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 (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 caricaes: CaF2 : Ca2+ e F-

•Dimensione relativa di cationi (rC) ed anioni (r

A)

di solito rC < rA e ogni catione (anione) tende ad avere il massimo numero possibile di anioni (cationi) vicino

Le strutture sono stabili quando gli anioni che circondano un catione sono tutti in contatto con esso.

+

- -

- -

Il numero di coordinazione

(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 AXStesso 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

• Struttura del cloruro di cesio (CsCl)

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 AmXpPer 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 AmBnXpDiversi 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 SiO44-

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)

CERAMICI A BASE DI SILICATI

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 SiO44-, 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 SiO44-, condivisi da

altri tetraedri per dar luogo a strutture piuttosto complesse:

CERAMICI A BASE DI SILICATI