Le ceramiche avanzate, note anche come ceramiche speciali, si riferiscono a materiali ceramici preparati sulla base della ceramica tradizionale utilizzando tecnologie chimiche e fisiche avanzate, con eccellenti proprietà nei campi meccanico, termico, ottico, acustico ed elettrico. Rispetto ai metalli e ai materiali polimerici, i materiali ceramici avanzati possiedono proprietà strutturali incomparabili come elevata durezza, modulo elevato, resistenza alle alte-temperature e resistenza alla corrosione, nonché eccellenti proprietà funzionali come isolamento elettrico, trasmissione della luce e trasparenza delle onde. Pertanto, sono sempre più utilizzati nei settori aerospaziale, informatico, della difesa nazionale e dell'industria militare, biomedico e delle nuove energie.
Il processo di preparazione della ceramica avanzata comprende principalmente la preparazione della polvere, la formazione del corpo verde e la sinterizzazione. Tra questi, la formatura e la sinterizzazione sono i fattori diretti che determinano le proprietà dei prodotti ceramici. La formatura si riferisce alla trasformazione della polvere in un corpo verde con dimensioni e forma specificate e una certa resistenza meccanica. La sinterizzazione si riferisce al processo in cui il corpo verde, ad una temperatura elevata al di sotto del punto di fusione, elimina i pori, si densifica e forma un corpo sinterizzato con una certa resistenza.
01 Preparazione della polvere
I metodi di preparazione delle polveri ceramiche avanzate possono essere riassunti principalmente in tre categorie: metodi in fase-solida, metodi in fase-liquida e metodi in fase-gassosa.
Il metodo della fase solida- utilizza sostanze solide come materie prime di partenza per preparare polveri ceramiche ultrafini. Gli esempi includono la reazione allo stato solido-ad alta temperatura-, la riduzione carbotermica, la reazione allo stato solido-gassoso, la decomposizione termica del sale e la sintesi di combustione ad alta-temperatura auto-propagante. È caratterizzato dall'essere adatto alla produzione di massa e dal costo relativamente basso, ma a volte sono presenti impurità.
Il metodo in fase liquida- è caratterizzato da un facile controllo della composizione chimica, miscelazione uniforme su scala ionica o molecolare e capacità di preparare polveri ceramiche su scala nano- e submicronica-con elevata purezza e buona attività di sinterizzazione. È particolarmente adatto per sintetizzare polveri di ossido singolo-o composito-per ceramiche strutturali e ceramiche funzionali e pertanto è ampiamente utilizzato. I metodi comuni in fase liquida- includono la precipitazione chimica, i metodi idrotermali e i metodi sol-gel.
Il metodo della fase gassosa- sintetizza la polvere ceramica desiderata attraverso reazioni chimiche di gas reagenti in un ambiente a temperatura-localmente elevata. Comprende la deposizione di vapori chimici, la sintesi in fase di gas plasma- e altre. Le polveri sintetizzate con metodi in fase-gas hanno un'ampia area superficiale specifica e assorbono facilmente umidità o agglomerati, rendendole inadatte alla sinterizzazione di ceramiche strutturali ad alta-densità e materiali ceramici elettronici. Inoltre, le materie prime e le apparecchiature di sintesi della reazione utilizzate nei metodi in fase gas- sono costose e hanno una capacità di produzione molto ridotta, con conseguenti costi elevati per la preparazione della polvere.
02 Processi di formatura
In base al flusso e alle proprietà reologiche del corpo, i metodi di formatura possono essere suddivisi in tre categorie: formatura a pressione del corpo secco, formatura del corpo plastico e formatura dell'impasto liquido.
La formatura a pressione, chiamata anche stampaggio a compressione, prevede l'aggiunta di una piccola quantità di legante alla polvere (contenuto di umidità controllato al 4%–7%, o anche fino all'1%–4%) per la granulazione, quindi il posizionamento della polvere granulata in uno stampo e pressatura sotto una pressa per formare un corpo verde di una determinata forma. La pressatura si divide in pressatura a secco e pressatura isostatica.
La formatura della plastica utilizza un corpo in plastica come materiale di partenza e sfrutta la pressione generata dal movimento dello stampo per deformare plasticamente il corpo in un corpo verde. I materiali plastici sono costituiti principalmente da polvere ceramica, legante, plastificante e solvente e il processo di preparazione delle materie prime è impegnativo. Il corpo in plastica contiene una quantità relativamente elevata di agente formante, ma generalmente non superiore al 30%. I metodi di formatura della plastica includono l'estrusione, la calandratura su nastro, lo stampaggio a iniezione e altri.
La formazione del liquame utilizza una sospensione ceramica fluida come materia prima. Oltre alle particelle di polvere, l'impasto liquido contiene anche acqua e disperdente. La formatura dell'impasto liquido comprende principalmente la colata a scorrimento, la colata in gel, la colata su nastro e altre.
Sia la formatura plastica che la formatura dei liquami appartengono ai processi di formatura a umido. Rispetto alla formatura a secco, i processi a umido possono controllare più facilmente l’agglomerazione delle polveri e ridurre il contenuto di impurità, producendo così prodotti ceramici con forme complesse.
Poiché i campi di applicazione della ceramica avanzata continuano ad espandersi, sono emerse una dopo l’altra nuove tecnologie come la deposizione centrifuga, la deposizione elettroforetica, la fusione per coagulazione diretta e la fabbricazione solida a forma libera.
03 Processi di sinterizzazione
I corpi verdi ceramici devono essere sinterizzati per ottenere una microstruttura densa. Essenzialmente, la sinterizzazione è un processo di mutua diffusione tra i diversi componenti della polvere. Rafforzando il legame tra le particelle, conferisce ai materiali ceramici una microstruttura uniforme, una forma stabile e una resistenza meccanica relativamente elevata. I processi di sinterizzazione comuni includono la sinterizzazione senza pressione, la sinterizzazione con pressatura isostatica a caldo, la sinterizzazione al plasma a scintilla e altri.
La sinterizzazione senza pressione consiste nella sinterizzazione di materiali a pressione atmosferica senza applicare pressione. Questo metodo viene generalmente eseguito sotto ossigeno o in un'atmosfera gassosa speciale. Durante la sinterizzazione senza pressione, il corpo verde formato non è soggetto a pressione esterna; l'aggregato di particelle di polvere viene semplicemente riscaldato a pressione atmosferica e trasformato in un corpo di grano legato.
La sinterizzazione a pressione di gas si riferisce all'applicazione di una determinata pressione di gas durante la sinterizzazione ad alta-temperatura della ceramica, nell'intervallo da 1 a 10 MPa (ovvero, da 10 a 100 atm), per eliminare la decomposizione e la perdita di peso dei materiali ceramici ad alte temperature. Ciò può aumentare la temperatura di sinterizzazione, promuovere ulteriormente la densificazione e produrre prodotti ceramici ad alta-densità.
La sinterizzazione-a caldo è un processo di densificazione che combina pressione meccanica e temperatura elevata. Applicando contemporaneamente pressione assiale e riscaldamento in uno stampo, si aumenta significativamente la forza motrice della sinterizzazione. Questo processo presenta tre vantaggi principali: ottenere una rapida densificazione, abbreviare il ciclo di sinterizzazione e migliorare notevolmente le proprietà meccaniche dei materiali. È particolarmente adatto per la preparazione di ceramiche ad alte-prestazioni.
La sinterizzazione con pressatura isostatica a caldo utilizza un gas inerte come mezzo e raggiunge la densificazione della ceramica ad alta temperatura e alta pressione costante. Per alcuni materiali ceramici con bassi coefficienti di auto-diffusione difficili da densificare mediante la sinterizzazione convenzionale, è possibile utilizzare la sinterizzazione con pressatura isostatica a caldo per aumentare la forza trainante per la diffusione. La sinterizzazione con pressatura isostatica a caldo soddisfa le condizioni di alta-pressione e alta-temperatura richieste per la sinterizzazione di ceramiche trasparenti e presenta vantaggi unici nella sinterizzazione di corpi verdi ceramici trasparenti.
La sinterizzazione al plasma Spark (SPS) utilizza il riscaldamento Joule diretto generato da una corrente continua pulsata, assistita da pressione meccanica. Grazie alle sue caratteristiche di sinterizzazione, può essere utilizzato per preparare rapidamente ceramiche a temperatura ultra-alta-. Per ceramiche a temperatura ultra-alta-come Ta2AlC, TaC e ZrB2-SiC, il processo SPS può ottenere tempi di sinterizzazione brevi, evidenti effetti di rafforzamento della grana fine, proprietà meccaniche significativamente migliorate e maggiore resistenza all'ossidazione.
Il processo di sinterizzazione a freddo, ad alta pressione, aggiunge un solvente transitorio alla polvere per favorire la riorganizzazione e la diffusione delle particelle, favorendo così la densificazione della polvere ceramica a una temperatura relativamente bassa e in un tempo relativamente breve. Questo processo crea la possibilità di sinterizzazione a bassa-temperatura per preparare ceramiche strutturali e funzionali ad alte-prestazioni. Attualmente, questo processo è stato applicato con successo alla preparazione e alla sinterizzazione di vari materiali, tra cui tipiche ceramiche a base di ossido, compositi ceramica/ceramica, ceramiche dielettriche a microonde, ceramiche ferroelettriche e piezoelettriche, elettroliti solidi, materiali termoelettrici e compositi nanomateriali ceramica/2D.
La tecnologia di sinterizzazione a pressione oscillatoria si basa sulla sinterizzazione a-pressa a caldo e trasforma la pressione costante in pressione dinamica. Attraverso la riorganizzazione delle particelle causata dalla pressione oscillatoria continua, aumenta la densità di impaccamento della polvere prima della sinterizzazione. Allo stesso tempo, la pressione oscillatoria fornisce una maggiore forza motrice per la sinterizzazione della polvere, contribuendo a promuovere la rotazione e lo scorrimento dei grani e il flusso plastico all'interno del corpo sinterizzato, accelerando così la densificazione del corpo verde. Questo processo è stato utilizzato nella preparazione di varie ceramiche strutturali e sono stati sviluppati con successo materiali ceramici ad alte-prestazioni come ZrO2, Al2O3 e Si3N4.