STEM Hands-On: prova di durezza e abrasione dei materiali ceramici

Introduzione

I materiali ceramici sono noti per la loro forza e resistenza all'usura. I materiali ceramici sono utilizzati per oggetti di uso quotidiano come piastrelle, stoviglie e componenti di motori. La loro affidabilità deriva dalla durezza e dalla resistenza all'usura. La verifica di queste proprietà è una parte pratica dell'educazione scientifica e ingegneristica. Utilizzando tecniche consolidate, è possibile misurare la durata della ceramica in laboratorio.

Conoscere i materiali ceramici

Leceramiche sono solidi inorganici non metallici. Di solito vengono prodotti riscaldando le materie prime ad alte temperature. Questi materiali hanno una struttura cristallina. Questa struttura conferisce alla ceramica qualità uniche. Ad esempio, molte ceramiche sono resistenti al calore e all'usura. Spesso non conducono elettricità, il che li rende utili come isolanti.

I materiali ceramici più comuni sono l'allumina, la zirconia e il carburo di silicio. I dati di vari studi mostrano che l'allumina può avere una durezza di circa 15 sulla scala Mohs. L'ossido di zirconio presenta generalmente un'eccellente tenacità e un tasso di usura inferiore rispetto ad altre ceramiche. Nell'uso quotidiano, gli ingegneri possono scegliere la zirconia per i componenti che devono gestire le sollecitazioni e l'usura da contatto.

Ingegneri e tecnici si affidano da tempo alla ceramica, ad esempio per i dischi dei freni e gli utensili da taglio. Nell'edilizia, le piastrelle di ceramica sono comuni perché resistono all'abrasione da calpestio. I test accademici spesso utilizzano materiali noti come standard per calibrare gli strumenti utilizzati nei test di durezza e abrasione.

Un esperimento in classe potrebbe prevedere il confronto delle proprietà di diverse ceramiche. Ad esempio, si potrebbe misurare la durezza superficiale di un campione di allumina rispetto a quella della zirconia. Si tratta di una sessione pratica che collega la teoria alle misurazioni pratiche.

Test di durezza

La durezza è una misura della resistenza alla deformazione plastica localizzata. In termini pratici, le prove di durezza sulla ceramica indicano fino a che punto un utensile o un oggetto può graffiare o premere sulla superficie. Una delle prove di durezza più comuni è il test di durezza Vickers. In questo metodo, un penetratore a piramide di diamante viene premuto nel materiale con una forza controllata. La dimensione dell'impronta viene misurata successivamente.

Un altro metodo comune è il test di durezza Knoop. Questo test utilizza un penetratore in diamante che produce un segno allungato. La scelta tra i due metodi dipende dalle dimensioni del campione e dalla natura del materiale ceramico. Un esempio pratico del nostro laboratorio prevedeva l'utilizzo del metodo Vickers su un campione di zirconia. Sotto una forza di 9,8 newton, è stata misurata l'incisione e calcolato il valore di durezza. I valori di durezza misurati erano generalmente compresi tra 1200 e 1600 numeri di durezza Vickers. Tali numeri indicano un'elevata resistenza alla deformazione.

La prova di durezza richiede un'attenta preparazione del campione. La superficie deve essere liscia e pulita. Eventuali crepe o impurità superficiali possono portare a misurazioni errate. In un'esperienza in classe, un tecnico senior ha sottolineato che il primo passo è sempre quello di lucidare la superficie. Questa semplice operazione fa una grande differenza nell'affidabilità dei risultati.

Test di resistenza all'abrasione e all'usura

Il test di abrasione misura la resistenza all'usura di un materiale. Quando si esegue il test di abrasione, si sottopone la ceramica all'attrito e si confronta la velocità con cui la superficie si consuma. Un metodo standard è il Taber Abrasion Test. In questo test, una ruota abrasiva rotante viene premuta contro la superficie della ceramica. L'usura viene misurata in base alla perdita di peso del campione dopo un determinato numero di cicli.

Un altro metodo utilizza un tester di usura alternativo. Il campione di ceramica viene posizionato su una piattaforma mobile mentre viene applicata una forza costante su un materiale abrasivo. Il metodo è semplice e fornisce dati chiari. Ad esempio, i test su un campione di carburo di silicio hanno mostrato una perdita di peso di soli 0,05 grammi dopo 1000 cicli. Ciò indica che il materiale resiste bene all'abrasione.

Gli ingegneri utilizzano da tempo questi test sia per la ricerca che per il controllo qualità. Nel caso industriale, i produttori di ceramiche dentali hanno utilizzato i test di abrasione per garantire che corone e ponti possano resistere all'usura dovuta alla masticazione. Allo stesso modo, i componenti automobilistici in ceramica sono stati sottoposti a test di resistenza all'abrasione per ridurre l'usura nel tempo.

I trattamenti superficiali e gli additivi possono modificare le caratteristiche di usura della ceramica. L'aggiunta di una piccola percentuale di ittrio nella zirconia aiuta a stabilizzare la struttura. Negli esperimenti, le ceramiche con ittrio mostrano una migliore resistenza all'usura senza perdere durezza. La combinazione di studi microstrutturali e test di abrasione fornisce preziose indicazioni sul comportamento delle ceramiche sotto stress.

Applicazioni delle ceramiche dure e resistenti all'usura

Molti oggetti di uso quotidiano si affidano a ceramiche dure e resistenti all'usura. Un'applicazione comune è la creazione di inserti per la lavorazione meccanica. Questi inserti sono spesso soggetti a temperature e attriti elevati. La durezza superiore e la resistenza all'abrasione contribuiscono a migliorare la longevità degli utensili.

Un altro esempio è rappresentato dalle parti utilizzate per i trasporti. Le pastiglie dei freni e i componenti del motore in ceramica beneficiano di un'elevata resistenza all'usura. In un caso, uno studio ha dimostrato che le pastiglie dei freni in ceramica avevano un tasso di usura inferiore di quasi il 30% rispetto ai materiali tradizionali. Ciò comporta una maggiore durata e una minore manutenzione.

Una terza applicazione è quella dell'elettronica. Le ceramiche utilizzate nei dispositivi elettronici devono spesso isolare e resistere all'abrasione, soprattutto nei dispositivi portatili dove le cadute sono frequenti. Gli ingegneri assicurano un'usura minima selezionando ceramiche con valori di durezza appropriati e microstrutture robuste.

Anche i dispositivi medici utilizzano materiali ceramici. Negli impianti dentali, le ceramiche sono selezionate per la loro biocompatibilità e resistenza. Un caso clinico comune ha descritto il successo dell'uso di impianti a base di zirconia che combinavano un'elevata durezza e resistenza all'abrasione. La lunga durata di questi impianti li rende popolari anche nelle procedure dentali di routine.

I metodi di prova descritti aiutano a selezionare la ceramica giusta per ogni applicazione. Il test di durezza fornisce una misura della resistenza del materiale a livello microscopico. Il test di abrasione assicura la resistenza del materiale alle sollecitazioni ripetute. Entrambi i test sono semplici da eseguire in una scuola o in un laboratorio. Contribuiscono a una migliore selezione dei materiali e a migliorare le prestazioni dei prodotti.

Conclusioni

In sintesi, i test di durezza e abrasione dei materiali ceramici sono una parte fondamentale dell'educazione scientifica pratica. Metodi semplici come il test di durezza Vickers e il test di abrasione Taber forniscono dati chiari e utili. Materiali ceramici come l'allumina, la zirconia e il carburo di silicio mostrano qualità che si adattano a spigoli vivi, condizioni di traffico intenso e ambienti elettronici ad alta richiesta.

Le misurazioni effettuate nella vita reale dimostrano che i materiali ceramici funzionano bene quando la loro microstruttura è controllata in modo adeguato. I test pratici in classe aiutano gli studenti a capire perché alcune ceramiche vengono scelte rispetto ad altre per determinate applicazioni. Ho visto molti studenti acquisire fiducia dopo aver eseguito questi test. Il loro apprendimento è arricchito da dati reali e dal lavoro pratico.

Leceramiche sono versatili e ampiamente utilizzate. Sia che si lavori nell'edilizia, nell'elettronica o nella sanità, le ceramiche dure e resistenti all'usura svolgono un ruolo fondamentale. I test su questi materiali aiutano a migliorare le prestazioni, a ridurre i costi e ad aumentare la durata dei prodotti. Grazie a semplici configurazioni sperimentali e a dati chiari, gli studenti e i professionisti possono comprendere meglio le proprietà delle ceramiche.

Domande frequenti

F: A cosa serve la prova di durezza sulle ceramiche?
D: Misura la resistenza di una ceramica alla deformazione e ai graffi mediante indentazione controllata.

F: Cosa valuta il test di abrasione nei materiali ceramici?
D: Il test di abrasione verifica la resistenza all'usura del materiale misurando la perdita di peso dopo l'attrito.

F: Le prove di durezza e di abrasione possono essere eseguite nei laboratori scolastici?
D: Sì, entrambi i test utilizzano metodi semplici e attrezzature adatte all'ambiente scolastico.