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 (a) Le strutture a isola dei silicati si formano quando ioni positivi, come Mg 2+ e Fe 2+, si legano con anioni di ossigeno dei tetraedri SiO 4-4. (b) Le strutture a catena o ad anello si hanno quando due spigoli di ogni tetraedro SiO 4-4 si legano con gli spigoli di altri due tetraedri. Il risultato è la struttura SiO 2-3., (c) Le strutture a strati dei silicati si formano quando tre spigoli nello stesso piano di un tetraedro si legano agli spigoli di altri tre tetraedri di silicato. La formula chimica di questa struttura è Si 2 O Il processo di sinterizzazione è un trattamento termico che determina il legame delle particelle ceramiche mediante diffusione allo stato solido. Il processo di diffusione, guidato da alte temperature, avviene tra le superfici delle particelle e permette il loro legame chimico. Mentre il processo procede, le particelle sinterizzate aumentano in dimensione fino a raggiungere una dimensione di equilibrio di grano. L energia di superficie di questi bordi di grano è minore dell energia di superficie associata con le singole originali particelle La maggior parte dei materiali ceramici hanno bassa conducibilità termica per i loro forti legami ionicocovalenti che limitano il movimento degli elettroni richiesto per la conducibilità termica ed elettrica. I metalli puri sono eccellenti portatori di elettroni e quindi si utilizzano come conduttori di calore e di elettricità Sebbene il vetro sia un materiale ceramico, ottenuto da materiali inorganici ad alte temperature, è differente dagli altri ceramici perché i suoi costituenti sono riscaldati fino alla fusione e poi raffreddati allo stato rigido senza cristallizzazione. Quindi il vetro è formalmente definito come un prodotto organico di fusione che è raffreddato ad una condizione rigida senza cristallizzazione I vetri sono indispensabili per molte applicazioni tecnologiche perché possiedono un unica combinazione di proprietà speciali come trasparenza, durezza e sufficiente resistenza meccanica a temperatura ambiente e eccellente resistenza a corrosione in molti ambienti Silice (SiO 2 ) e ossido di boro (B 2 O 3 ) sono due ossidi che formano i vetri. Le loro sub unità fondamentali sono, rispettivamente, il tetraedro SiO 4-4 e il triangolo piano BO Il punto di lavorabilità è la temperatura alla quale corrisponde una viscosità di 10 4 poise e che rappresenta lo stato termico al quale si possono effettuare le operazioni di fabbricazione del vetro. Il punto di rammollimento è la temperatura alla quale corrisponde una viscosità di 10 8 poise e che rappresenta lo stato termico al quale il vetro scorrerà ad una velocità apprezzabile per effetto del suo peso

2 proprio. Il punto di ricottura è la temperatura alla quale corrisponde una viscosità di poise e che rappresenta lo stato termico al quale si possono eliminare gli sforzi interni. Il punto di deformazione è la temperatura alla quale corrisponde una viscosità di poise e che rappresenta lo stato termico sotto al quale il vetro è rigido e il rilassamento degli sforzi avviene solo a bassa velocità Un allotropo è una forma strutturale nella quale può esistere un elemento. Alcuni elementi possono esistere in più di una forma strutturale e quindi hanno diverse forme allotropiche. Per il carbonio, esistono diverse forme allotropiche solide come grafite, diamante, bucky ball, bucky tube e carbonio amorfo. Problemi di applicazioni e analisi La mancanza di plasticità nei materiali ceramici cristallini è attribuita ai legami ionici e covalenti. Nei cristalli covalenti e nei ceramici con legami covalenti, gli atomi si legano mediante uno scambio di carica elettronica tra coppie di elettroni, in un modo specifico e direzionale. Di conseguenza, se il ceramico è sufficientemente sottoposto a tensione, i legami di coppie di elettroni andranno incontro a separazione irreparabile, provocando la frattura fragile del materiale Per alcuni solidi ionici monocristallini, come NaCl e MgO, gli sforzi di compressione a temperatura ambiente vanno incontro a considerevole deformazione plastica prima della frattura perché i piani con ioni di carica opposta possono scorrere l uno rispetto all altro. Questi piani di scorrimento, che mantengono la loro attrazione mediante forze colombiane, tipicamente sono il sistema di scorrimento {110}<110> per le strutture di tipo NaCl Il diagramma volume specifico versus temperatura per un vetro si differenzia da quello di un materiale cristallino in due modi. Primo, il vetro non va incontro ad una rapida diminuzione del volume specifico ad una temperatura associata al punto di fusione; la curva di raffreddamento del vetro porta ad un graduale decremento nel volume specifico per tutta la durata dell intervallo di raffreddamento. Secondo, la curva del vetro contiene un marcato decremento nella pendenza ad una temperatura di transizione vetrosa che non hanno gli altri materiali ceramici I modificatori di reticolo di un vetro sono ossidi che rompono il reticolo vetroso. Esempi sono Na 2 O, K 2 O, CaO e MgO. Questi ossidi influenzano il reticolo vetroso di silice rompendo il reticolo nei punti dei tetraedri. Come risultato, i tetraedri hanno atomi di ossigeno con un elettrone non condiviso, mentre i cationi metallici dell ossido rimangono come ioni ionicamente legati negli interstizi del reticolo. I modificatori di vetro vengono aggiunti al vetro silicato per facilitare la formatura e la lavorabilità del vetro abbassando la sua viscosità.

3 11.65 Gli ossidi intermedi dei vetri sono ossidi che non possono formare un reticolo vetroso da soli, ma possono legarsi con uno già esistente. Questi ossidi possono agire come modificatori della struttura e diventare una parte della catena del reticolo. Nell ultimo caso, qualche volta lasciano il reticolo senza elettroni e devono essere aggiunti cationi alcalini per la neutralità di carica. Gli ossidi intermedi vengono aggiunti al vetro per ottenere speciali proprietà. Per esempio, grandi quantità (60%) di ossido di piombo può essere aggiunto per produrre vetro ornamentale di grande brillantezza Il diamante è il materiale più duro esistente in natura. La durezza di tutti gli altri materiali viene riferita a quella del diamante. Questo è dovuto alla sua struttura atomica di reticolo covalente. Il diamante è un eccellente isolante elettrico perché tutti gli elettroni di valenza sono strettamente mantenuti in posizione mediante legami covalenti. Questi elettroni non possono essere attivi nel processo di conduzione sotto normali condizioni. Il diamante è un ottico conduttore di calore. Questo è dovuto alla sua struttura covalente e allo stretto impaccamento. Le vibrazioni termiche degli atomi viaggiano facilmente attraverso il reticolo a causa dello stretto impaccamento. Problemi di sintesi e di valutazione a) Vantaggi: resistenza meccanica ad alta temperatura, basso peso (minore densità rispetto ai metalli), resistenza all usura, stabilità chimica (anche ad alta temperatura), basso coefficiente di attrito (minore necessità di lubrificazione). Svantaggi: fragilità, bassa tenacità, più costosi, difficili da lavorare in forme complesse. Se i ceramici non fossero fragili e avessero maggiore tenacità, potrebbero essere materiali perfetti per l impiego in motori. (b) È possibile ottenere un composito metallo-ceramico. La duttilità dei metalli aumenta la tenacità del materiale ceramico. Per esempio, il composito tungsteno-ossido di silicio. Porre un metallo su un ceramico compatto ed applicare calore per fondere il metallo. Il metallo (rammollito) potrà diffondere attraverso i pori e solidificherà quando raffreddato È facile ottenere forme complesse dai metalli utilizzando processi come la colata o la forgiatura. Si possono facilmente fondere i metalli e fonderli o deformarli plasticamente in forme complesse. Poiché i metalli fondono facilmente e si deformano mediante il movimento delle dislocazioni, occorre bassa energia per ottenere forme complesse. Questo non è il caso dei materiali ceramici. Le tecniche tradizionali di fusione e forgiatura non possono essere utilizzate con i ceramici. Questo perché si usa la metallurgia delle polveri per compattare e sinterizzare i componenti ceramici. Inoltre, è praticamente impossibile determinare il movimento delle dislocazioni nei ceramici a causa dei forti legami ionico-covalente tra gli atomi. In altre parole, è molto difficile provocare lo scorrimento nei ceramici (semplicemente di rompono e non si deformano) a) Il composito a fibre di silicio (HRSI) potrebbe essere un candidato adeguato perché può resistere a circa 1260 C, poco lontano da 1650 C. (b) I compositi carbonio-carbonio possono mantenere la loro integrità a temperature alte come 2800 C. (c) Il più importante aspetto per il materiale è di resistere allo shock termico (un improvviso aumento di temperatura). Deve anche avere un alta conducibilità termica.

4 11.81 (a) La resistenza meccanica del calcestruzzo può essere aumentata in trazione ponendo delle barre di acciaio nel calcestruzzo. Per esempio, nello schema mostrato qui sotto, se la superficie del calcestruzzo è esposta a trazione per flessione, le barre di acciaio sopporteranno la tensione e proteggeranno il calcestruzzo dalla rottura e dal fallimento. Il legame tra calcestruzzo e barre di acciaio deve essere adeguato. (b) Se il legame non fosse adeguato, il carico di trazione non sarebbe trasferito alle barre ed il calcestruzzo di romperebbe. barre di acciaio calcestruzzo a) Chiaramente, la resistenza dei materiali ceramici a corrosione per vaiolatura e per usura li rendono ottimi candidati per questa applicazione. (b) L allumina (Al 2 O 3 ) sarebbe un eccellente candidato per la sua resistenza all usura. (c) Il costo dovrebbe essere un punto di discussione. Infatti questi componenti potrebbero essere difficili da produrre a grande velocità (grande scala) Nell ambiente motore, spesso è necessario rivestire la superficie del pistone o del cilindro con un materiale ceramico per proteggere il metallo dall ossidazione ad lata temperatura e dalla corrosione. Un rivestimento ceramico può essere prodotto su un substrato metallico utilizzando simultaneamente l applicazione di pressione e calore. ceramico metallo Q(calore) pressione Se l applicazione non prevede sforzi e se la cricca non ha raggiunto il substrato, allora non c è immediato interesse. Il substrato sarà ancora protetto. cricca rivestimento substrato

5 Se l applicazione prevede un carico, allora c è da preoccuparsi perché la cricca potrebbe crescere e causare il distacco. Questo esporrà il substrato al danneggiamento. Il rivestimento deve essere riparato. distacco substrato

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