Materiali Ceramici

Materiali ceramici

I materiali ceramici sono composti tra almeno un metallo e un non metallo che instaurano tra loro prevalentemente un legame di natura ionica: gli elettroni ceduti dal metallo vengono acquisiti dal non metallo e si instaura un’interazione elettrica tra ione e catione. Il cloruro di sodio è quindi un materiale ceramico, ma i più comuni sono: ossidi, nitruri, carburi e fluoruri.

Degli ossidi fanno parte per esempio l’allumina che è alla base della realizzazione di molti materiali ceramici come capsule dei denti, piastrelle e sanitari. Un altro ossido è la silice con cui si realizzano per esempio i vetri. Tutti questi materiali esistono in natura ma per lo più sono ottenuti per sintesi chimica. Però, per esempio, la sabbia contiene silice ma poco pura.

Altri materiali ceramici sono le idrossiapatite e le argille: le prime sono alla base delle ossa e della struttura portante dei coralli, le seconde invece hanno al loro interno il caolino.

Classificazione

Si dividono in tradizionali e avanzati: tra i primi ci sono le porcellane, mattoni, piastrelle, sanitari, vetri, abrasivi e refrattari. Tra i secondi invece ci sono rivestimenti per metalli, barriere termiche, superconduttori, ceramici piezoelettrici, conduttori ionici, substrati per l’elettronica e impianti dentali/ossei.

Proprietà

• Elevata temperatura di fusione (≥ metalli). Alcuni non fondono ma si decompongono prima.
• Inerzia chimica, ovvero non reagiscono con l’ambiente esterno poiché già stabili. Non si ossidano e spesso alcuni sono proprio ossidi.
• Elevata durezza, utile per lavorare per asportazione. Tale proprietà è data dal fatto che sono privi di piani di scorrimento cristallografici e quindi non possono deformarsi.
• Elevato modulo elastico.
• Sono fragili sempre per lo stesso motivo sopra citato. Infatti le capsule dei denti sono solo rivestite in ceramica ma dentro sono di metallo.
• Bassa densità → elevato. Se abbiamo un parallelepipedo di altezza l, larghezza a e profondità b: . Allora = = → = 2 . Essendo . Da qui si deduce che = = → = = → = l’allungamento che un oggetto subisce è proporzionale alla forza e inversamente proporzionale alla massa. Quindi per minimizzare bisogna minimizzare, quindi massimizzare.

I materiali ceramici hanno un reticolo cristallino: lo ione carico positivamente è il metallo che ha perso l’elettrone ed è quindi più piccolo, lo ione carico negativamente è il non metallo che ha acquistato l’elettrone ed è più grande.

Il titanio di bario o il titanio di stronzio hanno un reticolo particolare ai cui vertici c'è Ba²⁺, al centro Ti⁴⁺. Ad alta temperatura non vi è dipolo, ma a bassa T il Ti⁴⁺ si alza e si forma dipolo magnetico. È quindi piezoelettrico e per tale motivo utilizzato negli accendini o negli strumenti di misura.

Diagrammi di stato

Vi sono diagrammi classici come quelli di completa e parziale miscibilità allo stato solido, ma ci sono anche diagrammi più particolari come quelli dell’ossido di zirconio ZrO₂. Dal diagramma si nota che questo materiale compie trasformazioni strutturali: da cubica a tetragonale a monoclina. L’ultima trasformazione comporta un aumento di volume che genera tensioni e porta alla formazione di cricche. Per sopprimere questa trasformazione si può drogare l’ossido di zirconio con ossido di calcio (calce CaO).

Se si forma una cricca in un componente costituito da zirconio e allumina, l’energia meccanica liberata porta a generare delle pressioni sulla cricca e il materiale non si rompe. Questo è detto metodo di tenacizzazione dei materiali ceramici. Le capsule dei denti sfruttano questo principio.

Altre proprietà

• Dilatazione termica lineare molto bassa dipende dal loro reticolo e comporta tensioni termiche → molto basse.
• Conducibilità termica bassa → infatti molti materiali termici possono essere considerati isolanti ma solo in uno stato transitorio e non in regime stazionario. Solo alcuni hanno un’alta conducibilità termica. Questa proprietà li rende perfetti per realizzare i supporti per circuiti elettrici che devono essere isolanti ma devono dissipare il calore per evitare il surriscaldamento.
• Hanno un’elevata durezza che si indica con la scala Knoop e si misura diversamente dalla durezza HV e HB. Si lascia una piccolissima impronta confrontabile però con la durezza Vickers.
• Comportamento elastico lineare. Non potendo il materiale ceramico lavorare a trazione, per provare la resistenza si fa una prova a pressione. Si mette il provino su un supporto e si applica una pressione. Si misura quanto aumenta il valore della freccia. La sollecitazione = . La deformazione è ricavabile dalla freccia. Si ottiene un grafico del tipo:
• Hanno un modulo elastico E molto alto a fronte di una bassa densità.
• Hanno una resistenza a flessione bassa e per questo tali materiali non devono lavorare a fatica.
• Le prove di resilienza non si possono fare perché varrebbero sempre 0 ma si può fare la prova per la tenacità a frattura, che ha maggiore sensibilità.

Sinterizzazione

È il processo per realizzare un ceramico. Consiste nel miscelare una polvere di materiale ceramico con un legante idraulico a base di carbonio. Si compatta pressando e si fa cuocere in forno. I granelli della polvere daranno origine a una massa non compatta ed omogenea ma rendono il materiale poroso.