Vuoto e forma Aria e fuoco zDopo la creazione dell’oggetto con terra e acqua intervengono aria (essiccamento) e fuoco (cottura) a donare resistenza e durevolezza.

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1 Vuoto e forma Aria e fuoco zDopo la creazione dell’oggetto con terra e acqua intervengono aria (essiccamento) e fuoco (cottura) a donare resistenza e durevolezza zDefinizione di sinterizzazione yProcesso 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 zDurante la sinterizzazione avvengono contemporaneamente trasformazioni di fase, reazioni chimiche, la formazione microstrutturale e macrostrutturale del prodotto finito zDopo è difficile intervenire ulteriormente a cambiare forma e struttura di un ceramico zLa porosità è il parametro basilare per la descrizione del processo di sinterizzazione dei materiali ceramici

2 Vuoto e forma Meccanismi di sinterizzazione Si possono distinguere tre categorie di densificazione zvetrificazione 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. zsinterizzazione 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. zsinterizzazione senza fase liquida 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.

3 Vuoto e forma Forze motrici della sinterizzazione zDa un punto di vista termodinamico, la forza motrice che determina la trasformazoni di polveri compattate (green ceramico) in un solido denso è la riduzione di energia libera totale  G t zEssa è la somma di tre contributi y  G v variazione di energia libera di volume y  G b variazione di energia libera per la riduzione dei bordi di grano y  G s variazione di energia libera per la riduzione di superficie  G t =  G v + G b +  G s zNella sinterizzazione tradizionale il termine preponderante è  G s =   A  = energia superfifiale e si realizza mediante aggregazione di più particelle piccole in poche grandi, e mediante sostituzione di interfacce gas-solido con altre solido-solido

4 Vuoto e forma Gli stadi del processo di sinterizzazione Il processo di sinterizzazione si può suddividere in tre stadi: zstadio iniziale (fino al 3% del ritiro) nel quale il sistema viene assimilato ad un insieme di sfere uniformi legate da “colli” zstadio 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 zstadio finale si hanno pori isolati in ciascuno degli angoli del grano

5 Vuoto e forma Cinetica e modelli della sinterizzazione zLa sinterizzazione può essere spiegata attraverso meccanismi di diffusione di specie gassose e di lacune assumendo variazioni locali della pressione di vapore (di elementi e lacune) dovute alla curvatura delle superfici. zIl modello che si utilizza è quello delle sfere a contatto elaborato da Frenkel (1945) e Kuczysnki (1949) per spiegare la densificazione di metalli e vetri ed esteso da Kingery alla sinterizzazione per diffusione allo stato solido per i materiali ceramici.

6 Vuoto e forma Meccanismo di trasporto zNel processo di sinterizzazione con due sfere a contatto il trasporto di massa avviene per: yevaporazione-trasporto -condensazione in cui il trasporto è dovuto alla differenza pressioni parziali di vapore ydiffusione superficiale delle vacanze dal collo delle sfere verso quella parte della superficie più lontana. Alla diffusione di vacanze corrisponde un flusso inverso di atomi che contribuisce a riempire il collo. La diffusione di vacanzeJ e segue la legge di Fick: J e = -Ddc/dx xD = coefficiente di diffusione superficiale xdc/dx = gradiente di concentrazione ydiffusione delle vacanze nel volume di vacanze con meccanismo analogo alla diffusione superficiale

7 Vuoto e forma Sinterizzazione nello stadio finale zCon l’unione dei grani i poli si localizzano in maggior parte all’interfaccia zL’ingrossamento dei grani provoca lo spostamento all’interfaccia e quindi dei pori. Il poro si muove mediante trasporto di atomi da una parete all’altra del poro con i meccanismi di diffusione noti (evaporazioe condensazione, diffusione superficiale) zI pori risidui possono: yrestringersi ulteriormente per diffusione atomica di atomi sulla superficie dei pori yunirsi per effetto della mobilità dei bordi dei grani per formare pori più grandi

8 Vuoto e forma Additivi della sinterizzazione zAdditivi insolubili yI migliori risultati della sinterizzazione si ottengono massimizzando il rapporto densità/ingrossamento dei grani. yGli additivi insolubili inibiscono la crescita discontinua ed esagerata dei grani esplicando la funzione di ancorare i giunti dei grani e rendendo possibile la densificazione totale di un compatto zAdditivi che formano una fase liquida yAdditivi che favoriscono la sinterizzazione riducendone la temperatura possono essere classificati a seconda che: a) la fase liquida agisca da legante b) la fase liquida reagisca con la fase solida