Appunti Materiali ceramici

Appunti materiali ceramici

Indice

• 3.1. Definizione
• 1. I materiali ceramici
• 3.2 Fenomeno della frattura
• 1.1. Definizione
• 3.3. Distribuzione granulometrica di un materiale in polvere
• 1.2. Mercato
• 1.3. Tipi di ceramici
• 3.3.1. Definizione
• 3.4. Processo di misura
• 1.4. Ciclo di produzione
• 3.5. Campionamento
• 1.5. Principale proprietà meccaniche
• 3.5.1. Fenomeni di segregazione
• 1.5.1. La fragilità
• 3.5.2. Campionatura
• 1.5.2. Durezza superficiale
• 3.5.3. Metodi di campionamento
• 1.5.3. Porosità
• 3.5.4. Trattamento del campione
• 1.5.4. Bassa conducibilità termica ed elettrica
• 3.5.5. Curva cumulativa
• 2. Materie prime per la ceramica
• 3.5.6. Curva di frequenza
• 2.1. Gli elementi
• 3.6. Distribuzione granulometriche
• 2.2. Definizione
• 3.6.1. Setacci
• 2.3. I silicati
• 3.6.2. Laser
• 2.4. Le Argille
• 3.6.3. Microscopia ed analisi d’immagine
• 2.4.1. Gruppo della Caolinite
• 3.6.4. Metodi di sedimentazione
• 2.4.2. Gruppo della Illite
• 3.6.5. Metodo Coulter
• 2.4.3. Gruppo delle Cloriti
• 3.7. Produzione: Macinazione
• 2.4.4. Gruppo delle Smectiti
• 3.7.1 Rapporto di riduzione
• 2.5. Argille ceramiche
• 3.7.2. Legge di Rittinger
• 2.5.1. Argille Caolinitiche
• 3.7.3. Modello di Kick
• 2.5.2. Argille Quarzifere
• 3.7.4. Modello di Bond
• 2.5.3. Argille Refrattarie fire clays
• 3.7.5. Criterio per le leggi
• 2.5.4. Argille Calcaree
• 3.7.6. Macinazione ad umidi discontinua: Mulino Alsing
• 2.5.5. Argille Ferruginose
• 3.7.7. Macinazione ad umidi continua: A tamburo (Mulino rotante)
• 2.5.6. Argille Alcaline o da Gres (Ball Clays)
• 3.7.8. Macinazione a secco: Macinazione primaria di Preraffinazione
• 2.6. Quarzo
• 3.7.9. Macinazione a secco: Macinazione con mulini pendolari
• 2.7. Carbonati
• 3.7.10. Atomizzazione
• 2.8. Feldspati
• 3.7.11. Granulazione
• 2.9. Fondenti
• 3.7.12. Atrittore
• 3. La Macinazione
• 3.7.13. Mulino a cilindri
• 7.6. Metodi di misura della plasticità
• 4. Nozioni di Reologia e reometria di fluidi
• 7.6.1. Indici di plasticità di Atterberg
• 4.1. Definizione
• 7.6.2. Test di Pfefferkorn
• 4.2. Viscosità
• 7.6.3. Estrusori da laboratorio
• 4.3. Comportamenti reologici
• 7.7. Difetti In formatura
• 4.3.1. Fluidi Newtoniani
• 7.8. Viscoelasticità
• 4.3.2. Fluidi Non-Newtoniani
• 7.9. Misura della viscoelasticità
• 4.3.2.1. Dipendenti dal tempo (Fluidi Non-Newtoniani)
• 7.10. Reologia estensionale
• 4.3.2.2. Non dipendenti dal tempo (Fluidi Non-Newtoniani)
• 4.3.3.3. Fluidi Viscoelastico (Fluidi Non-Newtoniani)
• 8. Pressatura
• 4.4. Variabili che influenzano la reologia di un sistema
• 8.1. Definizione
• 4.4.1. Composizione della fase solida
• 8.2. Acqua nel materiale
• 4.4.2. Composizione della fase liquida
• 8.3. Fasi della pressatura
• 4.4.3. Additivi
• 8.3.1. Caricamento
• 4.4.4. Invecchiamento
• 8.3.2. Pressatura
• 4.4.5. Contenuto di solido
• 8.3.3. Espulsione del pressato dallo stampo
• 4.4.6. Distribuzione granulometrica
• 8.4. Parametro polveri
• 4.4.7. Morfologia
• 8.5. Effetto parete
• 4.4.8. Temperatura
• 8.6. Effetto forma delle particelle
• 5. Reometria
• 8.7. Difetti
• 5.1. Definizione
• 9. Reologia delle polveri
• 5.2. Metodi
• 9.1. Comportamenti peculiari
• 5.3. Procedura
• 9.2. Campionamento
• 6. Il colaggio
• 9.3. Definizione di un test di laboratorio – fluidità
• 6.1. Definizione
• 9.4. Angolo di riposo
• 6.2. Tipi di stampi
• 9.5. Fluidità
• 6.2.1. Stampo in gesso
• 9.6. La coesività
• 6.2.2. Stampo in resina
• 9.7. Processo ceramico
• 6.3. Effetto della Reologia
• 9.8. Additivi regolatori
• 6.4. Difettologia
• 10. Altri metodi di formatura
• 7. Estrusione
• 10.1. Tape Casting
• 7.1. Definizione
• 10.2. Isostatic pressing IP
• 7.2. Estrusione Diretta
• 10.3. Hot (isostatic) Pressing HIP
• 7.3. Estrusione Inversa
• 10.4. Injection Moulding
• 7.4. Estrusione Continua e Discontinua
• 13.4.2. Soluzione solide
• 7.5. Caratteristiche della pasta
• 13.4.3. Ad inglobamento o inclusione
• 11. Essiccamento
• 14. Decorazione mediante ink-jet
• 11.1. Definizione
• 15. Cottura
• 11.2. Processo di essiccamento
• 15.1. Definizione
• 11.3. Processo di evaporazione
• 15.2. Processo di cottura
• 11.5. Fattori che influenzano l’essiccamento
• 15.3. Composizioni contenenti illite e composizioni calcaree
• 11.6. Strategie per il processo di essiccamento
• 15.4. Composizioni caolinite-quarzo-feldspato
• 11.7. Metodi di essiccamento
• 15.5. Effetto delle miscele eutettiche
• 12. La smaltatura
• 15.6. Prodotti greificati
• 12.1. Definizione
• 15.7. Sinterizzazione
• 12.2. Definizione di smalto
• 15.8. Difetti in cottura
• 12.2.1. Le fritte
• 16. I laterizi
• 12.2.2. Materie prime minerali
• 16.1. Definizione
• 12.2.3. Coloranti
• 16.2. Caratteristiche
• 12.2.4. Additivi
• 16.3. Composizioni
• 12.3. Ingobbio
• 16.4. Processo di produzione
• 12.4. Preparazione degli smalti
• 16.5. Difetti
• 12.5. Applicazioni
• 16.6. Formati
• 12.5.1. Campana
• 17. I sanitari
• 12.5.2. Filiera
• 17.1. Definizione
• 12.5.3. Dischi rotanti
• 17.2. I materiali
• 12.5.4. Aerografo
• 17.3. Preparazione dell’impasto
• 12.5.5. Serigrafia
• 17.4. Modello
• 12.5.6. Decoro manuale
• 17.5. Formatura
• 12.5.7. Gocciolatoio
• 17.6. Essicamento
• 12.5.8. A rullo siliconico
• 17.7. Smaltatura
• 12.5.9. Decorazione mediante ink-jet
• 17.8. Cottura
• 12.5.10. Decalcomanie
• 17.9. Difetti
• 12.5.11. Decorazione a secco
• 18. Il gres
• 12.6. Cottura
• 18.1. Definizione
• 13. Pigmenti ceramici
• 18.2. Caratteristiche tecniche
• 13.1. Definizione
• 18.3. Usi
• 13.2. Requisiti nuovi pigmenti
• 18.4. Mercato
• 13.3. Mineralizzatori
• 18.5. Tipologie
• 13.4. Clasificazione
• 18.6. Formulazioni
• 13.4.1. Pigmenti strutturali
• 18.7. Ciclo di produzione
• 19. Rivestimento
• 19.1. Tipologia
• 19.2. Caratteristiche
• 19.3. Composizioni
• 19.4. Ciclo di produzione
• 20. Le piastrelle
• 20.1. Definizione
• 20.2. Classificazione
• 20.3. Caratteristiche tecniche generali
• 20.3.1. Regolarità
• 20.3.2. Strutturali
• 20.3.3. Meccaniche massive
• 20.3.4. Meccaniche superficiali
• 20.3.5. Termo-igrometriche
• 20.3.6. Chimiche
• 20.3.7. Di sicurezza
• 20.4. Formulazioni
• 20.5. La produzione
• 21. Struttura, proprietà, produzione ed applicazione del vetro
• 21.1. Produzione
• 21.2. Riciclo
• 21.3. Stato vetroso
• 21.5. Formazione del vetro
• 21.6. Effetto velocità di raffreddamento
• 21.7. Teorie strutturali
• 21.8. Proprietà del vetro
• 21.9. Vetri speciali
• 1. I materiali ceramici

1.1. Definizione

Tutti i materiali costituiti da composti inorganici non metallici duri caratterizzati da frattura fragile.

1.2. Mercato

• 55% Vetro
• 9% Porcelain enamel
• 17% Ceramici avanzati
• 7% Refrattari
• 10% Whiteware
• 2% Altri

1.3. Tipi di ceramici

Avanzati: Bioceramici, porcellane elettriche e tecniche, ceramici per l’elettronica, catalizzatori, refrattari speciali.

Tradizionali: Piastrelle, sanitari, stoviglieria, laterizi, refrattari, vetri, cementi.

1.4. Ciclo di produzione

1.5. Principale proprietà meccaniche

1.5.1. La fragilità

La fragilità tipica dei ceramici è dovuta alla presenza sia di legami ionici e covalenti che tengono insieme gli atomi. La fragilità viene influenzata dalla presenza di difetti nel materiale. La maggior parte sono fragili a temperatura ambiente ma non necessariamente a temperature elevate. Sopra alla temperatura di transizione vetrosa si comportano come un liquido viscoso. La resistenza di un vetro si aggira attorno a 100Mpa. La resistenza teorica dovrebbe essere attorno a 10.000Mpa. Si osserva ancora che in prove di trazione, lo sforzo a frattura di una fibra di vetro dipende dal suo diametro. La prova di resistenza a frattura con un sistema di trazione uniassiale non è accettabile per un ceramico. Il valore massimo di resistenza è quello necessario a rompere i legami tra gli atomi presenti sulle superfici di frattura. Tutti i materiali, compresi i ceramici, contengono imperfezioni e microfratture che diminuiscono il valore reale di resistenza meccanica. Ogni difetto presente nel materiale indebolisce il materiale come un anello debole di una catena. I pori riducono la resistenza del materiale pertanto materiali densi e con cristalli di piccole dimensioni sono più resistenti.

1.5.2. Durezza superficiale

Durezza: Resistenza alla deformazione permanente. Prove di durezza: resistenza offerta da un materiale a lasciarsi penetrare da un altro (penetratore). Esistono diverse scale per misurare la durezza dei materiali. Le più usate sono: Mohs. Le seguenti prove di durezza si eseguono con macchine provviste di penetratori con forme diverse e con diverse metodologie: Brinell, Vickers, Rockwell. Scala di Mohs: È un criterio empirico per la valutazione della durezza dei materiali. Assume come riferimento la durezza di dieci minerali numerati progressivamente da 1 a 10 e tali che ciascuno è in grado di scalfire quello che lo precede ed è scalfito da quello che lo segue.

1.5.3. Porosità

Porosità interparticellare: Esistente tra i grani di materiali. Porosità intraparticellare: Esistente all’interno del corpo dei grani.

1.5.4. Bassa conducibilità termica ed elettrica

Conducibilità termica: Si intende come la quantità di calore Q che attraversa nell’unità di tempo una superficie A unitaria di materiale attraverso uno spessore unitario, quando tra le due facce opposte esiste la differenza di 1°K. Coefficiente di dilatazione lineale: Dove: Si variano la temperatura α ≈2*α. Coefficiente di dilatazione superficiale: s 1α ≈3*α. Coefficiente di dilatazione volumetrico: V 1. Conducibilità elettrica: Sia la conducibilità elettrica che quella termica dipendono dalla libertà di movimento degli elettroni. A differenza dei metalli, gli elettroni di legame nei ceramici sono molto meno liberi di muoversi. Resistività elettrica: Anche detta resistenza elettrica specifica, è l’attitudine di un materiale a opporre resistenza al passaggio delle cariche elettriche.

2. Materie prime per la ceramica

2.1. Gli elementi

2.2. Definizione

I materiali ceramici sono preparati a partire principalmente da: Argille, Quarzo, Carbonati, Feldspati.

2.3. I silicati

I silicati sono minerali che nascono dall’unione di tetraedri di silice: Nesosilicati, Sorosilicati, Inosilicati, Fillosilicati, Tectosilicati.

2.4. Le Argille

Reologia della sospensione. Plasticità all’impasto (Proprietà di un solido di deformarsi sotto l’azione di una forza esterna e di mantenere la forma acquisita permanentemente). Carico di rottura sia sul materiale cotto che su quello crudo. Microstruttura del materiale cotto. Composizione mineralogica del cotto.

2.4.1. Gruppo della Caolinite

La caolinite è una argilla con struttura T-O. La struttura ottaedrica è simile a quella della gibbsite. Ogni strato T-O è elettricamente neutro perciò il legame tra strato e strato è debole e dovuto a legami di tipo van der Waals. La caolinite ha la seguente formula chimica Al₂Si₂O₅(OH)₄. Si forma da processi idrotermali di silicoalluminati. Rocce ricche di feldspati sono spesso degradate a caolinite. Durante tale processo ioni quali Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, e ioni ferro sono eliminati. Un pH acido favorisce la loro eliminazione. Rocce granitiche, ricche di feldspati, sono una fonte comune di caolino. La caolinite non assorbe acqua e non espande quando entra a contatto con l’acqua. L’Halloysite ha una struttura simile a quella della caolinite e differisce da questa per la presenza di molecole di acqua tra i fogli T-O. La sua formula: Al₂Si₂O₅(OH)₄•4H₂O.

2.4.2. Gruppo della Illite

Le argille illitiche hanno una struttura di tipo T-O-T. Ioni Al³⁺ sostituiscono ioni Si⁴⁺ nei tetraedri. La deficienza di cariche positive che si generano viene integrata da ioni alcalini. Le Illiti si formano per degradazione di rocce ricche (Muscovite e feldspati) di potassio K e allumina Al, in condizioni di pH elevato. Le Illiti sono le principali costituenti di rocce antiche. La formula generale dell’illite è la seguente: K_yAl₄(Si_8-y,Al_y)O₂₀(OH)₄ con 1 < y < 1,5, ma inferiore a 2. Ioni Ca²⁺ e Mg²⁺ possono a volte sostituire il potassio K⁺ come bilanciatori di carica. Gli ioni K⁺, Ca²⁺, o Mg²⁺ si pongono nell’interstrato tra uno strato T-O-T e il successivo. Impediscono l’entrata di molecole di H₂O, pertanto le illiti non sono argille che si espandono o si contraggono in funzione del contenuto di acqua.

2.4.3. Gruppo delle Cloriti

Per clorite si intende un gruppo di fillosilicati complesso dove le diversità nascono dalla quantità di ioni Al che sostituiscono Mg e Si. La struttura è quella T-O-T con uno strato tipo brucitico [Mg(OH)₂] parzialmente sostituito. Lo strato brucitico è formato da 2 strati di ioni OH i quali racchiudono ioni positivi come Mg²⁺, Fe²⁺, o Al³⁺ al centro degli ottaedri. La carica totale dello strato è positiva e neutralizza totalmente o parzialmente la carica negativa dello strato T-O-T. In quest’ultimo l’eccesso di carica negativa viene bilanciato da cariche positive assorbite dall’esterno sulla superficie.

2.4.4. Gruppo delle Smectiti

Le smectiti rappresentano una famiglia di minerali fillosilicatici di tipo T-O-T. In questo gruppo sono compresi: Montmorillonite (Na,Ca)_0,3(Al,Mg)₂Si₄O₁₀(OH)₂•n(H₂O), Beidellite Na_0.5Al₂(Si_3.5Al_0.5)O₁₀(OH)₂•n(H₂O), Saponite (Ca/2,Na)_0,3(Mg,Fe²⁺)₃(Si,Al)₄O₁₀(OH)₂•(H₂O)₄, Nontronite Na_0.3Fe³⁺₄(Si,Al)₄O₁₀(OH)₂•n(H₂O). E altre specie minori. Nelle Smectiti si assiste a sostituzioni nei tetraedri e negli ottaedri: Ottaedri Mg²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺, Al³⁺; Tetraedri Al³⁺ (o Fe³⁺) Si⁴⁺. Queste sostituzioni determinano un eccesso di cariche negative che vengono neutralizzate da ioni alcalini e alcalino terrosi che si posizionano nell’interstrato. Lo spazio tra gli strati può essere occupato anche da molecole di H₂O. Ciò determina la possibilità di un allontanamento degli strati all’aumentare delle molecole di acqua. Argille ricche di Smectiti possono variare in volume anche di un 30%. Queste variazioni possono produrre fratture nel corpo ceramico durante la fase di essiccamento. I cationi presenti nell’interstrato possono essere scambiati con l’ambiente esterno. Questo scambio deve mantenere la elettroneutralità globale dell’argilla. Le smectiti presentano valori di scambio cationico nell’ordine del 80-150 meq/100 g.

2.5. Argille ceramiche

Le argille utilizzate in ceramica sono costituite da numerosi e vari minerali argillosi, con diversi gradi di impurezza: Argille Caolinitiche, Argille Quarzifere, Argille Refrattarie Fire Clays, Argille Calcaree, Argille Ferruginose, Argille Alcaline o da Gres (Ball Clays).

2.5.1. Argille Caolinitiche

Contengono prevalentemente caolinite, e sono relativamente plastiche e refrattarie. Utilizzate per: ceramiche fini terraglie, gres artistici, vitreous, porcellane tenere. Refrattari.

2.5.2. Argille Quarzifere

Contengono quantità variabili di quarzo (SiO₂) più o meno grossolano. Scarsamente plastiche. Danno prodotti porosi più o meno colorati. Refrattarietà legata alla percentuale di ossidi fondenti. Generalmente si usano come correttivi di altre argille.

2.5.3. Argille Refrattarie fire clays

Scarsamente plastiche. Refrattari e chamottes refrattarie.

2.5.4. Argille Calcaree

Presenza di carbonato di calcio (CaCO₃) e di magnesio (MgCO₃). Costituite da: Minerali argillosi a tre strati (illite, montmorillonite), A quattro strati (Clorite), Calcare, quarzo, componenti del ferro. Plasticità variabile a seconda del tenore di minerali argillosi. Per terrecotte e faenze vengono utilizzate argille con un contenuto di calcare attorno al 6-20% (argille marnose). Fusibili. Lo stesso impiego hanno le argille calcaree con tenori in carbonati del 20-40% dopo miscelazione con altre argille in modo da riportare il contenuto in carbonati alla percentuale precedente. Con maggior contenuto di carbonati vengono utilizzate soprattutto per la produzione di calci e cementi.

2.5.5. Argille Ferruginose

Presenza di composti del ferro. Colorazione e fusibilità. Alta plasticità dovuta al tipo di minerale argilloso.

2.5.6. Argille Alcaline o da Gres (Ball Clays)

Sono costituite da minerali argillosi a due o tre strati, mescolati a composti insolubili di sodio Na e potassio K (elementi alcalini) e a quarzo estremamente fine. I composti di sodio e potassio durante la cottura, esercitano una azione fondente. La massa essiccata presenta una grande resistenza meccanica alla flessione. Queste argille vengono utilizzate negli impasti per aumentarne la plasticità e la tenacità in crudo.

2.6. Quarzo

Diminuisce la plasticità del crudo. Equilibratore della viscosità e dei flussi vetrosi. Base della fase cristallina presente nel prodotto finito. Controllo del ritiro in essiccamento e cottura (Costituisce uno scheletro nella massa ceramica). Influisce sulla porosità del manufatto ceramico. Inerte. È uno degli ossidi più diffusi sulla terra. Si trova sia in forma libera (Quarzo e forme similari) che combinata. Abbiamo diversi tipi di quarzo: Quarzo α, Quarzo β, Cristobalite α, Cristobalite β, Tridimite α, Tridimite β. Differiscono per come i tetraedri di [SiO₄] si legano tra loro, non per la formula chimica che rimane per tutti SiO₂. Il quarzo in un impasto ceramico ha le seguenti funzioni: Inerte. Aumenta la porosità e la refrattarietà del manufatto. Riduce il ritiro in essiccamento e cottura. Diminuisce la plasticità. Aumenta la possibilità di interscambio di gas tra manufatto ed ambiente esterno.

2.7. Carbonati

Principalmente CaCO₃ e MgCO₃.