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I MATERIALI CERAMICI Sono composti formati da elementi metallici e non metallici, per la maggior parte ossidi, nitruri e carburi. Tra I più comuni: Ossido di alluminio o allumina (Al 2 O 3 ) Biossido di silicio o silice (SiO 2 ) Carburo di silicio (SiC) Nitruro di silicio (Si 3 N 4 ) Inoltre i ceramici classici di minerali argillosi (porcellana), il cemento e il vetro. I ceramici tipicamente sono: molto duri, estremamente fragili – poco duttili, isolanti termici ed elettrici, resistenti alle alte temperature ed agli ambienti aggressivi • trasparenti/traslucidi/opachi, alcuni magnetici (Fe3O4)

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3_2014_Struttura dei materiali ceramiciI MATERIALI CERAMICI
Sono composti formati da elementi metallici e non metallici, per la maggior parte ossidi, nitruri e carburi.
Tra I più comuni: • Ossido di alluminio o allumina (Al2O3) • Biossido di silicio o silice (SiO2) • Carburo di silicio (SiC) • Nitruro di silicio (Si3N4)
Inoltre i ceramici classici di minerali argillosi (porcellana), il cemento e il vetro.
I ceramici tipicamente sono: • molto duri, • estremamente fragili – poco duttili, • isolanti termici ed elettrici, • resistenti alle alte temperature ed agli ambienti aggressivi • trasparenti/traslucidi/opachi, • alcuni magnetici (Fe3O4)
Essendo formati da 2 o più elementi, hanno strutture generalmente molto complesse. Il legame varia da puramente ionico a parzialmente ionico.
Per i ceramici con legame puramente ionico , la struttura cristallina può essere pensata
come composta da ioni (cationi (+) ed anioni (-)).
La struttura cristallina viene determinata da:
•Intensità della carica elettrica degli ioni
il cristallo deve essere neutro bilanciamento della carica es: CaF2 : Ca2+ e F-
•Dimensione relativa di cationi (r C ) ed anioni (r
A )
di solito rC < rA e ogni catione (anione) tende ad avere il massimo numero possibile di anioni (cationi) vicino
+
- -
- -
(N) dipende da rC / rA.
Per uno specifico numero di coordinazione esiste un rapporto minimo critico
(calcolato mediante considerazioni geometriche) per il quale si stabilisce il contatto anione/catione.
I numeri di coordinazione più comuni per i ceramici sono 4 – 6 – 8
STRUTTURE CRISTALLINE TIPO AX Stesso numero di anioni e cationi
• Struttura del salgemma
La struttura più comune di tipo AX è quella del NaCl (o salgemma); altri composti sono MgO, MnS, LiF, FeO
N = 6 (sia per i cationi che per gli anioni)
Struttura cubica a facce centrate (cfc)
STRUTTURE CRISTALLINE
N = 8 (sia per i cationi che per gli anioni)
• Struttura della blenda (blenda di zinco - ZnS - o sfalerite)
N = 4 (sia per i cationi che per gli anioni, coordinati in modo tetraedrico) Oltre a ZnS ci sono ZnTe e SiC
STRUTTURE CRISTALLINE TIPO AmXp Per anioni e cationi che hanno cariche diverse
Esempio: Strutture di tipo AX2 (fluorite – CaF2; ZrO2; UO2; PuO2; ThO2) rC / rA ≈ 0.8 → N = 8
STRUTTURE CRISTALLINE TIPO AmBnXp Diversi tipi di cationi
Esempio: Titanato di bario (BaTiO3 ha sia cationi Ba2+ sia Ti4+ ) Struttura perovskitica; a T>120°C la struttura è cubica.
CERAMICI A BASE DI SILICATI
Sono composti essenzialmente da Si e O. Per caratterizzare la struttura cristallina, invece di basarsi sulla cella elementare e’ piu’ conveniente riferirsi alle diverse disposizioni che puo’ assumere il tetraedro (carico negativamente) SiO4
4-.
Spesso non sono considerati ionici a causa del carattere fortemente covalente del legame Si-O (direzionale e forte), benchè ad ogni un tetraedro SiO4
4- sia associata una carica -4.
Le varie strutture dei silicati derivano dai diversi modi in cui le unità SiO4 4-
possono essere combinate in disposizioni mono- , bi- e tridimensionali.
• Silice
Il più semplice dei silicati è il biossido di silicio (silice). È costituito da una rete tridimensionale che si forma quando un atomo di ossigeno al vertice di un tetraedro è condiviso col tetraedro adiacente. Se i tetraedri si dispongono in modo regolare ed ordinato si forma una struttura cristallina.
L’elevata resistenza dei legami interatomici Si-O causa un punto di fusione molto alto
(≥1700°C)
cristobalite
Esistono 3 forme cristalline primarie polimorfe della silice, molto complesse e poco
compatte: quarzo, cristobalite e tridimite.
CERAMICI A BASE DI SILICATI
• Vetri di silice
La silice può esistere anche in forma non cristallina con elevato grado di disordine
atomico, detta silice fusa o vetrosa. Le unità base sono sempre SiO4
4-, ma disposte in modo disordinato
CERAMICI A BASE DI SILICATI
Altri ossidi (B2O3, GeO2,…) possono formare strutture vetrose e vengono definiti,
insieme alla silice, formatori di strutture reticolari.
I vetri inorganici comuni sono vetri di silice a cui sono stati aggiunti altri ossidi come CaO e Na2O, che non formano strutture reticolari poliedriche: i loro cationi sono
inglobati e modificano il reticolo di ioni SiO4 4-, per cui sono detti modificatori di
reticolo.
Altri ossidi, come TiO2 e Al2O3, anche se non sono formatori di reticolo, sono sostituti del Si e divengono parte del reticolo, stabilizzandolo (ossidi intermediari).
Da un punto di vista pratico l’aggiunta di intermediari abbassa il punto di fusione e la viscosità del vetro, rendendolo più facilmente lavorabile a basse temperature.
• I silicati
I silicati minerali hanno 1, 2 o 3 atomi di O, ai vertici del tetraedro SiO4 4-, condivisi da
altri tetraedri per dar luogo a strutture piuttosto complesse:
CERAMICI A BASE DI SILICATI