MATERIALI CERAMICI Prodotti ottenuti da materie prime

MATERIALI CERAMICI
Prodotti ottenuti da materie prime inorganiche non metalliche
formate a freddo e consolidate mediante cottura.
Sono caratterizzati da legami ionici e/o covalenti.
Caratteristiche dei materiali ceramici:
 Alta durezza e fragilità
 Bassa tenacità e duttilità
 Buoni isolanti termici e elettrici
 Alte temperature di fusione
Con il termine ceramici tradizionali si indica i prodotti
impiegati per applicazioni tradizionali (edilizia o uso
domestico) ed ottenuti da materie prime largamente diffuse in
natura (argille e silicati).
I materiali ceramici avanzati coprono le applicazioni più
recenti (elettronica, meccanica, produzione di energia).
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Struttura cristallina dei materiali ceramici ionici
La disposizione degli ioni dipende da due fattori:
 Dimensione degli atomi
 Bilancio delle cariche (elettroneutralità)
Il numero di coordinazione dipende da questi fattori.
In base al rapporto dei raggi ionici si possono avere le
disposizioni mostrate in figura.
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Struttura del Cloruro di Cesio (CsCl)
rc/ra = 0.94
n.c. = 8
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Struttura del Cloruro di Sodio (NaCl)
rc/ra = 0.56
n.c. = 6
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Solfuro di zinco (ZnS)
Un atomo (S o Zn) è nei siti CFC, l’altro è nei siti interstiziali
tetraedrici.
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Fluoruro di Calcio (CaF2)
Il calcio è nei siti CFC mentre il F negli interstizi
tetraedrici.
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CICLO DI PRODUZIONE
(ceramici tradizionali)
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La prima fase prevede la preparazione di un impasto
omogeneo con una composizione granulometrica appropriata
per il tipo di prodotto desiderato.
L’impasto contiene materie prime in grado di svolgere
funzioni di plastificante, smagrante e strutturale e
fondente.
La plasticità di un impasto è la capacità di deformarsi sotto
una pressione esterna e di conservare la forma acquisita anche
dopo la rimozione del carico.
La plasticità viene acquisita in presenza d’acqua e perduta
dopo l’essiccazione (è irreversibile con riscaldamento a 600700°C).
Le materie prime plastiche per eccellenza sono le argille
(silicati idrati di alluminio con struttura regolare stratificata ).
Grado di plasticità di un’argilla dipende dalla sua struttura
mineralogica, dalla granulometria (< 20 mm) e dalla
morfologia delle particelle.
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Le fasi di essiccamento e di cottura sono accompagnate da
variazioni delle dimensione e da ritiri, che se eccessivi
possono danneggiare l’integrità dei manufatti.
Gli smagranti hanno la funzione di formare lo scheletro
portante del prodotto.
Normalmente si utilizzano sabbie silicee (ricche in quarzo) o
la chamotte (argilla macinata e cotta oltre i 700 ºC).
Durante la cottura è necessario che si formi una fase liquida
che solidificando in seguito al raffreddamento formi un vetro
compatto che va a legare i grani del materiale ed a riempire le
porosità.
I fondenti sono le materie prime che favoriscono la
formazione di questa fase liquida.
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I materiali di norma utilizzati sono il carbonato di calcio
(CaCO3, calcare), i feldspati (silico-alluminati potassici o
sodici), i fosfati ed alcuni ossidi di ferro.
Dopo aver scelto le opportune materie prime, viene
preparato l’impasto: le materie prime vengono macinate (a
secco o ad umido) per ottenere la granulometria desiderata,
miscelate, omogeneizzate e addizionate ad acqua.
La formatura è la fase in cui si conferisce all’impasto la
forma del componente da realizzare.
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La pressatura e l’estrusione vengono utilizzate per prodotti
con forma regolare (laterizi e piastrelle).
Il colaggio si usa per prodotti con forma irregolare (sanitari e
vasellame).
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La fase di essiccamento consente di rimuovere l’acqua di
impasto che forma un velo attorno alle particelle di argilla
prima della cottura vera e propria.
Produce una sensibile contrazione di volume con un
riavvicinamento delle particelle, un aumento delle forze
reciproche di attrazione e della resistenza meccanica.
La cottura permette di conferire ai materiali ceramici le
caratteristiche meccaniche finali.
La temperatura di cottura dipende dalle materie prime e dal
tipo di prodotto ceramico a struttura porosa (faenze, laterizi,
terrecotte) 900-1000°C, a struttura compatta (gres e
porcellane): 1250-1450°C.
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MATERIALI CERAMICI AVANZATI
I neoceramici o ceramici avanzati trovano la loro origine nei
ceramici tradizionali.
Non esiste una definizione ufficiale, ma riassumendo, sono
dei prodotti inorganici, non metallici, policristallini, provvisti
di rilevanti prestazioni strutturali e/o funzionali.
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Sintesi delle polveri
Formatura
Sinterizzazione
Finitura
Vengono prodotti da polveri di elevata purezza che vengono
addensate ad alte temperature con un processo di
sinterizzazione.
Le polveri di partenza possono essere ottenute da materie
prime naturali (dopo una serie di trattamenti di purificazione)
oppure tramite sintesi.
Reazione allo stato solido: MgO + Fe2O3 → MgAl2O4
Decomposizione termica: MgCO3 → MgO + CO2
Metodi in soluzione: Mg2+ + Al3+ → Mg(OH)2 + Al(OH)3 →
MgAl2O4
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La formatura avviene con procedure differenti rispetto a
quelle viste per i ceramici tradizionali, in quanto le materie
prime per i ceramici avanzati non presentano plasticità.
Le tecniche di formatura più utilizzate sono:







Pressatura uniassiale a freddo
Pressatura isostatica a freddo
Pressatura uniassiale a caldo
Pressatura isostatica a caldo
Pressatura a umido
Estrusione
Colaggio
La pressatura uniassiale a freddo è la compattazione
uniassiale (il carico viene applicato lungo la direzione
dell’asse) di una polvere in presenza di piccole quantità di
acqua e/o di legante.
Permette una produzione rapida di una gran varietà di forme.
Nella pressatura isostatica a freddo la polvere ceramica
viene caricata in un contenitore ermetico (chiamato borsa)
flessibile che si trova all’interno di un fluido idraulico al
quale viene applicata una pressione.
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In questo modo la pressione applicata compatta la polvere in
tutte le direzioni ed il prodotto prende la forma del
contenitore flessibile.
La pressatura a caldo permette di ottenere prodotti ceramici
ad alta densità e migliori proprietà meccaniche, combinando
le operazioni di pressatura e di cottura.
È possibile ottenere una microstruttura molto fine (< 1 μm).
Gli svantaggi sono una costi molto elevati e la possibilità di
ottenere soltanto forme molto semplici.
Le tecniche di estrusione e colaggio (già descritte per i
ceramici tradizionali) vengono applicate con procedure del
tutto analoghe ai ceramici avanzati.
220
221
Sinterizzazione
Con il termine sinterizzazione s’intende il processo di
densificazione di un prodotto poroso compatto in un prodotto
denso che comprende la rimozione della porosità tra le
particelle di partenza, la coalescenza e la formazione di
legami forti tra particelle adiacenti.
Nella sinterizzazione le particelle vengono agglomerate dalla
diffusione allo stato solido a temperature molto elevate, ma
inferiori al punto di fusione del composto.
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Proprietà meccaniche dei materiali ceramici
La presenza nei materiali ceramici di legami ionici e/o
covalenti e di difetti di varia natura (cricche e porosità) rende
i materiali ceramici intrinsecamente fragili.
Nei cristalli covalenti (come quelli dei materiali ceramici) il
legame è specifico e direzionale e quando vengono sollecitati
da forze meccaniche mostrano una frattura fragile provocata
dalla rottura dei legami senza una successiva riformazione.
I cristalli ionici mostrano viceversa una certa plasticità.
La presenza di difetti limita fortemente le proprietà
meccaniche dei ceramici.
I difetti agiscono come concentratori degli sforzi.
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I pori nei materiali ceramici sono regioni in cui si
concentrano gli sforzi e quando la sollecitazione in un poro
raggiunge un valore critico, si forma una cricca che si
propaga all’interno del materiale fino alla sua rottura.
Inoltri i pori sono dannosi perché riducono la sezione
resistente del materiale.
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Caratteristiche dei principali materiali ceramici avanzati
Allumina (Al2O3):
È il materiale ceramico più utilizzato dall’industria.
Viene usato come refrattario per le candele di accensione nei
motori a scoppio.
La sua forma mono cristallina è lo zaffiro e viene utilizzato
per i quadranti degli orologi e per i finestrini degli abitacoli
degli aerei.
Altre applicazioni: protesi ossee, mezzi blindati, ugelli per
saldatura.
Caratteristiche: isolante elettrico, elevata resistenza
meccanica, buona resistenza all’abrasione, ed alle
temperature.
Modulo Allungamento Durezza
Limite Temperatura
elastico
(%)
Vickers
elastico di esercizio
(GPa)
(HV)
(MPa)
(ºC)
333-350
0
1400-1600 175-200 -270-1700
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Carburo di silicio (SiC):
Viene ottenuto per fusione di sabbia e carbone a 2200ºC.
Caratteristiche: ha buona resistenza agli shock termici,
eccellente resistenza all’abrasione e stabilità chimica.
Applicazioni: utensili da taglio, componenti di motori,
cuscinetti a sfera, elementi riscaldanti.
Zirconia: (ZrO2):
La zirconia pura a temperature ambiente ha una struttura
monoclina.
A temperature più alte esistono anche le fasi cubica e
tetragonale.
La trasformazione della fase monoclina a cubica avviene a
800-1000°C ed è accompagnata da una grande variazione
delle dimensione del reticolo cristallino.
Una conseguenza di questo cambiamento di fase è una forte
espansione durante il raffreddamento che rende impossibile la
realizzazione di pezzi in zirconia pura.
Per ovviare a questo problema è necessario bloccare
totalmente o parzialmente la struttura cubica mediante degli
agenti stabilizzanti.
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L’aggiunta di stabilizzatori della fase cubica (CaO, MgO, e
Y2O3) permette la formazione di zirconie parzialmente
stabilizzate che mostrano proprietà eccezionali.
Caratteristiche
 Alta resistenza meccanica
 Alta tenacità a frattura
 Eccellente resistenza a usura
 Alta durezza
 Eccellente resistenza chimica
 Alta tenacità
 Buone proprietà refrattarie
 Buona conduzione ionica (ossigeno)
Parzialmente
stabilizzata
5.7-5.75
10-11
700
8
205
Densità (g cm-3)
Durezza Knoop (GPa)
Carico di rottura (MPa)
Tenacità a rottura (MPa m-1/2)
Modulo elastico (GPa)
227
Stabilizzata
5.56-6.1
10-15
245
2.8
100-200
Applicazioni:
Utensili da taglio:
Il problema principale con le lame metalliche è la perdita del
filo quando si taglia materiali molto duri.
Le lame in zirconia mantiene l’affilatura per un periodo molto
maggiore, grazie alla alta resistenza, alta tenacità a frattura e
alta durezza (in genere maggiore del materiale da tagliare)
Valvole e giranti per pompe:
Il problema del trasporto di prodotti chimici aggressive specie
se ad alte temperature e pressioni è dato dalla estrema
reattività e dalla effetto abrasivo dei fluidi i quelle condizioni.
La resistenza chimica e l’alta resistenza all’usura fanno della
zirconia un ottimo materiale per queste applicazioni.
Impianti ortopedici:
testa del femore
Refrattario
Applicazioni in elettronica: sensori per ossigeno
Pietre sintetiche
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I VETRI
I vetri tradizionali sono costituiti da ossidi inorganici ottenuti
per irrigidimento di un liquido che solidifica senza
cristallizzare (solido amorfo).
Le molecole di un vetro sono disposte in un modo irregolare,
e non ripetitivo, praticamente indistinguibile da quella di un
liquido.
La maggior parte dei vetri inorganici è costituita dall’ossido
di silicio (SiO2) che ha la caratteristica di formare strutture
vetrose.
L’unità elementare è il tetraedro SiO 4 che è in grado di
legarsi con altri tetraedri tramite l’atomo di ossigeno.
In pratica il vetro di silice viene utilizzato solo per
applicazioni particolari, a causa del suo altissimo punto di
fusione (> 1700 ºC) che ne rende difficoltosa e costosa la
lavorazione.
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Si utilizzano degli ossidi modificatori (Na2O, K2O, CaO,
MgO) che modificano il reticolo vetroso abbassandone il
punto di fusione e degli ossidi intermediari (Al2O3, PbO,
B2O3) che sono in grado di sostituirsi ai gruppi SiO 4
conferendo al vetro particolari proprietà (resistenza alle
temperature, resistenza allo shock termico).
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I vetri si comportano come liquidi viscosi al di sopra della Tg.
I loro comportamento è influenzato dalla temperatura.
Aumentando la temperatura la viscosità diminuisce ed il
flusso viscoso viene facilitato.
  0 e Q RT
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Vetri sodico-calcici:
È il vetro più comune (~90% della produzione).
È composto da: 71-73 % SiO2, 12-14 % Na2O e 10-12 %
CaO, più piccole aggiunte di MgO e Al2O3.
Viene utilizzato per tutte le applicazioni per le quali non sono
richieste alte durabilità e grandi resistenze al calore.
Vetri al borosilicato:
L’introduzione del B2O3 alza la temperatura di fusione dei
vetri sodico-calcici ma fornisce un’elevata resistenza agli
shock termici (vetri Pyrex).
Vengono utilizzati per attrezzatura da laboratorio, forni e fari.
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