Materiali ceramici: legami, struttura e proprietà:

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1 Materiali ceramici Ceramica dal greco Kéramos terra da cuocere. La definizione di materiali ceramici è difficile, per la grande variabilità di materiali coinvolti

2 Materiali ceramici: legami, struttura e proprietà: In generale sono materiali resistenti, duri e refrattari (elevato punto di fusione e quindi elevata temperatura di esercizio). Queste proprietà sono dovute ai forti legami chimici primari che sono di tipo ionico, o covalente o misto ionicocovalente. A volte anche i legami secondari sono importanti, esempio grafite: legami covalenti fra atomi di C nel piano, mentre legami secondari deboli fra i piani che quindi possono scorrere l uno rispetto all altro (mina delle matite). Bassa conducibilità elettrica, sono isolanti. Non sono presenti elettroni liberi che possano condurre l elettricità. Questo è legato alla natura dei legami ionici e covalenti. Possono diventare dei conduttori ionici, cioè la conduzione avviene per moto diffusivo degli ioni, aumentando la temperatura (alle alte temperature aumentano i difetti puntuali, detti vacanze, e la diffusione diventa veloce). La conducibilità termica (intermedia fra metalli e polimeri) e il coefficiente di espansione termica, dipendono dal tipo di legame e dalla struttura. Sono fragili perché mancano i meccanismi di scorrimento (dislocazioni) visti per i materiali metallici. I legami covalenti sono forti e direzionali, per deformare il materiale il legame dovrebbe rompersi e riformarsi ogni volta. Nei ceramici ionici c è una forte repulsione elettrostatica fra ioni positivi e negativi che impedisce uno scorrimento fra piani.

3 Come si ottengono i materiali ceramici: dalle polveri ai prodotti I ceramici si producono partendo dalle polveri mediante un processo di cottura. Nei ceramici tradizionali le materie prime si trovano in natura sotto forma di minerali di argilla e silice. Le polveri vengono cotte, ovvero vetrificate. Nei ceramici avanzati le polveri di partenza sono quasi sempre ottenute per sintesi e vengono sottoposte a un trattamento termico detto: sinterizzazione. Durante questi processi le particelle si legano e coalescono sotto l influenza del calore, dando luogo a un ritiro del volume con diminuzione della porosità. Tale processo è un processo di formatura, in quanto i ceramici non sono lavorabili per deformazione plastica e nemmeno alle macchine utensili.

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5 CERAMICI TRADIZIONALI I manufatti in materiali ceramici tradizionali sono ottenuti a partire da minerali argillosi con o senza aggiunte di altre sostanze. Sono foggiati a freddo e consolidati per azione del calore. Anche se le principali trasformazioni irreversibili avvengono in cottura dai 450 C, la coesione del prodotto e una sua resistenza meccanica e chimica soddisfacente difficilmente si ottengono se la temperatura di cottura non supera almeno i 700 C. Le ceramiche tradizionali possono essere classificate tenendo conto di due caratteristiche del loro impasto: il colore e la porosità. Una ulteriore suddivisione è possibile in base alla presenza di un rivestimento.

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7 TERRECOTTA Rappresenta il prodotto ceramico più antico, conosciuto presso tutte le civiltà. Ne è un esempio l esercito di terracotta che fu voluto dall imperatore Qin Shi Huangdi, nato nel 259 a.c., lo stesso imperatore che unì la Cina, uniformò la grafia usata ancora oggi e fece costruire la Grande Muraglia cinese. Il celebre esercito è stato ritrovato per caso nel 1974 a Xian, in Cina ed è posto a guardia della tomba dell imperatore Qin Shi Huangdi.

8 TERRECOTTE Le terrecotte rivestono una grande importanza nel settore delle costruzioni, infatti i laterizi sono proprio le terrecotte ad uso architettonico. Sono ottenuti per cottura di miscele di argilla, quarzo e carbonati a temperature non superiori a 900 C. La loro colorazione in genere varia dal giallo chiaro al rosso-arancio (dipende dalla quantità di ossido di ferro presente), ma non mancano esempi di produzioni di mattoni volutamente grigio-neri. Comprendono: mattoni e blocchi per strutture verticali e orizzontali e gli elementi di copertura (tegole e coppi), oltre a pezzi speciali ed elementi decorativi. Le terrecotte sono utilizzate anche per produrre vasi, brocche, o vasellame da cucina, come tazze, piatti. In quest ultimo caso deve essere applicato un rivestimento.

9 GRÈS L impiego del grès in architettura riguarda soprattutto piastrelle per interni ed esterni, grazie alla sua elevata resistenza meccanica. Inoltre i grès offrono buone prestazioni antigelive (resistenza a temperature molto rigide). Si utilizzano anche dove sono necessarie particolari prestazioni di resistenza chimica, ad esempio sono un materiale eccellente per i tubi delle fognature e per rivestire i piani di lavoro dei laboratori chimici. GRÈS PORCELLANATO SMALTATO IL GRÈS IN LABORATORIO

10 Gli isolatori per le linee di trasmissione della corrente elettrica sono fatti in porcellana, vetro o materia sintetica e la loro superficie presenta una struttura ad alette. Più è alta la tensione e più lunghi sono gli isolatori. La porcellana è un isolante elettrico

11 I ceramici tradizionali sono ottenuti dalla cottura di miscele di argilla e altri minerali.

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14 Materie prime dei ceramici tradizionali Le materie prime utilizzate per la produzione di ceramici tradizionali ricadono in tre gruppi: Argille - Le argille sono costituite da silicati idrati di alluminio (xal 2 O 3 ysio 2 zh 2 O). Fra questi ci sono la caolinite (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O) e la montmorillonite (Al 2 O 3 4SiO 2 H 2 O). Questi minerali sono formati da particelle di forma piatta con dimensione dell ordine di qualche micron. Quando sono mescolate con acqua possono scorrere le une sulle altre permettendo all impasto di essere deformato plasticamente. Silice Di solito è aggiunta sotto forma di sabbia di quarzo. Serve da riempitivo inerte, utilizzato per impartire al verde (cioè al manufatto non ancora cotto) la resistenza necessaria per sagomare l oggetto, fargli mantenere la forma durante la cottura, regolando il ritiro. Feldspati sono alluminosilicati che contengono sodio (Na), potassio (K) o calcio (Ca). Si usano come fondenti, infatti riducono la temperatura di fusione delle argille.

15 Tra gli strati cristallini delle argille possono essere assorbiti cationi e acqua. La presenza di acqua conferisce plasticità all impasto argilla-acqua. L acqua agisce come lubrificante consentendo lo scorrimento dei microcristalli di argilla l uno sull altro. Quindi l impasto argilla-acqua si deforma sotto l azione di una pressione esterna ma conserva la forma se la pressione viene rimossa. Aumentando il contenuto di acqua si aumenta la plasticità e quindi la deformabilità, tuttavia aumenta anche il ritiro in fase di essicamento. Un ritiro elevato può dar luogo a deformazioni e tensioni interne che possono compromettere l integrità del manufatto.

16 Formatura (a secco, a umido, a plastico) Debonding Cottura (sinterizzazione)

17 Preparazione dell impasto Per la produzione di mattoni e piastrelle si usano spesso le materie prime così come estratte dalle cave, in quanto le argille contengono già sia inerti (silice) che fondenti (feldspati). Nel caso delle ceramiche bianche le materie prime devono essere più pure, ad esempio come argilla si utilizza solo il caolino. Le argille vengono selezionate in base alla lavorabilità, fusibilità e colore di cottura. La silice in base alla purezza e distribuzione granulometrica delle particelle. Le materie prime selezionate vengono miscelate con opportuni leganti per ottenere un impasto omogeneo.

18 Metodi industriali di formatura nella ceramica tradizionale Il metodo di formatura è selezionato in base al tipo di produzione. Ciascun metodo necessità di un certo contenuto di acqua nell impasto. Pressatura uniassiale - interessa soprattutto il settore delle piastrelle e delle stoviglie e comporta un 5-7% di acqua. Estrusione - è in uso soprattutto per i laterizi e piastrelle e comporta un 15-20% di acqua. Colaggio - è il sistema adottato per i sanitari e presenta un contenuto di acqua del 35-40%.

19 FORMATURA PER PRESSATURA UNIASSIALE - 5-7% d acqua nell impasto - la pressione serve per eliminare eventuali porosità ed ottenere una specifica forma. Coppo stampato, con nervature trasversali per evitare lo scivolamento

20 FORMATURA PER ESTRUSIONE Una vite spinge in modo continuo il materiale attraverso una matrice. Si producono forme semplici come tubi, barre cave o piene e lastre. Queste forme possono essere tagliate all uscita dall estrusore in pezzi più corti. Si possono ottenere mattoni forati. Estrusione di laterizi

21 FORMATURA PER COLAGGIO Si prepara una miscela di argilla e acqua molto fluida chiamata barbottina. La barbottina viene versata in uno stampo di gesso poroso. Il gesso, essendo poroso, assorbe gradualmente l acqua della barbottina facendo solidificare il materiale che rimane a contatto con lo stampo. Dopo avere raggiunto lo spessore desiderato, l impasto fluido in eccesso viene eliminato. Il pezzo viene lasciato asciugare per qualche minuto e si procede all apertura dello stampo. Con questa tecnica si possono realizzare anche forme complesse (ad esempio sanitari). Pezzo uscito dallo stampo Stampo dopo l apertura

22 FORMATURA PER COLAGGIO

23 ESSICCAMENTO Il manufatto viene lasciato essiccare all aria. L essicazione deve essere completa e uniforme per garantire durevolezza all oggetto. Durante questo processo il pezzo perde l umidità residua e quindi la sua plasticità (si fissa la forma).

24 COTTURA Nella cottura intervengono reazioni chimiche di trasformazione delle materie prime e processi di vetrificazione. E un riscaldamento graduale che avviene in forni continui. I pezzi si muovono su un nastro trasportatore attraverso il forno. La massima temperatura viene raggiunta circa a metà del forno, poi nella seconda parte la temperatura del flusso d aria si abbassa gradualmente fino alla temperatura ambiente. Durante la cottura si formano aghi di mullite. Durante la cottura viene rimossa l acqua legata chimicamente ai vari componenti e si ottiene coesione fra le particelle e riduzione della porosità mediante parziale vetrificazione.

25 FINITURA I ceramici possono essere ricoperti da uno strato sottile di materiale vetroso trasparente (vetrina) od opaco (smalto), per renderli impermeabili ai fluidi, per proteggerli dall usura e per avere una migliore finitura superficiale. Gli smalti possono essere colorati. L applicazione avviene per immersione, a spruzzo o mediante delle macchine che realizzano un velo di smalto aderente al prodotto. Per i prodotti smaltati, in genere, si utilizza la bicottura, ovvero prima la cottura del supporto e poi quella del pezzo smaltato. Per la produzione di sanitari e piastrelle, invece, si applica la monocottura. Lo smalto viene applicato sul supporto crudo (dopo essicamento) e poi il pezzo viene sottoposto a cottura.

26 Proprietà dei ceramici tradizionali Densità 2 porosi). 2,5 g/cm 3 (valori anche più bassi nel caso di materiali molto Materiali a comportamento elastico. Elevata rigidezza (modulo di Young E = GPa). Buona resistenza a compressione, ma bassa a trazione. Sono fragili, con bassa tenacità a frattura. Solitamente sono ottimi isolanti termici ed elettrici, fanno eccezione il diamante (ottimo conduttore termico) e la grafite (conduttore elettrico). Sono in genere opachi, anche se le porcellane più fini (spessore sottile) possono essere traslucide. Hanno elevate temperature di esercizio. Sono stabili chimicamente (inerzia chimica): non degradano nè a contatto con l acqua, nè con solventi organici.

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