1-I Materiali Ceramici

I materiali ceramici

Prof. Marcello Romagnoli

Università di Modena e Reggio Emilia

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


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.


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.


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


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/


http://www.keramverband.de/brevier_engl/5/3/3/5_3_3.htm

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

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/c8/VickersSkizze.jpg


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.


Mohs test http://www.youtube.com/watch?v=rS50CbhX3sc


Vickers test http://www.youtube.com/watch?v=bjzIxeBRozE

Metodi di misura della durezza

superficiale

Fonte: William D. Callister, Jr., Materials Science and Engineering: An Introduction, John Wiley & Sons, Inc.

Durezza superficiale di alcune

classi di materiali


•Porosità

Volume pori

Porosità% = x 100

Volume totale

Porosità totale = Porosità aperta +

Porosità

chiusa Porosità chiusa Porosità chiusa

Porosità aperta Porosità aperta


•Porosità

Porosità interparticellare

Porosità esistente tra i grani di

materiale

Porosità intraparticellare

Porosità esistente all’interno del

corpo dei grani

Densità

http://www.keramverband.de/brevier_engl/5/3/5_3.htm

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

http://www.youtube.com/watch?v=5OC3m2tu3V4

http://www.youtube.com/watch?v=5OC3m2tu3V4


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


•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


•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


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

http://www.youtube.com/watch?v=TDnLbjd429M

http://www.youtube.com/watch?v=sP5NwEkd3ds&feature=related


http://global.kyocera.com/fcworld/charact/heat/images/thermaexpan_zu.gif


TUNGSTATO DI ZIRCONIO ZrW2O8

Negative Thermal Expansion

-7.2x10−6K−1

nell’intervallo di

temperatura

-273 °C-777 °C


Microstruttura di Al2O3 sinterizzato

http://www.keramverband.de/pic/bild7.jpg


http://www.keramverband.de/pic/ebild3.jpg

Figure 3:

Microstructure

of an alumina

porcelain,

ground and

etched, under a

scanning

electron

microscope


•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.


•Conducibilità

(m)-1


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


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

Sommario

http://www.keramverband.de/pic/ebild79.gif

1-I Materiali Ceramici

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