È costoso. È fragile. Tuttavia, sta cominciando ad essere utilizzato per sostituire l’acciaio nei motori, negli aerei e persino nel corpo umano.
Questo è il paradosso della ceramica strutturale avanzata. Per decenni sono stati visti come materiali di nicchia. Troppo fragile per un uso generale e troppo costoso per un uso di massa. Ma in un ambiente in cui si mangia metallo a colazione, la ceramica è l’unica opzione. Stiamo parlando di calore elevato, corrosione profonda e attrito intenso. In queste aree, i forti legami chimici che rendono dura la ceramica la rendono dura. Le cose difficili si rompono.
Il problema non è la mancanza di forza. Il problema è che ci manca la tenacia. Cominciarono ad apparire delle crepe e poi scapparono. Velocemente. finché il materiale non si rompe.
Ma gli ingegneri stanno reagendo. I ricercatori hanno trovato un modo per prevenire le crepe nelle loro tracce modificando la microstruttura. Stanno cercando di trasformare la fragile ceramica in qualcosa che si comporti più come l’acciaio. Questa non è magia. Questa è microingegneria.
Ecco come lo stanno facendo.
Perché la ceramica è importante (se il metallo cede)
Innanzitutto dobbiamo chiarire un malinteso. La ceramica strutturale avanzata non viene utilizzata nella costruzione di un ponte. I loro costi elevati e le proprietà meccaniche variabili rendono difficili i calcoli sicuri. Queste sono alternative costose ai metalli e ai polimeri.
Ma consideriamo l’interno del motore di un’auto. O pale di turbine a reazione. O l’impianto dell’anca in un paziente.
In questi casi sono necessari materiali in grado di resistere:
Calore estremo quindi non si scioglierà né si deformerà.
* Corrosione chimica o da fluidi corporei.
* Erosione causata da particelle di usura o attrito costante.
Il metallo si scioglie. Il polimero brucia. I compositi si delaminano. Ceramica? Rimangono semplicemente lì chimicamente inerti e termochimicamente stabili.
Prendiamo come esempio le apparecchiature per la lavorazione dei minerali. macinando le rocce in polvere. L’acciaio ordinario si consuma in pochi mesi. La ceramica di alta qualità è molto resistente all’usura e può essere utilizzata per molti anni. Oppure considera i sostituti ossei. Il corpo è un ambiente altamente corrosivo. I metalli si corrodono e rilasciano ioni tossici. Alcune ceramiche sono biocompatibili e chimicamente inerti. Non reagiscono. Reggono semplicemente il carico.
“La ceramica ha forti legami chimici, quindi resiste a condizioni molto difficili.”
Questa durabilità deriva dal livello atomico. I legami sono così forti e non facilmente deformabili. Ma quella stessa resistenza significa che non si arrenderanno. Non si allungano. Si rompono.
Per renderli adatti alle applicazioni strutturali quotidiane è necessario risolvere il problema della fragilità. fermare le crepe.
Difetto fragile
Il più grande ostacolo all’utilizzo di questi materiali ovunque è la loro intrinseca suscettibilità ai difetti. La ceramica non è uniforme. C’è un piccolo difetto. Vuoti microscopici. piccola crepa.
I metalli si deformano quando viene applicata pressione su di essi. Si allunga. Assorbe energia. Nella ceramica lo stress si concentra sulle punte dei piccoli difetti. Propagazione delle cricche. All’improvviso l’intera assemblea fallì.
Questo non è un problema da poco. Questa è una limitazione fondamentale del materiale. Per ottenere ceramiche strutturali avanzate è necessario che la ceramica risponda allo stress. L’energia necessaria per la propagazione delle cricche deve essere aumentata.
Ci sono tre modi principali per farlo.
Rafforzamento della ceramica: cambiamenti nella microstruttura
Un modo è cambiare la struttura interna della ceramica. Invece di utilizzare una rete uniforme di particelle, gli ingegneri creano microstrutture utilizzando grani fibrosi o intrecciati.
Pensalo come un’armatura nel cemento. Tuttavia, l’armatura fa parte della ceramica stessa.
Quando una crepa tenta di attraversare questo materiale, incontra un ostacolo. Non puoi andare dritto. Devi deviare. Devi zigzagare. Ciò aumenta la lunghezza del percorso della fessura. Un percorso della fessura più lungo significa che è necessaria più energia per spostarla.
Allo stesso tempo, le particelle dietro la punta della fessura riempiono lo spazio vuoto. tieni chiusa la fessura. Funzionano come piccoli punti.
Questo viene fatto con compositi ceramici rinforzati con baffi e compositi ceramici rinforzati con fibre. Di conseguenza, l’area della frattura aumenta in modo significativo. Il materiale assorbe più energia prima di rompersi. Questa non è più una rottura netta. Questo è un processo complesso e ad alta intensità energetica.
Microcracks: lascia andare e vai avanti
Il secondo meccanismo è controintuitivo. Ciò significa la creazione intenzionale di piccole crepe. Lascia invece che si formi in modo controllato.
Ciò si verifica nelle ceramiche policristalline monofase con anisotropia dei grani. Le loro proprietà variano a seconda della direzione. È adatto anche per microstrutture policristalline bifase.
Questo è quello che è successo. Quando la fessura principale si avvicina, si aprono microfessure più piccole su entrambi i lati. E’ sulla punta della crepa.
Questo ha due scopi.
Innanzitutto, l’energia viene spesa per aprire queste crepe secondarie. Ciò rende disponibile meno energia per la propagazione della fessura principale. È come pagare il pedaggio e andare avanti.
In secondo luogo, e questo è importante, le microfessure successive alla fessura principale aumentano il volume. Questa estensione mira a chiudere la crepa principale. Quanto più la fessura si propaga, tanto maggiore è la resistenza alla propagazione. All’aumentare della pressione, il materiale si ripara essenzialmente da solo o almeno resiste a ulteriori danni.
Questo è un sistema di difesa passiva. È integrato nel DNA del materiale.
Amplificatore a cambiamento di fase: acciaio ceramico
Questo è l’approccio più promettente. E cambia il gioco.
Questo si chiama rafforzamento della trasformazione. Trasforma la ceramica in qualcosa di simile all’acciaio.
Il materiale prototipo è l’ossido di zirconio (biossido di zirconio, ZrO2).
La zirconia pura cambia radicalmente quando viene raffreddata al di sotto di 1.150 °C (2.100 °F). La forma del cristallo cambia da tetragonale a monoclina. Questo non è un cambiamento sottile. Il volume è aumentato del 3%.
Questa espansione spesso provoca la rottura o lo sgretolamento del materiale. Ma gli ingegneri hanno trovato il modo di sfruttarlo.
Hanno particelle tetragonali molto fini disperse in una matrice di zirconia cubica o allumina. Le particelle sono inferiori a 1 micron. Lo stretto contatto con la matrice mantiene stabile la struttura tetragonale a temperatura ambiente. La pressione c’è, ma c’è ancora.
Poi la crepa si è avvicinata.
Il campo di stress che precede la fessura innesca la trasformazione. I grani tetragonali diventano monoclini. Lo ampliano.
Questa espansione applica una forza di chiusura alla fessura in avanzamento. È come spremere i tubetti di dentifricio da dietro. La pressione preme sulla fessura, provocandone la chiusura.
Dietro la fessura si forma una zona di processo dove tutte le particelle vengono trasformate. L’aumento del volume cumulativo crea una maggiore resistenza. Più lunga è la fessura, maggiore è la resistenza.
Queste ceramiche sono spesso chiamate “acciai ceramici”. Perché? Questo perché la risposta alla deformazione allo stress è simile a quella dell’acciaio. Non si frantumano. Diventa un po’ distorto. Cedono.
La trasformazione di fase fondamentale è martensitica. Questo è lo stesso meccanismo che produce la martensitica nell’acciaio raffreddato rapidamente. Abbiamo preso in prestito le migliori tecniche della natura dai metalli e le abbiamo applicate alla ceramica.
La strada verso il futuro
Non ci limitiamo a imparare questi materiali. Li progettiamo.
la ceramica temprata offre un’ampia gamma di possibilità. Dai generatori che funzionano in modo più efficiente a temperature più elevate, ai veicoli aerospaziali che possono resistere alle temperature di rientro senza sciogliersi. Dalle smerigliatrici industriali che non necessitano mai di essere sostituite agli impianti medici che durano tutta la vita.
Restano gli ostacoli. Variabilità delle proprietà. La complessità della produzione. Costo.
Ma la scienza è solida. I metodi di indurimento funzionano. I materiali sono pronti.
Dobbiamo solo ingrandirlo. Sono sempre destinati a diventare una realtà quotidiana.
La matematica della rottura
La tenacità della ceramica rinforzata è molto inferiore a quella dei metalli, ma è significativamente migliore rispetto alla normale ceramica vetrosa. Per capire perché questo è importante, bisogna guardare i numeri. La tenacità alla frattura, denominata KIc, misura l’intensità dello stress al quale iniziano a formarsi le cricche. L’unità è il prodotto dei megapascal per i tempi e i metri. Questa è una misura accurata della fragilità.
Il vetro si trova in fondo alla scala e ha un valore KIc pari a 1. È molto fragile. Rompilo e andrà in frantumi. I metalli si trovano in alto. Le leghe di alluminio si aggirano nell’intervallo 30-45. Gli acciai si spingono sul 40-65. Questa è una grande lacuna.
Ceramica tradizionale? Si siedono nei 3–4. Quasi uguale al vetro. Se si lascia cadere il piatto in ceramica, potrebbe rompersi. I compositi rinforzati con particelle crescono leggermente a 4-6. Ancora fragile. Ma aggiungendo baffi e fibre si sposta l’ago. I compositi rinforzati con baffi colpiscono i compositi rinforzati con baffi vanno da 8 a 10. Quelli rinforzati con fibre possono avere 10-25.
Poi c’è la zirconia rinforzata per trasformazione (TTZ). Questi materiali rientrano nell’intervallo 6-15. Questa zona è importante. Consente al cuscinetto a sfere TTZ di rimbalzare ripetutamente contro il pavimento di cemento. Nessun danno visibile. Potresti pensare che questo tipo di abuso possa causare la rottura della ceramica. Non è così. La microstruttura assorbe gli urti.
Il prezzo della resilienza
Se questi materiali sono così resistenti, perché non si trovano ovunque? I costi di produzione sono elevati.
La ceramica non può sostituire i metalli a meno che non vi sia un chiaro vantaggio economico. Devono risparmiare denaro in altri modi. Forse sono possibili temperature operative più elevate. Forse durerà più a lungo. Se una parte in ceramica costa il doppio ma dura tre volte di più, agli acquirenti potrebbe interessare. E se costasse il doppio e si rompesse altrettanto? Nessuno lo comprerebbe.
Ci sono anche carenze termiche. Queste proprietà rinforzate di solito scompaiono quando l’oggetto viene riscaldato. All’aumentare della temperatura, la forza trainante del cambiamento di fase diminuisce. Alla fine è scomparso. Il materiale perde la sua forza. È tornato allo stato fragile.
I baffi e le fibre nei compositi a matrice ceramica devono affrontare un altro problema: l’ossidazione. si degradano alle alte temperature. Per questo motivo sono efficaci agenti indurenti. La matrice ritorna al comportamento fragile. Gli ingegneri stanno ancora lottando per progettare microstrutture che rimangano resistenti anche se riscaldate. Questa è ancora una grande sfida nell’ingegneria ceramica.
Dove vivono
La ceramica strutturale avanzata è già in uso. Queste applicazioni sono trattate in articoli corrispondenti su ceramica nucleare, bioceramica, ceramica tribologica e ceramica automobilistica. Non sono solo concetti teorici. Si trovano nei motori, negli impianti, nelle macchine industriali, ecc.
Migliorano anche gli usi tradizionali. I materiali refrattari e gli abrasivi presentano prestazioni e proprietà di abrasione migliorate. Le caratteristiche di base rimangono invariate, ma la struttura è diventata più dura. Più duro. È più resistente al calore e all’usura.
In alcuni settori il divario tra ceramica e metalli si sta riducendo. Non si chiude ovunque. La barriera dei costi è reale. I limiti termici sono reali. Tuttavia, nelle applicazioni in cui il peso, la resistenza al calore e alla corrosione sono più importanti del prezzo di acquisto originale, la ceramica sta prendendo il sopravvento. Il prossimo ostacolo è se riusciranno a sopravvivere alle alte temperature senza perdere resistenza.
