I materiali ceramici sono di natura inorganica, e costituiti da metalli, non metalli e semimetalli legati tra loro da legami ionici o covalenti. I materiali ceramici sono conosciuti fin dalla preistoria e si ritiene siano stati scoperti dalle popolazioni del deserto del Sahara e in Giappone e successivamente diffusi nel mondo.
Resti di ceramiche il cui termine trae origine dal greco κέραμος che significa argilla sono stati rinvenuti in Cina e, la datazione con il radiocarbonio, rivela che essi risalgono al 16100-14500 a.C. I materiali ceramici sono molto diversificati e vanno dalla ceramica tradizionale alle moderne ceramiche ingegneristiche presenti nei dispositivi elettronici, nei componenti aerospaziali e negli utensili da taglio.
I materiali ceramici sono generalmente duri, resistenti all’usura, elettricamente isolanti, chimicamente stabili, elevata stabilità alla corrosione e resistenti al calore fino a temperature molto elevate ma sono caratterizzati dalla loro fragilità, bassa duttilità e bassa resistenza alla trazione che ne limita le applicazioni.
Essi possono essere classificati come tradizionali ottenuti con materiali naturali come feldspato, quarzo o argilla con i quali si realizzano piatti, vasi, tegole e ceramiche avanzate come carburo di silicio, ossido di alluminio, nitruro di silicio dotati di proprietà particolari.
Classificazione dei materiali ceramici sulla composizione
Un tipo di classificazione si basa sulla composizione dei materiali ceramici che sono suddivisi in:
materiali ceramici a base di silicati come il silicato di magnesio e di alluminio che costituiscono la più antica famiglia di ceramiche. Sono materiali multifase sviluppati da fonti naturali di silicati e sono utili per applicazioni tecniche economicamente vantaggiose
materiali ceramici a base di ossidi metallici come l’ossido di alluminio, il biossido di zirconio, il biossido di titanio e l’ossido di magnesio. Le loro eccellenti proprietà meccaniche, resistenza alla corrosione e proprietà all’usura li rendono adatti per una vasta gamma di applicazioni. A causa del loro elevato punto di fusione, vengono generalmente utilizzati per applicazioni ad alta temperatura. Sono biocompatibili e, in particolare ceramiche di ossido di allumina e zirconio, sono utilizzate in diverse applicazioni biologiche e mediche come impianti e protesi
materiali ceramici non ossidi costituiti da carburi, nitruri, boruri e siliciuri. Le loro applicazioni spaziano dagli abrasivi superduri come il carburo di boro e nitruro di boro a utensili da taglio costituiti da carburo di tungsteno agli ugelli a razzo di boruro di titanio, elementi riscaldanti di siliciuro di molibdeno. I materiali ceramici non ossidi devono essere sottoposti a lavorazione ad alta temperatura in atmosfera riducente o inerte per prevenire l’ossidazione
vetroceramiche, materiali policristallini formati controllando la nucleazione e la crescita delle fasi cristalline all’interno del vetro. Sono costituite da vari cristalli di ossido in una matrice di vetro residuo siliceo e hanno una struttura composta tipicamente da una fase cristallina fine dispersa in una matrice di vetro. Mostrano spesso proprietà fisiche e meccaniche come resistenza e tenacia alla frattura migliori rispetto al vetro formato mediante fusione e colata
Classificazione in base alle applicazioni
La classificazione dei materiali ceramici può essere data in base al loro utilizzo.
Le ceramiche strutturali sono ceramiche tecniche ad alta tecnologia in grado di resistere a sollecitazioni meccaniche, termiche elevate, ambienti corrosivi e alte temperature. I progressi nelle tecniche di lavorazione hanno ampliato l’ambito delle ceramiche strutturali ai carburi, nitruri, siliciuri, boruri e ai loro compositi.
Generalmente queste ceramiche mostrano eccellenti proprietà meccaniche in ambienti estremi e temperature elevate, ma la bassa tenacità alla frattura. La natura fragile e l’elevata sensibilità ai difetti strutturali, alle crepe e ai pori hanno sempre posto una limitazione alle loro applicazioni. Tuttavia, i recenti progressi nei materiali come le ceramiche nanocomposite, le ceramiche rinforzate e temprate hanno mostrato migliore resistenza alla flessione e alla frattura, affinamento del grano e capacità di autoriparazione delle crepe.
Le ceramiche refrattarie sono materiali ingegnerizzati estremamente resistenti al calore progettati per resistere alle temperature estreme richieste dalla produzione e da altri processi industriali e sono utilizzate nelle fornaci e nei forni. Sono realizzate utilizzando ossidi come il biossido di silicio, biossido di titanio e l’ossido di zinco.
Inoltre i rivestimenti protettivi di strati di ceramica refrattaria vengono applicati solitamente per proteggere i materiali del substrato in condizioni difficili come ambienti ossidanti e corrosivi. Un esempio di ceramica refrattaria è il nitruro di titanio utilizzato come rivestimento delle valvole cardiache.
Le ceramiche elettriche o elettroceramiche hanno con innumerevoli proprietà e potenziali applicazioni come cavi superconduttori, elettromagneti, radar, dispositivi superconduttori di interferenza quantistica rilevatori di campo magnetico, circuiti integrati, dispositivi di accumulo di energia magnetica, magneti per risonanza magnetica e altre applicazioni di imaging in campo medico e interruttori superconduttori ultraveloci
Le ceramiche magnetiche o ferriti sono materiali magnetici composti da ossidi contenenti ioni ferrici come costituente principale. La composizione del materiale è spesso scritta come (MO)(Fe2O3)6 , dove M è lo stronzio, il bario, il calcio o il piombo. A causa della presenza di ossigeno, i metalli presenti sono già ossidati e quindi il materiale è ha una buona stabilità chimica e pertanto i magneti vengono generalmente utilizzati senza rivestimento protettivo.
Le ceramiche abrasive hanno elevata durezza, resistenza all’usura ed elevata tenacità. Sono utilizzate per levigare ceramiche o leghe metalliche, per macinare o tagliare altri materiali ma anche dai dentisti per levigare otturazioni in composito prima della lucidatura o per rielaborare preparazioni.