Materiali metallici Materiali ceramici Materiali polimerici
Materiali ceramici Materiali inorganici non metallici
Ceramici cristallini Distribuzione regolare e ripetitiva di una unità strutturale di base (cella elementare o cella unitaria) la cui trasposizione nello spazio dà luogo al cristallo ceramici monocristallini ceramici policristallini Ceramici amorfi
Ceramici cristallini Ceramici ionici la struttura dipende da: valenza degli ioni dimensione degli ioni elettroneutralità rapporto R c /R a Ceramici ionico-covalenti Ceramici covalenti
(o di Bravais)
7 sistemi cristallini 14 Reticoli di Bravais tetragonale monoclino romboedrico cubico esagonale ortorombico triclino
stabile instabile instabile
Numero di coordinazione nc 8.cubica Rc/Ra > 0.732 nc 6.ottaedrica > 0.414 nc 4.tetraedrica > 0.225 nc 3.triangolare > 0.155
Posizioni interstiziali Sono le posizioni corrispondenti agli spazi vuoti esistenti tra gli atomi di una data struttura cristallina. Le più comuni sono: posizioni interstiziali a coordinazione ottaedrica posizioni interstiziali a coordinazione tetraedrica La posizione ottaedrica è costituita dallo spazio vuoto esistente tra 6 atomi posti ai vertici di un ottaedro, mentre quella tetraedrica è al centro di 4 atomi posti ai vertici di un tetraedro.
1 Posizione interstiziale ottaedrica Posizione interstiziale tetraedrica 5 4 3 2 (1) 6 Posizioni interstiziali ottaedrica e tetraedrica in una cella CFC
MgO (magnesia o ossido di magnesio) Cella elementare CFC: siti reticolari (ioni O = ), posizioni ottaedriche interstiziali (ioni Mg ++ ), numero di coordinazione 6. ZrO 2 (zirconia o ossido di zirconio, zirconia cubica) Cella elementare CFC: siti reticolari (ioni Zr 4+ ), posizioni tetraedriche interstiziali (ioni O = ), numero di coordinazione 4. Al 2 O 3 (allumina o ossido di alluminio, corindone) Cella elementare EC: siti reticolari (ioni O = ), 2/3 posizioni ottaedriche interstiziali (ioni Al +3 ), numero di coordinazione 6.
Struttura cristallina del corindone (Al 2 O 3 )
Magnesia, MgO Zirconia, ZrO 2 Allumina (Al 2 O 3 )
Ceramici covalenti diamante (C) grafite (C) carburo di silicio (SiC) silice (biossido di silicio, SiO 2 ).
Reticolo cristallino del diamante.
diamante carburo di silicio, SiC silice, SiO 2
Grafite
(a) Struttura cristallografica della grafite (b) formule limite di tre anelli aromatici del piano grafitico
Il Silicio può formare: silicio cristallino (struttura analoga al diamante) catene polisilossaniche Si-O (452 kj/mole) Si-Si (222 kj/mole)) Le posizioni disponibili sugli atomo di Si in catena possono essere occupate da: atomi di O che formano legami ionici con Na +, Mg +2, Al +3 (es. pirosseni) altri gruppi silossanici, formando silice (cristallino) o vetro (amorfo)
catena polisilossanica un pirosseno (MgSiO 3 ) n
diamante carburo di silicio, SiC silice, SiO 2
quarzo vetro
silice cristallina vetro SiO 4 4-
Difetti di punto in cristalli ionici Difetto di Frenkel: vacanza ionica+ interstizialità Difetto di Schottky: vacanza anionica + vacanza cationica
Difetti di linea
Bordi di grano in ceramici policristallini
Processo ceramico per la realizzazione di componenti ceramici avanzati (1) Miscelazione di polveri ottenute da precursori sintetici ad elevata purezza caratteristiche delle polveri : purezza, composizione e microstruttura controllata (2) Formatura (uniassiale o isostatica), si ottiene un verde privo di consistenza meccanica costituito da granuli di polvere compattata (3) Sinterizzazione
Formatura: pressatura uniassiale e isostatica
Sinterizzazione
Esempio: allumina sinterizzata a 1700 C
Prova di trazione e
???? Meccanismo di deformazione plastica nei materiali ceramici????
Visione dall alto della struttura cristallina di NaCl che indica (a) lo scorrimento sul piano (110) e nella direzione [110] (linea AA ) e (b) lo scorrimento sul piano (100) nella direzione [010] (linea BB ).
Prova di piegamento o di flessione Modulo di rottura mr mr 3F 2bd F L f f R 3 L
Prova di compressione
Prova di microdurezza (Knoop, Vickers)
Caratteristiche materiali ceramici avanzati Elevata temperatura di fusione Stabiltà chimica Fragilità intrinseca (assenza di deformazione plastica) Fragilità estrinseca (porosità) Elevato modulo elastico (E) Bassa resistenza meccanica a trazione e flessione Buona resistenza meccanica a compressione Elevata durezza (H) Bassa tenacità (Gc) Bassa tenacità a frattura (KIc) Frattura fragile Bassa affidabilità
Frattura fragile (a) scarsa deformazione plastica in prossimità della cricca in propagazione (b) cricca instabile avanzamento rapido e spontaneo (1) frattura improvvisa e catastrofica (2) caratteristica di materiali a bassa tenacità ti