ceramici introduzione 2013 - antonio.licciulli.unisalento.it · ~ 4.000 AC Mohenjo-Daro (India)...

Tecnologie dei materiali ceramiciIntroduzione al corso e patto formativo

Antonio Licciulli

Ceramica, mito storia e filosofia

“Allora il Signore Dio plasmò l'uomo con polvere del suolo e soffiò nelle sue narici un alito di vita e l'uomo divenne un essere vivente” Genesi 2,7 “Da ogni elemento da cui proviene, ogni cosa è destinata a tornare: il corpo alla terra, il sangue all’acqua, il calore al fuoco, il respiro all’aria” Empedocle 492-430 Dopo la creazione dell’oggetto ceramico con terra e acqua intervengono aria (essiccamento) e fuoco (cottura) a donare resistenza e durevolezza

Creazione di Adamo, Andrea Pisano, 1334-1336

scrittura cuneiforme su argilla sinterizzata

Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza e tecnologia dei materiali ceramici

Docente: Antonio Licciulli Department of Innovation Engineering Lecce University, Via per Arnesano’ 73100 Lecce’ Italy e-mail: [email protected] tel. 0832 297321 fax 0832 297525

 Luogo di svolgimento: aula M4-M8, laboratorio ceramici (sx bar)  Materiale didattico reperibile in Internet: www.ceramici.unile.it   Orario Giorno Martedì Venerdì

Orario 14:30-18:00 9:30-11:30


Programma del corso

Parte teorica   Chimica e fisica dello stato solido

(strutture cristalline, diagrammi di fase, materiali nanostrutturati)   Le tecnologie i processi di produzione e

le classi   Proprietà meccaniche e termiche   Compositi e nanocompositi a matrice e/o

rinforzo ceramici,   I vetri, i vetroceramici e il colore, le fibre

ottiche, il verto piano   Gli elettroceramici, proprietà elettriche,

ottiche e magnetiche (dielettrici, piezoelettrici, conduttori)

I vostri seminari   Monografie e approfondimenti

Parte pratica  Laboratorio

 CDIO, progettazione formatura e sinterizzazione di ceramici tramite prototipazione rapida, sol-gel slip casting

  Applicazioni e mercati  classificazione funzionale dei ceramici: ceramici per aerospazio, elettronica, medicina, energia, tecnologia vetraria

  Visite guidate  Presso laboratori di ricerca e industrie

  Le fonti del settore  Banche dati, internet, fiere, libri, riviste, esposizioni

  Incontri con esperti  Seminari specialistici


Interazione e valutazione

  Il corso prevede intensi momenti di interazione, scambio e valutazione

  Lo studente è invitato a svolgere una tesina di approfondimento (facoltativa), ad illustrarla a docente e colleghi e a predisporne la pubblicazione in Internet

  Nelle esperienze di laboratorio lo studente sarà apprezzato per l’impegno, il metodo ed il proprio estro creativo

  Il colloquio finale e/o esame scritto (esame) è la parte conclusiva del percorso di formazione e valutazione


Testi consigliati

 Tecnologia ceramica,  vol. 1-3, G.P.Emiliani, F.Corbara Faenza ed., 1999

 Introduzione ai ceramici avanzati,  G. Aliprandi, F. Savioli, Pubblicazione interna ENEA 1989

 Solid State chemistry,  Anthony R. West, J. Wiley e Sons 1990

 Modern Ceramic Engineering,  D. W. Richerson, M. Dekker inc., 1990

 Introduction to the principles of ceramic processing,  J.S. Reed J. Wiley e Sons 1988

 Electroceramics,  A.J. Moulson, J.M. Herbert, Chapman and Hall 1990

Etimologia e definizioni

 Ceramica dal greco Keramos terra bruciata

 Argilla dal latino terra brillante (perché chiara), radice arg (brillare)

 Zeolite dal greco zeo-lithos terra che bolle (cronstedt 1756)

" Definizione di vetri e ceramici tradizionali (ASTM 1972, 13, C242-C272):

" Ceramici = Oggetti cristallini o parzialmente cristallini, ottenuti da sostanze essenzialmente non organiche non metalliche. Tali oggetti sono ottenuti da una massa fusa oppure sono formati o “maturati” durante o in seguito ad un trattamento termico

" Vetri = Prodotti inorganici di fusione consolidati raffreddandosi senza cristallizzare


La ceramica: dalla preistoria, alle nanotecnologie


Approccio bottom up nella scienza dei materiali

  La moderna scienza e ingegneria dei materiali, grazie alle conquiste tecnologiche (microscopi elettronici, risonanza magnetica, raggi X) offre un approccio bottom up

  I materiali avanzati sono il frutto dell’osservazione e della progettazione ad un livello molecolare e/o nanometrico


Price sensitive e price insensitive materials

  price insensitive application

  price sensitive application


Il ciclo di vita dei prodotti

  La fasi del ciclo di vita di un prodotto

Innovare o morire



Collocazione dei materiali


Life Cycle of a product

  The life cycle of a product starts with raw material extraction, continues with the fabrication of the relevant semi-finished products, includes finishing and assembling of the final product as well as its use and maintenance, and concludes with the end-of-life operations.   This last stage includes

recycling of materials and, after adequate treatment, final disposal of waste.


Life Cycle Thinking

  Life Cycle Thinking: sustainability actions that can bring the greatest overall benefits from its products, for its long-term profitability, the natural environment, and global society in general.   Life Cycle Thinking is an approach to

address and analyze all activities in materials life cycle regard to risks, opportunities, and value creation in order to find the best overall solutions.   It involves internal decision-makers

from R&D, production, marketing, or management, as well as external stakeholders such as suppliers, retailers, customers, consumers, and the general public.


Circoli virtuosi e circoli dannosi

  L’attuale incremento demografico e l’utilizzo intensivo delle risorse planetarie rendono indispensabile la riconsiderazione dell’intero ciclo di vita dei materiali   occorre cancellare dal

vocabolario termini quali: rifiuti, immondizia ….


Etimologia e definizioni

Ceramica dal greco Keramos terra bruciata Argilla dal latino terra brillante (perché chiara), radice arg (brillare):

 Definizione di vetri e ceramici tradizionali (ASTM 1972, 13, C242-C272):

 Ceramici = Oggetti cristallini o parzialmente cristallini, ottenuti da sostanze essenzialmente non organiche non metalliche. Tali oggetti sono ottenuti da una massa fusa oppure sono formati o “maturati” durante o in seguito ad un trattamento termico

 Vetri = Prodotti inorganici di fusione consolidati raffreddandosi senza cristallizzare


Classificazione dei ceramici tradizionali

 Non rivestiti   Non strutturali (terrecotte)   Strutturali (laterizi, refrattari)   Terraglie speciali (filtri, vasi porosi)

 Rivestiti   Faenze e maioliche   Terraglie

 Non rivestiti  Gres (per pavimentazione )  Porcellana per usi tecnici (usi elettrici, dielettrici isolanti)

 Rivestiti   Gres   Gres di qualità (vasellame domestico)   Porcellana

Pro

dott

i a

tess

itu

ra

poro

sa

Pro

dott

i a

tess

itur

a co

mpa

tta


Storia della ceramica

 


Settori dell’industria ceramica tradizionale

  Prodotti strutturali da argilla  Mattoni, grondaie, condotti per fognature, tegole, canne fumarie, piastrelle

  Porcellane  Stoviglie, piastrelle, sanitari, porcellana elettrica, porcellana decorativa, protesi dentali

  Refrattari  Mattoni e prodotti monolitici e prodotti colabili nell’industria dell’acciaio, dei metalli non ferrosi, vetro, cemento, coonversione energetica, trasformazione del petrolio e industria chimica

  Vetri  Vetro piano, contenitori bottiglie, vetro soffiato e stampato, fibre di vetro,

  Abrasivi  Naturali (granati, diamanti ..) e sintetici (allumina, carburo di silicio) usati per Natural (garnet, diamond, etc.) and synthetic (silicon carbide, diamond, fused alumina, etc.) abrasives are used for grinding, cutting, polishing, lapping, or pressure blasting of materials

  Cementi  Usati nella costruzione di edifici, ponti, strade, dighe

Le classi dei ceramici

" Vetri " Cementi " Abrasivi " Refrattari " Ceramici tradizionali " terrecotte " maioliche " terraglie " porcellane

" Ceramici avanzati

Applicazioni dei ceramici “tradizionali”

" Vetri " Vetro piano, contenitori bottiglie, vetro soffiato e stampato, fibre di vetro

" Cementi " Usati nella costruzione di edifici, ponti, strade, dighe

" Abrasivi " Naturali (granati, diamanti ..) e sintetici (allumina, carburo di silicio) usati per taglio, asportazione, lucidatura, erosione in pressione

" Refrattari " Mattoni e prodotti monolitici e prodotti colabili nell’industria dell’acciaio, dei metalli non ferrosi, vetro, cemento, coonversione energetica, trasformazione del petrolio e industria chimica

" Prodotti strutturali da argilla " Mattoni, grondaie, condotti per fognature, tegole, canne fumarie, piastrelle

" Porcellane " Stoviglie, piastrelle, sanitari, porcellana elettrica, porcellana decorativa, protesi dentali


Classificazione dei ceramici tradizionali


I laterizi

Materiale ceramico per costruzioni preparato a partire da un impasto di Argille Quarzo Carbonati TIPOLOGIE

Mattoni pieni

Mattoni e blocchi semipieni

Blocchi per murature armate e blocchi rettificati

Blocchi alleggeriti

Blocchi in muratura portante


Proprietà termiche dei laterizi

l’ACCUMULO TERMICO Una parete di spessore cm 30, normalmente intonacata, presenta per temperatura interna di 20°C ed esterna di -5°C un ACCUMULO TERMICO q=750 Kcal/m2 l’INERZIA TERMICA Analogamente la stessa parete presenta un’INERZIA TERMICA che induce nell’ “onda termica” un ritardo di fase di circa 12 ore (un valore ottimale è considerato in un intervallo che va dalle 10 alle 12 ore) e una attenuazione di circa 13 volte.

Minimizzare i flussi termici


Caratteristiche laterizi per muratura portante


Ceramici avanzati (advanced ceramics, fine ceramics)

 Definizione ISO: Highly egineered, high performance, predominantly non metallic, inorganic material having specific functional attributes

 “Enabling technology”

 La crescita esponenziale del settore ceramici avanzati è dovuta a:  sviluppo di applicazioni che richiedono materiali altamente sviluppati  i progressi nelle tecnologie di processo che consentono di ottenere materiali altamente ingegnerizzati


Classificazione dei materiali ceramici

Strutturali   Calcestruzzo, acciaio, fibre di carbonio

Funzionali  Elettriche e ottiche   Semiconduttori, fibre ottiche

  Chimiche e ambientali   Filtri membrane catalizzatori


Advanced ceramics

Structural  Wear parts, bioceramics, cutting tools, and engine components

 Electrical  Capacitors, insulators, substrates, integrated circuit packages, piezoelectrics, magnets and superconductors

 Chemical and environmental  Filters, membranes, catalysts, and catalyst supports

 Coatings  Engine components, cutting tools, and industrial wear parts

Func

tion

al


Il mercato dei ceramici avanzati

 Mercato Usa per i ceramici avanzati in milioni di dollari

  Valore in percentuale dei diversi segmenti di mercato


Storia della ceramica

~ 10.000 AC Probabile avvio dell’utilizzo di argilla lavorata e induritta tramite processi termici

~ 5.500 AC Testimonianze certe sull’utilizzo di prodotti ceramici ~ 4.500 AC A Banpo (Cina) produzione di ceramica dipinta ~ 4.000 AC Mohenjo-Daro (India) Utilizzo di mattoni in argilla cotta

come materiali da cstruzione ~ 1600AC In una iscrizione cuneiforme viene descritta la tecnica

per utilizzare smalti a base di piombo e stagno ~1500AC I cinesi introducono l’utilizzo di polveri fini e bianche al

posto dell’argilla ~1000AC Utilizzo di materiali feldspatici negli smalti 751 La tecnica ceramica cinese viene diffusa in Occidente

grazie agli scambi con la civiltà Araba Cattura di progionieri cinesi da parte di Persiani Abbassidi

1730 Produzione di porcellana in Meissen (Germania) 1769 Brevetto Cookworthy (Inghilterra)per la produzione di

porcellanna da ossa calcinate


Le principali classi di ceramici avanzati

Ossidi monocomponente

Allumina (Al2O3) Zirconia (ZrO2) Titania (TiO2) Ossido di magnesio (MgO)

Ossidi misti Mullite (3Al2O32SiO2) Spinello (MgO Al2O3)

Carburi Carburo di silicio (SiC) Carburo di boro (B4C) Carburo di titanio (TiC)

Nitruri Nitruro di boro Nitruro di alluminio (Si3N4)

Elementali Carbonio (C) Boro (B)


F unz io ni P r o p r ie t à A p p l i c a z io ni M at er i a l iMeccaniche C aratteris tiche di attrito

Lubrificaz ione solida R es is tenza all'abras ione R es is tenza meccanica Durezza e res is tenza allo scorrimento viscoso

Lubrificanti solid i A bras ivi e utens ili A nelli d i tenuta Parti d i macchine di alta precis ione e lung a durata

A l2O3, C , B N T iC , T iN, T iB 2

B 4, C WC , Z rB 2

S iC , S i3N4, Z rO2

Termiche C oefficiente di d ilataz ione termica R es is tenza ag li sbalz i termici Isolamento C onduttività e capacità R efrattarietà

R ivestimenti d i forni E lettrodi per alta temperatura Pozz i d i calore per l'elettronica B arriere termiche

S iC , T iC , T iB 2

S i3N4, B eO, MgO Z rO2, A l2O3

Nucleari R es is tenza alle radiaz ioni R efrattarietà e res is tenza meccanica all'alta temperatura

C ombustibili nucleari R ivestimenti e materiali per schermatura

UO2, UC , US T hS , S iC , B 4C A l2O3, B eO

Ottiche T rasparenza T rasmiss ione Polarizzaz ione F luorescenza

Lenti ottiche per HT Lampade a vapore Na, Hg F ibre ottiche, d iodi F onti per radar laser

A l2O3, MgO Y 2O3, S iO2, C dS Z rO2 T iO2, Z nS

E lettriche Magnetiche

Isolanti e conduttori S emiconduttori D ielettrici p iezoelettrici Magneti-‐elettrodi MHD S uperconduttori

R es is tenze-‐capacità S ensori e trasduttori Oscillatori e pile R icevitori antenne e memorie calcolatori

F erriti Perovskiti S nO, Z nO, S iO2

B eO, S iC , A l2O3

C himiche B iolog iche

A ssorbimento e catalis i Membrane e filtri B iocompatibilità Inerz ia chimica

C atalizzatori, filtri E ndo protes , supporti S ensori g as e temperatura R eattori inerti

Z eoliti, MgO A l2O3, S nO2

Z rO2, A patite


Mercato dei ceramici avanzati negli USA

 Il mercato per il 2000 per i ceramici avanzati è stato di circa 10.ooo milioni di dollari ripartiti secondo la torta

(T. Abraham)

69,8

20

10,2

elettronicastrutturalirivestimenti


Ceramici avanzati strutturali

 Esempi: Allumina Nitruro di silicio, zirconia, Carburo di silicio compositi ceramici,

 Proprietà: Durezza, resistenza allo scorrimento viscoso, resistenza all’abrasione, lubrificazione solida, resistenza alle alte temperature

 Applicazioni: Turbine a gas, macchine utensili, forni ad alta temperatura, Anelli di tenuta, Barriere termiche, Elettrodi per alta temperatura


Mercato USA dei ceramici strutturali

 Il mercato dei ceramici strutturali negli USA nel 1990 valeva 350 milioni di dollari

11,4

25,7

42

4,3

11,44,3

motori

utensili

abrasivi

energia

aerospazio,difesabioceramici


Proprietà dei materiali


Lavorabilità dei vetroceramici

 La lavorabilità è alle macchine utensili è dovuta alla presenza di cristalli di fluoromica


Mercato USA dei rivestimenti ceramici

 Il mercato dei rivestimenti (coatings) negli USA nel 1990 valeva 371 milioni di dollari

1,89

54,32

7,25

0,99

35,55

motori e turbine

Motori peraerospazioIndustria

Scambiatori dicaloreInserti, utensili dataglio


Ceramici per elettronica

 Esempi: allumina, Ossido di stagno, carburo di silicio, ossido di bario e magnesio, Ferriti

 Proprietà: Isolanti e conduttori, Semiconduttori, Dielettrici piezoelettrici, superconduttori, conduttori ionici

 Applicazioni: Resistenze, capacità, sensori e trasduttori, Ricevitori antenne. Le candele per l’accensione del combustibile nel motore a scoppio furono inventate nel 1860.

Piezoceramici prodotti presso l’Università di Lecce


Mercato USA degli elettroceramici

 Il mercato dei ceramici per elettronica nel 1990 negli USA valeva 2.862 milioni di dollari così ripartiti

61,8

3,7

10

0,1

24,4

Isolanti esubstrati per ICPiezoelettrici

Magneti ferritici

Superconduttori

Capacità


Refrattari

 Esempi: Mullite, cementi alluminosi, ossido di magnesio, Carburo di silicio, Ossido di Berilio

 Proprietà: resistenza agli sbalzi termici, Isolamento, Conducibilità

 Applicazioni: costruzione di forni, fonderie, industria del vetro,


Resistenza vs temperatura


Ceramici porosi

 Esempi: Zeoliti, Carbone attivo, Gel di silica

 Proprietà: micro, meso, macro porosità

 Applicazioni: filtrazione, ultrafiltrazione, decontaminazione aria e liquidi, isolamento termico


Zeoliti

 Sono impiegate nella catalisi, per l’assorbimento, per lo scambio ionico come detergenti  Il consumo annuo di zeoliti sintetiche è 106 tonnellate  Il consumo mondiale in tonnellate (1994) è riportato sotto

1E+05

1E+06

1E+05

detergenti

catalisi

assorbimento


Abrasivi

 Esempi: quarzo, diamante, allumina, carburo di titanio

 Proprietà: Durezza, resistenza all’abrasione, Assenza di deformazione plastica. Resistenza alle alte temperature quindi alte velocità di lavorazione dell’utensile

 Applicazioni: taglio, lappatura, macinazione Miglioramento delle performance di un ordine di grandezza rispetto agli utensili metallici, Freni, Pulitura dei denti


Ceramiche per ottica

 Esempi: SiO2, TiO2, MgO, CdS, Y2O3

 Proprietà: Trasparenza, trasmissione, polarizzazione, fluorescenza, fotosensibilità,

 Applicazioni: Lenti, fibre ottiche, diodi, sensori ottici, laser, amplificatori ottici, dispositivi ottici a controllo ottico (fotonica). Nel 1870 Thomas Edison inventa la lampadina a bulbo


Tipo di risposta tissutale

Comportamentobiologico

Tipo dirisposta

Reazione del tessuto

Tossico Tossicità Il tessuto circostantemuore

Inidoneo Rigetto Si forma una cisti isolantel'oggetto inserito neltessuto con presenzaomeno di pus

Quasi inerte Accettazionebiologica

Si sviluyppa un tessutofibroso a spessore variabile

Attivo Accettazionebiologica

Si forma un legameinterfacciale fra tessuto emateriale

Riassorbibile Accettazionebiologica

Il materiale viene sostituitonel tempo dal tessutocircostente


Bioceramici

 Ceramici per uso biologico, si dividono nelle seguenti categorie:

1) Bioinerti (Al2O3, carbonio vetroso) non provocano e non subiscono reazioni con il mezzo fisiologico a contatto

2) Riassorbibili (idrossiapatite) materiali di

riempimento che rendono possibile durante e dopo la loro dissoluzione, la riformazione dei tessuti

3) Bioattivi (e.g. biovetro) incrementano i finomeni

di aderenza, ad esempio tramite la stimolazione della ricrescita ossea


I materiali dentali

ceramici introduzione 2013 - antonio.licciulli.unisalento.it · ~ 4.000 AC Mohenjo-Daro (India)...

Documents

Transcript of ceramici introduzione 2013 - antonio.licciulli.unisalento.it · ~ 4.000 AC Mohenjo-Daro (India)...