CATEGORIE DI SINTERIZZAZIONE

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Silvestro Rocco
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2 CATEGORIE DI SINTERIZZAZIONE VETRIFICAZIONE Una elevata porzione del materiale si trasforma in fase liquida SINT. IN PRESENZA DI FASE LIQUIDA Una piccola porzione del materiale si trasforma in fase liquida: metodo utilizzato per produrre la maggior parte dei prodotti ceramici NON REATTIVA REATTIVA SINT. ALLO STATO SOLIDO Avviene in assenza di fase liquida EVAPORAZIONE-CONDENS. PROCESSI DIFFUSIVI

IN PRESENZA DI FASE LIQUIDA Una piccola porzione del materiale si trasforma in fase liquida: metodo

3 Porcellana: esempio di sinterizzazione in flusso viscoso Caolino - quarzo (smagrante) - feldspato (fondente) nella proporzione 50/25/ C: evaporazione dell l acqua in eccesso 560 C: si libera l acqua di cristallizzazione metacaolino 1100 C: cristallizzazione di mullite 3Al 2 O 3 2SiO 2 Mullite - quarzo - liquido (oltre il 60% fase vetrosa) quarzo zone vetrose pori fase liquida derivante dai feldspati Aghi di mullite

100 C: evaporazione dell l acqua in eccesso 560 C: si libera l acqua di cristallizzazione metacaolino 1100

5 Prodotti ceramici tradizionali Struttura Stato della superficie Colore Laterizi porosa non smaltata supporto colorato Piastrelle porosa o greificata smaltata o non supporto colorato o bianco Sanitari porosa o greificata smaltata supporto bianco Porcellane tecniche greificata smaltata supporto bianco

greificata smaltata o non supporto colorato o bianco Sanitari porosa o

6 Laterizi: prodotti a pasta porosa: cotti tra 800 e 900 C e quindi vetrificati solo parzialmente Mattoni da pavimentazione (clinkers): ben vetrificati e posseggono una struttura compatta, con ridotta porosità ed elevate caratteristiche di durezza, resistenza meccanica e resistenza all abrasione. Porcellana e il grès: maggiormente vetrificati (e perciò cotti alle temperature più elevate) - ampiamente utilizzati nell industria chimica per la loro resistenza agli acidi Porcellana: talmente vetrificata da essere completamente esente da porosità e translucida in sezioni sottili Grès un po meno vetrificato (porosità 2-4%) ugualmente definito prodotto a pasta compatta

Porcellana e il grès: maggiormente vetrificati (e perciò cotti alle temperature più elevate) - ampiamente utilizzati nell industria chimica per la loro resistenza

11 Microstruttura fine Microstruttura a grana grossa Pori isolati entro i grani

12 REFRATTARI Materiali aventi elevata stabilità meccanica, termica e inerzia chimica in ambienti dove si svolgono processi fisico-chimici ad alta temperatura Materiali la cui temperatura di fusione è superiore a 1500 C Composti chimici puri ad alto punto di fusione: Al 2 O 3 e MgO; costosi e difficili da formare. La maggior parte dei refrattari industriali sono perciò costituiti da miscele di composti ceramici. I refrattari sono materiali policristallini che contengono una o più fasi cristalline, generalmente una fase porosa e spesso una fase vetrosa I refrattari sono di solito fragili a temperatura ambiente, hanno una bassa resistenza meccanica e mostrano deformazione plastica ad elevate temperature Proprietà dei refrattari densi (con bassa porosità) - Alta resistenza alla corrosione -Alta resistenza all'erosione, penetrazione di liquidi e gas Proprietà dei refrattari isolanti (ad elevata porosità) - Elevato isolamento termico - Elevata resistenza allo shock termico

La maggior parte dei refrattari industriali sono perciò costituiti da miscele di composti ceramici.

13 Refrattari: classificazione Tradizionale: natura chimica e comportamento aspetto fisico-morfologico ACIDI: possono venire a contatto con sostanze acide - silicei - silico alluminosi - alluminosi BASICI: Possono venire a contatto solo con sostanze basiche - magnesiaci - forsteritici - cromo magnesiaci - magnesio cromitici - dolomitici NEUTRI - cromitici -Formati -Informi -fibrosi Classificazione in funzione della composizione chimica Silicoalluminosi: Al 2 O 3 < 44% Alluminosi: Al 2 O 3 > 44% PROVE SPERIMENTALI -peso specifico assoluto ed apparente -porosità apparente e totale -resistenza meccanica a freddo e a caldo -refrattarietà piroscopica e sotto carico -comportamento al creep -proprietà termiche (dilatazione, conducibilità) e termomeccaniche (resistenza allo shock termico) -resistenza alla corrosione Silicei: SiO 2 > 95-98% Magnesiaci: MgO 90% Speciali: A base di SiC A.Z.S. elettrofusi

Classificazione in funzione della composizione chimica Silicoalluminosi: Al 2 O 3 < 44% Alluminosi: Al 2 O 3 > 44% PROVE SPERIMENTALI -peso specifico assoluto ed apparente -porosità apparente e

16 La resistenza allo shock termico aumenta se: - aumenta la capacità di deformazione plastica - aumenta la resistenza a rottura - aumenta il coefficiente di trasmissione del calore - minore è il coefficiente di dilatazione La resistenza allo shock termico viene comunque sempre misurata sperimentalmente con prove che prevedono cicli successivi di riscaldamento e brusco raffreddamento. La resistenza viene usualmente espressa come numero di cicli che hanno portato alla rottura del provino, ovvero indicando che il provino è rimasto integro dopo un numero prefissato di cicli. La valutazione della resistenza all'attacco chimico si esegue ad esempio misurando la profondità di attacco raggiunta dopo trattamento alla temperatura di esercizio di un blocchetto di refrattario che presenta un foro cieco contenente una pastiglia di scoria

La resistenza viene usualmente espressa come numero di cicli che hanno portato alla rottura del provino, ovvero indicando che il provino è rimasto integro dopo un numero prefissato di cicli.

17 MATERIALI CERAMICI AVANZATI strutturali funzionali (o elettroceramici) rivestimenti compositi

18 Ceramici strutturali accurato controllo della purezza delle materie prime e delle diverse fasi del processo produttivo microstruttura controllata, controllo delle cause che comportano l'elevata fragilità Principali ceramici strutturali: allumina (Al 2 O 3 ), carburo di silicio (SiC), nitruro di silicio (Si 3 N 4 ), Sialon (SiAlON), ossido di zirconio (ZrO 2 ), carburo di boro (B 4 C) Elevata durezza, bassa densità, resistenza meccanica ad alta temperatura, resistenza al creep, resistenza alla corrosione Difetti: elevato costo del prodotto finale, scarsa affidabilità, scarsa riproducibilità

silicio (Si 3 N 4 ), Sialon (SiAlON), ossido di zirconio (ZrO 2 ), carburo di boro (B 4 C) Elevata durezza, bassa densità, resistenza meccanica ad

20 Allumina (Al 2 O 3 ) La densificazione può essere completa, con cottura che varia da T = C per 88 % Al 2 O 3 a T > 1750 C per 99,7% Al 2 O 3 con cicli di circa 36 ore. Tuttavia, l utilizzo di polvere di allumina reattiva prodotta per via chimica può far calare la T di cottura a C per 99.7% Al 2 O 3. La resistenza e la tenacità dell allumina possono essere aumentate significativamente con l introduzione di particelle fini di ZrO 2. Questo effetto si ottiene introducendo particelle di ZrO 2 inferiori al mm di diametro, che al raffreddamento dopo cottura, rimangono nella fase tetragonale (metastabile per T < 1100 C) a causa del vincolo, imposto dalla matrice, all espansione di volume che accompagnerebbe la trasformazione da tetragonale a monoclina. Particelle di ZrO 2 più grosse possono essere stabilizzate nella forma tetragonale anche dal drogaggio con Y 2 O 3.

La resistenza e la tenacità dell allumina possono essere aumentate significativamente con l introduzione di particelle fini di ZrO 2.

22 Carburo di silicio (SiC) Il carburo di silicio viene prodotto commercialmente con un processo che differisce di poco dal processo messo a punto nel 1892 da Acheson. Si utilizza la reazione tra sabbia silicea e coke in un forno a resistenza elettrica SiO2(l) + 3 C(s) SiC(s) + 2 CO(g) (1) La miscela è conduttrice e viene riscaldata in corrente continua fino a 2700 C. Il prodotto, un aggregato di cristalli neri o verdi, si ottiene dopo numerosi giorni. Poiché il carbonio è abbastanza solubile in silicio liquido, si può ottenere il carburo per cristallizzazione ad alta temperatura (circa 1650 C) da un fuso sovrasaturo in SiC: Si(l) + C(s) SiC(s) (2) Buona conduttività elettrica e termica Tradizionale utilizzo SiC come abrasivo La reazione con l ossigeno porta alla formazione di uno strato di silice vetrosa che fa da barriera all ulteriore penetrazione di ossigeno applicazione nelle turbine a gas ad alta temperatura La sinterizzazione del carburo di silicio è resa particolarmente difficile dai bassi coefficienti di diffusione di C e Si (il legame Si-C è covalente per il 90 %). Piuttosto che densificazione si ha ingrossamento del grano LSinterizzazione senza pressione (SSiC) - ottenimento di prodotti ad alta densità viene realizzato principalmente con tre metodi: - Pressatura a caldo (Hot Pressed SiC, HPSiC) -Sinterizzazione reattiva (Reaction-bonded SiC, SiSiC)

23 Nitruro di silicio (Si 3 N 4 ) Il nitruro di silicio è particolarmente interessante come ceramico strutturale perché mantiene elevata resistenza meccanica e al creep ad alta temperatura e possiede notevole resistenza allo shock termico. Lo sviluppo di questo materiale è stato stimolato, come per il SiC, dalla possibile applicazione nelle turbine a gas ad alta temperatura. Il nitrurodi silicio viene ottenuto per reazione di silicio con azoto a T > 1200 C: 3 Si(s) + 2 N 2 (g) Si 3 N 4 (s) -sinterizzazione reattiva -pressatura a caldo -sinterizzazione in assenza di pressione.

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