Ceramica

Tipi di materiali ceramici

Per comodità i prodotti ceramici sono solitamente divisi in quattro settori, e questi sono mostrati qui di seguito con alcuni esempi:

• Strutturali, compresi mattoni, tubi, pavimenti e tegole
• Refrattari, come rivestimenti di forni, radianti a gas, crogioli per la produzione di acciaio e vetro
• Whitewares, tra cui stoviglie, piastrelle, oggetti d'arte decorativa e sanitari
• La ceramica tecnica è anche conosciuta come ingegneria, avanzata, speciale e, in Giappone, ceramica fine. Tali elementi includono piastrelle utilizzate nel programma Space Shuttle, ugelli per bruciatori a gas, giubbotti antiproiettile, pellet di ossido di uranio di combustibile nucleare, impianti biomedicali, pale di turbine per motori a reazione e coni di naso di missile. Spesso le materie prime non includono le argille.

Esempi di ceramica

• Porcellana
• Porcellana "Hard-paste", cotta a temperatura più elevata.
• Porcellana "Soft-paste", cotta a temperatura più bassa: Porcellana d'osso
• Terracotta, che spesso è fatta di argilla, quarzo e feldspato
• Gres

Classificazione della ceramica tecnica

La ceramica tecnica può anche essere classificata in tre distinte categorie di materiali:

• Ossidi: allumina, zirconia
• Non ossidi: carburi, boruri, nitruri, siliciuri
• Compositi: rinforzati con particolato, combinazioni di ossidi e non ossidi

Ognuna di queste classi può sviluppare proprietà materiali uniche.

Simulazione dell'esterno dello Space Shuttle mentre si riscalda fino a oltre 1.500 °C durante il rientro nell'atmosfera terrestre

Proprietà della ceramica

Proprietà meccaniche

I materiali ceramici sono di solito materiali legati ionici o covalenti, e possono essere cristallini o amorfi. Un materiale tenuto insieme da uno dei due tipi di legame tenderà a fratturarsi (rompersi) prima che si verifichi qualsiasi deformazione plastica, il che si traduce in una scarsa tenacità in questi materiali. Inoltre, poiché questi materiali tendono ad avere molti pori, i pori e altre imperfezioni microscopiche fungono da concentratori di sollecitazione, diminuendo ulteriormente la tenacità e riducendo la resistenza alla trazione. Questi si combinano per dare guasti catastrofici, in contrasto con i modi di guasto normalmente molto più delicati dei metalli.

Questi materiali mostrano una deformazione plastica. Tuttavia, a causa della struttura rigida dei materiali cristallini, ci sono pochissimi sistemi di scorrimento disponibili per le dislocazioni da spostare, e quindi si deformano molto lentamente. Con i materiali non cristallini (vetrosi), il flusso viscoso è la principale fonte di deformazione plastica, ed è anche molto lento. Per questo motivo, esso viene ignorato in molte applicazioni di materiali ceramici.

Proprietà elettriche

Semiconduttori

Ci sono un certo numero di ceramiche che sono semiconduttori. La maggior parte di questi sono ossidi metallici di transizione che sono semiconduttori II-VI, come l'ossido di zinco.

Mentre si parla di realizzare LED blu a partire dall'ossido di zinco, i ceramisti sono più interessati alle proprietà elettriche che mostrano gli effetti di confine del grano. Uno dei più utilizzati è il varistore.

La ceramica semiconduttiva viene impiegata anche come sensore di gas. Quando vari gas vengono passati su una ceramica policristallina, la sua resistenza elettrica cambia. Con la messa a punto delle possibili miscele di gas si possono produrre dispositivi molto economici.

Superconduttività

In alcune condizioni, come la temperatura estremamente bassa, alcune ceramiche mostrano una superconduttività. Il motivo esatto di questo non è noto, ma ci sono due grandi famiglie di ceramiche superconduttive.

Ferroelettricità e i suoi parenti

La piezoelettricità, un collegamento tra la risposta elettrica e quella meccanica, è esposta da un gran numero di materiali ceramici, tra cui il quarzo utilizzato per misurare il tempo negli orologi e in altri dispositivi elettronici. Tali dispositivi trasformano l'elettricità in movimenti meccanici e ritorno, rendendo stabile l'oscillatore.

L'effetto piezoelettrico è generalmente più forte nei materiali che mostrano anche piroelettricità, e tutti i materiali piroelettrici sono anch'essi piezoelettrici. Questi materiali possono essere usati per interconvertire tra energia termica, meccanica e/o elettrica; per esempio, dopo la sintesi in un forno, un cristallo piroelettrico lasciato raffreddare senza stress applicato, generalmente accumula una carica statica di migliaia di volt. Tali materiali sono utilizzati nei sensori di movimento, dove il minuscolo aumento di temperatura da un corpo caldo che entra nella stanza è sufficiente a produrre una tensione misurabile nel cristallo.

A sua volta, la piroelettricità è vista più fortemente nei materiali che mostrano anche l'effetto ferroelettrico, in cui un dipolo elettrico stabile può essere orientato o invertito applicando un campo elettrostatico. La piroelettricità è anche una conseguenza necessaria della ferroelettricità. Questa può essere usata per memorizzare informazioni nei condensatori ferroelettrici, elementi della RAM ferroelettrica.

I materiali più comuni sono il titanato di zirconato di piombo e il titanato di bario. Oltre agli usi sopra citati, la loro forte risposta piezoelettrica è sfruttata nella progettazione di altoparlanti ad alta frequenza, trasduttori per sonar e attuatori per la forza atomica e microscopi a scansione a tunnel.

Coefficiente termico positivo

Gli aumenti di temperatura possono far sì che i confini dei grani diventino improvvisamente isolanti in alcuni materiali ceramici semiconduttori, per lo più miscele di titanati di metalli pesanti. La temperatura critica di transizione può essere regolata in un ampio intervallo di variazione della chimica. In tali materiali, la corrente passerà attraverso il materiale fino a quando il riscaldamento a joule non lo porterà alla temperatura di transizione, a quel punto il circuito sarà interrotto e il flusso di corrente cesserà. Tali ceramiche sono utilizzate come elementi riscaldanti autocontrollati, ad esempio, nei circuiti di sbrinamento del lunotto posteriore delle automobili.

Alla temperatura di transizione, la risposta dielettrica del materiale diventa teoricamente infinita. Mentre una mancanza di controllo della temperatura escluderebbe qualsiasi uso pratico del materiale vicino alla sua temperatura critica, l'effetto dielettrico rimane eccezionalmente forte anche a temperature molto più elevate. Titanati con temperature critiche molto al di sotto della temperatura ambiente sono diventati sinonimo di "ceramica" nel contesto dei condensatori ceramici proprio per questo motivo.

Classificazione della ceramica

Ceramica non cristallina: La ceramica non cristallina, essendo vetri, tende a formarsi dalla fusione. Il vetro viene modellato quando è completamente fuso, per fusione, o quando si trova in uno stato di viscosità simile alla caramella mou, con metodi come la soffiatura in uno stampo. Se i successivi trattamenti termici fanno sì che questa classe diventi parzialmente cristallina, il materiale risultante è noto come vetroceramica.

Ceramica cristallina: I materiali ceramici cristallini non sono adatti a una grande varietà di lavorazioni. I metodi per trattarli tendono a rientrare in una delle due categorie - o rendere la ceramica nella forma desiderata, per reazione in situ, o "formando" le polveri nella forma desiderata, e poi sinterizzare per formare un corpo solido. Le tecniche di formatura della ceramica includono la modellatura a mano (a volte includendo un processo di rotazione chiamato "lancio"), la colata a slittamento, la colata a nastro (usata per fare condensatori ceramici molto sottili, ecc.), lo stampaggio a iniezione, la pressatura a secco e altre varianti. (Vedi anche le tecniche di formatura della ceramica. I dettagli di questi processi sono descritti nei due libri elencati di seguito). Alcuni metodi utilizzano un ibrido tra i due approcci.

Produzione in situ

L'uso più comune di questo metodo è nella produzione di cemento e calcestruzzo. Qui le polveri disidratate vengono miscelate con acqua. In questo modo si avviano reazioni di idratazione, che si traducono in lunghi cristalli ad incastro che si formano intorno agli aggregati. Nel corso del tempo, questi si trasformano in una ceramica solida.

Il problema principale di questo metodo è che la maggior parte delle reazioni sono così veloci che non è possibile una buona miscelazione, il che tende ad impedire la costruzione su larga scala. Tuttavia, i sistemi su piccola scala possono essere realizzati con tecniche di deposizione, dove i vari materiali vengono introdotti sopra un substrato e reagiscono e formano la ceramica sul substrato. Questo prende in prestito tecniche dall'industria dei semiconduttori, come la deposizione chimica a vapore, ed è molto utile per i rivestimenti.

Questi tendono a produrre ceramiche molto dense, ma lo fanno lentamente.

Metodi basati sulla sinterizzazione

I principi dei metodi basati sulla sinterizzazione sono semplici. Una volta che un oggetto tenuto insieme in modo approssimativo (chiamato "corpo verde") è fatto, viene cotto in un forno, dove i processi di diffusione causano il restringimento del corpo verde. I pori dell'oggetto si richiudono, dando luogo ad un prodotto più denso e forte. La cottura viene effettuata ad una temperatura inferiore al punto di fusione della ceramica. Rimane praticamente sempre una certa porosità, ma il vero vantaggio di questo metodo è che il corpo verde può essere prodotto in qualsiasi modo immaginabile, ed essere comunque 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 corpo verde per dare alla densificazione un vantaggio e ridurre il tempo di sinterizzazione necessario. A volte vengono aggiunti leganti organici come l'alcool polivinilico per tenere insieme il corpo verde; questi bruciano durante la cottura (a 200-350 °C). A volte vengono aggiunti lubrificanti organici durante la pressatura per aumentare la densificazione. Non è raro combinare queste sostanze e aggiungere leganti e lubrificanti ad una polvere, quindi pressare. (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 usate dai miliardi per l'elettronica, nei condensatori, negli induttori, nei sensori, ecc. Le formulazioni specializzate più comunemente usate in elettronica sono dettagliate nel libro "Tape Casting," di R.E. Mistler, et al., Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000). Un libro completo sull'argomento, sia per applicazioni meccaniche che elettroniche, è "Organic Additives and Ceramic Processing", di D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Al posto della polvere si può usare un fango, che può essere colato nella forma desiderata, essiccato e poi sinterizzato. In effetti, la ceramica tradizionale è fatta con questo tipo di metodo, utilizzando una miscela di plastica lavorata con le mani.

Se in una ceramica viene utilizzata una miscela di materiali diversi, la temperatura di sinterizzazione è talvolta superiore al punto di fusione di un componente minore - una sinterizzazione in fase liquida. Questo si traduce in tempi di sinterizzazione più brevi rispetto alla sinterizzazione allo stato solido.

Altre applicazioni della ceramica

• Alcuni coltelli sono di ceramica. La lama del coltello in ceramica rimarrà affilata per molto più tempo, anche se è più fragile e può essere spezzata facendola cadere su una superficie dura.

• Ceramiche come l'allumina e il carburo di boro sono stati utilizzati nei giubbotti antiproiettile per respingere i proiettili. Materiale simile viene utilizzato per proteggere le cabine di pilotaggio di alcuni aerei militari, a causa del basso peso del materiale.

• Le sfere in ceramica possono essere utilizzate per sostituire l'acciaio nei cuscinetti a sfere. La loro maggiore durezza le fa durare tre volte di più. Inoltre si deformano meno sotto carico, il che significa che hanno meno contatto con le pareti di supporto del cuscinetto e possono rotolare più velocemente. In applicazioni ad altissima velocità, il calore dovuto all'attrito durante il rotolamento può causare problemi per i cuscinetti in metallo; problemi che si riducono con l'uso della ceramica. La ceramica è anche più resistente chimicamente e può essere usata in ambienti umidi dove i cuscinetti in acciaio si arrugginirebbero. Il principale svantaggio dell'uso della ceramica è il costo elevato.

• All'inizio degli anni '80, Toyota ha studiato un motore adiabatico in ceramica che può funzionare ad una temperatura di oltre 6000 °F (3300 °C). I motori ceramici non richiedono un sistema di raffreddamento e quindi consentono una notevole riduzione del peso e quindi una maggiore efficienza del carburante. Anche l'efficienza del carburante del motore più caldo è più alta secondo il teorema di Carnot. In un motore metallico, gran parte dell'energia rilasciata dal carburante deve essere dissipata sotto forma di calore disperso, in modo da non fondere le parti metalliche. Nonostante tutte queste proprietà desiderabili, tali motori non sono in produzione perché la produzione di parti in ceramica con la precisione e la durata richieste è difficile. L'imperfezione della ceramica porta alla formazione di crepe, che possono distruggere il motore, forse per esplosione. La produzione di massa non è fattibile con la tecnologia attuale.

• Le parti in ceramica per motori a turbina a gas possono essere pratiche. Attualmente, anche le pale in leghe metalliche avanzate utilizzate nella sezione a caldo dei motori richiedono un raffreddamento e un'attenta limitazione delle temperature di esercizio. I motori a turbina realizzati con la ceramica potrebbero funzionare in modo più efficiente, offrendo agli aerei una maggiore autonomia e un carico utile maggiore per una quantità di carburante prestabilita.

• La bioceramica comprende gli impianti dentali e le ossa sintetiche. L'idrossiapatite, la componente minerale naturale dell'osso, è stata ricavata sinteticamente da una serie di fonti biologiche e chimiche e può essere trasformata in materiali ceramici. Gli impianti ortopedici realizzati con questi materiali si legano facilmente all'osso e ad altri tessuti del corpo senza rigetto o reazioni infiammatorie. Per questo motivo, sono di grande interesse per il rilascio dei geni e per le impalcature di ingegneria tissutale. La maggior parte delle ceramiche idrossiapatite sono molto porose e mancano di resistenza meccanica e sono utilizzate per rivestire dispositivi ortopedici metallici per aiutare a formare un legame con l'osso o come riempitivi ossei. Sono anche usate come riempitivi per viti di plastica ortopediche per aiutare a ridurre l'infiammazione e ad aumentare l'assorbimento di questi materiali plastici. Si sta lavorando per realizzare materiali ceramici in idrossiapatite nano cristallina, resistenti e completamente densi, per dispositivi ortopedici che sopportano il peso, sostituendo il metallo estraneo e i materiali ortopedici in plastica con un minerale osseo sintetico, ma presente in natura. In definitiva questi materiali ceramici possono essere utilizzati come sostituti ossei o con l'incorporazione di collagene proteico, ossa sintetiche.

• La ceramica ad alta tecnologia viene utilizzata nelle casse degli orologi. Il materiale è apprezzato per la sua leggerezza, la resistenza ai graffi, la durata e la morbidezza al tatto. IWC è uno dei marchi che ha dato il via all'utilizzo della ceramica in orologeria.