1 Materiali ceramici (dal greco Keramikos

Materiali ceramici
(dal greco Keramikos: materiale cotto)
L’uomo inventò i materiali ceramici circa diecimila anni fa; da allora fino al secolo
scorso gli sviluppi sono stati scarsi e il termine materiali ceramici ha indicato
prevalentemente i materiali ottenuti per cottura di impasti di minerali argillosi
(sinterizzazione). Più recentemente il significato si è esteso fino a comprendere buona
parte dei materiali inorganici non metallici duri, caratterizzati da frattura facile, e
ottenuti con processi anche diversi dalla sinterizzazione, quindi anche i vetri, il cemento,
il quarzo, i silicati ecc.
I materiali ceramici possono essere definiti materiali inorganici essenzialmente
non metallici generalmente in forma di polvere fine. Questa classe di materiali
comprende numerosissimi composti di varia natura, generalmente ossidi più o meno
complessi, ma anche carburi, nitruri, ossinitruri, boruri, siliciuri e calcogenuri (esempi
sono i solfuri di molibdeno, titanio, cerio, che si annoverano tra i materiali ceramici
avanzati o neoceramici). La grafite, per il carattere non metallico, la refrattarietà, i
processi di lavorazione, è l'unico
elemento (è carbonio puro) che
viene
considerato
come
un
ceramico.
Negli anni 70 c'era la tendenza a
distinguere i ceramici in questo
modo:
1) ceramici tradizionali, sulla
base del fatto che questi sono
realizzati con materie prime
naturali e con tecnologie di
formatura
relativamente
semplice, applicando processi di
cottura piuttosto lenti e lineari,
sempre a pressione ambiente;
2) ceramici avanzati, sulla
base del fatto che si impiegano
materie prime sintetiche, molto
pure e spesso costose, con
tecniche di formatura che si
basano anche su metodi chimici,
oltre a cicli di cottura molto
complessi.
La
linea
di
demarcazione non è tuttavia
stabilita in modo netto e, come
sempre avviene per materiali che
presentano
generazioni
successive, la definizione di
avanzato può essere utilizzata
anche in accezioni più ristrette in
base ai caratteri della tecnologia
di produzione. Successivamente,
negli anni '80, le scoperte
scientifiche e tecniche hanno
favorito il trasferimento delle conoscenze dall'uno all'altro dei settori, tanto che negli
anni '90 la precedente distinzione è venuta meno, lasciando la sola distinzione basata
sulla destinazione d'uso.
Perciò, semplificando i materiali ceramici sono da considerarsi:
1. Tradizionali, quando sono destinati agli impieghi tradizionali: per le costruzioni
(mattoni, tegole, piastrelle e simili), per uso domestico (piatti e sanitari), per la
decorazione e l'arte (ceramiche artistiche);
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2. avanzati, quando sono componenti strutturali o funzionali di sistemi complessi:
rivestimenti per metalli, barriere termiche, superconduttori, ceramici
piezoelettrici, conduttori ionici, substrati per l’elettronica, impianti dentali/ossei.
Durezza, rigidità, resistenza all’abrasione e alla compressione, inerzia chimica,
alto punto di fusione e stabilità alle alte temperature sono le caratteristiche tipiche di
molti ceramici; essi inoltre hanno, in genere, densità inferiore a quella della maggior
parte dei metalli e sono buoni isolanti elettrici e termici.
Gli svantaggi presentati dagli stessi materiali, pur sempre in misura
estremamente differenziata, sono invece:
• fragilità e limitata resistenza agli urti
• difficoltà di formatura su geometrie complesse
• difficoltà di intervenire con lavorazioni di finitura
• prezzo generalmente elevato e molto differenziato in relazione alle
caratteristiche del materiale.
Per lungo tempo il tallone d’Achille dei ceramici è stata la loro fragilità che ne ha
fortemente limitato l’impiego come materiali strutturali. Attualmente, grazie alla
disponibilità di tecniche avanzate di preparazione che eliminano le imperfezioni
cristalline dalle quali si origina la frattura o che bloccano l’estendersi delle cricche, è
possibile ottenere ceramici con ottima resistenza alla rottura.
La rapida crescita in importanza scientifica e industriale dei ceramici avanzati è
attribuibile alle proprietà, non riscontrabili in altri materiali, che fanno di loro i
candidati primari per un largo numero di usi che si estendono dalla microelettronica ai
biomateriali, dai componenti di macchine utensili
(cuscinetti, valvole, tenute) ai
componenti per lo scambio termico, dall’aerospaziale alla sensoristica e ad un largo
numero di parti di motore.
Per la preparazione dei materiali ceramici avanzati vengono generalmente
impiegate tecniche di metallurgia delle polveri; le fasi produttive essenziali sono le
seguenti:
• processi di sintesi e controllo delle polveri (purezza, finezza, granulometria, ecc.)
• eventuale aggiunta di sostanze droganti
• formatura delle polveri in manufatti di geometria definita
• consolidamento mediante trattamento termico di sinterizzazione, talvolta
coadiuvato da pressione meccanica o gassosa
• eventuali lavorazioni meccaniche di finitura
• controlli non distruttivi
I ceramici possono essere utilizzati in una pluralità di forme, che vanno da quella
di pezzi monomateriali, al rivestimento protettivo di manufatti (soprattutto metallici),
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all’impiego come fibre (whiskers) per compositi con differenti matrici, e possono essi
stessi essere utilizzati come matrici rinforzate tramite l’inserimento di fibre.
sinterizzazione
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Scegliendo e miscelando in maniera opportuna i vari componenti è possibile
ottenere un numero elevatissimo di materiali ceramici con caratteristiche le più diverse
e con utilizzi molto specifici. Anche utilizzando gli stessi costituenti ma variandone le
proporzioni si ottengono materiali con caratteristiche anche molto differenti (vedi
figura).
Settori d’impiego
I ceramici avanzati o high-tech sono costituiti da materiali preparati per sintesi,
normalmente in forma di polveri di purezza e dimensioni submicrometriche
accuratamente controllate e usati da soli o in combinazione per ottenere i prodotti.
Esempi sono allumina (Al2O3), zirconia (ZrO2), carburo di silicio (SiC), nitruro di silicio
(Si3N4), SIALON (una combinazione di nitruro di silicio e allumina a stechiometria
variabile). Questi composti hanno applicazioni principalmente di tipo meccanicostrutturale. I titanati di bario (BaTiO3), di piombo (PbTiO3), il titanato zirconato di
piombo e lantanio (PLZT) per le proprietà elettriche trovano applicazione come
condensatori e trasduttori.
Nelle tecnologie nucleari gli ossidi di uranio (UO2) e torio (ThO2) costituiscono gli
elementi di combustibile, mentre la grafite, il carburo di silicio, l'allumina hanno
funzioni di schermo del flusso neutronico e anche strutturali per la loro resistenza ad
alte temperature.
Composto ceramico
Formula
t. fusione [°C
I progressi nella sintesi delle
]
polveri
e
nella
tecnologia
di
Carburo d’afnio
HfC
4150
processo, in gran parte guidati dalla
scienza chimica, portano a ceramici
Carburo di titanio
TiC
3120
ad alte prestazioni (generalmente a
Carburo di tungsteno
WC
2850
base di nitruro e di carburo di silicio,
Ossido di magnesio
MgO
2798
di ossidi di zirconio e di allumina)
che possono sostituire le leghe
Carburo di silicio
SiC
2500
metalliche come materiali strutturali
B4C
2450
Carburo di boro
nelle macchine termiche, nei motori
Ossido d’alluminio
Al2O3
2050
diesel, nei motori a turbina e negli
scudi termici dei veicoli aerospaziali
Si3N4
1900
Nitruro di silicio
e in altre applicazioni ove si richiede
Diossido di silicio
SiO2
1715
resistenza ad usura ed inerzia
Diossido di titanio
TiO2
1605
chimica a temperature oltre 1500
°C.
I motori termici infatti aumentano il loro rendimento se cresce la temperatura di
funzionamento. Per temperature fino a circa 1000°C possono essere utilizzate le super
leghe metalliche a base di nichel e cobalto che, comunque, hanno la difficoltà della
lubrificazione quando si supera la temperatura a cui possono operare gli oli lubrificanti.
Invece alcuni tipi di ceramici offrono migliori prestazioni perché sopportano temperature
più elevate (1300-1800 °C), resistono all’ossidazione e alla corrosione e sono più
leggeri. Occorrono tuttavia complicati processi di preparazione delle polveri, di
formatura dei pezzi e di densificazione per evitare la formazione di vuoti e cricche
responsabili della fragilità del materiale. Tutto
ciò comporta costi di produzione
piuttosto elevati ma che sono giustificati dai molti benefici: più efficiente conversione
energetica, risparmio di combustibile, maggiore durata dei manufatti; in definitiva
benefici economici.
La scoperta (1986) della superconduttività in una nuova classe di ossidi metallici
a base di lantanio e rame ha fatto meritare agli autori J.G. Bednorz e K.A. Müller il
riconoscimento del premio Nobel nel 1987 e ha aperto la strada ad una straordinaria
attività di ricerca di base ed applicata documentata da migliaia di pubblicazioni
scientifiche e da brevetti industriali. Sono state create diverse famiglie di ossidi
superconduttori a molti componenti con temperature critiche crescenti passando dai
composti Y-Ba-Cu-O ai composti Bi-Ca-Sr-Cu-O, fino a Tl-Ca-Ba-Cu-O. Grandi speranze
vengono riposte nella prossima fabbricazione di cavi superconduttori ad alta densità di
corrente, per magneti potenti e per il trasporto di corrente senza perdite.
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