Scienza e ingegneria dei materiali Antonio Licciulli · Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei...
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I ceramici avanzati
Scienza e ingegneria dei materiali Antonio Licciulli
I Ceramici avanzati (advanced ceramics, fine ceramics)
Definizione ISO: Highly engineered, high performance, predominantly non metallic, inorganic material having specific functional attributes
possono essere considerati una “Enabling technology” La crescita esponenziale del settore ceramici avanzati è dovuta a:sviluppo di applicazioni che richiedono materiali altamente sviluppatii progressi nelle tecnologie di processo che consentono di ottenere materiali altamente ingegnerizzati
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Ripartizione secondo composizione
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Ripartizione secondo funzione
Structural Wear parts, bioceramics, cutting tools, and engine components
Electrical Capacitors, insulators, substrates, integrated circuit packages, piezoelectrics, magnets and superconductors
Chemical and environmental Filters, membranes, catalysts, and catalyst supports
Coatings Engine components, cutting tools, and industrial wear parts
Func
tion
al
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materialiAntonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Mercato dei ceramici avanzati negli USA
Il mercato per il 2000 per i ceramici avanzati è stato di circa 10.ooo milioni di dollari ripartiti secondo la torta
(T. Abraham)
10,2
2069,8
elettronicastrutturalirivestimenti
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Ceramici avanzati strutturali
Esempi: Allumina Nitruro di silicio,
zirconia, Carburo di silicio compositi ceramici,
Proprietà: Durezza, resistenza allo
scorrimento viscoso, resistenza all’abrasione, lubrificazione solida, resistenza alle alte temperature
Applicazioni: Turbine a gas, macchine utensili,
forni ad alta temperatura, Anelli di tenuta, Barriere termiche, Elettrodi per alta temperatura
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Mercato USA dei ceramici strutturali
Il mercato dei ceramici strutturali negli USA nel 1990 valeva 350 milioni di dollari
4,311,4
4,3
42
25,7
11,4
motoriutensiliabrasivienergiaaerospazio, difesabioceramici
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Proprietà dei materiali
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Lavorabilità dei vetroceramici
La lavorabilità è alle macchine utensili è dovuta alla presenza di cristalli di fluoromica
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Mercato USA dei rivestimenti ceramici
Il mercato dei rivestimenti (coatings) negli USA nel 1990 valeva 371 milioni di dollari
35,55
0,99
7,25
54,32
1,89
motori e turbineMotori per aerospazioIndustriaScambiatori di caloreInserti, utensili da taglio
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Ceramici per elettronica
Esempi: allumina, Ossido di stagno, carburo di
silicio, ossido di bario e magnesio, Ferriti
Proprietà: Isolanti e conduttori, Semiconduttori,
Dielettrici piezoelettrici, superconduttori, conduttori ionici
Applicazioni: Resistenze, capacità, sensori e
trasduttori, Ricevitori antenne. Le candele per l’accensione del combustibile nel motore a scoppio furono inventate nel 1860.
Piezoceramici prodotti presso l’Università di Lecce
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Mercato USA degli elettroceramici
Il mercato dei ceramici per elettronica nel 1990 negli USA valeva 2.862 milioni di dollari così ripartiti
24,4
0,110
3,7
61,8
Isolanti e substrati per ICPiezoelettriciMagneti ferriticiSuperconduttoriCapacità
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Refrattari
Esempi: Mullite, cementi alluminosi,
ossido di magnesio, Carburo di silicio, Ossido di Berilio
Proprietà: resistenza agli sbalzi termici,
Isolamento, Conducibilità
Applicazioni: costruzione di forni, fonderie,
industria del vetro,
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Resistenza vs temperatura
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Zeoliti
Sono impiegate nella catalisi, per l’assorbimento, per lo scambio ionico come detergentiIl consumo annuo di zeoliti sintetiche è 106 tonnellateIl consumo mondiale in tonnellate (1994) è riportato sotto
100000
115000
1050000
detergenticatalisiassorbimento
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Abrasivi
Esempi: quarzo, diamante, allumina,
carburo di titanio
Proprietà: Durezza, resistenza
all’abrasione, Assenza di deformazione plastica. Resistenza alle alte temperature quindi alte velocità di lavorazione dell’utensile
Applicazioni: taglio, lappatura, macinazione Miglioramento delle performance
di un ordine di grandezza rispetto agli utensili metallici, Freni, Pulitura dei denti
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali
Ceramiche per ottica
Esempi: SiO2, TiO2, MgO, CdS, Y2O3
Proprietà: Trasparenza, trasmissione,
polarizzazione, fluorescenza, fotosensibilità,
Applicazioni: Lenti, fibre ottiche, diodi, sensori
ottici, laser, amplificatori ottici, dispositivi ottici a controllo ottico (fotonica). Nel 1870 Thomas Edison inventa
la lampadina a bulbo
Tipo di risposta tissutale
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Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali
Bioceramici
Ceramici per uso biologico, si dividono nelle seguenti categorie:
1) Bioinerti (Al2O3, carbonio vetroso) non provocano e non subiscono reazioni con il mezzo fisiologico a contatto
2) Riassorbibili (idrossiapatite) materiali di riempimento che rendono possibile durante e dopo la loro dissoluzione, la riformazione dei tessuti
3) Bioattivi (e.g. biovetro) incrementano i finomeni di aderenza, ad esempio tramite la stimolazione della ricrescita ossea
I materiali dentali
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Rigidità vs. leggerezza
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Resistenza vs. densità
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Mercato USA dei rivestimenti ceramici
Il mercato dei rivestimenti (coatings) negli USA nel 1990 valeva 371 milioni di dollari
35,55
0,99
7,25
54,32
1,89
motori e turbineMotori per aerospazioIndustriaScambiatori di caloreInserti, utensili da taglio
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Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali
Ceramici per elettronica
Esempi: allumina, Ossido di stagno, carburo di
silicio, ossido di bario e magnesio, Ferriti
Proprietà: Isolanti e conduttori, Semiconduttori,
Dielettrici piezoelettrici, superconduttori, conduttori ionici
Applicazioni: Resistenze, capacità, sensori e
trasduttori, Ricevitori antenne. Le candele per l’accensione del combustibile nel motore a scoppio furono inventate nel 1860.
Piezoceramici prodotti presso l’Università di Lecce
Mercato USA degli elettroceramici
Il mercato dei ceramici per elettronica nel 1990 negli USA valeva 2.862 milioni di dollari così ripartiti
24,4
0,110
3,7
61,8
Isolanti e substrati per ICPiezoelettriciMagneti ferriticiSuperconduttoriCapacità
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Refrattari
Esempi: Mullite, cementi alluminosi,
ossido di magnesio, Carburo di silicio, Ossido di Berilio
Proprietà: resistenza agli sbalzi termici,
Isolamento, Conducibilità
Applicazioni: costruzione di forni, fonderie,
industria del vetro,
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Resistenza vs temperatura
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Ceramici porosi
Esempi: Zeoliti, Carbone attivo, Gel di
silica
Proprietà: micro, meso, macro porosità
Applicazioni: filtrazione, ultrafiltrazione,
decontaminazione aria e liquidi, isolamento termico
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Zeoliti
Sono impiegate nella catalisi, per l’assorbimento, per lo scambio ionico come detergentiIl consumo annuo di zeoliti sintetiche è 106 tonnellateIl consumo mondiale in tonnellate (1994) è riportato sotto
100000
115000
1050000
detergenticatalisiassorbimento
Setacci molecolari e membrane
The membrane is a barrier that allows the selective transport of mass between two phases
PERMEATION MECHANISMS
PORE
DENSE
PROTON CONDUCTING MEMBRANES
MOLECULAR SIEVE
BULK
Membrane ceramiche e separazione
dell’idrogeno
Uno dei sistemi più promettenti per la generazione di idrogeno da combustibili fossili è il Syngas
Development of proton conducting membranes, for hydrogen separation deriving from the gasification of coal. The membranes must:operate at high temperature (600-900°C)be stable in CO2-containing environmentsachieve optimal thermostructural properties
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The amount of protonic charge transported depends:dopant concentrationnumber of oxygen vacanciesambient conditionstemperature
Perovskite proton membranes for hydrogen separation
The driving-force of proton and electron conductivity through the membrane is the carrier concentration gradient.
The perovskites are oxides with structure of ABO3-type.
GENERATION OF PROTON CARRIERS INTO THE PEROVSKITE CERAMIC
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Abrasivi
Esempi: quarzo, diamante, allumina,
carburo di titanio
Proprietà: Durezza, resistenza
all’abrasione, Assenza di deformazione plastica. Resistenza alle alte temperature quindi alte velocità di lavorazione dell’utensile
Applicazioni: taglio, lappatura, macinazione Miglioramento delle performance
di un ordine di grandezza rispetto agli utensili metallici, Freni, Pulitura dei denti
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Ceramiche per ottica
Esempi: SiO2, TiO2, MgO, CdS, Y2O3
Proprietà: Trasparenza, trasmissione,
polarizzazione, fluorescenza, fotosensibilità,
Applicazioni: Lenti, fibre ottiche, diodi, sensori
ottici, laser, amplificatori ottici, dispositivi ottici a controllo ottico (fotonica). Nel 1870 Thomas Edison inventa
la lampadina a bulbo
Tipo di risposta tissutale
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Bioceramici
Ceramici per uso biologico, si dividono nelle seguenti categorie:
1) Bioinerti (Al2O3, carbonio vetroso) non provocano e non subiscono reazioni con il mezzo fisiologico a contatto
2) Riassorbibili (idrossiapatite) materiali di riempimento che rendono possibile durante e dopo la loro dissoluzione, la riformazione dei tessuti
3) Bioattivi (e.g. biovetro) incrementano i finomeni di aderenza, ad esempio tramite la stimolazione della ricrescita ossea
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I materiali dentali
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Advanced ceramics for
biomedical applications
Our university has developed advanced ceramics suitable for dental restoration and prosthesis
Zirconium oxide, bioactive glass, titania, hidroxyapatite On 2009, after years of experimental activities Salentec (Spin Off of Unisal) is applying for certification of its dental and bone replacement
CAD CAM for dental prosthesis
Virtual sculpturing
Sintering
3D scanning
Bridges, implant, caps and occlusions
CAD CAM
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Excellence from microstructure
Tank to a high optimization and control on material microstructure Salentec has obtained superior mechanical propertiesTank to the forming process of presintered blocks a reduced sintering shrinkage
Ingegneria di superficie su fibre tessili
Silver nanoparticles are well dispersed on the surfaces of specimens
The particles are very small (20-50 nm) with narrow distribution..
• (Thornton JM. (1981) "Disulphide Bridges in Globular Proteins", Journal of Molecular Biology, 151, 261-287
E. Coli Celle treated withcon 50µg cm−3 nanoparticecles d’Ag
Why silver is an antibacterial ?
Silver works as a catalyst for oxidation reaction:Denaturation of the sulfide bonds in bacteria proteins Oxygen generating from air or water which destroys the cell wall membranes of bacteria.
It acts as a catalyst, it only "switches" a reaction on and does not pollute the environment
The nanosilver technology
•Antibacterial properties are emphasized by the size of the silver particles
•Surface area 1/l •
•Silver particles are evenly dispersed on the fibers
•A strong adhesion and durability of the silver coating is the result of in situ photoreduction process
Ɣ l
Padova, 27th-28th Nov 2008 SILVERTECH Slide 4/ 23
Antibacterial synthetic textiles
Actual technologyMost antibacterial textiles are produced starting from blends of antibiotic or silver and polymer Only the silver on the surface expresses antibacterial activity
Our TechnologySilver is just deposited in the form of nanocluster on the surfaceMinor production costs and improved antibacterial effect
Testing functional properties
Untreated cotton yarn
Kanamicina antibiotic soaked yarn
Silvertech X-static
Antibacterial activity: none Antibacterial
activity: good
Antibacterial activity: very good
Antibacterial activity: sufficinente
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Rivestimenti mediante plasma spray
Processi che permettono di depositare un rivestimento partendo da uno spray liquido del materiale di riporto.
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Struttura del corindone (α − Al2O3)
Nel corindone gli ioni O2- occupano le posizioni della cella EC Data la disparità delle cariche, e dato che l’alluminio occupa le posizioni ottaedriche, solo 2/3 delle posizioni ottaedriche sono occupate Questo genera una distorsione del reticolo (disposizione non simmetrica)
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I conduttori protonici: le β allumine
Le β allumine sono i più celebri conduttori protonici.
La loro struttura si compone di strati di 1nm di spessore di ossido di allumina in coordinazione ottaedrica separati da piani contenenti ioni Na+ e O2-
Possono raggiungere conducibilità di 1Sm-1 a temperatura ambiente e 30Sm-1 a 300°C.
L’anisotropia del meccanismo di conduzione protonica è l’elemento intrinsecamente limitante
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Carta d’identità dell’allumina
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Il processo Bayer per la produzione di Al2O3
44 milioni di tonnellate di allumina prodotte per anno (9billiondollars, 200$/tonn)In temperatura e pressione di genera una sospensioni di ioni di alluminio.La sospensione di ioni di alluminato sodico viene raffreddata e fatta precipitare dopo la separazione dai fanghi.
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Digestione della Bohemite
L’allumina viene digerita tra 100°C e 260°C in alta pressione e concentrazione di soda (3-5,6M)
Le reazioni chimiche di “digestione della bohemite”i.e. formazione di una sospensione di anioni contenenti alluminio
2NaOH + Al2O3.3H2O >> 2NaAlO2 + 4H2O2NaOH + Al2O3.H2O >> 2NaAlO2 + 2H2O
Trattamento dei fanghi del processo Bayer
I fanghi precipitati con un flusso d’acqua in contro corrente che estrae la soda e l’allumina Carbonato di calcio viene aggiunto al fango per rimuovere i carbonati di sodio che si formano per reazione con le impurezze della bauxite.
Na2CO3 + Ca(OH)2 >> CaCO3 + 2NaOH
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Riprecipitazione dell’allumina
Allumina in sospensione viene riprecipitata sotto forma di Al2O33H2O con la reazione inversa dalla digestione:
2NaAlO2 + 4H2O >> Al2O3.3H2O + 2NaOH
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Le Allumine secondo purezza
Low soda alumina - in molte applicazioni elettroniche è richiesto un basso contenuto di soda. Un’ allumina di questo tipo contiene in genere una percentuale di soda inferiore allo 0,1% in peso, si produce con lavaggi in acido o addizionando cloro.
High purity alumina - ha una purezza del 99,9%, prodotta utilizzando attivazioni e lavaggi successivi oppure calcinando il solfato di ammonio tramite ricristallizzazioni successive. Può altresì essere prodotta tramite la reazione del metallo con l’alcool, la purificazione dell’alcossido di alluminio tramite distillazione e la successiva idrolisi e calcinazione. Tipicamente utilizzata per laser e zaffiri per le finestre del laser
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Allumine secondo il trattamento termico
Smelter grade alumina (Allumina da fonderia) -allumina che si usa per la produzione dell’alluminio metallico. Il trattamento termico fino a 600°C permette l’evacuazione dell’acqua libera e di quella chimicamente legata.
Calcined alumina - è l’idrossido di alluminio trattato ad una temperatura superiore ai 1100°C, utilizzato in una vasta gamma di applicazioni nel campo dei refrattari.
Fused alumina - prodotta nei forni ad arco elettrico, il calore generato dal passaggio dell’elettricità fonde l’allumina. L’allumina fusa ha alta densità, bassa porosità e bassa permeabilità, e grazie a queste caratteristiche è impiegata per la produzione di abrasivi e refrattari.
Allumina reattiva e tabulare
Le allumine calcinate si suddividono a loro volta in base alla loro reattività:
Reactive alumina è il nome tipicamente usato per un’allumina relativamente pura con una dimensione del grano inferiore ad 1µm. Utilizzata dove è richiesta una buona resistenza all'usura, alle alte temperature e buona finitura superficiale.
Tabular alumina - è l’α-allumina ricristallizzata o sinterizzata, così chiamata perché costituita da grandi cristalli piani (tabulari) di corindone (50-500µm). Prodotta portando l’allumina calcinata appena al di sotto del punto di fusione (1750-1800°C) in forni ad albero.
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Applicazioni vs dimensioni cristalline e purezza
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Struttura cristallina della mullite
La mullite è ortorombica. La sua struttura è data dal concatenarsi di ottaedri AlO6 che si trovano agli spigoli e al centro della cella elementare, parallelamente all’asse c, uniti da catene di tetraedri (Al,Si)O4. Si trova raramente in natura, è l’unico composto stabile nel diagramma di stato silice-allumina. Uno degli scarsi giacimenti naturali si trova nell’isola di Mull (scozia), da cui
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Classificazione dei composti silice/allumina
Dinas
Siliciosi
SilicoAlluminosi
KyaniticiSillimanitici
Mullitici
Bauxitici
Corindonici
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Refrattarietà della mullite
La mullite è un buon refrattario: elevata temperatura di fusione (ca1890°C); scarsa deformazione sotto carico grazie ad una elevata resistenza allo scorrimento viscoso;limitata espansione termica, che garantisce una buona resistenza allo shock termico;ottima resistenza alla corrosione.
La mullite viene anche usata nella realizzazione di substrati per circuiti integrati, grazie alle favorevoli proprietàdi espansione termica e di costante dielettrica, e come finestra trasparente alle radiazioni del medio-IR(3-5 µm) e alla luce visibile, in condizioni di lavoro termicamente, meccanicamente e chimicamente ostili.
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Stabilità termica della mullite ingegneristica
I lenti meccanismi di diffusione che rendono difficile la sua densificazione impartiscono, d’altro canto, eccellente stabilità microstrutturale ad alta temperatura. La mullite ingegneristica, che ha limitatissima quantità di fase vetrosa a bordo di grano o addirittura nulla, vede un ridottissimo effetto del degrado di proprietà indotto dallo scorrimento a bordo di grano e dalla microfessurazione.
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Carta d’identità della mullite
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Proprietà termostrutturali
La mullite mostra un aumento di resistenza in temperatura (a circa 1300°C) in campioni contenenti della fase vetrosa. Questo picco di resistenza è eliminabile in componenti che contengono silice amorfa, a seguito di un trattamento termico a 1500°C che induce la cristallizzazione di cristobalite.Questo effetto sembra pertanto associabile ad una qualche forma di rilascio delle sollecitazioni promossa da flusso viscoso della fase vetrosa localizzata a bordo di grano.
Resistenza a per una mullite prima (cerchi bianchi) e dopo (cerchi neri) trattamento a 1500°C per 96-120 h
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Fluorite (CaF2) e zirconia
Nella fluorite gli ioni Ca2+ occupano le posizioni del reticolo CFC, mentre gli ioni F- occupano tutte e otto le posizioni tetraedriche
Altri composti che hanno questa struttura sono ZrO2, UO2, BaF2, AuAl2, PbMg2
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Struttura dello spinello: MgAl2O4
Nello spinello, gli ioni ossigeno formano un reticolo CFC Gli ioni di Mg e di Al occupano sia le posizioni ottaedriche che le tetraedriche a seconda del tipo di spinello La formula generale degli spinelli è AB2O4 dove A è uno ione metallico a valenza +2 e B uno ione metallico a valenza +3
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Spinello policristallino trasparente
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La cordierite
Cordierite is a magnesium iron aluminium cyclosilicate. Iron is almost always present and a solid solution exists between Mg-rich cordierite and Fe-rich sekaninaite Formula: (Mg,Fe)2Al3(Si5AlO18)
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Carta d’identità della cordierite
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Le marmitte catalitiche
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Le marmitte catalitiche
Since 1981, three-way catalytic converters have been used in vehicle emission control systems in North America and many other countries on roadgoing vehicles. A three-way catalytic converter has three simultaneous tasks:
Reduction of nitrogen oxides to nitrogen and oxygen: 2NOx → xO2 + N2
Oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide: 2CO + O2 → 2CO2
Oxidation of unburnt hydrocarbons (HC) to carbon dioxide and water: CxH2x+2 + [(3x+1)/2]O2 → xCO2 + (x+1)H2O
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La silice fumata
La silice fumata (Fumed silica) è una polvere nanometrica prodotta dall’idrolisi in fase vapore del tetracloruro del silicio in una fiamma di ossigeno e idrogeno.
Il processo di combustione crea molecole di ossido di silicio che condensano a formare particelle di dimensioni nanometriche.
The particles collide, attach and sinter together in a three-dimensional branched chain aggregate with a length of approximately 0.2–0.3 microns.
Cabosil M5, CABOT properties: Surface area 200 ± 25 m2/g, Particles nominal diameter 5 – 30 nm average 15nm
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Impurezze
La presenza di difetti puntuali aumenta notevolmente la conducibilità e la diffusività del materialeImpurezze sostituzionali o interstizialiIn un solido purissimo all’equilibrio sono presenti circa 1012 atomi di impurezze per cm3
Le impurezze occupano posizioni interstiziali e distorcono il reticolo (siano più grandi o più piccole)La presenza di impurezze modifica le proprietà fisiche dei materiali
Zirconia
La zirconia non modificata presenta a pressione atmosferica tre fasi polimorfe: Monoclina (baddelite): stabile
fino a 1170°C; Tetragonale: stabile fino a
2370°C; Cubica: stabile fino alla
temperatura di fusione pari a 2680 °C.La transizione T-M comporta
un’espansione del 5% in volume
2500
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Strutture cristalline della zirconia
A pressione atmosferica la zirconia presenta tre polimorfi: Cubico (2200°C) questa forma è ritenuta a temperatura ambiente ad alte concentrazioni (>20%) di ossidi aggiunti (CaO, MgO, Y2O3) Tetragonale: a maggiore temperatura (1150°C) lo ione ossigeno si espande più dello ione zirconio che guadagna coordinazione 6 e la forma tetragonale del rutilo.La trasformazione tetragonale-monoclino è di tipo martensitico (struttura aghiforme nelle tre direzioni) con notevole aumento di volume (3-5%)Una dispersione di particelle di fase tetragonale può essere resa stabile con piccole aggiunte di ossidi modificatori (CaO, MgO, Y2O3 ~5%)
Monoclino con struttura distorta rispetto alla fluorite (cubica a facce centrate) con il catione zirconio coordinato a t atomi di ossigeno Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Zirconia
La zirconia non modificata presenta a pressione atmosferica tre fasi polimorfe: Monoclina (baddelite): stabile
fino a 1170°C; Tetragonale: stabile fino a
2370°C; Cubica: stabile fino alla
temperatura di fusione pari a 2680 °C
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Zirconia stabilizzata con MgO
Se una miscela al 9% molare di MgO viene sinterizzata a circa 1800°C, Poi viene raffreddata
rapidamente a temperatura ambiente , avrà una struttura cubica completamente metastabile
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Trasformazioni polimorfiche nella zirconia
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Zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ)
Riscaldando nuovamente a 1400°C e tenendo a questa temperatura per un periodo sufficiente, si forma un precipitato submicroscopico fine metastabile a struttura tetragonale. Questo forma è nota come zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ)La zirconia tetragonale si origina sotto
forma di cristalliti allungati e orientati Le loro dimensioni sono inferiori alle
dimensioni critiche che consentono la trasformazione tetragonale – monoclino e rimangono non trasformati Quando la matrice è sottoposta ad uno
stress che tende a dilatarla si attua la trasformazione t-m
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Tenacizzazione per trasformazione t-m
Una cricca che si propaga introduce degli stress di trazione Sotto l’azione di sforzi che provocano
piccole cricche nel materiale ceramico, la fase tetragonale si trasforma nella fase monoclina, La trasformazione provoca
un’espansione volumetrica del precipitato che ritarda la propagazione della cricche con un meccanismo di chiusura della cricca. La tenacizzazione consiste in questo
fenomeno di ostacolazione dell’avanzamento delle cricche,
Microstruttura della zirconia PSZ
La zirconia tetragonale si origina sotto forma di cristalliti allungati e orientati Le loro dimensioni sono inferiori alle
dimensioni critiche che consentono la trasformazione tetragonale – monoclino e rimangono non trasformati Quando la matrice è sottoposta ad
uno stress che tende a dilatarla si attua la trasformazione t-m
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Tenacizzazione per trasformazione t-m
Una cricca che si propaga introduce degli stress di trazione che inducono la trasformazione t-m Il tempo di annealing controlla
le dimensioni della fase t precipitata: esiste una dimensione ideale per la tenacizzazione
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Tenacizzazione per microcriccatura nella ZTA
Nel sistema allumina/zirconia, microcricche sono indotte dalla incorporazione di ZrO2 in Al2O3 a causa della transizione tetragonale monoclino.
Le particelle di zirconia superiori alla dimensione critica di trasformazione T-M, durante il raffreddamento generano stress che inducono microcricche nella matrice; Queste microcricche assorbono energia
quando una cricca macroscopica si sta propagando, incrementando la tenacità del materiale; Si raggiunge la condizione ottimale
quando le particelle sono abbastanza grandi da causare il microcracking, ma comunque piccole per non avere cricche distruttive nella matrice. Il range di grandezze si aggira intorno 1,25 µm
ZrO2 Al2O3
Manufatti in zirconia
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La zirconia cubica stabilizzata
Gli elementi che stabilizzano la struttura cubica della zirconia sono cationi con raggio ionico leggermente maggiore del Zr4+ (r8 = 84pm) e con valenza inferiore (2,3):Ce3+ (r8 = 114pm) , Ca2+ (r8 = 112pm), Y3+ (r8 = 101pm)
Per la stabilizzazione completa della fase cubica sono richieste frazioni di modificatori >13% molare. Tuttavia la quantità di modificatore utilizzato è generalmente pari a
7-8% in quanto una frazione minoritaria di fase monoclina migliora le proprietà meccanica e di resistenza agli shock termici
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Conduzione anionica nella Zirconia cubica stabilizzata
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Schema di funzionamento di una SOFC in zirconia
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Funzionamento di una cella a combustibile ceramica
Anodo: H2 + O=→ H2O + 2e-
CO + O= → CO2 +2e-
Catodo: O2 + 4e- → 2O=
Complessivamente :H2 + ½ O2 → H2O
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Struttura di CaTiO3
Nella perovskite gli ioni Ca2+ e gli O2- formano una cella CFC con gli ioni Ca2+ agli angoli della cella elementare e gli O2- nei centri delle facce Lo ione Ti4+ è nella posizione
interstiziale ottaedrica al centro della cella Altri composti con questa
struttura sono SrTiO3, CaZrO3, SrZrO3
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
q Temperatura di Curie abbastanza alta (oltre i 300 °C)
q Al di sopra della TCurie la cella unitarie è cubica e simmetrica
q Al di sotto della TCurie la struttura è distorta, con un momento di dipolo
Struttura perovskitica
Cella elementare del PZT (perovskite)
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Polarizzazione dei piezoceramici
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Diagramma di fase del PZT
Soluzione solida di PbZrO3 ortorombico (52÷54%) e di PbTiO3 tetragonale (48÷46%)
Diagramma di fase di titanato e zirconato di Piombo
PIEZOELETTRICITA’
La piezoelettricità è la capacità di alcuni materiali cristallini di manifestare una carica elettrica se sottoposti a stress meccanico oppure di deformarsi se sottoposti ad un campo elettrico
Effetto piezoelettrico diretto:
Effetto piezoelettrico inverso:
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali
Il diamante
Lutz Tautenhahn 1/99
Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali
Struttura del ZnS
Nel solfuro di zinco il rapporto dei raggi è 0.402 In questo caso lo Zn deve occupare
i siti tetraedrici L’equilibrio delle cariche richiede che
metà dei siti tetraedrici siano occupati Gli atomi di S costituiscono una cella
CFC, e gli atomi di Zn occupano metà dei siti tetraedrici Altri composti che hanno questa
struttura sono CdS, InAs, InSb, ZnSe
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Legami misti del carbonio
La grafite è la forma cristallina stabile del carbonio, ha struttura lamellareGli atomi nei piani esagonali sono uniti da legami covalenti (distanza 1.42A)Le forza tra i piani sono di tipo Van der Waals (distanza 3.6A)Per questo i piani scorrono facilmente gli uni sugli altri
Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali
Grafite
La grafite è la forma cristallina del carbonio L’atomo di carbonio si trova nella
ibridazione sp2
La grafite ha struttura stratificata In ogni strato legami covalenti
creano delle celle esagonali I diversi starti sono tenuti insieme
da legami secondari Lo scorrimento dei piani conferisce
alla grafite proprietà lubrificanti
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Fabbricazione delle fibre di carbonio
Antonio Licciulli Scienza e tecnologia dei materiali
Superconduttore Ceramico
Nell’ossido di mercurio bario calcio e rame, i piani formati dagli atomi di rame e ossigeno formano autostrade a scorrimento veloce per gli elettroni al di sotto di 134K.
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La sintesi di polveri di Carburo di Silicio
Il SiC è un materiale sintetico (si trova solo in forma esagonale nelle meteoriti ferrose)
Il processo commerciale più consolidato è il processo AchesonPrecursori: SiO2 e coke ma vanno bene zucchero crusca di risoLe polveri si dispongono in un tunnel alle cui estremità vengono posti 2 elettrodi di carbonioSi applica una corrente che porta il core a 2200°C per 36-40 oreAvviene la reazione di riduzione carbotermica:
SiO2 + C → SiC + CO2
Il core conterrà SiC esagonale molto pura la parte intermedia è meno pura ed usata per abrasisi la parte esterna alla prossima informata