'argilla è stata il primo materiale cera-mico lavorato e per migliaia d'an-ni la principale materia prima per

vasellame, mattoni e piastrelle. È perciòcomprensibile che, quando si pensa ai «ce-ramici», siano questi prodotti piuttosto pri-mitivi a venire in mente per primi.

Gli esperti in scienza dei materiali, d'al-tra parte, mettono fra i «ceramici» tuttiquei materiali solidi che non sono né me-talli, né polimeri (anche se possono conte-nere, come componenti o additivi, sostan-ze metalliche e polimeriche). I materiali ce-ramici possono essere ottenuti da unagrande varietà di materie prime diversedall'argilla (alcune delle quali non si trova-no in natura) e si presentano in una grandevarietà di forme: vetri, vetri cristallizzati,cristalli monolitici, conglomerati di piccolicristalli e loro combinazioni. Servono perottenere abrasivi e utensili da taglio, scuditermici e isolanti elettrici, cristalli per la-ser, combustibili nucleari e protesi ossee.Per le svariate applicazioni, i materiali ce-ramici non sono solo molto diffusi, ma an-che indispensabili per la società moderna.

In tutte le loro applicazioni i materialiceramici si dimostrano particolarmenteutili per la capacità di resistere al calore eall'attacco degli agenti chimici. Questeproprietà derivano dall'intensità dei lega-mi che mantengono nelle loro posizioni gliatomi costituenti. D'altra parte, la naturadi questi legami è anche la causa di un

aspetto negativo di questi materiali, la fra-gilità. Un materiale fragile non si deformasotto sforzo e quindi tende a incrinarsi erompersi molto facilmente, come sa benechiunque abbia talvolta lasciato cadere unpiatto di porcellana. Questa disgraziatacaratteristica rende un materiale ceramicomolto sensibile alle minuscole imperfezio-ni presenti nella sua microstruttura e chediventano punti di partenza per le incrina-ture (cricche). Perciò, gran parte della ri-cerca sui materiali ceramici viene dedicatasia allo sviluppo di nuovi procedimenti dilavorazione che rendano minimi questi di-fetti microscopici sia all'ideazione di nuo-ve composizioni e microstrutture che im-pediscano il propagarsi delle cricche.

I progressi conseguiti di recente in que-sto campo non solo hanno consentito diridurre il problema della fragilità, ma han-no anche reso possibile un maggior con-trollo sugli aspetti della composizione edella microstruttura che determinano altreproprietà fisiche. Questo controllo permet-te di ottenere materiali ceramici in gradodi soddisfare particolari esigenze di tipochimico, termico, meccanico ed elettricoche nessun altro materiale può soddisfare.In realtà, i materiali ceramici avanzatihanno avuto una funzione cruciale nellosviluppo di tecnologie nuove come quelladei calcolatori e delle telecomunicazioni econtinueranno a svolgere una funzioneprimaria nelle tecnologie del futuro.

Lproprietà caratteristiche di un ma-teriale ceramico derivano dalla sua

struttura, tanto sulla scala atomica quantosulla scala che va dai micrometri (milione-simi di metro) ai millimetri. A livello ato-mico, nei materiali ceramici si incontranodue tipi di legame: il legame ionico e illegame covalente. Nel legame ionico glielettroni sono trasferiti da un atomo a unatomo vicino. Quindi l'atomo che perde glielettroni acquista una carica positiva equello che li riceve una carica negativa. Lecariche ioniche opposte così generate lega-no tra loro gli atomi del materiale.

Nel legame covalente gli elettroni sonocondivisi, in modo più o meno paritetico,dagli atomi vicini. Benché le forze elet-trostatiche di attrazione tra atomi adia-centi siano inferiori a quelle dei legami io-nici, i legami covalenti tendono a esserealtamente direzionali, ossia resistono alloscorrimento degli atomi l'uno rispetto al-l'altro. Il materiale più duro che si cono-sca, il diamante, è composto di atomi dicarbonio legati in modo covalente.

Sia che si tratti di legami prevalente-mente ionici oppure covalenti, essi riesco-no a disporre gli atomi in gruppi, chiamaticelle elementari, che si possono ripetereperiodicamente in tutto il materiale. Que-sto schieramento ordinato di celle elemen-tari costituisce un cristallo. Se, oltre aquella della cella elementare, non vi è unaperiodicità evidente, il materiale non è cri-stallino. In molti casi le stesse combinazio-ni di atomi possono dar luogo a strutturecristalline o non cristalline, a seconda chedurante il processo di formazione gli atomiabbiano o no abbastanza tempo per siste-marsi in maniera periodica. Per esempio,se la silice, cioè il biossido di silicio (Si02),viene fy sa e lasciata raffreddare lentamen-te in modo controllato, le sue molecole sisistemano in un reticolo che possiede unordine a lungo raggio formando cristalli dicristobalite (un tipo di quarzo). Se invecela silice fusa è raffreddata rapidamente, lemolecole non hanno abbastanza tempoper costruire un reticolo cristallino e sono

Due tipi di grani sono visibili nella microfotografia a luce polarizzata di un campione (ingranditocirca 400 volte) di una vetroceramica, un materiale ottenuto da scorie, un sottoprodotto dellafusione dei metalli. Grani colonnari si sono formati alla superficie del materiale e sono cresciutiverso l'interno dove incontrano grani a forma di piuma. Nelle vetroceramiche la facilità di lavora-zione tipica dei materiali ceramici non cristallini, cioè i vetri, si combina con la durevolezza e laresistenza al calore dei materiali ceramici cristallini. Gli oggetti di vetroceramica si fabbricanofondendo materie prime in una massa di vetro viscoso, formando l'oggetto dal materiale malleabilee provocando in esso la crescita di grani cristallini. Nella vetroceramica la cristallizzazione èfacilitata dall'inclusione nella massa fusa di agenti di nucleazione e dal trattamento termico. Questavetroceramica, composta da silice, cioè biossido di silicio (Si02), da ossido di calcio (CaO) e davari altri ossidi metallici, trova applicazione pratica in piastrelle resistenti all'usura. La microfoto-grafia è di Rosalia N. Andrews e Martha R. Fletcher dell'Università dell'Alabama a Birmingham.

I materiali ceramici avanzatiLe ricerche in corso su questi materiali molto resistenti al calore e alladegradazione chimica e con proprietà elettriche particolari sono direttesoprattutto a eliminare l'unico difetto che essi presentano: la fragilità

di H. Kent Bowen

141

Nei materiali ceramici sono presenti sia il legame ionico (in alto) sia quello covalente (in basso).Nel legame ionico gli elettroni sono trasferiti da un atomo a un atomo vicino. L'atomo donatorediviene, perciò, carico positivamente mentre quello accettore acquista una carica negativa. Laforza elettrostatica tra gli atomi li mantiene nelle loro posizioni. Nel legame covalente, gli elettronisono più o meno egualmente condivisi tra atomi vicini. A differenza dei legami ionici, quellicovalenti (rappresentati qui in maniera visibile) tendono a essere altamente direzionali e a resistereallo scorrimento reciproco dei piani di atomi. I disegni sono idealizzati. Un materiale ceramicoreale presenta tra i propri atomi costituenti un legame che è un ibrido fra i due illustrati.

1 2 3

4 5 6

pressione molto meglio che alla trazione oalle sollecitazioni di taglio (che fanno scor-rere i piani del materiale in direzioni oppo-ste). Infatti mentre in presenza di compres-sione le cricche incipienti tendono a richiu-dersi, in presenza di sollecitazioni di tra-zione o di taglio le superfici della criccatendono ad allontanarsi cosicché il difettosi ingrandisce.

I materiali ceramici potrebbero essere

resi molto più resistenti alle cricche se po-tessero essere eliminati certi minuscoli di-fetti, come vuoti o impurezze chimiche,che si annidano tra i grani. Tutte le solle-citazioni tendono a concentrarsi nei puntidove si trovano questi difetti. Poiché il ma-teriale ceramico non può deformarsi peralleggerire la concentrazione di sollecita-zioni, la soglia di frattura può essere facil-mente superata nei punti in cui vi sono

questi difetti, anche se il materiale nel suocomplesso rimane al di sotto di questa so-glia. Quando quest'ultima viene superatain corrispondenza di un difetto, si sviluppauna cricca, ma poiché anche in questa siconcentrano le sollecitazioni, essa si pro-paga rapidamente attraverso il materialecausandone infine la rottura.

La resistenza a rottura in un materialefragile (cioè il grado di difficoltà con cui le

Dalle stesse combinazioni di elementi si possono ottenere materiali cera-miei cristallini e vetrosi. La differenza di forma tra i due materiali consistenella diversa distribuzione tridimensionale degli atomi. Un cristallo disilice (a sinistra) è costituito da una configurazione fondamentale diatomi di silicio (in bianco) e di ossigeno (in colore) che si ripete periodi-camente nel materiale. Il vetro di silice (a destra) non ha nella sua strut-

tura atomica alcuna periodicità estesa. Le impurezze (in nero) presentinel vetro distorcono ulteriormente la struttura scindendo alcuni legamitra atomi di silicio e di ossigeno. Dalla silice fusa si forma un cristallo seil liquido viene raffreddato in modo graduale, concedendo agli atomi untempo sufficiente perché si dispongano nella struttura periodica. Se ilmateriale fuso viene raffreddato rapidamente, si forma vetro di silice.

Materiali fragili, come quelli ceramici, hanno una struttura cristallina chenon si deforma facilmente. Quindi una piccola incrinatura (cricca), al cuiapice si abbia una concentrazione delle sollecitazioni a trazione (frecce)che superi la soglia alla quale i legami del materiale si spezzano, può

rapidamente propagarsi nel materiale ceramico (1-3) determinandone lafrattura. Una cricca analoga in un materiale duttile (4) verrebbe allargatae smussata via via che i legami si deformano, si rompono e si ricostitui-scono, permettendo ai piani atomici di scorrere l'uno sull'altro (5, 6).

«congelate» in una configurazione irrego-lare dando luogo a una sostanza non cri-stallina: il vetro di silice.

È a questo livello fondamentale, atomi-co, che i materiali ceramici possono esseredistinti dagli altri materiali. Mentre i primipresentano in genere forti legami ibridi, io-nico-covalenti, che limitano il movimentodegli elettroni, nei metalli gli atomi forma-no strutture reticolari attraverso le qualigli elettroni più esterni si possono muovereliberamente. Le sostanze organiche sonocomposte di molecole di atomi di carbonioe di idrogeno, che tendono formare poli-meri, cioè lunghe catene, anziché strutturecristalline tridimensionali.

La varietà delle strutture cristalline (visono 14 classi di celle elementari) e la pos-sibilità di ampie sostituzioni di un elemen-to con un altro nella struttura permettonodi ottenere un numero quasi infinito di ma-teriali ceramici che possiedono una vastagamma di proprietà. Un caso esemplare èquello dell'ossido di alluminio. Se nellastruttura di un cristallo monolitico di ossi-do di alluminio si inseriscono atomi di cro-mo, si ottengono cristalli di rubino che ser-vono da mezzo attivo per generare la ra-diazione laser. Inserendo atomi di titaniosempre in cristalli di ossido di alluminio siottengono zaffiri. Le forme policristallinedell'ossido di alluminio (costituite da nu-merosi piccoli cristalli chiamati «grani)))possono essere abbastanza trasparenti percostruire finestre resistenti alle alte pres-sioni e alle alte temperature. Sotto formadi grani sciolti, questo materiale ceramicoè corindone, un materiale abrasivo duro,che sotto forma di fini particelle dispersein una matrice di vetro di silice costituisceil materiale di base per gli isolatori elettricie i mattoni refrattari.

I n sostanza, la struttura atomica dei ma-teriali ceramici conferisce loro una sta-

bilità chimica che si manifesta come resi-stenza alla degradazione ambientale. Inol-tre, poiché molti materiali ceramici sonocomposti di ossidi metallici, una loro ulte-riore ossidazione (sia pef combustione siaper qualche altra reazione chimica) è spes-so impossibile. Un materiale ceramico diossido metallico è già stato «bruciato» o«corroso» sicché l'oggetto finale non puòessere ulteriormente soggetto ad alcuna diqueste degradazioni. Inoltre l'intensità deilegami conferisce ai materiali ceramici unelevato punto di fusione e grande durezzae rigidità.

Purtroppo, la forza dei legami impedi-sce anche che i piani degli atomi scorranofacilmente l'uno sull'altro; il materiale nonpuò deformarsi (come fa un metallo dutti-le, quale il rame) per alleggerire le solleci-tazioni imposte da un carico. Di conse-guenza, sotto sforzo i materiali ceramiciconservano in modo mirabile la propriaforma fino a quando non sia superata unacerta soglia (il carico di rottura); allora ilegami cedono improvvisamente e il mate-riale si rompe in modo catastrofico. Un'al-tra conseguenza della fragilità è che i ma-teriali ceramici possono resistere alla com-

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143

Grani estremamente piccoli possono cristallizzare nelle vetroceramiche.Le microfotografie elettroniche, fatte ai Corning Glass Works, mostranoun vetro non cristallino di alluminosilicato (a sinistra) e lo stesso mate-riale dopo il trattamento termico per ottenere grani cristallini (a destra).

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n campione è ingrandito circa 70 000 volte. Poiché grani più piccoli e u-niformi migliorano le prestazioni di un materiale ceramico, gli esperti discienza dei materiali stanno pensando di applicare i metodi di lavorazionedelle vetroceramiche alla produzione di materiali ceramici avanzati.

10-2—

10-0—

TRIOSSIDO DI RENIO

BIOSSIDO DI VANADIO

OSSIDO DI COBALTO

108

RAME

— SCAMBIODA ISOLANTEA CONDUTTORE

10° 10- 6 10 - 4 10 -2 10° 10 2 10°

DENSITÀ DI CORRENTE(AMPERE PER CENTIMETRO QUADRATO)

10'

10 -6 I I i i I i

1,000 500 333 250 200 167 143 125 111

TEMPERATURA (KELVIN)

Le proprietà elettriche dei materiali ceramici dipendono dalla loro struttura cristallina e dagli statienergetici a disposizione degli elettroni che formano legami. entrambi determinati a loro volta dallacomposizione atomica. L'ossido di cobalto (Co0) ha una struttura che permette agli elettroniopportunamente eccitati di spostarsi attraverso il reticolo cristallino come farebbero in un semi-conduttore. come il silicio. Il biossido di vanadio (V02) si comporta come un semiconduttore, maa 330 kell in (circa 60 gradi Celsius) subisce una lieve modifica strutturale e gli elettroni possonospostarsi come farebbero in un conduttore metallico. Il triossido di renio (Re0 3), invece, è un con-duttore indipendentemente dalla temperatura. Per confronto è riportata la conducibilità del rame.

A CORRENTE

GRANO CONDUTTORE

DI OSSIDO DI ZINCO/ ELETTRODO

MATRICEISOLANTE

La microstruttura può essere manipolata al pari della composizione chimica per dotare il materialeceramico di proprietà elettriche uniche. L'ossido di zinco (ZnO) è di solito un semiconduttore, mase alcune impurezze (droganti) sono inserite nella sua struttura cristallina, diventa un buon con-duttore. Immettendo grani drogati di ZnO in una matrice ceramica isolante, si può costruire un va-ristore. Il materiale isolante tra i grani di ZnO impedisce alla corrente elettrica di passare attraversoil varistore se la tensione applicata è bassa. A tensioni più elevate gli elettroni hanno energia suffi-ciente per superare la barriera di conduzione tra i grani e possono muoversi attraverso il varistore.La tensione alla quale il v aristore passa da una scarsa a una buona conducibilità è controllatavariando la dimensione e il drogaggio dei grani di ZnO e Io spessore degli strati isolanti tra i grani.

cricche si propagano in un materiale sotto-posto a sollecitazioni) si misura quantita-tivamente come tenacità a frattura. I me-talli hanno per lo più valori di tenacità afrattura superiori a 40 megapascal (MPa)per radice quadrata di metro: metalli rela-tivamente fragili come la ghisa hanno unatenacità a frattura di appena 20 MPa perradice quadrata di metro. I materiali cera-miei tradizionali e il vetro, invece, presen-tano valori di tenacità a frattura di appenaI MPa per radice quadrata di metro.

Acche altre proprietà macroscopiche deimateriali ceramici derivano dal mo-

do particolare in cui gli atomi sono dispo-sti nei cristalli. Per esempio. la strutturacristallina dell'ossido di cobalto permetteagli elettroni, opportunamente eccitati, dimuoversi attraverso il reticolo cristallinopiù o meno come farebbero in un semicon-duttore come il silicio. Anche il biossido divanadio si comporta come un semicondut-tore a basse temperature, e per la medesi-ma ragione. Tuttavia, diversamente daquella dell'ossido di cobalto, la strutturacristallina del biossido di vanadio subisceuna lieve alterazione a circa 330 kelvin(60 gradi Celsius); oltre questa temperatu-ra gli elettroni si comportano come se fos-sero in un conduttore metallico. La strut-tura cristallina del triossido di renio, a dif-ferenza di quella degli altri due ossidi me-tallici, gli permette di condurre l'elettricitàcome un metallo, indipendentemente dallatemperatura.

I cosiddetti materiali ceramici ferroelet-trici sono un esempio ancora migliore delleproprietà che derivano dall'architetturaatomica. Poiché i grani cristallini che sitrovano nei materiali ceramici ferroelettri-ci possiedono una distribuzione disunifor-me di carica nella cella elementare, essisono polarizzati, cioè una parte del granoè carica positivamente, mentre quella op-posta lo è negativamente. Di solito nel ma-teriale ceramico, non si osserva una pola-rizzazione netta, poiché i grani polarizzatisono orientati a caso e le cariche si elidonoreciprocamente. Tuttavia, mediante l'ap-plicazione di un campo elettrico esternonel corso della lavorazione, i grani posso-no essere riorientati in modo che le pola-rizzaziuni si allineino e conferiscano almateriale una distribuzione di carica rile-vabile su scala macroscopica. Comunque,anche quando è cosi polarizzato, il mate-riale rimane un non conduttore. È questaproprietà che viene sfruttata nella costru-zione dei condensatori, che accumulano lacarica elettrica. (In effetti i materiali cera-miei sono i materiali principali per la co-struzione dei condensatori.)

Se la distribuzione delle cariche in uncristallo di materiale ceramico ferroelettri-co non è simmetrica rispetto al centro delcristallo, si può provocare uno spostamen-to della polarizzazione deformando il cri-stallo. Questo è il principio su cui sonobasate le ceramiche piezoelettriche. Quan-do vengono deformati meccanicamente,questi materiali ceramici generano unaconsiderevole carica elettrica; quando in-

vece sono soggetti a un campo elettricoesterno si deformano. Poiché i materialiceramici piezoelettrici convertono in mo-do efficiente energia meccanica in energiaelettrica e viceversa, essi sono alla base delfunzionamento dei trasduttori che fannoparte dei sistemi sonar e delle apparecchia-ture mediche a ultrasuoni. Le cariche elet-triche generate per deformazione meccani-ca in alcuni materiali ceramici piezoelettri-ci possono arrivare ad alcune decine di mi-gliaia di volt. Le scintille che si possonogenerare con la tensione prodotta in que-sto modo sono usate nei sistemi di accen-sione di caldaie a gas, cucine e accendini.

Le proprietà intrinseche alla strutturaatomica di un materiale ceramico posso-no, talvolta, essere fruttuosamente combi-nate con una particolare microstrutturaper conferire al materiale speciali caratte-ristiche volute. È il caso, per esempio, del-la fabbricazione dei varistori, resistori va-riabili a ossido di zinco. I cristalli di ossidodi zinco (ZnO) sono normalmente semi-conduttori, ma si possono trasformare inbuoni conduttori inserendo alcune impu-rezze nella loro struttura cristallina (unprocesso chiamato drogaggio). Se si inse-risce una schiera di grani di ZnO drogatiin una matrice ceramica isolante, le pro-prietà elettriche del materiale risultante sidimostrano fortemente non lineari. A bas-se tensioni il materiale presenta una deboleconducibilità, poiché la matrice isolanteimpedisce il passaggio della corrente elet-trica fra i grani di ZnO. A tensioni elevate,invece, gli elettroni che portano la correntehanno un'energia sufficiente per superarele barriere isolanti fra i grani conduttori diZnO e il materiale risulta così altamenteconduttore. La tensione alla quale avvienela trasformazione da conduttore modestoa buono può essere fissata variando la mi-crostruttura: cioè variando la dimensionedei grani di ZnO e lo spessore degli strati

isolanti fra i grani. Perciò questi varistoria ZnO hanno trovato applicazioni comeinterruttori di circuito a ripristino automa-tico in apparecchiature elettriche, operantivirtualmente a qualsiasi tensione.

I a composizione chimica e la micro--1—i struttura di un materiale ceramico de-terminano in ultima analisi tutte le sue pro-prietà macroscopiche. Queste, a loro vol-ta, sono determinate dai metodi di lavora-zione. Poiché, come avviene per i metalli ele materie plastiche, per molti aspetti è piùfacile lavorare i materiali ceramici parten-do dallo stato fuso, vetri e cristalli mono-litici sono prodotti in questo modo. In untipo di materiali ceramici moderni, le co-siddette vetroceramiche, la lavorazionedel vetro si combina con la durevolezza deimateriali ceramici policristallini.

Nella lavorazione delle vetroceramiche,iniziata negli stabilimenti della CorningGlass circa 30 anni fa, le materie primesono fuse e l'oggetto viene formato mentreil materiale è allo stato vetroso. Specialiagenti di nucleazione contenuti nella fusio-ne e il successivo trattamento termico pro-muovono la crescita entro il vetro di pic-coli cristalli. Grazie ai grani cristallini inesse contenute, le vetroceramiche possie-dono una maggior resistenza meccanica euna più elevata resistenza alle alte tempe-rature dei comuni vetri non cristallini.

Benché il vetro molle e viscoso ottenibi-le da materiale ceramico fuso sia suscetti-bile nel suo insieme di una lavorazione ra-pida, spesso non è possibile ottenere tuttala gamma delle proprietà dei materiali ce-ramici avanzati se il materiale si trova allostato vetroso. Per questo motivo la mag-gior parte dei materiali ceramici avanzatiè generalmente lavorata con un procedi-mento a molti stadi che complica conside-revolmente il compito di conferire loro lacomposizione e la microstruttura volute.

Il procedimento per la fabbricazione dimateriali ceramici avanzati è assai simile,in linea di principio, a quello con cui siproducono i tradizionali articoli di argilla.Per produrre in serie il vasellame da fuoco,si macinano e si mescolano innanzituttominerali naturali così da ottenere una finepolvere argillosa. Poi viene aggiunta ac-qua per formare una massa plastica, laquale viene modellata con metodi tradizio-nali come la formatura a iniezione (in cuil'argilla viene immessa a forza in unostampo chiuso), la formatura a estrusione(in cui l'argilla viene forzata attraversouna filiera di sezione opportuna) o median-te la colata a impasto umido (in cui unafanghiglia di argilla e acqua viene versatain uno stampo poroso che assorbe l'acquain eccesso). L'oggetto così formato vieneessiccato all'aria prima di essere posto inun forno, dove è sottoposto a un processodi sinterizzazione, ossia viene «cotto» auna temperatura molto al di sotto di quellaa cui la ceramica fonderebbe completa-mente. Durante la sinterizzazione le parti-celle di argilla si «saldano» sicché la granparte dei vuoti presenti tra di esse vieneeliminata e l'oggetto subisce un ritiro.

Fasi analoghe si hanno anche nella fab-bricazione di prodotti fatti con materialiceramici avanzati eccetto che, per conver-tire la polvere di partenza in una massamalleabile, al posto dell'acqua vengonoimpiegati leganti a base di polimeri orga-nici poi bruciati nella sinterizzazione. Tal-volta vengono aggiunti altri composti or-ganici, come i deflocculanti, per prevenirel'agglomerazione della polvere in grumi edevitare una sinterizzazione non uniforme ela formazione di vuoti. A volte si applicauna pressione, prima o durante la sinteriz-zazione, per ottenere un materiale più den-so, eliminando gli interstizi nella massa dipolvere; ciò favorisce l'uniformità del riti-ro e riduce la propagazione di cricche.

144 145

La sintesi chimica delle polveri fini, dalle quali vengono prodotti i mate-riali ceramici, è un altro modo per assicurare la presenza in essi di graniminuscoli. Al Massachusetts Institute of Technology e stata ideata unatecnica per far precipitare da una soluzione particelle di titania, biossidodi titanio. Le particelle, chimicamente pure e uniformi, sono di diametroinferiore a un micrometro (un milionesimo di metro). Come si vede dalle

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immagini al microscopio elettronico, tali particelle possono essere com-pattate così fittamente (a sinistra) da non esservi virtualmente vuoti trai grani nel materiale ceramico (a destra) prodotto quando le particellevengono sinterizzate, cioè «saldate». a una temperatura ben al di sottodi quella alla quale il materiale fonderebbe del tutto. Grazie all'assenzadi porosità un materiale ceramico di questo tipo ha elevata tenacità.

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*

I meccanismi basati sull'aumento della tenacità per arrestare la propa-gazione di una cricca in un materiale ceramico sono complementari anuovi metodi di lavorazione intesi a eliminare le imperfezioni che dannoorigine alle cricche. L'aumento della tenacità per trasformazione (a sini-stra) si basa su un cambiamento di struttura cristallina (da tetragonalea monoclina) che subiscono i grani di zirconia, biossido di zirconio(Zr02), quando vengono sottoposti a sollecitazioni all'apice di una cric-ca. Poiché i grani monoclini hanno un volume leggermente più grande.espandendosi durante la trasformazione possono «comprimere» e chiu

dere la cricca. I materiali ceramici possono anche essere resi resistentialle cricche mescolandoli con sottili fibre ceramiche (al centro) come nelcaso dei materiali compositi. Le fibre attraversano la cricca e le impedi-scono di allargarsi e di propagarsi. Un terzo modo per arrestare la pro-pagazione di una cricca è quello di distribuire su un'area più vasta le sol-lecitazioni concentrate nel suo apice. Ciò e possibile se durante la fab-bricazione del materiale ceramico vengono prodotte di proposito al suointerno minuscole incrinature, le microcricche (a destra). Se una criccapropagandosi si fonde con una microcricca, il suo apice viene smussato.

MICROCRICCAFIBRAGRANO CRICCATETRAGONALEDI ZIRCONIA

GRANOMONOCLINODI ZIRCONIA

sono poi sospese in un'altra soluzione allaquale vengono aggiunti polimeri organici.I polimeri vengono adsorbiti sulla superfi-cie delle particelle cosicché esse non pos-sano avvicinarsi tanto da agglomerare. Ilmateriale ceramico policristallino che siottiene dopo compattazione e sinterizza-zione controllate delle particelle ha unadensità virtualmente teorica, cioè non visono vuoti tra i grani cristallini. Grazie allamicrostruttura priva di vuoti, questo ma-teriale è molto resistente e tenace.

Un altro metodo, messo a punto sempreal mIT, consente di produrre particelle mi-nute di elevata purezza chimica. Un com-posto gassoso di silicio e idrogeno è riscal-dato con un laser ad anidride carbonica dielevata potenza. L'applicazione termica,breve ma intensa, decompone il gas e libe-ra silicio sotto forma di particelle estrema-mente fini: sospendendo queste ultime inuna soluzione che permette di controllarnela carica elettrica, è possibile compattarlein una struttura priva di difetti.

Questi nuovi metodi di lavorazione per-mettono agli esperti di scienza dei materia-li di controllare la struttura di un materialeceramico in scale che comprendono ottoordini di grandezza: a livello atomico(controllando la purezza chimica e tempe-ratura e pressione di sinterizzazione), auna scala di 100 volte la dimensione del-l'atomo (controllando la dimensione e i fe-nomeni superficiali delle particelle), a unascala corrispondente ai millesimi di milli-metro (controllando le dimensioni dei gra-ni e dei pori mediante un'adeguata com-pattazione della polvere) e infine alla scalamacroscopica del prodotto.

Insieme a metodi di lavorazione migliori, ideati per ridurre il numero di difetti che

possono dar luogo a cricche, si stannomettendo a punto anche nuovi metodi peraumentare la tenacia dei materiali cerami-ci, ossia metodi in grado di arrestare lecricche una volta che esse siano state pro-vocate da carichi di trazione o di taglio.Uno di questi consiste nell'aumentare latenacità per trasformazione, sfrutta cioè latrasformazione della struttura cristallinadella zirconia, biossido di zirconio (Zr02),indotta dalle sollecitazioni presenti nell'a-pice della cricca. Questo cambiamento faaumentare del 3-5 per cento il volume delcristallo di zirconia e quindi una cricca chesi propaga avvicinandosi ai grani di zirco-nia immersi in una matrice ceramica nedetermina l'espansione in volume. Poichéquesta provoca una compressione localedella matrice, la cricca viene compressaall'apice e quindi arrestata. Questi grani dizirconia sono già stati incorporati in moltimateriali ceramici, alcuni dei quali presen-tano una tenacità a frattura superiore ai15 MPa per radice quadrata di metro.

Un altro metodo promettente per otte-nere una maggiore tenacità è quello di in-trecciare sottili fibre ceramiche in una ma-trice ceramica o vetrosa. Come nei com-positi polimeri-fibre, le fibre di ceramicaattraversano le cricche e perciò ne impedi-scono l'allargamento e la propagazione.

Fibre di carburo di silicio vengono già in-corporate nel vetro, nelle vetroceramichee in altri materiali ceramici dando dei com-positi con una significativa resistenza afrattura per fragilità per nulla caratteristi-ca dei materiali ceramici monolitici.

Il principio alla base del terzo metodoper aumentare la tenacità di un materialeceramico è lo stesso sfruttato in un comu-ne procedimento per arrestare le cricchevisibili nelle lamiere d'acciaio. L'idea è chesmussando l'apice della cricca si possanodissipare le sollecitazioni agenti su di essa,distribuendole su un'area più vasta e fa-cendole scendere al di sotto della soglia difrattura. Nel caso delle lamiere di acciaiolo scopo viene raggiunto trapanando unforo nell'apice della cricca. Nel caso deimateriali ceramici, minuscole cricche, det-te microcricche, vengono diffuse di propo-sito nel materiale durante la lavorazione.Quando l'apice di una cricca raggiungeuna microcricca, si ha lo stesso smussa-mento ottenuto nella lamiera di acciaiocon la trapanazione.

Questi e altri progressi nella lavorazio-ne e nella progettazione a livello di

microstruttura hanno permesso agli esper-ti del settore di sintetizzare intere classi dinuovi materiali le cui proprietà eccezionalinon possono essere riprodotte né da me-talli né da materiali organici. In virtù diqueste proprietà i componenti in ceramicasvolgono e continueranno a svolgere unruolo preminente, se non critico, nello svi-luppo di prodotti, di processi di fabbrica-zione e persino di interi comparti indu-striali. 1 materiali ceramici avanzati fungo-no da «promotori tecnologici», nel sensoche vanno incontro alle particolari richie-ste che le nascenti tecnologie pongono aimateriali.

Due esempi della funzione promotricesvolta dai materiali ceramici nel recentepassato sono, in primo luogo, lo sviluppodei magneti di ferrite per le memorie a nu-clei magnetici, senza le quali non sarebbe-ro stati costruiti i moderni calcolatori ve-loci e, in secondo luogo, la produzione difibre ottiche a base di vetro di silice, senzale quali i sistemi di telecomunicazione nonsarebbero in grado di rispondere in modoeconomico alle future esigenze del settore.

Dal passato potrebbero essere presi al-tri esempi analoghi; ma sono le nuove ap-plicazioni potenziali dei materiali ceramiciavanzati che spingono gli scienziati e gliingegneri a guardare al futuro con interes-se. Per esempio, i materiali ceramici ven-gono impiegati nei motori a combustioneinterna, con due grandi vantaggi, quello difar aumentare la temperatura di esercizioe quello di far diminuire il peso complessi-vo del motore, vantaggi che si traduconoentrambi in un maggior rendimento. Inol-tre, a causa della loro eccellente resistenzaall'usura, i componenti in ceramica nonrichiedono una lubrificazione diffusa. LaNissan, una casa automobilistica giappo-nese, ha già presentato un autoveicolo ilcui motore contiene un turbocompressorecon rotore in nitruro di silicio. La Cum-

mins Engine Company, Inc., sta collau-dando un motore diesel per autocarri doveteste dei pistoni, cuscinetti e camicie inmateriale ceramico consentono al motoredi funzionare senza sistema di raffredda-mento. Varie compagnie statunitensi stan-no mettendo a punto motori a turbina agas in ceramica per automobili e la Rolls--Royce Limited sta sperimentando motorianaloghi per elicotteri.

Anche i materiali ceramici le cui pro-prietà elettriche cambiano quando sonoesposti a certi composti chimici, hanno unnumero elevato di potenziali applicazioni.L'interazione delle molecole di un liquidoo di un gas con uno di questi materiali informa di pastiglie porose potrebbe, peresempio, modificare la resistenza elettricadel materiale ceramico, facilmente misura-bile. Un sensore basato su questo principioè di facile progettazione, richiedendo spes-so solo pochi contatti elettrici. In ambientichimici ostili, grazie all'inerzia chimica ealla resistenza alla corrosione dei materialiceramici, i sensori così costruiti funzione-rebbero meglio di quelli tradizionali.

Uno di questi dispositivi, che potrebbeavere migliaia di applicazioni potenzialinei sistemi per il condizionamento dell'a-ria, negli essiccatoi e nelle apparecchiatureper la respirazione artificiale, è un sensoredell'umidità. Altri sensori in materiale ce-ramico sono stati messi a punto per rileva-re la presenza di metano, il costituenteprincipale del gas naturale; essi potrebbe-ro migliorare la sicurezza degli usi dome-stici del gas. In prospettiva un unico dispo-sitivo in materiale ceramico che fosse sen-sibile alla temperatura, alla pressione, allaluce e al calore oltre che ad alcune sostan-ze chimiche, potrebbe essere accoppiatocon un microelaboratore per il controllodelle macchine nelle fabbriche, nei tra-sporti e nelle abitazioni.

Un'altra area in sviluppo è quella deimateriali ceramici piezoelettrici. Mi limite-rò a citare due nuove applicazioni moltointeressanti. La prima è una testina perstampa a getto d'inchiostro di grande pre-cisione. La testina consiste in centinaia dipiccoli «calamai» piezoelettrici. Applican-do selettivamente una tensione elettrica aicalamai, si può determinarne la contrazio-ne istantanea, in modo da far schizzarel'inchiostro in essi contenuto sulla carta inconfigurazioni corrispondenti ai caratteridi stampa. Con questo tipo di testina èpossibile ottenere finezza di dettagli e dicolorazione; inoltre essa richiede ben pocospazio e una tensione di alimentazione in-feriore a quella delle altre testine.

Con i materiali ceramici piezoelettrici sipossono costruire motori a trasmissionediretta convertendo la dilatazione del ma-teriale quando è esposto a un campo elet-trico in movimento traslatorio o rotatorio.Motori di questo tipo sono compatti, leg-geri e semplici perché non richiedono al-cun cablaggio per avvolgimenti di campo.Inoltre sono in grado di arrestarsi e partiresenza perdite per scorrimento e possonofornire coppie motrici elevate a basse ve-locità: carichi di chilogrammi possono es-

Dal momento che il «tallone di Achille»di un materiale ceramico è la tenden-

za alla rottura per fragilità e poiché i difettimicroscopici come porosità, agglomera-zioni e impurezze chimiche sono i puntidove hanno origine le cricche, la maggior

parte della ricerca attuale sui materiali ce-ramici è diretta all'eliminazione di questidifetti. Una via per raggiungere lo scopo èquella di partire da una polvere finissimadi elevata purezza chimica che possa esse-re compattata prima della sinterizzazione.

Al Massachusetts Institute of Techno-logy abbiamo messo a punto un metodoper ottenere per precipitazione da una so-luzione particelle uniformi di «titania», os-sia biossido di titanio (Ti02), di diametroinferiore a un micrometro. Le particelle

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Un rotore in ceramica (l'oggetto a forma di stella) migliora il rendimento di un nuovo motore aturbina a gas, consentendogli di funzionare a temperature alle quali un rotore in metallo si rompe-rebbe. Il motore è stato messo a punto dalla Garrett Turbine Engine Company e dalla Ford MotorCompany per l'US Department of Energy e la National Aeronautics and Space Administration.

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sere spostati lentamente e con precisione.Uno di questi motori, costruito dalla

Shinsei Electric Industrial Company, Li-mited, giapponese, è un motore lineare atrasmissione diretta. La massa da muove-re viene posta su una rotaia fissa di mate-riale ceramico piezoelettrico. L'applica-zione di una tensione ad alta frequenzaalla rotaia produce sulla sua superficie del-le «increspature» che possono spostare lamassa avanti e indietro sulla rotaia. Sistanno considerando centinaia di applica-zioni di questi motori in macchine, elettro-domestici e in altri prodotti di consumo.

D e r molti versi i materiali ceramici cipresentano la più grande occasione

per progettare in modo economico mate-riali su misura partendo virtualmente dazero. Le proprietà fisiche del materialepossono essere cambiate o migliorate conpiccole variazioni nella composizione enella orientazione dei grani, combinandodiversi materiali ceramici in un compositoed eliminando (o creando di proposito) po-rosità. Gli esperti del settore stanno rag-giungendo il necessario controllo fine sullacomposizione e sulla microstruttura ricor-rendo alla cristallizzazione di vetri, a pol-veri di partenza estremamente fini e di ele-vata purezza chimica e alla loro compat-

tazione chimica. Inoltre gli elementi cheentrano nei material ceramici sono tra i piùabbondanti sulla Terra. È probabile quindiche le materie prime per la produzione deimateriali ceramici si mantengano menocostose di quelle con cui si producono imateriali che vengono sostituiti, in generespeciali leghe metalliche contenenti ele-menti pregiati e relativamente rari, comecobalto, tungsteno, niobio e cromo.

Benché la sensibilità dei materiali cera-mici alle piccole imperfezioni che si creanonel corso della lavorazione significhi chenon è facile produrne di qualità abbastan-za elevata e a costi contenuti, il valore po-tenziale che essi acquisiscono a ogni mi-glioramento di purezza e di omogeneitàrende conveniente l'ulteriore ricerca dimodi per raggiungere la perfezione virtua-le nel processo di lavorazione. Raggiunge-re la perfezione in laboratorio, tuttavia,non è sufficiente. I processi che hanno a-vuto successo in laboratorio devono essereconvertiti in processi a scala industrialesenza perdere il controllo preciso su com-posizione e microstruttura. La ricerca ditecniche di lavorazione finissime, ma chepossano essere amplificate in scala com-merciale, rende la lavorazione dei materia-li ceramici avanzati una delle più grandisfide tecnologiche per il resto del secolo.