I materiali ceramici utilizzati nelle applicazioni automobilistiche, si collocano fra i cosiddetti CERAMICI AVANZATI.

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1 INTRODUZIONE I materiali ceramici utilizzati nelle applicazioni automobilistiche, si collocano fra i cosiddetti CERAMICI AVANZATI. I materiali ceramici avanzati, o neoceramici, trovano la propria origine culturale nei ceramici tradizionali, e in particolare nelle ceramiche tecniche come, per esempio, le porcellane per isolatori elettrici e i materiali refrattari. Dunque giova sottolineare che, salvo in alcuni casi, non si tratta di materiali veramente nuovi, ma di nuove applicazioni di materiali già noti, le cui caratteristiche sono state migliorate e portate ai valori massimi raggiungibili con le tecniche disponibili. Allo stato attuale, non c è una definizione ufficiale per i ceramici avanzati e per questo motivo gli organismi internazionali si stanno muovendo per formulare una definizione nella quale non dovrebbero essere inseriti i vetri e i materiali sotto forma di cristallo singolo. E dunque possibile riassumere la definizione nel seguente modo: prodotti inorganici, non metallici, policristallini, provvisti di rilevanti prestazioni strutturali e/o funzionali. Per prestazioni strutturali, si intende la capacità del ceramico di resistere alle sollecitazioni meccaniche e all usura in condizioni di temperatura e pressione molto elevate; Per prestazioni funzionali le eventuali proprietà elettriche, elettroniche, ottiche e magnetiche che essi possono presentare in particolari condizioni di temperatura, pressione e composizione dell ambiente circostante. Le prestazioni dei materiali ceramici possono essere tradizionali o avanzate a seconda della purezza della materia prima e dell accuratezza del processo produttivo. Nel corso degli anni, grazie al controllo dell intero processo produttivo sempre più accurato, si è ottenuto un crescente miglioramento della microstruttura e, conseguentemente, delle prestazioni cui a corrisposto una continua espansione degli impieghi, come illustrato nella seguente tabella: 1

2 FUNZIONI PROPRIETA APPLICAZIONI MATERIALI Caratteristiche di Lubrificanti solidi Al2O3 C BN attrito Abrasivi e utensili TiC TiN TiB2 Lubrificazione solida Anelli di tenuta B4 CWC ZrB2 Resistenza Parti di macchine di alta SiC Si3N4 ZrO2 Meccaniche all abrasione precisione e lunga Resistenza meccanica durata Durezza e resistenza allo scorrimento viscoso Coefficiente di Rivestimenti di forni SiC TiC TiB2 dilatazione termica Elettrodi per alta Si3N4 BeO Resistenza agli sbalzi temperatura MgO Termiche termici Isolamento Pozzi di calore per l elettronica ZrO2 Al2O3 Conduttività e Barriere termiche capacità Refrattarietà Resistenza alle Combustibili nucleari UO2 UC US radiazioni Rivestimenti e materiali ThS SiC B4C Nucleari Refrattarietà e per schermatura Al2O3 BeO resistenza meccanica all alta temperatura Trasparenza Lenti ottiche per HT Al2O3 MgO Trasmissione Lampade a vapore Y2O3 SiO2 CdS Ottiche Polarizzazione Na,Hg ZrO2 TiO2 ZnS Fluorescenza Fibre ottiche, diodi Fonti per radar laser Isolanti e conduttori Resistenze-capacità Ferriti Elettriche Magnetiche Semiconduttori Dielettrici piezoelettrici Magneti-elettrodi MHD Sensori e trasduttori Oscillatori e pile Ricevitori antenne e Pervskiti SnO, ZnO, SiO2 BeO SiC Al2O3 Superconduttori memorie calcolatori 2

3 Chimiche Biologiche Assorbimento e catalisi Membrane e filtri Catalizzatori, filtri Endo protes, supporti Biocompatibilità Sensori gas e Inerzia chimica temperatura Reattori inerti Tab.1: Applicazioni dei materiali ceramici avanzati Zeoliti, MgO Al2O3 SnO2 ZrO2 Apatite 1. IL PROCESSO CERAMICO 1.1 Polveri ceramiche La produzione dei componenti ceramici, richiede l utilizzazione di polveri di elevata purezza e granulometria uniforme. Esse si possono ottenere da materie prime naturali attraverso una serie di trattamenti chimici di purificazione oppure tramite la sintesi di prodotti chimici più semplici. Una polvere ideale dovrebbe avere composizione chimica e purezza rigorosamente controllate, taglia delle particelle micronica o sub-micronica, assenza di agglomerati, distribuzione stretta e centrata intorno al valore medio con morfologia sferica. 1.2 Sintesi e produzione dei neoceramici I metodi utilizzati dalle industrie per la produzione sono i seguenti: Produzione per reazione allo stato solido Produzione tramite decomposizione termica Produzione di polveri in fase di vapore Metodi in soluzione Dei precedenti metodi di produzione, quella per reazione allo stato solido è la più utilizzata: le materie prime vengono miscelate e trattate ad alta temperatura. Durante il processo si formano le nuove fasi per reazione allo stato solido, durante il quale il trasporto 3

4 di materia avviene per diffusione. Il prodotto viene macinato e non è insolito che la cottura e la macinazione siano ripetute più volte al fine di assicurare la reazione completa e omogenea. Tra le sostanze prodotte con questo metodo ritroviamo: polveri di spinello cubico (MgO*Fe 2 O 3 ) o di ferrito di bario esagonale (BaO*6Fe 2 O 3 ), titanato di bario (BaTiO 3 ), cordierite (2MgO*2Al 2 O 3 *5SiO 2 ) e carburo di silicio (SiC). Una variante di tale sistema è quello della fusione delle polveri reagenti. In questo caso esse vengono esposte all arco elettrico ad alta intensità, che permette di raggiungere anche 6000 C. A seguito del raffreddamento, si formano nuove fasi cristalline che vengono trattate con un metodo simile al precedente. Questa è la tecnologia applicata ai refrattari elettrofusi, con la quale si possono ottenere ossidi e loro combinazioni (Al 2 O 3,ZrO 2,UO 2 ), mullite (3Al 2 O 3 *2SiO 2 ), spodumente (Li 2 O*Al 2 O 3 *4SiO 2 ), ma anche carburi: SiC, TiC e B 4 C. Con la produzione per decomposizione termica, si possono produrre ossidi ceramici per trattamento termico a temperature uguali o leggermente superiori a quella di decomposizione termica dei rispettivi carbonati, nitrati, acetati ossalati ecc. secondo lo schema: A(s)=B(s)+C(g), dove A, B e C rappresentano composti allo stato solido (s), e gassoso (g). In questo modo è possibile produrre Al 2 O 3, MgO, BaTiO 3, (Ni, Zn)Fe 2 O 4, SiC, ecc.. Ovviamente, nel caso di ossidi misti, dopo il periodo di decomposizione è necessario che vi sia la possibilità di una reazione allo stato solido, governata ancora dalla diffusione ma facilitata dal fatto che le distanze di percorso sono ridotte al minimo. La produzione di polveri in fase di vapore sta con gli anni assumendo sempre più importanza dato che consente la produzione di polveri di dimensioni nanometriche, esenti da agglomerati, sovente di forma sferica. I principali inconvenienti sono legati alla difficoltà di produrre polveri multicomponenti a composizione definita e al fatto che esse sono accompagnate da volumi considerevoli di gas che richiedono l impiego di sistemi di separazione complicati e non sempre quantitativi, come filtri meccanici ed elettrostatici. I reagenti possono essere gas, liquidi, o solidi che devono essere in ogni caso portati nella fase di vapore: le temperature di reazione possono raggiungere anche i 1300 C. La tecnica 4

5 può essere suddivisa in tre gruppi: reazioni gas-gas, gas-solido, decomposizione in fase di vapore. Con questa tecnica sono prodotte industrialmente polveri di MgO, Al 2 O 3, Cr 2 O 3 e le loro combinazioni. L ultima metodologia è quella dei Metodi in soluzione : normalmente questi metodi offrono il vantaggio della semplicità di preparazione anche nel caso di composizioni complesse. L obiettivo principale è quello di produrre allo stato solido l omogeneità raggiunta al livello atomico o molecolare nel momento della soluzione. Perciò il passo più delicato è quello della concentrazione e della rimozione del solvente. Tra le tecniche adottate per eliminare il solvente, relative a questo metodo di produzione, si hanno: Precipitazione-filtrazione Evaporazione del solvente Congelamento Sintesi idrotermale Processo sol-gel 1.3 La Formatura Nel processo produttivo la formatura è lo stadio durante il quale una certa quantità di polvere viene modellata nella forma voluta che sarà più o meno vicina a quella finale, dopo il trattamento termico di sinterizzazione. La dimensione finale sarà perfezionata con operazioni di finitura. Sulla base delle prestazioni richieste, il produttore sceglie la tecnologia di formatura più conveniente: criteri e fattori che influenzano la scelta del metodo sono schematizzati nella 5

6 figura 1. Oltre alla forma desiderata, la microstruttura,e il numero di pezzi può essere maggiorato in modo decisivo dai costi aggiuntivi come quelli della finitura. I costi di investimento iniziale elevati, possono risultare convenienti soltanto al di sopra di un numero di pezzi prodotti e commerciabili (punto di pareggio). I metodi di formatura dei ceramici avanzati possono essere suddivisi in: Pressatura (a freddo, a caldo, a umido) Plastica (estrusione, iniezione) Colatura Deposizione su nastro Fig.1.1:Schema del processo produttivo e influenza del numero di pezzi per due differenti tecniche di formatura 1.4 LA SINTERIZZAZIONE Con il termine sinterizzazione, si intende il processo di densificazione di un compatto di polveri il quale comprende la rimozione della porosità tra le particelle di partenza, la coalescenza e la formazione di forti legami tra particelle adiacenti. Questo processo 6

7 costituisce la fase centrale della produzione degli oggetti ceramici, compresi quelli tradizionali, e viene impiegato anche nel settore della metallurgia, sostituendo progressivamente le tecniche della fonderia per la realizzazione di oggetti di forma complessa e di piccole dimensioni. E noto che nell impacchettamento di polveri, considerate come sferette rigide dello stesso diametro, deve rimanere vuoto uno spazio residuo di circa il 26% del volume totale. Naturalmente questo volume vuoto può essere ridotto se la polvere è costituita da particelle non sferiche e di dimensioni diverse, idonee a riempire gli spazi interstiziali che si formano nel contatto tra quelle più grandi. La sinterizzazione tende a ridurre questo spazio vuoto secondo modi e meccanismi che si possono raggruppare in tre diversi tipi: Sinterizzazione viscosa (Vetrificazione) Sinterizzazione con fase liquida Sinterizzazione allo stato solido 7

8 2. PROPRIETA MECCANICHE E TERMICHE DEI MATERIALI CERAMICI 2.1 Generalità Come classi di materiali, i ceramici sono relativamente fragili. La resistenza a trazione dei materiali ceramici è molto variabile, andando da valori molto bassi, minori di 0,7MPa, fino a circa 7000 MPa di alcuni tipi preparati in condizioni accuratamente controllate. In ogni caso, pochi materiali ceramici hanno la resistenza a trazione superiore a 170 MPa. Inoltre, i materiali ceramici evidenziano una grande differenza tra la loro resistenza a trazione e a compressione; in genere la resistenza a compressione è da 5 a 10 volte superiore della resistenza a trazione, come indicato in tabella 2, dove sono indicati i principali materiali ceramici avanzati..2.1: proprietà meccaniche di alcuni ceramici avanzati tab 8

9 Inoltre molti materiali ceramici sono duri e presentano una bassa tenacità (bassa resistenza alle sollecitazioni dinamiche), a causa dei legami iono-covalenti. Ci sono però molte eccezioni alle generalizzazioni sopra illustrate: per esempio l argilla elasticizzata è un materiale ceramico dolce e facilmente deformabile a causa delle deboli forze di legame secondario tra gli strati atomici che hanno invece al loro interno forti legami ionocovalenti. 2.2 Meccanismi di deformazione dei materiali ceramici La mancanza di plasticità nei materiali ceramici cristallini è dovuta ai loro legami chimici ionici e covalenti. Nei metalli la deformazione plastica avviene principalmente mediante il movimento di difetti di linea presenti nella struttura cristallina (dislocazioni) lungo particolari piani di scorrimento del cristallo. Nei metalli le dislocazioni si muovono per effetto di sollecitazioni relativamente basse a causa della natura non direzionale del legame metallico e del fatto che tutti gli atomi coinvolti nel legame metallico hanno una carica negativa distribuita allo stesso modo sulla loro superficie. Quindi non ci sono ioni di carica positiva o negativa coinvolti nel processo di formazione del legame metallico. Nei cristalli covalenti e nei materiali ceramici legati covalentemente, il legame tra gli atomi è specifico e direzionale, in quanto implica lo scambio di carica elettronica tra coppie di elettroni. Di conseguenza, quando i cristalli covalenti vengono sollecitati fino ad un livello sufficiente, mostrano una frattura fragile provocata dalla separazione dei legami tra le coppie di elettroni senza la loro successiva riformazione. I ceramici legati in modo covalente inoltre, sono fragili sia nello stato monocristallino, che in quello policristallino. La deformazione dei ceramici legati prevalentemente con legame ionico è differente. I monocristalli di solidi legati ionicamente, come l ossido di magnesio e il cloruro di sodio, mostrano una considerevole deformazione plastica per effetto di sollecitazioni di compressione a temperatura ambiente. I materiali ceramici policristallini legati 9

10 ionicamente, invece, sono fragili e sviluppano cricche ai bordi di grano. Esaminiamo brevemente alcune condizioni in cui un cristallo ionico può essere deformato, come illustrato in fig Lo scorrimento di un piano di ioni sopra un altro coinvolge ioni di carica differente che vengono a contatto, e quindi possono essere introdotte forze di attrazione e repulsione. La maggior parte dei cristalli con legame ionico che hanno struttura di tipo NaCl scorre lungo i sistemi in quanto lo scorrimento lungo la famiglia di piani coinvolge solo ioni di carica diversa e quindi i piani di scorrimento rimangono legati l uno all altro da forze colombiane durante il processo di scorrimento. Lo scorrimento di tipo è indicato dalla linea AA, di fig.2. D altra parte, lo scorrimento sulla famiglia di piani, viene raramente osservato perché gli ioni della stessa carica entrati in contatto tendono a separare i piani degli ioni che scorrono uno sopra l altro. Lo scorrimento di tipo è indicato dalla linea BB di fig.2. Molti materiali ceramici nella forma monocristallina mostrano una plasticità considerevole. Invece, nei materiali ceramici policristallini, i grani adiacenti devono variare la loro forma durante la deformazione. Dal momento che ci sono pochi sistemi di scorrimento nei solidi con legami ionici, ai bordi di grano si formano delle cricche, e conseguentemente avviene la frattura fragile. Dal momento che molti materiali ceramici importanti dal punto di vista industriale sono policristallini, la maggior parte dei materiali ceramici tendono ad essere fragili. 10

11 Fig.2.1:visione dall alto della struttura dell NaCl 2.3 Fattori che influenzano la resistenza meccanica La rottura meccanica dei materiali ceramici avviene principalmente a causa di difetti presenti nella struttura dei materiali stessi. Le principali cause di innesco della rottura nei materiali ceramici policristallini, sono da attribuire alla presenza di cricche superficiali, prodotte durante la finitura del materiale (porosità), presenti all interno del materiale e di inclusioni di grani di eccessiva dimensione prodotti durante la lavorazione. I pori nei materiali ceramici fragili sono regioni in cui si concentrano gli sforzi, e quando la sollecitazione in un poro raggiunge un valore critico si forma una cricca che si propaga, in quanto in questi materiali, non ci sono processi con elevato assorbimento di energia come quelli che avvengono durante la deformazione nei materiali duttili. Quindi, una volta che le cricche sono innescate, continuano a propagarsi fino alla rottura del materiale. I pori sono dannosi per la resistenza dei materiali ceramici anche perché diminuiscono l area della 11

12 sezione resistente trasversale sulla quale è applicato il carico e quindi diminuiscono lo sforzo nominale che il materiale può sopportare. Pertanto, la dimensione e la frazione volumetrica dei pori nei materiali ceramici sono fattori che influenzano notevolmente la loro resistenza. La fig.2.2, mostra come un aumento della frazione volumetrica dei pori diminuisce la resistenza a trazione dell allumina Al 2 O 3. Fig.2.2: Effetto della porosità sulla resistenza a trazione trasversale per l Al 2 O 3 Anche i difetti possono essere critici nel determinare la resistenza a rottura dei materiali ceramici. Un grande difetto può essere il fattore più importante che influisce sulla resistenza di un materiale ceramico. In materiali ceramici di elevata densità nei quali non ci sono grandi pori, la dimensione dei difetti è di solito messa in relazione alla dimensione dei grani. Per materiali ceramici senza porosità, la resistenza di un materiale ceramico puro è funzione della dimensione dei grani: i materiali ceramici con dimensioni dei grani più 12

13 piccole hanno difetti di dimensioni minori ai loro bordi di grano e quindi sono più forti di quelli con grani di dimensioni maggiori. La resistenza meccanica di un materiale ceramico policristallino è determinata da molti fattori che comprendono la composizione chimica, la microstruttura e le condizioni superficiali come fattori principali. Anche la temperatura e l ambiente sono importanti, come pure il tipo di sollecitazione e la modalità di applicazione. In ogni caso, la rottura della maggior parte dei materiali ceramici a temperatura ambiente è di solito originata dal difetto di dimensione maggiore. 2.4 Tenacità dei materiali ceramici I materiali ceramici, per la loro combinazione di legami covalenti e ionici, hanno una intrinseca bassa tenacità. Negli anni passati è stato effettuato molto lavoro di ricerca con l obiettivo di aumentare la tenacità dei materiali ceramici. Con processi come la pressatura a caldo dei ceramici con l uso di additivi o processi che determinano legami mediante reazioni chimiche, sono stati prodotti materiali ceramici avanzati con tenacità più elevata (vedi tab.2). Su campioni di materiali ceramici possono essere eseguite prove di tenacità alla frattura per determinare i valori di K 1c. In modo analogo alle prove di tenacità alla frattura dei metalli. I valori di K 1c per i materiali ceramici sono ottenuti di solito utilizzando una prova di flessione in quattro punti con un campione a forma di trave con un solo intaglio oppure un campione con intaglio Chevron: 13

14 Fig.2.3: schematizzazione di una prova di tenacità alla frattura per flessione in quattro punti su materiale ceramico utilizzando un intaglio singolo L equazione della tenacità alla frattura: (2.1) che lega i valori di tenacità alla frattura allo sforzo e alla dimensione massima dei difetti, può essere utilizzata per i materiali ceramici. Nell equazione (2.1) K 1c è misurato in MPa, lo sforzo in MPa, e a (metà della dimensione del massimo difetto interno, in metri. Y è una costante adimensionale, pari a circa 1. Questa equazione può essere utilizzata per determinare il massimo difetto che un particolare materiale ceramico, con una tenacità alla frattura e una resistenza note, può tollerare senza rompersi. 14

15 2.4 Rottura per fatica dei materiali ceramici Nei metalli la rottura per fatica avviene in presenza di sforzi ciclici ripetuti, a causa della nucleazione e della crescita di cricche all interno di un area incrudita di un campione. A causa dei legami iono- covalenti degli atomi, in un materiale ceramico durante gli sforzi ciclici, non si ha plasticità. Di conseguenza la rottura per fatica nei materiali ceramici è rara. Recentemente sono stati riportati risultati di una crescita stabile di cricche di fatica a temperatura ambiente sotto sforzi ciclici di compressione-compressione in piastre intagliate di allumina policristallina. Una cricca diritta di fatica è stata prodotta dopo cicli di compressione (fig2.4.a). La propagazione di microcricche lungo i bordi di grano porta alla rottura finale di tipo intergranulare per fatica (fig.2.4.b). E stato svolto molto lavoro di ricerca per ottenere materiali ceramici più tenaci in grado di sopportare sforzi ciclici senza subire fenomeni di fatica per applicazioni quali i rotori delle turbine. Fig.2.4: rottura per fatica dell allumina policristallina; (a) Micrografia ottica che mostra la cricca di fatica (l asse di compressione è verticale). (b) Fotografia al microscopio elettronico a scansione della stessa zona sullo stesso campione dove è evidente la rottura di tipo intergranulare. 15

16 2.5 Materiali ceramici abrasivi L elevata durezza di molti materiali ceramici li rende utili come materiali abrasivi per il taglio, la rettifica e la levigatura di altri materiali con durezza inferiore. L allumina (ossido di alluminio), e il carburo di silicio fusi sono due degli abrasivi ceramici più comunemente utilizzati. Prodotti abrasivi come le carte o le mole sono fabbricati legando insieme singole particelle di materiale ceramico. I materiali leganti includono i materiali ceramici cotti, le resine organiche e le gomme. Le particelle di materiale ceramico devono essere dure e avere spigoli vivi taglienti. Inoltre, il prodotto abrasivo deve avere una struttura con un certo grado di porosità per garantire la presenza di canali per il flusso dell aria o del liquido di raffreddamento. I grani di ossido di alluminio sono più tenaci di quelli di carburo di silicio ma non sono altrettanto duri, e quindi il carburo di silicio viene normalmente utilizzato per i materiali più duri. Combinando l ossido di zirconio con quello di alluminio, sono stati sviluppati abrasivi migliori che hanno resistenza, durezza e affilatura maggiore del solo ossido di alluminio. Una di queste leghe di materiali ceramici contiene il 25% di ZrO 2 e il 75% di Al 2 O 3 e un altra il 40%di ZrO 2 e il 60% di Al 2 O 3. Un altro importante abrasivo ceramico è il nitruro di boro cubico, che ha il nome commerciale di Borazon. Questo materiale è duro quasi come il diamante, ma ha una stabilità termica maggiore. 16

17 2.6 Proprietà termiche dei materiali ceramici Le caratteristiche termiche dei ceramici sono fondamentali per le applicazioni a temperature elevate, con degli sbalzi termici oppure dove sia necessaria una prestazione da isolante termico o da refrattario. Il valore del coefficiente di dilatazione termica è strettamente legato alla natura del legame chimico e alla struttura cristallina. Infatti, l aumento di volume che si osserva con l aumento della temperatura è espressione dell aumento delle vibrazioni termiche degli atomi rispetto alla loro posizione di riposo, a bassa temperatura. Tuttavia questa posizione non rimane la stessa perché l ampiezza dell oscillazione non aumenta in modo simmetrico intorno al punto di equilibrio. In pratica le distanze d equilibrio tra le particelle sono maggiori con l aumento della vibrazione termica a causa della dissimmetria della curva dell energia potenziale delle particelle. Questa asimmetria è maggiore nei legami ionici rispetto a quelli covalenti per cui nei composti ionici il coefficiente di dilatazione sarà maggiore. Inoltre, i composti che cristallizzano secondo strutture compatte si dilatano di più rispetto a quelli con strutture più aperte perché queste ultime, oltre a offrire più spazio interno, possono anche modificare gli angoli delle direzioni di collegamento tra gli ioni o gli atomi. Per chiarire queste osservazioni basta ricordare che i silicati e soprattutto i vetri, caratterizzati come sono da strutture aperte, con angoli variabili, presentano i coefficienti di dilatazione termica α tra i più bassi, al punto che alcuni sono prossimi allo zero, come il minerale Spodumente: LiAl(SiO 2 ) 6. Nella tab.3 sono riportati i coefficienti di dilatazione termica di alcuni ceramici, confrontati con quelli dei metalli e dei polimeri. 17

18 Tab.2.2: coefficienti di dilatazione termica La dilatazione termica è collegata alla vibrazione delle particelle attraverso la forza del legame chimico. Infatti i materiali con coefficiente di dilatazione più basso, presentano anche punti di fusione più elevati, perché entrambi sono espressione della forza del legame. Tuttavia va sottolineato che vi sono deviazioni a questa correlazione (qualitativa) che dipendono dal fatto che le strutture cristalline dei composti sono diverse e che alcune presentano una notevole anisotropia. Il coefficiente α è una media dei coefficienti misurati nelle diverse direzioni cristallografiche. Per l anisotropia direzionale, per esempio, possiamo ricordare il composto ZnO che presenta valori sensibilmente diversi nelle direzioni parallela e ortogonale all asse esagonale; per lo ZnO, α a 1000 C parallelo a c=5e-3; mentre in direzione ortogonale a c il coefficiente =8e-3. Complessivamente i ceramici, essendo composti (ionici e covalenti) caratterizzati da legami più forti dei metalli, presentano dei coefficienti di dilatazione termica mediamente inferiori e ciò costituisce una seria difficoltà nella progettazione ingegneristica: soprattutto quando vi sia la necessità di impiegare ceramici e metalli simultaneamente. Oltre alla dilatazione termica è di notevole importanza la conducibilità termica, cioè il trasferimento di energia termica nel tempo attraverso una certa sezione di materiale. In generale la maggior parte dei materiali ceramici hanno basse conducibilità termiche a causa del loro forte legame iono-covalente e sono buoni isolanti termici. La seguente figura 18

19 confronta la conducibilità termica di diversi materiali ceramici in funzione della temperatura. Per la loro alta resistenza termica, i materiali ceramici sono utilizzati come refrattari, ossia quei materiali che resistono all azione di ambienti molto caldi, sia liquidi che gassosi. I refrattari vengono molto utilizzati dalle industrie metallurgiche, chimiche, ceramiche e del vetro. Fig.2.5: conduttività termica di alcuni materiali ceramici 19

20 I ceramici si comportano in modo molto diverso dai metalli perché praticamente non hanno elettroni liberi e sono trasparenti alla radiazione elettromagnetica. La mancanza di elettroni liberi riduce la conducibilità, mentre la trasparenza favorisce il trasferimento di energia radiante specialmente a temperature elevate. A temperature relativamente basse, dove la conducibilità è prevalentemente determinata dallo spostamento dei fononi, cioè dalla dimensione del loro cammino libero medio, si possono raccogliere le seguenti osservazioni: Le fasi cristalline conducono meglio di quelle amorfe perché i fononi si muovono meglio nelle strutture ordinate; Poiché l aumento della T determina una maggiore ampiezza delle oscillazioni, il percorso dei fononi ne risulta disturbato e la conducibilità diminuisce; Porosità e fasi disperse influiscono sul cammino libero medio dei fononi con la forma, l anisotropia delle particelle disperse e la porosità, per cui un ceramico policristallino, polifase e poroso presenta una conducibilità inferiore alla sua fase prevalente cioè la matrice omogenea a densità teorica. In generale, i composti caratterizzati da atomi leggeri (Be, Mg, Al), strutture semplici e compatte e purezza elevata presentano conducibilità termiche elevate. Infatti il MgAl 2 O 4, che ha una struttura più complessa di MgO, e di Al 2 O 3, ha una conducibilità inferiore, malgrado che la dilatazione, la capacità termica e le proprietà elastiche siano abbastanza simili. Allo stesso modo la mullite (3Al 2 O 3 *2SiO 2 ) ha una conducibilità inferiore allo spinello a causa della maggiore complessità della composizione e della struttura. Nella seguente tabella si riportano alcune delle caratteristiche citate. 20

21 Tab.2.3: conduttività termica di alcuni ceramici 21

22 3. LE STRUTTURE CRISTALLINE DEI MATERIALI CERAMICI 3.1 Introduzione Come già accennato in precedenza, i materiali ceramici possono essere suddivisi in due grandi gruppi: i ceramici tradizionali, e i ceramici avanzati. Tipicamente i materiali ceramici tradizionali sono costituiti da tre componenti: argilla, silice e feldspato. Esempi di materiali ceramici tradizionali sono i mattoni e le tegole usati nell industria edile e la porcellana utilizzata nell industria elettrica. I materiali ceramici avanzati invece, sono tipicamente formati da composti puri o quasi puri quali l ossido di alluminio (Al 2 O 3 ), il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di silicio (Si 3 N 4 ). Esempi di impiego dei materiali ceramici nelle tecnologie avanzate sono il carburo di silicio utilizzato nelle zone a elevata temperatura del motore sperimentale per automobili AGT-100 a turbina a gas e l ossido di alluminio con cui si realizza la base di supporto per microcircuiti integrati in un modulo a conduzione termica. Altre applicazioni riguardo tali materiali verranno approfondite in seguito, con le applicazioni inerenti il campo motoristico. 3.2 Le strutture cristalline I materiali ceramici sono dei composti chimici tra un metallo e un non metallo a carattere prevalentemente ionico. Possiamo fare questa suddivisione: Ossidi (SiO2, Al2O3, ZrO2, MgO, BaTiO3) Nitruri (Si3N4) Carburi (B4C, WC, TiC, SiC) Fluoruri (CaF2) Ca10(PO4)6(OH)2: idrossiapatite Argille (Al2Si2O5(OH)4 caolino) 22

23 Nei solidi (ceramici) ionici la disposizione degli ioni è determinata principalmente dai seguenti fattori: 1. La dimensione relativa degli ioni nel solido ionico (si assume che gli ioni siano assimilabili a sfere rigide di raggio definito); 2. La necessità di bilanciare le cariche elettrostatiche per mantenere la neutralità elettrica dei solidi ionici. Quando si forma il legame ionico tra gli atomi allo stato solido, le energie degli atomi diminuiscono a causa della formazione degli ioni e del legame tra loro per formare un solido ionico. I solidi ionici tendono ad assumere una disposizione dei loro ioni più compatta possibile per ridurre al minimo l energia globale del solido. I limiti dell ottenimento di una struttura densa sono le dimensioni relative degli ioni e la necessità di mantenere la neutralità della carica. I solidi ionici sono costituiti da cationi e anioni. Nel legame ionico alcuni atomi perdono i loro elettroni più esterni per divenire cationi e altri acquistano elettroni esterni per diventare anioni. Dunque, i cationi sono normalmente più piccoli degli anioni con cui si legano. Il numero di anioni che circondano un catione centrale in un solido ionico viene chiamato numero di coordinazione (CN) e corrisponde al numero di atomi adiacenti che circondano un catione centrale. Per ottenere una struttura stabile, il maggior numero di atomi adiacenti che circondano un catione centrale. Per ottenere una struttura stabile, il maggior numero di anioni deve circondare il catione centrale. Tuttavia, gli anioni devono entrare in contatto con il catione centrale e deve essere mantenuta la neutralità di carica. La seguente figura mostra le configurazioni stabili per la coordinazione degli anioni attorno a un catione centrale in un solido ionico. Se gli anioni non toccano il catione centrale, la struttura diviene instabile poiché il catione centrale può sbattere contro la sua gabbia anionica fig.7 c. Il rapporto del raggio del catione centrale con quello degli anioni che lo circondano si chiama rapporto tra i raggi ionici. Quando gli anioni si toccano l uno 23

24 con l altro ed entrano in contatto con il catione centrale, il rapporto tra i raggi viene chiamato rapporto tra i raggi ionici critico (minimo). I possibili rapporti tra i raggi ionici nei solidi ionici con numeri di coordinazione di 3, 4, 6, 8 sono elencati nella fig.8, nella quale vengono anche mostrate le coordinazioni. Fig.3.1: configurazione di coordinazione stabile e instabile in solidi ionici 24

25 Fig.3.2:rapporti tra i raggi per i numeri di coordinazione 8, 6, 4, 3 anioni che circondano un catione centrale 25

26 Per potere chiarire al meglio le strutture tipiche dei principali materiali ceramici, bisogna fare riferimento a composti più semplici come i sali NaCl, CsCl e ZnS. Struttura cristallina del cloruro di sodio La struttura cristallina del cloruro di sodio, è costituita da legami fortemente ionici ed è caratterizzata dalla formula chimica NaCl. Pertanto per mantenere la neutralità della carica, ha un numero uguale di ioni Na + e Cl -. La fig.3.3 mostra una cella elementare di NaCl con le relative posizioni reticolari. Si possono notare gli anioni Cl - che occupano posizioni regolari nel reticolo atomico CFC e cationi Na + che occupano posizioni interstiziali tra le posizioni atomiche CFC. Icentri degli ioni Na + e Cl - occupano le seguenti posizioni reticolari, come indicato nella figura: Na + : Cl - : 26

27 Fig.3.3: struttura dell NaCl Poichè ogni catione centrale Na + è circondato da sei anioni Cl -, la struttura ha una coordinazione ottaedrica (cioè CN=6), come indicato nella fig.3.4; questo tipo di coordinazione viene determinata calcolando il rapporto tra i raggi ionici. Altri composti ceramici con la struttura di NaCl sono CaO, NiO e FeO. Fig.3.4: coordinazione ottaedrica degli atomi di NaCl 27

28 Struttura cristallina del cloruro di cesio La formula chimica del cloruro di cesio è CsCl; poiché questa struttura è formata principalmente da legami ionici, il numero di ioni Cs + e Cl - è uguale. Poiché il rapporto tra i raggi ionici per il CsCl è 0,94, il cloruro di cesio ha una coordinazione cubica (CN=8), come mostrato in fig.3.5. Pertanto otto ioni cloruro circondano un catione centrale di cesio nella posizione (1/2, 1/2, 1/2) della cella elementare di CsCl. Altri composti ionici che hanno la struttura cristallina del CsCl, sono CsBr, TiCl e TiBr. Anche i composti intermetallici AgMg, LiMg, AlNi e β-cu-zn hanno questa struttura. La struttura del CsCl, non è di grande importanza per i materiali ceramici, ma evidenzia come elevati rapporti tra i raggi ionici conducano a numeri di coordinazione più elevati nelle strutture cristalline ioniche. Fig.3.5: struttura del CsCl 28

29 Struttura cristallina del solfuro di zinco La struttura del solfuro di zinco ZnS ha la cella elementare mostrata in fig.3.6, che contiene l equivalente di quattro atomi di zinco e quattro di zolfo. Un tipo di atomo (S oppure Zn) occupa i punti del reticolo di una cella elementare CFC (Cubico Facce Centrate) e l altro tipo (S oppure Zn), occupa la metà delle posizioni interstiziali tetraedriche della cella elementare CFC. Nella cella elementare della struttura cristallina ZnS mostrata in fig.3.6, gli atomi di zolfo occupano le posizioni degli atomi della cella elementare CFC, come indicato dai cerchi neri e gli atomi Zn occupano metà delle posizioni interstiziali tetraedriche della cella elementare CFC, come indicato dai cerchi blu. Fig.3.6: struttura del ZnS 29

30 Struttura cristallina del fluoruro di calcio La struttura del fluoruro di calcio (fluorite) con la formula chimica CaF 2, ha la cella elementare mostrata in fig.3.7. In questa cella elementare gli ioni Ca 2- occupano le posizioni del reticolo CFC, mentre gli ioni F - sono nelle otto posizioni tetraedriche. Le quattro posizioni ottaedriche rimanenti nel reticolo CFC restano vacanti. Quindi ci sono quattro ioni Ca 2+ e otto ioni F - in ogni cella elementare. Esempi di composti che hanno questa struttura sono UO 2, BaF 2, AuAl 2 e PbMg 2. Fig.3.7: struttura del CaF 2 30

31 Struttura cristallina del corindone Nella struttura del corindone Al 2 O 3 gli ioni di ossigeno sono nelle posizioni reticolari di una cella elementare esagonale compatta, come mostrato in fig.3.8. Nella struttura cristallina HCP (exagonal closed packing) come nella struttura CFC, ci sono tante posizioni interstiziali ottaedriche quanti sono gli atomi nella cella elementare. Tuttavia, piochè l alluminio ha una valenza di +3 e l ossigeno una valenza di -2, ci possono essere solo due ioni Al 3+ ogni tre ioni O 2- per mantenere la neutralità elettrica. Quindi gli ioni di alluminio possono occupare solo due terzi delle posizioni ottaedriche del reticolo HCP, e questo porta a una certa distorsione della struttura. Fig.3.8: struttura dell allumina 31

32 Struttura della perovskite Nella struttura della perovskite (CaTiO 3 ) gli ioni Ca 2+ e O 2- formano una cella elementare CFC con gli ioni Ca 2+ agli angoli della cella elementare e gli ioni O 2- nei centri delle facce. Lo ione Ti 4+, con una elevata carica, è nella posizione interstiziale ottaedrica al centro della cella elementare ed è coordinato a sei ioni O 2-. Il BaTiO 3 ha la struttura della perovskite sopra i 120 C, ma sotto questa temperatura la sua struttura è leggermente diversa. Altri composti con questa struttura sono SrTiO 3, CaZrO 3, LaAlO 3, e molti altri; questa struttura è molto importante per i materiali piezoelettrici. Fig.3.9:struttura del titanato di bario 32

33 Struttura dello spinello Molti ossidi hanno la struttura dell MgAl 2 O 4, o struttura dello spinello, caratterizzata dalla formula generale AB 2 O 4, dove A è uno ione metallico con valenza +2 e B è uno ione metallico con valenza +3. Nella struttura dello spinello gli ioni di ossigeno formano un reticolo CFC e gli ioni A e B occupano posizioni interstiziali tetraedriche e ottaedriche, a seconda del tipo particolare di spinello. Composti con la struttura dello spinello sono ampiamente impiegati per materiali magnetici non metallici per applicazioni elettroniche. Fig.3.11: struttura dello spinello 33

34 4. I MATERIALI CERAMICI TRADIZIONALI E AVANZATI 4.1 I ceramici tradizionali I materiali ceramici tradizionali sono prodotti con tre componenti base: l argilla, la silice e il feldspato. L argilla è costituita principalmente da alluminosilicati idrati (Al 2 O 3 *SiO 2 *H 2 O) con piccole quantità di altri ossidi, quali TiO 2, Fe 2 O 3, MgO, CaO, Na 2 O e K 2 O. Nei materiali ceramici tradizionali, l argilla che rappresenta il principale costituente, conferisce la lavorabilità al materiale prima che indurisca durante la cottura. La silice (SiO 2 ), chiamata anche selce o quarzo, ha una elevata temperatura di fusione ed è il componente refrattario dei materiali ceramici tradizionali. Il feldspato di potassio, che ha una composizione di di base K 2 O*Al 2 O 3 *6SiO 2, ha una bassa temperatura di fusione e, durante la cottura della miscela ceramica, produce una fase vetrosa che lega i componenti refrattari. I prodotti strutturali di argilla quali mattoni da costruzione, tubazioni fognarie, tegole e piastrelle sono prodotti con argilla naturale che contiene tutti i tre componenti base. Le porcellane bianche, come la porcellana per impieghi elettrici, quella per elementi sanitari, sono ottenute da materie prime di argilla, silice e feldspato di composizione controllata. 4.2 I ceramici avanzati Nell industria automotive i materiali ceramici fanno capo a quelli avanzati. Mentre i ceramici tradizionali sono composti principalmente da argilla, i ceramici avanzati sono composti puri, o quasi puri formati soprattutto da ossidi, carburi o nitruri. Alcuni dei più importanti materiali ceramici avanzati sono l allumina (Al 2 O 3 ), il nitruro di silicio (Si 3 N 4 ), il carburo di silicio (SiC) e la zirconia (ZrO 2 ) combinati con altri ossidi refrattari. 34

35 Le temperature di fusione di alcuni materiali ceramici avanzati sono elencate nel cap.1 tab.1. In seguito viene riportata una breve descrizione dei principali composti. Allumina(Al 2 O 3 ) L allumina è stata sviluppata originariamente per tubazioni refrattarie e crogioli di elevata purezza per impieghi ad alta temperatura e ora trova molte applicazioni. Un classico esempio di applicazione dell allumina è il materiale isolante delle candele delle automobili; l ossido di alluminio viene drogato con ossido di magnesio, pressato a caldo e sinterizzato per ottenere la tipica microstruttura della porcellana elettrica. Ma come è possibile notare dalla seguente fig. 15 a) e b, la maggiore uniformità della struttura di allumina, rispetto a quella della porcellana, fa si che l Al 2 O 3 venga utilizzato in applicazioni elettriche di alta qualità, per le quali sono richieste una bassa perdita dielettrica e un alta resistività. Fig.4.1:Micrografia elettronica di una porcellana isolante elettrica 35

36 Fig.4.2: Microstruttura dell ossido di alluminio sinterizzato Nitruro di silicio (Si 3 N 4 ) Fra tutti i materiali ceramici avanzati, il nitruro di silicio ha probabilmente la migliore combinazione delle proprietà di interesse tecnologico. Questo composto si dissocia significativamente solo a temperature superiori a 1800 C, e quindi non può essere sinterizzato direttamente. Può essere, invece, ottenuto mediante un particolare processo in cui della polvere di silicio compattata viene nitrurata in un flusso gassoso di azoto. Questo processo produce Si 3 N 4 microporoso di moderata resistenza. Un Si 3 N 4 non poroso di più elevata resistenza viene ottenuto mediante pressatura a caldo con l aggiunta di 1-5% di MgO. Il nitruro di silicio è in fase di studio per l impiego in componenti di motori avanzati. 36

37 Carburo di silicio Il carburo di silicio è un carburo duro e refrattario con una eccellente resistenza all ossidazione a elevata temperatura. Sebbene non sia un ossido, il SiC a temperatura elevata forma un rivestimento di SiO 2 che protegge la massa interna del materiale. Il SiC può essere sinterizzato a 2100 C con l aggiunta di 0,5-1% di B per favorire la sinterizzazione. Il SiC è comunemente usato come fibra di rinforzo per materiali compositi a matrice metallica e ceramica. Zirconia (ZrO 2 ) La zirconia pura è polimorfa e si trasforma dalla struttura tetragonale a quella monoclina a circa 1170 C con una espansione volumetrica e quindi è soggetta a criccatura. Combinando la ZrO 2 con il 9% di MgO e utilizzando speciali trattamenti termici, si può produrre una zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ) che ha una alta tenacità alla frattura e ha portato a nuove applicazioni per questo materiale ceramico. 37

38 5. LA PROGETTAZIONE CON MATERIALI CERAMICI 5.1 Generalità I materiali ceramici strutturali sono una classe di nuovi materiali che alle caratteristiche proprie dei ceramici tradizionali quali: resistenza alle alte temperature; resistenza agli agenti ambientali; durezza; uniscono specifiche proprietà quali in particolare: buona resistenza meccanica; elevata resistenza alla usura; buona stabilità dimensionale; A queste caratteristiche molti ceramici strutturali uniscono anche un peso specifico ridotto (generalmente compreso tra 2,5 e 3,5 g/cm 3 ). Si tratta essenzialmente di materiali con comportamento fragile destinati a sostituire i materiali tradizionali (specialmente i metalli) in quelle applicazioni in cui il componente e soggetto ad elevate temperature, ad elevata usura, ad elevati fenomeni di corrosione ecc. 38

39 Attualmente i materiali ceramici strutturali trovano applicazione, oltre che in elettronica, telecomunicazioni ed ottica, in vari campi della progettazione meccanica quali: 1) scambiatori di calore; 2) motori termici volumetrici; 3) turbine a gas; 4) cuscinetti a rotolamento; 5) formatura dei metalli; 6) rivestimenti; 7) biomeccanica; 8) applicazioni militari. Nel campo degli scambiatori di calore viene sfruttata essenzialmente la capacita di tali materiali di resistere alle alte temperature e le capacita di isolamento termico (bassa conducibilità termica). Nel campo dei motori termici volumetrici fuso dei ceramici tende al miglioramento dei rendimento e/o del consumo specifico mediante la sostituzione delle parti calde del motore con conseguente eliminazione del sistema di raffreddamento ottenendo cosi in genere miglioramenti del consumo specifico fino al 15-25% ed allo stesso tempo una semplificazione della macchina. In questo campo i ceramici sono pure vantaggiosamente utilizzati per la produzione delle giranti delle turbine di sovralimentazione sfruttando non solo la resistenza alle alte temperature ma anche il basso peso specifico che riducendo le forze di inerzia riduce anche i tempi di risposta del sistema compressore-turbina alla richiesta di potenza. Nel campo delle turbine a gas i ceramici sono utilizzati particolarmente per la loro resistenza alle alte temperature di esercizio (T>1000 C), per la bassa conducibilità termica nonché per la buona stabilità dimensionale. Si realizzano in questo campo coi ceramici la cassa esterna, i convogliatori di flusso gli statori, i rotori, i rigeneratori ed altre parti ancora. 39

40 Nel campo dei cuscinetti a rotolamento i ceramici strutturali hanno dimostrato una elevata resistenza all'usura ed alla fatica, incrementando le velocità raggiungibili, la resistenza alla corrosione ed una diminuzione del calore sviluppato. Con i ceramici si costruiscono cuscinetti capaci di lavorare in assenza di lubrificazione per periodi limitati ma sufficienti ad assicurare assenza di fermata della macchina in presenza di avarie del sistema di lubrificazione ecc. Tale requisito è particolarmente apprezzato nel campo navale ed ancor più in quello aeronautico e militare. Cuscinetti in materiale ceramico sono sopravvissuti in assenza di lubrificazione per un'ora in una turbina a gas a pieno carico ed alla velocità massima, mentre in altre esperienze i cuscinetti sono sopravvissuti fino alla rottura della gabbia mantenendo le sfere e le piste in ottime condizioni. Nel campo della formatura dei metalli i ceramici strutturali sono apprezzati per l'elevata durezza, la stabilità chimica e l'elevata resistenza alla usura, proprietà che fanno dei ceramici degli ottimi strumenti per il taglio e la formatura dei metalli nei processi tecnologici. Da alcuni decenni ormai sì costruiscono utensili da taglio per tornio che consentono lavorazioni ad elevata velocità ed ora si costruiscono anche macchine per la trafilatura a caldo. In questo campo fuso dei ceramici permette di incrementare la produttività e contemporaneamente la qualità dei prodotti finiti raggiungendo risparmi notevoli: la velocità di lavorazione al taglio può crescere fino al 300% durante le operazioni di finitura, mentre i prodotti dell'estrusione riescono ad avere una tolleranza dimensionale maggiore grazie alla stabilità termica dei ceramici. La durata delle attrezzature risulta inoltre aumentata fino al 350% con conseguenti abbattimenti di costi di produzione fino al 50%. Nel campo dei rivestimenti i materiali ceramici strutturali trovano pure larga applicazione in tutti quei casi (sabbiatori, pompe marine, trasportatori di sostanze abrasive, ecc) in cui la resistenza all usura è la principale caratteristica richiesta al materiale. In questo campo l uso dei ceramici consente di allungare almeno di un ordine di grandezza (da pochi mesi ad alcuni anni) la durata delle parti interessate. Nel campo della biomeccanica l'uso dei ceramici strutturali è legato particolarmente alla realizzazione di protesi ossee e dentarie. Ossa e denti infatti sono due casi di materiali ceramici naturali la cui sostituzione migliore è, per ovvi motivi, quella che utilizza ancora 40

41 materiali ceramici. In questo campo l'uso dei vari materiali ceramici è subordinato alla eventuale tossicità per l'organismo. Si hanno cosi materiali tossici, biocompatibili e materiali che possono addirittura essere assorbiti dall'organismo. Nel campo delle applicazioni militari i materiali ceramici sono stati recentemente utilizzati per la realizzazione del rivestimento esterno di missili particolarmente sollecitati dalla pioggia durante i voli ad alta velocità. Sono pure sfruttate le caratteristiche di resistenza e leggerezza dei ceramici nella realizzazione di scudi protettivi per elicotteri e navi. 5.2 Principali caratteristiche fisico-meccaniche Per una corretta progettazione di componenti e strutture in materiale ceramico e necessaria una accurata conoscenza delle caratteristiche fisico-meccaniche del materiale nonché l ausilio di un idoneo procedimento che consenta di individuare le dimensioni minime del componente che assicurino una prefissata affidabilità. Si possono in particolare distinguere due fasi della progettazione: scelta del materiale ceramico, eseguita in base al confronto tra proprietà caratteristiche del materiale e le specifiche esigenze e/o limitazioni di progetto; dimensionamento e/o verifica di resistenza del componente, ovvero determinazione della affidabilità, eseguiti tenendo conto oltre che dello stato tensionale presente nelle normali condizioni di esercizio, anche di tutti gli altri parametri che possono influenzare la probabilità di rottura del componente in progetto. 41

42 Le principali caratteristiche fisico-meccaniche dei materiali ceramici di uso più diffuso nella moderna progettazione meccanica quali nitruro di silicio, carburo di silicio, biossido di zirconio, allumino-silicato di litio e titanato di alluminio, sono riportate nella seguente tabella: Tab.5.1 :Proprietà caratteristiche dei materiali ceramici strutturali di uso comune 42

43 Da questa tabella si vede come in pratica esistono tre differenti forme di nitruri di silicio, contraddistinte con le sigle: HPSN, pressato a caldo, caratterizzato da elevata resistenza meccanica ed elevata resistenza agli shock termici; SSN, sinterizzato, caratterizzato da elevata resistenza si presta alla realizzazione di componenti di forma complessa; RBSN, a limitato ritiro da cottura, può anche esso essere usato per realizzare componenti di forma complessa ma presenta rispetto alla forma sinterizzata resistenza meccanica inferiore. Anche per il carburo di silicio esistono tre differenti forme, quali: HPSC, pressato a caldo, caratterizzato da elevata resistenza meccanica mantenuta sino ad altissime temperature (1550 C); SSC, sinterizzato, caratterizzato da resistenza alle alte temperature e facile realizzazione di componenti di forma complessa; RBSC, a ritiro limitato, con possibilità di impego simili al precedente ma con resitenza inferiore. 43

44 Si osserva inoltre come: il biossido di zirconio parzialmente stabilizzato (PSZ) è caratterizzato da elevata resistenza e tenacità nonché da bassa conducibilità termica: per questo esso trova larga applicazionc come isolante termico; inoltre, esso presenta un coefficiente di dilatazione termica simile a quello dell'acciaio (wl2 ppm/ C)e pertanto si presta particolarmente alla realizzazione di componenti di materiale acciaio-ceramica. Pure prossimo a quello dell'acciaio risulta il modulo di Young ed il coefficiente di Poisson. Palluminosilicato di litio (LAS) unisce ad una bassa conducibilità un bassissimo coefficiente dì dilatazione (0.5-1 ppm/ C); conseguentemente esso ha doti di ottimo isolante con elevata stabilità dimensionale. il titaniato di alluminio, infine, presenta proprietà di isolante termico e bassa dilatazione, simili ai LAS. Le proprietà elencate in tab.5.1 consentono in genere di scegliere il tipo di materiale ceramico più appropriato per la particolare applicazione in progetto. 44