I ceramici al di là del 2000

Laura Montanaro - Politecnico di Torino

     

Le prospettive di sviluppo per il dopo 2000 sono relativamente differenti per i neoceramici funzionali e strutturali, anche perché fondamentalmente sono diverse la prestazione e la tipologia dei componenti che le applicazioni funzionali e strutturali richiedono. Nel caso dei funzionali, molte applicazioni sono possibili con l'impiego del materiale ceramico sotto forma di strati sottili (dell'ordine delle decine di nanometri) o spessi (dell'ordine delle decine-centinaia di micrometri); tali strutture sono particolarmente idonee a soddisfare la sempre più pressante spinta alla miniaturizzazione dei componenti. Tuttavia, quand' anche il ceramico venga messo in opera come oggetto massivo, in genere non gli sono richieste particolari prestazioni di tenuta meccanica, quanto piuttosto una rispondenza alle prescrizioni di funzionalità elettrica, magnetica, ottica, etc. per le quali è stato progettato. Nel caso dei ceramici strutturali, invece, la più parte delle applicazioni non solo necessita l'impiego di componenti massivi, ma a questi si fa espressa richiesta di elevata resistenza a rottura, limitata sensibilità agli shock termici e meccanici, accettabile durabilità.
Nel caso dei ceramici funzionali, quindi, l'obiettivo é un miglioramento ed ampliamento delle potenzialità funzionali; per gli strutturali, invece, é una limitazione ed un controllo dell' insita fragilità di questi materiali. Per questo motivo, si affronteranno separatamente le prospettive di sviluppo di queste due classi di neoceramici.
La crescita del mercato dei ceramici strutturali é valutata, nei prossimi dieci anni, in non più del 5%. Le applicazioni sinora conquistate dagli strutturali derivano dai risultati di ricerche per applicazioni aerospaziali e militari: un tipico esempio é fornito dall'affermazione di nuovi utensili da taglio ceramici derivati dagli studi per lo sviluppo di motori adiabatici, commissionati per applicazioni militari ed approdati a scarsi risultati.
Tuttavia, altri fattori non direttamente dipendenti dai produttori di componenti ceramici potrebbero intervenire ad incrementare gli sforzi di superamento delle barriere tecnologiche dei ceramici strutturali: il modificarsi degli equilibri politici ed economici, ad esempio, con un conseguente aumento del costo del greggio, potrebbe essere una nuova spinta alla progettazione di motori più efficienti con una presenza più consistente di componenti ceramici.
I compositi a matrice ceramica offrono una potenziale alternativa ai ceramici monolitici per applicazioni strutturali, ed anche in questo caso il loro sviluppo é fortemente debitore all'industria aerospaziale ed al settore della difesa: l'incorporazione di fibre o particelle nella matrice ceramica induce una riduzione della fragilità e della dispersione di valori nella risposta meccanica dei componenti ceramici; pertanto, si possono ottenere componenti più affidabili ed esenti da frattura catastrofica.
Attualmente, nell'Europa occidentale, i compositi a matrice ceramica coprono circa il 33% del mercato dei ceramici monolitici, per un giro d'affari di circa 50 MECU: é prevista una crescita annua del 15% per lo più concentrata, però, in settori già consolidati come gli utensili da taglio ed i componenti resistenti all'usura.
Nell'ambito dei ceramici funzionali, la sfida del futuro é rappresentata non solo da un incremento del numero di funzioni assolvibili dai componenti ceramici e da un miglioramento di quelle attualmente fornite, ma piuttosto dallo sviluppo di componenti multifunzionali.
La vivacità di questo settore é testimoniata dal numero di brevetti che ogni anno vengono depositati; (più di 500 quelli depositati in USA sui filtri dielettrici per la telefonia mobile).
A dimostrare la maturità raggiunta dai ceramici funzionali, è la crescente considerazione rivolta a problemi schiettamente economici ed ambientali che, generalmente, investono le produzioni già consolidate. In Giappone, nel settore dei capacitori ceramici, si sta studiando la possibilità di sostituire i costosi elettrodi in argento e palladio con i più economici contatti in nichel. Molti prodotti per l'elettronica contengono piombo: una delle priorità della ricerca e sviluppo é rivolta all' individuazione di composizioni alternative più rispettose dell'ambiente.
Una grande scommessa è anche quella intrapresa per la progettazione di materiali "intelligenti", capaci cioé di accoppiare due o più funzioni in modo sequenziale come ad esempio la detezione di una informazione esterna e la reazione ad essa (ad esempio nelle automobili di luzzo concentono il controllo automatico delle sospensioni e dell'azionamento dei tergicristalli).
Il rapido progresso nelle tecnologie d'elaborazione delle informazioni necessita un altrettanto veloce sviluppo di un'altra categoria di ceramici funzionali, i sensori, che rivestono un ruolo fondamentale nello sviluppo futuro dell'automazione e della robotica.
Confrontati con i sensori, i cinque sensi dell' uomo sono ancora fortemente vincenti anche se, in certi casi, i sensori sono in grado di rivelare segnali che l'uomo non coglie (radiazioni UV ed IR, campi magnetici, gas inodori, etc). Un ampliamento importante delle potenzialità dei sensori ceramici è la creazione di dispositivi in grado di rivelare segnali ambientali ma anche di rispondere attivamente a questi stimoli. Nel caso di sensori di gas, ad esempio, un notevole miglioramento della loro funzionalità deriverebbe non solo dall'incremento della loro sensibilità e selettività nei confronti dei gas nonchè della stabilità del segnale, ma anche dalla capacità di autodiagnosticare la riduzione della loro efficenza indotta.
Il sempre crescente inasprirsi delle regolamentazioni e leggi per la protezione dell' ambiente ha costituito e costituisce un fattore trainante per la ricerca e sviluppo dei sensori come anche di altri componenti ceramici atti alla riduzione delle emissioni inquinanti o all' ottimizzazione di processi per la generazione o trasformazione d'energia.
Tipici esempi sono i filtri per particolato diesel, di disegno assai simile ai supporti ceramici per catalizzatori a tre vie, già ampiamente diffusi nelle vetture catalizzate, ed i filtri per l'abbattimento delle ceneri prima dell'immissione dei gas caldi nelle turbine delle centrali elettriche di nuova generazione.
Attraverso queste applicazioni, prettamente funzionali, i materiali ceramici potranno svolgere un ruolo di primo piano nello sviluppo tecnologico del dopo 2000 e continuare così nella loro tradizione di materiale che ha condiviso con l'uomo le tappe più significative della sua evoluzione.
   
Per un approfondimento su questi argomenti si consiglia la lettura del capitolo 8 del libro "Manuale dei Materiali per l'Ingegneria", AIMAT, Autori Vari, Ed. McGraw Hill Libri Italia, Milano, 1996.