Tra la moltitudine di applicazioni e tipologie di materiali ceramici vengono qui descritti innanzitutto i ceramici tradizionali ovvero quelli prodotti a partire da argilla. 1
I ceramici tradizionali propriamente detti (esclusi cioè i refrattari e i cementi) vengono prodotti da materiali argillosi e si distinguono per la struttura (porosa o compatta), la presenza di rivestimento (smalto) e il colore. I ceramici tradizionali porosi sono leggeri, isolanti e in genere limitatamente resistenti; presentano poca fase vetrosa. I ceramici a tessitura compatta sono cotti a più elevata temperatura (vedi gres e porcellana) e, anche per questo (ma anche ovviamente a causa delle materie prime impiegate), contengono elevate frazioni di fase vetro; sono quindi impermeabili e resistenti. Il colore dipende soprattutto dalla presenza nelle argille di sostituzioni isomorfiche di Si e Al da parte di Fe (2+ o 3+ che dà il colore rosso/marrone o grigio). 2
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La microstruttura dipende dalle materie prime e dalla temperatura di cottura. Un maggior utilizzo di fondenti produce più fase vetrosa utile nella porcellana per stoviglie, negli isolatori elettrici oppure per ricreare l effetto traslucido per utilizzo dentale. In genere si identificano i grani residui di feldspato e quarzo immersi in una fase vetrosa nella quale si trova come precipitato anche la mullite (fase più nobile che garantisce le migliori caratteristiche meccaniche) sotto forma di struttura ad aghi. Uno dei ceramici prodotti a tessitura compatta è la porcellana. A seconda della quantità di fase vetrosa che contiene si distingue in porcellana dura e porcellana vetrosa (per stoviglie). 4
Le materie prime per i ceramici tradizionali sono rappresentate da: Argille (in genere caolinitiche per una migliore lavorabilità e plasticità degli impasti). L uso di argille montmorillonitiche è causa di eccessivi ritiri in essiccazione pur migliorando la lavorabilità. La presenza di alcali modifica la fusibilità, il tenore di ferro influenza il colore. Nei ceramici a tessitura porosa l argilla è comunque un componente minoritario. Smagranti (sabbie quarzifere, chamotte, carbonati - in genere già presenti nell argilla -) che limitano il ritorno in essiccamento (l argilla torrefatta o chamotte è argilla sottoposta a preventivo riscaldamento a 800-900 C - metacaolino -). Nei ceramici a tessitura porosa i carbonati sono la materia prima preponderante. Fondenti (feldspati, nefelina) che garantiscono la formazione di fase vetrosa o di liquido in sinterizzazione. Utili nei ceramici a tessitura compatta. Smalto per il rivestimento, costituito da una sospensione di vetro macinato e di argilla (barbottina). Può essere deposto prima -monocottura- o dopo la cottura - biscotto -; l argilla migliora la deformabilità e la stabilità della sospensione; se trasparente è detto anche vetrina e rende impermeabile il manufatto. Fondamentali sono la bagnabilità e il coefficiente di dilatazione termica. Altro (binder, deflocculanti, plasticizzanti, lubrificanti). 5
Il processo produttivo è quello tipico di un ceramico; tenuto conto dei volumi prodotti il processo di cottura è in genere svolto in forni a tunnel in continuo. 6
La smaltatura viene effettuata sia su oggetti verdi che su componenti già cotti; in questo secondo caso si parla di biscotto. Lo smalto (sospensione a base di polvere di vetro e argilla più eventualmente quarzo o altri fondenti) viene deposto sulla superficie dell oggetto mediante struzzatura o dip coating (deposizione per immersione). Alcuni parametri sono particolarmente critici: la bagnabilità del substrato da parte dello smalto soprattutto in fase di vetrificazione, l omogeneità nel ritiro in fase di sinterizzazione (del substrato) e vetrificazione (dello smalto), la dilatazione termica (o meglio contrazione termica) in fase di raffreddamento.il primo deve permettere una buona stesura dello smalto sulla superficie, gli altri due debbono non far sorgere sforzi di coazione (residui) tali da degradare il rivestimento. 7
Le caratteristiche fondamentali di riferimento sono la porosità, la permeabilità e la resistenza a rottura. Materie prime e processo di produzione e cottura vanno selezionati in base alle caratteristiche da ottenere. 8