Ceramica - Ceramic

Breve cronologia della ceramica in diversi stili

Una ceramica è uno qualsiasi dei vari materiali duri, fragili, resistenti al calore e alla corrosione realizzati modellando e quindi cuocendo un materiale inorganico, non metallico, come l' argilla , ad alta temperatura. Esempi comuni sono terracotta , porcellana e mattoni .

Le prime ceramiche realizzate dall'uomo erano oggetti di ceramica ( vasi o vasi ) o figurine fatte di argilla , da sola o mescolata con altri materiali come la silice , indurita e sinterizzata a fuoco. Successivamente, le ceramiche sono state smaltate e cotte per creare superfici lisce e colorate, diminuendo la porosità attraverso l'uso di rivestimenti ceramici vetrosi e amorfi sopra i substrati ceramici cristallini. La ceramica ora include prodotti domestici, industriali e per l'edilizia, così come un'ampia gamma di materiali ranici è stata sviluppata per l'uso nell'ingegneria ceramica avanzata, come nei semiconduttori .

La parola " ceramica " deriva dalla parola greca κεραμικός ( keramikos ), "di ceramica" o "per la ceramica" , da κέραμος ( keramos ), "argilla da vasaio, tegola, ceramica" . La prima menzione conosciuta della radice "ceram-" è il greco miceneo ke-ra-me-we , lavoratori della ceramica scritti in scrittura sillabica lineare B. La parola ceramica può essere usata come aggettivo per descrivere un materiale, un prodotto o un processo, oppure può essere usata come sostantivo, singolare, o più comunemente, come sostantivo plurale "ceramica".

Materiali

Una micrografia SEM a basso ingrandimento di un materiale ceramico avanzato. Le proprietà della ceramica rendono la fratturazione un importante metodo di ispezione.

Il materiale ceramico è un materiale inorganico, non metallico, di ossido, nitruro o carburo. Alcuni elementi, come il carbonio o il silicio , possono essere considerati ceramici. I materiali ceramici sono fragili, duri, resistenti alla compressione e deboli al taglio e alla tensione. Resistono all'erosione chimica che si verifica in altri materiali soggetti ad ambienti acidi o caustici. La ceramica generalmente può resistere a temperature molto elevate, che vanno da 1.000 ° C a 1.600 ° C (da 1.800 ° F a 3.000 ° F).

La cristallinità dei materiali ceramici varia ampiamente. Molto spesso, le ceramiche cotte sono vetrificate o semi-vetrificate come nel caso della terracotta, del gres e della porcellana. La variabilità della cristallinità e della composizione elettronica nei legami ionici e covalenti fa sì che la maggior parte dei materiali ceramici siano buoni isolanti termici ed elettrici (ricercati nell'ingegneria ceramica ). Con una così ampia gamma di possibili opzioni per la composizione/struttura di una ceramica (quasi tutti gli elementi, quasi tutti i tipi di incollaggio e tutti i livelli di cristallinità), l'ampiezza del soggetto è vasta e gli attributi identificabili ( durezza , tenacità , conducibilità elettrica ) sono difficili da specificare per il gruppo nel suo insieme. Proprietà generali come alta temperatura di fusione, elevata durezza, scarsa conduttività, alti moduli di elasticità , resistenza chimica e bassa duttilità sono la norma, con eccezioni note a ciascuna di queste regole ( ceramica piezoelettrica , temperatura di transizione vetrosa, ceramica superconduttiva ). Molti compositi, come la fibra di vetro e la fibra di carbonio , pur contenendo materiali ceramici non sono considerati parte della famiglia delle ceramiche.

I materiali ceramici cristallini altamente orientati non sono suscettibili di una vasta gamma di lavorazioni. I metodi per affrontarli tendono a rientrare in una delle due categorie: realizzare la ceramica nella forma desiderata, mediante reazione in situ o "formando" polveri nella forma desiderata, e quindi sinterizzare per formare un corpo solido. Le tecniche di formatura della ceramica includono la modellatura a mano (a volte include un processo di rotazione chiamato "lancio"), la colata a scorrimento , la colata a nastro (utilizzata per realizzare condensatori ceramici molto sottili), lo stampaggio a iniezione , la pressatura a secco e altre varianti.

Molti esperti di ceramica non considerano i materiali con carattere amorfo (non cristallino) (cioè il vetro) come ceramiche, anche se la produzione del vetro coinvolge diverse fasi del processo ceramico e le sue proprietà meccaniche sono simili ai materiali ceramici. Tuttavia, i trattamenti termici possono convertire il vetro in un materiale semicristallino noto come vetroceramica .

Le materie prime ceramiche tradizionali includono minerali argillosi come la caolinite , mentre i materiali più recenti includono l'ossido di alluminio, più comunemente noto come allumina . I moderni materiali ceramici, classificati come ceramiche avanzate, includono carburo di silicio e carburo di tungsteno . Entrambi sono apprezzati per la loro resistenza all'abrasione e quindi trovano impiego in applicazioni come le piastre antiusura delle apparecchiature di frantumazione nelle operazioni minerarie. Le ceramiche avanzate sono utilizzate anche nell'industria medica, elettrica, elettronica e nei giubbotti antiproiettile.

Storia

Sembra che gli esseri umani producano le proprie ceramiche da almeno 26.000 anni, sottoponendo argilla e silice a un calore intenso per fondere e formare materiali ceramici. I primi trovati finora erano nell'Europa centro-meridionale e erano figure scolpite, non piatti. La prima ceramica conosciuta è stata realizzata mescolando prodotti animali con argilla e cotta in forni fino a 800°C. Sebbene siano stati trovati veri frammenti di ceramica fino a 19.000 anni, non è stato fino a circa diecimila anni dopo che la ceramica normale è diventata comune. Un primo popolo che si è diffuso in gran parte dell'Europa prende il nome dal suo uso della ceramica, la cultura Corded Ware . Questi primi popoli indoeuropei decoravano le loro ceramiche avvolgendole con una corda, mentre erano ancora bagnate. Quando la ceramica è stata cotta, la corda si è bruciata, ma ha lasciato un motivo decorativo di complesse scanalature sulla superficie.

Ceramica della cultura Corded-Ware del 2.500 a.C.

L'invenzione della ruota alla fine portò alla produzione di ceramiche più lisce e uniformi utilizzando la tecnica della formatura a ruota, come la ruota di ceramica . Le prime ceramiche erano porose, assorbendo facilmente l'acqua. Divenne utile per più oggetti con la scoperta delle tecniche di smaltatura , rivestendo la ceramica con silicio, cenere d'ossa o altri materiali che potevano fondersi e riformarsi in una superficie vetrosa, rendendo un vaso meno permeabile all'acqua.

Archeologia

I manufatti in ceramica hanno un ruolo importante nell'archeologia per comprendere la cultura, la tecnologia e il comportamento dei popoli del passato. Sono tra i reperti più comuni che si trovano in un sito archeologico, generalmente sotto forma di piccoli frammenti di ceramica rotta chiamati cocci . Il trattamento dei frammenti raccolti può essere coerente con due principali tipologie di analisi: tecnica e tradizionale.

L'analisi tradizionale prevede l'ordinamento di manufatti in ceramica, frammenti e frammenti più grandi in tipi specifici in base a stile, composizione, produzione e morfologia. Creando queste tipologie, è possibile distinguere tra diversi stili culturali, lo scopo della ceramica e lo stato tecnologico delle persone tra le altre conclusioni. Inoltre, osservando i cambiamenti stilistici della ceramica nel tempo è possibile separare (seriare) le ceramiche in distinti gruppi diagnostici (assemblaggi). Un confronto di manufatti in ceramica con assemblaggi datati noti consente un'assegnazione cronologica di questi pezzi.

L'approccio tecnico all'analisi della ceramica comporta un esame più accurato della composizione di manufatti e frammenti ceramici per determinare l'origine del materiale e attraverso questo il possibile sito di produzione. Criteri chiave sono la composizione dell'argilla e la tempra utilizzati nella fabbricazione dell'articolo in esame: la tempra è un materiale aggiunto all'argilla durante la fase iniziale di produzione e viene utilizzata per favorire il successivo processo di essiccazione. I tipi di temperamento includono pezzi di conchiglia, frammenti di granito e frammenti di frammenti macinati chiamati "grog". La tempra viene solitamente identificata dall'esame microscopico del materiale temprato. L'identificazione dell'argilla è determinata da un processo di rifusione della ceramica e dall'assegnazione di un colore utilizzando la notazione Munsell Soil Color. Stimando entrambe le composizioni di argilla e tempera, e individuando una regione in cui entrambi sono noti per verificarsi, può essere effettuata un'assegnazione della fonte del materiale. Dall'attribuzione della fonte del manufatto, si possono effettuare ulteriori indagini sul sito di fabbricazione.

Proprietà

Le proprietà fisiche di qualsiasi sostanza ceramica sono un risultato diretto della sua struttura cristallina e composizione chimica. La chimica dello stato solido rivela la connessione fondamentale tra microstruttura e proprietà, come variazioni di densità localizzate, distribuzione granulometrica, tipo di porosità e contenuto di seconda fase, che possono essere tutte correlate con proprietà ceramiche come la resistenza meccanica σ dall'Hall- Equazione di Petch, durezza , tenacità , costante dielettrica e proprietà ottiche esibite dai materiali trasparenti .

La ceramografia è l'arte e la scienza della preparazione, dell'esame e della valutazione delle microstrutture ceramiche. La valutazione e la caratterizzazione delle microstrutture ceramiche sono spesso implementate su scale spaziali simili a quelle comunemente utilizzate nel campo emergente delle nanotecnologie: da decine di ångstrom (Å) a decine di micrometri (µm). Questo è in genere da qualche parte tra la lunghezza d'onda minima della luce visibile e il limite di risoluzione a occhio nudo.

La microstruttura comprende la maggior parte dei grani, fasi secondarie, bordi dei grani, pori, microcricche, difetti strutturali e micro indentazioni di durezza. La maggior parte delle proprietà meccaniche, ottiche, termiche, elettriche e magnetiche sono significativamente influenzate dalla microstruttura osservata. Il metodo di fabbricazione e le condizioni di processo sono generalmente indicati dalla microstruttura. La causa principale di molti fallimenti della ceramica è evidente nella microstruttura scissa e levigata. Le proprietà fisiche che costituiscono il campo della scienza e dell'ingegneria dei materiali includono quanto segue:

Proprietà meccaniche

Dischi da taglio in carburo di silicio

Le proprietà meccaniche sono importanti nei materiali strutturali e da costruzione, nonché nei tessuti. Nella moderna scienza dei materiali , la meccanica della frattura è uno strumento importante per migliorare le prestazioni meccaniche di materiali e componenti. Applica la fisica delle sollecitazioni e delle deformazioni , in particolare le teorie dell'elasticità e della plasticità , ai microscopici difetti cristallografici riscontrati nei materiali reali al fine di prevedere il cedimento meccanico macroscopico dei corpi. La frattografia è ampiamente utilizzata con la meccanica della frattura per comprendere le cause dei guasti e anche per verificare le previsioni teoriche dei guasti con i guasti reali.

I materiali ceramici sono generalmente materiali legati ionici o covalenti . Un materiale tenuto insieme da entrambi i tipi di legame tenderà a rompersi prima che si verifichi qualsiasi deformazione plastica , il che si traduce in una scarsa tenacità in questi materiali. Inoltre, poiché questi materiali tendono ad essere porosi, i pori e altre imperfezioni microscopiche agiscono come concentratori di stress , diminuendo ulteriormente la tenacità e riducendo la resistenza alla trazione . Questi si combinano per dare guasti catastrofici , al contrario delle modalità di guasto più duttili dei metalli.

Questi materiali mostrano una deformazione plastica . Tuttavia, a causa della struttura rigida del materiale cristallino, ci sono pochissimi sistemi di scorrimento disponibili per il movimento delle dislocazioni , e quindi si deformano molto lentamente.

Per superare il comportamento fragile, lo sviluppo del materiale ceramico ha introdotto la classe dei materiali compositi a matrice ceramica , in cui le fibre ceramiche sono incorporate e con rivestimenti specifici formano ponti di fibre attraverso qualsiasi fessura. Questo meccanismo aumenta sostanzialmente la tenacità alla frattura di tali ceramiche. I freni a disco in ceramica sono un esempio di utilizzo di un materiale composito a matrice ceramica prodotto con un processo specifico.

Temperamento del ghiaccio per proprietà meccaniche migliorate

Se la ceramica è sottoposta a un carico meccanico notevole, può subire un processo chiamato ice-tempting , che consente un certo controllo della microstruttura del prodotto ceramico e quindi un certo controllo delle proprietà meccaniche. Gli ingegneri della ceramica utilizzano questa tecnica per adattare le proprietà meccaniche all'applicazione desiderata. In particolare, la forza è aumentata, quando viene impiegata questa tecnica. La modellatura del ghiaccio consente la creazione di pori macroscopici in una disposizione unidirezionale. Le applicazioni di questa tecnica di rafforzamento dell'ossido sono importanti per le celle a combustibile ad ossido solido e i dispositivi di filtrazione dell'acqua .

Per elaborare un campione attraverso la templatura del ghiaccio, viene preparata una sospensione colloidale acquosa per contenere la polvere di ceramica disciolta uniformemente dispersa in tutto il colloide, ad esempio la zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ). La soluzione viene quindi raffreddata dal basso verso l'alto su una piattaforma che consente un raffreddamento unidirezionale. Ciò costringe i cristalli di ghiaccio a crescere in conformità con il raffreddamento unidirezionale e questi cristalli di ghiaccio forzano le particelle YSZ disciolte sul fronte di solidificazione del confine interfase solido-liquido, risultando in cristalli di ghiaccio puri allineati unidirezionalmente accanto a sacche concentrate di particelle colloidali. Il campione viene quindi riscaldato simultaneamente e la pressione viene ridotta abbastanza da costringere i cristalli di ghiaccio a sublimare e le tasche YSZ iniziano a ricotturarsi insieme per formare microstrutture ceramiche allineate macroscopicamente. Il campione viene quindi ulteriormente sinterizzato per completare l' evaporazione dell'acqua residua e il consolidamento finale della microstruttura ceramica.

Durante la modellazione del ghiaccio, è possibile controllare alcune variabili per influenzare la dimensione dei pori e la morfologia della microstruttura. Queste importanti variabili sono il carico solido iniziale del colloide, la velocità di raffreddamento, la temperatura e la durata di sinterizzazione e l'uso di alcuni additivi che possono influenzare la morfologia microstrutturale durante il processo. Una buona comprensione di questi parametri è essenziale per comprendere le relazioni tra lavorazione, microstruttura e proprietà meccaniche dei materiali anisotropicamente porosi.

Proprietà elettriche

Semiconduttori

Alcune ceramiche sono semiconduttori . La maggior parte di questi sono ossidi di metalli di transizione che sono semiconduttori II-VI, come l'ossido di zinco . Mentre ci sono prospettive di produzione di massa di LED blu dall'ossido di zinco, i ceramisti sono più interessati alle proprietà elettriche che mostrano gli effetti dei bordi dei grani . Uno dei più utilizzati di questi è il varistore. Questi sono dispositivi che mostrano la proprietà che la resistenza scende bruscamente ad una certa tensione di soglia . Una volta che la tensione ai capi del dispositivo raggiunge la soglia, si verifica una rottura della struttura elettrica in prossimità dei bordi dei grani, che fa sì che la sua resistenza elettrica scenda da diversi megaohm fino a poche centinaia di ohm . Il vantaggio principale di questi è che possono dissipare molta energia e si autoripristinano; dopo che la tensione ai capi del dispositivo scende al di sotto della soglia, la sua resistenza torna ad essere alta. Questo li rende ideali per applicazioni di protezione contro le sovratensioni ; poiché esiste il controllo sulla tensione di soglia e sulla tolleranza energetica, trovano impiego in tutti i tipi di applicazioni. La migliore dimostrazione della loro capacità si trova nelle sottostazioni elettriche , dove vengono impiegate per proteggere l'infrastruttura dai fulmini . Hanno una risposta rapida, richiedono poca manutenzione e non si degradano in modo apprezzabile dall'uso, rendendoli dispositivi praticamente ideali per questa applicazione. Le ceramiche semiconduttive sono impiegate anche come sensori di gas . Quando vari gas vengono fatti passare su una ceramica policristallina, la sua resistenza elettrica cambia. Con la messa a punto delle possibili miscele di gas, si possono produrre dispositivi molto economici.

Superconduttività

L' effetto Meissner dimostrato facendo levitare un magnete sopra un superconduttore cuprato, che viene raffreddato da azoto liquido

In alcune condizioni, come la temperatura estremamente bassa, alcune ceramiche mostrano una superconduttività ad alta temperatura . La ragione di ciò non è compresa, ma ci sono due grandi famiglie di ceramiche superconduttive.

Ferroelettricità e superset

La piezoelettricità , un collegamento tra risposta elettrica e meccanica, è esibita da un gran numero di materiali ceramici, incluso il quarzo utilizzato per misurare il tempo negli orologi e in altri dispositivi elettronici. Tali dispositivi utilizzano entrambe le proprietà dei piezoelettrici, utilizzando l'elettricità per produrre un movimento meccanico (alimentando il dispositivo) e quindi utilizzando questo movimento meccanico per produrre elettricità (generando un segnale). L'unità di tempo misurata è l'intervallo naturale necessario affinché l'elettricità venga convertita in energia meccanica e viceversa.

L'effetto piezoelettrico è generalmente più forte nei materiali che mostrano anche piroelettricità e tutti i materiali piroelettrici sono anche piezoelettrici. Questi materiali possono essere utilizzati per l'interconversione tra energia termica, meccanica o elettrica; per esempio, dopo la sintesi in una fornace, un cristallo piroelettrico lasciato raffreddare senza sollecitazioni applicate generalmente accumula una carica statica di migliaia di volt. Tali materiali sono utilizzati nei sensori di movimento , dove il piccolo aumento di temperatura da un corpo caldo che entra nella stanza è sufficiente per produrre una tensione misurabile nel cristallo.

A sua volta, la piroelettricità è più forte nei materiali che mostrano anche l' effetto ferroelettrico , in cui un dipolo elettrico stabile può essere orientato o invertito applicando un campo elettrostatico. La piroelettricità è anche una conseguenza necessaria della ferroelettricità. Questo può essere utilizzato per memorizzare informazioni in condensatori ferroelettrici , elementi della RAM ferroelettrica .

I materiali più comuni sono il titanato di zirconato di piombo e il titanato di bario . A parte gli usi sopra menzionati, la loro forte risposta piezoelettrica viene sfruttata nella progettazione di altoparlanti ad alta frequenza , trasduttori per sonar e attuatori per la forza atomica e microscopi a effetto tunnel .

Coefficiente termico positivo

Propulsore a razzo al nitruro di silicio. Sinistra: montato nel banco di prova. A destra: in fase di test con propellenti H 2 /O 2

L'aumento della temperatura può far sì che i bordi dei grani diventino improvvisamente isolanti in alcuni materiali ceramici semiconduttori, per lo più miscele di titanati di metalli pesanti . La temperatura di transizione critica può essere regolata in un ampio intervallo mediante variazioni chimiche. In tali materiali, la corrente passerà attraverso il materiale fino a quando il riscaldamento per joule lo porterà alla temperatura di transizione, a quel punto il circuito verrà interrotto e il flusso di corrente cesserà. Tali ceramiche vengono utilizzate come elementi riscaldanti autocontrollati, ad esempio, nei circuiti di sbrinamento dei lunotti delle automobili.

Alla temperatura di transizione, la risposta dielettrica del materiale diventa teoricamente infinita. Mentre una mancanza di controllo della temperatura escluderebbe qualsiasi uso pratico del materiale vicino alla sua temperatura critica, l'effetto dielettrico rimane eccezionalmente forte anche a temperature molto più elevate. Titanati con temperature critiche molto al di sotto della temperatura ambiente sono diventati sinonimo di "ceramica" nel contesto dei condensatori ceramici proprio per questo motivo.

Proprietà ottiche

Lampada ad arco allo xeno Cermax con finestra di uscita in zaffiro sintetico

I materiali otticamente trasparenti si concentrano sulla risposta di un materiale alle onde luminose in ingresso di una gamma di lunghezze d'onda. I filtri ottici selettivi in ​​frequenza possono essere utilizzati per alterare o migliorare la luminosità e il contrasto di un'immagine digitale. La trasmissione guidata dell'onda luminosa tramite guide d'onda selettive in frequenza coinvolge il campo emergente delle fibre ottiche e la capacità di alcune composizioni vetrose come mezzo di trasmissione per una gamma di frequenze contemporaneamente ( fibra ottica multimodale ) con poca o nessuna interferenza tra lunghezze d'onda o frequenze concorrenti . Questa modalità risonante di trasmissione di energia e dati tramite propagazione di onde elettromagnetiche (luce) , sebbene a bassa potenza, è virtualmente senza perdite. Le guide d'onda ottiche sono utilizzate come componenti nei circuiti ottici integrati (ad es. diodi emettitori di luce , LED) o come mezzo di trasmissione nei sistemi di comunicazione ottica locali ea lungo raggio . Di valore anche per l'emergente scienziato dei materiali è la sensibilità dei materiali alla radiazione nella porzione infrarossa termica (IR) dello spettro elettromagnetico . Questa capacità di ricerca del calore è responsabile di fenomeni ottici così diversi come la visione notturna e la luminescenza IR .

Pertanto, c'è una crescente necessità nel settore militare di materiali ad alta resistenza e robustezza che abbiano la capacità di trasmettere la luce ( onde elettromagnetiche ) nelle regioni del visibile (0,4 – 0,7 micrometri) e del medio infrarosso (1 – 5 micrometri) di lo spettro. Questi materiali sono necessari per applicazioni che richiedono armature trasparenti , compresi missili e capsule ad alta velocità di nuova generazione , nonché protezione contro ordigni esplosivi improvvisati (IED).

Negli anni '60, gli scienziati della General Electric (GE) scoprirono che nelle giuste condizioni di produzione, alcune ceramiche, in particolare l'ossido di alluminio (allumina), potevano essere rese traslucide . Questi materiali traslucidi erano sufficientemente trasparenti da essere utilizzati per contenere il plasma elettrico generato nei lampioni stradali al sodio ad alta pressione . Negli ultimi due decenni, altri tipi di ceramica trasparente sono stati sviluppati per applicazioni quali coni naso per ricerca di calore missili , finestre per caccia aeromobili , e contatori a scintillazione per computerizzata tomografia scanner. Altri materiali ceramici, che generalmente richiedono una maggiore purezza nella loro composizione rispetto a quelli sopra, includono forme di diversi composti chimici, tra cui:

  1. Titanato di bario : (spesso mescolato con titanato di stronzio ) mostra ferroelettricità , il che significa che le sue risposte meccaniche, elettriche e termiche sono c
  2. Sialon ( ossinitruro di alluminio di silicio ) ha un'elevata resistenza; resistenza agli shock termici, resistenza chimica e all'usura e bassa densità. Queste ceramiche sono utilizzate nella manipolazione di metalli fusi non ferrosi, perni di saldatura e nell'industria chimica.
  3. Il carburo di silicio (SiC) è usato come suscettore nei forni a microonde, un abrasivo comunemente usato e comemateriale refrattario .
  4. Il nitruro di silicio (Si 3 N 4 ) viene utilizzato comepolvere abrasiva .
  5. La steatite (silicati di magnesio) viene utilizzata come isolante elettrico .
  6. Carburo di titanio Utilizzato negli scudi di rientro della navetta spaziale e negli orologi antigraffio.
  7. Ossido di uranio ( U O 2 ) , utilizzato come combustibile nei reattori nucleari .
  8. Ossido di ittrio bario rame (Y Ba 2 Cu 3 O 7−x ) , un altro superconduttore ad alta temperatura.
  9. Ossido di zinco ( Zn O) , che è un semiconduttore , e utilizzato nella costruzione di varistori .
  10. Il biossido di zirconio (zirconia) , che in forma pura subisce molti cambiamenti di fase tra la temperatura ambiente e letemperature di sinterizzazione pratica, può essere "stabilizzato" chimicamente in diverse forme. La sua elevata conducibilità agli ioni di ossigeno lo consiglia per l'uso in celle a combustibile e sensori di ossigeno per autoveicoli. In un'altra variante, lestrutture metastabili possono conferire tempera di trasformazione per applicazioni meccaniche; la maggior parte delle lame dei coltelli in ceramica sono realizzate con questo materiale. La zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ) è molto meno fragile di altre ceramiche e viene utilizzata per strumenti di formatura dei metalli, valvole e rivestimenti, fanghi abrasivi, coltelli da cucina e cuscinetti soggetti a forte abrasione.
Coltello da cucina con lama in ceramica

Prodotti

Per uso

Per comodità, i prodotti ceramici sono generalmente suddivisi in quattro tipologie principali; questi sono mostrati di seguito con alcuni esempi:

  1. Strutturale, inclusi mattoni , tubi , pavimenti e tegole
  2. Refrattari , come rivestimenti di forni , radiatori a gas, crogioli per la produzione di acciaio e vetro
  3. Bianche, comprese stoviglie , pentole, rivestimenti, prodotti in ceramica e sanitari
  4. Tecnico, noto anche come ingegneria, ceramica avanzata, speciale e fine. Tali elementi includono:
    1. ugelli del bruciatore a gas
    2. protezione balistica , armatura del veicolo
    3. pellet di ossido di uranio combustibile nucleare
    4. impianti biomedici
    5. rivestimenti delle pale delle turbine dei motori a reazione
    6. Parti di turbine a gas composite a matrice ceramica
    7. Freni a disco rinforzati in carbonio-carbonio ceramico
    8. ogive missilistiche
    9. cuscinetto (meccanico)
    10. tessere utilizzate nel programma Space Shuttle

Ceramiche fatte con l'argilla

Spesso le materie prime della ceramica moderna non includono le argille. Quelli che lo fanno sono classificati come segue:

  1. Terracotta , cotta a temperature inferiori rispetto ad altri tipi
  2. Gres , vetroso o semi-vitreo
  3. Porcellana , che contiene un alto contenuto di caolino
  4. Porcellana di ossa

Classificazione

La ceramica può anche essere classificata in tre distinte categorie di materiali:

  1. Ossidi : allumina , berillia , ceria , zirconia
  2. Non ossidi: carburo , boruro , nitruro , siliciuro
  3. Materiali compositi : rinforzati con particelle, rinforzati con fibre , combinazioni di ossidi e nonossidi.

Ognuna di queste classi può essere sviluppata in proprietà materiali uniche.

Applicazioni

  1. Lame di coltello: la lama di un coltello in ceramica rimarrà affilata molto più a lungo di quella di un coltello in acciaio, sebbene sia più fragile e suscettibile di rompersi.
  2. Dischi freno carboceramici: per veicoli sono resistenti allo sbiadimento dei freni ad alte temperature.
  3. Le " matrici composite avanzate in ceramica e metallo" sono state progettate per la maggior parte dei moderni veicoli corazzati da combattimento perché offrono una resistenza alla penetrazione superiore contro le cariche sagomate ( proiettili HEAT ) e i penetratori di energia cinetica .
  4. "Ceramiche come allumina e carburo di boro " sono state utilizzate nei giubbotti corazzati balistici per respingere il fuoco dei fucili ad alta velocità . Tali piastre sono comunemente note come inserti protettivi per armi di piccolo calibro o SAPI. Materiale simile viene utilizzato per proteggere gli abitacoli di alcuni aerei militari, a causa del peso ridotto del materiale.
  5. La ceramica può essere utilizzata al posto dell'acciaio per i cuscinetti a sfera . La loro maggiore durezza significa che sono molto meno suscettibili all'usura e in genere durano il triplo della durata di una parte in acciaio. Inoltre si deformano meno sotto carico, il che significa che hanno meno contatto con le pareti di ritegno del cuscinetto e possono rotolare più velocemente. Nelle applicazioni ad altissima velocità, il calore dell'attrito durante il rotolamento può causare problemi ai cuscinetti metallici, che vengono ridotti dall'uso della ceramica. Le ceramiche sono anche più resistenti agli agenti chimici e possono essere utilizzate in ambienti umidi in cui i cuscinetti in acciaio arrugginirebbero. In alcuni casi, le loro proprietà di isolamento elettrico possono essere utili anche nei cuscinetti. Due inconvenienti dei cuscinetti in ceramica sono un costo significativamente più elevato e la suscettibilità ai danni sotto carichi d'urto.
  6. All'inizio degli anni '80, Toyota ha studiato la produzione di un motore adiabatico utilizzando componenti ceramici nell'area del gas caldo. La ceramica avrebbe permesso temperature di oltre 1650°C. I vantaggi previsti sarebbero stati materiali più leggeri e un sistema di raffreddamento più piccolo (o non ne avevano affatto bisogno), portando a una notevole riduzione del peso. Il previsto aumento del consumo di carburante del motore (causato dalla temperatura più elevata, come mostrato dal teorema di Carnot ) non poteva essere verificato sperimentalmente; si è riscontrato che il trasferimento di calore sulle pareti calde del cilindro in ceramica era superiore al trasferimento su una parete metallica più fredda poiché il film di gas più freddo sulla superficie metallica funge da isolante termico . Pertanto, nonostante tutte queste proprietà desiderabili, tali motori non hanno avuto successo nella produzione a causa dei costi per i componenti ceramici e dei vantaggi limitati. (Piccole imperfezioni nel materiale ceramico con la sua bassa tenacità alla frattura portano a crepe, che possono portare a guasti dell'attrezzatura potenzialmente pericolosi.) Tali motori sono possibili in ambienti di laboratorio, ma la produzione di massa non è fattibile con la tecnologia attuale.
  7. Si sta lavorando allo sviluppo di parti in ceramica per motori a turbina a gas . Attualmente, anche le pale in leghe metalliche avanzate utilizzate nella sezione calda dei motori richiedono un raffreddamento e un'attenta limitazione delle temperature di esercizio. I motori a turbina realizzati con la ceramica potrebbero funzionare in modo più efficiente, offrendo agli aerei una maggiore autonomia e carico utile per una determinata quantità di carburante.
  8. Recenti progressi sono stati fatti nella ceramica che includono la bioceramica , come gli impianti dentali e le ossa sintetiche. L'idrossiapatite , il componente minerale naturale dell'osso, è stata prodotta sinteticamente da diverse fonti biologiche e chimiche e può essere trasformata in materiali ceramici. Gli impianti ortopedici rivestiti con questi materiali si legano facilmente all'osso e ad altri tessuti del corpo senza rigetto o reazioni infiammatorie, quindi sono di grande interesse per la consegna genica e gli scaffold di ingegneria tissutale . La maggior parte delle ceramiche di idrossiapatite sono molto porose e mancano di resistenza meccanica e vengono utilizzate per rivestire dispositivi ortopedici metallici per aiutare a formare un legame con l'osso o come riempitivi ossei. Sono anche usati come riempitivi per viti di plastica ortopediche per aiutare a ridurre l'infiammazione e aumentare l'assorbimento di questi materiali plastici. Si sta lavorando per produrre materiali ceramici di idrossiapatite nanocristallina resistenti e completamente densi per dispositivi ortopedici di supporto del peso, sostituendo materiali ortopedici metallici e plastici estranei con un minerale osseo sintetico, ma presente in natura. In definitiva, questi materiali ceramici possono essere utilizzati come sostituti ossei o con l'incorporazione di collageni proteici , ossa sintetiche.
  9. I materiali ceramici durevoli contenenti attinidi hanno molte applicazioni come nei combustibili nucleari per bruciare il Pu in eccesso e nelle fonti chimicamente inerti di irradiazione alfa per l'alimentazione di veicoli spaziali senza equipaggio o per produrre elettricità per dispositivi microelettronici. Sia l'uso che lo smaltimento degli attinidi radioattivi richiedono la loro immobilizzazione in un materiale ospite durevole. I radionuclidi di lunga durata dei rifiuti nucleari come gli attinidi vengono immobilizzati utilizzando materiali cristallini chimicamente durevoli basati su ceramiche policristalline e grandi cristalli singoli.
  10. La ceramica high-tech viene utilizzata nell'orologeria per la produzione di casse per orologi. Il materiale è apprezzato dagli orologiai per la sua leggerezza, resistenza ai graffi, durata e morbidezza al tatto. IWC è uno dei marchi che ha avviato l'uso della ceramica nell'orologeria.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

link esterno