Ceramica

Ceramica

La ceramica


I materiali ceramici sono sostanze inorganiche, non metalliche che a seguito di formatura e cottura ad alte temperature consentono di realizzare prodotti con caratteristiche tecniche notevoli.

Proprietà comuni dei prodotti ceramici

Esistono molti tipi di materiali ceramici e le proprietà variano considerevolmente a seconda della tipologia. Ma possiamo elencare alcune proprietà che, generalmente, li contraddistinguono rispetto ad altri materiali:

  • bassa tenacità e duttilità
  • elevata resistenza all’usura
  • durezza combinata a fragilità
  • buoni isolanti elettrici e termici
  • elevate temperature di fusione
  • basso carico di rottura
  • elevata resistenza chimica in ambienti aggressivi

 

Come nasce la ceramica

I materiali ceramici provengono da argille selezionate e macinate che vengono, poi, cotte ad alte temperature. In questo modo l'acqua contenuta nell'impasto viene eliminata creando delle micro-porosità nel prodotto finito. Questa porosità determinerà le caratteristiche meccaniche della ceramica, come la resistenza a
flessione e la resistenza ad abrasione. Ne abbiamo parlato, ad esempio, in questo articolo dove abbiamo spiegato come la porosità influenzi le caratteristiche delle piastrelle in grès per pavimento.

 

Ceramici avanzati e ceramici tradizionali

Una prima, classica, distinzione che occorre fare è quella tra i materiali ceramici tradizionali e quelli avanzati. Noi, in questa sede, tratteremo solamente i ceramici tradizionali concentrandoci, in particolare, sui prodotti ceramici per pavimento e rivestimento, quindi sulle cosiddette "piastrelle in ceramica",  e sui sanitari per il bagno.

 
Le caratteristiche chimiche della ceramica

Il legame che si crea tra gli atomi a seguito della cottura delle argille è sia covalente che ionico. In particolare, i legami sono di tipo covalente polare con una differenza di elettronegatività tra i costituenti del minerale stesso. Le proprietà sono legate essenzialmente alle caratteristiche di polarità del legame ed anche alla natura
cristallografica del minerale che entra nella formulazione del ceramico stesso, perciò dipenderanno anche dalla compattezza della struttura cristallografica, dal numero di coordinazione delle specie del reticolo cristallino, proprio perché questo rende disponibili un numero più o meno elevato di piani di scorrimento ed un numero più o meno elevato di difettosità presenti nel reticolo stesso, questi aspetti, come vedremo, andranno a determinare il comportamento meccanico del materiale ceramico.

 

Caratteristiche fisiche della ceramica

Una delle principali caratteristiche fisiche dei materiali ceramici è il punto di fusione che è molto alto, anche se variabile in base al tipo di ceramica. Generalmente raggiunge i 4000°C ed è condizionato dal carattere di polarità che il legame chimico presenta: se il carattere di polarità è molto elevato, allora il punto di fusione del materiale costituito da tale legame sarà molto alto, di conseguenza se il carattere di polarità è basso il punto di fusione sarà più basso.

 

Caratteristiche meccaniche e correlazioni chimico-fisiche

Dal punto di vista meccanico il grado di polarità del legame è fondamentale. Ci permette, infatti, di prevedere il diverso comportamento delle strutture che saranno formati da tali materiali. Se il legame è prevalentemente covalente, allora sarà un legame chimico fortemente direzionato ed i composti ceramici a prevalente carattere covalente, se sollecitati a rottura, si romperaanno immediatamente in maniera fragile senza fenomeni di plasticità (cioè di deformazione).

Se, invece, il legame è di tipo ionico la presenza di dislocazioni e difetti sarà maggiore ed il materiale ceramico originato sarà in grado di manifestare una certa, minima, plasticità.

Ma come detto i materiali ceramici sono una combinazione dei due legami pertanto si avrà sempre un comportamento caratterizzato da elevata fragilità, anche se associata ad una elevata resistenza meccanica.

 

La resistenza meccanica dei ceramici

I ceramici sono anche caratterizzati da una  resistenza allo sforzo di trazione notevolmente minore rispetto alla resistenza ad uno sforzo di compressione. Questo spiega il motivo per cui sono ideali per sopportare sforzi di compressione, come l'utilizzo a pavimento del grès. Il motivo della scarsa resistenza a trazione è da ricercare
nel fatto che per le modalità di produzione ed ottenimento di questi materiali si verifica sempre la
formazione di una serie di difetti all’interno del materiale finito.
Tali difetti si concretizzano, in particolare, nella formazione di micro fessure, che sono responsabili delle fratture che si creano quando si sottopone il materiale a sforzi di trazione: il ceramico comincerà a rompersi a valori di carico corrispondenti a quelli necessari per la propagazione delle cricche (fratture).

 

Classificazione merceologica della ceramica

Un altro criterio di classificazione dei ceramici è relativo alla funzione che essi svolgono o all'ambito di applicazione. 
In questo senso avremo:

  • Materiali ceramici per edilizia (laterizi, tegole, piastrelle ecc.)
  • Materiali ceramici per uso domestico (maioliche, vasellame, ecc.)
  • Materiali ceramici per l’industria (utensili, cuscinetti, ecc.)

Ogni classe sarà caratterizzata da una determinata peculiarità che rende il materiale specifico per opportune applicazioni.

 

Classificazione dei ceramici per porosità

Un’altra classificazione dei ceramici può essere fatta in base alla smaltatura. Secondo questo metodo si possono avere:

  • ceramici con un supporto compatto, come le piastrelle in grès a tutta massa
  • ceramici con superficie smaltata, come le piastrelle in grès smaltate o come i sanitari smaltati per il bagno

Ceramica tradizionale e avanzata

Come abbiamo accennato in premessa i materiali ceramici si possono classificare in tradizionali e avanzati.
Noi, qui, non tratteremo dei caramici avanzati ma solo dei tradizionali.

I tradizionali sono composti essenzialmente da argilla, silice e feldspato. Gli avanzati invece sono formati da materie prime che hanno un elevato grado di purezza, tipicamente si impiegano ossido di alluminio, carburo di silicio e nitruro di silicio. 

Queste due tipologie si possono a loro volta dividere in porosi e non porosi, e possono avere pasta bianca o colorata ed essere smaltati o non smaltati.

Un esempio di materiale ceramico tradizionale, poroso e a pasta colorata e non smaltato sono le terrecotte e i refrattari. Pensa, per esempio, ai mattoni, alle tegole o ai vasi in cotto da giardino.
Questi elementi sono prodotti partendo da tre componenti principali: l’argilla, la silice e il feldspato.

Un esempio di ceramica non porosa, a pasta bianca e smaltata sono le porcellane: per esempio le tazze ed i piatti.

L'argilla: componente fondamentale della ceramica

L'argilla, da cui derivano i materiali ceramici, è un complesso di minerali costituito principalmente da allumino-silicati idrati t

Sappiamo tutti che l'argilla è un materiale plastico, cioè se impastato con acqua può essere modellato meccanicamente ad esempio per creare vasi, anfore o ciotole. Sappiamo anche che lasciata asciugare al sole inizia ad indurirsi. Se sottoposta a un intenso riscaldamento,
subisce una trasformazione irreversibile diventando permanentemente solida e compatta. La ceramica è una delle scoperte più antiche dell'uomo e troviamo prodotti ceramici realizzati in epoche estremamente remote.

Le argille possono essere sia di origine primaria, le quali risultano dall'alterazione di minerali feldspati contenenti acqua e parti di roccia madre, oppure possono essere di origine secondaria quando contengono maggiori impurità e si formano lontano dal luogo di alterazione della roccia.

L'argilla è un sedimento estremamente fine con particelle inferiori a 2 μm ed è costituito principalmente da silicati di alluminio e silicati di magnesio, ed uno dei principali componente è  caolinite (Al2O3-2SiO2-2H2O). A seconda che prevalga la frazione grossolana o quella fine vengono
chiamate: argille magre (ricche di scheletro sabbioso); argille grasse (povere di scheletro

 

La produzione della ceramica

Il processo produttivo dei materiali ceramici si divide in tre principali fasi:

  • preparazione delle materie prime
  • formatura
  • cottura

La fase di preparazione dei materiali richiede la frantumazione delle polveri a granulometrie di dimensioni adeguate a cui segue una macinazione ad umido o a secco.
Nel primo caso (miscelazione ad umido) le polveri vengono miscelate con acqua e immesse in un mulino di macinazione, generalmente un cilindro rotante contenente dei corpi macinanti.
Nel caso di miscelazione a secco la stessa operazione avviene in mancanza di acqua e quindi con una minore efficacia.

Una volta macinate le polveri vengono selezionate in base al prodotto da realizzare tenendo conto delle proprietà attese, in base a tre parametri: la purezza, la dimensione delle particelle e la reattività.

 

Purezza delle argille ceramiche

La presenza di impurezze influenza le proprietà del prodotto ceramico finito quali resistenza meccanica, vita a rottura, resistenza all’ossidazione e proprietà elettriche. Il loro effetto dipende dalla loro composizione e dalla composizione della matrice, dalla distribuzione e dalle condizioni di esercizio quali tempo, temperatura, sforzi ed ambiente.

 
Dimensioni delle particelle delle polveri per ceramica

Un secondo importante parametro è rappresentato dalla dimensione delle particelle che condizionerà in modo importante la porosità del prodotto finito. La porosità, infatti, diminuisce al diminuire delle dimensioni delle particelle di argilla che verranno formate e cotte.
Per ottenere la minima porosità è il caso di impiegare particelle di dimensioni diverse, in modo che le più piccole possano riempire i vuoti esistenti tra quelle più grandi. La dimensione delle particelle influenza anche la reattività in quanto le particelle più piccole densificano più facilmente delle particelle più grandi a causa della maggiore area superficiale. Nel caso si voglia privilegiare la resistenza meccanica, bisogna ridurre al massimo la porosità ed avere grani di piccole dimensioni partendo quindi da polveri molto fini, inferiori al mm.
Nel caso dei materiali refrattari, invece, si preferisce avere una struttura con una certa porosità per favorire le caratteristiche di isolamento termico, e sono, quindi, si utilizzano polveri di dimensioni maggiori a questo fine.

 

Atomizzazione dell'argilla ceramica

Una volta macinate le argille si ottiene un impasto fluido che viene essiccato a spruzzo per formare così dei piccoli agglomerati sferici, pronti per essere utilizzati nella fase di formatura. Tale essicazione a spruzzo avviene all'interno di grandi silos verticali denominati "atomizzatori", da cui il nome di "atomizzato" per la polvere microscopica che si ottiene.

 

Composizione delle argille e funzioni

Le argille che compongono l'impasto che poi verrà formato e cotto, hanno differenti componenti, i quali hanno diverse funzioni rispetto al prodotto finale:
- Componente Plastico (argilla, caolino) che favorisce la lavorabilità; conferisce coesione e solidità; è responsabile della forma dei nuovi composti durante la cottura; impartisce la colorazione.
- Inerte (silice, chamotte) che diminuisce la plasticità; può contribuire alla formazione della
fase vetrosa e di nuovi composti; costituisce lo scheletro della ceramica.
- Componente fondente e vetrificante (feldspati, rocce carbonatiche) che diminuisce la plasticità e la porosità; abbassa la temperatura di fusione; contribuisce alla resistenza meccanica.

 

La fase di formatura della ceramica

L’operazione di formatura può essere eseguita secondo tecnologie diverse a seconda del prodotto ceramico che si vuole ottenere. L'impasto di argille può essere pressato su di uno stampo aperto, può essere laminato, o versato per colaggio su uno stampo chiuso e lasciato indurire. 

In qualche caso può essere opportuno anzichè pressare la polvere di argilla, procedere, prima, ad una granulazione, ossia alla trasformazione in agglomerati (detti appunto grani) mediante impianti di spray drying.

 

La pressatura

Il metodo più utilizzato per "dare forma" all'argilla è la pressatura che consiste nel comprimere il materiale di partenza in uno stampo. Si pensi, ad esempio, al processo di produzione delle piastrelle che prevede la pressatura isostatica a secco e a freddo di argille al fine di creare una "piastrella cruda".

Il metodo della pressatura a secco è il più diffuso perchè consente di lavorare con ottima velocità e riducendo le tolleranze dimensionali, grazie alla potenza della pressa che elimina i "vuoti" all'interno del manufatto. Con questa tecnica vengono prodotti anche componenti per l’elettronica.

Il metodo della pressatura a umido è, invece, più utilizzata per i ceramici tradizionali in
quanto i materiali argillosi usati come materie prime contengono dal 10 al 15 % di acqua.

Questi materiali sottoposti all’azione di una pressione, si deformano plasticamente ed assumono la forma della cavità dello stampo aperto in cui sono stati immessi. Lo svantaggio di tale tecnica è rappresentata dall’usura degli stampi che vengono utilizzati e dalla disuniformità della densità della miscela in quanto si creano delle forze di attrito sia tra le particelle stesse che tra le particelle e lo stampo.

La pressatura uniassiale, inoltre, non permette di realizzare forme complesse ed è determinata da una variabilità di pressioni che sono diverse da punto a punto.

La pressatura isostatica a freddo: la polvere ceramica viene caricata in un contenitore
ermetico (sigillato sottovuoto) flessibile che si trova all’interno di una camera di fluido idraulico al quale viene applicata una pressione in modo uniforme in tutti i punti e in tutte le direzioni. La forza di questa pressione compatta la polvere in maniera uniforme, con il risultato finale di un prodotto che prende la forma del contenitore flessibile. Questo processo permette di realizzare prodotti con una maggiore densità.

La pressatura isostatica a caldo: la polvere viene sottoposta contemporaneamente sia
all’azione di temperature elevate di circa 1500-1800°C che a pressioni di 250 MPa sia uniassiali che isostatiche. Da questo processo si ottengono pezzi di elevata densità e migliori proprietà
meccaniche.

Il colaggio: l'impasto della consistenza di uno yogurt, ottenuto miscelando argilla in polvere ed acqua, viene colato in uno stampo chiuso. Il vantaggio del colaggio sta nella precisione mentre lo svantaggio è nella lentezza del procedimento. 

Infine la formatura del materiale ceramico può avvenire anche per estrusione: Il materiale ceramico plastico viene estruso spingendolo attraverso un orifizio che genera un corpo continuo che viene poi tagliato ad intervalli regolari. Questo processo si utilizza per la produzione di mattoni refrattari, tubazioni fognarie, ceramiche tecnologiche e isolanti elettrici.

 
L'essicamento

Il trattamento termico è un passo essenziale nella fabbricazione della maggior parte dei
prodotti ceramici. In genere il trattamento termico si scinde in due fasi: l'essicamento (che viene praticato immediatamente dopo la formatura) e quindi la fase di cottura vera e propria.

Lo scopo della fase di essicamente sta nella rimozione del solvente e di altri additivi dalla massa ceramica plastica e per ottenere dei pezzi crudi più facilmente movimentabili. 

La prima fase dell’essiccamento prevede l’evaporazione dell'acqua presente in
superficie mentre nella seconda fase vi è la diffusione attraverso canali capillari dell'acqua
presente all'interno della massa ceramica. L'eliminazione dell'acqua provoca una contrazione di volume detta ritiro, equivalente alla quantità di acqua evaporata, dovuta allo scorrimento delle particelle, ancora allo stato plastico che vanno ad occupare gli spazi lasciati liberi dall'acqua.

Quando, in seguito alla perdita di acqua, la massa non è più plastica, l'ulteriore essiccamento provoca la formazione della porosità.
Dal un punto di vista meccanico e dimensionale, l’integrità del manufatto è strettamente vincolata al corretto equilibrio tra le velocità con cui avvengono i due fenomeni.
La facilità con cui avviene la rimozione dell’acqua dipende da numerosi fattori quali: la
quantità di pori presenti, la dimensione e l’interconnessione tra i pori, la tensione di vapore e lo
spessore del pezzo.

 

La cottura

La cottura, o sinterizzazione, è un processo mediante il quale piccole particelle di un materiale vengono consolidate attraverso diffusione allo stato solido.
Durante questo processo il materiale viene riscaldato a temperature piuttosto elevate ed in questo modo aumenta gradualmente la mobilità degli atomi del materiale all’interno e soprattutto lungo la superficie delle particelle di polvere.

Generalmente si osservano tre stadi:

  •  nel primo stadio si osserva un riarrangiamento delle particelle ed il sistema viene assimilato ad un insieme di sfere uniformi con la formazione di colli e dei primi legami in corrispondenza dei punti di contatto tra le particelle.
  • nel secondo stadio il sistema si rappresenta come un insieme di grani uniformi con facce in comune e pori cilindrici lungo i bordi dei grani. All’inizio dello stadio la fase porosa viene considerata continua; si verifica una diminuzione della porosità ed un avvicinamento tra i centri delle particelle, che causano un ritiro equivalente alla riduzione di porosità. Questa fase è la responsabile della maggior parte del ritiro.
  • nel terzo stadio si hanno pori isolati in ciascuno degli angoli del grano. La porosità residua si elimina per diffusione delle vacanze lungo il bordo dei grani.

Durante la sinterizzazione si ha la fase liquida che è accompagnata dalla conseguente eliminazione della fase gassosa e dei pori intergranulari ed a cui corrisponde una densificazione della ceramica. Alla fase liquida segue la fase di raffreddamento, in cui il liquido dà origine ad una fase vetrosa.

 
Tipi di forni per ceramica

La fase di cottura può avvenire tramite:

  • Forni aperti: Riscaldamento non omogeneo dei pezzi - Atmosfera non controllabile e non del tutto ossidante.
  • Forni a fossa (cottura in buca): Riscaldamento non omogeneo - Atmosfera decisamente riducente
  • Forni verticali: Separazione tra combustibile e manufatti - Riscaldamento disomogeneo dei pezzi - Difficoltà ad ottenere atmosfera riducente in cottura.
  • Forni orizzontali - Separazione tra combustibile e manufatti - Riscaldamento omogeneo - Buon controllo dell’atmosfera di cottura. - Riscaldamento dei pezzi omogeneo.
  • Forni Hoffman: vengono caricati i pezzi, viene chiuso il vano di cottura e poi si procede al trattamento termico. Infine il forno viene spento ed i pezzi scaricati. Svantaggio: lentezza e manualità del processo. Vantaggi: possibilità di fare piccoli lotti produttivi di forme e dimensioni diverse.
  • Forni a tunnel: i prodotti percorrono dei rulli di materiale refrettario, entrano ed escono in continuo dal forno. Vantaggi: velocità e continuità nel processo, svantaggi: rigidità del processo produttivo.

La ceramica: il grès

I grès sono prodotti ceramici realizzati con argille che durante la cottura danno luogo alla
graduale formazione di fase liquida, che durante la solidificazione salda tra loro i vari granelli,
formando un insieme impermeabile e dotato di notevole resistenza meccanica.

Si dividono in due categorie:

  • grès naturali che sono preparati da argille che contengono già un quantitativo sufficiente di sostanze ad azione fondente (ossidi di ferro, silicoalluminati alcalini e alcalino terrosi, carbonato di calcio) e
  • grès fine porcellanato in cui i fondenti (essenzialmente feldspato potassico) vengono aggiunti artificialmente ad argille di per sé pure.

Nonostante sia un materiale a pasta compatta, il grès viene talvolta sottoposto a vetrinatura o a smaltatura per aumentare le prestazioni superficiali. In questo caso assume il nome di grès porcellanato smaltato.

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