Strutture ceramiche (continua)

Vetro ceramico
Le ceramiche con una struttura interamente vetrosa hanno alcune proprietà molto diverse da quelle dei metalli. Ricordiamo che quando il metallo allo stato liquido viene raffreddato, un solido cristallino precipita quando viene raggiunto il punto di congelamento di fusione. Tuttavia, con un materiale vetroso, quando il liquido viene raffreddato diventa sempre più viscoso. Non esiste un punto di fusione o congelamento acuto. Passa da liquido a un solido di plastica morbida e infine diventa duro e fragile. A causa di questa proprietà unica, può essere soffiato in forme, oltre ad essere fuso, laminato, disegnato e altrimenti lavorato come un metallo.

Il comportamento vetroso è correlato alla struttura atomica del materiale. Se la silice pura (SiO2) è fusa insieme, un vetro chiamato silice vetrosa si forma sul raffreddamento. La struttura dell’unità di base di questo vetro è il tetraedro di silice, che è composto da un singolo atomo di silicio circondato da quattro atomi di ossigeno equidistanti. Gli atomi di silicio occupano le aperture (interstiziali) tra gli atomi di ossigeno e condividono quattro elettroni di valenza con gli atomi di ossigeno attraverso il legame covalente. L’atomo di silice ha quattro elettroni di valenza e ciascuno degli atomi di ossigeno ha due elettroni di valenza, quindi il tetraedro di silice ha quattro elettroni di valenza extra da condividere con il tetraedro adiacente. Le strutture di silicato possono collegarsi condividendo gli atomi in due angoli dei tetraedri SiO2, formando strutture a catena o ad anello. Si forma una rete di catene tetraedriche di silice e ad alte temperature queste catene scivolano facilmente l’una accanto all’altra. Mentre la fusione si raffredda, l’energia vibrazionale termica diminuisce e le catene non possono muoversi facilmente in modo che la struttura diventi più rigida. La silice è il costituente più importante del vetro, ma altri ossidi vengono aggiunti per modificare determinate caratteristiche fisiche o per abbassare il punto di fusione.

Materiale ceramico cristallino o parzialmente cristallino
La maggior parte delle ceramiche di solito contiene elementi metallici e non metallici con legami ionici o covalenti. Pertanto, la struttura degli atomi metallici, la struttura degli atomi non metallici e l’equilibrio delle cariche prodotte dagli elettroni di valenza devono essere considerati. Come per i metalli, la cella unitaria viene utilizzata per descrivere la struttura atomica della ceramica. Le celle cubiche e quelle esagonali sono le più comuni. Inoltre, la differenza di raggi tra gli ioni metallici e non metallici gioca un ruolo importante nella disposizione della cellula unitaria.

Nei metalli, la disposizione regolare degli atomi in piani densamente imballati ha portato al verificarsi di scivolamento sotto stress, che conferisce al metallo la loro caratteristica duttilità. In ceramica, frattura fragile piuttosto che scivolare è comune perché sia la disposizione degli atomi e il tipo di legame è diverso. I piani di frattura o scissione della ceramica sono il risultato di piani di atomi regolarmente disposti.

I criteri di costruzione per la struttura cristallina sono:

• mantenere la neutralità
• carica equilibrio detta formula chimica
• ottenere più vicino imballaggio

Alcuni dei diversi tipi di materiali ceramici al di fuori della famiglia di vetro sono descritti di seguito.

Ceramica di silicato
Come accennato in precedenza, la struttura di silice è la struttura di base per molte ceramiche, così come il vetro. Ha una disposizione interna composta da unità piramidali (tetraedriche o quadrilatere). Quattro grandi atomi di ossigeno (0) circondano ogni atomo di silicio (Si) più piccolo. Quando i tetraedri di silice condividono tre atomi angolari, producono silicati stratificati (talco, argilla caolinita, mica). L’argilla è la materia prima di base per molti prodotti da costruzione come mattoni e piastrelle. Quando tetraedri di silice condividono quattro atomi comer, producono silicati quadro (quarzo, tridimite). Il quarzo si forma quando i tetraedri in questo materiale sono disposti in modo regolare e ordinato. Se la silice allo stato fuso viene raffreddata molto lentamente, cristallizza nel punto di congelamento. Ma se la silice fusa viene raffreddata più rapidamente, il solido risultante è una disposizione disordinata che è il vetro.

Cemento
Il cemento (cemento Portland) è uno degli ingredienti principali del calcestruzzo. Esistono diversi tipi di cemento, ma un tipico cemento Portland conterrà dal 19 al 25% di SiO2 , dal 5 al 9% di Al2O3, dal 60 al 64% di CaO e dal 2 al 4% di FeO. I cementi vengono preparati macinando le argille e il calcare in proporzione adeguata, cuocendo in forno e rimacinando. Quando l’acqua viene aggiunta, i minerali si decompongono o si combinano con l’acqua e una nuova fase cresce in tutta la massa. La reazione è soluzione, ricristallizzazione e precipitazione di una struttura di silicato. Di solito è importante controllare la quantità di acqua per evitare un eccesso che non farebbe parte della struttura e lo indebolirebbe. Il calore di idratazione (calore di reazione nell’adsorbimento dell’acqua) nell’impostazione del cemento può essere grande e può causare danni in grandi strutture.

Ceramica al nitruro
I nitruri combinano la durezza superiore della ceramica con un’elevata stabilità termica e meccanica, rendendoli adatti per applicazioni come utensili da taglio, parti resistenti all’usura e componenti strutturali ad alte temperature. La latta ha una struttura cubica che è forse il più semplice e più conosciuto dei tipi della struttura. Cationi e anioni si trovano entrambi ai nodi di reticoli fcc separati. La struttura è invariata se gli atomi Ti e N (reticoli) sono scambiati.

Ceramica ferroelettrica
A seconda della struttura cristallina, in alcuni reticoli cristallini, i centri delle cariche positive e negative non coincidono anche senza l’applicazione del campo elettrico esterno. In questo caso, si dice che esiste una polarizzazione spontanea nel cristallo. Quando la polarizzazione del dielettrico può essere alterata da un campo elettrico, si chiama ferroelettrico. Un tipico ferroelettrico ceramico è il titanato di bario, BaTiO3. I materiali ferroelettrici, in particolare le ceramiche policristalline, sono molto promettenti per varietà di campi di applicazione come trasduttori piezoelettrici/elettrostrittivi ed elettroottici.

Diagramma di fase
Il diagramma di fase è importante per comprendere la formazione e il controllo della microstruttura della microstruttura della ceramica polifase, proprio come avviene con i materiali metallici polifase. Inoltre, le strutture di non equilibrio sono ancora più prevalenti nella ceramica perché le strutture cristalline più complesse sono più difficili da nucleare e crescere dalla fusione.

Imperfezioni nella ceramica
Le imperfezioni nei cristalli ceramici includono difetti puntiformi e impurità come nei metalli. Tuttavia, nella ceramica la formazione di difetti è fortemente influenzata dalla condizione di neutralità della carica perché la creazione di aree di cariche sbilanciate richiede un dispendio di una grande quantità di energia. Nei cristalli ionici, la neutralità della carica spesso si traduce in difetti che si presentano come coppie di ioni con carica opposta o diversi difetti di punti vicini in cui la somma di tutte le cariche è zero. I difetti neutri di carica includono i difetti di Frenkel e Schottky. Un difetto di Frenkel si verifica quando un atomo ospite si sposta in una posizione interstiziale vicina per creare una coppia di cationi interstiziali vacanti. Un difetto di Schottky è una coppia di posti vacanti di cationi e anioni vicini. Il difetto di Schottky si verifica quando un atomo ospite lascia la sua posizione e si sposta in superficie creando una coppia di posti vacanti.

A volte, la composizione può variare leggermente per arrivare a una carica atomica più equilibrata. Solidi come SiO2, che hanno una formula chimica ben definita, sono chiamati composti stechiometrici. Quando la composizione di un solido si discosta dalla formula chimica standard, si dice che il solido risultante sia non statoichiometrico. La nonstoichiometria e l’esistenza di difetti puntiformi in un solido sono spesso strettamente correlati. I posti vacanti di anioni sono la fonte della nonstoichiometria in SiO2-x,

L’introduzione di atomi di impurità nel reticolo è probabile in condizioni in cui viene mantenuta la carica. Questo è il caso delle impurità elettronegative che sostituiscono un anione reticolare o impurità sostitutive elettropositive. Questo è più probabile per raggi ionici simili poiché ciò riduce al minimo l’energia richiesta per la distorsione del reticolo. I difetti appariranno se la carica delle impurità non è bilanciata.