Ceramica tecnica

Esempi di materiali ceramici

• Nitruro di silicio ( Si ₃ N ₄ ), usato come polvere abrasiva.
• Carburo di boro ( B ₄ C ), utilizzato in alcuni elicotteri e coperchi dei serbatoi.
• Carburo di silicio ( Si C ), utilizzato nei forni a microonde, negli abrasivi e come materiale refrattario.
• Il diboruro di magnesio ( Mg B ₂ ) è un superconduttore non convenzionale.
• Ossido di zinco ( Zn 4O ), un semiconduttore.
• La ferrite ( Fe ₃ O ₄ ) viene utilizzata nei nuclei dei trasformatori magnetici e dei nuclei di memoria magnetica.
• Steatite , usato come isolante elettrico.
• ossido di uranio ( U O ₂ ), utilizzato come combustibile nei reattori nucleari
• Ittrio, bario e ossido di rame ( Y Ba ₂ Cu ₃ O _7-x ), superconduttore ad alta temperatura.
• tallio-bario-calcio

Proprietà meccaniche della ceramica

I materiali ceramici sono generalmente fragili o vetrosi. Quasi sempre si fratturano sotto sforzo e hanno poca elasticità, poiché tendono ad essere materiali porosi. I pori e altre imperfezioni microscopiche agiscono come tacche o concentratori di sforzo, riducendo la resistenza agli sforzi menzionati.

Il modulo di elasticità raggiunge valori piuttosto elevati nell’ordine di 311 GPa nel caso del carburo di titanio (TiC). Il valore del modulo di elasticità dipende dalla temperatura, diminuendo non linearmente man mano che aumenta.

Questi materiali mostrano deformazioni plastiche. Tuttavia, a causa della rigidità della struttura dei componenti cristallini ci sono pochi sistemi di frana per le dislocazioni del movimento e la deformazione avviene molto lentamente. Con materiali non cristallini ( vetrosi ), la fluidità viscosa è la causa principale della deformazione plastica, ed è anche molto lenta. Anche così, è omesso in molte applicazioni di materiali ceramici.

Hanno un’elevata resistenza alla compressione rispetto ai metalli anche a temperature elevate (fino a 1500 ° C). Sotto carichi di compressione le fessure incipienti tendono a chiudersi, mentre sotto tensione o tensione di taglio le fessure tendono a separarsi, dando origine alla frattura.

I valori di resistenza alla frattura nei materiali ceramici sono molto bassi (superando di poco il valore di 1 MPa.m ^1/2 ), valori che possono essere considerevolmente aumentati con metodi come il rinforzo di fibre o la trasformazione di fase in zirconia .

Una proprietà importante è il mantenimento delle proprietà meccaniche ad alte temperature. La loro grande durezza li rende un materiale ampiamente utilizzato come abrasivo e come punto di taglio degli utensili.

Comportamento refrattario

Alcuni materiali ceramici possono resistere a temperature estremamente elevate senza perdere la loro forza. Sono i cosiddetti materiali refrattari . Generalmente hanno una bassa conduttività termica e sono quindi utilizzati come isolanti. Ad esempio, parti di razzi spaziali sono costruite con piastrelle di ceramica che proteggono la nave dalle alte temperature provocate durante l’ingresso nell’atmosfera.

In generale, i materiali ceramici mostrano un buon comportamento alle alte temperature mentre possono subire la rottura a causa di shock termici a temperature più basse.

• Termofluencia : la conservazione delle proprietà meccaniche ad alte temperature assume una grande importanza in alcuni settori come l’industria aerospaziale. I materiali ceramici hanno generalmente una buona resistenza al creep. Ciò è dovuto principalmente a due fattori nel caso della ceramica cristallina: valori di temperatura di fusione elevati e alta energia di attivazione per la diffusione per iniziare.

• Shock termico : è definito come la frattura di un materiale a seguito di un improvviso cambiamento di temperatura. Questa variazione improvvisa provoca tensioni di trazione superficiali che portano a fratture. Tra i fattori che determinano la resistenza allo shock termico, la porosità del materiale assume una grande importanza. Riducendo la porosità (aumentando la densità) si riduce la resistenza allo shock termico e le caratteristiche di isolamento, mentre aumentano la resistenza meccanica e la capacità di carico. Molti materiali sono usati in stati molto porosi ed è comune trovare materiali combinati: uno strato poroso con buone proprietà isolanti combinato con un rivestimento sottile di materiale più denso che fornisce resistenza, ma contrasti specifici non possono essere fatti.

È forse sorprendente che questi materiali possano essere usati a temperature dove liquefanno parzialmente. Ad esempio, mattoni refrattari di biossido di silicio ( Se O ₂ ), utilizzato per rivestire fonderie acciaio , lavorando a temperature superiori a 1650 ° C (3000 ° F), quando alcuni dei mattoni cominciano a liquefarsi. Progettato per tale funzione, una situazione delicata richiede un controllo responsabile su tutti gli aspetti della costruzione e dell’uso.

Comportamento elettrico

Una delle aree di maggior progresso con la ceramica è la loro applicazione a situazioni elettriche, in cui possono visualizzare una serie incredibile di proprietà.

Isolamento elettrico e comportamento dielettrico

La maggior parte dei materiali ceramici non sono conduttori di cariche mobili, quindi non sono conduttori di elettricità . Questo perché i legami ionici e covalenti limitano la mobilità ionica ed elettronica, cioè sono buoni isolanti elettrici. Quando sono combinati con la forza, consente loro di essere utilizzati nella generazione di energia e trasmissione.

Le linee ad alta tensione sono generalmente supportate da torri di trasmissione contenenti dischi in porcellana , che sono abbastanza isolanti per resistere ai fulmini e hanno la resistenza meccanica appropriata per tenere i cavi.

Una sottocategoria del comportamento isolante è il dielettrico . Un materiale dielettrico mantiene il campo elettrico attraverso di esso, senza indurre perdite di energia. Questo è molto importante nella costruzione di condensatori elettrici.

La ceramica dielettrica viene utilizzata in due aree principali: la prima è la perdita progressiva di dielettricità ad alta frequenza, utilizzata in applicazioni come microonde e trasmettitori radio; il secondo, sono materiali con alta dielettricità costante (ferroelettrico). Sebbene la ceramica dielettrica sia inferiore ad altre opzioni per la maggior parte degli scopi, generalmente occupa molto bene questi due detti.

Superconduttività

In determinate condizioni, come temperature estremamente basse, alcune ceramiche mostrano una superconduttività . La ragione esatta di questo fenomeno non è nota, sebbene due serie di ceramica superconduttrici siano differenziate.

Il composto stechiometrico Y Ba ₂ Cu ₃ O _7-x , YBCO o 123 generalmente abbreviato , è particolarmente noto perché è facile da realizzare, la sua fabbricazione non richiede alcun materiale particolarmente pericoloso e ha una transizione di temperatura di 90 K (che è superiore alla temperatura dell’azoto liquido, 77 K). La x nella formula si riferisce al fatto che deve essere leggermente carente di ossigeno, con una x generalmente vicina a 0,3.

L’altro set di ceramiche superconduttrici è il diboruro di magnesio . Le sue proprietà non sono particolarmente notevoli, ma sono chimicamente molto diverse da qualsiasi altro superconduttore in quanto non è un complesso di ossido di rame o un metallo. A causa di questa differenza, ci si aspetta che lo studio di questo materiale porti all’internalizzazione del fenomeno della superconduttività.

Semiconduttività

Ci sono un certo numero di ceramiche che sono semiconduttive . La maggior parte di questi sono ossidi di metalli di transizione che sono semiconduttori di tipo II-IV, come l’ossido di zinco .

La ceramica a semiconduttore viene utilizzata come sensore di gas. Quando diversi gas vengono fatti passare attraverso una ceramica policristallina, la loro resistenza elettrica cambia. Regolando le possibili miscele di gas, i sensori di gas possono essere costruiti senza troppi costi.

Ferroelettricità, piezoelettricità e piroelettricità

Un materiale ferroelettrico è quello che ha spontaneamente una polarizzazione elettrica la cui direzione può essere invertita applicando un campo elettrico esterno sufficientemente elevato (isteresi ferroelettrica). Questi materiali presentano proprietà multiple derivate dalla loro polarizzazione spontanea, in assenza di un campo elettrico esterno, e dalla possibilità della loro inversione (memorie del computer). La polarizzazione spontanea può essere modificata da campi elettrici (elettrostrizione) o stress meccanici esterni ( piezoelettricità ) e da variazioni di temperatura ( piroelettricità)). La polarizzazione spontanea e la sua capacità di modifica sono anche l’origine dell’elevata costante dielettrica o della permissività dei ferroelettrici, che ha applicazione nei condensatori.

Un materiale piezoelettrico è quello che, a causa di una polarizzazione spontanea, genera una tensione quando viene applicata la pressione o, inversamente, si deforma sotto l’azione di un campo elettrico. Quando il campo elettrico applicato si alterna, produce una vibrazione piezoelettrica. Questi materiali trovano un’ampia gamma di applicazioni, principalmente come sensori, per convertire un movimento in un segnale elettrico o viceversa. Sono presenti in microfoni, generatori di ultrasuoni e manometri. Tutti i ferroelettrici sono piezoelettrici, ma ce ne sono molti quelli piezoelettrici la cui polarizzazione spontanea può variare ma non è invertibile e, di conseguenza, non sono ferroelettrici.

Un materiale piroelettrico sviluppa un campo elettrico quando viene riscaldato. Alcune ceramiche piroelettriche sono così sensibili da poter rilevare i cambiamenti di temperatura causati dall’ingresso di una persona in una stanza (circa 40 microkelvin). Tali dispositivi non possono misurare temperature assolute, ma variazioni di temperatura e sono utilizzati in rivelatori di visione notturna e di movimento.

Lavorazione di materiali ceramici

Le ceramiche non cristalline ( vetrose ) sono solitamente formate da fonderie. Il vetro è formato da uno dei seguenti metodi: soffiaggio, pressatura, laminazione, trafilatura, fusione o flottazione e zincatura.

I materiali cristallini ceramici non sono suscettibili a una vasta gamma di lavorazioni. I metodi usati per la loro manipolazione tendono a fallire in una delle due categorie: produrre terraglie nella forma desiderata, reazione in situ, o formare polveri nella forma desiderata, e quindi sinterizzare per formare un corpo solido. Alcuni metodi utilizzati sono un ibrido tra i due metodi menzionati.

Produzione in situ 

L’uso più comune di questo metodo è nella produzione di cemento e calcestruzzo . Qui, gli abrasivi disidratati sono mescolati con acqua . Ciò avvia le reazioni di idratazione, che provocano grandi cristalli interconnessi che si formano attorno agli aggregati. Dopo un po ‘, questo si traduce in una ceramica solida.

Il più grande problema con questo metodo è che la maggior parte delle reazioni sono così veloci che non è possibile fare un buon mix, che tende a prevenire la costruzione su larga scala. Tuttavia, i sistemi su piccola scala possono essere realizzati mediante tecniche di deposizione, in cui i diversi materiali vengono introdotti su un substrato, dove avviene la reazione e la ceramica viene formata su questo substrato.

Modellare le polveri

L’obiettivo principale della conformazione è di dare forma e consistenza alla massa di polveri che dà luogo ad un aumento di densità e, quindi, a un miglioramento delle proprietà meccaniche. Ci sono due modi per eseguire la modellazione: applicando pressione e temperature elevate. Con l’applicazione di pressione e temperatura, il processo è simile a se non applichiamo alte temperature, ma otteniamo prodotti più densi e omogenei risparmiando le materie prime.

• Pressione uniassiale: (calda o fredda). Consiste nell’applicazione della pressione in un’unica direzione fino al raggiungimento della compattazione delle polveri ceramiche. Il pezzo così formato avrà la forma della matrice e le superfici con cui viene applicata la pressione.
• Pressatura isostatica a caldo oa freddo. Consiste nel compattare le polveri sigillandole in stampi elastici tipicamente in gomma, lattice o PVC, applicando una pressione idrostatica attraverso un fluido che può essere acqua o olio. Il fondamento di questo processo è il principio di Pascal , in questo modo riusciamo a compattare il materiale in modo uniforme e in tutte le direzioni.
• Slip Casting: si basa sulla fusione a scivolamento delle ceramiche tradizionali, attraverso le quali otteniamo pezzi di piccolo spessore utilizzando stampi porosi.

Metodi basati sulla sinterizzazione

I principi dei metodi basati sulla sinterizzazione sono semplici: una volta che la materia prima è condizionata per la lavorazione (cottura), viene introdotta nel forno, portando il processo di diffusione alla materia prima.

I pori si restringono, risultando in un prodotto più denso e più forte. La combustione avviene a una temperatura inferiore al punto di fusione della ceramica. C’è sempre un po ‘di porosità, ma il vero vantaggio di questo metodo è che il lotto può essere prodotto in qualsiasi modo immaginabile e può anche essere sinterizzato. Questo lo rende un percorso molto versatile.

Ci sono migliaia di possibili perfezionamenti di questo processo. Alcuni dei più comuni riguardano la pressione del lotto per dargli la densità, la combustione riduce il tempo di sinterizzazione necessario. A volte, gli elementi organici vengono aggiunti accanto al batch, che vengono sciolti durante la masterizzazione.

A volte, durante il processo vengono aggiunti lubrificanti organici per aumentare la densità. Non è raro combinarli, aggiungendo materia organica e lubrificanti a un lotto, e quindi premendo. (La formulazione di questi additivi chimici organici è un’arte in sé). Ciò è particolarmente importante nella produzione di ceramiche ad alte prestazioni, come quelle utilizzate per l’elettronica, in condensatori, induttori, sensori, ecc.

Una miscela di componenti può essere prodotta invece di usare una sola polvere, quindi versarla nello stampo desiderato, lasciandola asciugare e quindi sinterizzandola. In effetti, la ceramica tradizionale è realizzata in questo modo, usando una miscela di plastica che viene lavorata con le mani.

Se in una ceramica viene utilizzata una miscela di materiali diversi, a volte la temperatura di sinterizzazione è superiore alla temperatura di fusione di alcuni dei suoi componenti (fase di sinterizzazione liquida). Questo genera un periodo di sinterizzazione più breve rispetto allo stato solido sinterizzato.

Altre applicazioni di ceramica

Un paio di decenni fa, Toyota ha studiato la produzione di un motore ceramico che può funzionare a temperature superiori a 3300 ° C. I motori in ceramica non necessitano di sistemi di ventilazione e quindi consentono una maggiore riduzione di peso, e con ciò, una maggiore efficienza nell’utilizzo del carburante. Anche l’efficienza nell’uso del carburante di un motore è maggiore a temperature più elevate. In un motore metallico convenzionale, gran parte dell’energia generata dalla combustione deve essere sprecata come calore per impedire la fusione delle parti metalliche.

Nonostante tutte queste proprietà desiderabili, tali motori non sono in produzione perché la produzione di parti in ceramica è molto difficile. Le imperfezioni della ceramica portano a crepe e rotture. Tali motori sono fattibili nelle indagini di laboratorio, ma le attuali difficoltà nella produzione impediscono la produzione di massa.

Nuovi materiali ceramici

• Generalmente identificate con il mondo artistico, le ceramiche sono un materiale molto nobile con applicazioni in più aree di quelle note. È per questo che un gruppo di scienziati dell’Università Balseiro Institute, con sede a Bariloche- ha sviluppato tecnologie per la ceramica (vetrosa o vetro-ceramica) dello stato monolitico o strati sottili, a seconda dei casi, con funzioni specifiche nel campo della salute ed energia. Per quanto riguarda la salute, la ricerca ha sviluppato microsfere di vetro di blocco radioattivo, vicino tumori del fegato e le radiazioni che riceve che emerge da esso. Ma queste microsfere possono essere utilizzati anche in odontoiatria nella adesione di restauri inserto rigido, in ceramica, come descritto nella Research Argentina Alejandro Fernández,^{[ citazione necessaria ]} co-direttore del progetto. Nel frattempo, per l’area di energia, si sono concentrati sullo sviluppo di ceramica per la costruzione di celle a combustibile in grado di convertire, in energia chimica efficiente e pulito in energia elettrica.
• I mattoni di ceramica stampati in 3D costituiscono un nuovo materiale che consente costruzioni personalizzate e uniche come pareti, colonne e persino per costruzioni di grandi dimensioni. I mattoni sono circa 15 a 20 minuti e, una volta che sono difficili, possono essere impilati per ottenere la costruzione di pareti, colonne e volte. Chiunque voglia implementare nella costruzione questi mattoni 3D può portare stampanti 3D portatili al cantiere e creare i materiali per la costruzione proprio lì. Questo tipo di stampa offre la possibilità, l’architetto e imprenditore, per eseguire centinaia di mattoni standard o personalizzati, che soddisfano i gusti delle persone più esigenti.
• La lavorazione delle scariche elettriche (EDM) è un processo utilizzato per la lavorazione di metalli duri e limitato a materiali conduttivi di elettricità. Nonostante i suoi limiti, può produrre con precisione piccoli pezzi di forme rare. L’applicazione dell’EDM ai pezzi di ceramica richiede lo sviluppo di nuovi materiali ceramici elettroconduttori e l’integrazione di una tecnologia di processo EDM adattata alla ceramica. Con l’emergere della nanotecnologia, i ricercatori hanno scoperto che le nanopolveri formate da particelle di scala atomica e molecolare migliorano le proprietà meccaniche dei prodotti ceramici a cui sono incorporati.