Experimental and numerical thermo-structural characterization of ALD alumina-coated aluminum and titanium for low-earth orbit applications

This thesis studied alumina (Al₂O₃) nanofilms deposited on aluminium and titanium substrates using Atomic Layer Deposition (ALD). The experimental work was carried out at X-Nano Srl, where the samples were prepared, the coatings were deposited, and the subsequent characterisation was performed using X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and ellipsometry, with the aim of evaluating the quality, thickness, and morphology of the deposited films. Following structural characterisation, the samples were subjected to Brillouin measurements and thermal annealing cycles to study the evolution of their mechanical properties under high temperature conditions. In parallel, finite element models were developed in Abaqus to reproduce a coupled structural–transient heat transfer analysis, with the aim of simulating the thermal shocks typical of a low Earth orbit (LEO) and analysing the thermo-mechanical response of the coated materials. Finally, SRIM software was used to model the impacts of ionic particles present in LEO, evaluating the resistance of nanofilms to erosion induced by radiation and energetic species. The overall results highlight the effectiveness of Al₂O₃-based ALD coatings in improving thermal stability and resistance to hostile environments, providing useful information for the use of coated metallic materials in space applications

In questa tesi sono stati studiati nanofilm di allumina (Al₂O₃) depositati su substrati di alluminio e titanio tramite Atomic Layer Deposition (ALD). Il lavoro sperimentale è stato svolto presso l’azienda X-Nano Srl, dove sono state effettuate la preparazione dei campioni, la deposizione dei rivestimenti e la successiva caratterizzazione mediante diffrattometria a raggi X (XRD), microscopia elettronica a scansione (SEM) ed ellissometria, con l’obiettivo di valutare qualità, spessore e morfologia dei film depositati. A valle della caratterizzazione strutturale, i campioni sono stati sottoposti a misure Brillouin e a cicli di annealing termico per studiare l’evoluzione delle loro proprietà meccaniche in condizioni di temperatura elevate. Parallelamente, sono stati sviluppati modelli agli elementi finiti in Abaqus per riprodurre una coupled structural–transient heat transfer analysis, con lo scopo di simulare gli sbalzi termici tipici di un’orbita bassa terrestre (LEO) e analizzare la risposta termo-meccanica dei materiali rivestiti. Infine, tramite il software SRIM sono stati modellati gli impatti da particelle ioniche presenti in LEO, valutando la resistenza dei nanofilm all’erosione indotta da radiazione e da specie energetiche. I risultati complessivi evidenziano l’efficacia dei rivestimenti ALD a base di Al₂O₃ nel migliorare la stabilità termica e la resistenza ad ambienti ostili, fornendo indicazioni utili per l’impiego di materiali metallici rivestiti in applicazioni spaziali.