Schede tecniche dei materiali ceramici

Le ceramiche, definite dall’ampia definizione di “solidi inorganici”, sono una delle principali classi di materiali, insieme a metalli, polimeri e compositi. Esistono diversi tipi di ceramiche, con le ceramiche tecniche (note anche come ceramiche ingegnerizzate o ceramiche avanzate) che sono il gruppo con le proprietà meccaniche, elettriche e/o termiche più performanti. Le loro elevate prestazioni sono dovute in parte alle loro purità estremamente elevate che sono più comunemente composti metallici combinati con ossidi, carburi o nitruri. Le ceramiche hanno la capacità di aumentare la durata del prodotto, aumentare l’efficienza, ridurre i costi di manutenzione complessivi e migliorare le prestazioni.

Alta durezza

Una delle proprietà più comuni delle ceramiche ingegnerizzate è l’estrema durezza (e rigidità): alcune sono più di 4 volte più dure dell’acciaio inossidabile. Questa elevata durezza si traduce direttamente in un’eccellente resistenza all’usura, il che significa che molte ceramiche tecniche hanno la capacità di mantenere la loro finitura precisa e ad alta tolleranza molto più a lungo di qualsiasi altro materiale.

Resistenza alla compressione estrema

Le ceramiche tecniche hanno una resistenza molto elevata, tuttavia, solo quando vengono compresse. Ad esempio, molte ceramiche tecniche possono sopportare carichi estremamente elevati che vanno da 1000 a 4000 MPa. Il titanio d’altro canto, che è considerato un metallo molto resistente, ha solo 1000 MPa di resistenza alla compressione.

Bassa densità

Un’altra proprietà comune delle ceramiche tecniche è la loro bassa densità, che varia da 2 a 6 g/cc. Questa è significativamente più leggera dell’acciaio inossidabile (8 g/cc) e del titanio (4,5 g/cc) con solo l’alluminio molto più morbido che ha una densità simile. Grazie alla loro elevata durezza e al peso ridotto, le ceramiche tecniche vengono sempre più utilizzate in una varietà di settori in applicazioni in cui nessun altro materiale può eguagliare le loro prestazioni e la loro lunga durata.

Eccellente resistenza all’usura

Molte ceramiche tecniche sono in grado di resistere a temperature incredibilmente elevate pur mantenendo le loro proprietà meccaniche ed elettriche. Laddove tutti i metalli e i polimeri inizieranno a compromettere le loro proprietà, le ceramiche tecniche continueranno a funzionare con prestazioni e affidabilità costanti. Questa proprietà rende le ceramiche adatte all’uso in applicazioni a temperature molto elevate come forni, motori a reazione, sistemi frenanti e utensili da taglio.

Eccellenti proprietà elettriche

Le ceramiche tecniche tendono a essere eccellenti isolanti elettrici (elevata rigidità dielettrica). Sono particolarmente utili nelle applicazioni ad alta temperatura in cui le proprietà meccaniche e termiche di altri materiali tendono a degradarsi. Alcune ceramiche hanno una bassa perdita elettrica e un’elevata permittività dielettrica; sono solitamente utilizzate in applicazioni elettroniche come condensatori e risonatori. Inoltre, la capacità di combinare un isolante con un componente strutturale ha portato a molte innovazioni di prodotto.

Capacità di temperatura ultra elevata

Le ceramiche tecniche possono funzionare in situazioni in cui nessun metallo (o quasi nessun altro materiale) può mantenere le proprie proprietà. Alcune ceramiche possono funzionare a temperature superiori a 1750 °C, il che le colloca in una classe a sé stante come materiali ad altissima temperatura. Queste ceramiche hanno dimostrato di essere preziose in applicazioni ad alta temperatura come motori, turbine e cuscinetti, dove hanno aumentato la durata, le prestazioni e l’efficienza.

Termicamente conduttivo o isolante

Diversi tipi di materiali ceramici tecnici hanno proprietà termiche estremamente variabili. Ci sono alcune ceramiche (nitruro di alluminio) che sono altamente conduttive termicamente e sono comunemente utilizzate come dissipatori di calore o scambiatori in molte applicazioni elettriche. Altre ceramiche sono molto meno conduttive termicamente, il che le rende adatte a un’ampia gamma di applicazioni.

Chimicamente inerte e resistente alla corrosione

Le ceramiche tecniche sono molto stabili dal punto di vista chimico e hanno una bassa solubilità chimica, il che le rende altamente resistenti alla corrosione. I metalli e i polimeri non possono offrire la stessa inerzia o resistenza alla corrosione, rendendo le ceramiche un’opzione altamente attraente in molte applicazioni commerciali e industriali, in particolare quando è necessaria anche la resistenza all’usura.

Scarsa resistenza al taglio e alla trazione

Con tutte queste proprietà vantaggiose, potresti chiederti perché non vediamo più frequentemente la ceramica tecnica. Ciò è dovuto a una serie di ragioni, ma soprattutto perché altri tipi di resistenza sono la trazione e il taglio; è qui che la resistenza della ceramica tecnica può essere 15 volte inferiore a quella dei metalli.

Elevata fragilità

Un altro problema che può sorgere con la ceramica tecnica è che può essere molto fragile a causa della sua bassa duttilità. Ciò significa che la ceramica tecnica ha una resistenza all’impatto molto scarsa. Questa proprietà è causata dai legami atomici unici della ceramica tecnica. I metalli hanno legami “metallici” che sono relativamente poco resistenti, tuttavia, possono legarsi con gli atomi in qualsiasi direzione. Questa capacità di avere molti legami multidirezionali è ciò che rende i metalli duttili, resistenti e relativamente forti. La ceramica ovviamente non ha legami metallici, invece ha legami ionici e covalenti, che sono molto forti, tuttavia possono legarsi solo in direzioni molto specifiche. Questa struttura di legame altamente organizzata significa che è difficile per la struttura atomica spostarsi, rendendo la ceramica non malleabile.

Difficile da progettare

Ogni tipo di ceramica tecnica ha proprietà termiche, meccaniche ed elettriche specifiche che possono variare notevolmente a seconda delle condizioni operative e della progettazione del prodotto. Infatti, anche il processo di fabbricazione dello stesso tipo esatto di materiale ceramico tecnico può cambiarne drasticamente le proprietà.

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