11 Ceramici slides

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MATERIALI CERAMICI
• Materiali inorganici e non metallici
• Composti tra elementi metallici e non metallici con legami di tipo ionico
puro o con parte covalente
• Ceramici ‘tradizionali’ a base di argilla (porcellana, mattoni, piastrelle
vetri)
• Ceramici ‘innovativi’ (Si3N4, Al2O3, SiC, applicazioni in campo aerospaziale,
elettronico ecc.)
Caratteristiche generali: alto punto di fusione, bassa conducibilità termica ed
Elettrica, durezza, fragilità.
La percentuale di carattere ionico o covalente varia considerevolmente
nei composti ceramici semplici. L 'entità del legame ionico o covalente
tra gli atomi di questi composti è importante poiché influenza il tipo di
struttura cristallina che si formerà nel composto ceramico.
2

 0 . 25 ( X A  X B ) 
% Ionico   1  e
  100


Disposizioni ioniche semplici trovate nei solidi con legami ionici.
Nei solidi (ceramici) ionici la disposizione degli ioni è determinata principalmente dai
seguenti fattori:
1. La dimensione relativa degli ioni nel solido ionico (si assume che gli ioni siano
assimilabili a sfere rigide di raggio definito).
2. La necessità di bilanciare le cariche elettrostatiche per mantenere la neutralità
elettrica nei solidi ionici.
I solidi ionici sono costituiti da cationi e anioni. I cationi sono normalmente più piccoli
degli anioni con cui si legano. Il numero di anioni che circondano un catione centrale in
un solido ionico viene chiamato numero di coordinazione (CN). Per ottenere una
struttura stabile, il maggior numero di anioni deve circondare il catione centrale e gli
anioni devono entrare in contatto con il catione centrale.
Il rapporto del raggio del catione centrale con
quello degli anioni che lo circondano si chiama
rapporto tra i raggi ionici, rcatione/ranione. I
possibili rapporti tra i raggi ionici nei solidi ionici
con numeri di coordinazione di 2, 3, 4, 6 e 8
sono elencati in figura.
Ad esempio il comune sale da cucina (NaCl)
che ha rC = rNa = 0.102 nm, rA = rCl = 0.181 nm
avrà Þ rC/rA = 0.56 e quindi numero di
coordinazione pari a 6 e quindi struttura come
quella mostrata in figura.
STRUTTURA
NaCl
SILICATI. Tra i composti più abbondanti sulla terra (si trovano nelle rocce,
sabbia, argilla etc.); entrano nella composizione dei materiali ceramici più usati, dalle
porcellane ai vetri ai refrattari. I silicati derivano dal tetraedo SiO44- con una
percentuale di legame ionico del 50%.
SILICE.
Ha un network tridimensionale. Ad ogni spigolo
L’atomo di ossigeno è condiviso con gli altri tetraedri
In modo da realizzare la NEUTRALITA’ ELETTRICA.
Se i tetraedri sono ordinati si ottiene una struttura cristallina.
FORME POLIMORFICHE
QUARZO Tamb. – 870 °C
TRIDIMITE 870-1470
CRISTOBALITE 1470-1710 °C
STRUTTURE APERTE ------ BASSA DENSITA’
LEGAME CON ALTA % COVALENTE -------- ALTA Tf = 1710 °C
VETRI SILICE (SODIOSILICATI)
La silice in forma non cristallina, cioè non ordinata. Nei vetri comuni si aggiungono
Altri ossidi (CaO e Na2O) che fungono da Modificatori di Reticolo. Si impiegano anche
addizioni di TiO2 e Al2O3 che sostituiscono il silicio e abbassano la viscosità e temperatura di
fusione del vetro.
CARBONIO.
Il C non è propriamente un materiale ceramico ma alcuni dei suoi composti rientrano in
questa categoria. Il carbonio esibisce POLIMORFISMO nelle forme: DIAMANTE, GRAFITE,
FULLERENI.
Il diamante, che si forma in condizioni
estreme di temperatura e pressione è il
materiale più duro che si conosca, trasparente
con bassissima conducibilità elettrica tutto a
causa del fortissimo legame covalente.
La grafite, al contrario, composta di strati
esagonali di atomi di C, è opaca, conduce
molto bene l’elettricità ed ha una ottima
conducibilità termica.
I fullereni hanno forma molecolare C60 e sono
costituiti da 20 esagoni e 12 pentagoni.
Materiali costituiti da molecole C60 sono
chiamati BUCKMINSTERFULLERENI.
DEFORMAZIONI PLASTICHE: MECCANISMI
CERAMICI CRISTALLINI. Avviene sempre per moto delle dislocazioni che, tuttavia, è molto
più difficile rispetto ai metalli. Essendo il legame di tipo ionico, esistono pochissimi sistemi
di scorrimento possibili che non infrangano l’elettroneutralità. Nei ceramici con legami
sensibilmente covalenti, lo scorrimento è reso difficile dalle alte energie di legame, dai
ridotti sistemi di scorrimento e da una struttura delle dislocazioni molto complesse.
CERAMICI NON CRISTALLINI. Non esiste una disposizione regolare, per cui non è possibile il
movimento delle dislocazioni. La deformazione avviene per FLUSSO VISCOSO, come avviene
per i liquidi. Si definisce la grandezza VISCOSITA’ con unità di misura h (poise)
4.
PROPRIETA’ MECCANICHE DEI MATERIALI MECCANICI
I materiali ceramici, come noto, sono generalmente molto fragili ed ad elevata
durezza. La resistenza in compressione, in particolare è molto superiore a quella di
trazione tanto che è impossibile fare prove di tensione di trazione (il provino si
romperebbe negli afferraggi) e si deve ricorrere a prove di compressione (come si fa
ad esempio per il cemento) o a prove di flessione, da cui si ricava una sfs (flexural
strength). Prove di flessione a 3 o 4 punti.
• Durante la piegatura, alcune fibre sono
soggette a trazione ed altre a
compressione per cui il valore di sfs > sR
• sfs è funzione delle dimensioni del
provino. Maggiore è il suo volume,
maggiore è la probabilità di esistenza di
microdifetti nel materiale e, quindi,
minore è la sfs
INFLUENZA DELLA POROSITA’ NEL MATERIALE.
Sia il modulo elastico che la resistenza a trazione, comunque, dipendono fortemente dal
grado di porosità. Per il modulo elastico :
E  E 0 (1  1 . 9 P  0 . 9 P )
2
dove E0 è il modulo elastico del materiale per porosità teorica nulla, mentre il carico di
rottura, misurato secondo la prova di flessione, si può esprimere come:
s
fs
 s 0e
 nP
con s0 ed n costanti.
PREPARAZIONE DI MANUFATTI CERAMICI
FORMATURA PER COLAGGIO. In genere i materiali
ceramici si preparano per pressatura a caldo e
cottura. La polvere ceramica è in sospensione in una
soluzione acquosa (barbottina) e l’impasto viene
versato all’interno di uno stampo poroso (ad esempio
ricoperto internamento di gesso) in grado assorbire
parte dell’acqua in eccesso. Si possono costruire
pezzi massivi (Fig. 6 a) o pezzi di sottile spessore (Fig.
6 b) facendo defluire l’impasto in eccesso dopo il
riempimento della forma. Il pezzo ottenuto, una volta
stabile dimensionalmente, viene essiccato per
rimuovere tutta la parte acquosa, riscaldato a circa
200-300°C (essiccamento) per rimuovere i componenti
organici volatili ed infine cotto ad elevata temperatura
(cottura 900-1400 °C) magari sotto l’azione di una
pressione esterna. In questa fase, denominata
sinterizzazione, si hanno fenomeni di diffusione allo
stato solido con l’ottenimento di legami tra le
particelle. Il materiale comunque presenta sempre una
certa porosità che ha grandissima influenza sulle
proprietà meccaniche finali del pezzo.
FORMATURA IDROPLASTICA. Spesso si estrude il
componente nella forma voluta (mattoni, tubazioni,
piastrella)
IL VETRO
Silicati non cristallini contenenti CaO, Na2O, K2O, Al2O3 che influenzano le PROPRIETA’
VETROSE. Tipico vetro: 70% SiO2 + Na2O e CaO.
Il vetro si distingue dagli altri materiali ceramici in quanto i suoi componenti vengono
portati a fusione e successivamente raffreddati ad uno stato solido senza cristallizzazione,
con struttura finale comunque non cristallina, cioè amorfa. Le molecole in un vetro
cambiano il loro orientamento in modo casuale all'interno del materiale solido.
Temperatura di transizione vetrosa
Un liquido che forma in raffreddamento un
solido cristallino, diminuisce molto il volume
specifico, mentre un vetro segue un percorso
del tipo AD: diventa in raffreddamento
sempre più viscoso e da uno stato gommoso
passa a uno stato solido-vetroso fragile in un
intervallo di temperatura ridotto. Il punto di
intersezione delle due tangenti in figura
definisce la temperatura di transizione vetrosa
Tg. Questo punto dipende dalla struttura e,
inoltre, velocità di raffreddamento più elevate
portano a valori più alti di Tg.
Vetri sodico-calcici
Il vetro più comune (90% circa di tutta la produzione). Composizione di base: 71-73% di
SiO2, 12-14% di Na2O e 10-12% di CaO. Na2O e CaO diminuiscono il punto di rammollimento
da 1600 a circa 730 °C, cosicché il vetro sodico-calcico è più facile da lavorare. Il vetro
sodico-calcico viene utilizzato per produrre lastre piane, recipienti, manufatti pressati o
soffiati e prodotti di illuminazione per i quali non sono richieste un'alta durabilità chimica e
la resistenza al calore.
Vetri al borosilicato
La sostituzione degli ossidi alcalini da parte dell'ossido di boro nel reticolo vetroso della
silice produce un vetro con una espansione minore. Quando il B2O3 entra nel reticolo della
silice, ne indebolisce la struttura e ne abbassa considerevolmente il punto di
rammollimento. L 'effetto di indebolimento è attribuito alla presenza di atomi di boro planari
a tre coordinate. Il vetro al borosilicato (vetro Pyrex) viene usato per attrezzature di
laboratorio, tubazioni, forni e fari.
Vetri al piombo
L 'ossido di piombo è di solito un modificatore del reticolo della silice, ma può anche agire
come formatore di reticolo. I vetri al piombo con alto contenuto di ossido di piombo sono
basso fondenti e sono utilizzabili per vetri a tenuta saldati. I vetri ad alto contenuto di
piombo sono usati anche per le protezioni da radiazioni ad alta energia e trovano
applicazione per finestre antiradiazioni, bulbi di lampade fluorescenti o lampade per
televisori.
Q
h  h 0  e RT
PUNTO DI FUSIONE 100 P
PUNTO LAVORAZIONE 104 P
PUNTO RAMMOLLIMENTO 4X107 P
PUNTO RICOTTURA 1013 P
PUNTO DEFORMAZIONE 3X1014 P
OPERAZIONE DI FORMATURA
P (poise) = 0,1Pa.s (pascal-secondo)
Vetro temprato
Rinforzato mediante un rapido raffreddamento in aria da temperature vicino il punto di
fusione. La superficie del vetro si raffredda per prima e si contrae, mentre la parte interna
resta calda e compensa le variazioni dimensionali con piccoli sforzi. Quando l'interno si
raffredda e si contrae, le superfici sono già rigide e quindi si creano sforzi residui di
trazione all'interno del vetro e sforzi di compressione sulle superfici. Questo trattamento
di “tempra” aumenta la resistenza del vetro perché gli sforzi applicati devono superare gli
sforzi residui di compressione sulla superficie, prima che avvenga la rottura. Il vetro
temprato ha una maggiore resilienza rispetto al vetro ricotto e ha una resistenza
meccanica quasi quattro volte maggiore del vetro ricotto. I finestrini laterali delle
automobili e i vetri di sicurezza per porte sono articoli che vengono temprati.
Vetro rafforzato chimicamente
La resistenza del vetro può essere aumentata con speciali trattamenti chimici.
Per esempio, se un vetro sodico alluminosilicato viene immerso in un bagno di
nitrato di potassio a una temperatura di circa 50 °C al di sotto del suo punto di
deformazione (500 °C) per 6-10 ore, i piccoli ioni sodio vicino alla superficie del
vetro vengono sostituiti dagli ioni di potassio più grandi. L 'introduzione di
grossi ioni di potassio nella superficie del vetro produce sforzi di compressione
sulla superficie e corrispondenti sforzi di trazione nella zona centrale.
Questo processo di tempra chimica può essere utilizzato in presenza di sezioni
trasversali più sottili di quanto sia possibile con la tempra termica poiché lo
strato di compressione è molto più sottile. IL vetro rafforzato chimicamente
viene utilizzato per le vetrate di aerei supersonici e le lenti oftalmiche.
VETRO-CERAMICI
Vetri inorganici trattati termicamente per assare da uno stato non cristallino ad uno
cristallino. Si fa uso di INOCULANTI (TiO) per indurre DEVITRIFICAZIONE
PROPRITA’: Resistenza agli SHOCK TERMICI, buona conducibilità termica
PRODOTTI ARGILLOSI
ARGILLA ------- Silico-alluminati + H2O ---- grande FORMABILITA’
LE argille CONTENGONO Allumina (Al2O3) e SILICE (SiO2)
+ H2O legata + impurezze (ossidi)
PRODOTTI ARGILLOSI
• STRUTTURALI (mattoni, piastrelle)
• PORCELLANE BIANCHE (porcellana, articoli da tavola, articoli sanitari)
CERAMICHE BIANCHE
Oltre all’argilla contengono ingredienti NON PLASTICI come SELCE/QUARZO finemente
Macinato ed un FONDENTE come il FELDSPATO. Il fondente, mescolato all’argilla, forma
Un vetro con punto di fusione relativamente basso. Tipica composizione porcellana:
50% argilla, 25% quarzo, 25% feldspato con T (cottura) = 1200-1400 °C
CEMENTI
I CEMENTI HANNO LA CARATTERISTICA CHE UNA VOLTA MESCOLATI ALL’ACQUA
FORMANO UNA PASTA CHE SUCCESSIVAMENTE FA PRESA E INDURISCE. ALCUNI CEMENTI
SI COMPORTANO COME UNA FASE LEGANTE CHE UNISCE CHIMICAMENTE AGGREGATI
PARTICELLARI IN UNA SINGOLA STRUTTURA COESIVA. LA PRESA HA LUOGO A
TEMPERATURA AMBIENTE.
CEMENTO PORTLAND
Principali costituenti:
• SILICATO TRICALCICO
• SILICATO DICALCICO
prodotto di macinazione di ARGILLA e minerali contenenti
CALCE (CaO) dopo riscaldamento a 1400 °C (CALCINAZIONE).
Formazione di un CLINKER a cui viene aggiunto GESSO
(CaSO4. H2O) quale RITARDANDE DI PRESA.
3CaO.SiO2
2CaO.SiO2
La PRESA è una complessa reazione di IDRATAZIONE del tipo:
2CaO-SiO2 + xH2O ----- 2CaO-SiO2-xH2O
Il processo non è quello di essiccamento ma di IDRATAZIONE
PREPARAZIONE DI MALTE CEMENTIZIE (CEMENTO + SABBIA)
E CALCESTRUZZO (CEMENTO + SABBIA/GHIAIA
MALTE CEMENTIZIE. INDURIMENTO CEMENTO PORTLAND
Il cemento portland indurisce attraverso delle reazioni con l'acqua, che sono chiamate reazioni di
idratazione. Queste reazioni sono complesse e non completamente chiarite. Il principale prodotto
di idratazione del silicato tricalcico (C3S) e del silicato bicalcico (C2S), che costituiscono circa il
75% in peso del cemento portland e che reagiscono con l'acqua durante l'indurimento del
cemento, è il silicato tricalcico idrato. Questo materiale è formato da particelle estremamente
piccole ed è un gel co1loidale. Le idratazioni del C3S e del C2S producono inoltre l'idrossido di
calcio che è un composto cristallino. Queste reazioni sono:
C3S e C2S
2C3S + 6H2O
C3S2 .3H2O + 3Ca(OH)2
2C2S + 4H2 O
C3S2 .3H2O + Ca(OH)2
C3S2 3 H2O
C 3S e C 2S
H2O
H2
0
PRESA---- RESISTENZA A COMPRESSIONE
Il silicato tricalcico (C3S) indurisce
rapidamente ed è il maggiore
responsabile della resistenza meccanica
iniziale del cemento portland. La
maggior parte dell'idratazione del C3S
ha luogo nell'arco di due giorni dal
getto e quindi i cementi portland a
rapido indurimento contengono una
maggiore quantità di C3S. Il silicato
bicalcico (C2S) ha una reazione di
idratazione molto lenta ed è il maggiore
responsabile dell'aumento di resistenza
meccanica dopo una settimana.
CALCESTRUZZO (CEMENTO+ACQUA+AGGREGATI+ADDITIVI).
L 'avanzamento delle reazioni di idratazione determina la resistenza meccanica e la durabilità del
calcestruzzo.
L 'idratazione è relativamente rapida durante i primi giorni dopo il getto del calcestruzzo fresco. È
importante che durante la fase iniziale della maturazione l'acqua sia trattenuta dal calcestruzzo e che
sia evitata o ridotta l'evaporazione. Il massimo di resistenza a compressione dei calcestruzzi si
manifesta in circa 28 giorni, ma l'aumento della resistenza può proseguire per anni.
-Acqua
La maggior parte delle acque naturali potabili possono essere utilizzate.
-Aggregati
Gli aggregati normalmente costituiscono circa il 60-80% del volume del calcestruzzo e influenzano
notevolmente le sue proprietà. Gli aggregati del calcestruzzo vengono di solito divisi in aggregato fine
e grosso. Le rocce costituiscono la maggior parte degli aggregati grossi, mentre le sabbie costituiscono
la maggior parte degli aggregati fini.
-Additivi aerati
Calcestruzzi contenenti bolle d'aria al loro interno per aumentare la resistenza ai cicli di gelo e
disgelo e, in alcuni casi, anche per migliorare la lavorabilità. Gli agenti aeranti contengono sostanze
attive superficiali che diminuiscono la tensione superficiale all'interfaccia aria-acqua cosicché si
formano bolle d'aria estremamente piccole. (4-8% in volume di aria).
RESISTENZA A COMPRESSIONE.
Nella progettazione strutturale il calcestruzzo viene principalmente sollecitato a
compressione. La capacità di resistere a trazione del calcestruzzo può essere
aumentata rinforzandolo con tondini di acciaio. La resistenza del calcestruzzo è una
funzione del tempo, in quanto essa si sviluppa in seguito alle reazioni di idratazione.
Tra le grandezze più importanti per la resistenza a compressione:
• il rapporto in peso acqua/cemento
• il dosaggio di cemento (quantitativo di cemento in metri cubi di calcestruzzo)
e la classe di resistenza del cemento;
• la granulometria degli inerti.
rapporto ottimale (a/c) 0,450,55.
PROVE DI COMPRESSIONE.
Tutte le norme definiscono la resistenza alla compressione come quella che si ottiene
sottoponendo a prove di compressione semplice provini cubici, prismatici o cilindrici di
dimensioni standard con stagionatura di 28 giorni.
Per modulo di elasticità del calcestruzzo si intende il valore della tangente all’origine
della curva sforzo-deformazione che si ottiene da una prova di compressione semplice.
All’aumentare della resistenza del calcestruzzo, aumenta il valore del modulo di
elasticità, cioè un calcestruzzo è tanto più rigido quanto più è resistente.
La normativa italiana fissa il seguente valore del modulo di elasticità all’origine:
E c  5700 
R ck
VARIABILITA’ NEL
TEMPO

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