numero Sfoglia:0 Autore:Editor del sito Pubblica Time: 2026-02-12 Origine:motorizzato
1. Le ceramiche avanzate sono gradualmente diventate una componente importante dei nuovi materiali.
La ceramica è materiali e vari prodotti ottenuti macinando, mescolando, modellando e cuocendo l'argilla come materia prima principale insieme ad altri minerali naturali. Sono collettivamente indicati come ceramica e porcellana. Il concetto tradizionale di ceramica si riferisce a tutti i prodotti industriali artificiali costituiti da minerali inorganici non metallici come l'argilla. Comprende vari prodotti formati mescolando, modellando e cuocendo argilla o miscele contenenti argilla. La principale materia prima della ceramica sono i minerali silicati derivati dalla natura, quindi appartiene all''industria dei silicati' insieme al vetro, al cemento, agli smalti e ai materiali refrattari.
In senso lato, con materiali ceramici si intendono tutti i materiali diversi dai materiali organici e metallici, vale a dire i materiali inorganici non metallici. I prodotti in ceramica sono disponibili in un'ampia varietà. La loro composizione chimica, composizione minerale, proprietà fisiche e metodi di produzione spesso si sovrappongono e si intrecciano tra loro, senza confini chiari, ma presentano differenze significative nell'applicazione. Pertanto, è difficile classificarli rigidamente in diversi sistemi. I metodi di classificazione variano e fino ad ora non esiste un metodo di classificazione unificato a livello internazionale. In base alle tecniche di preparazione e ai campi di applicazione della ceramica, questi possono essere classificati in materiali ceramici tradizionali e materiali ceramici avanzati.
Ceramica tradizionale: nel senso tradizionale, la ceramica si riferisce a vari prodotti realizzati con argilla e i suoi minerali naturali attraverso processi come macinazione, miscelazione, modellatura e cottura. Questi prodotti sono solitamente chiamati 'ceramiche ordinarie' o ceramiche tradizionali. Gli esempi includono la ceramica per la casa e la ceramica per l'edilizia e i sanitari.
Ceramiche avanzate: in base alla loro composizione chimica, possono essere classificate come ceramiche a base di ossido, ceramiche a nitruro, ceramiche a carburo, ceramiche a boruro, ceramiche a siliciuro, ceramiche a base di fluoruro, ceramiche a solfuro, ecc. In base alle loro prestazioni e applicazione, possono essere suddivise in due categorie principali: ceramiche funzionali e ceramiche strutturali. Le ceramiche funzionali si basano principalmente sulle funzioni speciali dei materiali, caratterizzate da proprietà elettriche, magnetismo, caratteristiche biologiche, sensibilità termica e proprietà ottiche, ecc., comprese ceramiche isolanti e dielettriche, ceramiche ferroelettriche, ceramiche piezoelettriche, semiconduttori e loro ceramiche sensibili, ecc.; Le ceramiche strutturali si basano principalmente sulle applicazioni meccaniche e strutturali dei materiali, con elevata resistenza, elevata durezza, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione e resistenza all'ossidazione, ecc.
1.1 Ceramica strutturale : i materiali di alta qualità più promettenti per applicazioni in ambienti estremi
Le ceramiche strutturali, grazie alle loro eccellenti proprietà meccaniche e termiche, sono diventate un importante ramo dei materiali ceramici, rappresentando circa il 30% dell'intero mercato ceramico. Negli ultimi due decenni, i principali progetti nazionali e le tecnologie all’avanguardia hanno anche posto maggiori richieste e sfide ai materiali ceramici e alle loro tecnologie di preparazione: ad esempio, i cuscinetti ceramici in nitruro di silicio utilizzati nelle turbopompe per idrogeno liquido e ossigeno liquido per i lanci di razzi nell’industria aerospaziale operano a velocità elevate senza slittamento in condizioni di temperatura estremamente bassa, richiedendo elevata resistenza, buone proprietà iniziali, resistenza all’usura ed elevata precisione di lavorazione della superficie; gli anelli di tenuta in ceramica di grandi dimensioni utilizzati nelle pompe principali delle centrali nucleari richiedono una lunga durata e un'elevata affidabilità, in particolare i riflettori ceramici in carburo di silicio utilizzati nel monitoraggio dei bersagli terrestri dei satelliti terrestri per l'imaging, oltre ad avere un modulo elastico elevato, un basso coefficiente di espansione termica e un peso leggero, richiedono anche superfici ultra-specchio ad alta precisione e grandi dimensioni, il che rappresenta una sfida per la tecnologia di formatura, tecnologia di sinterizzazione e tecnologia di lavorazione di ceramiche strutturali di grandi dimensioni. Inoltre, i connettori in ceramica dei connettori in fibra di comunicazione ottica, con un foro interno di 125 micrometri, richiedono levigatezza superficiale, precisione dimensionale e concentricità estremamente elevate.
In termini di proprietà meccaniche, l'elevato punto di fusione e l'ampio intervallo di temperature di utilizzo hanno gettato le basi per l'applicazione dei materiali ceramici nel campo delle strutture. I materiali organici sono per lo più legati da legami molecolari, mentre i materiali metallici sono principalmente legati da legami metallici. I materiali ceramici sono legati principalmente da legami ionici e legami covalenti, quindi il punto di fusione dei materiali ceramici è il più alto. Allo stesso tempo, anche la temperatura di servizio a lungo termine dei materiali ceramici sotto carico è stabile sopra i 1000 ℃. Rispetto ai materiali metallici, la temperatura di servizio attuale più elevata è quella delle leghe ad alta temperatura, che è inferiore a 1200 ℃. Se sottoposto a carico, la temperatura di servizio è superiore a 1000 ℃.
Inoltre, l'elevata robustezza e resistenza all'usura dei materiali ceramici li fa risaltare nella selezione dei materiali nel campo delle strutture. Rispetto ai materiali organici e ai materiali metallici, a parità di densità, rigidità specifica e condizioni di costo, i materiali ceramici hanno la massima resistenza. Ciò determina che i materiali ceramici possono essere applicati meglio in ambienti più esigenti. Inoltre, secondo l'istituto di ricerca sulla metallurgia delle polveri della Central South University, la resistenza all'usura dei materiali ceramici è equivalente a 266 volte quella dell'acciaio al manganese e 171,5 volte quella della ghisa ad alto contenuto di cromo.
In termini di proprietà termiche, l'eccellente conduttività termica, le proprietà di espansione termica e la resistenza agli shock termici dei materiali ceramici conferiscono loro una posizione insostituibile in molti campi applicativi rispetto ad altri materiali come i metalli. Rispetto ai materiali organici, i materiali ceramici e i materiali metallici hanno una migliore conduttività termica. Tuttavia, in condizioni di alta temperatura, il coefficiente di dilatazione termica e la resistenza alla frattura da stress termico dei materiali ceramici sono inferiori a quelli dei materiali metallici, il che significa che i materiali ceramici possono resistere a shock termici maggiori alle alte temperature e sono i migliori materiali in ambienti estremi.
Il principale svantaggio dei materiali ceramici strutturali è la loro fragilità. Attualmente, la ricerca e lo sviluppo di materiali ceramici strutturali si sono spostati dal precedente focus su caratteristiche monofase e di elevata purezza a una direzione composita multifase, compresi compositi a matrice ceramica rinforzati da fibre (o baffi), materiali ceramici autorinforzanti e ceramiche nanocomposite, ecc., che hanno notevolmente migliorato le prestazioni dei materiali ceramici strutturali.
1.1.1 Ceramiche all'ossido
I legami atomici dei materiali ceramici a base di ossido sono principalmente legami ionici, con la presenza di alcuni legami covalenti. Pertanto, possiedono molte proprietà eccellenti. La maggior parte degli ossidi hanno punti di fusione elevati, buone proprietà di isolamento elettrico, in particolare un'eccellente stabilità chimica e resistenza all'ossidazione. Sono stati ampiamente applicati nel campo dell'ingegneria. In base ai loro componenti, possono essere classificati in ceramiche a ossido singolo (come allumina, ossido di berillio, ceramiche a base di biossido di titanio, ecc.) e ceramiche a ossido composito (come spinello MgO·Al2O3, mullite 3Al2O3·2SiO2, ceramiche PZT zirconato titanato di piombo, ecc.).
Ceramica di allumina : la ceramica strutturale più antica sviluppata e più ampiamente applicata
In termini di preparazione della ceramica di allumina, i metodi attualmente disponibili in commercio includono il processo Bayer, il processo chimico, il metodo di sinterizzazione del corindone a piastre e il metodo del corindone per elettrofusione. Tra questi, il processo Bayer è il più utilizzato. Il processo Bayer può produrre polvere di allumina di grado metallurgico e industriale con una purezza del 99,5%, ma contiene principalmente impurità come l'ossido di sodio. Successivamente è emerso il processo chimico in grado di produrre polvere di allumina fine ad elevata purezza con una purezza del 99,99%, comunemente classificata come allumina ad elevata purezza o allumina 4N. Inoltre, a seconda delle tecniche di produzione e delle proprietà desiderate, le ceramiche di allumina possono essere classificate in varie forme di prodotto come piastre ad alta resistenza all'usura, componenti ceramici di precisione e ceramiche di allumina trasparenti inclusi substrati, isolanti, parti soggette ad usura e bioceramica.
Nel campo applicativo, la ceramica di allumina può attualmente essere utilizzata in campi meccanici per componenti resistenti all'usura come guarnizioni e ugelli, nel settore energetico per componenti isolanti resistenti alle alte temperature e nel campo dei semiconduttori per substrati ceramici, ecc. Inoltre, sono ampiamente utilizzati in impianti biomedici, utensili da taglio, rivestimenti resistenti all'usura e parti isolanti ad alta tensione, dimostrando la loro versatilità in molteplici settori high-tech.
Ceramica allo zirconio : migliorare la tenacità delle ceramiche strutturali ad alte prestazioni è la chiave per la loro produzione.
Le applicazioni tradizionali della zirconia includono principalmente l'uso come materia prima per materiali refrattari, rivestimenti e smalti, ecc. Tuttavia, con una comprensione più approfondita delle proprietà termodinamiche ed elettriche della ceramica di zirconio, è diventato possibile che venga ampiamente utilizzato come ceramiche strutturali ad alte prestazioni come cuscinetti, valvole e lame di taglio e materiali dielettrici solidi come sensori di ossigeno ed elettroliti di celle a combustibile a ossido solido (SOFC). Soprattutto con lo studio approfondito del processo di trasformazione di fase della zirconia, negli anni '70 sono emersi materiali ceramici indurenti in zirconio, che hanno migliorato significativamente le proprietà meccaniche dei materiali ceramici in zirconio portando la zirconia stabilizzata con ittrio (YSZ), la zirconia stabilizzata con magnesia (MSZ) e la zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ), in particolare l'elevata tenacità a temperatura ambiente che si colloca al primo posto tra i materiali ceramici.
Dal punto di vista della preparazione, l'obiettivo principale è l'indurimento e il metodo più comune prevede l'aggiunta di stabilizzanti come l'ittrio (Y₂O₃), la magnesia (MgO) o la ceria (CeO₂). La zirconia è interamente derivata dalla sabbia di zircone e dal minerale di baddeleyite. La sabbia di zirconio è composta principalmente da silicato di zirconio (ZrO₂·SiO₂), mentre il minerale di baddeleyite è dominato da ZrO₂, con impurità minori come SiO₂ e TiO₂.
In passato la zirconia veniva prodotta esclusivamente utilizzando questi due minerali naturali come materie prime. Tuttavia, le micropolveri di zirconio facilmente sinterizzabili utilizzate per la ceramica tecnica sono prodotte con sali di zirconio, a loro volta preparati dai minerali naturali sopra menzionati.
La zirconio esiste in tre forme cristalline: cubica (c), tetragonale (t) e monoclina (m). L'analisi termodinamica mostra che la zirconia monoclina pura è stabile al di sotto di 1170 ℃; al di sopra di questa temperatura si trasforma nella fase tetragonale. Quando la temperatura raggiunge i 2370 ℃, si converte ulteriormente nella fase cubica, che rimane stabile fino alla fusione avvenuta a 2680–2700 ℃. Questo processo di transizione di fase è reversibile ed è fondamentale per il meccanismo di indurimento della trasformazione nelle ceramiche avanzate di zirconio come Y-TZP (Yttria-Tetragonal Zirconia Polycrystal).
Durante il raffreddamento dalle alte temperature al punto di transizione da tetragonale a monoclino, avviene l'isteresi di trasformazione di fase: la fase tetragonale (fase t) non si converte nella fase monoclina (fase m) fino a circa 1050 ℃, circa 100 ℃ inferiore alla temperatura di transizione teorica. Questo processo è noto come trasformazione martensitica, accompagnato da un'espansione del volume del 5% –9%. Tale variazione di volume supera il limite elastico dei grani di ZrO₂, portando alla fessurazione del materiale.
Pertanto, dal punto di vista della termodinamica e della trasformazione della fase cristallina, è quasi impossibile preparare materiali ZrO₂ puri. Per evitare questa transizione di fase, gli ossidi bivalenti (CaO, MgO, SrO) e gli ossidi delle terre rare (Y₂O₃, CeO₂) possono essere utilizzati come stabilizzanti per formare una soluzione solida con ZrO₂, ottenendo una struttura cristallina cubica stabile. Si noti che questi ossidi stabilizzanti possono esercitare un effetto stabilizzante solo quando il raggio dei loro ioni metallici differisce da quello di Zr⁴⁺ di meno del 40%.
Nel campo applicativo, le ceramiche di zirconio (in particolare il tipo rinforzato come la zirconia temprata per trasformazione e la zirconia stabilizzata con ossido di ossido di ossido di zirconio YSZ) sono state ampiamente utilizzate in vari campi industriali e tecnici grazie alle loro eccellenti proprietà. Soprattutto, con le sue eccezionali proprietà meccaniche e resistenza alle alte temperature, viene utilizzato come materiale strutturale nell'ingegneria meccanica (come strumenti in ceramica, strumenti di misura, cuscinetti, stampi, guarnizioni, ecc.), nell'industria metallurgica (crogioli, materiali refrattari, ugelli di colata continua, supporti di compressione, rulli guida, ecc.), nell'industria militare (strati isolanti per missili, piastre corazzate antiproiettile), nell'industria chimica, nell'industria tessile, nella bioingegneria comprese corone dentali, impianti ortopedici e articolazioni sferiche dell'anca e uso quotidiano. vita, ecc.
Ceramica all'ossido di magnesio : un materiale chiave nella moderna industria metallurgica
Le ceramiche all'ossido di magnesio sono un tipo tipico di nuova ceramica e appartengono anche ai materiali refrattari tradizionali. Lo stesso ossido di magnesio ha una forte resistenza all'erosione delle soluzioni di metalli alcalini. I crogioli ceramici di ossido di magnesio preparati, inclusi crogioli MgO ad elevata purezza e crogioli di magnesia fusa, possiedono eccellenti proprietà chimiche e stabilità nel resistere all'erosione dei metalli e non reagiscono con magnesio, nichel, uranio, alluminio, molibdeno, ecc. In atmosfera ossidante o protezione di azoto, le ceramiche di ossido di magnesio come rivestimenti di forni, tubi di termocoppia e substrati isolanti possono funzionare stabilmente fino a 2400 ℃. Pertanto, l'ossido di magnesio è un materiale chiave nei processi avanzati della moderna industria metallurgica.
In termini di preparazione, le materie prime provengono da minerali o acqua di mare. Durante il processo di sinterizzazione è necessario aggiungere additivi per regolare le proprietà. I composti contenenti magnesio sono abbondanti in natura, esistenti in varie forme minerali nella crosta terrestre e nell'oceano, come magnesite, dolomite, willemite e talco. A livello industriale, l'MgO comunemente sotto forma di magnesia bruciata o magnesia fusa viene estratto principalmente dai minerali di cui sopra. Recentemente è stata sviluppata anche l'estrazione dall'acqua di mare per produrre magnesia dell'acqua di mare. Quando si estrae MgO da minerali o acqua di mare, la maggior parte del processo prevede prima la preparazione dell'idrossido di magnesio o del carbonato di magnesio e quindi, attraverso la calcinazione, viene decomposto in MgO per produrre magnesia calcinata. Questo MgO può essere ulteriormente lavorato mediante trattamento chimico o trattamento termico per ottenere MgO di elevata purezza adatto per gradi ceramici avanzati. Dopo la lavorazione delle materie prime MgO, gli ingredienti vengono miscelati secondo la composizione. Per favorire la sinterizzazione ed ingrossare leggermente i grani, e per ridurre la tendenza all'idratazione durante la preparazione, possono essere aggiunti alcuni additivi come TiO2, Al2O3, V2O3, ecc. Se sono necessarie ceramiche MgO di elevata purezza come ceramiche MgO trasparenti o isolanti elettrici ad alta densità, non è possibile utilizzare il metodo per promuovere la sinterizzazione e la crescita del grano mediante l'aggiunta di additivi. Viene invece adottato il metodo di sinterizzazione di attivazione, ovvero Mg(OH)2 viene calcinato a una temperatura appropriata per ottenere MgO attivo con molti difetti reticolari, che viene utilizzato per produrre ceramiche sinterizzate di ossido di magnesio inclusi crogioli, tubi e substrati per applicazioni specializzate.
Nel campo di applicazione, la temperatura operativa teorica delle ceramiche all'ossido di magnesio, compresi i prodotti a base di magnesia sinterizzata e magnesia fusa, può raggiungere fino a 2200 ℃ e possono essere utilizzate continuamente nell'intervallo da 1600 ℃ a 1800 ℃. La loro stabilità alle alte temperature e la resistenza alla corrosione sono superiori a quelle delle ceramiche di allumina. Inoltre, non reagiscono con Fe, Ni, U, Th, Zn, Al, Mo, Mg, Cu, Pt, ecc. Pertanto, il loro ambito di applicazione può includere: crogioli o altri materiali refrattari come mattoni di rivestimento e ugelli di colata nelle industrie metallurgiche in condizioni corrosive come quelle nella produzione di acciaio e vetro. Le ceramiche di ossido di magnesio possono essere utilizzate come crogioli per la fusione dei metalli e sono adatte anche per la fusione di uranio e torio di elevata purezza nell'industria dell'energia atomica; possono essere utilizzati anche come manicotti protettivi per termocoppie. Sfruttando la sua proprietà di consentire il passaggio delle onde elettromagnetiche, può essere utilizzato come cupole radar e materiali per finestre di proiezione di radiazioni infrarosse, nonché crogioli per la fusione di metalli, leghe come leghe di nichel, metalli radioattivi, leghe di uranio e torio, ferro e sue leghe, ecc. Può anche essere utilizzato come materia prima per materiali piezoelettrici e superconduttori, è privo di inquinamento, resistente alla corrosione del piombo, ecc. Può anche essere utilizzato come sinterizzazione ceramica supporti come piastre di fissaggio e arredi di forni, in particolare per prodotti ceramici con sostanze corrosive e volatili ad alte temperature come β-Al2O3.
Ceramica berillio all'ossido di : la ceramica all'ossido con la più alta conduttività termica , ma la tossicità della polvere ne limita l' applicazione.
BeO è l'unica struttura esagonale di wurtzite tra gli ossidi di metalli alcalino terrosi. A causa della struttura della wurtzite e del forte legame covalente di BeO, insieme al suo peso molecolare relativamente basso, BeO ha una conduttività termica estremamente elevata, circa 10 volte quella dell'allumina. La sua conduttività termica a temperatura ambiente può raggiungere 250 W/(m·K), paragonabile a quella dei metalli, e le sue proprietà elettriche, resistenza al calore, resistenza agli shock termici e stabilità chimica sono tutte eccellenti alle alte temperature e alle alte frequenze, rendendolo adatto per dissipatori di calore ad alte prestazioni e materiali per finestre a microonde. Tuttavia, lo svantaggio fatale della ceramica BeO, comunemente chiamata ceramica berillia, è la sua tossicità estremamente elevata. L'inalazione a lungo termine di polvere di BeO può causare avvelenamento e persino mettere in pericolo la vita, oltre a provocare inquinamento dell'ambiente, che influisce notevolmente sulla produzione e l'applicazione di substrati e componenti ceramici di BeO come alloggiamenti di tubi laser e pacchetti di transistor RF.
Nel campo applicativo, le ceramiche all'ossido di berillio come i diffusori di calore BeO e i pacchetti di tenuta ermetica possiedono un'elevata conduttività termica, un'elevata refrattarietà, eccellenti proprietà nucleari ed eccellenti proprietà elettriche. Pertanto, possono essere applicati in materiali refrattari avanzati e come moltiplicatori di neutroni nei reattori a fusione, nei reattori di energia atomica e in vari dispositivi elettronici ad alta potenza e circuiti integrati inclusi sistemi radar e moduli di comunicazione satellitare, ecc. Tuttavia, la tossicità dell'ossido di berillio non può essere ignorata. Poiché i paesi di tutto il mondo attribuiscono sempre più importanza alla protezione ambientale, l’uso della ceramica all’ossido di berillio, nonostante il suo ruolo insostituibile in alcuni sistemi di gestione termica militare e aerospaziale, potrebbe essere soggetto ad alcune restrizioni e influenze in futuro.
Mullite: termine generale per minerali composti da silicato di alluminio .
La mullite è un materiale refrattario di alta qualità. Questo tipo di minerale è relativamente raro. La mullite è un minerale formato dalla reazione del silicato di alluminio ad alte temperature. Quando il silicato di alluminio viene riscaldato artificialmente, si forma la mullite. Il cristallo naturale di mullite è sottile aghiforme e a forma di grappolo radiante. Il minerale di mullite viene utilizzato per produrre materiali refrattari ad alta temperatura. Viene spesso utilizzato come rivestimento barriera termica nei materiali compositi C/C ed è ampiamente applicato. La mullite è una soluzione solida binaria stabile nel sistema di elementi AI2O3-SiO2 a pressione normale. La mullite naturale con la formula chimica AI2O3-SiO2 è molto rara e viene solitamente sintetizzata con metodi come la sinterizzazione o l'elettrofusione.
La mullite utilizzata in applicazioni industriali su larga scala ad alte temperature è classificata in due tipologie principali in base al metodo di preparazione: mullite fusa elettricamente comunemente utilizzata nei mattoni refrattari e nei calcinabili monolitici e mullite sinterizzata. La mullite è un materiale refrattario di alta qualità. Fu scoperto per la prima volta sull'isola di Mull in Scozia e prese il nome da quella località. I componenti di alluminio e silicio della mullite formano una gamma e possono esistere stabilmente a temperatura e pressione normali. La mullite naturale è relativamente rara e viene solitamente preparata mediante trattamento termico di composti di alluminio-silicio per produrre aggregati e grani di mullite ingegnerizzati. La sintesi della mullite può essere suddivisa in sintesi in fase solida (incluso il tradizionale processo sol-gel (SSG)), sintesi in fase liquida e sintesi in fase gassosa. La mullite sintetizzata con metodi in fase solida e in fase liquida può essere classificata come mullite sinterizzata tipicamente utilizzata nei mobili dei forni e nei filtri ceramici e mullite fusa in base alla temperatura di riscaldamento e alla composizione di alluminio-silicio. La mullite sinterizzata si riferisce al riscaldamento delle materie prime della mullite sintetizzata a una temperatura che genera una piccola quantità di fase liquida, promuovendo la sinterizzazione senza influenzare la sinterizzazione della fase solida, e quindi mantenendola a una temperatura per consentire alla mullite di cristallizzare e crescere, formando la morfologia e la struttura della mullite desiderate. Mentre la mullite fusa si forma riscaldando la miscela di allumina e silice al di sopra del punto di fusione della mullite e cristallizzando durante il processo di raffreddamento per produrre grani di mullite fusi di elevata purezza per applicazioni refrattarie avanzate. Il metodo sol-gel per preparare la mullite è noto anche come mullite chimica, ovvero la mullite ottenuta attraverso reazioni chimiche, decomposizione termica e formazione di mullite che danno come risultato polveri fini di mullite per ceramiche tecniche e rivestimenti. Le prestazioni della mullite preparata con questo metodo dipendono fortemente dalla purezza, dall'uniformità, dalla temperatura di cristallizzazione e dalla densità del composto.
Nel campo applicativo, i nuovi materiali refrattari costituiti da mullite sono attualmente ampiamente utilizzati in apparecchiature ad alta temperatura come forni a muffola, forni di calcinazione, caldaie e forni rotanti. L'uso della mullite per produrre apparecchiature ad alta temperatura non solo garantisce resistenza alle alte temperature, ma ha anche una lunga durata e resistenza alla corrosione. La mullite, se combinata con altri materiali di alta qualità, può integrare i reciproci vantaggi e formare materiali refrattari con prestazioni migliori. Ad esempio, utilizzando componenti compositi del forno ceramico corindone-mullite, il materiale risultante presenta i vantaggi di un piccolo coefficiente di dilatazione termica, eccellente resistenza allo shock termico, elevata refrattarietà e buona stabilità alle alte temperature. Inoltre, l'applicazione della mullite nel campo delle prestazioni elettriche dimostra la sua eccellenza come materiale di base. Ha una costante dielettrica molto bassa e può gestire densità di circuito elevate. La ceramica mullite e i compositi vetroceramici a base di mullite sono utilizzati come materiali funzionali eccellenti per circuiti integrati ad alte prestazioni.
1.1.2 Ceramiche all’azoto
Le ceramiche al nitruro sono ceramiche formate combinando l'azoto con metalli o elementi non metallici. Sono un tipo di materiali strutturali e funzionali importanti.
Le ceramiche al nitruro possiedono eccellenti proprietà fisiche meccaniche, chimiche, elettriche, termiche e ad alta temperatura. Hanno ampie applicazioni in settori quali metallurgia, aviazione, ingegneria chimica, ceramica, elettronica, macchinari e semiconduttori. Tuttavia, molti nitruri composti da azoto ed elementi metallici sono instabili alle alte temperature e soggetti a ossidazione, quindi non possono esistere liberamente in natura e possono essere sintetizzati solo artificialmente. Attualmente, i principali metodi sintetici per i nitruri includono tipi di legame covalente come nitruro di boro, nitruro di alluminio e nitruro di silicio.
Ceramica alluminio al nitruro di : il materiale strutturale ideale per substrati di circuiti e imballaggi nell'industria microelettronica
Il nitruro di alluminio (AlN), come nuovo tipo di materiale ceramico, è diventato negli ultimi anni uno dei punti caldi della ricerca nel campo dei nuovi materiali. Sebbene la polvere di AlN sia stata sintetizzata e prodotta già più di cento anni fa, a causa della sua intrinseca difficoltà di sinterizzazione, nei decenni successivi non furono condotti molti studi sull'AlN. Negli anni '50 furono prodotte per la prima volta ceramiche AlN come crogioli di base e componenti semplici, ma a quel tempo la loro resistenza era molto bassa, il che ne limitava l'applicazione industriale. Negli anni '70 furono preparate ceramiche di nitruro di alluminio denso comprendenti substrati termicamente conduttivi e pacchetti ceramici e furono rivelate una serie di caratteristiche eccellenti come eccellente conduttività termica, isolamento elettrico affidabile, resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, bassa costante dielettrica e coefficiente di dilatazione termica corrispondente al silicio. Soprattutto negli ultimi anni, con il rapido sviluppo della tecnologia microelettronica, i dispositivi elettronici stanno diventando sempre più multifunzionali, miniaturizzati e altamente integrati. I dispositivi elettronici ad alta potenza generano una grande quantità di calore durante il funzionamento. Per evitare guasti ai dispositivi elettronici dovuti al surriscaldamento, è necessario un substrato come substrati in rame a legame diretto (DBC) e circuiti ceramici a film spesso con elevata conduttività termica per eliminare il calore. L'AlN ha un'eccellente conduttività termica ed è un materiale ideale per la nuova generazione di substrati, in particolare substrati LED ad alta potenza, pacchetti RF/microonde e componenti di apparecchiature per la lavorazione di semiconduttori come mandrini elettrostatici e piastre riscaldanti. La sua eccellente resistenza alla corrosione ad alta temperatura, stabilità alle alte temperature, elevata resistenza e durezza gli conferiscono un grande potenziale di applicazione in materiali strutturali ad alta temperatura, inclusi tubi protettivi, scambiatori di calore e componenti per sistemi aerospaziali.
Il nitruro di alluminio, come composto covalente, è difficile da sottoporre a sinterizzazione in fase solida. Di solito, viene adottato il metodo di sinterizzazione in fase liquida, ovvero alla polvere della materia prima di nitruro di alluminio vengono aggiunti ausiliari di sinterizzazione in grado di generare una fase liquida e la dissoluzione genera una fase liquida per favorire la sinterizzazione.
Essendo un materiale sintetizzato artificialmente, il processo di preparazione della ceramica di nitruro di alluminio solitamente prevede prima la sintesi della polvere di nitruro di alluminio e quindi la sinterizzazione della polvere ottenuta per formare la ceramica. A causa dell'elevata componente covalente del legame alluminio-azoto (Al-N) nel nitruro di alluminio, il punto di fusione del nitruro di alluminio è elevato, il coefficiente di autodiffusione è piccolo e l'attività di sinterizzazione è bassa. Pertanto, è un materiale ceramico difficile da sinterizzare. Secondo l'editore di China Powder Network, quando la purezza della polvere di nitruro di alluminio è elevata, è molto difficile ottenere una densificazione completa attraverso la sinterizzazione e sono presenti pori nei grani ceramici o ai bordi dei grani, il che limita notevolmente l'applicazione pratica delle ceramiche di nitruro di alluminio. L’introduzione di opportuni coadiuvanti di sinterizzazione può, da un lato, reagire con l’Al2O3 formatosi sulla superficie dell’AlN per generare una seconda fase con punto di fusione più basso, per effetto della tensione superficiale della fase liquida, favorendo il riarrangiamento dei grani di AlN e accelerando il processo di densificazione del corpo sinterizzato. D'altra parte, la seconda fase formata, dopo il raffreddamento, precipita e si condensa sui bordi dei grani, riducendo la possibilità che l'ossigeno entri nel reticolo ad alte temperature e svolgendo un ruolo nella purificazione del reticolo e nel miglioramento della conduttività termica. Attualmente, gli adiuvanti di sinterizzazione comunemente utilizzati includono principalmente ossidi e fluoruri. Gli ossidi includono principalmente Y2O3, Sm2O3, La2O3, Dy2O3 e CaO; mentre i fluoruri includono CaF2, YF3, ecc. Tra questi, Y2O3 ha una forte capacità di rimozione dell'ossigeno, buona stabilità e prestazioni complete superiori, diventando l'ausilio di sinterizzazione più comunemente usato; mentre CaO, a causa della sua temperatura di formazione della fase liquida più bassa, svolge un ruolo più evidente nella sinterizzazione a bassa temperatura.
Dal punto di vista applicativo, la ceramica al nitruro di alluminio ha una resistenza relativamente elevata a temperatura ambiente e non è facilmente influenzata dai cambiamenti di temperatura. Ha anche una conduttività termica relativamente elevata e un coefficiente di dilatazione termica relativamente basso. È un eccellente materiale resistente al calore e materiale di scambio termico. Come materiale per lo scambio di calore, si prevede che venga applicato negli scambiatori di calore delle turbine a gas. Inoltre, la ceramica al nitruro di alluminio è un materiale resistente al calore alle alte temperature. La sua conduttività termica è elevata, più di 5 volte superiore a quella della ceramica di allumina, e il suo coefficiente di dilatazione è basso, coerente con quello del silicio. Il substrato prodotto utilizzando ceramica di nitruro di alluminio come materia prima principale producendo substrati di rame a legame diretto (DBC) e circuiti ceramici a film spesso ha caratteristiche eccellenti come elevata conduttività termica, basso coefficiente di espansione, elevata robustezza, resistenza alla corrosione, eccellenti prestazioni elettriche e buona trasmissione della luce. È un substrato ideale per la dissipazione del calore del circuito integrato su larga scala e un materiale di imballaggio. Con il continuo miglioramento della tecnologia dell'industria dell'informazione elettronica, la miniaturizzazione e l'integrazione funzionale dei substrati PCB sono diventate una tendenza. Le esigenze del mercato in termini di prestazioni di dissipazione del calore e resistenza alle alte temperature dei substrati di dissipazione del calore e dei materiali di imballaggio sono in costante aumento. Le prestazioni dei materiali di substrato relativamente ordinari sono difficili da soddisfare le richieste del mercato. Lo sviluppo di substrati ceramici in nitruro di alluminio, compresi substrati per moduli di potenza automobilistici e componenti per apparecchiature di produzione di semiconduttori, ha aperto un'opportunità.
Ceramica al nitruro di silicio : uno dei migliori materiali in termini di prestazioni complete tra le ceramiche avanzate
Con lo sviluppo della scienza e della tecnologia contemporanee, i requisiti per i materiali strutturali in settori quali l’aviazione e l’energia aerospaziale sono diventati sempre più elevati. Lo sviluppo e la ricerca di materiali strutturali con proprietà eccellenti come resistenza alle alte temperature, resistenza alla corrosione, resistenza all'attrito, elevata resistenza, elevata durezza e prestazioni meccaniche complete sono diventati estremamente importanti. Le ceramiche Si3N4, in particolare il nitruro di silicio sinterizzato (SSN) e il nitruro di silicio legato per reazione (RBSN), sono uno dei materiali con le migliori prestazioni complete tra le ceramiche avanzate. Le sue proprietà elettriche, termiche e meccaniche sono molto eccellenti. Può essere utilizzato fino a 1400℃ in atmosfera ossidante e fino a 1850℃ in atmosfere neutre o riducenti. Non solo evidenzia i vantaggi dei materiali ceramici generali come durezza, resistenza al calore, resistenza all'usura e resistenza alla corrosione, ma possiede anche vantaggi come buona resistenza allo shock termico, resistenza allo scorrimento alle alte temperature, buona autolubrificazione, eccellenti prestazioni di stabilità chimica e densità relativamente bassa, bassa costante dielettrica, bassa perdita dielettrica e altre eccellenti proprietà dielettriche.
Il peso molecolare del nitruro di silicio è 140,28. In termini di percentuale in peso, il silicio rappresenta il 60,28% e l'azoto il 39,94%. Le elettronegatività di questi due elementi sono simili. Nel cristallo del nitruro di silicio, i legami Si-N sono formati principalmente da legami covalenti (con legami ionici che rappresentano solo il 30%) e la forza di legame è elevata. Il nitruro di silicio non ha punto di fusione. Sublima e si decompone a 1870°C sotto pressione normale e ha un'elevata pressione di vapore e un coefficiente di diffusione molto basso. Gli atomi di Si e di N sono legati da legami covalenti molto forti, che conferiscono al nitruro di silicio elevata robustezza, elevata durezza, resistenza alle alte temperature e proprietà isolanti che lo rendono ideale per prodotti come cuscinetti a sfere, utensili da taglio e rotori di turbocompressori. A causa del forte legame covalente tra gli atomi di Si e gli atomi di N, la diffusione atomica è molto lenta alle alte temperature, quindi additivi come ittrio (Y₂O₃) e allumina (Al₂O₃) che formano una fase liquida ad alte temperature devono essere aggiunti durante il processo di sinterizzazione per promuovere la diffusione e accelerare l'addensamento della sinterizzazione.
Le proprietà della ceramica al nitruro di silicio sono strettamente correlate al metodo di sinterizzazione. Le proprietà meccaniche ad alta temperatura del nitruro di silicio dipendono in gran parte dalla fase vetrosa intergranulare. Per migliorare le prestazioni di sinterizzazione del nitruro di silicio, alle materie prime vengono aggiunti ausiliari di sinterizzazione. A temperature elevate gli ausiliari di sinterizzazione formano una fase vetrosa, che dopo il raffreddamento rimane ai bordi dei grani. La ritenzione e lo sforzo di questa proprietà ad alta temperatura del nitruro di silicio possono essere ottenuti solo attraverso il trattamento ingegneristico dei bordi dei grani. Altrimenti, l'ammorbidimento della fase vetrosa intergranulare ad alte temperature causerà lo scivolamento dei bordi del grano, che ha un impatto significativo sulla resistenza alle alte temperature, sullo scorrimento viscoso e sulla lenta propagazione delle cricche nella fatica statica. La velocità di scorrimento al confine del grano è correlata alle proprietà (come la viscosità) della fase vetrosa, alla sua quantità e distribuzione.
Nel campo applicativo, la ceramica Si3N4, compresi i gradi ad alte prestazioni come il nitruro di silicio pressato a caldo (HPSN) e il nitruro di silicio sinterizzato a pressione di gas (GPSN), è un materiale strutturale importante. È una sostanza estremamente dura, lubrificante per natura e resistente all'usura. A parte l'acido fluoridrico, non reagisce con altri acidi inorganici. Ha una forte resistenza alla corrosione ed è resistente all'ossidazione alle alte temperature. Inoltre, può sopportare shock termici e non si frattura anche se riscaldato a oltre 1000°C nell'aria e poi raffreddato e riscaldato nuovamente rapidamente. Grazie alle sue eccellenti proprietà, la ceramica Si3N4 viene spesso utilizzata per produrre componenti meccanici come cuscinetti, in particolare cuscinetti in ceramica integrale e cuscinetti in ceramica ibrida, pale di turbine, anelli di tenuta meccanica e stampi permanenti. Tra questi, sfruttando la leggerezza e l'elevata rigidità del Si3N4, può essere utilizzato per produrre cuscinetti a sfere, che hanno una precisione maggiore rispetto ai cuscinetti in metallo, generano meno calore e possono funzionare a temperature più elevate e con mezzi corrosivi. Gli ugelli del vapore realizzati in Si3N4 come gli ugelli degli iniettori e i rivestimenti resistenti all'usura hanno proprietà resistenti all'usura e al calore. Dopo essere stati utilizzati in una caldaia a 650°C per diversi mesi, non mostrano danni evidenti, mentre altri ugelli in acciaio legato resistenti al calore e alla corrosione possono essere utilizzati solo per 1-2 mesi nelle stesse condizioni.
Ceramica al nitruro di boro : una ceramica morbida tra i materiali ceramici , con eccellenti proprietà di lavorazione meccanica
Il nitruro di boro è stato inventato oltre 100 anni fa. La sua prima applicazione fu il nitruro di boro esagonale [abbreviato come h-BN, o a-BN, o g-BN (cioè nitruro di boro di tipo grafite)], che veniva utilizzato come lubrificante per alte temperature e come agente di distacco dallo stampo nella fusione di metalli non ferrosi. h-BN non solo ha una struttura simile alla grafite ma ha anche proprietà simili ed è naturalmente bianco, quindi è comunemente noto come grafite bianca. La ceramica al nitruro di boro (BN) fu scoperta come composto già nel 1842. I paesi stranieri condussero ricerche approfondite sui materiali BN dopo la seconda guerra mondiale, e furono sviluppati solo dopo che il metodo di pressatura termica del BN fu risolto nel 1955. Nel 1957, un ricercatore sviluppò con successo grani abrasivi di nitruro di boro cubico CBN e nel 1969, una certa azienda lo vendette con il marchio Borazon. Nel 1973, gli Stati Uniti annunciarono la produzione di utensili da taglio in CBN. Nel 1975, il Giappone introdusse la tecnologia dagli Stati Uniti e produsse anche utensili da taglio CBN. Nel 1979, Sokolowski utilizzò con successo la tecnologia del plasma pulsato per preparare pellicole c-BN a bassa temperatura e bassa pressione. Alla fine degli anni '90, le persone erano in grado di utilizzare vari metodi di deposizione fisica da fase vapore (PVD) e deposizione chimica da fase vapore (CVD) per preparare pellicole c-BN. Ha un'eccellente resistenza termica, stabilità termica, conduttività termica e rigidità dielettrica alle alte temperature, che lo rendono un materiale ideale per la dissipazione del calore sotto forma di cuscinetti di interfaccia termica e substrati elettricamente isolanti e materiale isolante ad alta temperatura. Il nitruro di boro ha una buona stabilità chimica e può resistere all'erosione della maggior parte dei metalli fusi. Ha anche buone proprietà autolubrificanti. La durezza dei prodotti in nitruro di boro come i componenti BN pressati a caldo e i rivestimenti BN pirolitici è bassa e consente la lavorazione meccanica con una precisione di 1/100 mm.
Nella fase di preparazione, per i composti con legame covalente, il metodo comune consiste nell'aggiungere ausiliari di sinterizzazione. Gli ausili di sinterizzazione comunemente usati per BN includono B2O3, Si3N4, ZrO2, SiO2, BaCO3, ecc. Attualmente esistono molti metodi per preparare la polvere di nitruro di boro. Sulla base dei loro principi, possono essere approssimativamente suddivisi in due categorie: una è il metodo di sintesi, che comprende principalmente il metodo di sintesi ad alta temperatura, il metodo di sintesi sol-gel, il metodo modello e il metodo di deposizione chimica da fase vapore (CVD); l'altro è il metodo di esfoliazione, compreso il metodo di esfoliazione ad ultrasuoni in fase liquida, il metodo di esfoliazione con incisione laser, il metodo di macinazione meccanica a sfere, ecc. Con il continuo approfondimento della ricerca sul nitruro di boro, le proprietà di alcuni nitruro di boro nanostrutturato sono state gradualmente scoperte. Da un lato, le nanopolveri hanno un'elevata energia superficiale specifica e un'elevata attività di sinterizzazione, che possono promuovere efficacemente la densificazione della ceramica h-BN; D'altra parte, l'utilizzo di nanopolveri come materie prime può ridurre la temperatura di sinterizzazione, ridurre la dimensione del grano del corpo ceramico sinterizzato, migliorare la tenacità della ceramica e migliorare le proprietà meccaniche della ceramica h-BN per applicazioni in forni ad alta temperatura e maschere di lavorazione di semiconduttori, ponendo le basi per l'applicazione industriale su larga scala della ceramica h-BN.
Nel campo applicativo, il nitruro di boro può essere utilizzato per produrre crogioli per la fusione di semiconduttori e contenitori ad alta temperatura per la metallurgia, in particolare crogioli di nitruro di boro e anelli di rottura per la colata continua, parti di isolamento e dissipazione del calore dei semiconduttori, cuscinetti ad alta temperatura, manicotti per termocoppie e stampi per la formatura del vetro, ecc. Il nitruro di boro comunemente prodotto ha una struttura di grafite ed è comunemente noto come grafite bianca. L'altro tipo è simile al diamante, simile al principio della trasformazione della grafite in diamante. Il nitruro di boro simile alla grafite può essere trasformato in nitruro di boro simile al diamante ad alta temperatura (1800 ℃) e alta pressione (800 Mpa). In questo tipo di nitruro di boro, la lunghezza del legame BN (156 µm) è simile a quella del diamante (154 µm), e anche la sua densità è simile a quella del diamante. La sua durezza è paragonabile a quella del diamante, mentre la sua resistenza al calore è migliore di quella del diamante. Si tratta di un nuovo tipo di materiale superduro resistente alle alte temperature, in particolare come inserti da taglio e mole in nitruro di boro cubico (CBN), e viene utilizzato per realizzare trapani, utensili e utensili da taglio.
Ceramica Sialon : ceramica morbida tra i materiali ceramici , con eccellenti proprietà di lavorazione meccanica
Sialon è un composto formato dalla combinazione di elementi Si, Al, O e N. È traslitterato come 'Sialon'. Le ceramiche Sialon appartengono alla serie dei composti Si3N4-Al2O3-AlN-SiO2. Sono un tipo di ceramica di nitruro policristallino denso sviluppata sulla base della ceramica Si3N4, formata sostituendo parzialmente gli atomi di Si e N in Si3N4 con atomi di Al e O di Al2O3. Le ceramiche Sialon furono scoperte da Oyama e ricercatori giapponesi (nel 1971) e Jack e Wilson dal Regno Unito (nel 1972). Durante la loro ricerca su vari additivi per ceramiche al nitruro di silicio, hanno scoperto soluzioni solide nei nitruri metallici, vale a dire la soluzione solida di Si3N4 nel sistema SiO2-Al2O3, che ha promosso efficacemente la sinterizzazione e ha quindi portato alla scoperta del sialon (ceramica Sialon). Le principali categorie di ceramiche sialon includono β'-sialon, α'-sialon e O'-sialon, con i primi due che sono i più comuni.
Nel processo di preparazione, quando si prepara la ceramica sialon, è necessario selezionare polveri Si3N4 ultrafini e ad alta fase α. Dovrebbero essere adottate misure di processo adeguate per controllare la composizione e la struttura delle fasi al bordo del grano, in modo da ottenere materiali con prestazioni eccellenti. Poiché le ceramiche sialon hanno un'ampia gamma di soluzioni solide, la composizione delle ceramiche sialon può essere progettata in base alle prestazioni predeterminate regolando il rapporto dei componenti della soluzione solida. Regolando opportunamente la quantità di additivi aggiunti, è possibile ottenere il rapporto ottimale tra α-sialon e β-sialon e ottenere il materiale con la migliore combinazione di resistenza e durezza. Le ceramiche Sialon vengono solitamente sinterizzate senza pressione o sotto pressatura a caldo. Vengono sinterizzati in un'atmosfera inerte a 1600-1800 ℃ e si possono ottenere corpi sinterizzati con densità teorica vicina. Gli additivi principali sono MgO, Al2O3, AlN, SiO2, ecc. Allo stesso tempo, l'aggiunta di Y2O3 e Al2O3 può ottenere ceramiche sialon con resistenza molto elevata. Inoltre, l'aggiunta di Y2O3 può ridurre la temperatura di sinterizzazione delle ceramiche sialon. Il processo di produzione della ceramica sialon a pressione normale consiste nel mescolare la polvere Si3N4 con una quantità adeguata di polvere Al2O3 e polvere AlN, quindi sinterizzarla in un'atmosfera N2 a 1700 ℃. Le proprietà della soluzione solida variano a seconda della sua composizione e della temperatura di lavorazione.
Dal lato dell'applicazione
Essendo un nuovo tipo di ceramica strutturale ad alta temperatura con prestazioni eccezionali, la ceramica sialon vanta ampie prospettive di applicazione nell'industria militare, nell'industria aerospaziale, nell'industria dei macchinari, nell'industria elettronica e in altri campi.
Le ceramiche Sialon sono caratterizzate da elevata durezza ed eccellente resistenza all'usura e sono state adottate nell'industria dei macchinari per la produzione di cuscinetti, guarnizioni, manicotti di saldatura, perni di posizionamento e componenti resistenti all'usura. Possono essere utilizzati anche come distributori di flusso per colata continua, tubi di protezione per termocoppie, coltivatori di cristalli, crogioli, rivestimenti per la parte inferiore di altiforni, mandrini di trafilatura per tubi in leghe rame-alluminio, nonché materiali per stampi per processi di laminazione, estrusione e pressofusione.
Inoltre, le ceramiche sialon sono applicabili per la realizzazione di utensili da taglio: la loro durezza rossa supera quella dei carburi cementati WC-Co e dell'allumina, consentendo il taglio ad alta velocità anche quando la temperatura della punta dell'utensile supera i 1000 ℃. Possono anche essere trasformati in ceramica trasparente (ad esempio, tubi per lampade al sodio ad alta pressione, finestre per termometri a infrarossi ad alta temperatura) e utilizzati come bioceramica per la produzione di articolazioni artificiali e altri impianti.
