Materiali ceramici PDF

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Appunti presi a lezione integrati con libro...

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MATERIALI CERAMICI metallici Solidi inorganici e non met allici (sono compresi materiali che non corrispondono con tutte le proprietà: diamante e grafite costituiti da carbonio ma non sono polimeri) Costituiti da ossidi metallici e hanno una struttura cristallina (eccezione: non ossidi ma carburi, nitruri, solfuri di elementi metallici + alcuni materiali hanno una struttura cristallino-vetrosa) Scarsi conduttori termici ed elettrici = ottimi isolanti (eccezione: diamante è un ottimo conduttore termico + superconduttori che sono isolanti a temperatura ambiente ma perdono qualsiasi resistenza a temperature prossime allo 0 assoluto) Comportamento resistente a compressione (non a trazione) ma fragile ed elastico (basso valore di tenacità a frattura): non subiscono deformazione plastica (è possibile modulare la struttura di alcuni materiali e ridurne la fragilità (esempio: zirconia etc) Densità: 2 e 2,5 g/cm3 (tradizionali) Generalmente opachi (alcune porcellane traslucide) Composizione e struttura Caratterizzati da legami covalenti o ionici non metallici quindi ottimi isolanti (eccetto grafite: costituita da lamelle unite fra loro da legami metallici; è possibile far scorrere queste lamelle e lasciare traccia con la matita o lubrificante solido) Materiali ceramici TRADIZIONALI (fanno parte della storia dell’uomo). In natura si possono trovare queste tre voci sommate o singolarmente, di solito è presente la silice.

Tre materie prime che concorrono a definire la composizione di un materiale ceramico

Argille (caolino): rende il materiale plastico (prima che si abbia cottura) e permette la lavorabilità grazie anche all’aggiunta di acqua. Più acqua si aggiunge, più il materiale è deformabile (dato che le lamelle di argilla possono scorrere più liberamente), ma più si ritirerà dopo l’essiccazione. Silice: SiO2: refrattarietà e resistenza meccanica (mantiene la forma durante la lavorazione e dopo la cottura) ma Tm elevata Feldspati: Tm bassa (permette di cuocere questi materiali a temperature relativamente

basse) Oltre a queste voci, un materiale ceramico estratto come minerale può contenere anche delle impurezze (esempio: ossidi di ferro responsabili del colore rossastro dei mattoni). Per ottenere un particolare colore (come bianco whiteware) si parte da un’argilla pura (caolino) e modularne la colorazione. Processo produttivo materiali ceramici: 1. 2. 3. 4.

Estrazione minerale Riduzione in polveri Aggiunta di acqua per ottenere un impasto da lavorare Formatura (a seconda dell’oggetto che si vuole ottenere): a. Pressatura (esempio: piastrelle e stoviglie): impasto poco fluido (5-7%): simile allo stampaggio b. Estrusione (piastrelle e laterizi): quantità di acque più elevata (15-20%). Esempio: mattoni (il cui colore si sviluppa nella fase di cottura c. Colata a impasto umido (sanitari): molta acqua (35-40%): processo proprio dei materiali ceramici. Miscela Barbottina (impasto estremamente fluido) stampo poroso

Barbottina: impasto molto fluido di particelle ceramiche (argilla silicio e feldspati) viene versato in un materiale estremamente poroso, per effetto capillare l’argilla perde acqua e andrà a formarsi uno strato di argilla dura sullo stampo (con al suo interno un ridotto quantitativo di acqua) che andrà ad acquistare spessore tanto più sarà il tempo di contatto dello stampo con la barbottina. Infine, viene rimossa la barbottina in eccesso e viene aperto lo stampo. 5.

Essiccamento (per rimuovere l’acqua in eccesso)

6.

7.

Cottura o vetrificazione (trattamento termico durante il quale avvengono delle reazioni chimiche con la formazione di una fase vetrosa): (900-1000 per laterizi e 1250-1450 porcellane): a seconda del processo di cottura si modula anche la porosità (< temperatura = minore massa fusa e quindi elevata porosità = più vuoti e caratteristiche meccaniche). Esempi: profumatori con materiale poroso. La cottura è imprescindibile. Trattamenti di finitura superficiale (decorazione e modulazione delle proprietà): - Piastrelle vengono rese impermeabili con vetrine o smalti sulla superficie e cotte una seconda volta (bicottura) facendo attenzione a non compromettere le caratteristiche meccaniche: in genere nella seconda cottura si porta il materiale ad una temperatura più bassa della prima. - Esiste anche la monocottura ma viene utilizzata più raramente (in quanto la temperatura di cottura dei due strati deve essere uguale)

Esempi: -

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Whiteware: ceramiche bianche (porcellana, sanitari, stoviglie molto vetrose e lucide, basso assorbimento di acqua, isolanti elettrici, resistenti e tenaci Prodotti a base di argilla (mattoni, tegole e tubi di scarico) [in genere vengono cotte particelle maggiori a temperatura relativamente bassa. Se cotte a temperature troppo basse risultano più porose (quindi resistono di meno al gelo e alla compressione) ma se la T è troppo alta si forma troppa fase vetrosa e il materiale risulta essere troppo fragile. Condizione ottimale: pochi pori ed elevato contenuto di vetro] materiali refrattari (resistono alle alte temperature dal punto di vista chimico e meccanico Tm elevata. Inoltre resistono bene a contatto con l’atmosfera: non possono ossidarsi essendo già ossidi. Tuttavia, sono molto fragili abrasivi: usati per lavorare altri materiali estremamente duri come il diamante. Si incollano le polveri abrasive insieme con dei leganti e si formano degli utensili per ottenere una massima lucentezza e superfici ultralisce, oppure vengono disperse in fluidi (esempio sabbiatura e lappatura) cemento

MATERIALI CERAMICI AVANZATI Hanno proprietà meccaniche avanzate rispetto ai materiali ceramici tradizionali. Definizione: VAMAS nel 93 inorganico, nonmetallico principalmente cristallino (mentre per le applicazioni tradizionali è inutile controllare la cristallinità e le irregolarità), di composizione rigorosamente controllata, prodotto secondo specifiche regole e partendo da materie prime purificate. Esempi: dvd, batterie Produzione e cottura: avviene per sinterizzazione (polveri vengono sottoposte a pressione e aumento della temperatura) in camere sterili il legame li rende termochimicamente inerti. È possibile tenacizzare un materiale ceramico aggiungendo delle fibre nella matrice oppure utilizzando una matrice che possa dar luogo a delle trasformazioni di fase Dal punto di vista strutturale, presentano proprietà meccaniche superiori ai tradizionali (infatti hanno un alto valore aggiunto). Vengono utilizzati in condizioni impegnative (ambienti corrosivi, taglio preciso del coltello). Esempi: coltello,

sfera della penna bic (materiale della sfera determina la precisione del tratto nelle penne pregiate la sfera deve durare per diverse ricariche di inchiostro). Anche componenti protesiche (alta resistenza meccanica). Allumina e zirconia (a seconda delle specie aggiunte è possibile cambiare il comportamento di questi materiali) Elettroceramici (alla base di condensatori e circuiti integrati, dispositivi di memoria) (conducibilità ionica) e proprietà ottiche specifiche: -

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hanno proprietà magnetiche

Sensoristica: capacità di tradurre un segnale chimico in un segnale elettrico) sensore ossigeno del motore di zirconia (misura il rapporto di combustione nel motore delle macchine, costituito da un tubetto a contatto con i gas che escono dal motore che traduce una differenza di ossigeno in una differenza di potenziale). Batterie ricaricabili: traducono l’energia chimica in lavoro elettrico. Materiale per casse (dove viene letto il codice a barre) deve essere resistente e trasparente: ALLUMINA

Ceramici ottici: possono essere resi trasparenti come allumina: materiale bianco opaco (in natura si trova sottoforma di allumina + silice e viene purificata) a cui vengono aggiunte piccolissime particelle di magnesia ottenendo un materiale simile al vetro ma più resistente alle alte temperature)

Lampade a vapori di sodio per l’illuminazione pubblica: la scarica di questi vapori avviene a 1200° I ceramici avanzati vengono usati anche sottoforma di pigmenti per ottenere la colorazione rossa a basso costo (in passato era una delle più pregiate insieme all’oro, in quanto veniva ottenuta aggiungendo particelle di oro)....