1-I Materiali Ceramici
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Definizione
“Rigid material that consists of an infinite three-dimensional network of sintered
crystalline grains comprising metals bonded to carbon, nitrogen or oxygen.
Note:
The term ceramic generally applies to any class of inorganic, non-metallic product
subjected to high temperature during manufacture or use.”
http://goldbook.iupac.org/CT07540.html
Definizione Ceramics are usually associated with “mixed” bonding—a combination of
covalent, ionic, and sometimes metallic. They consist of arrays of interconnected
atoms; there are no discrete molecules. … Most frequently they are oxides, nitrides,
and carbides. However, we also classify diamond and graphite as ceramics. These forms
of carbon are inorganic in the most basic meaning of the term: they were not
prepared from the living organisms.
Da: Carter C. Barry, Norton M. Grant Ceramic Materials/Science and Engineering, Springer editore
Ceramics are compounds between metallic and nonmetallic elements; they are most
frequently oxides, nitrides, and carbides. The wide range of materials that falls within this
classification includes ceramics that are composed of clay minerals, cement, and glass.
These materials are typically insulative to the passage of electricity and heat, and are
more resistant to high temperatures and harsh environments than
metals and polymers. With regard to mechanical behavior, ceramics are hard but very
brittle.
Da: William D. Callister Fundamentals of Materials Science and Engineering, John Wiley and Sons
Il mercato
Volumi percentuali di vendita dei ceramici
55% Vetro
17% Ceramici avanzati
10% Whiteware
9% Porcelain enamel
7% Refrattari
2% Altri
Avanzati e tradizionali
CERAMICI
Avanzati - BIOCERAMICI,
- PORCELLANE
ELETTRICHE E
TECNICHE
- CERAMICI PER L’
ELETTRONICA,
- CATALIZZATORI,
- REFRATTARI
SPECIALI
Tradizionali - PIASTRELLE
- SANITARI
- STOVIGLIERIA
- LATERIZI
-REFRATTARI
- VETRI
- CEMENTI
Esempi di ceramici avanzati
Cuscinetti e altri pezzi meccanici in Si3N4
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Si3N4bearings.jpg
Freni in SiC
http://en.wikipedia.org/wiki/File:PCCB_Brake_Carrera_GT.jpg
Isolatore in porcellana
http://en.wikipedia.org/wiki/File:Insulator.jpg
Esempi di ceramici tradizionali
Piastrelle da pavimento e
rivestimento
Sanitari
Stoviglieria
Laterizi
Ciclo di produzione
Da: Carter C. Barry, Norton M. Grant Ceramic Materials/Science and Engineering, Springer editore
Extrusion
Pressing
Principali proprietà meccaniche:
fragilità
Il materiale sottoposto allo sforzo non subisce (almeno
macroscopicamente) deformazione plastica e si frattura in
campo elastico.
(a) Esempio di
frattura fragile
(b) Esempio di
frattura
intermedia
(c) Frattura duttile
Principali proprietà meccaniche:
fragilità
La fragilità tipica dei ceramici è dovuta alla presenza sia di
legami ionici e covalenti che tengono insieme gli atomi.
La maggior parte sono fragili a temperatura ambiente ma non
necessariamente a temperature elevate.
A temperature elevate ceramici come il vetro (sopra alla
temperatura di transizione vetrosa) si comportano come un
liquido viscoso.
La fragilità viene influenzata dalla presenza di difetti nel
materiale.
Principali proprietà meccaniche:
fragilità La resistenza di un vetro si aggira attorno
a 100MPa
La resistenza teorica dovrebbe essere
attorno a 10.000MPa
Si osserva ancora che in prove di trazione,
lo sforzo a frattura di una fibra di vetro
dipende dal suo diametro.
La prova di resistenza a frattura con un
sistema di trazione uniassiale non è
accettabile per un ceramico.
Griffith suggeri che i dati sperimentali si
possono spiegare ammettendo che
esistano microfratture che agiscono da
concentratori degli sforzi applicati e
riducano la resistenza del materiale.
Principali proprietà meccaniche:
fragilità
a
Ef
2
aCf
E = Modulo di Young
γ = energia necessaria per creare una
superficie unitaria di frattura
a = lunghezza della cricca
Proprietà dei materiali
Un materiale sottoposto a trazione subisce una deformazione F
Lo
Lo
Ao
Sforzo nominale = F
Ao
Pa
Deformazione nominale = Lo
Lo
Modulo di elasticità
E =
Pa
E = modulo di Young
E è un parametro che caratterizza la resistenza del solido alla deformazione uniassiale ed è detto modulo di Young o modulo di elasticità
Legge di Hooke
Principali proprietà meccaniche
Allungamento ε
Sfo
rzo
Tipico
comportamento di
un materiale
ceramico
Principali proprietà meccaniche
Il valore massimo di resistenza è quello necessario
a rompere i legami tra gli atomi presenti sulle
superfici di frattura.
Tutti i materiali, compresi i ceramici, contengono
imperfezioni e microfratture che diminuiscono
il valore reale di restenza meccanica.
Ogni difetto presente nel materiale indebolisce il
materiale come un anello debole di una catena.
I pori riducono la resistenza del materiale
pertanto materiali densi e con cristalli di piccole
dimensioni sono più resistenti.
SEM image of a micro-crack
in a quartz inclusion
embedded in a vitreous
feldspar matrix.
http://iopscience.iop.org/0295-
5075/96/2/24002/fulltext/
Durezza superficiale
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c8/VickersSkizze.jpg
La durezza : resistenza alla deformazione
permanente.
Prove di durezza: resistenza offerta da un
materiale a lasciarsi penetrare da un altro
(penetratore).
Esistono diverse scale per misurare la
durezza dei materiali. Le più usate sono:
• Mohs
Le seguenti prove di durezza si eseguono
con macchine provviste di penetratori con
forme diverse e con diverse metodologie.
• Brinell
• Vickers
• Rockwell
Durezza superficiale
La scala di Mohs (Friedrich Mohs, scienziato
mineralogista tedesco) è un criterio empirico per
la valutazione della durezza dei materiali.
Assume come riferimento la durezza di dieci
minerali numerati progressivamente da 1 a 10 e
tali che ciascuno è in grado di scalfire quello che
lo precede ed è scalfito da quello che lo segue.
La scala di Rosiwal (sviluppata nel 1896
dall'austriaco August Rosiwal) è un'evoluzione
della scala di Mohs.
Al Corindone (Al2O3) viene attribuito il valore di
1000. La durezza degli altri minerali viene
determinata con prove di laboratorio che misurano
la loro resistenza all'abrasione. La scala di
Rosiwal fornisce il valore effettivo della durezza
dei minerali.
Metodi di misura della durezza
superficiale
Fonte: William D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering: An Introduction, John Wiley & Sons, Inc.
Proprietà dei materiali
•Porosità
Volume pori
Porosità% = x 100
Volume totale
Porosità totale = Porosità aperta +
Porosità
chiusa Porosità chiusa Porosità chiusa
Porosità aperta Porosità aperta
Proprietà dei materiali
•Porosità
Porosità interparticellare
Porosità esistente tra i grani di
materiale
Porosità intraparticellare
Porosità esistente all’interno del
corpo dei grani
Principali proprietà dei ceramici
Bassa conducibilità elettrica e termica.
•Conducibilità termica
Q
A
x
T1 T2
Per conducibilità termica di un
materiale si intende la quantità
di calore Q che attraversa
nell’unità di tempo una
superficie A unitaria di
materiale attraverso uno
spessore unitario, quando tra
le due facce opposte esiste la
differenza di 1°K.
k = Qx
ATt
watt per metro-kelvin
(W/(m·K) o W·m-1·K-1),
http://www.youtube.com/watc
h?v=5OC3m2tu3V4
Principali proprietà dei ceramici
Conducibilità termica di alcune sostanze comuni
Sostanza W·m-1·K-1
diamante 1000 - 2600
argento 430
rame 390
oro 320
alluminio 236
ottone 111
platino 70
quarzo 8
vetro 1
laterizi 0,8
acqua distillata 0,6
idrogeno 0,172
lana 0,05
vermiculite 0,046
polistirolo espanso 0,045
aria secca (a 300 K, 100 kPa) 0,026
Aerogel di silice 0,013 in pannelli sotto vuoto alla pressione
di 1,7 · 10-5 atmosfere
Principali proprietà dei ceramici
•Coefficiente di dilatazione
La maggior parte dei materiali
variano la propria dimensione se
variano la temperatura Dove
Lf = lunghezza finale
Lo = lunghezza iniziale
l = coefficiente di
dilatazione lineare
Tf = temperatura finale
Ti = temperatura iniziale
Principali proprietà dei ceramici
•Coefficiente di dilatazione
Si possono individuare anche altri due coefficienti di dilatazione:
Coefficiente di dilatazione superficiale
Coefficiente di dilatazione volumetrico
S
So
s s 2 l
v 3 l
Principali proprietà dei ceramici
Materiale Coefficiente di dilatazione
lineare [×10−6 °C−1]
Alluminio puro 24
Ottone 19
Oro 14
Vetro 9
Pyrex 4
Quarzo fuso 0,59
http://www.youtube.com/watch?v=TDnLbjd429M
http://www.youtube.com/watch?v=sP5NwEkd3ds&feature=related
Principali proprietà dei ceramici
http://global.kyocera.com/fcworld/charact/heat/images/thermaexpan_zu.gif
Principali proprietà dei ceramici
TUNGSTATO DI ZIRCONIO ZrW2O8
Negative Thermal Expansion
-7.2x10−6K−1
nell’intervallo di
temperatura
-273 °C-777 °C
Principali proprietà dei ceramici
Microstruttura di Al2O3 sinterizzato
http://www.keramverband.de/pic/bild7.jpg
Principali proprietà dei ceramici
http://www.keramverband.de/pic/ebild3.jpg
Figure 3:
Microstructure
of an alumina
porcelain,
ground and
etched, under a
scanning
electron
microscope
Principali proprietà dei ceramici
•Resistività
R = Resistenza
m
Circuito per la misura della resistività
La resistività elettrica, anche detta resistenza elettrica specifica, è l'attitudine
di un materiale a opporre resistenza al passaggio delle cariche elettriche.
Principali proprietà dei ceramici
Materiale Resistività (Ωm)
Argento 1,62 × 10-8
Rame 1,69 × 10-8
Oro 2,35 × 10-8
Alluminio 2,75 × 10-8
Tungsteno 5,25 × 10-8
Ferro 9,68 × 10-8
Platino 10,6 × 10-8
Silicio puro (non drogato) 2,5 × 103
Vetro tra 1010 e 1014
Quarzo fuso circa 1016
Principali proprietà dei ceramici
Sia la conducibilità elettrica che quella termica dipendono dalla
libertà di movimento degli elettroni.
A differenza dei metalli gli elettroni di legame nei ceramici
sono molto meno liberi di muoversi