Tipi comuni di ceramica avanzata

Tipi di ceramica avanzata

1. Ceramica ossidica

• Allumina (Al₂O₃):

Tra tutte le ceramiche avanzate, l'allumina, o ossido di alluminio, è una delle opzioni più utilizzate ed economicamente vantaggiose. Rinomata per la sua notevole durezza, l'eccellente resistenza all'usura e l'eccezionale isolamento elettrico, trova ampia applicazione in substrati elettronici, guarnizioni meccaniche, impianti biomedici e utensili da taglio. La sua stabilità termica e la capacità di resistere alle alte temperature lo rendono un materiale ideale per la produzione di semiconduttori, dove è necessaria un'elevata rigidità dielettrica e robustezza meccanica.

• Zirconia (ZrO₂):

Lazirconia vanta un'eccellente tenacità, resistenza alla frattura ed elevata forza. Viene spesso definita "acciaio ceramico" per la sua proprietà unica di impedire la propagazione delle cricche e le sollecitazioni da impatto. In varie applicazioni, tra cui impianti dentali, cuscinetti ad alte prestazioni, strumenti da taglio e parti soggette a usura, la zirconia è stata ampiamente utilizzata. Per la sua biocompatibilità e qualità estetica, l'ossido di zirconio è particolarmente apprezzato per impianti medici e gioielli.

2. Ceramiche non ossidiche

• Nitruro di alluminio (AlN):

Ilnitruro di alluminio è un materiale con un'elevata conducibilità termica e un eccellente isolamento elettrico. È molto importante anche nell'elettronica ad alte prestazioni per le sue applicazioni nella gestione termica, come i dissipatori di calore, i substrati per l'elettronica di potenza e i componenti ottici. La sua capacità di dissipare efficacemente il calore, fornendo al contempo isolamento elettrico, lo rende indispensabile nei semiconduttori.

• Nitruro di silicio (Si₃N₄)

Il nitruro di silicio presenta eccellenti caratteristiche di durezza, resistenza all'usura e agli shock termici. È ampiamente utilizzato nelle parti aerospaziali e meccaniche, nei componenti dei motori, come materiale per utensili da taglio e nei cuscinetti ad alte prestazioni, grazie alle estreme sollecitazioni meccaniche e termiche sopportate dal materiale. La sua resistenza alle alte temperature lo rende ideale per i motori a turbina e altre applicazioni ad alto calore.

• Carburo di silicio (SiC):

Tra i materiali più duri conosciuti, il carburo di silicio è caratterizzato da un'estrema conducibilità termica, forza e resistenza all'abrasione. Questo materiale è utilizzato in materiali abrasivi, utensili da taglio, scambiatori di calore e dispositivi a semiconduttore. L'elevata stabilità termica e la resistenza del carburo di silicio lo rendono adatto all'applicazione nelle parti dei freni delle automobili e nelle armature in ceramica utilizzate nei settori militari.

• Nitruro di boro (BN):

Oltre alla conducibilità termica e alle proprietà lubrificanti della grafite, il nitruro di boro è un isolante elettrico. Il nitruro di boro si presenta in due forme. Il nitruro di boro esagonale, hBN, ha una struttura simile alla grafite e, come quest'ultima, è un isolante elettrico. Il nitruro di boro cubico (cBN) è il secondo materiale più duro, dopo il diamante, utilizzato negli utensili da taglio e nelle mole per la lavorazione di metalli e leghe temprati. Il cBN è utilizzato nei lubrificanti per alte temperature, come isolante termico e nelle applicazioni abrasive.

• Carburo di boro (B₄C):

Il carburo di boro è uno dei materiali più duri conosciuti, con una durezza che si colloca solo dopo il diamante e il nitruro di boro cubico. Il carburo di boro presenta un'eccellente durezza, bassa densità, elevata resistenza chimica e assorbimento di neutroni. Di conseguenza, il carburo di boro trova un notevole impiego nei settori della difesa, in particolare nella blindatura leggera dei veicoli militari e nelle armature personali. Le sue proprietà di assorbimento dei neutroni sono utili nei reattori nucleari, sia per le barre di controllo che per le schermature. Un'ampia gamma di applicazioni riguarda i materiali abrasivi, gli utensili da taglio e gli agenti lucidanti.

Tabella delle proprietà e dei dati di utilizzo

La seguente tabella riassume le proprietà principali e gli usi comuni dei materiali ceramici discussi.

Per ulteriori informazioni, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Domande frequenti

1. Qual è la differenza tra ceramiche avanzate e ceramiche tradizionali?

I materiali ceramici avanzati sono progettati appositamente per garantire proprietà meccaniche superiori, resistenza a un'ampia gamma di temperature e agli attacchi chimici. Tutte queste caratteristiche le rendono adatte ad applicazioni industriali critiche, mentre le ceramiche tradizionali sono normalmente utilizzate per applicazioni decorative e a basse prestazioni.

2. Perché la zirconia è preferita per gli impianti dentali?

La zirconia è utilizzata negli impianti dentali per la sua biocompatibilità, resistenza e tenacità alla frattura, oltre che per ragioni estetiche. La sua somiglianza con i denti naturali e la capacità di questo materiale di comportarsi come un dente, insieme alla sua elevata forza e resistenza alla frattura, lo rendono un materiale perfetto per le procedure dentali.

3. La ceramica di allumina può condurre l'elettricità?

No, le ceramiche di allumina sono eccellenti isolanti elettrici e trovano ampie applicazioni dove è richiesto l'isolamento elettrico, dai componenti elettronici ai substrati.

4. Perché il carburo di boro è un'ottima armatura?

L'estrema durezza, la leggerezza e la resistenza alla penetrazione rendono il carburo di boro un materiale ideale per fornire una protezione efficace contro le minacce balistiche sia nelle armature personali che in quelle dei veicoli militari.

5. Perché il carburo di boro viene utilizzato nei reattori nucleari?

Viene utilizzato nei reattori nucleari grazie alle sue proprietà di assorbimento dei neutroni, che lo rendono molto efficace come materiale per le barre di controllo e la schermatura dalle radiazioni. Ciò contribuisce a controllare le reazioni nucleari e a proteggere le apparecchiature sensibili.