CAPITOLO 11 Materiali ceramici ESERCIZI CON SOLUZIONE SVOLTA. Problemi di conoscenza e comprensione

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1 CAPITOLO 11 Materiali ceramici ESERCIZI CON SOLUZIONE SVOLTA Problemi di conoscenza e comprensione 11.1 I materiali ceramici tradizionali sono tipicamente formati da tre componenti argilla, feldspato e silice mentre i ceramici avanzati sono formati da composti puri o quasi puri come l ossido di alluminio (Al 2 O 3 ), il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di silicio (Si 3 N 4 ). Esempi di ceramici tradizionali comprendo mattoni, piastrelle e porcellane elettriche, mentre applicazioni dei ceramici avanzati comprende parti in carburo di silicio per componenti di motori di turbine a gas ad alta temperatura, crogioli in diossido di zirconio per la fusione di superleghe e cuscinetti ad alta prestazione e guide di scorrimento fatte in titanio e nitruro di carbonio La struttura dell antifluorite è composta da una cella unitaria CFC con anioni che occupano i punti di reticolo CFC e cationi che occupano tutti gli otto siti tetraedrici. Quindi le posizioni del catione e dell anione della struttura della fluorite sono capovolte. Gli esempi di composti che hanno questa struttura sono Li 2 O, Na 2 O, K 2 O e Mg 2 O. La frazione dei siti tetraedrici occupati dai cationi è pari a Strato di silicato carico negativamente ( ) legato ad uno strato di Al ( ) 2 2 OH + 4 carico positivamente. Gli strati sono legati da legami secondari deboli Ogni atomo di silicio è legato con quattro atomi di ossigeno e ogni atomo di ossigeno forma una parte di due tetraedri. Fase cristallina di silice, esistente tra 1470 e 1710 C Alcuni ioni Si 4+ sono sostituiti da ioni Al 3+ ; si forma una rete carica negativamente bilanciata da cationi di elementi come Na +, K + e Ca 2+ che entrano nei siti interstiziali Le materie prime ceramiche sono preparate per processi a umido, a secco o una combinazione di processo a umido e a secco. Nel processo a umido, gli additivi sono miscelati con acqua, mentre nel processo a secco gli additivi sono macinati a secco con le materie prime Nella pressatura a secco, la polvere ceramica granulare, in soluzione con piccole quantità di acqua e/o leganti organici, è simultaneamente compattata e formata in uno stampo. Successivamente, le parti sono normalmente cotte per raggiungere le desiderate proprietà microstrutturali come la resistenza meccanica. I vantaggi dei materiali ceramici pressati a caldo sono la capacità di formare rapidamente un ampia varietà di forme e la capacità di ottenere uniformità e basse tolleranze Nel processo isostatico, la polvere ceramica è caricata in un contenitore flessibile ermetico che è posto all interno di una camera di fluido idraulico. La pressione viene poi applicata al fluido per compattare uniformemente la polvere. Il prodotto, che possiede la forma del contenitore, è cotto per ottenere la microstruttura e le proprietà richieste ) Pressatura isostatica; 2) lavorazione al tornio del grezzo; 3) cottura della polvere; 4) lucidatura ) Preparazione di una sospensione (barbettina) di polvere ceramica in un liquido; 2) versamento della barbettina in uno stampo poroso che permette la rimozione del liquido e la formazione di uno strato di materiale semi-indurito sulla superficie dello stampo; 3) la barbottina in eccesso viene tolta dalla cavità e avviene il processo di colata per drenaggio o colata solida; 4) il materiale nello stampo viene essiccato per 1

2 avere resistenza meccanica adeguata per la manipolazione e la conseguente rimozione del pezzo; 5) il pezzo colato viene cotto per raggiungere la microstruttura e le proprietà volute Per un processo di colata a drenaggio, l eccesso di materiale semiliquido è rimosso dalla cavità una volta che si forma un sufficiente spessore di parete. Per il processo di colata solida, la colata è continua fino a quando l intera cavità dello stampo viene riempita L estrusione è utilizzata per produrre prodotti ceramici che hanno una sezione uniforme (mattoni e piastrelle) e che sono vuoti (conduttore di fogne). I vantaggi associate con questo processo includono la capacità di formare efficacemente una singola forma lunga che è successivamente tagliata nelle lunghezze desiderate e la capacità di ottenere basse tolleranze. Il processo di estrusione, però, è limitato dalla necessità di produrre una sezione costante e dalla necessità di raffreddare il componente estruso mediante getto d aria o acqua Nel processo di vetrificazione, la fase vetrosa del ceramico liquefa e riempie i pori del materiale durante la cottura e poi solidifica durante il raffreddamento per formare una matrice vitrea o vetrosa che lega le particelle. Questo processo avviene nei materiali ceramici che contengono una fase vetrosa come la porcellana o l argilla strutturale % SiO 2 ; 37.4% Al 2 O 3 ; 13.9% H 2 O; 1.68% Fe 2 O 3 ; 1.30% TiO 2 ; 0.03% MgO; 0.011% Na 2 O; 0.004% CaO; 0.005% K 2 O Nei ceramici tradizionali, l argilla costituisce il componente principale del materiale ceramico e rende il materiale lavorabile prima della cottura Allumino-silicato cristallino contenente potassio, sodio o calcio. Permette di legare i componenti refrattari Porcellana cinese, porcellana dentale, impieghi per isolamento elettrico, piastrelle vetrode e impieghi sanitari Il termine triassiale si riferisce al fatto che la porcellana è composta da tre materiali principali argilla, feldspato e silice Proprietà importanti per gli abrasivi industriali sono: porosità sufficiente per permettere il flusso di aria o di lubrificante liquido durante la molatura, il taglio e la lucidatura; buona stabilità al calore per la generazione di calori per attrito estremamente alti; alta durezza per i processi di molatura e di taglio I refrattari sono materiali che hanno buona resistenza al calore. Sono ampiamente usati nelle industrie metallurgiche, chimiche, dei materiali ceramici e dei vetri per applicazioni come rivestimenti per vari tipi di fornaci, forni, inceneritori e reattori (a) I refrattari di silice contengono 95-99% SiO 2 e sono usati per i rivestimenti di reattori chimici, parti di contenitori di vetro, forni ceramici e forni di coke. (b) Le argille refrattarie sono miscele di argilla refrattaria plastica, silice, argille e argilla chamotte che danno una composizione combinata di circa 51 54% SiO 2 e 37 42% Al 2 O 3. Le loro applicazioni come refrattari includono rivestimenti per forni di cemento, rotativi e di calce, rivestimenti per la fusione di alluminio e fornaci con getto e rivestimenti per inceneritori. (c) I refrattari di allumina ad alto grado di purezza sono composti da 45 99% Al 2 O 3 e 0 50% SiO 2.Questi materiali sono utilizzati in boiler, fornaci di fosfato, nerofumo, forni di coke e 2

3 pareti di raffinatori di taniche di vetro, rivestimenti di grossi imbuti per la colata in continuo e rivestimenti per i reattori di gassificazione del carbone La maggior parte dei refrattari sono formati da magnesia (MgO), silice (CaO) e minerale di cromo (Cr 2 O 3 ). Alcune delle importanti proprietà associate con questi materiali sono l alta densità di massa, alte temperature di fusione e buona resistenza alla corrosione chimica da parte di scorie basiche e ossidi. Di conseguenza, questi refrattari sono utilizzati principalmente per i rivestimenti di fornaci per acciai a base di ossigeno Al contrario degli altri materiali ceramici, i costituenti del vetro sono riscaldati fino alla fusione e poi raffreddati allo stato rigido senza cristallizzazione. Come conseguenza, il vetro ha una struttura amorfa e non cristallina La temperatura di transizione vetrosa, T g, è la temperatura alla quale si intersecano la curva di volume specifico di vetro e quella della temperatura. Fisicamente, questa temperatura cade all interno dello stretto intervallo di temperatura nel quale un vetro passa da uno stato gommoso ed uno stato rigido, fragile e vetroso. Quindi, la T g rappresenta il punto al quale il material si comporta più come un solido che come un liquido Il vetro di silice fusa è composto da 99.5% SiO 2 ed è il vetro mono-componente più importante. Le sue vantaggiose proprietà includono l alta trasmissione spettrale e la capacità di resistere alla radiazione senza imbrunire. È, però, costoso e difficile da fondere e lavorare La composizione del vetro sodico-calcico è 71 73% SiO 2, 12 14% Na 2 O e 10 12% CaO. I vantaggi del vetro sodico-calcico sono il suo basso costo e la facilità di formarlo per il suo basso punto di rammollimento. Gli svantaggi comprendono bassa resistenza al calore e durabilità chimica. Alcune delle sue applicazioni sono finestre, contenitori, bulbi elettrici e prodotti pressati e soffiati Nel processo float-glass, un nastro di vetro fluisce fuori da una fornace di fusione e in un bagno di stagno fuso su cui galleggia. Quando il nastro si muove nel bagno, si raffredda sotto un atmosfera chimicamente controllata per prevenire l ossidazione. Una volta che le superfici del vetro sono sufficientemente dure, la lastra è rimossa dalla camera di galleggiamento e passa attraverso una fornace di ricottura che rimuove gli sforzi residui. Il maggiore vantaggio di questo processo rispetto ad altri processi, come il processo a rulli, è che può essere prodotta una lastra di vetro molto sottile che non richiede costosi processi di molatura e lucidatura Il vetro temprato è un vetro rafforzato per gli sforzi di compressione sviluppati sulla sua superficie durante la tempra. È prodotto per riscaldamento del vetro vicino alla sua temperatura di rammollimento e poi raffreddando rapidamente la superficie del vetro con aria. Poiché le superfici sono rigide durante il raffreddamento del vetro interno, gli sforzi a trazione si sviluppano all interno, mentre gli sforzi a compressione sulla superficie. Il vetro temprato è più resistente a trazione del vetro ricotto, perché con il vetro temprato, lo sforzo a trazione applicato deve superare lo sforzo a compressione di superficie prima di provocare la frattura. Questo vetro viene usato in applicazioni nelle quali la sicurezza è primaria, come nei vetri delle automobili e nei vetri di sicurezza di porte Il vetro rinforzato chimicamente è un vetro al quale è stato dato un trattamento chimico per introdurre grandi ioni e quindi sforzi di compressione, nella superficie del vetro. Come il vetro temprato, il vetro rinforzato chimicamente è più forte in trazione del vetro ricotto per i suoi sforzi residui di superficie. 3

4 11.30 Il fullerene tipo Buckminster è un gruppo di atomi di carbonio a forma di gabbia (forma del pallone da calcio), formando molecole C x. È chiamato così da Buckminster, un architetto che ha disegnato cupole con struttura simile a quella di un fullerene. La molecola di fullerene, C 60, ha 60 atomi di carbonio attaccati per formare pentagoni e esagoni che formano la struttura a gabbia (vedi Figura 11.14). Il gruppo di atomi ha un diametro pari a nm. L aggregato (il compatto solido) ha una struttura CFC con i gruppi di atomi legati insieme da forze di Van der Waals. L aggregato ha caratteristiche di lubrificazione simili a quelle della grafite È una struttura a tubo di atomi di carbonio formato da sub-elementi di carbonio esagonali e pentagonali. La struttura è simile ad uno strato di grafite arrotolato per formare un tubo con l aggiunta di cappucci alle estremità. Il diametro del nano tubo è massimo pari a 1.4 nm. La sua lunghezza varia tra il micron e il millimetro. Il nano tubo è ritenuto avere una resistenza meccanica 20 volte maggiore di quella degli acciai più resistenti ( 40 GPa) con un incredibile elevato modulo elastico pari a 1.3 TPa. Le applicazioni includono punte per STM, emettitori di campo, sensori e materiali a fibre per compositi rinforzati con fibre (a) smalto vitreo rivestimento vetroso applicato ad un substrato ceramico. (b) smalto di porcellana rivestimento vetroso applicato ad un substrato metallico. (c) smalto vetroso rivestimento vetroso applicato ad un substrato vetroso Quando la polvere nano cristallina di partenza (100 nm) viene compattata, la polvere ha una tendenza a legarsi e a formare particelle di maggiore dimensione. Questo è detto agglomerato. Le polveri agglomerate non si impaccano bene e questo è generalmente un effetto indesiderato. Problemi di sintesi e di valutazione I ceramici sono più sensibili a minori fessure e vuoti superficiali; sono più fragili e sensibili all intaglio. Pori, difetti, vuoti: fonti di concentrazione di sforzi e quindi inizio di crescita di cricche (a) chips di computer e ICs; (b) assicurano, per le loro forti proprietà di isolamento elettrico (legame ionico/covalente) che non ci sia contatto tra il gate (in metallo) e il substrato (semiconduttore) + gate S D SiO 2 substrato Mettere un substrato di Si in una camera ad alta temperatura ( 600 C) e pressione pari a circa Pa. Esporre la superficie a gas contenente azoto. L azoto reagirà con Si sulla sua superficie e formerà Si 3 N 4 che serve da isolante. Questo processo è chiamato deposizione chimica da fase vapore (CVD). Sarebbe difficile applicare questo processo (costoso) a oggetti molto grandi per la complessità del processo. Altri approcci devono essere utilizzati per oggetti di grande dimensione e per applicazioni più commerciali. 4

5 11.37 (a) Dal momento che le piastrelle dello space shuttle sono fatte in materiali ceramici (fibre di silice) e i ceramici sono fragili, non possono essere unite al telaio mediante dispositivi di fissaggio (i fori non possono essere fatti nelle piastrelle) o mediante saldatura (impraticabile). Quindi, il migliore approccio è incollare le piastrelle al telaio utilizzando un adesivo siliconico. Uno strato di isolante alle deformazioni viene posto tra la piastrella e il rivestimento dello shuttle (lega di alluminio). (b) Perché è molto difficile fabbricare il ventre dello shuttle in solo pezzo complesso da materiale ceramico. Tale processo di fabbricazione rappresenta una grande sfida. In secondo luogo, a causa della natura fragile del materiale ceramico, è strutturalmente imprudente avere un ventre in unico pezzo. Se il corpo si frattura, questo provocherà una frattura catastrofica dell intero ventre. Con pezzi più piccoli, invece, ogni cricca sarà contenuta solo in quel pezzo. piastrella colla strato isolante alle deformazioni colla rivestimento dello shuttle Miscelando particelle di carburo di tungsteno con una matrice di metallo, viene prodotto il materiale composito metallo-ceramico. Il composito avrà maggiore tenacità per l alta tenacità della matrice (nichel o cobalto). Il composito avrà anche maggiore resistenza meccanica e durezza per la resistenza meccanica del carburo di tungsteno. È importante che il materiale della matrice abbia anche un alta temperatura di fusione o di rammollimento termico. Quindi, l alluminio non lavorerà per la sua bassa temperatura di fusione È possibile indurre sforzi a compressione sulla superficie del calcestruzzo utilizzando mezzi meccanici: 1. posizionare le basse di acciaio sul fondo dello stampo; 2. applicare tensione alle barre di acciaio (tensione assiale) e mantenerla; 3. versare il calcestruzzo nello stampo; 4. dopo l indurimento, rimuovere il carico a trazione dalle barre; 5. quando lo sforzo a trazione viene rimosso, le barre di acciaio tendono a ritornare alla loro lunghezza iniziale e questo mette la superficie in compressione (a) Il fattore più importante è la capacità del materiale di condurre calore rapidamente. Altrimenti, la temperatura aumenterà localmente e provocherà dei danneggiamenti. Il secondo fattore è il basso coefficiente di espansione termica. Alte espansioni termiche possono causare severi sforzi termo-meccanici che portano al danneggiamento nel materiale. (b) I materiali ceramici HRSI e carbonio-carbonio hanno la migliore resistenza allo shock termico (a) Soprattutto per applicazioni in automobili, si deve scegliere il vetro più resistente. Il vetro temperato è un eccellente candidato per gli sforzi residui a compressione sulla sua superficie. Uno sforzo a trazione applicato deve prima superare gli sforzi a compressione nel vetro, prima che possono causare un danno. (b) Si può usare un sandwich composto da un sottile strato di polimero trasparente tra due strati di vetro temperato. Le forze di adesione tra il vetro ed il polimero non permetteranno ai pezzi fratturati di andare via e provocare altri danni. 5

6 11.42 I carburi, in generale, sono molto più duri degli ossidi e permettono una migliore protezione contro l usura. Esempi: zirconia su alluminio per proteggere dall ossidazione; carburo di tungsteno su ruote di acciaio per proteggere contro l usura (a) Se questo piccolo danneggiamento viene ignorato, si possono formare lunghe cricche da queste zone. Questo porterà a dei cambiamenti nel parabrezza. Il carico ciclico permetterà alla cricca di diventare più grande fino a coprire l intero parabrezza. (b) L approccio comune è di riempire la zona danneggiata con resina epossidica sotto pressione. La resina epossidica riempie i vuoti prodotti dal foro e praticamente fermerà la crescita e la propagazione delle cricche. cricca formata dal danneggiamento piccolo foro 6

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