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UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CATANIA

FACOLTA’ DI INGEGNERIA

Corso di Tecnologie di Chimica Applicata –

L.S. Ing. Meccanica

MATERIALI CERAMICI AVANZATI

ANNO ACCADEMICO 2006/2007

Docente: Prof.

Giuseppe Siracusa

Allievi: Davide Cassisi

Daniele Calvagno

La relazione è stata strutturata sulla base del seguente schema:

1.

Generalità sui ceramici

2.

Processi di realizzazione dei neoceramici

3.

Proprietà dei ceramici avanzati

4.

Panoramica sulle applicazioni

5.

Esempi applicativi di ceramici avanzati

Tradizionali: I materiali ceramici (dal greco “keramikos”, cioè “materiale cotto”) sono materiali inorganici e non metallici. La gran parte di essi (silice, argilla, feldspato) sono composti tra elementi metallici e non metallici

per i quali i legami interatomici sono ionici, covalenti ed intermedi.

DEFINIZIONE DI MATERIALI CERAMICI TRADIZIONALI E AVANZATI

1. GENERALITA’ SUI MATERIALI CERAMICI

Avanzati: si intendono ceramici avanzati quei prodotti inorganici non metallici (ossidi, nitruri, carburi) e policristallini, provvisti di rilevanti prestazioni strutturali e/o funzionali.

Per prestazioni “strutturali”

si intendono le capacità del ceramico di resistere alle sollecitazioni meccaniche ed all’usura, in condizioni di temperatura e pressione molto elevate; mentre vengono considerate “funzionali”

le eventuali proprietà elettriche, elettroniche, ottiche e magnetiche che essi possono presentare in particolari condizioni ambientali.

Le prestazioni dei materiali ceramici

possono essere valutate come “tradizionali” o “avanzate” a seconda della purezza della materia prima e dell’accuratezza del processo produttivo con cui questi vengono realizzati.

PRINCIPALI CERAMICI AVANZATI



STRUTTURE CRISTALLINE CERAMICHE SEMPLICI

Le proprietà fisiche e meccaniche dei ceramici derivano dalla natura dei legami atomici e dal tipo di struttura cristallina. Nei composti ceramici, in genere, il legame atomico è un insieme

dei tipi ionico e covalente. Valori approssimati delle percentuali di carattere ionico e covalente nei legami tra gli atomi in tali composti possono essere ottenuti valutando le differenze di elettronegatività

fra i diversi tipi di atomi, presenti in questi composti, ed applicando l’equazione di Pauling

per la determinazione della percentuale di carattere ionico quando il legame si rivela di tipo “misto”.

COMPOSTO CERAMICO AVANZATO

ATOMI DI LEGAME

DIFFERENZA DI ELETTRONEGATIVITA’

% di CARATTERE IONICO

% di CARATTERE COVALENTE

Biossido di zirconio, ZrO2 Zr-O 2.3 73 27

Ossido di magnesio, MgO Mg-O 2.2 69 31

Ossido di alluminio, Al2 O3 Al-O 2.0 63 37

Biossido di silicio, SiO2 Si-O 1.7 51 49

Nitruro di silicio, Si3 N4 Si-N 1.3 34.5 65.5

Carburo di silicio, SiC Si-C 0.7 11 89

Equazione di Pauling



Le strutture cristalline dei ceramici sono molte e varie ed, a volte, assai complesse: si passa da materiali semplici come l’ossido di magnesio a struttura cubica, a materiali a struttura lineare come l’amianto (silicato idrato di magnesio) o a struttura planare come la grafite, etc.

Nei ceramici covalenti

i legami fra gli atomi sono altamente direzionali; ciò comporta dislocazioni strette e, quindi, alta resistenza al loro moto. In

effetti, lo sforzo per muovere le dislocazioni è prossimo a quello di rottura per cui un materiale

di questo tipo giunge a rottura in campo elastico, con un comportamento lineare ed assenza totale di plasticità.

Invece, nei ceramici ionici, i legami non sono direzionali

e, pertanto, si hanno dislocazioni larghe e si dovrebbe avere bassa resistenza al loro passaggio. In effetti, ciò vale solo per i monocristalli: il flusso plastico è notevole e le curve sforzo-deformazione sono più simili a quelle presentate dai metalli.



Nei policristalli, metallici o ceramici che siano, in generale, se si vuole evitare la formazione di microvuoti

e conseguenti cricche ai giunti dei grani, occorre che grani adiacenti cambino di forma contemporaneamente nello stesso modo.

Mentre i metalli

offrono molti sistemi di scorrimento, le ceramiche ioniche

ne hanno pochi: ciò comporta la formazione di cricche ai giunti dei grani

con conseguente indiscussa fragilità

del materiale. In definitiva, anche in questo caso, le ceramiche ioniche si comportano elasticamente fino a frattura.

Nei ceramici, in generale, la loro bassa resistenza che si registra alla trazione

è legata alla presenza di micro-cricche superficiali introdotte, tramite i processi di formatura

e lavorazione, o per abrasione o per corrosione: in sostanza, la frattura finale si ha non in corrispondenza al valore di tensione teorico ma a quello capace di propagare le cricche.



COMPOSTO CERAMICO FORMULA PUNTO DI FUSIONE (°C)

Carburo di afnio HfC 4150

Carburo di titanio TiC 3120

Carburo di tungsteno WC 2850

Ossido di magnesio MgO 2798

Biossido di zirconio ZrO2 2750

Carburo di silicio SiC 2500

Carburo di boro B4 C3 2450

Ossido di alluminio Al2 O3 2050

Nitruro di silicio Si3 N4 1900

Biossido di silicio SiO2 1715

Biossido di titanio TiO2 1605

L’assenza di elettroni liberi rende i ceramici cattivi conduttori

del calore e dell’elettricità, per cui trovano importanti applicazioni come isolanti elettrici e termici

e, quando il gap energetico tra banda di valenza e banda di conduzione è piccolo, come semiconduttori.Essendo i loro legami altamente stabili, i ceramici presentano punti di fusione molto alti

e grande stabilità chimica.

INDIVIDUAZIONE DELLE FASI PRINCIPALI DI PRODUZIONE

Molti prodotti ceramici, sia tradizionali che avanzati, sono fabbricati compattando polveri o particelle in forme che vengono poi scaldate a temperature sufficientemente elevate da legare insieme le particelle. La sequenza base nella lavorazione dei ceramici tramite agglomerazione di particelle

consiste in:

Preparazione del materiale

Processo di formatura

Processo di sinterizzazione + +

=Prodotto ceramico finito

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI NEOCERAMICI

Polvere pura + leganti o additivi


PREPARAZIONE DEI MATERIALI

La produzione di componenti ceramici

richiede l’uso di polveri di elevata purezza e granulometria

uniforme. Essi si possono ottenere da materie prime naturali attraverso una serie di trattamenti chimici di purificazione oppure tramite la sintesi di prodotti chimici più semplici.Una polvere ideale dovrebbe avere composizione chimica e purezza rigorosamente controllate, taglia delle particelle micronica

o sub-micronica, assenza di agglomerati, distribuzione stretta e centrata attorno al valore medio con morfologia sferica.E’ da sottolineare che la qualità della polvere ceramica rappresenta un fattore critico della produzione dei neoceramici.

Le particelle e gli altri ingredienti, quali i leganti ed i lubrificanti, possono essere miscelati a umido

(spesso, per la produzione di comuni mattoni e tubature fognarie, si adotta l’acqua) od a secco.

I metodi di produzione

delle polveri ceramiche

sono essenzialmente:


1)

Produzione per reazione allo stato solido

2) Produzione per decomposizione termica

3) Produzione in fase di vapore

4) Metodi in soluzione

metodo di precipitazione-filtrazione;

metodo di evaporazione del solvente o di “spray-drying”;

metodo di congelamento o di “freeze-drying”;

metodo di sintesi idrotermale;

metodo “sol-gel”.



METODI IN SOLUZIONE

Evaporazione “spray-drying”:

questo è il metodo in

soluzione più semplice che, tramite creazione di gocce piccolissime di soluzione ed evaporazione rapida del

solvente (tramite correnti d’aria a 250-400°C), riesce a mantenere l’omogeneità dimensionale

della polvere che così viene a prodursi. Questo processo si realizza grazie ad un apparecchio nebulizzatore, detto “atomizzatore”. In sostanza, le soluzioni saline vengono fatte fluire attraverso un ugello che le suddivide in goccioline di

diametro compreso fra i 190 ed i 100 μm.

Processo

“sol-gel”:

questa tecnica moderna dà la

possibilità di ottenere polveri di elevata purezza ed omogeneità. Si tratta di un procedimento che realizza ossidi ceramici a partire da una sospensione colloidale di

particelle solide in un liquido, detta “sol”. Questa massa di particelle viene sottoposta ad idrolisi e polimerizzazione e trasformata in un “gel” il quale è poi essiccato e trattato termicamente. Il prodotto finale è proprio un ossido ceramico. La versatilità della tecnica “sol-gel” consente di preparare, oltre alle classiche polveri, anche fibre, strati spessi o sottili da impiegare in materiali compositi di ultimissima generazione.

Tipologie di atomizzatore

ESEMPIO: allumina essiccata alla fine dello “spray-drying


2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI CERAMICI

PROCESSI DI FORMATURA

La formatura

rappresenta lo stadio durante il quale una certa quantità di polvere, già pronta, viene a subire tentativi di manipolazione o di modellazione

secondo forme abbastanza vicine a quelle che si ritrovano nella fase finale della catena produttiva del pezzo ceramico, cioè dopo la fase di sinterizzazione.

Le diverse tipologie esistenti di processi di formatura dipendono da molti fattori concorrenti:

la microstruttura del pezzo;le prestazioni richieste per il prodotto finale; il numero di pezzi da realizzare e quindi il costo specifico;costi aggiuntivi, quali quelli di finitura.

Dato che tali polveri non presentano, in sostanza, plasticità, queste, affinché la formatura si svolga correttamente, devono essere unite ad uno o più additivi

in modo da garantire un certo grado di manipolazione

della materia ottenuta. C’è anche da sottolineare che, spesso, si opta per un metodo di formatura più costoso e complesso pur di evitare l’uso di additivi che, inseriti nella matrice ceramica, potrebbero tramutarsi in una crescita incontrollata di difetti tali da costituire potenziali danni al prodotto finito.

In generale, i metodi di formatura

si suddividono in:

pressatura;

formatura plastica;

colatura;

deposizione su nastro.

2. PROCESSI DI REALIZZAZIONE DEI CERAMICI

PROCESSI DI FORMATURA

•

pressatura uniassiale

a freddo o a caldo;•

pressatura isostatica a freddo

(CIP-

Cool

Isostatic

Pressing) o a caldo

(HIP-

Hot Isostatic

Pressing);•

pressatura a secco od a umido.inserzione per estrusione (Pasting Process);inserzione per iniezione (Injection Moulding Process).

Casting Process

deposizione su nastro continuo (Tape Casting);deposizione a spruzzo

ESEMPIO PRATICO: applicazione del metodo a pressatura isostatica a freddo

–

Corpo isolante di una candela per motori automobilistici

Stampo per la pressatura

Stadi di fabbricazione del corpo isolante (fig. a-d);

Spaccato di una candela assemblata (fig. e).

Posizione del corpo isolante

PROCESSO DI ESSICCAMENTO E SINTERIZZAZIONE


Indipendentemente dal preciso tipo di formatura intrapreso per la realizzazione di uno o più pezzi, bisogna sottolineare che a monte del processo di sinterizzazione vi è sempre il passaggio relativo all’essiccamento

ed eliminazione dei leganti.Lo scopo principale dell’essiccamento

dei ceramici è quello di rimuovere il legante

(spesso, si tratta di acqua) dall’impasto ceramico

prima della cottura a più alta temperatura. In genere, l’essiccamento viene eseguito sotto i 100 °C e può durare anche fino a 24 ore per un pezzo di materiale ceramico di grosse dimensioni.

Per “sinterizzazione” si intende il processo di densificazione

di un compatto di polveri, il quale comprende la rimozione della porosità tra le particelle di partenza, la coalescenza e la formazione di legami forti fra particelle adiacenti.Questo processo rappresenta il nucleo centrale della produzione di ceramici avanzati e tradizionali e viene adottato, per oggetti piccoli e complessi, anche in campo metallurgico.Ragionando in termini strettamente tecnici, la sinterizzazione

è un “processo mediante il quale piccole particelle di un materiale vengono consolidate attraverso fenomeni di diffusione allo stato solido”. Pertanto, quando si parla di densificazione, si intende dire che la sinterizzazione porta alla trasformazione di un prodotto poroso compatto in uno più denso e omogeneo.

La sinterizzazione

ha il merito di ridurre tali spazi vuoti nella massa di polveri

ceramiche secondo modi e meccanismi che si possono raggruppare, principalmente, in tre tipi diversi:

Sinterizzazione viscosa (vetrificazione);

Sinterizzazione con fase liquida;

Sinterizzazione allo stato solido.

PROCESSO DI SINTERIZZAZIONE


Nella visione microscopica dell’impaccamento

delle poveri, valutate come sferette rigide del medesimo diametro, è noto che rimane un volume vuoto pari a quasi il 26% del volume totale. Appare, ovvio, dire che tale volume vuoto può essere ridotto se nella polvere si inseriscono particelle non sferiche e di dimensioni differenti ma capaci di riempire gli spazi interstiziali che si formano nel contatto fra

le sferette principali



La composizione chimica del sistema e la temperatura usata durante il processo producono una quantità di fase liquida, diversa dalle fasi reagenti, sufficiente ad eliminare la fase gassosa inizialmente presente tra le particelle. Basta che il 20% del volume iniziale sia trasformato in una fase liquida per riempire la quasi totalità delle porosità iniziali. In tal modo il rafforzamento delle polveri

può avvenire tramite la formazione e lo scorrimento viscoso del

liquido sotto forze di capillarità durante il trattamento termico e poi, alla fine, la

“vetrificazione” durante la fase di raffreddamento. La fase vetrosa, solidificando, forma una matrice vetrosa

che lega, più di prima, le particelle non fuse fra loro del solido ceramico che si sta sinterizzando.

Sinterizzazione Viscosa



Sinterizzazione Viscosa

Questo processo, molto adottato per la produzione di allumina e vari titanati, è sostanzialmente lo stesso che si impiega per la produzione di ceramici tradizionali come porcellana e grès; da qui deriva l’altra definizione di sinterizzazione, meno corretta ma comunque molto usata, di processo di “vetrificazione” o di “greificazione”.La gran parte dei modelli che cercano di descrivere la vetrificazione è stata proposta spesso sulla base di presupposti geometrici semplici, tra cui è da ricordare uno dei più usati, cioè quello del chimico russo Frenkel.

Con il modello di Frenkel

si prevede di immaginare due sfere a contatto, costituite da materiale viscoso e dotato di una tensione superficiale costante

durante tutto il fenomeno isotermo. Sulla base di ciò, la sinterizzazione, ovvero la variazione relativa di volume, è funzione della durata del trattamento termico e dipende dalla tensione superficiale, dalla viscosità e dalla dimensione originaria delle particelle

secondo la legge:

0 0

94

V tV r

ηγ

Δ= ⋅



Sinterizzazione con Fase Liquida

Anche qui si forma una fase liquida

ma in quantità minore e non sufficiente a rimuovere totalmente la fase gassosa presente; così, per avere una densificazione

completa, il sistema deve subire una variazione nelle dimensioni e nella forma dei grani. Il sistema è utilizzato per quei materiali (come nitruro

di silicio e ossido di magnesio) nei quali la sinterizzazione al solo stato solido o non è raggiungibile oppure è troppo impegnativa sul piano tecnologico (ad esempio, per le eccessive temperature da realizzare).

Affinché il meccanismo risulti efficace, è necessario che la fase liquida possa formarsi a temperature relativamente basse, e possa bagnare le particelle solide (in maggioranza)

formando una sorta di film liquido continuo

che viene percorso dal gas rimasto

intrappolato e poi dal deflusso di materia necessario a rimodellare i grani ed eliminare la porosità restante.

Gli svantaggi di tale tecnica

sono da addebitare alla permanenza (non voluta) dell’additivo della sinterizzazione nella microstruttura, cosa che accade spesso tra i grani del materiale. I residui di additivi, all’aumentare delle temperature di esercizio del pezzo finito,

potrebbero “creare” una fase fluida che favorirebbe lo scorrimento viscoso

e, quindi, pericolose instabilità dimensionali.



Sinterizzazione allo Stato Solido

Quando le particelle di una sostanza pura e cristallina vengono compattate e riscaldate in un’atmosfera in cui sono stabili, ad una temperatura al di sotto

del loro punto di fusione, queste si legano (ovvero, “sinterizzano”) in modo spontaneo senza la formazione di una fase liquida. La densificazione

avviene con la variazione della dimensione e della forma delle particelle. Il fenomeno si rende possibile grazie alla diffusione degli atomi attraverso il reticolo cristallino, la superficie, il bordo dei grani ed, in certi casi, tramite la fase gassosa.In sostanza, tale processo è fondamentalmente costituito da una progressiva tendenza delle particelle di polvere ceramica ad agglomerarsi per effetto

di diffusione allo stato solido

a temperature molto elevate ma inferiori al punto di fusione del composto che si vuole sinterizzare.

ESEMPIO: è dato dall’isolante in allumina di una candela

per motori endotermici; la polvere ceramica a base d’allumina viene sinterizzata a circa 1600 °C, ben al di sotto dei 2050 °C che rappresenta il punto di fusione tipico dell’allumina.

Schematicamente, le fasi principali di sinterizzazione sono le seguenti:

STADIO INIZIALE (relativo al 5% di ritiro del volume

originario)

STADIO INTERMEDIO (relativo al raggiungimento del 90%

della densità teorica)

STADIO FINALE (interessa solo il 10% del volume di

partenza)




Durante il processo, la diffusione atomica

avviene tra le superfici di contatto delle particelle che divengono chimicamente legate fra loro.Man mano che il processo avanza, si formano particelle più grandi a spese di quelle più piccole, come accade, ad esempio, nel caso della sinterizzazione

di prodotti in ossido di magnesio.

Formazione di un colletto superficiale




La porosità dei prodotti

diminuisce (ciò vale indipendentemente dal tipo specifico di processo di sinterizzazione) quando le particelle diventano più grandi, all’aumentare del tempo di sinterizzazione.

ESEMPIO: legge di porosità per prodotti in MgO

drogato con CaO

Legge di porosità riportata a temperature differenti (1330 °C e 1430 °C)

Nei solidi ceramici covalenti (SiC, Si3

N4

), prevale l’ingrossamento delle particelle come unica conseguenza della riduzione dell’area superficiale di contatto delle stesse

Nonostante le quantità d’energia in gioco nel processo siano piuttosto piccole, c’è da sottolineare che gli atomi devono percorrere distanze dell’ordine dei propri diametri (sempre dell’ordine dei micron) e che i potenziali chimici possono essere rilevanti per cui, se la temperatura è sufficientemente alta, la sinterizzazione allo stato solido

può procedere molto rapidamente.Se, oltre alla sinterizzazione, si assiste pure a fenomeni di variazione della composizione chimica, allora, in questi casi, si deve parlare di “sinterizzazione in fase reattiva”.

GENERALITA’

3. PROPRIETA’ DEI CERAMICI AVANZATI

I materiali ceramici avanzati

risultano avere innumerevoli campi di impiego grazie alle loro pregevoli proprietà strutturali, meccaniche e termiche, le quali derivano, essenzialmente, dalla natura dei loro legami atomici

e dal tipo di struttura cristallina.

Proprietà strutturali (le quali, in generale, dipendono dai costituenti le polveri, dal dosaggio dei leganti e dal processo produttivo adottato);

Proprietà termiche

Proprietà meccaniche

Proprietà elettromagnetiche

PROPRIETA’ STRUTTURALI


Densità volumetrica ρ (g/cm3)ESEMPIO: nell’ambito della tecnologia moderna dei materiali, è proprio la moderata densità delle varie forme di nitruro

di silicio

(2,7-3,3 g/cm3)

che rende tale materiale molto adatto allo sviluppo di componenti di motori avanzati che richiedono, sempre più, prestazioni di resistenza termica e meccanica invariate, se non migliorate rispetto ai materiali adottati tradizionalmente per quei componenti, ma, soprattutto, che concorrano alla diminuzione del peso complessivo del blocco motore di un veicolo. Oltre al nitruro

di silicio, in questo contesto è molto adottata anche l’allumina.

Blocchi aspirazione (Al2

O3

)

Prototipi di valvole, inserti di battuta e

spinotti (Si3

N4

)

Future applicazioni di neoceramici allo sviluppo di componenti di nuovi motori turbodiesel

Involucro della turbina

Parete del collettore di scarico

Camera di combustione

Parete del cilindro

PROPRIETA’ TERMICHE


Le peculiarità termiche dei ceramici

sono rilevanti per le applicazioni a temperature elevate in cui sono necessari bruschi salti termici oppure quando sia richiesta una prestazione da isolante termico o da refrattario.

Coefficiente di dilatazione termica lineare (α)

Conducibilità termica (λ)

Il coefficiente di dilatazione termica lineare

(α) del materiale è strettamente legato alla natura del legame chimico e della struttura cristallina. L’aumento di volume in seguito all’incremento della temperatura è manifestazione dell’aumento dell’agitazione termica degli atomi rispetto alla loro posizione di riposo a bassa temperatura. Le distanze di equilibrio tra le particelle sono maggiori al crescere delle vibrazioni termiche.



Coefficiente di dilatazione termica lineare α (10-6 °C-1)

Per quanto attiene alla struttura cristallina, si osserva che i composti che cristallizzano secondo strutture compatte si dilatano maggiormente rispetto a quelle con strutture più aperte poiché queste ultime,

oltre ad offrire più spazio all’interno, possono anche modificare gli angoli delle direzioni di collegamento tra gli ioni o gli atomi.Esempio lampante è rappresentato dai vetri, i quali, caratterizzati da strutture aperte con angoli variabili, presentano coefficienti di dilatazione termica tra i più bassi, in alcuni casi prossimi allo zero.

Qualitativamente, è possibile osservare come i neoceramici, aventi un valore basso del coefficiente di dilatazione lineare, abbiano allo stesso tempo punti di fusione molto elevati. Tuttavia, va sottolineato che l’anisotropia delle strutture cristalline dei composti, comporta variazioni piuttosto sensibili nelle differenti direzioni della struttura, per cui il coefficiente di dilatazione lineare risulta essere, in genere, una media dei coefficienti misurati nelle diverse direzioni cristalline.

Confronto con i metalli: per i ceramici avanzati

(a maggior ragione, per quelli tradizionali) si osservano dei coefficienti di dilatazione termica mediamente inferiori, il che costituisce una profonda difficoltà nella progettazione ingegneristica, specie quando vi sia è necessità di impiegare simultaneamente entrambi i materiali.



Conducibilità termica λ (W/mK)

La

conducibilità termica

di un materiale è la proprietà di trasferimento di energia termica nel tempo attraverso una data superficie di area A.

I ceramici si comportano in modo molto diverso dai metalli poiché non hanno elettroni liberi; ciò comporta una riduzione della conducibilità.

La conducibilità è prevalentemente determinata dallo spostamento dei fononi, ossia dalla dimensione del loro cammino libero medio. In generale, i composti ceramici caratterizzati da atomi leggeri

(Mg, Al), strutture semplici, compatte e ad alta purezza, presentano conducibilità termiche elevate, anche se, fatta eccezione per alcune forme di SiC, sempre inferiori a quelle dei metalli, storicamente privilegiati in tal senso (alluminio, rame, tungsteno). A titolo d’esempio, la mullite

presenta uno dei valori di conducibilità più bassi (appena più alta di quella del vetro di silice) a causa della maggiore complessità della

composizione chimica e della struttura.

PROPRIETA’ MECCANICHE


Le proprietà meccaniche

sono una manifestazione della forza del legame chimico, ma sono fortemente influenzate, in maniera negativa, dai difetti presenti nel pezzo ceramico e dal processo tecnologico di realizzazione.

Resistenza a frattura

Tenacità

Durezza superficiale

Resistenza a flessione

Resistenza a compressione

Modulo di Young e la fragilità



Resistenza a frattura

E’ il parametro rappresentativo più importante

ed è considerato come l’espressione sperimentale dello sforzo teorico

richiesto per separare i piani che contengono gli atomi e formare due nuove superfici. Nella maggior parte dei ceramici sinterizzati policristallini, il valore della resistenza a frattura è pari a due/tre ordini di grandezza inferiore a quella

calcolabile con il modello teorico della separazione dei piani cristallini e della forza dei legami che li collegano. Ciò è dovuto alla presenza delle superfici eterogenee

di contatto tra i grani e ai difetti della struttura dei piani cristallini che si possono trovare sia sulla

superficie che nella massa del materiale.



Tenacità a frattura

E’ definita come la capacità di un materiale di assorbire energia, spendendola nella sua deformazione

(area sottesa dalla curva sforzo-deformazione) fino al raggiungimento della rottura. La scarsa tenacità di un materiale può portare ad una rottura di

tipo fragile che si svolge in due fasi: innesco della cricca

(rottura locale) e propagazione della cricca

(se il materiale è privo di tenacità, la rottura procede rapidamente e con un minimo dispendio di energia).

Andamento della resistenza meccanica per differenti ceramici

Andamento della tenacità nel confronto ceramici tradizionali-avanzati

Nel primo caso

la tenacità è costante

perché è una caratteristica che non si modifica durante il progredire della frattura; diversamente accade nel secondo caso, quando il materiale presenta transizioni di fase lungo il cammino della frattura o nel caso in cui la cricca, nel suo percorso di propagazione, possa incontrare materiali diversi (rinforzi), che sono distribuiti nella fase maggioritaria detta matrice.



Tenacità a frattura

I rinforzi ceramici compositi, si ottengono inserendo nelle matrici ceramiche rinforzi quali fibre o particelle.

Lo scopo di questa tecnica è quello di modificare la direzione e l’energia della cricca

mediante una loro diretta interazione con il suo apice. In altre parole la cricca deve essere rallentata, deviata nella direzione e se possibile ramificata in cricche più piccole.

Interazione cricca-fibre (particelle): dopo alcune

rotture, le fibre sostengono la lesione a

“ponte” (a); alcune particelle ne smorzano

l’energia per la deformazione plastica (b)

La fase dispersa di rinforzo

modifica il percorso della cricca, rendendolo più tortuoso e lungo. In più, se le particelle disperse determinano con la loro

presenza dei campi di “stress” residuo, la cricca ne sarà influenzata, sarà cioè attratta verso le zone in trazione e allontanata da quelle in compressione.

Andamento della cricca in un ceramico rinforzato con particelle: (a) deviazione e prolungamento; (b) impatto sulle particelle e blocco del percorso

Nella figura (b) le particelle disperse, se sono colpite dall’apice della cricca, possono essere a loro volta spezzate e nella frattura opporre la propria tenacità (duttilità) contribuendo alla riduzione dell’energia residua (quella dovuta alla sollecitazione esterna).

Interazione tra le particelle di rinforzo (duttili-tenaci) e la cricca in progressione nella matrice ceramica



Il meccanismo di schermatura dell’apice della cricca

consiste nel modificare in situ le caratteristiche del materiale mediante una transizione di fase

indotta dalla cricca stessa. La transizione può interessare direttamente la matrice e in tal caso si parla di “meccanismo auto-tenace”.I materiali che possono realizzare queste condizioni sono le soluzioni solide a base di zirconia

(ZrO2

). Queste presentano una transizione di fase (tetragonale-monoclina) che può essere indotta dallo sforzo applicato alla particella stessa; la transizione citata comporta un sensibile aumento del volume molare (dal 3% al 5%) che è funzione della composizione.

L’aumento del volume, se si realizza di fronte alla cricca, determina una diminuzione della tensione al suo apice e, pertanto, riduce il progresso della lesione, fino ad arrestarlo.

Stato tensionale

di fronte e intorno all’apice della cricca: nella direzione frontale, il carico è tensionale; in esso si realizza la transizione (tetragonale-monoclina) che aumentando di volume determina una compressione sulla superficie

della zona definita “di processo” della cricca stessa

La compressione, essendo di segno contrario, diminuisce l’entità della tensione

(trazione) e, se la riduce al di sotto del carico di rottura, la cricca può

arrestare il suo cammino. In generale, la cricca avanza ma in modo progressivo, controllato e

non catastrofico

Transizione di fase: le particelle di ZrO2

, sfruttando l’energia di deformazione, passano da una struttura tetragonale ad una monoclina.

Così si riduce l’entità dello stato tensionale



Tenacità a frattura Materiale Tenacità Klc [MPa m1/2]

Malta 0,14-1,4

Calcestruzzo 0,25-1,6

Allumina 3,5-5,8

Ossido di magnesio 1,3-2

Carburo di silicio 3,7

Zirconia 1,6-2,5

Nitruro di silicio 4,6-5,7

Vetro Na-Ca 0,8-0,9

Porcellana Tecnica 1,1-1,4

Widia (WC-3% Co) 11,6

Widia (WC-15% Co) 18,1-19,9

PMMA-Plexiglass 0,9-1,9

Policarbonato 3,02-3,6

Durezza superficiale



Se si fa riferimento alla durezza di tipo Knoop

(HK), effettuata tramite il classico penetratore a forma di piramide di diamante a base rombica, sulla superficie

dei neoceramici si registrano valori dell’impronta lasciata dal penetratore (cioè, la misura della diagonale maggiore del rombo d’impronta) che risultano molto bassi rispetto a quanto accade ai ceramici tradizionali.

Resistenza a flessione



Questa viene realizzata con un provino (di solito, si tratta di una lastra sottile appoggiata in due punti e di dimensioni standardizzate) sottoposto, in mezzeria, a carichi di flessione progressivamente crescenti.



Resistenza a compressione

Essa viene determinata sottoponendo il provino (si tratta di un blocchetto cubico) ad una progressiva opera di schiacciamento fino alla rottura. In genere, la resistenza di compressione si presenta, nei ceramici avanzati così come in quelli tradizionali, molto più elevata rispetto a quella di trazione.

Confronto fra le resistenze a compressione ed a trazione di alcuni neoceramici



Modulo di Young e la fragilità

Per i neoceramici (ma ciò vale, in gran parte, anche per quelli tradizionali) l’andamento della curva sforzo-deformazione

è rappresentato da una retta che può avere una pendenza più o meno marcata a seconda del grado di massima elasticità

sotto carico che può subire un materiale del genere.

ESEMPIO: provini di

allumina e silice vetrosa nel confronto dei rispettivi campi di deformazione

Nel caso dell’allumina

(e lo stesso si potrà dire, comunque, per altri neoceramici come carburo di silicio o nitruro

di silicio), appare evidente sottolineare che, rispetto alla silice vetrosa, essendo molto più alta la tensione massima sopportabile

(in media, circa 4,5 volte), è sicuramente aumentata la tenacità globale anche se, data la natura intrinsecamente fragile dei ceramici, anche quelli avanzati giungono, dopo aver percorso

un campo lineare di deformazioni elastiche, pressoché a rottura immediata.

Materiale Modulo di Young (GPa)Zirconia 200

Nitruro di silicio 300Carburo di silicio 430

Allumina 390Silice vetrosa 73

Mullite 145Ossido di magnesio 225


PROPRIETA’ ELETTROMAGNETICHE

I campi elettromagnetici

interagiscono con le cariche presenti in qualsiasi materiale con conseguenze che possono variare sensibilmente a seconda della libertà che le cariche hanno di muoversi (mobilità) e di seguire il campo magnetico nelle sue

variazioni. I ceramici sono utilizzati come isolanti e hanno trovato una vasta

applicazione nell’elettrotecnica. Con lo sviluppo e l’impiego di alte frequenze è stato necessario ricorrere ai ceramici privi dei cationi, facilmente polarizzabili, come i metalli alcalini presenti nelle porcellane, che ne limitano il campo di applicazione. Se la struttura e il tipo di legame consentono alle cariche di muoversi, allora, vi può essere una corrente lungo il gradiente del potenziale elettrico anche nei ceramici.In assenza di mobilità si possono verificare delle polarizzazioni, cioè delle separazioni di carica anche molto consistenti. Tali possibilità sono ampiamente

sfruttate nell’ambito dell’elettronica e dell’elettrotecnica moderne.

ESEMPIO 1: titanato

di bario (BaTiO3

) adottato per la costruzione di condensatori ceramici

ESEMPIO 2-3: titanato

di bario (BaTiO3

)

adottato per la costruzione di un accelerometro piezoelettrico e di elementi ceramici per

pulitrice ad ultrasuoni

4. PANORAMICA SULLE APPLICAZIONI

APPLICAZIONI PER PROBLEMI DI NATURA MECCANICA E TERMICA

Guarnizioni a tenuta di fluidi o gas

Campi di applicazione

• Motori

• Organi di macchine

• Impianti

Obiettivi/finalità• separazione di fluidi a pressioni differenti

• regolazione flussi

Esigenze d’usoalta resistenza alla corrosione

elevata durezza

rugosità sub-micronica

ESEMPI Materiali: High Al2

O3

, SiC



Materiali resistenti agli sbalzi di temperatura

Campo di applicazione

Obiettivi/finalità recupero dell’energia dissipata con i fluidi e i gas di scarico ad elevata aggressività

Esigenze d’uso

Scambiatori di calore in campo industriale (Centrali Turbogas)

alta conducibilità termica

buona resistenza alla corrosione alle alte temperature

resistenza agli shock termici

ESEMPI Materiali: SiC, Si3

N4



Protezioni balistiche


Obiettivi/finalità Migliore blindatura

Esigenze d’uso

Protezioni per usi civili e militari (corazze)

Elevatissima durezza

Resistenza agli urti (alto tasso d’assorbimento energia d’urto)

Limitazione delle schegge d’impatto

ESEMPI Materiali: B4

C, Al2

O3

, WC



Protezioni termiche e Refrattari


Obiettivi/finalità

Alti livelli di protezione dagli shock termici

Isolamento termico

Limitazione degli effetti del creep

Esigenze d’uso

Scudi termici (Space Shuttle)

Forni, crogioli, camere di combustione

Vane Covering (rivestimento palette turbine a gas)

coefficiente dilatazione termica molto basso

bassa conducibilità termica

resistenza all’abrasione

ESEMPI Materiali: SiC, Si3

N4

, Al2

O3



Materiali anti-abrasivi e per la comminuzione


Obiettivi/finalitàgranulometria uniforme delle polveri

macinate

limitazione degli effetti abrasivi nei tamburi demolitori e negli elementi portanti dei cuscinetti

Esigenze d’uso

Molitori, macine

Strutture per contenimento e trasporto fluidi e sospensioni di polveri ceramiche (barbottine)

Cuscinetti volventi

ESEMPI Materiali: Al2

O3

, Si3

N4

elevati pesi specifici e durezza

alta resistenza all’abrasione



Materiali abrasivi e per utensili da taglio


Obiettivi/finalità

notevole aumento delle velocità di taglio

incremento della profondità di taglio

porosità dei taglienti per una migliore evacuazione del calore (migliore lubrificazione)

Esigenze d’uso

Torni, frese, mole

Taglienti utensili

ESEMPI Materiali: Al2

O3

, SiC, Si3

N4

, BN, TiC, WC, ZrO2

elevata durezza

resistenza a bruschi shock termici

conducibilità termica elevata

innalzamento della vita utile dei taglienti


APPLICAZIONI PER PROBLEMI DI NATURA ELETTRICA ED ELETTRONICA

Resistori

Termistori

Forni elettrici MgO, SiC, ZrO2

Sensori di temperatura

Limitatori di correnteFe3

O4 (magnetite) MnO

+ Li2

O

Varistori Raddrizzatori di corrente SiC, Cu2

O

Substrato per circuiti elettrici

Placche di montaggio circuitali

Al2

O3


APPLICAZIONI PER PROBLEMI DI NATURA ELETTRICA ED ELETTRONICA

MagneticiBa

(Sr, Pb)(Fe2

O3

), Ni(Zn)O(Fe2

O3

)

Trasformatori, induttori

Memorie magnetiche

Magneti reversibili e permanenti

PiezoelettriciAccelerometri

Pulitrici ad ultrasuoniSiO2

, BaTiO3

, PbZrO3

,

Capacitori- Condensatori

Al2

O3

, BaTiO3

, CaZrO3

, CaTiO3

, Nb2

O5

Componenti elettronici

Schede circuitali

5. ESEMPI APPLICATIVI DI CERAMICI AVANZATI

ALLUMINA

(Al2

O3

)

L’allumina

o, come si direbbe nella vecchia nomenclatura, il triossido di dialluminio rappresenta uno dei ceramici avanzati molto apprezzato sin dai primi dell’Ottocento e

costituisce da sempre una materia prima fondamentale nell’industria ceramica.L’allumina, rispetto agli altri ceramici, offre una buona combinazione di proprietà meccaniche ed elettriche che s’adattano ad una vasta gamma di applicazioni. Può essere prodotta con differenti gradi di purezza e con l’aggiunta di vari additivi destinati a svilupparne o rafforzarne specifiche proprietà. Viene realizzata usando un’ampia varietà di metodi di lavorazione ed, oltre a tutto ciò, può legarsi ai metalli senza adoperare tecniche di metallizzazione e brasatura.

L’allumina utilizzata nella stragrande maggioranza delle applicazioni più comuni

è classificata come allumina pura

e contiene il 99.5-99.6% di Al2

O3

, lo 0.06-0.12% di SiO2

(e, nelle medesime percentuali, a seconda del tipo di applicazione, anche, di MgO), lo 0.03-

0.06% di Fe2

O3

ed, in genere, anche uno 0.04-0.20% di Na2

O.

1. Generalità


ALLUMINA

(Al2

O3

)

Nella struttura cristallina dell’allumina

gli ioni ossigeno O2-

si trovano nelle posizioni reticolari che competono ad una cella elementare avente forma di un parallelepipedo compatto a base esagonale.Gli ioni alluminio Al3+, al fine di mantenere la neutralità elettrica, possono occupare solo 2/3 delle posizioni interstiziali ottaedriche

del reticolo a configurazione EC

(esagonale compatto). Da ciò deriva una certo effetto di distorsione

della struttura reticolare.

2. Cenni alla struttura cristallina del corindone o allumina


ALLUMINA

(Al2

O3

)

Caratteristiche “positive” dell’allumina

Buona stabilità termica Durezza eccellente

Resistenza ad usuraResistenza alla corrosione in ambienti acidi o alcalini

Isolante elettrico Biocompatibilità

Caratteristiche “negative” dell’allumina

Modesta Resistenza meccanica

Bassa Resistenza agli shock termici

3. Caratteristiche fondamentali


ALLUMINA

(Al2

O3

)

Si può pensare di suddividere in tre grossi campi applicativi

la grande varietà d’uso dell’allumina, ovvero:

1.

campo di applicazioni elettriche ed elettroniche;

2.

campo di applicazioni meccaniche;

3.

campo di applicazioni mediche.

Applicazioni elettriche ed elettroniche

Dispositivi per linee ad alta tensione (bassa perdita

dielettrica ed alta resistività)

Discharge

Lamps (Involucri delle

lampade a scarica a vapori di sodio)

4. Casi applicativi

Allumina monocristallina

–

Alta capacità di trasmettere luce mostrando completa

trasparenza fino a temperature di 1250-1500 °C


ALLUMINA

(Al2

O3

)

4. Casi applicativi

Applicazioni meccaniche

Guarnizioni in alta allumina per limitare perdite, fughe

di liquidi o gas (alta resistenza alla corrosione

ed all’usura)

Cuscinetti a sfere con rivestimento in allumina su sfere ed anello interno (alta

resistenza all’usura ed all’abrasione)

Albero e cuscinetti assiali per pompe centrifughe di trattamento acque, fluidi industriali o lubrificanti (allumina pura al 99,7%)


ALLUMINA

(Al2

O3

)

4. Casi applicativi

Applicazioni meccaniche

“Cutting tools” (utensili da taglio). Rispetto ai carburi

cementati, raggiunte alte velocità di taglio (1500-1800 m/min)

Allumina drogata con piccole percentuali di

MgO, TiC, ZrO2

(maggior controllo sulla crescita dei

grani, grado di porosità contenuto, conducibilità termica più alta, minore fragilità, scarsi rischi di

micro-saldature

chimiche con il truciolo asportato)

Utensili in allumina tollerano meglio di altri (acciai, carburi) gli stress da compressione alle alte

temperature


ALLUMINA

(Al2

O3

)

4. Casi applicativi

Applicazioni bio-meccaniche

Allumina policristallina

ad alta densità e grado di purezza (buona bio-

compatibilità

e buona resistenza meccanica)

Allumina come materiale da innesto per impianti dentali e

chirurgia maxillo-facciale

(adatta solo per applicazioni da stress

compressivo)


ALLUMINA

(Al2

O3

)

4. Casi applicativiApplicazioni bio-meccaniche

Allumina policristallina

ad

alta densità e microstruttura a grani fini (eccellente bio-

compatibilità, alta resistenza ad usura, elevata vita a fatica, basso coefficiente di frizione)

Materiale da innesto per “artificial

joints”-

protesi artificiali parziali o totali (ginocchio, anca)

ESEMPIO: Protesi totale dell’anca (stelo femorale, testa femore, guscio emisferico)

Giunzioni allumina-allumina

hanno qualità migliori rispetto alle tradizionali coppie metallo-

polietilene o alla recente metallo-

UHMWPE

(Ultra High Molecular

Weight

Polyethylene)

coefficiente di frizione decrescente nel tempo e molto basso in ambiente acquoso

consumo delle superfici a contatto e rugosità decrescenti nel tempo

inerzia chimica e basse produzioni di particelle d’usura in prossimità del tessuto osseo (ridotti fenomeni osteolitici)

durata media di una protesi d’anca attorno ai 10 anni (contro i 7-8 anni delle giunzioni in metallo-polietilene)

buona resistenza alla corrosione da acidi organici

modesti valori di porosità (grani delle dimensioni, anche di 7-10 μm, con conseguenti altissimi valori di resistenza a compressione)Allumina BIOLOX (Al2

O3

>99,7%) Basso angolo di bagnabilità

(indice di usura presente) = Ottima lubrificazione della giunzione

La questione della lubrificazione della giunzione (Caso del

liquido sinoviale nella protesi del ginocchio)


NITRURO DI SILICIO

(Si3

N4

)

Il nitruro

di silicio

è

considerato il materiale ceramico più

promettente per applicazioni strutturali ad alta temperatura.

L’elemento fondamentale della microstruttura

del nitruro

di silicio

è

l’atomo di silicio, il quale è

circondato da quattro atomi di azoto

ed il legame è

prevalentemente covalente. Questo tipo di legame è

molto forte ed estremamente direzionale e determina pregevoli caratteristiche.

1. Generalità


NITRURO DI SILICIO

(Ni3

Si4

)

Caratteristiche “positive”

del Nitruro

di Silicio

Buona resistenza al creep Buona resistenza all’ossidazione

Bassa densità Ottima resistenza agli shock termici (α

basso)

Caratteristiche “negative”

del Nitruro

di Silicio

Scarsa tenacità

Caratteristiche Meccaniche e Termiche


NITRURO DI SILICIO

(Ni3

Si4

)

Per ottenere elevate proprietà

meccaniche

si ricorre a fibre di rinforzo. Un esempio è

rappresentato dal Si3

N4

rinforzato con whiskers

di SiC.E’

necessario che matrice e whiskers

abbiano caratteristiche simili, come coefficiente di espansione termica e modulo elastico.Analisi condotte con microscopio elettronico a trasmissione ad alta risoluzione (HRTEM) hanno evidenziato la presenza di fase vetrosa all’interfaccia whiskers/matrice.Questo è

indice di debole interazione tra whiskers

e matrice circostante che porta all’attivazione di meccanismi di tenacizzazione

con incremento del valore della tenacità

a rottura.


NITRURO DI SILICIO

(Ni3

Si4

)

APPLICAZIONI

Cuscinetti Anelli di tenuta

Bronzine Utensili da taglio

Inserti per asportazione di truciolo

Guaine per termocoppie

Parti meccaniche: pistoni, valvole, sedi valvole

Palettatura Turbine industriali e propulsori

aeronautici


NITRURO DI SILICIO

(Ni3

Si4

)

Da un punto di vista termodinamico, il riferimento ideale degli impianti turbomotori a gas è

costituito dal ciclo di Brayton-Joule. In esso la temperatura più

alta è

quella in ingresso in turbina (TIT:Turbine Inlet Temperature)

ed è

limitata dalla resistenza dei materiali alla temperatura. Questo pone un limite anche al rapporto di compressione che può essere utilizzato nel ciclo e di conseguenza al rendimento η=1-

1/β(k-1)/k. E’, quindi, importante

aumentare il più

possibile la TIT.Le pale delle turbine sono in genere costituite da superleghe a base di nichel

(molto costose). Per avere alte TIT si sono escogitati complicati sistemi di raffreddamento delle pale.

SISTEMA DI RAFFREDDAMENTO

PALETTE

Altro metodo consiste nel ricoprire le pale in superlega con uno strato di materiale ceramico a bassa conducibilità

termica; TBC (Termal

Barrier

Coating)

principalmente costituiti da zirconia

stabilizzata con ittria

(0.1-0.2% di YZ per ridurre la granulometria

dello zirconio).

PALE IN SUPERLEGA CON

RIVESTIMENTO TBC


NITRURO DI SILICIO

(Ni3

Si4

)

Il nitruro di silicio è

il principale candidato a sostituire le superleghe al nichel. Esso ha infatti una minore tendenza ad ossidarsi sopra i 1000°C, una migliore resistenza al creep, in parte dovuto al fatto che le leghe di Ni hanno punto di fusione a 1450°C mentre il Si3

N4

si dissocia (non fonde) in Si e N2

a 1900°C. Il suo coefficiente di espansione termica

è di

3,6·10-6

K-1

contro i 10·10-6

delle leghe. Alle precedenti qualità

il nitruro di silicio associa una densità

di 3,2 g/cm3

mentre per le leghe al Ni la densità

è

di 8,5 g/cm3.

Confronto tra le caratteristiche delle

leghe e dei ceramici avanzati


NITRURO DI SILICIO

(Ni3

Si4

)

Riassumendo la paletta deve resistere ad una serie di sollecitazioni:

Temperature dei gas superiori a 1200°C per migliaia di oreElevati carichi termiciElevati stress meccaniciImpatti puntualiCarichi vibrazionaliReazioni chimicheCorrosioneCreep e cicli a fatica

Il nitruro di silicio sembra vincere anche il confronto con altri ceramici avanzati, specie il SiC che possiede alte qualità. A temperature superiori ai 1000°C

il Si3

N4

presenta la resistenza maggiore. Come sappiamo un carico termico ΔT induce un livello di tensione dato da: σ

= EαΔT. Questa relazione evidenzia come il Si3

N4

resista meglio agli shock termici presentando minore rigidità

del SiC e, quindi, minori tensioni indotte a parità

di ΔT.Quanto detto trova conferma in un’analisi FEM

condotta su un “vane”

di una turbina.


NITRURO DI SILICIO

(Ni3

Si4

)

Analisi FEM

Modello GeometricoSi sono prese in considerazione le condizioni di lavoro più

gravose

che si hanno nel passaggio dalla fase idle

(motore acceso ma fermo in pista) alla fase di take-

off

(decollo). In pochi

secondi le temperature dei gas e del vane vedono un netto aumento

Condizioni di lavoro


NITRURO DI SILICIO

(Ni3

Si4

)

L’analisi termica

mostra che il nitruro di silicio, a causa di una più

alta diffusività

e minore conducibilità

termica, presenta temperature più

alte del SiC.

ANALISI TERMICA (Si3

N4

-SiC)

ANALISI TENSIONALE (Si3

N4

-SiC)


NITRURO DI SILICIO

(Ni3

Si4

)

Le parti della pala più

sollecitate sono la punta e la parte interna. La punta risente di più

dello scambio convettivo con i gas caldi

in quanto è

una zona sottile che avendo un alto rapporto superficie/volume presenta bassa inerzia termica ed è

quindi la parte che si riscalda più

velocemente. La parte interna è

caratterizzata da un basso rapporto superficie/volume e, quindi,

le temperature variano più

lentamente rispetto al resto della pala.


NITRURO DI SILICIO

(Ni3

Si4

)

In definitiva, durante l’esercizio il vane va incontro ad un campo termico complesso con forti gradienti di temperatura. Di conseguenza, tendendo ad espandersi

diversamente in ogni punto, il vane sperimenta anche delle inflessioni e curvature.Oltre alle sollecitazioni meccaniche e termiche bisogna considerare gli effetti causati dall’ambiente che regna in turbina.

Corrosioni localizzate dovute alla presenza di specie reattive. Ciò può aversi quando particelle metalliche provenienti dalle parti metalliche del motore si depositano sulla superficie della pala. L’ossidazione di tali impurità distrugge lo strato protettivo di silica portando alla formazione di crepe.

Il vapore acqueo, reagendo con lo strato di silica, porta alla formazione della specie gassosa Si(OH)4 che può causare eccessivi cambiamenti nelle dimensioni del componente.

Effetti dell’ossidazione.

Accelerati fenomeni da creep

Gli effetti devastanti di un creep

incontrollato


NITRURO DI SILICIO

(Ni3

Si4

)

Allo scopo di evidenziare come questi effetti siano importanti, si riportano i risultati di un primo esperimento svolto in Rolls-Royce

su una pala in nitruro di silicio

montata su di una turbina da 3,1 MW. Le pale in nitruro di silicio sono state ottenute per reaction

bonding

con aggiunta di 10 % di additivi. Condizioni di test:

Temperatura in ingresso 1066°C e pressione 8,9 atm;Velocità gas di 162 m/s in ingresso e di 573 m/s all’uscita;815 h di test.

Alla fine del test si è

rilevata una significante recessione del materiale che fa protendere verso l’utilizzo di coating. La freccia (color grigio nella foto) indica la direzione del flusso dei gas.

Fenomeno della recessione del materiale dalla

punta del profilo palare (dopo le 815 h di test)

Tale fenomeno di recessione

viene superato tramite tecniche di coating

superficiale.


PIASTRELLE CERAMICHE PER APPLICAZIONI AEROSPAZIALI

Gli scudi termici

Per il rientro degli Space Shuttle

è sempre stato previsto un TPS (Thermal

Protection

System). Da quando si è pensato di riutilizzare, dopo opportune verifiche e collaudi, le stesse capsule per altre missioni, si è adottata la modalità di rientro di tipo portante (RLV –

Reusable Launch Vehicles) e si è messa da parte (oltre che per ragioni tecniche, anche per ragioni economiche)

quella di tipo balistico (si usavano schermi termici ablativi –

fusione controllata dei layers più esterni)Obiettivi richiesti nell’uso di ceramici avanzati (fibre di

silice ed alta allumina)

Problema degli scudi termiciLa fase di rientro nell’atmosfera di una navicella spaziale

a conclusione di un volo orbitale o interplanetario risulta particolarmente gravosa sia per l’equipaggio che è soggetto a decelerazioni più o meno brusche

a seconda della traiettoria di rientro seguita, sia per i veicoli sottoposti ad un rilevante flusso termico

a causa della resistenza provocata dall’attraversamento degli strati atmosferici. In questa fase, l’orbitante ha una velocità che supera Mach 5, rallentata, a partire da velocità di 20000 mph, dall’attrito con l’atmosfera

che produce una temperatura esterna di oltre 3000°F (1650°C)

Notevoli flussi termici

che, se non opportunamente contenuti nei loro effetti sulla struttura dello shuttle, possono causare danni molto gravi alla sicurezza del velivolo e dell’equipaggio

Resistenza alla corrosione

Alto isolamento termico (bassa conducibilità termica)

Buone capacità di reirradiare verso l’esterno frazioni di calore assorbito

Buona resistenza a vibrazioni di natura meccanica ed acustica e peso ridotto

Minime dilatazioni per effetti termici



Il caso dello Shuttle Columbia (1/02/2003)

Responsabile dell’incidente fu proprio un gruppo di piastrelle ceramiche,

il quale venne danneggiato nella fase di decollo per il distacco improvviso di materiale da un serbatoio esterno (si tratta pur sempre di materiali dotati di elevata fragilità). Così, privo della dovute caratteristiche protettive, innescò l’inevitabile surriscaldamento de

l nucleo della navicella quando essa ritornò all’impatto con l’atmosfera.

La tragedia del Columbia nei cieli del Texas

La carlinga infuocata del Columbia prima della fatale esplosione



Gli scudi termici

L’impiego dei materiali ceramici

ha costretto al raggiungimento di un compromesso fra la buona resistenza alle elevate temperature e le modeste proprietà

resistenziali

che sono spesso causa di danneggiamenti del TPS. In considerazione di ciò, si giustifica la necessità, avvenuto il rientro a terra, di lunghe fasi di ispezione e sostituzione dei componenti

del sistema di protezione che occupa gran parte del tempo dedicato alla manutenzione complessiva del velivolo.

Esistono due tipologie di elementi

da cui è costituito il TPS, e sono:

i blankets (“mantello”)i tiles (“piastrelle”).

I blankets

non hanno bisogno di isolanti per lo strain

poiché hanno coefficienti di espansione termica

molto simili a quelli dei materiali utilizzati per la struttura.Sono legati direttamente alla struttura con tempi e costi d’installazione minori rispetto a quelli richiesti per i tiles.

Campi di temperatura che avvolgono le navicelle

spaziali al loro rientro in atmosfera e relativi materiali di supporto (Fonte: ESR –

Ente Spaziale Russo)



Gli scudi termiciMateriali impiegati per la costruzione dei

pannelli protettivi del TPS

E’ utilizzato sulla parte dell’attacco dell’ala, sul naso e sull’area immediatamente vicina al nose

nella superficie più bassa (chine panel) e sulla parte intorno all’attacco anteriore del serbatoio esterno all’orbitante (external

tank). Gli RCC proteggono le aree dove la temperatura supera i 1260°C

RCC

High-temperature

Reusable

Surface

Insulation

tiles

(HRSI). Sono installati sottoforma di piastrelle (tiles) da rivestimento con una superficie di colore nero, ottenuta per coating, necessaria per avere una certa emittanza. Sono utilizzati sulle aree superiori della parte anteriore della fusoliera ed intorno alle finestre della fusoliera, su tutta la parte inferiore del veicolo, dove l’RCC non è utilizzato. Proteggono le aree dove le temperature variano

dai 700°C ai 1250°C.

HRSI

Fibrous

Refractory

Composite Insulation, compositi di fibre refrattarie isolanti. Sono state sviluppate, in seguito, nell'ambito del programma di protezioni termiche. I tiles

di FRCI sostituiscono alcune delle HRSI in aree selezionate dell’orbitante

FRCI

LRSI

Low-Temperature

Reusable

Surface

insulation

tiles. Sono utilizzate in selezionate aree della fusoliera anteriore, centrale e posteriore e nella zona verticale della coda, nella parte superiore dell'ala e OMS/RCS. Questi tiles

proteggono aree con temperature intorno ai 650°C, hanno un coating

superficiale di colore bianco che provvede a migliorare le caratteristiche termiche in orbita.

AFRSI

Advanced

Flexible

Reusable

Surface

Insulation. Questo materiale consiste in un composito con imbottitura isolante posto tra due strati di tessuto bianco che sono cuciti insieme a formare i cosiddetti blankets

imbottiti. Le

coperture di AFRSI sono state utilizzate per sostituire la maggior parte dei LRSI tiles; esse sono facilmente producibili e conferiscono allo shuttle una vita più lunga. Tali coperture hanno portato ad un’ulteriore diminuzione del peso rispetto all’utilizzo degli LRSI tiles, proteggendo aree con temperature intorno ai 650°C.

FRSIFelt

Reusable

Surface

Insulation. Sono blankets di colore bianco usati nella parte superiore dei portelloni, in porzioni dei lati della fusoliera centrale e posteriore, in porzioni della parte superiore della superficie delle ali e del OMS/RCS. Le FRSI blankets proteggono aree dove le temperature sono

sopra i 370°C.



Gli scudi termici

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI CATANIA FACOLTA’ DI … · Corso di Tecnologie di Chimica Applicata...

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