I NEOCERAMICI
non mattoni, ma mattonelle per lo spazio...!

Alfredo Negro - Politecnico di Torino

     
I ceramici sono materiali inorganici, non metallici, ottenuti tramite trattamento termico ad alta temperatura al fine di consolidare il compatto polverulento precedentemente formato.
Rispetto ai ceramici tradizionali (laterizi, gres, maioliche, porcellane), che nelle argille trovano la loro materia prima, i neoceramici sono elaborati a partire da materie prime di sintesi, presentano caratteristiche fisico-meccaniche assai diverse da quelle dei ceramici tradizionali e hanno, rispetto ad essi, applicazioni differenti: esempi di questi materiali sono l'allumina, la zirconia, il carburo ed il nitruro di silicio. La figura schematizza le differenze che sussistono tra queste due categorie di ceramici.
I neoceramici sono solitamente suddivisi in strutturali e funzionali. Sono definiti neoceramici strutturali quelli il cui impiego è basato sulla resistenza a sollecitazioni meccaniche, essenzialmente in ambienti ostili per le alte temperature o per atmosfere aggressive. I neoceramici funzionali comprendono invece i materiali per applicazioni elettriche, elettroniche, magnetiche, etc.
Lo sviluppo dei ceramici strutturali è stato motivato da talune loro eccellenti proprietà quali la resistenza all'abrasione, la refrattarietà, il basso coefficiente di dilatazione termica, la bassa densità, la resistenza alla corrosione, l'isolamento termico, la biocompatibilità. Sulla base di tali prestazioni, sono ormai di produzione corrente utensili da taglio, componenti antiusura, dispositivi per l'industria chimica, supporti per catalizzatori, protesi, mentre parti di motore, alette per turbine, blindature hanno superato la soglia di sviluppo.

 



Si deve però riconoscere che il giro d'affari che era stato preconizzato non é ancora arrivato al livello cui si puntava in quanto questi materiali, anche se moto resistenti, sono fragili. La fragilità di questi materiali li rende ancora troppo poco affidabili, rispetto ai tradizionali materiali metallici: la confidenza degli utilizzatori verso i ceramici è pertanto assai limitata. I ceramici strutturali pertanto devono incrementare la loro affidabilità attraverso una progettazione innovativa dei componenti, attraverso la definizione di geometrie ottimali e l'analisi delle sollecitazioni termo-meccaniche in uso, attraverso la metodologia di simulazione ad elementi finiti. Al fine di minimizzare gli effetti negativi della fragilità, da tempo si stanno conducendo studi per rendere più affidabili quei processi di fabbricazione che conducono ad una dispersione di risultati ancora troppo grande, per aumentare la tenacità (mediante la realizzazione di compositi), per mettere a punto l'assemblaggio di pezzi ceramico-ceramico e ceramico-metallo. In secondo luogo i processi produttivi non hanno ancora raggiunto un' automatizzazione adeguata per la produzione in grande serie; solo qualche prodotto ha superato la stadio di pre-industrializzazione. Infine, i costi di ricerca e sviluppo sono assai elevati ed interessano lunghi periodi. Uno dei principali problemi del mancato sviluppo su larga scala di componenti monolitici é individuabile nell'assenza di un' appropriata base teorica e tecnologica. L'industria non ha fornito una base adeguata per un trasferimento di conoscenze di base e tecnologiche. E' risultato indispensabile operare un contemporaneo approfondimento degli aspetti fondamentali, delle metodologie di sintesi di materie prime più pure, delle tecniche di formatura, di progettazione e caratterizzazione dei componenti, nonché migliorare la capacità di progettare le proprietà di un materiale per una specifica applicazione. Questa ricerca parallela delle conoscenze fondamentali e di quelle tecnologiche ha avuto come conseguenza un rallentamento nel processo di sviluppo dei ceramici strutturali.
Per quanto attiene ai neoceramici funzionali, la loro penetrazione nel mercato é stata più semplice, più rapida e più massiccia di quelli strutturali; basti pensare che i ceramici per applicazioni elettriche coprono più dell' 80% dell' intero mercato dei neoceramici.
La penetrazione nel mercato dei ceramici funzionali è conseguente al fatto che essi non hanno sostituito materiali già consolidati, ma sono stati progettati per rispondere ad esigenze ben precise poste dall'industria elettrica ed elettronica in forte sviluppo negli ultimi cinquant'anni. Per questi settori d'applicazione, la loro più importante caratteristica negativa, la fragilità, non risultava essere un parametro critico; le tecnologie d'elaborazione sono compatibili con la miniaturizzazione in atto nel settore dell'elettronica; essi entrano a far parte di dispositivi ad elevato valore aggiunto per cui i costi d'elaborazione non sono determinanti.
Anche se l'evoluzione dei neoceramici ha progredito lentamente, nell'ultimo decennio si sono comunque conseguiti risultati importanti. Le conoscenze sui meccanismi di sinterizzazione sono considerevolmente aumentate. La chimica ha permesso di mettere a punto polveri di sintesi più fini, più pure, e più reattive. La tenacità é stata migliorata grazie alla messa a punto di miscele realizzate partendo da polveri, whiskers, particelle, fibre. Infine, sono state adattate procedure di elettroerosione e di lavorazione meccanica per la finitura dei pezzi ceramici.
Le leggi del comportamento meccanico dei ceramici massivi, e dei compositi in particolare, non sono state ancora sufficentemente chiarite, specialmente ad alta temperatura. Si rendono pertanto necessarie ricerche per approfondire il comportamento termomeccanico e la sua modellizzazione, le correlazioni con la microstruttura, i controlli non-distruttivi, la tolleranza ai difetti.
I costi di ricerca e di sviluppo sono assai elevati e sono distribuiti su lunghi periodi; i problemi da risolvere concernono:

* il miglioramento della qualità delle polveri, degli additivi, dei precursori, dato che si sente la necessità di polveri assai fini aventi spettro granulometrico stretto, di morfologia e stato superficiale controllati;

* il processo ceramico: anche se i metodi di formatura tramite estrusione, pressatura uniassiale ed iniezione sembrano oggi industrializzabili, restano da fare ancora molti progressi per quanto attiene l'ottimizzazione delle miscele organico/inorganico, indispensabili per l'estrusione e l'iniezione. Queste due tecniche, infatti, prevedono la miscelazione della polvere ceramica con additivi organici e polimerici. Inoltre, essendo i ceramici materiali molto duri, le operazioni di finitura sono assai onerose; pertanto, questa fase del processo produttivo deve essere oggetto di progressi considerevoli;

* la mancanza di una banca dati utilizzabile dai progettisti; essa costituisce un freno all' utilizzo dei ceramici dato che spinge il progettista a ripiegare su materiali meglio conosciuti;

* il controllo dei microdifetti capaci d'innescare la frattura dei ceramici; i metodi non distruttivi per individuare questi difetti sono attualmente insufficienti: le tecniche che si basano sui raggi X e gli ultrasuoni non forniscono ancora prestazioni adeguate.

   
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.