Ceramica ingegneristica – La chiave per soluzioni industriali avanzate

Le ceramiche tecniche sono dure, materiali non metallici progettati per resistere a temperature estreme, dalle piastrelle di ceramica utilizzate sulle navette spaziali alle corone dentali. La ceramica tecnica ha molte applicazioni, dall'aerospaziale all'odontoiatria.

Le ceramiche tecniche avanzate sono costituite da ossidi puri, carburi e nitruri come l'allumina (Al2O3), carburo di silicio, SiC e zirconio, rendendoli difficili da lavorare senza conoscenze e attrezzature speciali da parte di professionisti dell'ingegneria ceramica.

Allumina

Allumina (ossido di alluminio, Al2O3) è una delle ceramiche tecniche più utilizzate. È altamente adattabile, difficile, e le proprietà isolanti lo rendono adatto a condizioni operative difficili che travolgerebbero le ceramiche più sofisticate, e lo troverai spesso in prodotti bianchi o componenti high-tech come rivestimenti di forni o crogioli.

Quando si lavora con ceramica di allumina, la loro microstruttura complessiva è determinata dalle materie prime utilizzate, processi produttivi impiegati e tecniche di modellatura utilizzate. Ciò in definitiva influisce sulla sua durata e precisione dimensionale.

Una volta ottenuta la forma e la dimensione desiderata, l'allumina può essere densificata mediante sinterizzazione. Ciò comporta il posizionamento dell'oggetto grezzo tenuto insieme dalla colla in un forno dove la diffusione atomica e molecolare riduce la porosità, producendo un prodotto più denso con maggiore resistenza e tenacia alla frattura.

Gli ingegneri spesso incorporano altri ingredienti nelle ceramiche a base di allumina a seconda dell'applicazione. Gli additivi comuni includono:

Silicio

Le ceramiche al nitruro di silicio presentano una bassa dilatazione termica e resistenza allo shock termico, con eccellenti proprietà di isolamento elettrico e zero problemi di corrosione e ossidazione. A causa di questi attributi, la ceramica al nitruro di silicio costituisce un eccellente materiale industriale; in particolare la loro capacità di resistere alle alte temperature li rende adatti per ugelli di combustione e fiamma, tubi jet e refrattari negli impianti di desolforazione dei fumi, cuscinetti/stampi in ceramica per la lavorazione dei metalli nonché parti di contatto che devono resistere all'attrito continuo contro particelle abrasive dure che scorrono in ambienti ad alta velocità/pressione – tutti i segni distintivi dell'uso di materiali di qualità!

Ceramica tecnica’ proprietà distintive hanno portato all'invenzione di molti nuovi prodotti innovativi utilizzati nella difesa nazionale, aerospaziale, industrie automobilistiche e dei macchinari – trasformare il mercato globale della ceramica in un $60 miliardi di affari!

Le proprietà del materiale ceramico sono determinate dalla sua chimica e microstruttura. Le loro prestazioni possono essere modificate variando tecniche di lavorazione o aggiungendo elementi alla struttura ceramica di base, con le sue proprietà modificate attraverso l'utilizzo di diverse tecniche di lavorazione o l'aggiunta di elementi alla sua struttura ceramica di base. Le particelle ceramiche su scala nanometrica influenzano anche il comportamento in massa in termini di composizione chimica e reattività, nonché di proprietà meccaniche come la resistenza alla frattura – secondo il modello Faber-Evans prevedeva che la tenacizzazione della ceramica aumenta con la deflessione della fessura o l'incurvamento delle particelle della seconda fase all'interno della loro matrice e con la distribuzione della morfologia delle particelle, proporzioni o spaziatura interparticellare – dando origine alle loro proprietà di tenacizzazione che contribuiscono notevolmente alla deflessione o all'incurvamento delle fessure, la deflessione/incurvamento della fessura viene ulteriormente migliorata dalla distribuzione dei fattori di morfologia/formato/spaziatura interparticellare delle particelle. L'indurimento è aumentato anche utilizzando varie tecniche di lavorazione che aggiungono elementi alla sua composizione/struttura/composizione ceramica di base.

Boro

Come studente di ingegneria ceramica, acquisirai esperienza pratica lavorando con vari materiali e processi. A partire dal secondo anno, seguirai quattro lezioni di laboratorio principali, prendere parte a progetti di ricerca universitari innovativi, accedere alle miniere’ negozio di vetro caldo nel campus per cicli di produzione e lavorare a stretto contatto con i consulenti della facoltà per sviluppare ceramiche nuove e migliorate per il tuo progetto di tesi senior.

La ceramica tecnica ha subito un rapido sviluppo negli ultimi decenni, offrendo una vasta selezione di materiali altamente versatili in grado di resistere a una vasta gamma di temperature e ambienti. Le loro proprietà dipendono sia dalla loro composizione, microstruttura e condizioni di utilizzo – rendendo ogni ceramica diversa a seconda della sua esatta composizione, microstruttura o condizioni di utilizzo.

I processi di sinterizzazione che formano i componenti ceramici svolgono un ruolo significativo nel modellare le loro caratteristiche fisiche finali. La crescita del grano gioca un ruolo fondamentale, incidendo sulla sua struttura finale e sulle prestazioni meccaniche; qualsiasi distribuzione granulometrica irregolare potrebbe alterare drasticamente sia le strutture che le proprietà meccaniche dei prodotti ceramici finali.

Il carburo di boro è un materiale indispensabile per applicazioni ceramiche ad alta sollecitazione come gli utensili da taglio, matrici e perforatrici da roccia, secondo solo al diamante in termini di durezza. Il carburo Boroni presenta inoltre eccellenti proprietà di conduttività termica e di isolamento elettrico che lo rendono il materiale ideale per dispositivi elettronici ad alta potenza e rivestimenti resistenti all'usura per apparecchiature minerarie e per la lavorazione dei minerali.

Boride

Il boro può migliorare significativamente la stabilità alle alte temperature degli ossidi metallici. Inoltre, questo materiale funge da fase ceramica di rinforzo nei compositi a matrice metallica; in particolare ceramiche in carburo di boro (BCN), carburo di afnio-tantalio (HfTaC), o zirconio da utilizzare come applicazioni di protezione dall'usura.

Le ceramiche contenenti boro possono essere fragili, tuttavia la loro maggiore resistenza alla frattura consente loro di assorbire una maggiore energia d'impatto senza rompersi. Inoltre, questi materiali offrono un'eccellente resistenza chimica e prestazioni all'abrasione consentendo loro di sostituire i metalli duri in molte applicazioni.

A causa delle loro proprietà di legame ionico o covalente, la maggior parte delle ceramiche non presenta deformazioni plastiche a temperatura ambiente e quindi possiede meno duttilità rispetto ai metalli. Ciò nonostante, la ceramica può ancora mostrare deformazioni plastiche significative a temperature più elevate dove i meccanismi di frattura differiscono significativamente da quelli dei metalli.

Le ceramiche a base di boro combinano un basso peso specifico con una forte resistenza meccanica per renderle attraenti per l'uso in molte applicazioni diverse. La loro resistenza all'usura consente loro di sostituire i metalli duri nei mezzi trasportati ad alte velocità, pressioni o velocità di cavitazione; migliorare l’efficienza e la durata delle attrezzature per l’estrazione e la lavorazione dei minerali, nonché i sistemi di raccolta delle polveri per l’estrazione, macinazione, sistemi di trasporto e raccolta polveri. Inoltre, questi materiali possono aumentare l'affidabilità dell'olio & industrie del gas e chimiche attraverso parti rotanti strutturali realizzate con queste ceramiche.