Ceramica di allumina e ceramica di zirconia
Le ceramiche speciali, note anche come ceramiche fini, sono un tipo di materiali inorganici non metallici realizzati a partire da materie prime inorganiche non metalliche ad elevata purezza attraverso precisi processi di formatura e sinterizzazione. A differenza delle ceramiche tradizionali, non utilizzano minerali naturali come l'argilla come materie prime principali. Basandosi invece su materie prime ad elevata purezza sintetizzate artificialmente e su tecnologie di preparazione avanzate, occupano una posizione di insostituibile importanza nei settori dell'industria, della scienza e della tecnologia moderne.
Le ceramiche speciali possono essere suddivise in un'ampia varietà di tipologie in base alla loro composizione chimica, tra cui ceramiche ossidiche (come allumina, zirconia, ecc.), ceramiche nitruriche (come nitruro di silicio, nitruro di alluminio, ecc.), ceramiche carburiche (come carburo di silicio, carburo di boro, ecc.), ceramiche boruriche (come boruro di zirconio, boruro di lantanio, ecc.), nonché ceramiche composite composte da più composti e cermet con aggiunta di metalli. In base alle loro funzioni applicative, possono essere suddivise approssimativamente in due categorie: ceramiche strutturali composite ad alta resistenza e resistenza alle alte temperature, e ceramiche funzionali elettriche ed elettroniche.
Dai componenti resistenti alle alte temperature nel settore aerospaziale al packaging dei chip e agli elementi dei sensori nell'industria elettronica; dai componenti delle celle a combustibile nel settore energetico alle articolazioni artificiali e ai materiali per restauri dentali nel settore biomedico, le ceramiche speciali sono ovunque. Sono come eroi non celebrati, che guidano silenziosamente il progresso della scienza e della tecnologia moderne e cambiano le nostre vite.
Ceramica di allumina: proprietà e applicazioni
(1) Caratteristiche prestazionali
Le ceramiche di allumina, il cui componente principale è l'allumina (Al₂O₃), occupano una posizione di rilievo nel campo delle ceramiche speciali grazie alle loro eccellenti prestazioni. Presentano una durezza estremamente elevata, con una durezza Rockwell di HRA80-90, seconda solo a quella del diamante, che le rende eccellenti nelle applicazioni resistenti all'usura. Nei test di resistenza all'usura, la resistenza all'usura delle ceramiche di allumina è 266 volte superiore a quella dell'acciaio al manganese e 171,5 volte superiore a quella della ghisa ad alto tenore di cromo. A parità di condizioni di lavoro, possono prolungare la durata delle apparecchiature di almeno dieci volte o più.
La densità della ceramica di allumina è di circa 3,8 g/cm³, ovvero solo la metà di quella dell'acciaio, riducendo efficacemente il carico sulle apparecchiature. Presenta inoltre un'eccellente stabilità chimica, resistendo alla corrosione di sostanze chimiche come acidi e alcali forti, trovando così ampia applicazione in ambienti corrosivi come l'industria chimica. Anche la sua resistenza alle alte temperature è molto elevata, potendo sopportare temperature fino a 1600 °C o anche superiori, e può essere utilizzata come rivestimento per forni ad alta temperatura e materiali refrattari.
(2) Campi di applicazione
Nel campo meccanico, grazie alla sua elevata durezza e resistenza all'usura, la ceramica di allumina viene utilizzata per produrre utensili da taglio, cuscinetti, guarnizioni, ecc. La velocità di taglio degli utensili da taglio in ceramica di allumina è superiore a quella degli utensili da taglio in metallo duro generico, il che può migliorare notevolmente l'efficienza di taglio. Gli utensili da taglio in ceramica composita Al₂O₃ possono anche lavorare vari materiali come acciaio temprato e acciaio legato.
Nel campo dell'elettronica e dell'energia elettrica, le ceramiche di allumina sono ampiamente utilizzate. Presentano un buon isolamento e una buona conduttività termica e possono essere trasformate in substrati ceramici, wafer, film ceramici, ceramiche trasparenti e dispositivi isolanti, ecc. Ad esempio, i substrati ceramici di allumina, con elevata resistenza meccanica, buon isolamento ed elevata schermatura della luce, sono spesso utilizzati in substrati ceramici per cablaggi multistrato, packaging elettronico e substrati per packaging ad alta densità.
Nell'industria chimica, la ceramica di allumina può essere utilizzata per realizzare rivestimenti di bollitori di reazione, condotte, valvole, ecc. Grazie alla loro stabilità chimica e resistenza alla corrosione, possono resistere all'erosione causata da vari mezzi chimici, garantendo il funzionamento sicuro e stabile della produzione chimica.
Ceramica di zirconia: proprietà e applicazioni
(1)Caratteristiche delle prestazioni
Le ceramiche di zirconia, con zirconia (ZrO₂) come componente principale, offrono prestazioni eccellenti. Hanno una durezza relativamente elevata, con una durezza Mohs di 7-8, e offrono eccellenti prestazioni nelle applicazioni resistenti all'usura. A parità di condizioni di attrito, la perdita per usura delle ceramiche di zirconia è solo un decimo di quella dei normali materiali metallici.
Anche la sua tenacità è molto elevata, con una tenacità alla frattura di 7-15 MPa·m¹/², molto superiore a quella delle ceramiche tradizionali. Può resistere efficacemente alla propagazione delle crepe e non è facile da rompere. La sua resistenza all'usura è eccellente, essendo oltre 200 volte superiore a quella dell'acciaio inossidabile, e presenta vantaggi significativi in ambienti ad alta usura.
Le ceramiche di zirconia possiedono anche buone proprietà isolanti. Sono eccellenti isolanti a temperatura ambiente e possono soddisfare i requisiti di isolamento in campo elettronico ed elettrico. Notevole anche la loro resistenza alle alte temperature, con un punto di fusione fino a 2700 °C, che ne consente l'utilizzo stabile in ambienti ad alta temperatura.
(2) Ambito di applicazione
Nel campo della ceramica strutturale, la ceramica di zirconia viene spesso utilizzata per la produzione di utensili da taglio, cuscinetti, valvole, ecc. Gli utensili da taglio in ceramica di zirconia sono affilati e resistenti, con eccellenti prestazioni di taglio. Possono lavorare una varietà di materiali difficili da tagliare e non reagiscono con gli alimenti, quindi possono essere utilizzati per realizzare coltelli da tavola, bisturi chirurgici, ecc. I cuscinetti in ceramica di zirconia presentano i vantaggi della resistenza alle alte temperature, alla corrosione e all'usura e sono ampiamente utilizzati in apparecchiature ad alta velocità e alta precisione.
In termini di ceramiche funzionali, la ceramica di zirconia può essere trasformata in sensori di ossigeno, elettrodi per celle a combustibile a ossido solido, ecc. I sensori di ossigeno, sfruttando le loro caratteristiche di conduzione per gli ioni di ossigeno, possono rilevare in modo rapido e preciso il contenuto di ossigeno nell'ambiente e sono ampiamente utilizzati in settori quali il rilevamento dei gas di scarico delle automobili e il controllo della combustione industriale.