Sono composti formati da elementi metallici e non metallici, per la maggior parte ossidi, nitruri e carburi.
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- Maria Castaldo
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1 I MATERIALI CERAMICI Sono composti formati da elementi metallici e non metallici, per la maggior parte ossidi, nitruri e carburi. Tra I più comuni: Ossido di alluminio o allumina (Al 2 O 3 ) Biossido di silicio o silice (SiO 2 ) Carburo di silicio (SiC) Nitruro di silicio (Si 3 N 4 ) Inoltre i ceramici classici di minerali argillosi (porcellana), il cemento e il vetro. I ceramici tipicamente sono: molto duri, estremamente fragili poco duttili, isolanti termici ed elettrici, resistenti alle alte temperature ed agli ambienti aggressivi trasparenti/traslucidi/opachi, alcuni magnetici (Fe3O4)
2 Essendo formati da 2 o più elementi, hanno strutture generalmente molto complesse. Il legame varia da puramente ionico a parzialmente ionico. Per i ceramici con legame puramente ionico, la struttura cristallina può essere pensata come composta da ioni (cationi(+) ed anioni(-)). La struttura cristallina viene determinata da: Intensità della carica elettrica degli ioni il cristallo deve essere neutro bilanciamento della carica es: CaF 2 : Ca 2+ e F - Dimensione relativa di cationi (r C ) ed anioni (r A ) di solito r C < r A eogni catione (anione) tende ad avere il massimo numero possibile di anioni (cationi) vicino Le strutture sono stabili quando gli anioni che circondano un catione sono tutti in contatto con esso
3 Il numero di coordinazione (N) dipende da r C / r A. Per uno specifico numero di coordinazione esiste un rapporto minimo critico (calcolato mediante considerazioni geometriche) per il quale si stabilisce il contatto anione/catione. I numeri di coordinazione più comuni per i ceramici sono 4 6 8
4 STRUTTURE CRISTALLINE STRUTTURE CRISTALLINE TIPO AX Stesso numero di anioni e cationi Struttura del salgemma La struttura più comune di tipo AX è quella del NaCl(o salgemma); altri composti sono MgO, MnS, LiF, FeO N = 6 (sia per i cationi che per gli anioni) Struttura cubica a facce centrate (cfc)
5 Struttura del cloruro di cesio (CsCl) N = 8 (sia per i cationi che per gli anioni) Struttura della blenda (blenda di zinco - ZnS - o sfalerite) N = 4 (sia per i cationi che per gli anioni, coordinati in modo tetraedrico) Oltre a ZnS ci sono ZnTe e SiC
6 STRUTTURE CRISTALLINE TIPO A m X p Per anioni e cationi che hanno cariche diverse Esempio: Strutture di tipo AX 2 (fluorite CaF 2 ; ZrO 2 ; UO 2 ; PuO 2 ; ThO 2 ) r C / r A 0.8 N = 8 STRUTTURE CRISTALLINE TIPO A m B n X p Diversi tipi di cationi Esempio: Titanato di bario (BaTiO 3 ha sia cationi Ba 2+ sia Ti 4+ ) Struttura perovskitica; a T>120 C la struttura è cubica.
7 CERAMICI A BASE DI SILICATI Sono composti essenzialmente da Si e O. Per caratterizzare la struttura cristallina, invece di basarsi sulla cella elementare e piu conveniente riferirsi alle diverse disposizioni che puo assumere il tetraedro (carico negativamente) SiO Spesso non sono considerati ionici a causa del carattere fortemente covalente del legame Si-O (direzionale e forte), benchè ad ogni un tetraedro SiO 4 4- sia associata una carica -4. Le varie strutture dei silicati derivano dai diversi modi in cui le unità SiO 4 4- possono essere combinate in disposizioni mono-, bi- e tridimensionali.
8 CERAMICI A BASE DI SILICATI Silice cristobalite Il più semplice dei silicati è il biossido di silicio(silice). È costituito da una rete tridimensionale che si forma quando un atomo di ossigeno al vertice di un tetraedro è condiviso col tetraedro adiacente. Se i tetraedri si dispongono in modo regolare ed ordinato si forma una struttura cristallina. L elevata resistenza dei legami interatomici Si-O causa un punto di fusione molto alto ( 1700 C)
9 CERAMICI A BASE DI SILICATI Esistono 3 forme cristalline primarie polimorfe della silice, molto complesse e poco compatte: quarzo, cristobalite e tridimite.
10 CERAMICI A BASE DI SILICATI Vetri di silice La silice può esistere anche in forma non cristallina con elevato grado di disordine atomico, detta silice fusa o vetrosa. Le unità base sono sempre SiO 4 4-, ma disposte in modo disordinato Altri ossidi (B 2 O 3, GeO 2, ) possono formare strutture vetrose e vengono definiti, insieme alla silice, formatori di strutture reticolari.
11 I vetri inorganici comuni sono vetri di silice a cui sono stati aggiunti altri ossidi come CaO e Na 2 O, che non formano strutture reticolari poliedriche: i loro cationi sono inglobati e modificano il reticolo di ioni SiO 4 4-, per cui sono detti modificatori di reticolo. Altri ossidi, come TiO 2 e Al 2 O 3, anche se non sono formatori di reticolo, sono sostituti del Si e divengono parte del reticolo, stabilizzandolo (ossidi intermediari). Da un punto di vista pratico l aggiunta di intermediari abbassa il punto di fusione e la viscosità del vetro, rendendolo più facilmente lavorabile a basse temperature.
12 CERAMICI A BASE DI SILICATI I silicati I silicati minerali hanno 1, 2 o 3 atomi di O, ai vertici del tetraedro SiO 4 4-, condivisi da altri tetraedri per dar luogo a strutture piuttosto complesse:
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