Il progetto EEE-CFCC: un esempio di collaborazione fra Ricerca e Imprese per lo sviluppo di nuove applicazioni dei materiali compositi

1. EEE-CFCC: Evoluzione Economicamente
ed Ecologicamente sostenibile
di Compositi Fibrorinforzati
a matrice Ceramica
in forma Complessa
Claudio Mingazzini (ENEA Faenza) Coordinatore
Scientifico del progetto, finanziato all’interno del
POR-FESR 2014-2020 Asse 1, Azione 1.2.2

2. EEE-CFCC: Compositi Ceramici Fibrorinforzati
 EEE-CFCC (durata: da 01/04/16 a 01/04/18, finanziamento 879k€)
svilupperà un nuovo materiale ceramico composito fibrorinforzato per
il settore dei trasporti e delle costruzioni
 EEE-CFCC porterà avanti i risultati ottenuti
nell’ambito del Laboratorio MITAI
(Tecnopolo di Ravenna, Faenza), per lo
sviluppo di un composito ceramico di basso
costo, denominato BasKer in grado di
combinare un basso peso specifico, con
prestazioni termostrutturali fino a 600-
800 C, garantendo resistenza al fuoco e
isolamento termico fino a 1200 C

3. EEE-CFCC: Compositi Ceramici Fibrorinforzati
 L’ottenimento di Ceramici Fibrorinforzati (in
sigla CMC o CFCC) è un obiettivo difficile da
ottenere a costi compatibili con una
produzione di massa
 Risponde all’esigenza di avere rotture, non
fragili, bensì un danneggiamento
progressivo, che viene definito «rottura
pseudoplastica»
 Normalmente si parte dalle fibre ceramiche e
si produce una matrice a partire da un gas
(CVI) o da un Polimero Preceramico (PIP)

4. CFCC da CVI (Chemical Vapour Infiltration)
Vantaggi
 Processo facilmente automatizzabile
e massimizzazione performance
Svantaggi
 Lunghi tempi di processo ed alti costi
IMPIANTO
CVI/CVD
ENEA
Faenza

5. CFCC da PIP (Polymer Impregnation Pyrolysis)
Impianto PIP di pirolisi
in ENEA Faenza
Camera utile:
 = 40 cm
L = 75 cm

6.  Il PIP tradizionale prevede 6-10 cicli di
Impregnazione in Polimero
preceramico e Pirolisi, con un tempo
di produzione che non può essere
inferiore ad un mese e non
automatizzabile
 Questo insieme agli alti costi dei
Polimeri Preceramici rende vincente
l’approccio CVI
CFCC: da PIP a PrePreg Preceramici

7.  L’approccio basato sui PrePreg
Preceramico punta a compensare la
porosità dovuta alla riduzione di
volume conseguente alla conversione
del polimero in ceramico, con la
presenza di fibra lunga, al fine di
conservare proprietà
termomeccaniche accettabili
CFCC: da PIP a PrePreg Preceramici
Unico step
di PIP

8. Nell’ambito del progetto regionale MITAI,
ENEA (Faenza) ha sviluppato:
 formulazioni preceramiche per Filament
Winding
 procedure per la produzione di Prepreg
Preceramici (RM2014A000725, 16/12/14)
 procedure per la produzione di componenti
in CFCC da Prepreg Preceramici,
(RM2014A000726, 16/12/14, in cotitolarità
con RiBa Composites; superata fase PCT)
CFCC low cost da Preceramici

9. Le azioni di sviluppo di ENEA Faenza
all’interno di MITAI hanno seguito la logica di:
 dare un vantaggio competitivo tecnologico
ad aziende che già operano nel settore del
composito polimerico, sfruttandone il più
possibile le facilities già disponibili, per
produrre materiali con performance non
raggiungibili dal composito polimerico
 Sfruttare la collaborazione con un terzista
come RiBa Composites per un’azione di
avvicinamento ad altri End User, per
arrivare a focalizzare le applicazioni
CFCC low cost da Preceramici
LABORATORIO MITAI
Materiali Innovativi e
Tecnologie per Applicazioni
Industriali

10. PrePreg preceramici: a bassi spessori sono formabili senza ritiro, sugli
stessi stampi e con le stesse tecniche dei compositi polimerici,
aggiungendo una pirolisi finale (T intorno a 700 C, in azoto fluente)
CFCC low cost da Preceramici
PMC, Composito a
Matrice Polimerica
CMC, Composito
a Matrice Ceramica
PMC
CMC

11. Ad oggi l’unica soluzione Low Cost prevede la combinazione di basalto
e siliconi, per dare una matrice ceramica del tipo SiCO. Il basalto crea
in maniera spontanea un’interfaccia fibra-matrice adatta.
BasKer: da tessuti di basalto + siliconi
Basalto / SiCOx da
Prepreg preceramici
Resistenza meccanica
a flessione a 400˚C:
Fino a 150-200 MPa
Densità: 1.9-2.0 g/cm30
20
40
60
80
100
120
140
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Displacement [mm]
Stress[Mpa]

12. EEE-CFCC: il nuovo progetto
 Partner beneficiari: la messa a sistema di
tutte le realtà di ricerca presenti a Faenza,
ovvero ENEA TEMAF, CNR-ISTEC, CIRI-
MAM-UniBo, Certimac, Centuria
 Realtà industriali: Tampieri Energie, Curti
Costruzioni Meccaniche, Edilteco, Riba
Composites (aziende con cui già esisteva
un background di collaborazione)
 Focalizzare gli obiettivi in un’ottica di
sostenibilità economica ed ambientale

13. EEE-CFCC: le applicazioni
 Paracalori e tubi di scarico, ovvero
componenti in forma complessa per
l’alleggerimento nel settore trasporti
(sfruttando la discreta capacità di
isolamento termico del BasKer, 0.35W/mk)
 Pannelli coibenti resistenti al fuoco per
trasporti e costruzioni (sfruttando la
resistenza a fuoco di una «pelle» in BasKer
e un coibente poroso geopolimerico
 Materie prime seconde, LCA, fine vita

14. EEE-CFCC: le applicazioni
 Paracalori e tubi di scarico, ovvero
componenti in forma complessa per
l’alleggerimento nel settore trasporti
(sfruttando la discreta capacità di
isolamento termico del BasKer, 0.35W/mk)

15. EEE-CFCC: le applicazioni
 Pannelli coibenti resistenti al fuoco per
trasporti e costruzioni (sfruttando la
resistenza a fuoco di una «pelle» in BasKer
e un coibente poroso geopolimerico
Coibenti porosi

16. EEE-CFCC: la sostenibilità
Materie prime seconde:
 Ceneri da biomasse → per geopolimeri
porosi da usare come coibenti
 fibre corte di C, da pirolisi di composito
polimerico (PMC) a fine vita e sfridi di
lavorazione → per geopolimeri da usare per
stampi termostrutturali
 Fibre di basalto di recupero e fanghi di
rettifica → per abbassare costi del BasKer
Valutazioni LCA, fine vita

17. EEE-CFCC: obiettivi, approccio e impatto
L’obiettivo è il TRL 6, ovvero la produzione e
qualificazione di dimostratori in scala
rappresentativa di quella reale, usando ove
possibile facilities industriali, ovvero
predisponendo linee pilota
- Componenti in forma complessa in
Basker o multimateriale (es: BasKer+PMC)
- Pannelli coibenti resistenti al fuoco
Ottimizzazione sostenibilità economica ed
ambientale sfruttando materie prime seconde
con cui si svilupperanno geopolimeri per
stampi termostrutturali per le forme complesse
e coibenti porosi resistenti al fuoco

18. Partner beneficiari: ENEA TEMAF
Laboratori ENEA Faenza
Dipartimento Sostenibilità
Divisione Materiali
Dipartimento Sostenibilità dei Sistemi Produttivi e Territoriali: ENEA-SSPT
Svolge ricerche sui sistemi di produzione e consumo basati su un utilizzo
sostenibile delle risorse e sulla riduzione delle emissioni e dell’impatto, e sulla
gestione e la mitigazione dei rischi del territorio
Divisione Tecnologie e Processi dei
Materiali per la Sostenibilità:
ENEA-SSPT-PROMAS
Laboratorio TEMAF
Responsabile Ing. Sergio Sangiorgi
Centro ENEA di Bologna (Faenza)

19. Partner beneficiari: ENEA TEMAF
 ENEA Faenza opera in vari ambiti, con una
competenza che parte del background del
nucleare e dei materiali avanzati, con un
approccio che punta alla produzione e
qualificazione di dimostratori in scala reale,
utilizzando materiali avanzati, in particolare
ceramici e compositi
 In ambito compositi, oltre al progetto MITAI,
ENEA Faenza coordina il WP sui materiali
compositi nel progetto MATISSE (materiali
per il nucleare di fissione di IV generazione)
e partecipa al progetto bandiera Italia 2020
del cluster trasporti (materiali per
l’alleggerimento nel settore automotive
 ENEA Faenza, fondata
nel 1994, conta al
momento 22 dipendenti
+2 TD, opera su 3000mq
con impianti di taglia
intermedia fra la ricerca di
base e la produzione

20. Partner beneficiari: ENEA TEMAF
• Tre macchine per test statici e dinamici fino a
500 kN e 1500˚C
• Dieci macchine per creep a trazione fino a
1000˚C, tre per creep a flessione fino a 1500˚C
• Test di pressurizzazione fino a 200 bar
• Test di fatica basati su flessione rotazionale
• Frequency analysis con metodo della risonanza
• Impact tests
Qualificazione meccanica e termomeccanica

21. ENEA TEMAF: ruolo nel progetto
 Coordinamento del progetto e del rapporto
con i partner industriali per focalizzare le
applicazioni ed i dimostratori
 Sviluppo di linee pilota in scala
rappresentativa (per la produzione di
Prepreg Preceramico e per la pirolisi di
componenti)
 Sviluppo di formulazioni e processi per
componenti in BasKer nella forma di
piastre, tubi, profili a C e forme complesse
 Sviluppo soluzioni multimateriale

22. Partner beneficiari: Certimac
Organismo di Ricerca,
Certificazione e Prove sui materiali
opera dal 1993 a supporto della Filiera
Costruzioni.
fondato e partecipato da:
CertiMaC è Laboratorio Accreditato della Rete
Alta Tecnologia Emilia-Romagna - Piattaforma
Costruzioni – Piattaforma Energia Ambiente
Nell’ambito del Tecnopolo di Ravenna, CertiMaC coordina il progetto MITAI - Materiali
Innovativi e Tecnologie per Applicazioni Industriali: 4 linee di ricerca per l’innovazione
dei materiali in partnership con CNR Istec ed ENEA.

23. Certimac: outline
Analisi e Prove MaterialiEfficienza Energetica Edifici
Ricerca Industriale &
Trasferimento Tecnologico
PRESTAZIONI
SOSTENIBILITÀ
SICUREZZA
Sviluppo e qualificazione
di materiali e soluzioni
per l’involucro ad alte prestazioni
CARATTERIZZAZIONI
MARCATURA CE
MARCHI QUALITÀ
Test, analisi e prove
per la qualità e le prestazioni
dei materiali e degli edifici
PRODOTTI INNOVATIVI
PROCESSI PIU’ EFFICIENTI
NUOVE TECNOLOGIE
Centro ricerche per l’innovazione
dei materiali: Edilizia | Restauro |
Meccanica | Energia | Ambiente

24. Certimac: ruolo nel progetto
 Caratterizzazione ed ingegnerizzazione
degli stampi e coibenti in geopolimero e
degli elementi in BasKer
 Qualificazione e modellazione
termomeccanica e termofisica nelle
condizioni di lavoro attese
 Soluzioni a fine vita dei CMC e dei
geopolimeri

25. Partner beneficiari: CNR-ISTEC
Via Granarolo, 64 – 48018 Faenza (RA)
Tel.: +39 0546-699711
Fax: +39 0546-699719
Web: www.istec.cnr.it
• Fondato nel 1965
• 66 Dipendenti
• 24 Dottorandi e visitatori
• 5 Ml $ Budget annuale per la Ricerca
• 3,5 Ml $ Risorse esterne
• 1,5 Ml $ Fondi pubblici
Direttore Dott.ssa A.Tampieri
 Il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) è Ente pubblico nazionale con il compito
di svolgere, promuovere, diffondere, trasferire e valorizzare attività di ricerca nei
principali settori di sviluppo delle conoscenze e delle loro applicazioni per lo sviluppo
scientifico, tecnologico, economico e sociale del Paese.
 L’Istituto di Scienza e Tecnologia dei Materiali Ceramici (CNR-ISTEC) si
configura come l'unica struttura di ricerca del CNR, e la più grande struttura italiana
operante nel paese con programmazione poliennale, specificamente indirizzata allo
studio globale dei materiali ceramici. CNR-ISTEC ha la sua sede a Faenza.

26. CNR-ISTEC: outline
 La ricerca presso CNR-ISTEC è indirizzata all'innovazione di materiali e dei processi
in risposta alle emergenti esigenze del comparto industriale, scientifico e culturale
nazionale ed internazionale, nei diversi settori che richiedono l'applicazione di
materiali e dispositivi ceramici.
• Hi-Tech & Ambiente
• Salute & Nanotecnologie
• Energia & Meccatronica
• Beni culturali & Edilizia e costruzioni
Ricerca di Base
e applicata

27. CNR-ISTEC: ruolo nel progetto
Porosità gerarchica: supporti, sorbenti e membrane
Refrattari, isolamento termo-acustico e fire-proof
Riciclo di materie prime
Arte e beni culturali
Al2O3·x(SiO2)
+
M2O·x(SiO2)·nH2O
+
Filler
 I GEOPOLIMERI sono ceramiche consolidate
per via chimica in ambiente alcalino.
 Nella loro accezione applicativa sono
materiali compositi: la matrice è costituita da
nano-precipitati che fungono da legante per le
cariche funzionali.

28. Partner beneficiari: CIRI MAM UniBo
UO 04 - Materiali
strutturati e/o compositi
FAENZA- parco scientifico tecnologico
«Torricelli»
Loris Giorgini, loris.giorgini@unibo.it
Tiziana Benelli (Ricercatrice)
Laura Mazzocchetti (Ricercatrice)
Chiara Leonardi (Assegnista di Ricerca)
Giorgio Zattini (Assegnista di Ricerca)
Emanuele D’angelo (dottorando)
Doriana Silvestri (Assegnista di Ricerca)
Emanuele Maccaferri (Assegnista di Ricerca)

29. CIRI-MAM: outline
ANALISI TERMICA e
TERMO-MECCANCIA
(TGA, DMA, DSC)
ANALISI TERMICA e
TERMO-MECCANCIA
(TGA, DMA, DSC)
ANALISI MICRO- E
SPETTROSCOPICHE (SEM-EDX,
XRF, FT-IR, Raman e microRaman)
ANALISI MICRO- E
SPETTROSCOPICHE (SEM-EDX,
XRF, FT-IR, Raman e microRaman)
ANALISI DEGLI ADDITIVI,
MIGRATION TESTS,
PROPRIETA’ ALLA FIAMMA,
INVECCHIAMENTO ACCELERATO
ANALISI DEGLI ADDITIVI,
MIGRATION TESTS,
PROPRIETA’ ALLA FIAMMA,
INVECCHIAMENTO ACCELERATO
EVENTUALE RILASCIO DI
CONTAMINANTI
PACKAGINGALIMENTO
CONO-
CALORIMETRO
XENON WEATHERING
TEST CHAMBERTGADSC
DMA
TENSILE
STRENGTH
SEM-EDX
FT-IR ATR XRF

30. CIRI-MAM: ruolo nel progetto
 Ottimizzazione delle fibre di carbonio
riciclate, come materia prima seconda per i
geopolimeri
 Valutazione LCA in termini di
ecosostenibilità
PIROLISI
SYNGAS
OIL
TAGLIO E GASSIFICAZIONE
Uso come rinforzo
per matrici
geopolimeriche
Uso come rinforzo
per matrici
geopolimeriche

31. CENTURIA Agenzia per l’Innovazione della Romagna
Centuria è un centro per l‘innovazione e il trasferimento tecnologico accreditato dalla
Regione Emilia-Romagna nell’ambito della Rete Alta Tecnologia.
E’ una società senza fini di lucro con oggetto sociale la promozione dell’Imprenditorialità,
della Ricerca Industriale e dell’Innovazione.
Servizi per lo sviluppo delle imprese:
Scouting e
sorveglianza
brevettuale.
Protezione e
valorizzazione asset
intangibili.
Newsletter
tecnologie e
brevetti. Tutela
proprietà industriale
e intellettuale.
Gestione Incubatori
d’impresa. Analisi
di mercato e
finanziarie.
Business planning.
Partner search.
Relazioni con
Venture Capital,
Banche d’affari e
Business Angels.
Crowdfunding.
Assistenza e
consulenza su
finanziamenti
europei, nazionali,
regionali.
Monitoraggio
politiche e
programmi
comunitari.
Progettazione.
Project
Management.
Convegni.
Seminari.
Workshop. Open
day. Visite a
laboratori e centri
di ricerca. Comitati
tecnici e di
indirizzo. Gruppi di
lavoro congiunti tra
imprese e
ricercatori.
NETWORKING &
TRAINING
BREVETTI &
TECNOLOGIE
STARTUP &
NEOIMPRENDITORIA
PROGETTI &
FINANZIAMENTI

32. Partner non beneficiari: Riba Composites
• RIBA Composites opera nel settore dei materiali compositi avanzati per il
settore dei trasporti (automotive, aeronautico, nautico). Collabora alla
individuazione di nuove applicazioni per materiali compositi termostrutturali
ed è interessata alla gestione del fine vita del PMC e dei relativi sfridi

33. Partner non beneficiari: Curti Industries
• Curti, che opera nel settore aeronautico da oltre 30 anni, realizzando
componenti in titanio e ad altissima tecnologia, ha avviato il progetto di un
proprio elicottero biposto a turbina, per il quale è interessato a paracalori e
tubi di scarico con elevato rapporto prestazioni/peso

34. Partner non beneficiari: Tampieri Energie
• Tampieri Energie ricerca soluzioni tecnologiche per lo smaltimento di residui
di combustione di biomasse ad uso energetico: i residui sono valorizzabili
come materie prime seconde per geopolimeri

35. Partner non beneficiari: EDILTECO
• Edilteco è un gruppo internazionale interessato, come end user, a soluzioni
per coibentazione e protezione dal fuoco nel settore trasporti e costruzioni

36. GRAZIE per L’ATTENZIONE!!!!!
Info e Contatti: Claudio Mingazzini <claudio.mingazzini@enea.it>; Luca Laghi <l.laghi@certimac.it>;
Valentina Medri <valentina.medri@istec.cnr.it>; Elena Landi <elena.landi@istec.cnr.it>; Annalisa Natali Murri
<annalisa.natalimurri@istec.cnr.it>; Loris Giorgini <loris.giorgini@unibo.it>; Chiara Leonardi
<chiara.leonardi3@unibo.it>; Alessandra Folli <a.folli@centuria-agenzia.it>; Mattia Morganti
<m.morganti@certimac.it>; Giulia Ruta < g.ruta@certimac.it >; Matteo Scafè <matteo.scafe@enea.it>; Sergio
Sangiorgi <sergio.sangiorgi@enea.it>
Siti web: ENEA TEMAF (www.enea.it/it/uttmatf); CNR-ISTEC (www.istec.cnr.it); CERTIMAC
(www.certimac.it); CIRI-MAM (www.mam.unibo.it); Centuriagenzia (www.centuria-agenzia.it)