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Geraldo Pace
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1 Molti ceramici sono sempre più utilizzati nel settore dell elettrotecnica e dell elettronica. Possono costituire il substrato isolante di dispositivi elettrici o elettronici (quando la costante dielettrica relativa è inferiore a 12) grazie alla loro resistenza elettrica, alla limitata densità e al basso coefficiente di perdita nonché, a seconda dell applicazione, grazie alla conducibilità termica e al coefficiente di dilatazione termica simile a quello del silicio. 1

2 Importante, soprattutto in applicazioni di potenza, l andamento della resistività con la temperatura, strettamente dipendente dalla quantità di fase vetrosa (vedi mobilità ionica). Questa peraltro risulta spesso necessaria in fase di sinterizzazione per limitare la porosità e quindi l impermeabilità. 2

3 Alcuni ceramici presentano elevata costante dielettrica (carica massima sopportabile dal circuito). Per questo sono utilizzati come dielettrici (in condensatori o dispositivi simili). Elevata in genere è anche la resistenza dielettrica ovvero la massima differenza di potenziale applicabile. 3

4 I meccanismi alla base della polarizzabilità fanno riferimento alla polarizzazione delle nubi elettroniche, degli atomi (variazione delle distanze di legame), dei dipoli e del reticolo nei sistemi multifasici (migrazione relativa alle cariche attraverso i vari cristalli). Ognuno dei meccanismi presenta una certa velocità e quindi efficacia al variare della frequenza. 4

5 Sempre più utilizzati sono i sistemi integrati basati sull assemblaggio di tape cosinterizzati. 5

6 Dispositivi tipici sono i capacitori multistrato. 6

7 I ceramici ferro-eletttrici sono caratterizzati da un allineamento spontaneo dei dipoli. L applicazione di un campo elettrico esterno causa una polarizzazione residua e un comportamento a ciclo di isteresi. 7

8 La costante dielettrica dipende fortemente dalla microstruttura (grana cristallina) e quindi dal processo produttivo. La polarizzabilità è funzione della temperatura: non si manifesta polarizzazione residua sopra la temperatura di Curie (T C ) come viene evidenziato per il titanato di bario. 8

9 La causa del comportamento osservato va ritrovata nella distribuzione atomica. Nel titanato di bario l atomo di titanio non si trova esattamante al centro della cella cubica e questo genera un dipolo permanentendel materiale che porta alla formazione di domini ferroelettrici (che, in presenza di un campo elettrico, possono venire orientati tutti nella stessa direzione). La struttura ovviamente cambia con la temperatura (sopra i 120 C non ho più polarizzazione residua). 9

10 Alcuni ferroelettrici manifestano anche proprietà piezoelettriche cioè si deformano sotto l azione di un campo elettrico ovvero si polarizzano in presenza di una pressione (manifestando un ciclo di isteresi). Tali materiali si ottengono per raffreddamento sotto campo elettrico da sopra la T C. Più interessanti sono gli elettrostrittivi i quali non manifestano fenomeni di isteresi nella deformazione. 10

11 Numerosissime sono le applicazioni dei piezoelettrici. 11

12 I varistori sono costituiti di materiale con un particolare andamento della curva V-I. In caso di grandi sbalzi di tensione la resistenza elettrica cala notevolmente e per questo sono usati come dispositivo di sicurezza. La ragione di tale comportamento è legato ai livelli energetici possibili al bordo grano (che deve quindi essere particolarmente controllato ) dove il materiale assomiglia ad un semiconduttore. 12

13 Gli ossidi ferromagnetici presentano una struttura a spinello inverso con gli ioni trivalenti sia nei siti ottaedrici che in quelli tetraedrici (nelle strutture a spinello normale gli ioni trivalenti sono tutti nei siti ottaetrici). Questo fa sì che sia presente un momento magnetico netto dipendente dal numero di elettroni dello ione divalente nell orbitale d. 13

14 Sia la magnetizzazione che la temperatura di Curie dipendono dallo ione divalente. 14

15 Sistemi particolarmente interessanti sono le celle a combustibile ad ossido solido. In esse viene prodotta energia elettrica sfruttando una reazione di ossidazione dell idrogeno in acquail funzionamento della pila è garantito a temperature di C; a tali condizioni dalla parte dell anodo è necessario un materiale poroso resistente alla presenza di idorgeno, dalla parte del catodo è necessario un materiale poroso resistente all ossidazione mentre l elettorlita deve essere impermeabile ma conduttore di ioni ossigeno. Per questo possono essere utilizzati solo materiali ceramici che vanno cosinterizzati in un unico componente. Numerosi studi sono in corso ancor oggi per scegliere i materiali ottimali e produrre monocelle prive di difetti. 15

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