Le ceramiche sono definite come materiali solidi inorganici non metallici duttili allo stato naturale e rigide dopo la fase di cottura. Hanno proprietà caratteristiche quali durezza, resistenza, bassa conducibilità elettrica, fragilità, resistenza alla alte temperature più dei metalli e dei polimeri.
Le specie costituenti le ceramiche presentano sia legami ionici che covalenti in varie proporzioni a seconda della ceramica. I composti ionici sono prevalentemente costituiti da cationi degli elementi del I e del II gruppo e da anioni quali ossigeno e alogeni.
A seconda del metodo di ottenimento le ceramiche possono avere alta o bassa densità. Alcune ceramiche sono usate quali superconduttori ed hanno proprietà magnetiche.
Classificazione
Le ceramiche possono essere suddivise in:
- ceramiche tradizionali con le quali si realizzano piatti, vasi, tegole ecc.
- ceramiche avanzate
Nelle ceramiche avanzate vi sono:
- carburo di silicio SiC,
- ossido di alluminio Al2O3
- nitruri quali il nitruro di silicio Si3N4
- varie specie come ossidi misti che sono utilizzati per la realizzazione di superconduttori.
I materiali ceramici avanzati richiedono tecniche di lavorazione moderne e lo sviluppi di tali tecniche ha portato a progressi nei campi più svariati tra cui quello della medicina e dell’ingegneria.
Le ceramiche tradizionali sono realizzate con materiali naturali tra i quali l’argilla che risulta malleabile quando è idratata e quindi facilmente lavorabile. Quando il manufatto realizzato è sottoposto a un intenso riscaldamento subisce una trasformazione irreversibile diventando solida e compatta. In genere tali ceramiche si presentano di colore rosso-arancio a causa della presenza di ossidi di ferro. La la ceramica bianca è realizzata da argille bianche contenenti caolino, materiale che unitamente al feldspato dà origine alla porcellana. Le più antiche ceramiche risalgono a circa 27000 anni fa stante il ritrovamento nella ex Cecoslovacchia di statuine realizzate con argilla, ossa animali, grasso animale, terra e cenere.
Fabbricazione
La fabbricazione di ceramiche avanzate prevede tecniche più raffinate. La polvere finemente suddivisa è miscelata con un legante organico per consolidare la polvere. Una volta modellato, il manufatto è dapprima riscaldato a bassa temperatura per decomporre o ossidare il legante. Successivamente è portato a temperatura elevata che consente alle singole particelle che costituiscono la polvere di fondere e formare legami chimici tra loro.
Uno dei metodi per ottenere la ceramica è costituito dal processo sol-gel che prevede la sintesi di soluzioni colloidali (sol) che costituiscono i precursori del gel tramite reazioni di idrolisi e condensazione. Tramite tale processo si ottiene una migliore miscelazione dei componenti a livello molecolare con un miglioramento della qualità della ceramica. In genere la soluzione è un alcossido metallico in un solvente alcolico. Il sol può poi essere distribuito in una pellicola sottile, precipitato in minuscole sfere uniformi o ulteriormente trattato per formare un gel all’interno dello stampo da cui si otterrà l’oggetto finale della forma desiderata.
Usi
Le ceramiche sono usate quali materiali refrattari o come materiali nell’ambito delle costruzioni (mattoni, piastrelle ecc.), dispositivi elettrici, come rivestimento di parti di motore per ridurre il trasferimento di calore.
Materiali compositi contenenti fibre ceramiche incorporate in matrici polimeriche presentano bassa densità, sono resistenti alla corrosione, ma sono duri e flessibili anziché fragili. Sono usati nelle racchette da tennis, nelle biciclette e nelle automobili. I materiali ceramici compositi possono essere ottenuti da due diversi materiali ceramici e presentano il vantaggio di una maggiore resistenza alle fessurazioni.
Ceramiche costituite da boruri e/o carburi di zirconio e afnio mescolati a carburo di silicio vengono usate in campo aerospaziale.
Sebbene la gran parte delle ceramiche sono isolanti termici ed elettrici alcune contenenti, ad esempio nitruro di boro sono buoni conduttori di calore mentre quelle contenenti ossido di renio conducono l’elettricità come i metalli.
La ceramica contenente ossido di stagno e indio è trasparente, conduce l’elettricità e viene usata per i display di calcolatrici a cristalli liquidi.
I superconduttori ad alta temperatura sono materiali ceramici costituiti da ossidi ionici complessi che diventano superconduttori quando vengono raffreddati con azoto liquido.
Alcune ceramiche risultano trasparenti alla luce avente frequenza specifiche. Esse sono utilizzate come vetri in sensori infrarosso e ultravioletto e in impianti radar.