APPLICAZIONI DEI CERAMICI

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Mirella Vitale
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1 APPLICAZIONI DEI CERAMICI Classificazione dei materiali ceramici in base alle loro applicazioni vetri prodotti argillosi refrattari abrasivi cementi ceramici avanzati vetri vetri ceramici prodotti argillosi strutturali porcellane bianche argillosi silicei basici speciali

2 I PRODOTTI ARGILLOSI La materia prima maggiormente utilizzata è l argilla che ha i seguenti vantaggi: Presente in grande abbndanza in natura Poco costosa È utilizzata così come estratta senza arricchimento o raffinazione È facilmente modellabile Ci sono due categorie: 1. prodotti argillosi strutturali 2. porcellane bianche

3 I REFRATTARI Le proprietà salienti di questi materiali sono dovute alla capacità di sopportare elevate temperature senza fondere o decomporsi, di fornire isolamento termico e di essere inerti negli ambienti aggressivi. GLI ABRASIVI Sono usati per abradere, molare, rettificare, smerigliare, tagliare materiali che necessariamente devono essere più teneri. Pertanto il requisito principale è la durezza e, poichè l attrito riscalda, devono essere caratterizzati anche da un buon grado di refrattarietà. Sono usati come abrasivi i diamanti, sia naturali che sintetici (estremamente cari), i carburi di silicio e tungsteno, l ossido d alluminio, la sabbia di silice. I CEMENTI La caratteristica di questi materiali (cemento, gesso di Parigi, calce, ) è che mescolati con acqua formano una pasta che successivamente fa presa ed indurisce. Questa proprietà è sfruttata per realizzare rapidamente strutture solide e rigide di forma qualsiasi.

4 I CERAMICI AVANZATI Sistemi microelettromeccanici (MEMS) (sistemi intelligenti miniaturizzati formati da dispositivi meccanici -ad esempio microsensori, ingranaggi, -integrati con elementi elettrici su substrati di silicio) Fibre ottiche (elementi cruciali nel sistema moderno di telecomunicazioni) Cuscinetti a sfere ceramici (in cui le sfere di acciaio sono state sostituite da sfere di nitruro di silicio)

5 I VETRI Sono silicati non cristallini contenenti altri ossidi (in particolare CaO, Na 2 O, K 2 O e Al 2 O 3 ) che ne influenzano le proprietà. Ad esempio un vetro calce-sodico è composto approssimativamente dal 70% in peso di SiO 2 ed il restante 30% principalmente di CaO (sotto forma di carbonato di calcio CaCO 3 -calce) e Na 2 O (sotto forma di carbonato di sodio Na 2 CO 3 -soda). Le principali qualità di questi materiali sono la trasparenza ottica la facilità con cui possono essere lavorati

6 I VETRI È un materiale ottenuto per solidificazione di un fuso senza cristallizzazione. In pratica è un fluido ad altissima viscosità. Caratteristiche principali: assenza di ordine a lungo raggio (amorfo) assenza di un punto di fusione ben definito la sua viscosità diminuisce all aumentare della temperatura è isotropo

7 Struttura simulata bidimensionale della silice cristallina (a sinistra) e di un vetro di silice (a destra) SiO2, silice cristallina-quarzo SiO2, silice vetrosa

8 E' assolutamente comune che due materiali di identica composizione chimica, ma diversa struttura (e aggregazione) abbiano proprietà diverse (e di diversa natura). Materiale Densità (g/cm 3 ) Indice di rifrazione SiO 2, quarzo 2.65 n 1 = n 3 = SiO 2, silice vetrosa (isotropo)

10 I VETRO-CERAMICI Molti vetri inorganici possono passare da uno stato non cristallino ad uno cristallino mediante appropriato trattamento termico (cristallizzazione) ad elevata temperatura. Il prodotto di tale processo è un materiale policristallino a grana fine misto con materiale amorfo. Di solito per favorire la cristallizzazione viene aggiunto al vetro un promotore di cristallizzazione (spesso TiO 2 ). Alcuni sono trasparenti, altri opachi. Proprietà: Elevata resistenza meccanica Basso coefficiente di espansione termica Elevata resistenza ad alte temperature Buone proprietà dielettriche Buona compatibilità biologica Facili da costruire Sono commercialmente prodotti con i marchi registrati di Pyroceram TM, Corningware TM, Cercor TM e Vision TM.

11 Sicatalogaunvetrocomeotticose: Ha proprietà ottiche ben definite e riproducibili È otticamente omogeneo Non presenta bolle, striature, strain, inclusioni.

12 FABBRICAZIONE E TRATTAMENTI DEI VETRI PROPRIETÀ TERMICHE DEI MATERIALI VETROSI I materiali vetrosi non solidificano come i materiali cristallini. Al diminuire della temperatura un vetro diviene progressivamente più viscoso fino a diventare un solido: la temperatura di solidificazione, però non è ben definita come per i cristalli. Ciò che distingue i due tipi di materiali è la dipendenza del volume specifico (V sp =V/m = 1/ρ) dalla temperatura: I materiali cristallini solidificano alla temperatura di fusione T m. Caratteristica dei materiali vetrosi è la temperatura di transizione vetrosa (o temperatura fittizia) T g.

13 Comportamento Viscosità vs Temperatura del vetro La viscosità è una proprietà dei fluidi che dipende dall entità delle forze di reciproca attrazione che esistono tra le particelle del liquido. Nel S.I. si misura in N m -2 s = Pa s. Si usa anche il poise (P): 1 P = 1 g s -1 cm -1 1 Pa s = 10 P Andamento logaritmico della viscosità in funzione della temperatura per la silice fusa ed altri vetri silicei

14 Punti caratteristici nel diagramma Temperatura-Viscosità del vetro Punto di fusione: la viscosità è pari a 10 Pa s il vetro è sufficientemente fluido da poter essere considerato un liquido Soglia di lavorabilità: la viscosità è pari a 10 3 Pa s ilvetroèfacilmentedeformabile Punto di rammollimento: la viscosità è pari a Pa s massima temperatura a cui un elemento può essere maneggiato senza causare significative alterazioni Punto di ricottura: la viscosità è pari a Pa s nonostante la viscosità sia elevatissima c è ancora diffusione a livello atomico Soglia di deformazione: la viscosità è pari a Pa s il vetro è rigido e a temperature inferiori si ha la frattura prima della deformazione plastica

15 Differenze fra un solido vetroso ed uno cristallino Il passaggio dallo stato liquido al solido avviene in modo progressivo (assenza di calore latente di fusione) I materiali vetrosi hanno una velocità di raffreddamento al di sotto del punto di fusione maggiore della velocità di cristallizzazione: gli atomi si congelano in posizioni fuori dall equilibrio I materiali che esistono nello stato vetroso sono dotati di viscosità elevata in prossimità del punto di solidificazione Lo stato vetroso non è termodinamicamente stabile (il vetro tende ad evolvere verso la cristallizzazione, energeticamente più favorevole).

16 A. Liquido e liquido sottoraffreddato: gli atomi compiono un moto di tipo diffusivo e la loro posizione media cambia nel tempo B. Vetro: gli atomi sono congelati in posizioni di equilibrio disordinate, attorno alle quali comipono movimenti vibrazionali C. Materiale cristallino: gli atomi sono congelati in posizioni di equilibrio disposte su un reticolo ordinato, attorno alle quali comipono movimenti vibrazionali

17 Accessori: affinanti, decoloranti, coloranti ed opacizzanti 1. Affinanti: sviluppano, sotto l azione del calore dei gas che omogeneizzano la massa fusa trascinando a galla bollicine di gas che si formano durante la fusione. 2. Decoloranti: le impurezze di ossido di ferro presenti nelle materie prime danno una colorazione non richiesta, per eliminarla si utilizza biossido di manganese MnO 2, il selenio, l ossido di nichel. 3. Coloranti ed Opacizzanti: affinchè i vetri risultino colorati è necessario introdurre sostanze minerali contenenti metalli di transizione che nella loro forma ionica conferiscono varie colorazioni al campione.

18 Stabilità chimica La resistenza del vetro alla corrosione chimica è una delle ragioni del suo utilizzo. Tuttavia a seconda della composizione del vetro e dalla natura dell ambiente chimico si ottengono vetri ad alta e bassa (e.g. biovetro) durabilità. Tempra termica Il vetro temprato viene ottenuto raffreddando molto rapidamente il vetro dopo che è stato scaldato al di sopra della Tg. La superficie si raffredda per prima e solidifica. Il cuore si raffredda dopo, e la sua contrazione è ostacolata dallo scheletro già formatosi (superficie rigida). L interno dello strato resta quindi sollecitato a trazione. Il processo funziona perché il vetro resiste meglio a compressione che a trazione. In questo modo, se si applica uno sforzo di trazione, esso deve superare la precompressione e la resistenza a trazione prima che la lastra si rompa.

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