Materiali ceramici tradizionali e avanzati: composizione e proprietà

Materiali Ceramici Tradizionali e Avanzati

14 - Materiali ceramici tradizionali e avanzatiMETALLI + NON METALLI

Composizione e Proprietà dei Ceramici

-> COMPOSIZIONE MOLTO VARIA LEGAMI IONICI + LEGAMI COVALENTI SILICATI Si O2 CERAMICI TRADIZIONALI -> MISCELE VARIABILI DI : ARGILLA 1 PROPRIETÀ VFELDSPATI DURIE FRAGILI BASSA TENACITA BASSA DUTTILITÀ 1 1 ALLUMINA Al2O3 CERAMICI AVANZATI -> COMPOSTI PURI SEMPLICI CARBURO DI SILICIO SiC PROPRIETA DI SILICIO Plu DURI PIU TENACI più RESISTENTI ZIRCONIA Zro2 RISPETTO AI TRADIZIONALI

Proprietà Generali dei Ceramici

PROPRIETÀ DEI CERAMICI BUONI ISOLANTI TERMICI ED ELETTRICI ELEVATA TEMPERATURA DI FUSIONE PUNTO DEBOLE: FRAGILITÀ 1 ELEVATA STABILITÀ CHIMICA Si3 14 VITRURO* COMPOSTI CERAMICI SEMPLICI

Carattere Ionico e Covalente nei Ceramici Semplici

Tabella 11.2 Percentuale di carattere ionico e covalente nel legame di alcuni composti ceramici

Composto ceramico	Atomi di legame	Differenza di elettronegatività	% di carattere ionico	% di carattere covalente
Biossido di zirconio, ZrO2	Zr -- 0	2.3	73	27
Ossido di magnesio, MgO	Mg -- O	2.2	69	31
Ossido di alluminio, Al2O3	A1-0	2.0	63	37
Biossido di silicio, SiO2	Si-O	1.7	51	49
Nitruro di silicio, Si3N4	Si-N	1.3	34.5	65.5
Carburo di silicio, SiC	Si-C	0.7	11	89

V+ VARIAZIONE DEL CARATTERE IONICO E COVALENTE NEI CERAMICI SEMPLICI L'ENTITÀ DEL CARATTERE IONICO O COVALENTE NEI CERAMICI SEMPLICI DETERMINA IL TIPO DI STRUTTURA CRISTALLINA E LE PROPRIETA DEL MATERIALE

Struttura dei Silicati (SiO2)

* STRUTTURA DEI SILICATI ( SiO 2 ) - UNITÀ DI BASE SI 0- 50% COVALENTE 50% IONICO TETRAEDRICA 1 DIVERSE UNITÀ SI LEGANO ANGOLO-ANGOLO (O SPIGOLO-SPIGOLO) PER GENERARE STRUTTURE PIÙ COMPLESSE :

• NESOSILICATI TETRAEDRI ISOLATI
• SOROSILICATI > 2 TETRAEDRI UNITI PER 1 VERTICE
• CICLOSILICATI -> STRUTTURE CICLICHE
• INOSILICATI > CATENE LINEARI DI TETRAEDRI
• FILLOSILICATI PIANI PARALLELI DI TETRAEDRI
• TETTOSILICATI > STRUTTURA RETICOLATO TRIDIMENSIONALE

1 SiC> MATERIALI CERAMICI TRADIZIONALI E

Costituenti di Base dei Ceramici Tradizionali

ARGILLA SIO2. Al2 O3.X H2 O ALLUMINOSILICATI IDRATI CONFERISCE LAVORABILITÀ; INDURISCE IN COTTURA COSTITUENTI DI BASE SILICE -> COMPONENTE REFRATTARIO; ELEVATA TEMPERATURA SI O2 DI FUSIONE FELDSPATO DI POTASSIO K 2 O . Al 2 O3 . 6 Si Oz > BASSA TEMPERATURA DI FUSIONE; PRODUCE UNA FASE VETROSA CHE LEGA I COMPONENTI REFRATTARI.

Composizione Chimica delle Argille

Tabella 11.4 Composizione chimica di alcune argille

Tipo di argilla	Al2O3	SiO2	Fe2O3	TiO2	CaO	MgO	Na20	K20	H2O
Caolino	37.4	45.5	1.68	1.30	0.004	0.03	0.011	0.005	13.9
Tenn. ball clay*	30.9	54.0	0.74	1.50	0.14	0.20	0.45	0.72
Ky. ball clay*	32.0	51.7	0.90	1.52	0.21	0.19	0.38	0.89

* Tipi di argilla plastica del Tennessee e del Kentucky. Fonte: Lee, P.W., Ceramics, Reinhold, 1961. LA % DI FeZO: DETERMINA IL COLORE DELL'ARGILLA MATTONI, TUBAZIONI FOGNARIE, ( ARGILLA NATURALE TEGOLE E PIASTRELLE PORCELLANE BIANCHE? COMPOSIZIONE ACCURATAMENTE CONTROLLATAI MATERIALI CERAMICI AVANZATI

Composizione e Impieghi dei Ceramici Avanzati

COMPOSIZIONE OSSIDI, NITRURI E CARBURI PURI O QUASI PURI

• ALLUMINA Al2O3 IMPIEGHI AD ALTA TEMPERATURA: MIGLIORE COMBINAZIONE DI PROPRIETÀ TECNOLOGICHE; · ELEVATA DUREZZA · SOGGETTA A CRICCATURA - CROGIOLI · CANDELE AUTO · APPLICAZIONI ELETTRICHE DI ALTA QUALITÀ
• NITRURO DI SILICIO Sig Ny · ECCELLENTE RESISTENZA ALL'OX AD ALTAT ELEVATA RESISTENZA MECCANICA · FIBRA 01 RINFORZO X METALLI E CERAMICI
• CARBURO DI SILICIO Sic
• ZIRCONIA Zr O2 LAURA STABILIZZATA CON Cao, MgO e /2 03 ALTA TENACITÀ A FRATTURA

Proprietà Meccaniche dei Ceramici

> PROPRIETÀ MECCANICHE DEI CERAMICIE * MATERIALI RELATIVAMENTE FRAGILI * RESISTENZA A TRAZIONE: ESTREMAMENTE VARIABILE A SECONDA DEL MATERIALE * RESISTENZA A COMPRESSIONE! MOLTO SUPERIORE RISPETTO ALLA RESISTENZA A TRAZIONE (DA A 10 VOLTE) * MOLTO DURI * BASSA TENACITÁ_ ESISTONO ALCUNE ECCEZIONI (ARGILLA PLASTICIZZATA) {SONO S SONO STATI PRODOTTI MATERIALI AVANZATI CON TENACITÀ PICE ELEVATA-> MECCANISMI DI DEFORMAZIONE

Meccanismi di Deformazione nei Materiali Ceramici

MATERIALI MONO CRISTALLINI (110)[110] A B B (100)[010] A LO SLITTAMENTO LUNGO QUESTO PIANO PERMETTE LA DEFORMAZIONE : GLI IONI DI CARICA UGUALE NON VENGONO IN CONTATTO LUNGO QUESTO PIANO SI HA FRATTURA: IONI DELLA STESSA CARICA VENGONO IN CONTATTO E SI RESPINGONO MATERIALI POLICRISTALLINO => GRANI AFFIANCATI NEL MATERIALE > SE AVVIENE 10 SCORRIMENTO DEI PIANI ALL'INTERNO DI UN GRANO LA SUA FORMA CAMBIA SI FORMANO CRICCHE AI BORDI DEL GRANO FRATTURA FRAGILE

Influenza di Pori e Difetti sulla Resistenza

* PRESENZA DI PORI NEL MATERIALE 1 -> SONO REGIONI IN CUI 7 SI CONCENTRANO GLI SFORZI. VALORE CRITICO CRICCA ROTTURA -> DIMINUISCONO L'AREA DELLA SEZIONE CHE SOPPORTA IL CARICO > DIMINUISCE LO SFORZO CHE IL MATERIALE PUÒ SOPPORTARE- 5 um* PRESENZA DI DIFETTI UN GRANDE DIFETTO PUÒ ESSERE IL FATTORE DETERMINANTE LA RESISTENZA -> MATERIALI SENZA POROSITÀ: LA GRANDEZZA MECCANICA DI UN PEZZO. S DEI DIFETTI CORRISPONDE, ALIA GRANDEZZA DEI GRANI GRANI PICCOLI GRANI GRANDI MATERIALE Più RESISTENTE MATERIALE MENO RESISTENTE

Zirconia Pura e le Sue Forme Cristalline

* ZIRCONIA PURA Er O2 La ZIRCONIA PURA ESISTE IN 3 FORME CRISTALLINE IN FUNZIONE DELLA TEMPERATURA:

(a) C -C T. FUS. 2680℃< 4 STABILE A T. amb. a -- a Cubic Tetragonal Monoclinic 2377℃ 1205 ℃ (b) (111) (101) (111) (1x1) (2×1) (2x2) 359 1 362 733 60.3º 724 . 362 (=2 × 362) [101] 678 745 61.8º L'OSSIDO DI ZIRCONIO FONDE A 2.680°℃. RAFFREDDANDO IL MATERIALE FUSO, SI OTTIENE UN SOLIDO CON STRUTTURA CUBICA. L'ULTERIORE DIMINUZIONE DI TEMPERATURA PROVOCA IL PASSAGGIO DALLA FASE CUBICA A QUELLA TETRAGONALE E POI MONOCLINA A T. amb.Quest'ultima transiZIONE COMPORTA UN AUMENTO DI VOLUME NOTEVOLE (ca. 9%); DI CONSEGUENZA, È IMPOSSIBILE PRODURRE ARTICOLI DI ZIRCONIA PURA POICHÉ 12 RAFFREDDAMENTO CAUSA LA FORMAZIONE DI CRICCHE CHE CAUSANO LA ROTTURA DEL PEZZO. CIÓ PUÒ ESSERE EVITATO IMPEDENDO IL PASSAGGIO DALLA FASE TETRAGONALE ALLA FASE MONOCLINA.

Zirconia Completamente Stabilizzata (YSZ)

* ZIRCONIA COMPLETAMENTE STABILIZZATA TETRAGONAL ZIRCONIA Poly crystall (TEP) L'aggiunta del 10% ca. y3+ DI ALTRI OSSIDI REFRATTARI Zr++ COME CoO, MIO e /2 O3 02 Oxygen ZrO2 Y203 vacancy PERMETTE LA STABILIZZA- ZIONE DELLA STRUTTURA DELLA ZIRCONIA GRAZIE ALLA PRESENZA DI YSZ (Yttria-Stabilised Zirconia) Cubic Fluorite Structure STRUTTURE CUBICHE ZuO2 - Altro ossiDo CHE IMPEDISCONO LA TRASFORMAZIONE TETRAGONALE - RONOCLINA DELLA ZIRCONIA CHE ESISTERÀ IN UNO STATO METASTABILE A T. amb. POSSONO QUINDI ESSERE PRODOTTI ARTICOLI STABILI A T. AMB.

Zirconia Parzialmente Stabilizzata (PSZ)

* ZIRCONIA PARZIALMENTE STABILIZZATA [PSZ] L'AUMENTO DI VOLUME CAUSATO DALLA trasformazione di Fase TETRAGONALE - MONOCLINA PUÒ ESSERE UTILMENTE SFRUTTATO PER AUMENTARE LA TENACITÀ DELLA ZIRCONIA A T. amb. A TALE SCOPO SI AGGIUNGE IL 9% di MgO alla ZIRCONIA E SI SINTERIZZA LA MISCELA A 1800°C. UN RAPIDO RAFFREDDAMENTO A T. amb. PRODUCE UNA STRUTTURA CUBICA COMPLETAMENTE METASTABILE.

3000 Liquído 2500 Soluzione solida cubica + liquido Temperatura, ℃ Soluzione solida cubica Soluzione 2000 solida cubica + soluzione solida tetragonale Soluzione solida cubica + MgO Soluzione solida ! tetragonale 1500 1400 Soluzione solida tetragonale + MgO 1240 iZrO2 monoclina + MgO ! 1000 0 10 i 20 30 100% ZrO2 8.1 11.3 Percentuale molare di MgO (a) Diagramma di stato binario ZrO2-MgO dal lato zirconia. L'area ombreggiata rappresenta la regione utilizzata per combinare MgO con ZrO2 per produrre la zirconia parzialmente stabilizzata. IL SUCCESSIVO RISCALDAMENTO E MANTENIMENTO A 1400℃ PER UN TEMPO SUFFICIENTE PROVOCA LA TRASFORMAZIONE DELLA FASE IN UN PRECIPITATO STEROIDALE SUBMICROSCOPICO METASTABILE DI STRUTTURA TETRAGONALE :

100 nm (b) (b) Micrografia eseguita al microscopio a trasmissione elettronica di una zirconia parzialmente stabilizzata ZrO2-MgO invecchiata nelle condizioni ottimali, che mostra un precipitato sferoidale schiacciato ai poli avente struttura tetragonale. Applicando uno sforzo sufficiente, queste particelle si trasformano nella fase monoclina con una espansione volumetrica. 1CIÒ SIGNIFICA CHE LO SFORZO CHE CAUSA UNA CRICCA NEL MATERIALE CAUSA CONTEMPORANEAMENTE L'ESPANSIONE DEL PRECIPITATO, CON UNA SORTA DI MECCANISMO AUTOMATICO DI CHIUSURA DELLA CRICCA:

S Matrice Precipitato tetragonale Precipitato monoclino intorno alla cricca 1 S (c) (c) Diagramma schematico che mostra la trasformazione del precipitato tetragonale nella fase monoclina attorno a una cricca in un campione ceramico di zirconia parzialmente stabilizzata con il 9% in moli di MgO. OSTACOLANDO L'AVANZAMENTO DELLA CRICCA, IL MATERIALE VIENE "TENACIZZATO". LA ZIRCONIA PARZIALMENTE STABILIZZATA HA UNA TENACITÀ" ALLA FRATTURA E UNA RESISTENZA A FLESSIONE MOLTO ELEVATE RISPETTO AD ALTRI CERAMICI AVANZATI:

Proprietà Meccaniche dei Ceramici Avanzati

Tabella 11.7 Proprietà meccaniche di alcuni materiali ceramici avanzati

Materiale	Densità g/cm3	Resistenza a compressione MPa	Resistenza a trazione MPa	Resistenza a flessione MPa	Tenacità a frattura MPav m
Al2O3 (99%)	3.85	2585	207	345	4
Si3N4 (pressato a caldo)	3.19	3450		690	6.6
Si3N4 (dopo "reaction bonding")	2.8		770	255	3.6
SiC (sinterizzato)	3.1	3860	170	550	4
ZrO2, 9% MgO (parzialmente stabilizzata)	5.5	1860	...	690	8+
...	...	...	...	...	...

Rottura a Fatica nei Ceramici

* ROTTURA A FATICA A CAUSA DEI LEGAMI IONICO- COVALENTI TRA GLI ATOMI DEI CERAMICI, DURANTE GLI SFORZI CICLICI NON SI HA DE FORMAZIONE E INCRUDIMENTO DEL MATERIALE, COSÌ COME ACCADE PER I METALLI. LA ROTTURA A FATICA DEI CERAMICI E QUINDI RARA, MA PUÒ AVVENIRE A CAUSA DI RIPETUTI CICLI COMPRESSIONE - DECOMPRESSIONE.

Materiali Ceramici Abrasivi

Caratteristiche e Utilizzo degli Abrasivi Ceramici

-> MATERIALI CERAMICI ABRASIVI DEI CERAMICI ELEVATA DUREZZA EZZA ] = > MATERIALI ABRASIVI PER TAGLIO E LEVIGATURA DI MATERIALI MENO DURI LE SINGOLE PARTICELLE DI MATERIALE CERAMICO DEVONO AVERE SPIGOLI TAGLIENTI LE PARTICELLE VENGONO FISSATE AL SUPPORTO TRAMITE RESINE O GOMME; IL PRODOTTO FINITO DEVE AVERE UN CERTO GRADO DI POROSITÀ PER GARANTIRE LA DISPERSIONE DEL CALORE IN FASE DI UTILIZZO. supporto resina di base resina di rinforzo grano abrasivo

Tipi di Ceramici Abrasivi

EMATITE MAGNETITE SMERIGLIO Al2 O3 Fez O3 Fez 04 Silicati VARI QUARZO silice SiO2 CERAMICI ABRASIVI > POMICE SILICATO DI Na, Ke Al NATURALI CORINDONE Al2O3

Ceramici Abrasivi Sintetici

CERAMICI ABRASIVI SINTETICI * AlLUMINA Al2O3 (CORINDONE SINTETICO) Si ottiene PER FUSIONE AD ALTA TEMPERATURA DELLA BAUXITE (IDROSSIDO DI ALLUMINIO VARIAMENTE IDRATO). CERAMICO PARTICOLARMENTE RESISTENTE AGLI URTI E ALL'USURA.

Allumina-Zirconio

* ALLUMINA - ZIRCONIO SI OTTIENE PER FUSIONE AD ALTISSIMA TEMPERATURA (> 3.000°C) DI AL2O3 MISCELATO CON IL 25% 0 40% DI ErOz . SI OTTIENE MIGLIORE TENACITA, RESISTENZA MECCANICA DUREZZA E AFFILATURA DEL SOLO Al2 O3.

Nitruro di Boro Cubico (CBN)

* NITRURO DI BORO BN a struttura cubicA (CBN) E IL 2° MATERIALE PIÙ DURO CONOSCIUTO DOPO IL DIAMANTE. MENTRE IL DIAMANTE SI DE COMPONE IN ARIA A 800°C, IL CBN È STABILE FINO A ~1400℃; CIÒ LO RENDE PREFERIBILE AL DIAMANTE; MOLTO UTILIZZATO PER UTENSILI DA TAGLIO E COME ABRASIVO_ È L'UNICO MATERIALE CHE PUÒ TAGLIARE IL DIAMANTE (OLTRE AL DIAMANTE STESSO - VENGONO DEFINITI SUPER ABRASIVI-

Carburo di Boro (B4C)

* CARBURO DI BORO B.C 4 3° ABRASIVO PER DUREZZA DOPO IL DIAMANTE. PRESENTA GRANDE INERZIA CHIMICA CON RESISTENZA MOLTO ALTA ALLA CORROSIONE E UN'ELEVATA RESISTENZA ALLA COMPRESSIONE. SI USA DA SOLO O IN MISCELA CON SiC COME ABRASIVO NELLA FINITURA DI VETRI E NELLA PULIZIA DI PIETRE DURE O PAVIMENTI IN GROS_ LE POLVERI SONO UTILIZZATE ANCHE PER IL TAGLIO DI ZAFFIRI. VIENE USATO PER BARRE DI REGOLAZIONE NELLE CENTRALI NUCLEARI-