I ceramici possono essere prodotti: - da polveri - da fuso (per solidificazione) - da fase vapore o gas (tecnica CVD o PVD) - da soluzione (via sol-gel) - da tecnopolimeri Nella produzione da fuso sono necessarie temperature molto elevate; inoltre il notevole ritiro volumetrico in solidificazione e la formazione di grani cristallini molto grandi (vista la limitata conducibilità termica) generano manufatti tensionati o addirittura fratturati. Le tecniche PVC/CVD, sol-gel e da tecnopolimeri sono utilzzate solo per componenti di piccole dimensioni (film, polveri, microcomponenti). 1
I processi che partono da polveri sono i più utilizzati. Attraverso la formatura e successiva sinterizzazione si ottiene un componente dalla composizione praticamente simile a quella della polvere di partenza. Nei processi dimox o reaction bonding la composizione finale dipende dalla polvere e dall atmosfera di sinterizzazione. In alcuni casi, è la stessa polvere che reagisce nelle sue componenti per portare ad una composizione diversa (vedi ceramica tradizionale). Si parte comunque in genere da polveri incoerenti; si passa poi alla fase di formatura e quindi alla sinterizzazione per ottenere il pezzo finito. Alternativamente, nei processi dimox o reaction bonding dopo la formatura avviene la sinterizzazione in presenza di un gas reattivo che causa l ottenimento di un componente finito di composizione diversa rispetto alle polveri di partenza. 2
Nel processo thermal spray la polvere ceramica viene spinta da un gas nella torcia dove viene fusa e spruzzata contro il substrato da rivestire. Il calore per fondere la polvere è in genere garantito dalla formazione di un plasma (gas ionizzato in presenza di una forte differenza di potenziale tra due elettrodi). Si parla spesso perciò di plasma spray. 3
Nel prcesso CVD due gas vengono fatti reagire in modo da formare la sostanza da depositare sull oggetto da rivestire. La produttività è evidentemente limitata. 4
Numerosi sono le applicazione della tecnica CVD, utilizzata per la produzione di film o rivestimenti, oggetti monolitici (di piccole dimensioni) ma anche polveri. La temperatura influenza molto la microstruttura del ceramico; a temperature di processo poù basse possono essere ottenuti anche materiali amorfi. 5
La struttura del film o rivestimento può essere amorfa, epitassiale (monocristallina) o policristallina a seconda delle condizioni operative e in particolare della costante di equilibrio della reazione di riferimento. K dovrà essere limitata per avere un flusso elevato di reagenti. Se K è elevata, il film sarà piolicristallino. 6
La velocità di deposizione è in genere limitata. 7
Diverse sono anche le geometrie dei reattori utilizzabili a seconda della tipologia di prodotto. Nella figura a sinistra sono riportati alcuni reattori tipicamente utilizzati nella produzione di rivestimenti. A destra è riportato lo schema di un reattore per la produzione di rivestimenti in diamante; per tale scopo il gas reagente va attivato attraverso un plasma o passando in prossimità di un filamento a 2000 C prima della deposizione a 800-1000 C (MPACVD = microwave plasma assisted CVD). 8
Nello sputtering, la ionizzazione di Ar tra due elettrodi fa sì che gli ioni impattano su un target di composizione opportuna i cui atomi, unavolta scalzati, vanno a depositarsi sul substrato. 9
Nel processo sol-gel si parte da alcossidi che, in soluzione acquosa, reagiscono formando reticoli ossidici in forma di gel. Questo, una volta riscaldato si trasforma prima in vetro e poi in ceramico. Tali trasformazioni sono accompagnate da una notevole riduzione di volume (superiore al 50%) da cui l impossibilità di produrre componenti di grosse dimensioni. 10
Il processo può prendere il via sia dalla soluzione di alcossidi che dal sol (sospensione di finissime particelle). La fase più critica è l essiccazione durante la quale si ha una drastica riduzione di volume. 11
L idrolisi va in genere catalizzata da un acido o una base. Se veda l esempio del TEOS. Il risultato è ovviamente differente. 12
La condensazione avviene in genere prima che l idrolisi comporti una totale sostituzione dei gruppi alcossidici, anche se in maniera differente a seconda del ph. La tendenza sarà quella a formare catene in catalisi acida e cluster in catalisi basica. 13
La tecnica sol gel è utilizzata per la produzione di polveri, fibre e fil sottili. 14
In questo caso si parte da specifici polimeri nei quali sono già presenti legami C-Si, C-N, Si-N, ecc. Il polimero può essere formato come una plastica comune e, sottoposto a trattamento di termilisi, va incontro a trasformazione in ceramico e sinterizzazione. Anche in questo caso la trasformazione è accompagnata da una notevole riduzione di volume (superiore al 30%). 15
I ceramici prodotti da tecnopolimeri sono in genere non ossidici: nitruri, carburi, ecc. Il polimero di partenza influenza il prodotto finale. 16