Nel processo thermal spray la polvere ceramica viene spinta da un gas nella torcia dove viene fusa e spruzzata contro il substrato da rivestire.

Transcript

1 I ceramici possono essere prodotti: - da polveri - da fuso (per solidificazione) - da fase vapore o gas (tecnica CVD o PVD) - da soluzione (via sol-gel) - da tecnopolimeri Nella produzione da fuso sono necessarie temperature molto elevate; inoltre il notevole ritiro volumetrico in solidificazione e la formazione di grani cristallini molto grandi (vista la limitata conducibilità termica) generano manufatti tensionati o addirittura fratturati. Le tecniche PVC/CVD, sol-gel e da tecnopolimeri sono utilzzate solo per componenti di piccole dimensioni (film, polveri, microcomponenti). 1

2 I processi che partono da polveri sono i più utilizzati. Attraverso la formatura e successiva sinterizzazione si ottiene un componente dalla composizione praticamente simile a quella della polvere di partenza. Nei processi dimox o reaction bonding la composizione finale dipende dalla polvere e dall atmosfera di sinterizzazione. In alcuni casi, è la stessa polvere che reagisce nelle sue componenti per portare ad una composizione diversa (vedi ceramica tradizionale). Si parte comunque in genere da polveri incoerenti; si passa poi alla fase di formatura e quindi alla sinterizzazione per ottenere il pezzo finito. Alternativamente, nei processi dimox o reaction bonding dopo la formatura avviene la sinterizzazione in presenza di un gas reattivo che causa l ottenimento di un componente finito di composizione diversa rispetto alle polveri di partenza. 2

3 Nel processo thermal spray la polvere ceramica viene spinta da un gas nella torcia dove viene fusa e spruzzata contro il substrato da rivestire. Il calore per fondere la polvere è in genere garantito dalla formazione di un plasma (gas ionizzato in presenza di una forte differenza di potenziale tra due elettrodi). Si parla spesso perciò di plasma spray. 3

4 Nel prcesso CVD due gas vengono fatti reagire in modo da formare la sostanza da depositare sull oggetto da rivestire. La produttività è evidentemente limitata. 4

5 Numerosi sono le applicazione della tecnica CVD, utilizzata per la produzione di film o rivestimenti, oggetti monolitici (di piccole dimensioni) ma anche polveri. La temperatura influenza molto la microstruttura del ceramico; a temperature di processo poù basse possono essere ottenuti anche materiali amorfi. 5

6 La struttura del film o rivestimento può essere amorfa, epitassiale (monocristallina) o policristallina a seconda delle condizioni operative e in particolare della costante di equilibrio della reazione di riferimento. K dovrà essere limitata per avere un flusso elevato di reagenti. Se K è elevata, il film sarà piolicristallino. 6

7 La velocità di deposizione è in genere limitata. 7

8 Diverse sono anche le geometrie dei reattori utilizzabili a seconda della tipologia di prodotto. Nella figura a sinistra sono riportati alcuni reattori tipicamente utilizzati nella produzione di rivestimenti. A destra è riportato lo schema di un reattore per la produzione di rivestimenti in diamante; per tale scopo il gas reagente va attivato attraverso un plasma o passando in prossimità di un filamento a 2000 C prima della deposizione a C (MPACVD = microwave plasma assisted CVD). 8

9 Nello sputtering, la ionizzazione di Ar tra due elettrodi fa sì che gli ioni impattano su un target di composizione opportuna i cui atomi, unavolta scalzati, vanno a depositarsi sul substrato. 9

10 Nel processo sol-gel si parte da alcossidi che, in soluzione acquosa, reagiscono formando reticoli ossidici in forma di gel. Questo, una volta riscaldato si trasforma prima in vetro e poi in ceramico. Tali trasformazioni sono accompagnate da una notevole riduzione di volume (superiore al 50%) da cui l impossibilità di produrre componenti di grosse dimensioni. 10

11 Il processo può prendere il via sia dalla soluzione di alcossidi che dal sol (sospensione di finissime particelle). La fase più critica è l essiccazione durante la quale si ha una drastica riduzione di volume. 11

12 L idrolisi va in genere catalizzata da un acido o una base. Se veda l esempio del TEOS. Il risultato è ovviamente differente. 12

13 La condensazione avviene in genere prima che l idrolisi comporti una totale sostituzione dei gruppi alcossidici, anche se in maniera differente a seconda del ph. La tendenza sarà quella a formare catene in catalisi acida e cluster in catalisi basica. 13

14 La tecnica sol gel è utilizzata per la produzione di polveri, fibre e fil sottili. 14

15 In questo caso si parte da specifici polimeri nei quali sono già presenti legami C-Si, C-N, Si-N, ecc. Il polimero può essere formato come una plastica comune e, sottoposto a trattamento di termilisi, va incontro a trasformazione in ceramico e sinterizzazione. Anche in questo caso la trasformazione è accompagnata da una notevole riduzione di volume (superiore al 30%). 15

16 I ceramici prodotti da tecnopolimeri sono in genere non ossidici: nitruri, carburi, ecc. Il polimero di partenza influenza il prodotto finale. 16