I materiali ceramici

Corso
di
Scienza
e
Tecnologia
dei
Materiali
I materiali ceramici

I materiali ceramici: dalla preistoria, alle
nanotecnologie
Materiali Ceramici

I cinesi e il segreto della porcellana
La produzione di porcellana si fonda
sull'uso del "caolino", gli antichi cinesi
riuscivano a rendere questo materiale
particolarmente plastico aggiungendo
urina
L’impasto di caolino e urina subiva
un processo di manipolazione
attraverso l'uso di bufali che,
calpestandolo, rendevano l’impasto
plastico e resistente allo stesso
tempo, tanto da poterla ridurre a
spessori simili a quelli della carta
senza romperla durante la
lavorazione
A. Weiss, riuscì a scoprire il segreto
gelosamente custodito della
porcellana:
Materiali Ceramici

Fragilità e duttilità
Perché, dopo un urto, il bicchiere si rompe e invece la
carrozzeria si deforma?
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Materiali duttili
I materiali duttili si deformano permettendo lo scorrimento degli atomi
l’uno rispetto agli altri.
Si permette così di ridurre la sollecitazione sui legami chimici e di assorbire
grandi quantità di energia
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Deformazione plastica in un metallo
Materiali Ceramici

I materiali fragili
I materiali fragili si rompono a
partire da microscopici difetti.
La sollecitazione si concentra
all’estremità dell’incrinatura che
si apre come una cerniera lampo
determinando la separazione
degli atomi nel piano di frattura.
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Etimologia e definizioni
Ceramica dal greco Keramos terra bruciata
Argilla dal latino terra brillante (perché chiara), radice arg (brillare)
Zeolite dal greco zeo-lithos terra che bolle (cronstedt 1756)
Definizione di vetri e ceramici tradizionali (ASTM 1972, 13, C242-C272):
Ceramici = Oggetti cristallini o parzialmente cristallini, ottenuti
da sostanze essenzialmente non organiche non metalliche. Tali
oggetti sono ottenuti da una massa fusa oppure sono formati o
“maturati” durante o in seguito ad un trattamento termico
Vetri = Prodotti inorganici di fusione consolidati raffreddandosi
senza cristallizzare
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Storia della ceramica
~ 10.000 AC Probabile avvio dell’utilizzo di argilla lavorata e induritta
tramite processi termici
~ 5.500 AC Testimonianze certe sull’utilizzo di prodotti ceramici
~ 4.500 AC A Banpo (Cina) produzione di ceramica dipinta
~ 4.000 AC Mohenjo-Daro (India) Utilizzo di mattoni in argilla cotta
come materiali da cstruzione
~ 1600AC In una iscrizione cuneiforme viene descritta la tecnica
per utilizzare smalti a base di piombo e stagno
~1500AC I cinesi introducono l’utilizzo di polveri fini e bianche al
posto dell’argilla
~1000AC Utilizzo di materiali feldspatici negli smalti
751 La tecnica ceramica cinese viene diffusa in Occidente
grazie agli scambi con la civiltà Araba
Cattura di progionieri cinesi da parte di Persiani Abbassidi
1730 Produzione di porcellana in Meissen (Germania)
1769 Brevetto Cookworthy (Inghilterra)per la produzione di
porcellanna da ossa calcinate
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Il legame ionico
Il legame ionico si forma tra un accettore e un donore di elettroni per
guadagnare la neutralità elettrica
La struttura dei cristalli ionici è determinata dalle dimensioni ioniche
(raggio ionico) e dalla tendenza a impacchettarsi minimizzando lo
spazio vuoto
Il legame è non direzionale
La forza del legame ionico cresce al crescere della carica degli ioni:
NaCl(Na + )

Il legame covalente
Il legame covalente si forma per condivisione degli elettroni
delle shell esterne per guadagnare la neutralità elettrica
Si forma tra atomi aventi elettronegatività similare
Il legame è fortemente direzionale
Le strutture cristalline non sono fortemente impacchettate a
causa dei legami direzionali e sono cavità e canali
I composti si caratterizzano per avere alta resistenza
mecanica, durezza, alte temperature di fusione, basso
coefficiente di espansione termica
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I legami di Van der Waals
Legami a minore energia di formazione (legami secondari)
sono detti genericamente legami di Van der Waals
essi comprendono:
legami a dispersione: originati da dipoli elettrici fluttuanti
dovute alle posizioni istantanee degli elettroni nelle molecole
polarizzazione molecolare: dovuto al dipolo elettrico che si
forma nelle molecole asimmetriche (e.g. HF) in cui il tempo di
stazionameto degli elettroni di legami è maggiore su uno degli
atomi della molecola, contribuisce a legare tra di loro le molecole
ponte di idrogeno: il piccolo nucleo dell’idrogeno viene attratto
dagli elettroni non condivisi di una molecola adiacente
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Legami misti nel gesso
Il solfato di calcio CaSO 4 (gesso
anidro) cristallizza in un sistema
rombico in cui ogni atomo di
calcio è circondato da 8 ossigeni
appartenenti a 6 gruppi SO 4 -- e
ogni ossigeno è coordinato a
due ioni calcio
Nel gesso emiidrato
CaSO 4 1/2H 2 O si formano 2 strati
di SO 4 -– tenuti insieme da uno
strato di ioni Ca i pacchetti sono
uniti da uno strato di molecole
d’acqua
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Le principali classi di ceramici
Ossidi
monocomponente
Allumina (Al2O3)
Zirconia (ZrO2)
Titania (TiO2)
Ossido di magnesio (MgO)
Ossidi misti Silicati
Mullite (3Al2O32SiO2)
Spinello (MgO Al2O3)
Carburi Carburo di silicio (SiC)
Carburo di boro (B4C)
Carburo di titanio (TiC)
Nitruri Nitruro di boro
Nitruro di silicio (Si3N4)
Nitruro di titanio
Elementali Carbonio (C)
Boro (B)
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Strutture dei silicati
I silicati sono basati sul tetraedro della silice SiO 4 4-
Il rapporto dei raggi ionici è 0.29
Gli ioni ossigeno agli angoli del tetraedro hanno un
elettrone libero e si possono legare con altri atomi
Gli ioni Fe 2+ ed Mg 2+ si legano con gli atomi di
ossigeno del tetraedro (olivine o ortosilicati),
(Fe,Mg) 2 SiO 4
Se due angoli di ogni tetraedro sono legati con gli
angoli di altri tetraedri si ha una struttura a catena o
ad anello
Se invece il rapporto O:Si è pari a 5:2 il tetraedro si
combina a dare una struttura a fogli
Infine, se tutti e quattro i vertici del tetraedro sono
condivisi con altri tetraedri si forma la silice (SiO 2 )
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Classificazione dei silicati
I silicati costituiscono oltre il 90% della crosta terrestre e
presentano genesi magmatica metamorfica e sedimentaria.
gruppi discreti
1) nesosilicati (0D), ortosilicati. Contengono tetraedri SiO 4 4- isolati;
2) sorosilicati (0D), contengono unità dimeriche Si 2 O 7 6- ;
3) ciclosilicati (0D), presentano strutture ad anelli (SiO3)n2n-;
gruppo con sviluppo indefinito in una dimensione
4) inosilicati (1D), silicati a catene infinite (SiO3)n2n-- pirosseni e
anfiboli;
gruppo con sviluppo bidimensionale indefinito
5) fillosilicati (2D), silicati a strati - argille e miche;
gruppo con sviluppo tridimensionale
6) tectosilicati (3D), silicati a network – feldspati e zeoliti vetri
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I fillosilicati e le argille
Definizione chimica: Silicati idrati di alluminio e/
o magnesio con struttura lamellare contenenti
eventulamente altri elementi allo stato ionico
negli spazi interlamellari.
Etimologia fillosilicati ⇒ dal greco foglia
Unità strutturali: Le unità tetraedriche (SiO 4 -4 )
costituiscono un ambiente locale del tipo Q 3
legandosi esclusivamente in geometrie planari
Accanto alle unità Q costituiscono unità strutturali
poliedri a coordinazione ottaedrica di Al, Mg, Fe
anch’esse disposti su geometrie planari
Dalla sovrapposizione di strati ottaedrici e
tetraedrici che si legano condividendo gli ioni di
ossigeno si ottengono i motivi strutturali
fondamentali delle argille
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Sovrapposizione di strati tetraedrici e ottaedrici
nella montmarillonite
Lo spessore lamellare nel caso delle
montmarilloniti può variare tra 10Å e
15Å. Per disidratazione e perdita dei
cationi (e.g. durante la
sinterizzazione) lo spessore si riduce
a 10Å con una contrazione del 50%.
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L’intercalazione di cationi e acqua nelle argille
Tra gli strati cristallini delle argille
possono essere assorbiti cationi
di metalli alcalini e alcanino terrosi
e acqua.
La presenza di acqua determina
la proprietà di plasticità delle
argille.
L’acqua agisce come un
lubrificante consentendo lo
scorrimento dei microcristalli di
argilla l’uno sugli altri
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Legami interlamellari
Nelle diverse strutture dei fillosilicati esistono tre tipi di
legami tra gli strati:
Van der Waals
(ponte di idrogeno, polarizzazione molecolare)
Ioniche
Il legame è di tipo ionico quando esistono cationi intercalati tra gli
strati. I cationi sono intercalati per bilanciare il difetto di carica
positiva derivante dalla sostituzione dell’Al con il Si nei siti
tetraedrici e del Mg con l’Al nei siti ottaedrici.
I cationi hanno la capacità di circondarsi di molecole d’acqua in misura
dipendente dalla carica cationica e dalla natura del catione stesso. Lo
spessore interlamellare può variare tra 2Å e 5Å.
Lo spessore lamellare nel caso delle montmarilloniti può variare tra 10Å e
15Å. Per disidratazione e perdita dei cationi (e.g. durante la
sinterizzazione) lo spessore si riduce a 10Å con una contrazione del 50%.
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Settori dell’industria ceramica tradizionale
Prodotti strutturali da argilla
Mattoni, grondaie, condotti per fognature, tegole, canne fumarie, piastrelle
Porcellane
Stoviglie, piastrelle, sanitari, porcellana elettrica, porcellana decorativa, protesi
dentali
Refrattari
Mattoni e prodotti monolitici e prodotti colabili nell’industria dell’acciaio, dei
metalli non ferrosi, vetro, cemento, coonversione energetica, trasformazione del
petrolio e industria chimica
Vetri
Vetro piano, contenitori bottiglie, vetro soffiato e stampato, fibre di vetro, fibre
ottiche
Abrasivi
Naturali (granati, diamanti ..) e sintetici (allumina, carburo di silicio) usati per
Natural (garnet, diamond, etc.) and synthetic (silicon carbide, diamond, fused
alumina, etc.) abrasives are used for grinding, cutting, polishing, lapping, or
pressure blasting of materials
Cementi
Usati nella costruzione di edifici, ponti, strade, dighe
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Classificazione dei ceramici tradizionali
Prodotti a
tessitura
porosa
Prodotti a
tessitura
compatta
Non rivestiti
Non strutturali (terrecotte)
Strutturali (laterizi, refrattari)
Terraglie speciali (filtri, vasi porosi)
Rivestiti
Faenze e maioliche
Terraglie
Non rivestiti
Gres (per pavimentazione )
Porcellana per usi tecnici (usi elettrici, dielettrici isolanti)
Rivestiti
Gres
Gres di qualità (vasellame domestico)
Porcellana
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Gli scudi termici nei veicoli da rientro orbitale
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Functional
Advanced ceramics
Structural
Wear parts, bioceramics, cutting tools, and engine components
Electrical
Capacitors, insulators, substrates, integrated circuit packages,
piezoelectrics, magnets and superconductors
Chemical and environmental
Filters, membranes, catalysts, and catalyst supports
Coatings
Engine components, cutting tools, and industrial wear parts
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F unz i o ni P r o p r i et à A p p l i c a z i o ni M a t er i a l i
M eccaniche C aratteristiche
di
attrito
Lubrificazione
solida
R esistenza
all'abrasione
R esistenza
meccanica
D urezza
e
resistenza
allo
scorrimento
viscoso
Lubrificanti
solidi
A brasivi
e
utensili
A nelli
di
tenuta
Parti
di
macchine
di
alta
precisione
e
lung a
durata
Al2O 3,
C ,
B N
T iC ,
T iN,
T iB 2
B 4,
C WC ,
Z rB 2
S iC ,
S i3N 4,
Z rO 2
T ermiche C oefficiente
di
dilatazione
termica
























 R ivestimenti
di
forni










 S iC ,
T iC ,
T iB 2
R esistenza
ag li
sbalzi
termici




















 E lettrodi
per
alta
temperatura











 Si3N4,
B eO,
M g O
Isolamento
Pozzi
di
calore
per
l'elettronica
 Z rO 2,
A l2O 3
C onduttività
e
capacità
R efrattarietà
B arriere
termiche
Nucleari R esistenza
alle
radiazioni
C ombustibili
nucleari
UO2,
UC ,
US
R efrattarietà
e
resistenza
R ivestimenti
e
materiali
per
 T hS ,
S iC ,
B 4C
meccanica
all'alta
temperatura schermatura
Al2O3,
B eO
Ottiche T rasparenza
T rasmissione
Polarizzazione
F luorescenza
E lettriche
M ag netiche
C himiche
B iolog iche
Isolanti
e
conduttori
S emiconduttori
D ielettrici
piezoelettrici
M ag neti‐elettrodi
M HD
S uperconduttori
A ssorbimento
e
catalisi
M embrane
e
filtri
B iocompatibilità
Inerzia
chimica
Lenti
ottiche
per
HT
Lampade
a
vapore
Na,
Hg
F ibre
ottiche,
diodi
F onti
per
radar
laser
R esistenze‐capacità
S ensori
e
trasduttori
Oscillatori
e
pile
R icevitori
antenne
e
memorie
calcolatori
Al2O 3,
M g O
Y 2O 3,
S iO 2,
C dS
Z rO 2
T iO 2,
Z nS
F erriti
Perovskiti
S nO,
Z nO,
S iO 2
B eO,
S iC ,
A l2O 3
C atalizzatori,
filtri

















 Z eoliti,
M g O
E ndo
protes,
supporti





 Al2O3,
S nO 2
S ensori
g as
e
temperatura


 Z rO 2,
A patite
R eattori
inerti
Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali
Materiali Ceramici

Ceramici avanzati strutturali
Esempi:
Allumina Nitruro di silicio,
zirconia, Carburo di silicio
compositi ceramici,
Proprietà:
Durezza, resistenza allo
scorrimento viscoso, resistenza
all’abrasione, lubrificazione
solida, resistenza alle alte
temperature
Applicazioni:
Turbine a gas, macchine
utensili, forni ad alta
temperatura, Anelli di tenuta,
Barriere termiche, Elettrodi per
alta temperatura
Materiali Ceramici

Refrattari
Esempi:
Mullite, cementi alluminosi,
ossido di magnesio, Carburo di
silicio, Ossido di Berilio
Proprietà:
resistenza agli sbalzi termici,
Isolamento, Conducibilità
Applicazioni:
costruzione di forni, fonderie,
industria del vetro,
Materiali Ceramici

Ceramici per elettronica (elettroceramici)
Esempi:
allumina, Ossido di stagno, carburo di
silicio, ossido di bario e magnesio,
Ferriti
Proprietà:
Isolanti e conduttori, Semiconduttori,
Dielettrici piezoelettrici,
superconduttori, conduttori ionici
Applicazioni:
Resistenze, capacità, sensori e
trasduttori, Ricevitori antenne.
Le candele per l’accensione del
combustibile nel motore a
scoppio furono inventate nel
1860.
Piezoceramici
prodotti presso
l’Università di
Lecce
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Ceramici porosi
Esempi:
Zeoliti, Carbone attivo, Gel di
silica
Proprietà:
micro, meso, macro porosità
Applicazioni:
filtrazione, ultrafiltrazione,
decontaminazione aria e liquidi,
isolamento termico
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Abrasivi
Esempi:
quarzo, diamante, allumina,
carburo di titanio
Proprietà:
Durezza, resistenza
all’abrasione, Assenza di
deformazione plastica.
Resistenza alle alte temperature
quindi alte velocità di
lavorazione dell’utensile
Applicazioni:
taglio, lappatura, macinazione
Miglioramento delle
performance di un ordine di
grandezza rispetto agli utensili
metallici, Freni, Pulitura dei
denti
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Ceramiche per ottica
Esempi:
SiO 2 , TiO 2 , MgO, CdS, Y 2 O 3
Proprietà:
Trasparenza, trasmissione,
polarizzazione, fluorescenza,
fotosensibilità,
Applicazioni:
Lenti, fibre ottiche, diodi,
sensori ottici, laser, amplificatori
ottici, dispositivi ottici a
controllo ottico (fotonica).
Nel 1870 Thomas Edison
inventa la lampadina a bulbo
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Bioceramici
Ceramici per uso biologico, si dividono nelle
categorie:
1) Bioinerti (Al 2 O 3 , carbonio vetroso) non
provocano e non subiscono reazioni con il mezzo
fisiologico a contatto
2) Riassorbibili (idrossiapatite) materiali di
riempimento che rendono possibile durante e dopo
la loro dissoluzione, la riformazione dei tessuti
3) Bioattivi (e.g. biovetro) incrementano i finomeni
di aderenza, ad esempio tramite la stimolazione
della ricrescita ossea
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Processo di produzione
Lay-Out
Estrazione delle
materie prime dalla
cava
Formatura
Stagionatura
Preparazione
dell’impasto
Essiccamento Cottura
G.P.Emiliani, F.Corbara,”Tecnologia ceramica. Le tipologie” vol.III, Faenza ed.
Materiali Ceramici

Preparazione dell’impasto
Miscelazione
 delle
 materie
 prime
nelle
 corrette
 proporzioni
 della
formulazione.
Per
la
maggior
parte
dei
laterizi
(mattoni
pieni
o
semipieni,
blocchi
forati)
la
preparazione
è
eseguita
solitamente
allo
stato
plastico
La
preparazione
dell'impasto
si
svolge
con
modalità
diverse
a
seconda
della
granulometria
dell'argilla,
del
tipo
e
della
qualità
del
prodotto
che
si
vuole
ottenere.
G.P.Emiliani, F.Corbara,”Tecnologia ceramica. Le tipologie”
vol.III, Faenza ed.
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Formatura
La miscele secche o umide
vengono quindi pressate per
produrre un compatto (green) di
sufficiente resistenza
La fase di formatura viene
condotta:
Pressatura
Pressatura idrostatica
Colaggio
Estrusione
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Estrusione e taglio dei mattoni ceramici
processo impiegato per laterizi a
sezione costante, coppi, rulli, tubi
L’umidità della pasta tra 15-20%
Gli estrusi vengono tagliati a
misura mediante un sistema
multifili
G.P.Emiliani, F.Corbara,”Tecnologia ceramica. Le tipologie” vol.III, Faenza ed.
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Foggiatura per pressatura a secco
Le tegole piane del tipo
olandese, romano, portoghese,
marsigliese, i pezzi speciali per
copertura, i coppi, le vasche ed i
vasi da fiori sono ottenuti per
pressatura allo stato
plastico a partire da gallette o
pani di pasta estrusi.
L’umidità della pasta tra
15-20%
G.P.Emiliani, F.Corbara,”Tecnologia ceramica. Le
tipologie” vol.III, Faenza ed.
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Slip casting
Slip casting significa colatura nello stampo e consiste nel riempire uno
stampo poroso, tipicamente in gesso, con uno sospensione (slip o
slurry) ceramica
L’acqua è rimossa dalla sospensione attraverso l’azione capillare
esercitata dallo stampo poroso, le particelle ceramiche sono
compattate sulla superficie dello stampo per formare un oggetto
solido.
Se si vuole realizzare un oggetto pieno è necessario rabboccare lo slip
nello stampo, man mano che l’acqua è drenata, fino ad ottenere il
completo riempimento dello stesso con un materiale che è tutto solido
e pieno.
Il green, durante l’essiccazione, subisce un piccolo ritiro che lo rende
facilmente staccabile dallo stampo.
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Storia e importanza tecnologica della
tecnica di slip casting
Lo slip casting è una tecnica di formatura
di materiali ceramici risalente al XVIII
secolo
Una barbottina ceramica viene colata
all’interno di uno stampo di gesso, poi il
materiale consolida si ritira e si distacca
dallo stampo
Oggi questa tecnica ha un’importanza
strategica soprattutto nella lavorazione dei
ceramici tradizionali (sanitari, bomboniere
e vari oggetti di forma complessa)
Rappresenta inoltre una metodologia
semplice ed economica di formatura di
ceramici avanzati di forma complessa
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Aria e fuoco
Dopo la creazione dell’oggetto con terra e acqua intervengono
aria (essiccamento) e fuoco (cottura) a donare resistenza e
durevolezza
Definizione di sinterizzazione
Processo di trattamento termico, con o senza applicazione di
pressioni esterne, mediante il quale un sistema di particelle
individuali o un corpo poroso modifica le sue proprietà evolvendo
verso uno stato di massima densità e minima porosità
Durante la sinterizzazione avvengono contemporaneamente
trasformazioni di fase, reazioni chimiche, la formazione
microstrutturale e macrostrutturale del prodotto finito
Dopo è difficile intervenire ulteriormente a cambiare forma e
struttura di un ceramico
La porosità è il parametro basilare per la descrizione del processo di
sinterizzazione dei materiali ceramici
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Essiccamento
L’essiccamento consiste nella
eliminazione della maggior parte
dell’acqua contenuta nell’impasto
prima della fase di cottura.
L'alta percentuale di acqua e gli
elevati spessori fanno di questa,
una delle fasi più delicate di tutto il
processo produttivo.
Si possono avere fratture e
deformazioni a causa degli stress
che si originano a causa del ritiro
della massa.
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Impianti di essiccazione
Sono camere climatizzate con controllo
accurato della temperatura e dell’umidità
In generale, in impianti di grande produzione,
si utilizzano essiccamento a galleria, continui.
L’essiccamento avviene mediante un flusso
d’aria in controcorrente oppure a ventilazione
trasversale.
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Processi post essiccamento
Ingobbiatura o Smaltatura
L’applicazione di un rivestimento vetroso
risponde riduce il potere assorbente ed
aumenta la resistenza agli agenti atmosferici e
le qualità meccaniche
Decorazione sopra smalto o sotto smalto
Applicazione di sali solubili di elementi
cromofori
Su elementi di copertura o di mattoni faccia a
vista
Arrotatura
Spazzolatura con setole metalliche
Aumento della resistenza all'usura della
superficie trattata perché i granuli di inerte
affiorati sono più duri della pasta argillosa
Antisdrucciolo
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Forni ceramici tradizionali
Nel forno a tiraggio orizzontale un
tramezzo impedisce alla cenere e ad atre
impurità di penetrare
nella camera. Il calore si
distribuisce molto
uniformemente
Nel forno a tiraggio discendente le fiamme
ridiscendono verso il basso. In figura i piani superiori
sono utilizzati per cotture a più basse temperature
(smaltatura, terzo fuoco)
Materiali Ceramici

Le fasi della cottura
Nella prima fase
della cottura
(20-500°C) viene
eliminata l’acqua di
impasto (attorno ai
100°C), l’acqua di
struttura le resine e i
leganti organici
Nella successiva fase
di sinterizzazione si
passa da un prodotto
altamente poroso ad
uno compatto.
ΔL/L
0,00
-0,02
-0,04
-0,06
-0,08
Resin
burn-out
ramp rate
200°C/h
Rapid heating
thermal
expansion
ramp rate
300°C/h
Sintering
1550°C
hold: 2h
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
Temperature (°C)
Ritiro ed espansione lineare nel processo di
sinterizzazione dell’Al 2 O 3
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Meccanismi di sinterizzazione
Si possono distinguere 4 categorie di densificazione
Vetrificazione con formazione di una fase liquida e
conseguente eliminazione della fase gassosa e dei pori
intergranulari. La driving force per la piena densificazione è
rappresentata dalla riduzione dell’area superficiale conseguente
all'eliminazione dei pori/bolle.
Sinterizzazione con fase liquida in cui la formazione della
fase liquida non elimina totalmente la porosità; la piena
densificazione si raggiune per reazione della fase solida.
Allo stato solido in cui la densificazione e compattazione
avvengono al di sotto del punto di fusione di tutte le possibili
fasi liquide. La sinterizzazione è accompagnata dalla
cambiamento in forma dei grani
Sinterizzazione reattiva il compatto di polveri reagisce
chimicamente con fasi liquide e gassose
Materiali Ceramici

Gli stadi del processo di sinterizzazione
Il processo di sinterizzazione si può suddividere in tre stadi:
stadio iniziale (fino al 3% del ritiro) nel quale il sistema viene
assimilato ad un insieme di sfere uniformi legate da “colli”
stadio intermedio (fino al 92% della densità teorica): il
sisteema si rapresenta come un insieme di grani uniformi con
facce in comune e pori cilindrici lungo i bordi dei grani. La fase
porosa viene considerata continua all’inizio dello stadio mentre
alla fine tendono a chiudersi
stadio finale si hanno pori isolati in ciascuno degli angoli del
grano
Materiali Ceramici

Sinterizzazione allo stato solido
Processo spontaneo la cui forza motrice è la minimizzazione
delle superfici.
Le polveri compattate del green assimilabili a particelle
slegate, con elevata energia superficiale solido-vapore
( ) si trasformano in un solido organizzato, formato da
SV
cristalli ben collegati e con minor energia superficiale solidosolido
Porosità 60-90% Porosità 40-60% Porosità 0-20%
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Meccanismi di trasporto nella
sinterizzazione da fase solida
TRAGITTO SORGENTE arri
vo
1 Diffusione
superficiale
2 Diffusione
reticolare
Superficie colle
tto
Superficie colle
tto
3 Vaporizzazione Superficie colle
tto
4 Diffusione al
contatto
5significativo Diffusione
reticolare
Contatto tra
granuli
Solo nei processi 4,5,6 il trasporto di
materia si accompagna ad un ritiro
Contatto tra
granuli
colle
tto
colle
tto
6 Diffusione Dislocazione colle
Materiali Ceramici

Il coarsening delle particelle allo stato solido
Geometricamente un poliedro di 6
lati piani rappresenta un policristallo
a livello minimo di energia
Particelle con meno di 6 lati hanno
bordi concavi
I granuli cresceranno o si ritireranno
a seconda del numero di lati, quelli
con più di 6 lati cresceranno, quelli
con meno si ritireranno
I grani maggiori crescono a spese di
quelli più piccoli
Materiali Ceramici

Temperatura di fusione
La temperatura di fusione (melting point
m.p.) dipende dall’energia di legame tra gli
atomi e dall’energia del reticolo
Nei ceramici ionici l’energia di reticolo è ∝ alla
carica ( valenza)
Ioni alcalini originano ceramici dal basso punto
di fusione (esempio m.p. NaCl = 800°C)
Ceramici composti da cationi a multivalenza
hanno più alte temperature di fusione (esempio
m.p. MgO = 2800°C)
I ceramici covalenti sono quelli a più alto
punto di fusione
Materiali Ceramici