Materiali ceramici

• Composti chimici tra un metallo e un non metallo (a carattere prevalentemente ionico)– 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)

dal greco Keramikos: materiale cotto

Materiali ceramici

• Tradizionali– Porcellane– Mattoni– Piastrelle– Sanitari– Vetri– Abrasivi– Refrattari

• Avanzati– Rivestimenti per metalli– Barriere termiche– Superconduttori– Ceramici piezoelettrici– Conduttori ionici– Substrati per l’elettronica– Impianti dentali/ossei

Materiali ceramici

• Allumina (Al2O3)– Abrasivo (Industria meccanica tradizionale)– Utensile (Industria meccanica avanzata)– Isolante (Industria elettrotecnica tradizionale)– Supporto per circuiti integrati (Industria elettronica)– Materiale per artroprotesi (Industria biomedicale)

Materiali ceramici• Elevata temperatura di fusione • Inerzia chimica • Elevata durezza • Elevato modulo elastico • Bassa densità • Bassa tenacità

Materiali ceramiciMateriale Densità

– Nitruro di silicio (Si3N4) 2,7-3,3 g/cm3

– Zirconia (ZrO2) 5,75 g/cm3

– Carburo di silicio (SiC) 3,1-3,3 g/cm3

– Allumina (Al2O3) 3,97 g/cm3

– Silice vetrosa (SiO2) 2,2 g/cm3

– Mullite (3Al2O3 – 2SiO2) 2,8 g/cm3

– Ossido di magnesio (MgO) 3,58 g/cm3

Acqua 1 g/cmcFerro 7,85 g/cmc

Materiali ceramiciProprietà termiche

Coefficiente di dilatazione termica lineare (α) [·10-6 °C-1]

Alluminio 23,6Ottone 20,0Rame 16,5Acciaio 12-16Tungsteno 4,5

Magnesia (MgO) 13,5 Zirconia (ZrO2) 10Allumina (Al2O3) 8,8Mullite (3Al2O3 – 2SiO2) 5,3Carburo di silicio (SiC) 4,7Vetro di silice (SiO2) 0,6LiAl(SiO2)6 - Spodumene - ~ 0

Polietilene 60-220Teflon 50-135Polipropilene 80-100Nylon 90-100

Materiali ceramiciProprietà termiche

Conducibilità termica [W/mK]Alluminio 240Ottone 100-270Rame 398Acciaio 14-65Tungsteno 178

Magnesia (MgO) 37,7 Zirconia (ZrO2) 2,9Allumina (Al2O3) 35-39Mullite (3Al2O3 – 2SiO2) 6,1Carburo di silicio (SiC) 71-490Vetro di silice (SiO2) 1,4Nitruro di silicio (Si3N4) 10-33Nitruro d’alluminio (AlN) 50-170

Polietilene 0,33-0,50Teflon 0,25Polipropilene 0,12Nylon 0,24

Legno 0,14-0,16

Materiali ceramici

Durezza KnoopDurezza (HK)

–Carburo di boro (B4C) 2800

–Carburo di silicio (SiC) 2500

–Carburo di tungsteno (WC) 2100

–Ossido di alluminio (Al2O3) 2100

–Quarzo (SiO2) 800

–Silice vetrosa (SiO2) 550

Materiali ceramici• Comportamento elastico lineare• Resistenza a flessione

F

σ = Mf/Wf

Materiali ceramiciMateriale Resistenza Modulo

a flessione σf elastico E– Zirconia (ZrO2) 600-650 MPa 200 GPa– Nitruro di silicio (Si3N4) 700-1000 MPa 300 GPa– Carburo di silicio (SiC) 550-850 MPa 430 GPa– Allumina (Al2O3) 280-550 MPa 390 GPa– Silice vetrosa (SiO2) 80-120 MPa 73 GPa– Mullite (3Al2O3 – 2SiO2) 150-180 MPa 145 GPa– Ossido di magnesio (MgO) 80-110 MPa 225 GPa

Materiali ceramiciTenacità a frattura KIc = βσcr√πacr

Materiale Tenacità a frattura– Zirconia (ZrO2) 1,6-2,5 MPa√m– Nitruro di silicio (Si3N4) 4-7 MPa√m– Carburo di silicio (SiC) 3-4 MPa√m– Allumina (Al2O3) 3,5-5,8 MPa√m– Silice vetrosa (SiO2) 0,8-1,2 MPa√m– Mullite (3Al2O3 – 2SiO2) 1,8-2,8 MPa√m– Ossido di magnesio (MgO) 1,3-2 MPa√m

Fabbricazione dei materiali ceramici avanzati

• I materiali ceramici non possono essere portati a fusione o perché si decompongono prima o perché le temperature di fusione sono molto elevate.

• L’unico mezzo per realizzare il componente è quindi il processo di sinterizzazione.

Sinterizzazione

a) Riempimento della forma

b) Compattazione e cottura

c) Espulsione del prodotto finito

d) Ripetizione del ciclo

Sinterizzazione

Dur

ante

la si

nter

izza

zion

e

Materiali ceramici

Guarnizioni a tenuta di fluido e gas– Guarnizioni per motori, macchine e impianti

per tenere separati fluidi a pressioni differenti– Elevata durezza, alto coefficiente d’attrito,

resistenza alla corrosione– Materiali ceramici al posto di leghe metalliche,

gomme, nylon e altre materie plastiche– Es: Valvole e segmenti striscianti nella

rubinetteria moderna sono realizzati in allumina

Materiali ceramici

Materiali con elevata resistenza termica– Scambiatori di calore in acciaieria, vetreria, per

inceneritori di r.s.u., centrali a carbone– Fumi di scarico con elevata aggressività chimica– Eccellente conducibilità termica, ottima resistenza

alla corrosione e all’ossidazione, resistenza agli shock termici

– Es: Per scambiatori di calore usato è il SiC e il Si3N4– Es: Per scambiatori di calore rotanti si usa anche

LiAl(SiO2)6 o MgAl(SiO2)6

Materiali ceramiciProtezioni balistiche

– Materiali ad elevatissima durezza– Sistema multistrato a resistenza ibrida– Il componente ceramico viene usato per ostacolare

la penetrazione del proiettile (WC-Co)– Es: B4C come protezione individuale in elicotteri

(elevata durezza: 35 GPa; bassa densità: 2,4 g/cm3)– Es: Al2O3 per corazze ibride in veicoli corazzati

Materiali ceramiciProtezioni termiche

– “Scudi termici” per resistere all’impatto con l’atmosfera durante il rientro dei veicoli spaziali

PiastrelleFibre di carbonio Fibre di vetroB2O3 - BSi(composito)

Salto termico da 1400°C a 170°C

• Palette di turbina• Superleghe base Ni• Interfaccia “plasma sprayed”

in CoCrAlY o in FeCrAlY• Deposito superficiale di

zirconia (ZrO2)

Materiali ceramiciProtezioni termiche

Materiali ceramici

Materiali abrasivi ed utensili da taglio– La caratteristica fondamentale è la durezza– Sfaldatura abrasivo/matrice del legante– Effetto della conducibilità termica– Es: WC-Co (CoNi) Widia – ca.1930– Es: Utensili da taglio e mole abrasive in Al2O3,

SiC, Si3N4 sinterizzato invece dell’acciaio– Es: Riporti in materiale ceramico su utensili in

acciaio (TiN, TiCN, TiAlN, CrN, Al2O3, ZrO2)

Materiali ceramici

Comminuzione e anti-abrasione– Elevata durezza dei molitori o delle sfere di

macinazione e alta densità– Es: Molitori/sfere di Al2O3, SiC, Si3N4, ZrO2

– Cuscinetti a sfere in assenza di lubrificazione (Si3N4)– Molitori, contenitori, agitatori, tubi di trasporto di

sostanze abrasive, ecc…

Materiali ceramici

Supporti per l’industria elettronica– Circuiti integrati– Materiali isolanti, bassa costante dielettrica, elevata

conducibilità termica (miniaturizzazione)– Es: Allumina (Al2O3), problemi di conducibilità termica– Es: Nitruro di boro (BN), Carburo di silicio (SiC),

Nitruro di alluminio (AlN): struttura cristallina semplice isolanti elettrici e conduttori termici

Materiali ceramiciMateriali piezoelettrici

– Sforzi meccanici producono spostamenti non simmetrici degli ioni con distribuzioni non simmetriche di carica

– Campi elettrici spostano gli ioni in modo asimmetrico provocando deformazioni meccaniche diverse nelle varie direzioni

– Oscillatori piezoelettrici, sonde ultrasonore, sensori acustici e sensori di spostamento, accendigas

– Titanato di Bario (BaTiO3), Zirconato di Piombo (PbZrO3), piezoelettrico naturale Quarzo (SiO2)

Materiali ceramici

Materiali magnetici– Alcuni ossidi ceramici presentano un momento

magnetico individuale; ne risulta un momento magnetico macroscopico

– Es: Ferriti di Bario (BaFe12O19), di Stronzio (SrFe12O19), di Magnesio (MgFe2O4) o di Zinco (ZnFe2O4)

– Trasformatori, induttori, magneti permanenti

Fabbricazione dei materiali ceramici tradizionali

• Storicamente il materiale più usato è l’argilla• E’ un silicato lamellare. Esiste in natura di varia

composizione chimica. Il più semplice è il caolino.

Al2Si2O5(OH)4

Cottura • Il processo viene eseguito tra i 900 e i 1400°C• Si ottiene la vetrificazione dei composti ceramici• Diminuzione della porosità (liquido vetroso)

Al2O3 + 2SiO2 → struttura vetrosa

• Il livello di temperatura dipende dal grado di vetrificazione richiesta

• Mattoni da costruzione (900 °C) – elevata porosità

• Porcellane (1400 °C) – bassa porosità