ceramica

Ceramica:materiale ricavato dalla cottura, in appositi forni,disostanze minerali naturali, principalmente argilla e caolino. In particolare, dal caolino si ottengono la porcellana, le terraglie ed i grès fini, dalle argille comuni si ottengono le terrecotte e i grès naturali, e dalle argille fini le maioliche.

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Tipi, procedimenti e tecniche

Con riferimento ala porosità del materiale, prendono il nome di ceramiche a pasta compatta il grès e la porcellana, di ceramiche a pasta porosa la terracotta, la terraglia e la maiolica: le prime sono per loro natura impermeabili all’acqua, mentre le seconde lo diventano solo dopo essere state sottoposte a vetrinatura o smaltatura. La terracotta è la meno pregiata tra le ceramiche porose e si ottiene dalla cottura a temperature relativamente basse (900-1200 °C). A seconda della percentuale e del tipo di ossido di ferro contenuta nell’argilla impiegata, durante la cottura il materiale acquista colore rosso acceso, rosso scuro, marrone o nero. Il grès si ottiene dall’argilla cotta a temperature tra 1200 e 1280 °C ed è un materiale durissimo. Può essere bianco, grigio o rosso scuro e, essendo a pasta compatta, viene vetrinato solo a scopo decorativo. La maiolica o faenza viene prodotta con argilla fine a basso contenuto di ossidi di ferro, per cui è di colore oscillante tra il rosso chiaro e il giallo paglierino; viene cotta di solito a 900-950 °C e rivestita di smalto o vetrina trasparente.

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Preparazione e lavorazione dell’argilla:

Consiste nella lenta colata in uno stampo di argilla liquida fatta con l’aggiunta di acqua), la pasta nella sua forma liquida si riversa in una cavità, stampo in gesso, lasciando uno strato di argilla sulla superficie dello stampo.
Il cast è poi rimosso dopo un periodo di tempo. Questo metodo è usato per fare cavi o sprofondate pezzi come vasi, zuppa e caffè tè e pentole.
Stampo / modulo può anche essere ruotato.
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Essiccazione e cottura

Affinché cuocia senza rompersi, l’argilla deve essere essiccata, cioè lasciata ad essiccare perché perda la maggior parte dell’umidità. Quando l’impasto argilloso è quasi completamente asciutto risulta morbido e poroso e può essere cotto sul fuoco a temperature che si aggirano tra 650 e i 750 °C: è questo il metodo tuttora seguito per la produzione di manufatti nelle zone meno sviluppate del mondo. I primi forni, che fecero la loro comparsa nel VI millennio a.C., richiedevano una particolare attenzione perché anche il combustibile (dapprima legna ed in seguito carbone) poteva influire sul risultato finale, variando il grado di durezza dell’argilla e producendo ad esempio terraglie anziché grès.

Oggi vengono applicati i metodi della fiamma ossidante e della fiamma riducente, che consistono nell’aumentare o ridurre la quantità di ossigeno disponibile per la combustione. A seconda del tipo di cottura si ottengono infatti materiali diversi; ad esempio l’argilla contenente un alta percentuale di ossido di ferro appare rossa se cotta con fiamma ossidante, grigia o era se cotta con fiamma riducente: la variazione di colore è dovuta al cambiamento delle percentuali relative di ossido ferroso (nero) e d ossido ferrino (rosso) variabili a seconda della reazione chimica.

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Decorazione

Gli oggetti in argilla possono essere decorati prima e dopo la cottura. Quando il materiale è essiccato solo in parte e quindi leggermente rigido “allo stato cuoio”, è ancora possibile applicare manici o beccucci al recipiente, il cui corpo può essere a sua volta abbellito con incisioni o piccoli fori, oppure con figure in rilievo prodotte con uno stampino. Il vasaio può inoltre applicare decorazioni metalliche a fuoco oppure levigate le parti del manufatto in modo che le particelle ruvide rimangano all’interno e la superficie esterna risulti liscia e lucida.

Altre tecniche sfruttano l’effetto ornamentale dato dalla sovrapposizione di argille di colori diversi. Nel metodo dell’ingobbio il materiale semiliquido può essere distribuito sul contenitore per mezzo di una siringa, oppure usato per immergerci il pezzo in modo che questo venga rivestito da una patina spessa pochi millimetri. La procedura nota come neriage consiste invece nel mischiare argille di tinte differenti per farne un impasto che possa essere lavorato a lastra, al torni, a colombini etc. Altre tecniche sono infine lo sgraffiato, con cui si realizzano disegni decorativi graffiando la superficie con punte metalliche, e la serigrafia, che trasferisce la decorazione sulla ceramica tramite uno schermo di seta.

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Smalti e vetrine

Nella storia della ceramica, i prodotti privi di rivestimento sono sempre stati più comuni di quelli smaltati o vetrinati. La vetrina è una copertura trasparente che si applica all’argilla ed è, come dice il nome, simile a vetro. Infatti è costituita da silice o da quarzo e nitrato o carbonato di sodio o di potassio, ossido e carbonato di piombo, oltre ad eventuali sostanze coloranti.
Sottoposta a fusione, tale miscela si trasforma in una sostanza vetrosa che prende il nome di “fritta” e che, una volta solidificata, viene frantumata e polverizzata e quindi stesa sull’argilla cruda o sul “biscuit”(biscotto), cioè sul materiale già sottoposto ad una prima cottura. Dopo l’applicazione il pezzo deve nuovamente essere posto in forno a una temperatura compatibile con quella necessaria per la cottura dell’argilla.
Lo smalto bianco o stannifero ha la medesima composizione della vetrina, cui viene però aggiunto stagno, che conferisce una colorazione bianca e coprente. Altre tinte si ricavano unendo allo smalto bianco o alla vetrina ossidi metallici: ad esempio, gli ossidi di ferro e i Sali di uranio conferiscono al pezzo una sfumatura rossa, mentre l’antimonio produce il giallo e gli ossidi di zinco e cobalto il blu. Il rame dà un colore verde alle vetrine di ossido di piombo e una tinta turchese alle vetrine alcaline, mentre la cottura in forno riducente dà luogo ad una sfumatura rossa.Immagine10

Decorazione soprasmalto e sottosmalto

Le ceramiche possono essere dipinte prima e dopo la cottura. Nel Neolitico si ricorreva ad ocre ed altri pigmenti naturali per decorare pezzi privi di rivestimento. Gli ossidi metallici impiegati assieme alle vetrine richiedono temperature più elevate per far si che il colore si fissi.
Qualora si utilizzino smalti, occorre invece sottoporre il pezzo a cottura “a piccolo fuoco”(cioè a bassa temperatura). Decalcomanie (disegni stampati su carta sottile che si trasferiscono sull’oggetto ceramico lasciando un decoro) sono il metodo ornamentale più diffuso su larga scala. Mentre nel Settecento le lastre stampate venivano incise a mano, oggi ci si avvale della litografia e della fotografia.
Nell’antichità i principali produttori di ceramiche nell’Asia orientale furono la Cina, la Corea ed il Giappone.

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Ceramici strutturali

Si classificano come ceramici strutturali i materiali che sono in grado di sopportare sollecitazioni meccaniche di vario tipo (cerchi a flessione, compressione, urto, attrito, usura) e/o condizioni aggressive di temperatura e ambiente.

In base alle applicazioni si possono classificare in:
Ceramici con funzione termiche:radiatori di infrarosso, fibre isolanti, refrattari ed isolanti speciali, scambiatori termici, scudi termici, scambiatori di calore, forni IR, pompe di calore, isolanti, refrattari ed isolanti per altissime temperature, etc.
Ceramici termomeccanici: camere di combustione, condotti di gas di scarico, rotori a turbina, boccole per l’estrusione dei metalli, contenitori per gas e liquidi corrosivi ad alta temperatura, supporti per l’abbattimento delle emissioni, recupero di calore dai cicli industriali, etc.
Ceramici antiusura:utensili da taglio, guidafili, componenti per la lavorazione della carta, tenute per pompe, rubinetti e valvole,mezzi macinati, ugelli, stampi.
Ceramici antiproiettile: protezioni balistiche e schermi antiradiazione, protezione elicotterie e veicoli militari.
Ceramici per l’impiego del nucleare: materiali di contenimento, di schermatura, immobilizzazione scorie radioattive, schermi di magneti, materiali per prima parete

Per i materiali ceramici esiste una stretta relazione tra processo e proprietà finali del materiale.

In altre parole il processo determina la microstruttura, le cui caratteristiche determinano le proprietà finali del materiale. La microstruttura ideale in un prodotto è quindi funzione del tipo di impiego proposto.

I requisiti microstrutturali più importanti sono:
– tipo, qualità, distribuzione di fasi cristalline o vetrose;
– caratteristiche delle fasi a bordo grano;
– distribuzione, dimensione, stechiometria dei grani;
– quantità, distribuzione, dimensione di porosità e difetti.

Le prestazioni dei materiali durante specifiche applicazioni dipendono:

– da fattori intrinseci come composizione chimica, caratteristiche microstrutturali, densità, strato difettivo;
– dalle
interazioni che intervengono ad alta temperatura tra l’ambiente ed il materiale (ossidazione, corrosione, usura);
– dalle
caratteristiche superficiali che sono legate al processo di produzione ed alle lavorazioni (meccaniche, ultrasoniche, laser, etc.) necessarie a garantire finiture e tolleranze richieste dalle applicazioni in componenti complessi.

Per molte applicazioni vengono richiesti materiali ceramici con combinazioni particolari di proprietà chimiche,fisiche, termo-meccaniche. Spesso queste proprietà non sono compatibili tra di loro in un solo materiale.
Al momento le soluzioni più promettenti sono:
– composti a matrice ceramica (in cui le seconde fasi sono ceramiche o metalliche);
– ceramici multistrato e a gradiente funzionale, ossia aventi proprietà variabili attraverso lo spessore del materiale.

Nanoceramici e multistrato

L’obbiettivo della ricerca è quello di sviluppare ceramiche tecniche avanzate con particolari microstrutture al fine di ottenere materiali ad alte prestazione termo-meccaniche e tribologiche. In particolare,sono studiati i materiali ceramici a microstruttura nanometrica sia monofasci, sia compositi. I monofasci e i compositi a struttura naometrica, in cui la seconda fase è dispersa sotto forma di particelle, intesi per applicazioni strutturali sono attualmente oggetto di grande interesse e studio per le potenziali capacità che hanno di superare certe limitazioni delle ceramiche a microstruttura micrometrica e di poter migliorare allo stesso tempo alcune caratteristiche come la resistenza all’usura. Presso questo Istituto vengono prodotti e studiati materiali monofasci da polveri nanometriche prodotte con tecniche non convenzionali presso alti Istituti italiani e stranieri. Materiali completamente densi possono essere ottenuti mediante pressatura a caldo utilizzando, nel caso, opportuni aiuto sinterizzanti che ad alta temperatura formano una fase liquida. Le proprietà di questi materiali innovativi, vengono poi confrontate con quelle di materiali analoghi ottenuti da polveri commerciali più grossolane. Vengono inoltre prodotti e studiati nanocompositi a funzione volumetrica variabile di fase secondaria. La polvere usata come rinforzo viene generalmente ottenuta mediante metodi laser o tecniche al plasma presso altri Istituti italiani o stranieri. Nel considerare tipo e quantità della fase di rinforzo dei compositi nanoceramici, è necessario che vengano mantenute, o eventualmente migliorate, le proprietà della matrice di partenza. Per le ceramiche nanostrutturate, sono stati scelti i sistemi monobasici a base di carburo di silicio  (SiC) e nitruro di silicio (Si3N4); tra i compositi, quelli a base di alluminia/carburo di silicio (AI2O3/SiC) e nitruro di silicio/carburo di silicio (Si3N4/SiC). La caratterizzazione microstrutturale dei materiali si avvale di tecniche quali difrattometria a raggi X, la microscopia elettronica a scansione e l’analisi d’immagine per l’individuazione delle fasi chimiche presenti, la morfologia della microstruttura e la quantificazione dei parametri che la contraddistinguono.
La caratterizzazione delle proprietà termo-meccaniche  e
tribologiche è realizzato tramite misure di durezza (macro, micro e nano), di costanti elastiche (modulo di Yung e coefficiente di Poisson), di resistenza alla frattura e di tenacità (anche ad alta temperatura e in atmosfera controllata), di espansione termica, di stabilità durante trattamenti termici (ossidazione), di resistenza all’usura e del coefficiente di attrito.

 

 

 

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