Materiali metallici Materiali ceramici Materiali polimerici

Materiali inorganici non metallici Materiali ceramici Materiali inorganici non metallici Sono generalmente composti refrattari (elevata temperature di fusione e bassa conducibilità termica) Contengono elementi metallici e non metallici Composizione e proprietà sono molto variabili

Esempi ossidi di metalli quali allumina (Al2O3), zirconia (ZrO2), biossido di titanio o titania (TiO2), ossido di magnesio (MgO) sali ionici come il cloruro di sodio (NaCl), il cloruro di cesio (CsCl) carburi come il carburo di titanio (TiC), carburo silicio (SiC) e carburo di boro (B4C) selenuri come il seleniuro di rame (Cu2Se) solfuri come il solfuro di zinco (ZnS) forme allotropiche del carboniodiamante, grafite, carbonio pirolitico.

Classificazione dei materiali ceramici

Struttura dei materiali ceramici

ceramici monocristallini ceramici policristallini Ceramici cristallini Distribuzione regolare e ripetitiva di una unità strutturale di base (cella elementare o cella unitaria) la cui trasposizione nello spazio dà luogo al cristallo ceramici monocristallini ceramici policristallini Ceramici amorfi

Ceramici cristallini valenza degli ioni elettroneutralità Ceramici ionici la struttura dipende da: valenza degli ioni elettroneutralità dimensione degli ioni rapporto Rc/Ra Ceramici ionico-covalenti Ceramici covalenti

(o di Bravais)

7 sistemi cristallini 14 Reticoli di Bravais cubico triclino esagonale ortorombico romboedrico monoclino tetragonale 7 sistemi cristallini 14 Reticoli di Bravais

stabile instabile

Numero di coordinazione nc 8….cubica nc 6….ottaedrica nc 4….tetraedrica nc 3….triangolare > 0.732 > 0.414 > 0.225 > 0.155 Numero di coordinazione Rc/Ra

Posizioni interstiziali Sono le posizioni corrispondenti agli spazi vuoti esistenti tra gli atomi di una data struttura cristallina. Le più comuni sono: posizioni interstiziali a coordinazione ottaedrica posizioni interstiziali a coordinazione tetraedrica La posizione ottaedrica è costituita dallo spazio vuoto esistente tra 6 atomi posti ai vertici di un ottaedro, mentre quella tetraedrica è al centro di 4 atomi posti ai vertici di un tetraedro.

Posizione interstiziale Posizione interstiziale 1 Posizione interstiziale ottaedrica 3 5 2 4 Posizione interstiziale tetraedrica 6 (1) Posizioni interstiziali ottaedrica e tetraedrica in una cella CFC

MgO (magnesia o ossido di magnesio) Cella elementare CFC: siti reticolari (ioni O= ), posizioni ottaedriche interstiziali (ioni Mg++ ), numero di coordinazione 6. ZrO2 (zirconia o ossido di zirconio, zirconia cubica) Cella elementare CFC: siti reticolari (ioni Zr4+ ), posizioni tetraedriche interstiziali (ioni O= ), numero di coordinazione 4. Al2O3 (allumina o ossido di alluminio, corindone) Cella elementare EC: siti reticolari (ioni O= ), 2/3 posizioni ottaedriche interstiziali (ioni Al+3 ), numero di coordinazione 6.

Struttura cristallina del corindone (Al2O3)

Magnesia, MgO Zirconia, ZrO2 Allumina (Al2O3)

Ceramici covalenti diamante (C) grafite (C) carburo di silicio (SiC) silice (biossido di silicio, SiO2) ….

Reticolo cristallino del diamante.

carburo di silicio, SiC diamante silice, SiO2

Grafite

(a) Struttura cristallografica della grafite (b) formule limite di tre anelli aromatici del piano grafitico

Il Silicio può formare: silicio cristallino (struttura analoga al diamante) catene polisilossaniche Si-O (452 kJ/mole) Si-Si (222 kJ/mole)) Le posizioni disponibili sugli atomo di Si in catena possono essere occupate da: atomi di O che formano legami ionici con Na+, Mg+2, Al+3 (es. pirosseni) altri gruppi silossanici, formando silice (cristallino) o vetro (amorfo)

catena polisilossanica un pirosseno (MgSiO3)n

carburo di silicio, SiC diamante silice, SiO2

quarzo vetro

silice cristallina vetro SiO4 4-

Difetti di punto in cristalli ionici Difetto di Frenkel: vacanza ionica+ interstizialità Difetto di Schottky: vacanza anionica + vacanza cationica

Difetto di Schottky Un difetto di Schottky in un composto di tipo MX2 consiste in una vacanza cationica per M2+ e due vacanze anioniche per X-. Il difetto di Schottky, un difetto stechiometrico, è caratterizzato in una specie MX dalla presenza di una coppia di siti vacanti, una vacanza anionica e una vacanza cationica. Il difetto di Schottky è il principale difetto puntuale negli alogenuri alcalini, come in NaCl. La stechiometria complessiva del solido non viene compromessa perché il numero delle lacune nei siti M ed X è bilanciato, in modo da preservare l’elettroneutralità. Un granello di sale del peso di 1 mg, costituto approssimativamente da 1019 atomi, contiene a temperatura ambiente ca. 104 difetti di Schottky.

Difetto di Frenkel Difetto puntuale che deriva dallo spostamento di un atomo o di uno ione dal suo sito reticolare verso un sito interstiziale normalmente vuoto. Anche la formazione di un difetto di Frenkel non ha effetto sulla stechiometria del composto. Per fare un esempio, in AgCl che possiede la struttura di NaCl, è predominante questo tipo di difetto, e un piccolo numero di ioni Ag+ si sposta da siti ottaedrici verso siti tetraedrici normalmente vuoti (difetto cationico). E’ meno comune osservare difetti anionici di Frenkel, quando è un anione a migrare in un sito interstiziale, perchè gli anioni sono in genere più grandi dei cationi in una struttura e hanno quindi maggior difficoltà a entrare in un piccolo sito interstiziale a bassa coordinazione. Ad esempio però nella fluorite, CaF2, vi sono principalmente difetti anionici di Frenkel, dovuti alla migrazione di ioni F- verso siti interstiziali cubici..

Difetti di linea

Bordi di grano in ceramici policristallini

Processo ceramico per la realizzazione di componenti ceramici avanzati Miscelazione di polveri ottenute da precursori sintetici ad elevata purezza caratteristiche delle polveri : purezza, composizione e microstruttura controllata Formatura (uniassiale o isostatica), si ottiene un verde privo di consistenza meccanica costituito da granuli di polvere compattata (3) Sinterizzazione

Formatura: pressatura uniassiale e isostatica

Sinterizzazione

Esempio: allumina sinterizzata a 1700 °C

Prova di trazione e

Meccanismo di deformazione plastica nei materiali ceramici ???? Meccanismo di deformazione plastica nei materiali ceramici

Visione dall’alto della struttura cristallina di NaCl che indica (a) lo scorrimento sul piano (110) e nella direzione [110] (linea AA’) e (b) lo scorrimento sul piano (100) nella direzione [010] (linea BB’).

Prova di piegamento o di flessione Modulo di rottura

Prova di compressione

Prova di microdurezza (Knoop, Vickers)

Caratteristiche materiali ceramici avanzati Elevata temperatura di fusione Stabiltà chimica Fragilità intrinseca (assenza di deformazione plastica) Fragilità estrinseca (porosità) Elevato modulo elastico (E) Bassa resistenza meccanica a trazione e flessione Buona resistenza meccanica a compressione Elevata durezza (H) Bassa tenacità (Gc) Bassa tenacità a frattura (KIc) Frattura fragile Bassa affidabilità

Frattura fragile (b) cricca “instabile” (a) scarsa deformazione plastica in prossimità della cricca in propagazione (b) cricca “instabile” avanzamento rapido e spontaneo (1) frattura improvvisa e catastrofica (2) caratteristica di materiali a bassa tenacità ti