione come, per esempio, Area Specific Resistance (ASR), Electrochemical Impedance Spectroscopy (EIS), curve I/V e curve OCP.

RLT, particolare di un elettrodo
Particolare: un elettrodo del Real Life Tester

Due termocoppie posizionate dietro l’elettrodo rilevano la temperatura del campione.

RLT 2.0 è progettato per funzionare ad alte temperature e sotto pressioni fino a 10  Bar. Non ci sono limitazioni sostanziali per l’uso di atmosfere specifiche: dal vuoto a gas aggressivi (con l’eccezione dei gas ricchi di Fluoro).

Finita la prova, i campioni metallici possono essere sezionati e analizzati al microscopio elettronico per studiare la migrazione degli elementi tra le facce del dischetto, la formazione degli ossidi e altri dati utili allo studio e al miglioramento di leghe speciali.

Possibili applicazioni

Grazie alla vasta gamma di materiali e condizioni sperimentali che possono essere allestite, le possibili applicazioni di RLT potrebbero essere infinite. Alcuni esempi sono:

  • Celle a combustibile (di tipo SOFC e SOEC): test su prestazioni, cicli di funzionamento e durabilità.
  • Metalli: test su resistenza chimica e fisica in condizioni operative monitorando i cambiamenti microstrutturali con misurazioni di resistività e tasso di ossidazione a secco e corrosione.
  • Rivestimenti su metalli: test sulla stabilità, reattività e durabilità.
  • Materiali ceramici e vetri: test su reattività e stabilità nel tempo.
  • Interazioni tra metalli e materiali ceramici.
  • Simulazioni di SOFC stacking.
  • Simulazioni di componenti di scambiatori di calore.
  • Simulazioni di componenti per la gestione di gas esausti ad alta temperatura.

Inoltre, campioni specifici possono essere progettati per applicazioni particolari.

Il processo di ricerca

la progettazione e lo sviluppo di questa macchina hanno richiesto anni di lavoro. Inizialmente abbiamo realizzato un primo modello pilota, più semplice e di dimensioni contenute, che ci ha dato modo di sviluppare in seguito due macchine più sofisticate.

La progettazione è stata densa di sfide perché dovevamo creare una macchina interamente smontabile e regolabile con massima precisione. I collegamenti elettrici e delle parti dove flussano i gas sono flessibili e smontabili in modo da consentire un semplice ricambio dei campioni.

L’elevata temperatura di esercizio ha richiesto un attento studio degli accoppiamenti tra materiali diversi, considerando nella progettazione materiali particolari e di difficile lavorazione, come ad esempio, la ceramica di allumina.

prova di tenuta tra elementi
Pezzi realizzati in fase di test per verificare la tenuta di un incastro smontabile operante ad alta temperatura.

Per garantire il posizionamento del campione, dopo una lunga serie di esperimenti, abbiamo messo a punto un mastice speciale a base di talco che non influisce sui risultati delle analisi, si sinterizza con il calore e rende possibile una facile rimozione e pulizia dei pezzi ad analisi ultimata.

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