Appunti presi a lezione di Materiali ceramici e vetri

2025

Quaderno di materiali

ceramici e vetro

ARGOMENTI TRATTATI A LEZIONE

GABRIELE RECORDI

1 Materiali ceramici: introduzione

1 Classificazione dei materiali

Introduzione:

la scienza dei materiali classica suddivide i materiali in 5 categorie:

• metalli;

• polimeri;

• ceramiche;

• semiconduttori;

• compositi.

I primi tre si basano principalmente sulla natura del legame, il quattro sulla conducibilità dei materiali e l'ultimo sulla struttura dei

materiali stessi.

Metalli:

i metalli sono costituiti da cationi legati tramite elettroni delocalizzati che:

• riducono la repulsione tra i nuclei ionici;

• conferiscono conduttività elettrica;

• conferiscono conduttività termica.

È a causa del loro legame che molti metalli hanno strutture compatte e si deformano plasticamente a temperatura ambiente. La

classe dei metalli include anche le leghe, ovvero combinazioni di elementi metallici o elementi metallici e non metallici come, per

esempio, l'acciaio che è una lega costituita principalmente da ferro e carbonio. Alcuni acciai commerciali contengono però dei

materiali che possono essere considerati delle ceramiche:

• Fe C),

carburi (esempio: aumentano durezza e resistenza all'usura, ma riducono la tenacità;

!

• TiN),

nitruri (esempio: migliorano resistenza all'usura e alla corrosione;

• Al

ossidi (esempio: ), possono formare strati protettivi contro l'ossidazione e la corrosione.

" !

Polimeri:

i polimeri sono macromolecole formate da molte unità molecolari (monomeri) legate assieme da legami covalenti. La maggior parte

dei polimeri sono composti organici a base di carbonio, idrogeno e altri non metalli come zolfo e cloro. La reticolazione delle catene

è la chiave del processo di vulcanizzazione che ha trasformato la gomma da materiale inutile a versatile.

Ceramiche:

le ceramiche sono solitamente associate a legami misti, una combinazione di covalenti, ionici e talvolta metallici. Sono costituite da

C, N

schiere di atomi interconnessi e per questo motivo non ci sono molecole discrete (unità singole). Molto spesso sono composti di

O

e con elementi meno elettronegativi come metalli e semimetalli:

$

•

carburi ;

$

•

ossidi ;

$

•

nitruri .

Tuttavia, spesso classifichiamo anche diamante e grafite come ceramica. Queste forme di carbonio sono inorganiche nel significato

più basilare del termine ossia non sono state preparate da un organismo vivente.

Semiconduttori:

i semiconduttori costituiscono l'unica classe di metalli materiali nell'elenco precedente basata su una proprietà. Sono solitamente

definiti come aventi conduttività elettrica tra quella di un buon conduttore e un isolante. La conduttività dipende fortemente dalla

presenza di piccole quantità di impurità che è solitamente la chiave per realizzare i circuiti integrati. I semiconduttori con gap a banda

3eV), SiC BN,

larga (> come il carburo di silicio e il nitruro di boro stanno diventando sempre più importanti per l'elettronica ad alta

temperatura. Agli albori della tecnologia dei semiconduttori, tali metalli sarebbero stati considerati isolanti.

Compositi:

i compositi sono combinazioni di più di un materiale o di una fase. La ceramica è usata in molti composti spesso come materiale di

rinforzo. Ad esempio, uno dei motivi per cui un bombardiere stealth B2 è invisibile è che contiene oltre 22 t di un composto carbonioso

epossidico, in grado di assorbire le onde elettromagnetiche usate dai radar. In alcuni composti la ceramica agisce come matrice,

composti a matrice ceramica CMC. Un primo esempio di CMC risalente a oltre 9000 anni fa è il mattone. Questi erano spesso

costituiti da un corpo di argilla cotta rinforzato con paglia.

2 Definizioni di ceramica

Prima definizione di ceramica:

la definizione più ampiamente accettata di ceramica è data da Kingery (scienziato dei materiali) nel 1976: “una ceramica è un solido

inorganico non metallico”. Un materiale cessa di essere una ceramica quando viene:

• fuso o decomposto (dipende dal tipo di ceramica), perdendo la proprietà di solido;

Quaderno di Materiali Ceramici e Vetro 1 Gabriele Recordi

• raffreddato, diventa un superconduttore. Tutti i superconduttori ad alta temperatura, ossia quelli che perdono ogni

resistenza elettrica alle temperature dell'azoto liquido, sono quindi ceramici.

Il vetro è un caso particolare. Il vetro soddisfa la definizione standard di solido (ha una forma definita) anche se è un liquido super-

raffreddato. Questa proprietà diventa evidente alle alte temperature quando subisce una deformazione viscosa. Potremmo

cristallizzare parzialmente alcuni vetri per produrre vetroceramica questo processo è detto ceramming. La differenza fondamentale

tra vetro e ceramica è che:

• vetro, amorfo;

• ceramica, cristallina.

Seconda definizione di ceramica:

il termine ceramica deriva dal greco keramos ("argilla del vasaio") e ha origine dal sanscrito con il significato di "bruciare". I greci

usavano keramos per descrivere prodotti ottenuti riscaldando materiali argillosi. Tradizionalmente, il termine include prodotti come

mattoni, refrattari, sanitari e stoviglie. Nel XIX secolo, furono prodotti per la prima volta materiali refrattari a base di silice, che, pur

non contenendo argilla, erano realizzati con il classico processo ceramico: modellatura, essiccatura e cottura. Di conseguenza, il

concetto di ceramica si è esteso oltre i materiali argillosi, includendo tutti i prodotti ottenuti con gli stessi metodi di lavorazione. Una

definizione più ampia della ceramica è: "l'arte e la scienza di realizzare e utilizzare manufatti solidi che contengono come componente

essenziale una ceramica." In altre parole, una ceramica è:

• un prodotto ottenuto da materie prime inorganiche non metalliche;

• forgiato a freddo;

• consolidato con il calore. 3 Proprietà generali della ceramica

Introduzione:

la ceramica generalmente ha proprietà specifiche ad essa associate, sebbene, come abbiamo appena notato, questo può essere un

approccio fuorviante alla definizione di una classe di materiale. Questa generalmente prevede:

• fragilità;

• scarsa conduzione elettrica e termica;

• resistenza alla compressione;

• resistenza chimica;

• trasparenza.

Fragilità:

per fragilità si intende la capacità di un materiale di frantumarsi non appena si è superata la sua resistenza meccanica (con assenza

di deformazioni plastiche). Il motivo per cui la maggior parte delle ceramiche è fragile è il legame ionico-covalente misto che tiene

insieme gli atomi costituenti. A temperature elevate (superiori alla temperatura di transizione vetrosa), il vetro non si comporta più in

modo fragile, si comporta come un liquido viscoso. Ecco perché è facile trasformare il vetro in forme complesse. Quello che possiamo

dire, quindi, è che la maggior parte delle ceramiche è fragile a temperatura ambiente, ma non necessariamente a temperature elevate.

Scarsa conduzione elettrica e termica:

i materiali ceramici presentano: Scarsa conduzione elettrica e termica

• scarsa conduzione elettrica, questo perché gli elettroni di valenza sono impegnati nei legami e non sono liberi come lo

Scarsa conduzione elettrica e termica

Quindi, a differenza di quanto siamo portaA a pensare, sulla base della nostra comune

sono nei metalli; esperienza, la ceramica può anche avere un'elevata conduTvità ele8rica.

• Quindi, a differenza di quanto siamo portaA a pensare, sulla base della nostra comune

scarsa conduzione termica, questo perché le ceramiche hanno legami misti, sono dispersioni solide e presentano molti

esperienza, la ceramica può anche avere un'elevata conduTvità ele8rica.

Ecco due esempi, più standard del caso del carbonio, che «minano» le nostre certezze

difetti e porosità che scoraggiano la conduzione termica. quando si parla di ceramica:

Ecco due esempi, più standard del caso del carbonio, che «minano» le nostre certezze

quando si parla di ceramica:

1. L'ossido ceramico triossido di renio (ReO ) ha una conducibilità eleirica a

3

Queste due proprietà non sono assolute e possono essere modificate cambiando la struttura delle ceramiche attraverso dei drogaggi

temperatura ambiente simile a quella del Cu.

1. L'ossido ceramico triossido di renio (ReO ) ha una conducibilità eleirica a

3

oppure affidandoci a casi particolari come il diamante (conducibilità termica maggiore di qualsiasi altro materiale). Ecco due esempi

temperatura ambiente simile a quella del Cu.

2. L'ossido misto YBa Cu O è un superconduiore ad alta temperatura; ha resisAvità

2 3 7

di materiali ceramici conduttori: zero a 92 K.

2. L'ossido misto YBa Cu O è un superconduiore ad alta temperatura; ha resisAvità

2 3 7

zero a 92 K.

• ReO

l'ossido ceramico triossido di renio ha una conducibilità

! Triossido di renio

Triossido di renio

elettrica a temperatura ambiente simile a quella del rame;

• YBa Cu O

l’ossido misto (noto comunemente come YBCO) è

" ! ' YBa Cu O

un superconduttore ad alta temperatura, ha resistività zero a YBa Cu O 2 3 7

2 3 7

92 K.

Resistenza alla compressione:

la ceramica è più forte in compressione che in tensione, mentre i metalli hanno resistenze a trazione e compressione comparabili.

Questa differenza è importante quando utilizziamo componenti in ceramica per applicazioni portanti. È necessario considerare le

distribuzioni delle tensioni nella ceramica per assicurarsi che siano compressive. Un esempio importante è nella progettazione di

ponti in calcestruzzo, dove il calcestruzzo, che è un CMC, deve essere mantenuto in compressione. Le ceramiche hanno

generalmente un basso grado di tenacità, sebbene la loro combinazione nei composti possa migliorare notevolmente questa

proprietà. La tenacità è la capacità di assorbire energia e di deformarsi plasticamente prima della rottura.

Resistenza chimica:

un gran numero di ceramiche è stabile sia in ambienti chimici che termici aggressivi. Il vetro Pyrex, per esempio, è ampiamente

utilizzato nei laboratori di chimica in particolare perché è resistente a molti prodotti chimici corrosivi, stabile alle alte temperature (non

si ammorbidisce fino a 1.100 K) e resistente agli shock termici grazie al suo basso coefficiente di dilatazione termica. È anche

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ampiamente usato per la produzione di vetri ad uso culinario. Il coefficiente di dilatazione termica descrive come le dimensioni di

un oggetto cambiano al variare della temperatura.

4 Materiali ceramici tradizionali ed avanzati

Introduzione:

dal momento che sotto la definizione di ceramica rientrano molti materiali, anche le loro applicazioni sono varie (mattoni, piastrelle,

componenti elettronici e magnetici). Le funzioni dei prodotti ceramici dipendono dalla loro composizione chimica e microstruttura, che

ne determina le proprietà. La relazione tra struttura e proprietà è un elemento chiave della scienza e dell’ingegneria dei materiali.

Materiali ceramici tradizionali ed avanzati:

• ceramiche tradizionali includono oggetti come mattoni e piastrelle, scodelle e ceramiche (nel senso più comune del

termine). Ad oggi il loro costo è ridotto e vengono comunque utilizzate tecniche avanzate per la loro produzione. Sono in

produzione da 25.000 anni;

• ceramiche avanzate (dette anche tecniche, speciali o ingegneristiche) sono materiali più recenti, come, ad esempio,

ceramiche piezoelettriche e ceramiche per memorie dinamiche ad accesso casuale (DRAM). Tali materiali sono spesso

prodotti in piccole quantità a prezzi più elevati. Sono in produzione da 100 anni.

Mercato delle ceramiche:

la ceramica è un’industria multimiliardaria. Le vendite mondiali sono di circa 100 miliardi di dollari l’anno, con maggiore compratore

il mercato USA con circa 35 miliardi. Finanziariamente, tuttavia, il mercato della ceramica è chiaramente dominato dal vetro, la cui

principale applicazione sono le finestre. La domanda mondiale di vetro piano è di circa 400 milioni di metri quadrati, per un valore di

oltre 40 miliardi di dollari. Le ceramiche avanzate costituiscono il secondo settore più grande dell’industria. Più della metà di questo

settore è costituito da ceramiche elettriche ed elettroniche e contenitori in ceramica. I superconduttori ceramici ad alta temperatura,

che rientrerebbero nella categoria delle ceramiche avanzate, non sono attualmente un’area di mercato importante. Costituiscono

meno dell’1% del mercato delle ceramiche avanzate. È stata prevista una crescita significativa a causa del loro maggiore utilizzo nei

filtri a microonde e nei risonatori con particolare applicazione nei telefoni cellulari. Alcuni esempi sono:

• ceramica strutturale, include componenti resistenti all’usura come stampi, ugelli e cuscinetti;

• bioceramica (es. impianti in ceramica e vetroceramica e corone dentali) rappresenta circa il 20% di questo mercato. Le

corone dentali sono realizzate in porcellana e ogni anno negli Stati Uniti ne vengono prodotte oltre 30 milioni;

• smalto porcellanato è il rivestimento ceramico applicato a molti elettrodomestici in acciaio come stufe da cucina, lavatrici

e asciugatrici. Gli smalti porcellanati hanno applicazioni molto più ampie come rivestimenti interni ed esterni negli edifici, ad

esempio nelle stazioni della metropolitana. A causa di queste applicazioni diffuse, forse non sorprende che l’industria della

smaltatura della porcellana rappresenti più di 3 miliardi di dollari all’anno.

5 Tipologie di materiali ceramici tradizionali Argilla cotta

I primi campioni di argilla cotta: I campioni più anAchi di argilla co8a comprendono più

i campioni più antichi di argilla cotta comprendono più di 10.000 frammenti di statuette trovate nel 1920

di 10.000 frammenA di statueie trovaA nel 1920 vicino Le prime ceramiche

a Vestonice, nella Repubblica Ceca. Rappresentano lupi,

cavalli, volpi, uccelli, gaR, orsi e donne.

vicino a Vestonice, nella Repubblica Ceca. Rappresentano lupi, cavalli, volpi, uccelli, gatti, orsi e donne.

Fra quesA manufaR è presente una statueia di una

donna, alta circa 10 cm, che è stata datata fino al

Fra questi manufatti è presente una statuetta di una donna, alta circa 10 cm, che è stata datata fino al 23.000

Le prime testimonianze archeologiche della produzione di ceramiche risalgono al

23.000 a.C. Uno dei più recenA ritrovamenA

archeologici è stato faio nelle groie di Tuc d'Audobert

10.000 a.C. circa e alla scoperta di frammenti di una grotta nei pressi di Nagasaki, in

in Francia, dove sono staA trovaA bisonA di argilla

a.C. Uno dei più recenti ritrovamenti archeologici è stato fatto nelle grotte di Tuc d’Audobert in Francia, dove

splendidamente conservaA che si sAma abbiano 12.000

Giappone. Questo tipo di ceramica è chiamata ceramica Jomon a causa dei

anni. caratteristici motivi superficiali, realizzati con una corda attorcigliata. Jomon significa

sono stati trovati bisonti di argilla splendidamente conservati che si stima abbiano 12.000 anni. "modello di cordone". La ceramica presentava motivi realizzati con bastoncini, ossa o

unghie. Questi vasi, come quelli prodotti nel Vicino Oriente circa 10.000 anni fa,

venivano cotti a bassa temperatura rispetto alla moderna produzione di ceramica.

I primi campioni di ceramiche:

le prime testimonianze archeologiche della produzione di ceramiche risalgono al 10.000 a.C. circa e alla

scoperta di frammenti di una grotta nei pressi di Nagasaki, in Giappone. Questo tipo di ceramica è chiamata

ceramica Jomon a causa dei caratteristici motivi superficiali, realizzati con una corda attorcigliata. Jomon

significa “modello di cordone”. La ceramica presentava motivi realizzati con bastoncini, ossa o unghie.

Questi vasi, come quelli prodotti nel vicino Oriente circa 10.000 anni fa, venivano cotti a bassa temperatura

rispetto alla moderna produzione di ceramica.

Componenti delle ceramiche tradizionali:

nelle ceramiche tradizionali abbiamo solitamente i seguenti componenti:

• materia prima, ovvero l’argilla, cioè un composto a base di silicati di alluminio idrati. È un legante ed è un materiale che

dona plasticità alla miscela (capacità di deformazione persa durante il raffreddamento);

• dimagranti, costituiscono la tessitura del prodotto (particelle solide distinte). Non hanno potere legante ma migliorano le

caratteristiche chimico-fisiche del materiale, un esempio sono i frammenti di roccia vulcanica;

• fondenti, abbassano la temperatura di fusione del composto facilitandone il trattamento termico. Degli esempi sono i

feldspati e il calcare;

• impurezze, sono sostanze di vario tipo, che sono responsabili del colore e di altre proprietà particolari.

Silicati e loro classificazione:

i silicati sono composti dell’ossigeno e del silicio compongono la maggior parte della crosta terrestre, presenza dovuta a due

principali motivazioni:

• Si O,

abbondanza di e cosa che li rende poco costosi e ampiamente diffusi in tutto il mondo;

• Si − O.

elevata resistenza del legame

Quaderno di Materiali Ceramici e Vetro 3 Gabriele Recordi

gruppi

dei sing

Rappor

Nelle slide seguenti sono riportate alcune informazioni generali sui silicati, utili a

classificazione una

comprendere la natura di alcuni dei composti impiegati per la produzione di materiali

da

creano

ceramici. Costituiti

che

Per questo costituiscono la spina dorsale dei prodotti tradizio