MATERIALI CERAMICI AVANZATI

UNIVERSITA DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTA DI INGEGNERIA Corso di Tecnologie di Chimica Applicata L.S. Ing. Meccanica MATERIALI CERAMICI AVANZATI Docente: Prof. Giuseppe Siracusa Allievi: Davide Cassisi Daniele Calvagno ANNO ACCADEMICO 2006/2007

La relazione è stata strutturata sulla base del seguente schema: 1. Generalità sui ceramici 2. Processi di realizzazione dei neoceramici 3. Proprietà dei ceramici avanzati 4. Panoramica sulle applicazioni 5. Esempi applicativi di ceramici avanzati

1. GENERALITA SUI MATERIALI CERAMICI DEFINIZIONE DI MATERIALI CERAMICI TRADIZIONALI E AVANZATI Tradizionali: I materiali ceramici (dal greco keramikos, cioè materiale cotto ) sono materiali inorganici e non metallici. La gran parte di essi (silice, argilla, feldspato) sono composti tra elementi metallici e non metallici per i quali i legami interatomici sono ionici, covalenti ed intermedi. Avanzati: si intendono ceramici avanzati quei prodotti inorganici non metallici (ossidi, nitruri, carburi) e policristallini, provvisti di rilevanti prestazioni strutturali e/o funzionali. Per prestazioni strutturali si intendono le capacità del ceramico di resistere alle sollecitazioni meccaniche ed all usura, in condizioni di temperatura e pressione molto elevate; mentre vengono considerate funzionali le eventuali proprietà elettriche, elettroniche, ottiche e magnetiche che essi possono presentare in particolari condizioni ambientali. Le prestazioni dei materiali ceramici possono essere valutate come tradizionali o avanzate a seconda della purezza della materia prima e dell accuratezza del processo produttivo con cui questi vengono realizzati.

1. GENERALITA SUI MATERIALI CERAMICI PRINCIPALI CERAMICI AVANZATI

1. GENERALITA SUI MATERIALI CERAMICI STRUTTURE CRISTALLINE CERAMICHE SEMPLICI Le proprietà fisiche e meccaniche dei ceramici derivano dalla natura dei legami atomici e dal tipo di struttura cristallina. Nei composti ceramici, in genere, il legame atomico è un insieme dei tipi ionico e covalente. Valori approssimati delle percentuali di carattere ionico e covalente nei legami tra gli atomi in tali composti possono essere ottenuti valutando le differenze di elettronegatività fra i diversi tipi di atomi, presenti in questi composti, ed applicando l equazione di Pauling per la determinazione della percentuale di carattere ionico quando il legame si rivela di tipo misto. Equazione di Pauling COMPOSTO CERAMICO AVANZATO ATOMI DI LEGAME DIFFERENZA DI ELETTRONEGATIVITA % di CARATTERE IONICO % di CARATTERE COVALENTE Biossido di zirconio, ZrO 2 Zr-O 2.3 73 27 Ossido di magnesio, MgO Mg-O 2.2 69 31 Ossido di alluminio, Al 2 O 3 Al-O 2.0 63 37 Biossido di silicio, SiO 2 Si-O 1.7 51 49 Nitruro di silicio, Si 3 N 4 Si-N 1.3 34.5 65.5 Carburo di silicio, SiC Si-C 0.7 11 89

1. GENERALITA SUI MATERIALI CERAMICI STRUTTURE CRISTALLINE CERAMICHE SEMPLICI Le strutture cristalline dei ceramici sono molte e varie ed, a volte, assai complesse: si passa da materiali semplici come l ossido di magnesio a struttura cubica, a materiali a struttura lineare come l amianto (silicato idrato di magnesio) o a struttura planare come la grafite, etc. Nei ceramici covalenti i legami fra gli atomi sono altamente direzionali; ciò comporta dislocazioni strette e, quindi, alta resistenza al loro moto. In effetti, lo sforzo per muovere le dislocazioni è prossimo a quello di rottura per cui un materiale di questo tipo giunge a rottura in campo elastico, con un comportamento lineare ed assenza totale di plasticità. Invece, nei ceramici ionici, i legami non sono direzionali e, pertanto, si hanno dislocazioni larghe e si dovrebbe avere bassa resistenza al loro passaggio. In effetti, ciò vale solo per i monocristalli: il flusso plastico è notevole e le curve sforzo-deformazione sono più simili a quelle presentate dai metalli.

1. GENERALITA SUI MATERIALI CERAMICI STRUTTURE CRISTALLINE CERAMICHE SEMPLICI Nei policristalli, metallici o ceramici che siano, in generale, se si vuole evitare la formazione di microvuoti e conseguenti cricche ai giunti dei grani, occorre che grani adiacenti cambino di forma contemporaneamente nello stesso modo. Mentre i metalli offrono molti sistemi di scorrimento, le ceramiche ioniche ne hanno pochi: ciò comporta la formazione di cricche ai giunti dei grani con conseguente indiscussa fragilità del materiale. In definitiva, anche in questo caso, le ceramiche ioniche si comportano elasticamente fino a frattura. Nei ceramici, in generale, la loro bassa resistenza che si registra alla trazione è legata alla presenza di micro-cricche superficiali introdotte, tramite i processi di formatura e lavorazione, o per abrasione o per corrosione: in sostanza, la frattura finale si ha non in corrispondenza al valore di tensione teorico ma a quello capace di propagare le cricche.

1. GENERALITA SUI MATERIALI CERAMICI STRUTTURE CRISTALLINE CERAMICHE SEMPLICI L assenza di elettroni liberi rende i ceramici cattivi conduttori del calore e dell elettricità, per cui trovano importanti applicazioni come isolanti elettrici e termici e, quando il gap energetico tra banda di valenza e banda di conduzione è piccolo, come semiconduttori. Essendo i loro legami altamente stabili, i ceramici presentano punti di fusione molto alti e grande stabilità chimica. COMPOSTO CERAMICO FORMULA PUNTO DI FUSIONE ( C) Carburo di afnio HfC 4150 Carburo di titanio TiC 3120 Carburo di tungsteno WC 2850 Ossido di magnesio MgO 2798 Biossido di zirconio ZrO 2 2750 Carburo di silicio SiC 2500 Carburo di boro B 4 C 3 2450 Ossido di alluminio Al 2 O 3 2050 Nitruro di silicio Si 3 N 4 1900 Biossido di silicio SiO 2 1715 Biossido di titanio TiO 2 1605

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI INDIVIDUAZIONE DELLE FASI PRINCIPALI DI PRODUZIONE Molti prodotti ceramici, sia tradizionali che avanzati, sono fabbricati compattando polveri o particelle in forme che vengono poi scaldate a temperature sufficientemente elevate da legare insieme le particelle. La sequenza base nella lavorazione dei ceramici tramite agglomerazione di particelle consiste in: Polvere pura + leganti o additivi Preparazione del materiale Processo di formatura + + Processo di sinterizzazione = Prodotto ceramico finito

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI PREPARAZIONE DEI MATERIALI La produzione di componenti ceramici richiede l uso di polveri di elevata purezza e granulometria uniforme. Essi 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 attorno al valore medio con morfologia sferica. E da sottolineare che la qualità della polvere ceramica rappresenta un fattore critico della produzione dei neoceramici. Le particelle e gli altri ingredienti, quali i leganti ed i lubrificanti, possono essere miscelati a umido (spesso, per la produzione di comuni mattoni e tubature fognarie, si adotta l acqua) od a secco.

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI PREPARAZIONE DEI MATERIALI I metodi di produzione delle polveri ceramiche sono essenzialmente: 1) Produzione per reazione allo stato solido 2) Produzione per decomposizione termica 3) Produzione in fase di vapore 4) Metodi in soluzione metodo di precipitazione-filtrazione; metodo di evaporazione del solvente o di spray-drying ; metodo di congelamento o di freezedrying ; metodo di sintesi idrotermale; metodo sol-gel.

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI PREPARAZIONE DEI MATERIALI METODI IN SOLUZIONE Evaporazione spray-drying : questo è il metodo in soluzione più semplice che, tramite creazione di gocce piccolissime di soluzione ed evaporazione rapida del solvente (tramite correnti d aria a 250-400 C), riesce a mantenere l omogeneità dimensionale della polvere che così viene a prodursi. Questo processo si realizza grazie ad un apparecchio nebulizzatore, detto atomizzatore. In sostanza, le soluzioni saline vengono fatte fluire attraverso un ugello che le suddivide in goccioline di diametro compreso fra i 190 ed i 100 μm. Processo sol-gel : questa tecnica moderna dà la possibilità di ottenere polveri di elevata purezza ed omogeneità. Si tratta di un procedimento che realizza ossidi ceramici a partire da una sospensione colloidale di particelle solide in un liquido, detta sol. Questa massa di particelle viene sottoposta ad idrolisi e polimerizzazione e trasformata in un gel il quale è poi essiccato e trattato termicamente. Il prodotto finale è proprio un ossido ceramico. La versatilità della tecnica sol-gel consente di preparare, oltre alle classiche polveri, anche fibre, strati spessi o sottili da impiegare in materiali compositi di ultimissima generazione. ESEMPIO: allumina Tipologie essiccata di alla fine dello atomizzatore spray-drying

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI CERAMICI PROCESSI DI FORMATURA La formatura rappresenta lo stadio durante il quale una certa quantità di polvere, già pronta, viene a subire tentativi di manipolazione o di modellazione secondo forme abbastanza vicine a quelle che si ritrovano nella fase finale della catena produttiva del pezzo ceramico, cioè dopo la fase di sinterizzazione. Le diverse tipologie esistenti di processi di formatura dipendono da molti fattori concorrenti: la microstruttura del pezzo; le prestazioni richieste per il prodotto finale; il numero di pezzi da realizzare e quindi il costo specifico; costi aggiuntivi, quali quelli di finitura. Dato che tali polveri non presentano, in sostanza, plasticità, queste, affinché la formatura si svolga correttamente, devono essere unite ad uno o più additivi in modo da garantire un certo grado di manipolazione della materia ottenuta. C è anche da sottolineare che, spesso, si opta per un metodo di formatura più costoso e complesso pur di evitare l uso di additivi che, inseriti nella matrice ceramica, potrebbero tramutarsi in una crescita incontrollata di difetti tali da costituire potenziali danni al prodotto finito.

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI CERAMICI In generale, ESEMPIO i PRATICO: metodi di formatura applicazione si suddividono del metodo a in: pressatura isostatica a freddo Corpo isolante di pressatura una candela uniassiale per motori a freddo automobilistici o a caldo; pressatura; pressatura isostatica a freddo (CIP- Cool Isostatic Pressing) inserzione o a caldo per estrusione (HIP- Hot (Pasting Isostatic Process); Pressing); formatura plastica; pressatura inserzione a secco per iniezione od a umido. (Injection Moulding Process). colatura; deposizione su nastro. PROCESSI DI FORMATURA Casting Process deposizione su nastro continuo (Tape Casting); deposizione a spruzzo Posizione del corpo isolante Stampo per la pressatura Stadi di fabbricazione del corpo isolante (fig. a-d); Spaccato di una candela assemblata (fig. e).

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI PROCESSO DI ESSICCAMENTO E SINTERIZZAZIONE Indipendentemente dal preciso tipo di formatura intrapreso per la realizzazione di uno o più pezzi, bisogna sottolineare che a monte del processo di sinterizzazione vi è sempre il passaggio relativo all essiccamento ed eliminazione dei leganti. Lo scopo principale dell essiccamento dei ceramici è quello di rimuovere il legante (spesso, si tratta di acqua) dall impasto ceramico prima della cottura a più alta temperatura. In genere, l essiccamento viene eseguito sotto i 100 C e può durare anche fino a 24 ore per un pezzo di materiale ceramico di grosse dimensioni. Per 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 legami forti fra particelle adiacenti. Questo processo rappresenta il nucleo centrale della produzione di ceramici avanzati e tradizionali e viene adottato, per oggetti piccoli e complessi, anche in campo metallurgico. Ragionando in termini strettamente tecnici, la sinterizzazione è un processo mediante il quale piccole particelle di un materiale vengono consolidate attraverso fenomeni di diffusione allo stato solido. Pertanto, quando si parla di densificazione, si intende dire che la sinterizzazione porta alla trasformazione di un prodotto poroso compatto in uno più denso e omogeneo.

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI PROCESSO DI SINTERIZZAZIONE Nella visione microscopica dell impaccamento delle poveri, valutate come sferette rigide del medesimo diametro, è noto che rimane un volume vuoto pari a quasi il 26% del volume totale. Appare, ovvio, dire che tale volume vuoto può essere ridotto se nella polvere si inseriscono particelle non sferiche e di dimensioni differenti ma capaci di riempire gli spazi interstiziali che si formano nel contatto fra le sferette principali La sinterizzazione ha il merito di ridurre tali spazi vuoti nella massa di polveri ceramiche secondo modi e meccanismi che si possono raggruppare, principalmente, in tre tipi diversi: Sinterizzazione viscosa (vetrificazione); Sinterizzazione con fase liquida; Sinterizzazione allo stato solido.

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI PROCESSO DI SINTERIZZAZIONE Sinterizzazione Viscosa La composizione chimica del sistema e la temperatura usata durante il processo producono una quantità di fase liquida, diversa dalle fasi reagenti, sufficiente ad eliminare la fase gassosa inizialmente presente tra le particelle. Basta che il 20% del volume iniziale sia trasformato in una fase liquida per riempire la quasi totalità delle porosità iniziali. In tal modo il rafforzamento delle polveri può avvenire tramite la formazione e lo scorrimento viscoso del liquido sotto forze di capillarità durante il trattamento termico e poi, alla fine, la vetrificazione durante la fase di raffreddamento. La fase vetrosa, solidificando, forma una matrice vetrosa che lega, più di prima, le particelle non fuse fra loro del solido ceramico che si sta sinterizzando.

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI PROCESSO DI SINTERIZZAZIONE Sinterizzazione Viscosa Questo processo, molto adottato per la produzione di allumina e vari titanati, è sostanzialmente lo stesso che si impiega per la produzione di ceramici tradizionali come porcellana e grès; da qui deriva l altra definizione di sinterizzazione, meno corretta ma comunque molto usata, di processo di vetrificazione o di greificazione. La gran parte dei modelli che cercano di descrivere la vetrificazione è stata proposta spesso sulla base di presupposti geometrici semplici, tra cui è da ricordare uno dei più usati, cioè quello del chimico russo Frenkel. Con il modello di Frenkel si prevede di immaginare due sfere a contatto, costituite da materiale viscoso e dotato di una tensione superficiale costante durante tutto il fenomeno isotermo. Sulla base di ciò, la sinterizzazione, ovvero la variazione relativa di volume, è funzione della durata del trattamento termico e dipende dalla tensione superficiale, dalla viscosità e dalla dimensione originaria delle particelle secondo la legge: Δ V 9η t = V 4γ r 0 0

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI PROCESSO DI SINTERIZZAZIONE Sinterizzazione con Fase Liquida Anche qui si forma una fase liquida ma in quantità minore e non sufficiente a rimuovere totalmente la fase gassosa presente; così, per avere una densificazione completa, il sistema deve subire una variazione nelle dimensioni e nella forma dei grani. Il sistema è utilizzato per quei materiali (come nitruro di silicio e ossido di magnesio) nei quali la sinterizzazione al solo stato solido o non è raggiungibile oppure è troppo impegnativa sul piano tecnologico (ad esempio, per le eccessive temperature da realizzare). Affinché il meccanismo risulti efficace, è necessario che la fase liquida possa formarsi a temperature relativamente basse, e possa bagnare le particelle solide (in maggioranza) Gli svantaggi di tale tecnica sono da addebitare alla permanenza (non voluta) formando una sorta di film liquido continuo che viene percorso dal gas rimasto dell additivo della sinterizzazione nella microstruttura, cosa che accade spesso tra i intrappolato e poi dal deflusso di materia necessario a rimodellare i grani ed eliminare la grani del materiale. porosità restante. I residui di additivi, all aumentare delle temperature di esercizio del pezzo finito, potrebbero creare una fase fluida che favorirebbe lo scorrimento viscoso e, quindi, pericolose instabilità dimensionali.

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI PROCESSO DI SINTERIZZAZIONE Sinterizzazione allo Stato Solido STADIO INIZIALE (relativo al 5% di ritiro del volume originario) Quando le particelle di una sostanza pura e cristallina vengono compattate e riscaldate in un atmosfera Schematicamente, in cui sono le fasi stabili, ad una temperatura al di sotto del loro punto di fusione, queste principali si legano di sinterizzazione (ovvero, sinterizzano ) in modo spontaneo senza la formazione di una fase liquida. sono le seguenti: La densificazione avviene con la variazione della dimensione e della forma delle particelle. Il fenomeno si rende possibile grazie alla diffusione degli atomi attraverso il reticolo cristallino, la superficie, il bordo dei grani ed, in certi casi, tramite la fase gassosa. STADIO INTERMEDIO (relativo In sostanza, tale processo è fondamentalmente costituito da una progressiva tendenza al raggiungimento del 90% delle particelle di polvere ceramica ad agglomerarsi per effetto di della diffusione densità teorica) allo stato solido a temperature molto elevate ma inferiori al punto di fusione del composto che si vuole sinterizzare. ESEMPIO: è dato dall isolante in allumina di una candela per motori endotermici; la polvere ceramica a base d allumina viene sinterizzata a circa 1600 C, ben al di sotto dei 2050 C che rappresenta il punto di fusione tipico dell allumina. STADIO FINALE (interessa solo il 10% del volume di partenza)

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI PROCESSO DI SINTERIZZAZIONE Sinterizzazione allo Stato Solido Durante Man mano il processo, che il processo la diffusione avanza, si atomica formano avviene particelle tra più le grandi superfici a spese di contatto di quelle delle più particelle piccole, come che divengono accade, ad chimicamente esempio, nel legate caso della fra loro. sinterizzazione di prodotti in ossido di magnesio. Formazione di un colletto superficiale

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI PROCESSO DI SINTERIZZAZIONE Sinterizzazione allo Stato Solido Nei solidi ceramici covalenti (SiC, Si 3 N 4 ), prevale l ingrossamento delle particelle come unica conseguenza della riduzione dell area superficiale di contatto delle stesse La porosità dei prodotti diminuisce (ciò vale indipendentemente dal tipo specifico di processo di sinterizzazione) quando le particelle diventano più grandi, all aumentare del tempo di sinterizzazione. ESEMPIO: legge di porosità per prodotti in MgO drogato con CaO Legge di porosità riportata a temperature differenti (1330 C e 1430 C) Nonostante le quantità d energia in gioco nel processo siano piuttosto piccole, c è da sottolineare che gli atomi devono percorrere distanze dell ordine dei propri diametri (sempre dell ordine dei micron) e che i potenziali chimici possono essere rilevanti per cui, se la temperatura è sufficientemente alta, la sinterizzazione allo stato solido può procedere molto rapidamente. Se, oltre alla sinterizzazione, si assiste pure a fenomeni di variazione della composizione chimica, allora, in questi casi, si deve parlare di sinterizzazione in fase reattiva.

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI GENERALITA I materiali ceramici avanzati risultano avere innumerevoli campi di impiego grazie alle loro pregevoli proprietà strutturali, meccaniche e termiche, le quali derivano, essenzialmente, dalla natura dei loro legami atomici e dal tipo di struttura cristallina. Proprietà strutturali (le quali, in generale, dipendono dai costituenti le polveri, dal dosaggio dei leganti e dal processo produttivo adottato); Proprietà termiche Proprietà meccaniche Proprietà elettromagnetiche

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI Densità volumetrica ρ (g/cm 3 ) PROPRIETA STRUTTURALI ESEMPIO: nell ambito della tecnologia moderna dei materiali, è proprio la moderata densità delle varie forme di nitruro di silicio (2,7-3,3 g/cm 3 ) che rende tale materiale molto adatto allo sviluppo di componenti di motori avanzati che richiedono, sempre più, prestazioni di resistenza termica e meccanica invariate, se non migliorate rispetto ai materiali adottati tradizionalmente per quei componenti, ma, soprattutto, che concorrano Future alla diminuzione applicazioni del di peso neoceramici complessivo allo del sviluppo blocco di motore di un veicolo. Oltre al nitruro di silicio, componenti in questo contesto di nuovi è motori molto adottata turbodiesel anche l allumina. Prototipi di valvole, inserti di battuta e spinotti (Si 3 N 4 ) Involucro della turbina Blocchi aspirazione (Al 2 O 3 ) Parete del collettore di scarico Camera di combustione Parete del cilindro

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA TERMICHE Le peculiarità termiche dei ceramici sono rilevanti per le applicazioni a temperature elevate in cui sono necessari bruschi salti termici oppure quando sia richiesta una prestazione da isolante termico o da refrattario. Coefficiente di dilatazione termica lineare (α) Conducibilità termica (λ)

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA TERMICHE Coefficiente di dilatazione termica lineare α (10-6 C -1 ) Il coefficiente di dilatazione termica lineare (α) del materiale è strettamente legato alla Qualitativamente, natura del legame è possibile chimico osservare e della struttura come i cristallina. neoceramici, aventi un valore basso del coefficiente L aumento di dilatazione volume in lineare, seguito abbiano all incremento allo stesso della tempo temperatura punti è di manifestazione fusione molto elevati. dell aumento Tuttavia, dell agitazione va sottolineato termica che l anisotropia degli atomi rispetto delle strutture alla loro cristalline posizione dei di composti, riposo a comporta bassa temperatura. variazioni piuttosto Le distanze sensibili di equilibrio nelle differenti tra le particelle direzioni sono della maggiori struttura, al per crescere cui il coefficiente delle vibrazioni di dilatazione termiche. lineare risulta essere, in genere, una media dei coefficienti misurati nelle diverse direzioni cristalline. Per quanto attiene alla struttura cristallina, si osserva che i composti che cristallizzano Confronto secondo strutture con i compatte metalli: si per dilatano i ceramici maggiormente avanzati rispetto (a maggior a quelle ragione, con strutture per quelli più tradizionali) aperte poiché si osservano queste ultime, dei coefficienti oltre ad di offrire dilatazione più spazio termica all interno, mediamente possono inferiori, anche il che costituisce modificare una gli angoli profonda delle difficoltà direzioni di nella collegamento progettazione tra gli ioni ingegneristica, o gli atomi. specie quando vi Esempio sia è necessità lampante di è impiegare rappresentato simultaneamente dai vetri, i quali, entrambi caratterizzati i materiali. da strutture aperte con angoli variabili, presentano coefficienti di dilatazione termica tra i più bassi, in alcuni casi prossimi allo zero.

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA TERMICHE Conducibilità termica λ (W/mK) La conducibilità termica di un materiale è la proprietà di trasferimento di energia termica nel tempo attraverso una data superficie di area A. I ceramici si comportano in modo molto diverso dai metalli poiché non hanno elettroni liberi; ciò comporta una riduzione della conducibilità. La conducibilità è prevalentemente determinata dallo spostamento dei fononi, ossia dalla dimensione del loro cammino libero medio. In generale, i composti ceramici caratterizzati da atomi leggeri (Mg, Al), strutture semplici, compatte e ad alta purezza, presentano conducibilità termiche elevate, anche se, fatta eccezione per alcune forme di SiC, sempre inferiori a quelle dei metalli, storicamente privilegiati in tal senso (alluminio, rame, tungsteno). A titolo d esempio, la mullite presenta uno dei valori di conducibilità più bassi (appena più alta di quella del vetro di silice) a causa della maggiore complessità della composizione chimica e della struttura.

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA MECCANICHE Le proprietà meccaniche sono una manifestazione della forza del legame chimico, ma sono fortemente influenzate, in maniera negativa, dai difetti presenti nel pezzo ceramico e dal processo tecnologico di realizzazione. Resistenza a frattura Tenacità Durezza superficiale Resistenza a flessione Resistenza a compressione Modulo di Young e la fragilità

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA MECCANICHE Resistenza a frattura E il parametro rappresentativo più importante ed è considerato come l espressione sperimentale dello sforzo teorico richiesto per separare i piani che contengono gli atomi e formare due nuove superfici. Nella maggior parte dei ceramici sinterizzati policristallini, il valore della resistenza a frattura è pari a due/tre ordini di grandezza inferiore a quella calcolabile con il modello teorico della separazione dei piani cristallini e della forza dei legami che li collegano. Ciò è dovuto alla presenza delle superfici eterogenee di contatto tra i grani e ai difetti della struttura dei piani cristallini che si possono trovare sia sulla superficie che nella massa del materiale.

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA MECCANICHE Tenacità a frattura E definita come la capacità di un materiale di assorbire energia, spendendola nella sua deformazione (area sottesa dalla curva sforzo-deformazione) fino al raggiungimento della rottura. La scarsa tenacità di un materiale può portare ad una rottura di tipo fragile che si svolge in due fasi: innesco della cricca (rottura locale) e propagazione della cricca (se il materiale è privo di tenacità, la rottura procede rapidamente e con un minimo dispendio di energia). Andamento della resistenza meccanica per differenti ceramici Andamento della tenacità nel confronto ceramici tradizionali-avanzati Nel primo caso la tenacità è costante perché è una caratteristica che non si modifica durante il progredire della frattura; diversamente accade nel secondo caso, quando il materiale presenta transizioni di fase lungo il cammino della frattura o nel caso in cui la cricca, nel suo percorso di propagazione, possa incontrare materiali diversi (rinforzi), che sono distribuiti nella fase maggioritaria detta matrice.

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA MECCANICHE Tenacità a frattura I La rinforzi fase dispersa ceramici di compositi, rinforzo modifica si ottengono il percorso inserendo della cricca, nelle matrici rendendolo ceramiche più tortuoso rinforzi e lungo. quali fibre In più, o particelle. se le particelle Lo scopo disperse questa determinano tecnica è quello con la di loro modificare nella presenza matrice la dei direzione ceramica campi e di l energia stress residuo, della la cricca mediante ne sarà influenzata, una loro diretta sarà cioè interazione attratta con verso il le suo zone apice. in trazione In altre e parole allontanata la cricca da quelle deve in essere compressione. rallentata, deviata nella direzione e se possibile ramificata in cricche più piccole. Interazione cricca-fibre (particelle): dopo alcune rotture, le fibre sostengono la lesione a ponte (a); alcune particelle ne smorzano l energia per la deformazione plastica (b) Interazione tra le particelle di rinforzo (duttili-tenaci) e la cricca in progressione Andamento della cricca in un ceramico rinforzato con particelle: (a) deviazione e prolungamento; (b) impatto sulle particelle e blocco del percorso Nella figura (b) le particelle disperse, se sono colpite dall apice della cricca, possono essere a loro volta spezzate e nella frattura opporre la propria tenacità (duttilità) contribuendo alla riduzione dell energia residua (quella dovuta alla sollecitazione esterna).

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA MECCANICHE Il Stato meccanismo tensionale di di schermatura fronte e intorno dell apice all apice della della criccacricca: consiste nella direzione modificare frontale, in situ il le carico caratteristiche è tensionale; del materiale in esso mediante si realizza una transizione la transizione di fase (tetragonale-monoclina) indotta dalla cricca stessa. che aumentando La transizione di volume può interessare determina una direttamente compressione la matrice sulla superficie e in tal della caso zona si definita parla di di meccanismo processo della auto-tenace. cricca stessa I materiali che possono realizzare queste condizioni sono le soluzioni solide a base di zirconia (ZrO 2 ). Queste presentano una transizione di fase (tetragonale-monoclina) che può essere indotta dallo sforzo applicato alla particella stessa; la transizione citata comporta un sensibile aumento del volume molare (dal 3% al 5%) che è funzione della composizione. Transizione di fase: le particelle di ZrO 2, sfruttando l energia di passano da una struttura tetragonale ad una monoclina. Così si riduce l entità dello stato tensionale L aumento deformazione, del volume, se si realizza di fronte alla cricca, determina una diminuzione della tensione al suo apice e, pertanto, riduce il progresso della lesione, fino ad arrestarlo. La compressione, essendo di segno contrario, diminuisce l entità della tensione (trazione) e, se la riduce al di sotto del carico di rottura, la cricca può arrestare il suo cammino. In generale, la cricca avanza ma in modo progressivo, controllato e non catastrofico

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA MECCANICHE Tenacità a frattura Materiale TenacitàKlc[MPam 1/2 ] Malta 0,14-1,4 Calcestruzzo 0,25-1,6 Allumina 3,5-5,8 Ossido di magnesio 1,3-2 Carburo di silicio 3,7 Zirconia 1,6-2,5 Nitruro di silicio 4,6-5,7 Vetro Na-Ca 0,8-0,9 Porcellana Tecnica 1,1-1,4 Widia (WC-3% Co) 11,6 Widia (WC-15% Co) 18,1-19,9 PMMA-Plexiglass 0,9-1,9 Policarbonato 3,02-3,6

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA MECCANICHE Durezza superficiale Se si fa riferimento alla durezza di tipo Knoop (HK), effettuata tramite il classico penetratore a forma di piramide di diamante a base rombica, sulla superficie dei neoceramici si registrano valori dell impronta lasciata dal penetratore (cioè, la misura della diagonale maggiore del rombo d impronta) che risultano molto bassi rispetto a quanto accade ai ceramici tradizionali.

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA MECCANICHE Resistenza a flessione Questa viene realizzata con un provino (di solito, si tratta di una lastra sottile appoggiata in due punti e di dimensioni standardizzate) sottoposto, in mezzeria, a carichi di flessione progressivamente crescenti.

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA MECCANICHE Resistenza a compressione In Essa genere, viene la determinata resistenza di sottoponendo compressione il provino si presenta, (si tratta nei ceramici di un blocchetto avanzati cubico) così come ad una in progressiva quelli tradizionali, opera molto di schiacciamento più elevata rispetto fino alla a quella rottura. di trazione. Confronto fra le resistenze a compressione ed a trazione di alcuni neoceramici

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA MECCANICHE Modulo di Young e la fragilità Per i neoceramici (ma ciò Materiale vale, in gran parte, Modulo anche per di quelli Young tradizionali) (GPa) l andamento della curva sforzo-deformazione Zirconia è rappresentato da una retta 200 che può avere una pendenza più o meno marcata a seconda del grado di massima elasticità sotto carico che può subire un materiale del genere. Nitruro di silicio 300 Carburo di silicio 430 ESEMPIO: provini di Allumina allumina e 390 silice vetrosa nel confronto dei rispettivi campi di deformazione Silice vetrosa 73 Mullite 145 Ossido di magnesio 225 Nel caso dell allumina (e lo stesso si potrà dire, comunque, per altri neoceramici come carburo di silicio o nitruro di silicio), appare evidente sottolineare che, rispetto alla silice vetrosa, essendo molto più alta la tensione massima sopportabile (in media, circa 4,5 volte), è sicuramente aumentata la tenacità globale anche se, data la natura intrinsecamente fragile dei ceramici, anche quelli avanzati giungono, dopo aver percorso un campo lineare di deformazioni elastiche, pressoché a rottura immediata.

3. PROPRIETA DEI CERAMICI AVANZATI PROPRIETA ELETTROMAGNETICHE I campi elettromagnetici interagiscono con le cariche presenti in qualsiasi materiale con conseguenze che possono variare sensibilmente a seconda della libertà che le cariche hanno di ESEMPIO muoversi 1: (mobilità) titanato e di di seguire bario il campo magnetico nelle sue variazioni. I (BaTiO ceramici sono utilizzati come isolanti e hanno trovato una vasta applicazione 3 ) adottato per la nell elettrotecnica. costruzione di condensatori Con lo sviluppo e l impiego di alte frequenze è stato necessario ricorrere ai ceramici ceramici privi dei cationi, facilmente polarizzabili, come i metalli alcalini presenti nelle porcellane, che ne limitano il campo di applicazione. Se la struttura e il tipo di legame consentono alle cariche di muoversi, allora, vi può essere una corrente lungo il gradiente del potenziale elettrico anche nei ceramici. In assenza di mobilità si possono verificare delle polarizzazioni, cioè delle separazioni di carica anche molto consistenti. Tali possibilità sono ampiamente sfruttate nell ambito dell elettronica e dell elettrotecnica moderne. ESEMPIO 2-3: titanato di bario (BaTiO 3 ) adottato per la costruzione di un accelerometro piezoelettrico e di elementi ceramici per pulitrice ad ultrasuoni

4. PANORAMICA SULLE APPLICAZIONI APPLICAZIONI PER PROBLEMI DI NATURA MECCANICA E TERMICA Guarnizioni a tenuta di fluidi o gas ESEMPI Materiali: High Al 2 O 3, SiC Motori Campi di applicazione Organi di macchine Impianti Obiettivi/finalità separazione di fluidi a pressioni differenti regolazione flussi Esigenze d uso alta resistenza alla corrosione elevata durezza rugosità sub-micronica

4. PANORAMICA SULLE APPLICAZIONI APPLICAZIONI PER PROBLEMI DI NATURA MECCANICA E TERMICA Materiali resistenti agli sbalzi di temperatura ESEMPI Materiali: SiC, Si 3 N 4 Campo di applicazione Scambiatori di calore in campo industriale (Centrali Turbogas) Obiettivi/finalità recupero dell energia dissipata con i fluidi e i gas di scarico ad elevata aggressività alta conducibilità termica Esigenze d uso buona resistenza alla corrosione alle alte temperature resistenza agli shock termici

4. PANORAMICA SULLE APPLICAZIONI APPLICAZIONI PER PROBLEMI DI NATURA MECCANICA E TERMICA Protezioni balistiche ESEMPI Materiali: B 4 C, Al 2 O 3, WC Campo di applicazione Protezioni per usi civili e militari (corazze) Obiettivi/finalità Migliore blindatura Elevatissima durezza Esigenze d uso Resistenza agli urti (alto tasso d assorbimento energia d urto) Limitazione delle schegge d impatto

4. PANORAMICA SULLE APPLICAZIONI APPLICAZIONI PER PROBLEMI DI NATURA MECCANICA E TERMICA Protezioni termiche e Refrattari ESEMPI Materiali: SiC, Si 3 N 4, Al 2 O 3 Scudi termici (Space Shuttle) Campo di applicazione Obiettivi/finalità Esigenze d uso Forni, crogioli, camere di combustione Vane Covering (rivestimento palette turbine a gas) Alti livelli di protezione dagli shock termici Isolamento termico Limitazione degli effetti del creep coefficiente dilatazione termica molto basso bassa conducibilità termica resistenza all abrasione

4. PANORAMICA SULLE APPLICAZIONI APPLICAZIONI PER PROBLEMI DI NATURA MECCANICA E TERMICA Materiali anti-abrasivi e per la comminuzione ESEMPI Materiali: Al 2 O 3, Si 3 N 4 Molitori, macine Campo di applicazione Obiettivi/finalità Esigenze d uso Strutture per contenimento e trasporto fluidi e sospensioni di polveri ceramiche (barbottine) Cuscinetti volventi granulometria macinate uniforme delle polveri limitazione degli effetti abrasivi nei tamburi demolitori e negli elementi portanti dei cuscinetti elevati pesi specifici e durezza alta resistenza all abrasione

4. PANORAMICA SULLE APPLICAZIONI APPLICAZIONI PER PROBLEMI DI NATURA MECCANICA E TERMICA Materiali abrasivi e per utensili da taglio ESEMPI Materiali: Al 2 O 3, SiC, Si 3 N 4, BN, TiC, WC, ZrO 2 Campo di applicazione Torni, frese, mole Taglienti utensili notevole aumento delle velocità di taglio Obiettivi/finalità Esigenze d uso incremento della profondità di taglio porosità dei taglienti per una migliore evacuazione del calore (migliore lubrificazione) elevata durezza resistenza a bruschi shock termici conducibilità termica elevata innalzamento della vita utile dei taglienti

4. PANORAMICA SULLE APPLICAZIONI APPLICAZIONI PER PROBLEMI DI NATURA ELETTRICA ED ELETTRONICA Resistori Forni elettrici MgO, SiC, ZrO 2 Termistori Sensori di temperatura Limitatori di corrente Fe 3 O 4 (magnetite) MnO + Li 2 O Varistori Raddrizzatori di corrente SiC, Cu 2 O Substrato per circuiti elettrici Placche di montaggio circuitali Al 2 O 3

4. PANORAMICA SULLE APPLICAZIONI APPLICAZIONI PER PROBLEMI DI NATURA ELETTRICA ED ELETTRONICA Piezoelettrici Accelerometri Pulitrici ad ultrasuoni SiO 2, BaTiO 3, PbZrO 3, Magnetici Trasformatori, induttori Memorie magnetiche Magneti reversibili e permanenti Ba (Sr, Pb)(Fe 2 O 3 ), Ni(Zn)O(Fe 2 O 3 ) Capacitori- Condensatori Componenti elettronici Schede circuitali Al 2 O 3, BaTiO 3, CaZrO 3, CaTiO 3, Nb 2 O 5

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI 1. Generalità ALLUMINA (Al 2 O 3 ) L allumina o, come si direbbe nella vecchia nomenclatura, il triossido di dialluminio rappresenta uno dei ceramici avanzati molto apprezzato sin dai primi dell Ottocento e costituisce da sempre una materia prima fondamentale nell industria ceramica. L allumina, rispetto agli altri ceramici, offre una buona combinazione di proprietà meccaniche ed elettriche che s adattano ad una vasta gamma di applicazioni. Può essere prodotta con differenti gradi di purezza e con l aggiunta di vari additivi destinati a svilupparne o rafforzarne specifiche proprietà. Viene realizzata usando un ampia varietà di metodi di lavorazione ed, oltre a tutto ciò, può legarsi ai metalli senza adoperare tecniche di metallizzazione e brasatura. L allumina utilizzata nella stragrande maggioranza delle applicazioni più comuni è classificata come allumina pura e contiene il 99.5-99.6% di Al 2 O 3, lo 0.06-0.12% di SiO 2 (e, nelle medesime percentuali, a seconda del tipo di applicazione, anche, di MgO), lo 0.03-0.06% di Fe 2 O 3 ed, in genere, anche uno 0.04-0.20% di Na 2 O.

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI ALLUMINA (Al 2 O 3 ) 2. Cenni alla struttura cristallina del corindone o allumina Nella struttura cristallina dell allumina gli ioni ossigeno O 2- si trovano nelle posizioni reticolari che competono ad una cella elementare avente forma di un parallelepipedo compatto a base esagonale. Gli ioni alluminio Al 3+, al fine di mantenere la neutralità elettrica, possono occupare solo 2/3 delle posizioni interstiziali ottaedriche del reticolo a configurazione EC (esagonale compatto). Da ciò deriva una certo effetto di distorsione della struttura reticolare.

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI ALLUMINA (Al 2 O 3 ) 3. Caratteristiche fondamentali Caratteristiche positive dell allumina Buona stabilità termica Resistenza ad usura Durezza eccellente Resistenza alla corrosione in ambienti acidi o alcalini Isolante elettrico Biocompatibilità Caratteristiche negative dell allumina Modesta Resistenza meccanica Bassa Resistenza agli shock termici

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI ALLUMINA (Al 2 O 3 ) 4. Casi applicativi Si può pensare di Applicazioni suddividere elettriche in tre grossi ed campi elettroniche applicativi la grande varietà d uso dell allumina, ovvero: Allumina monocristallina Alta capacità di trasmettere luce mostrando completa trasparenza fino a temperature di 1250-1500 C Dispositivi 1. campo di applicazioni elettriche ed elettroniche; Dischargeper Lamps linee ad (Involucri alta tensione delle lampade (bassa a perdita scarica a 2. campo di applicazioni meccaniche; dielettrica vapori sodio) ed alta resistività) 3. campo di applicazioni mediche.

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI ALLUMINA (Al 2 O 3 ) 4. Casi applicativi Applicazioni meccaniche Cuscinetti a sfere con rivestimento in allumina su sfere ed anello interno (alta resistenza all usura ed all abrasione) Albero e cuscinetti assiali per pompe centrifughe di trattamento acque, fluidi industriali o lubrificanti (allumina pura al 99,7%) Guarnizioni in alta allumina per limitare perdite, fughe di liquidi o gas (alta resistenza alla corrosione ed all usura)

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI ALLUMINA (Al 2 O 3 ) 4. Casi applicativi Applicazioni meccaniche Allumina drogata con piccole percentuali di MgO, TiC, ZrO 2 (maggior controllo sulla crescita dei grani, grado di porosità contenuto, conducibilità termica più alta, minore fragilità, scarsi rischi di micro-saldature chimiche con il truciolo asportato) Cutting tools (utensili da taglio). Rispetto ai carburi cementati, raggiunte alte velocità di taglio (1500-1800 m/min) Utensili in allumina tollerano meglio di altri (acciai, carburi) gli stress da compressione alle alte temperature

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI 4. Casi applicativi ALLUMINA (Al 2 O 3 ) Applicazioni bio-meccaniche Allumina policristallina ad alta densità e grado di purezza (buona biocompatibilità e buona resistenza meccanica) Allumina come materiale da innesto per impianti dentali e chirurgia maxillo-facciale (adatta solo per applicazioni da stress compressivo)

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI ALLUMINA (Al 2 O 3 ) 4. Casi applicativi Applicazioni bio-meccaniche La questione della lubrificazione della giunzione (Caso del liquido sinoviale nella Giunzioni protesi allumina-allumina del ginocchio) hanno qualità migliori rispetto alle tradizionali coppie metallopolietilene o alla recente metallo- UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene) Materiale da innesto per artificial joints - protesi artificiali parziali o totali (ginocchio, anca) coefficiente di frizione decrescente nel tempo e molto basso in ambiente acquoso consumo delle superfici Allumina a contatto policristallina e rugosità ad decrescenti nel tempo alta densità e microstruttura a grani fini (eccellente biocompatibilità, inerzia chimica e basse produzioni alta resistenza di particelle d usura in prossimità del tessuto ad usura, elevata vita a osseo (ridotti fenomeni osteolitici) fatica, basso coefficiente di durata media di frizione) una protesi d anca attorno ai 10 anni (contro i 7-8 anni delle giunzioni in metallo-polietilene) buona resistenza alla corrosione da acidi organici modesti valori di ESEMPIO: porosità Protesi (grani totale delle dimensioni, anche di dell anca 7-10 μm, con (stelo conseguenti femorale, altissimi Allumina valori di BIOLOX resistenza testa (Al a compressione) femore, 2 O 3 >99,7%) guscio Basso angolo emisferico) di bagnabilità (indice di usura presente) = Ottima lubrificazione della giunzione

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI 1. Generalità NITRURO DI SILICIO (Si 3 N 4 ) Il nitruro di silicio è considerato il materiale ceramico più promettente per applicazioni strutturali ad alta temperatura. L elemento fondamentale della microstruttura del nitruro di silicio è l atomo di silicio, il quale è circondato da quattro atomi di azoto ed il legame è prevalentemente covalente. Questo tipo di legame è molto forte ed estremamente direzionale e determina pregevoli caratteristiche.

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI NITRURO DI SILICIO (Ni 3 Si 4 ) Caratteristiche positive Meccaniche del Nitruro e Termiche di Silicio Buona resistenza al creep Buona resistenza all ossidazione Bassa densità Ottima resistenza agli shock termici (α basso) Caratteristiche negative del Nitruro di Silicio Scarsa tenacità

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI NITRURO DI SILICIO (Ni 3 Si 4 ) Per ottenere elevate proprietà meccaniche si ricorre a fibre di rinforzo. Un esempio è rappresentato dal Si 3 N 4 rinforzato con whiskers di SiC. E necessario che matrice e whiskers abbiano caratteristiche simili, come coefficiente di espansione termica e modulo elastico. Analisi condotte con microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) hanno evidenziato la presenza di fase vetrosa all interfaccia whiskers/matrice. Questo è indice di debole interazione tra whiskers e matrice circostante che porta all attivazione di meccanismi di tenacizzazione con incremento del valore della tenacità a rottura.

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI NITRURO DI SILICIO (Ni 3 Si 4 ) APPLICAZIONI Cuscinetti Anelli di tenuta Bronzine Utensili da taglio Guaine per termocoppie Inserti per asportazione di truciolo Parti meccaniche: pistoni, valvole, sedi valvole Palettatura Turbine industriali e propulsori aeronautici

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI NITRURO DI SILICIO (Ni 3 Si 4 ) Da Altro un metodo punto di consiste vista termodinamico, nel ricoprire il le riferimento pale in superlega ideale degli con impianti uno strato turbomotori di materiale a gas è costituito ceramico dal a ciclo bassa di conducibilità Brayton-Joule. termica; In esso la TBC temperatura (Termal Barrier più alta Coating) è quella principalmente ingresso in turbina costituiti (TIT:Turbine da zirconia stabilizzata Inlet Temperature) con ittria (0.1-0.2% ed è limitata di YZ dalla per ridurre resistenza la granulometria dei materiali dello alla temperatura. zirconio). Questo pone un limite anche al rapporto di compressione che può essere utilizzato nel ciclo e di conseguenza al rendimento η=1-1/β(k-1)/k. E, quindi, importante aumentare il più possibile la TIT. Le pale delle turbine sono in genere costituite da superleghe a base di nichel (molto costose). Per avere alte TIT si sono escogitati complicati sistemi di raffreddamento delle pale. PALE IN SUPERLEGA CON RIVESTIMENTO TBC SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO PALETTE

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI NITRURO DI SILICIO (Ni 3 Si 4 ) Il nitruro di silicio è il principale candidato a sostituire le superleghe al nichel. Esso ha infatti una minore tendenza ad ossidarsi sopra i 1000 C, una migliore resistenza al creep, in parte dovuto al fatto che le leghe di Ni hanno punto di fusione a 1450 C mentre il Si 3 N 4 si dissocia (non fonde) in Si e N 2 a 1900 C. Il suo coefficiente di espansione termica èdi 3,6 10-6 K -1 contro i 10 10-6 delle leghe. Alle precedenti qualità il nitruro di silicio associa una densità di 3,2 g/cm 3 mentre per le leghe al Ni la densità è di 8,5 g/cm 3. Confronto tra le caratteristiche delle leghe e dei ceramici avanzati

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI NITRURO DI SILICIO (Ni 3 Si 4 ) Riassumendo la paletta deve resistere ad una serie di sollecitazioni: Temperature dei gas superiori a 1200 C per migliaia di ore Elevati carichi termici Elevati stress meccanici Impatti puntuali Carichi vibrazionali Reazioni chimiche Corrosione Creep e cicli a fatica Il nitruro di silicio sembra vincere anche il confronto con altri ceramici avanzati, specie il SiC che possiede alte qualità. A temperature superiori ai 1000 C il Si 3 N 4 presenta la resistenza maggiore. Come sappiamo un carico termico ΔT induce un livello di tensione dato da: σ = EαΔT. Questa relazione evidenzia come il Si 3 N 4 resista meglio agli shock termici presentando minore rigidità del SiC e, quindi, minori tensioni indotte a parità di ΔT. Quanto detto trova conferma in un analisi FEM condotta su un vane di una turbina.

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI NITRURO DI SILICIO (Ni 3 Si 4 ) Condizioni di lavoro Analisi FEM Modello Geometrico Si sono prese in considerazione le condizioni di lavoro più gravose che si hanno nel passaggio dalla fase idle (motore acceso ma fermo in pista) alla fase di takeoff (decollo). In pochi secondi le temperature dei gas e del vane vedono un netto aumento

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI NITRURO DI SILICIO (Ni 3 Si 4 ) L analisi termica mostra che il nitruro di silicio, a causa di una più alta diffusività e minore conducibilità termica, presenta ANALISI temperature TENSIONALE più alte del (Si 3 SiC. N 4 -SiC) ANALISI TERMICA (Si 3 N 4 -SiC)

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI NITRURO DI SILICIO (Ni 3 Si 4 ) Le parti della pala più sollecitate sono la punta e la parte interna. La punta risente di più dello scambio convettivo con i gas caldi in quanto è una zona sottile che avendo un alto rapporto superficie/volume presenta bassa inerzia termica ed è quindi la parte che si riscalda più velocemente. La parte interna è caratterizzata da un basso rapporto superficie/volume e, quindi, le temperature variano più lentamente rispetto al resto della pala.

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI NITRURO DI SILICIO (Ni 3 Si 4 ) In definitiva, durante l esercizio il vane va incontro ad un campo termico complesso con forti gradienti Gli effetti di temperatura. devastanti Di di conseguenza, un creep incontrollato tendendo ad espandersi diversamente in ogni punto, il vane sperimenta anche delle inflessioni e curvature. Oltre alle sollecitazioni meccaniche e termiche bisogna considerare gli effetti causati dall ambiente che regna in turbina. Corrosioni localizzate dovute alla presenza di specie reattive. Ciò può aversi quando particelle metalliche provenienti dalle parti metalliche del motore si depositano sulla superficie della pala. L ossidazione di tali impurità distrugge lo strato protettivo di silica portando alla formazione di crepe. Il vapore acqueo, reagendo con lo strato di silica, porta alla formazione della specie gassosa Si(OH) 4 che può causare eccessivi cambiamenti nelle dimensioni del componente. Effetti dell ossidazione. Accelerati fenomeni da creep

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI NITRURO DI SILICIO (Ni 3 Si 4 ) Alla Allo fine scopo del di test evidenziare si è rilevata come una questi significante effetti siano recessione importanti, del materiale si riportano che i fa risultati protendere di un primo verso l utilizzo esperimento di coating. svolto in Rolls-Royce su una pala in nitruro di silicio montata su di una La turbina freccia da (color 3,1 MW. grigio Le nella pale foto) in nitruro indica di la silicio direzione sono del state flusso ottenute dei gas. per reaction bonding con aggiunta di 10 % di additivi. Condizioni di test: Temperatura in ingresso 1066 C e pressione 8,9 atm; Velocità gas di 162 m/s in ingresso e di 573 m/s all uscita; 815 h di test. Fenomeno della recessione del materiale dalla punta del profilo palare (dopo le 815 h di test) Tale fenomeno di recessione viene superato tramite tecniche di coating superficiale.

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI PIASTRELLE CERAMICHE PER APPLICAZIONI AEROSPAZIALI Gli scudi termici La fase di rientro nell atmosfera di una navicella Problema spaziale a degli conclusione scudi termici di un volo orbitale o interplanetario risulta particolarmente gravosa sia per l equipaggio che è soggetto a decelerazioni più o meno brusche a seconda della traiettoria di rientro seguita, sia per i veicoli sottoposti ad un rilevante flusso termico a causa della resistenza provocata dall attraversamento degli strati atmosferici. Notevoli flussi termici che, se non In questa fase, l orbitante ha una velocità che supera opportunamente Mach 5, rallentata, contenuti a partire nei da loro effetti sulla struttura dello shuttle, possono causare danni molto gravi alla sicurezza del velivolo e dell equipaggio velocità di 20000 mph, dall attrito con l atmosfera che produce una temperatura esterna di oltre 3000 F (1650 C) Per il rientro degli Space Shuttle è sempre stato previsto un TPS (Thermal Protection System). Da quando si è pensato di riutilizzare, dopo Resistenza opportune alla verifiche corrosione e collaudi, le stesse capsule per altre missioni, si è adottata la modalità di rientro di tipo portante (RLV Reusable Launch Vehicles) e si è messa da parte (oltre che per ragioni conducibilità termica) tecniche, anche per ragioni economiche) quella di tipo balistico (si usavano schermi Obiettivi termici richiesti ablativi nell uso fusione di controllata dei layers Buone più capacità esterni) di reirradiare ceramici avanzati (fibre di l esterno frazioni di calore assorbito silice ed alta allumina) Alto isolamento termico (bassa verso Buona resistenza a vibrazioni di natura meccanica ed acustica e peso ridotto Minime dilatazioni per effetti termici

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI PIASTRELLE CERAMICHE PER APPLICAZIONI AEROSPAZIALI Il caso dello Shuttle Columbia (1/02/2003) La tragedia del Columbia nei cieli del Texas La carlinga infuocata del Columbia prima della fatale esplosione Responsabile dell incidente fu proprio un gruppo di piastrelle ceramiche, il quale venne danneggiato nella fase di decollo per il distacco improvviso di materiale da un serbatoio esterno (si tratta pur sempre di materiali dotati di elevata fragilità). Così, privo della dovute caratteristiche protettive, innescò l inevitabile surriscaldamento del nucleo della navicella quando essa ritornò all impatto con l atmosfera.

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI PIASTRELLE CERAMICHE PER APPLICAZIONI AEROSPAZIALI Gli scudi termici L impiego dei materiali ceramici ha costretto al raggiungimento di un compromesso fra la buona resistenza alle elevate temperature e le modeste proprietà resistenziali che sono spesso causa di danneggiamenti del TPS. In considerazione di ciò, si giustifica la necessità, avvenuto il rientro a terra, di lunghe fasi di ispezione e sostituzione dei componenti del sistema di protezione che occupa gran parte del tempo dedicato alla manutenzione complessiva del velivolo. Esistono due tipologie di elementi da cui è costituito il TPS, e sono: i blankets ( mantello ) i tiles ( piastrelle ). I blankets non hanno bisogno di isolanti per lo strain poiché hanno coefficienti di espansione termica Campi molto di simili temperatura a quelli dei che materiali avvolgono utilizzati le navicelle per la struttura. Sono legati direttamente spaziali alla loro struttura rientro con in atmosfera tempi e e costi relativi d installazione materiali minori rispetto a quelli richiesti per i tiles. di supporto (Fonte: ESR Ente Spaziale Russo)

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI PIASTRELLE CERAMICHE PER APPLICAZIONI AEROSPAZIALI Gli scudi termici Materiali impiegati per la costruzione dei pannelli protettivi del TPS FRCI RCC AFRSI HRSI FRSI LRSI Advanced Flexible Reusable Surface Insulation. Questo materiale consiste in E Fibrous un composito utilizzato Refractory con sulla imbottitura Composite parte dell attacco isolante Insulation, posto dell ala, tra compositi due sul strati di naso di fibre tessuto e refrattarie sull area bianco immediatamente isolanti. che sono Sono cuciti state vicina insieme sviluppate, al nose a formare nella in seguito, superficie i cosiddetti nell'ambito più blankets bassa del (chine programma imbottiti. panel) Le di e sulla protezioni coperture parte di termiche. intorno AFRSI sono all attacco I tilesstate di FRCI anteriore utilizzate sostituiscono per del sostituire serbatoio alcune la esterno delle maggior HRSI all orbitante parte in aree dei (external tank). Gli RCC proteggono le aree dove la temperatura supera i 1260 C selezionate LRSI tiles; esse dell orbitante sono facilmente producibili e conferiscono allo shuttle una vita più lunga. Tali coperture hanno portato ad un ulteriore diminuzione del peso rispetto all utilizzo degli LRSI tiles, proteggendo aree con temperature intorno ai 650 C. High-temperature Reusable Surface Insulation tiles (HRSI). Sono installati Low-Temperature sottoforma di piastrelle Reusable (tiles) Surface da rivestimento insulation con tiles. una superficie Sono utilizzate di colore in Felt Reusable Surface Insulation. Sono blankets di colore bianco usati nella nero, selezionate ottenuta aree per della coating, fusoliera necessaria anteriore, per centrale avere una e posteriore certa emittanza. e nella Sono zona parte superiore dei portelloni, in porzioni dei lati della fusoliera centrale e utilizzati verticale sulle della aree coda, superiori nella parte della superiore parte anteriore dell'ala della e OMS/RCS. fusoliera Questi ed intorno tiles posteriore, in porzioni della parte superiore della superficie delle ali e del proteggono alle finestre della aree fusoliera, con temperature su tutta la intorno parte inferiore ai 650 C, del veicolo, hanno un dove coating OMS/RCS. Le FRSI blankets proteggono aree dove le temperature l RCC sono superficiale non è utilizzato. di colore Proteggono bianco le che aree provvede dove le temperature a migliorare variano le caratteristiche sopra i 370 C. dai 700 C ai termiche 1250 C. in orbita.

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI PIASTRELLE CERAMICHE PER APPLICAZIONI AEROSPAZIALI Gli scudi termici

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