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I materiali in vetroceramica sono stati sviluppati per la prima volta presso la Corning Glass Works e condividono le proprietà sia del materiale di vetro principale che dei materiali policristallini. In questo articolo vediamo come differiscono dai materiali in vetro, come vengono prodotti, alcune tipiche composizioni e le loro applicazioni.

Materiali di vetro

Quando pensiamo ai materiali in vetro, tendiamo a pensare alle finestre negli edifici, nelle case e nei trasporti. Anche se questo è vero, esistono molti tipi diversi di occhiali, con composizioni diverse.

I materiali in vetro sono generalmente trasparenti e molto fragili (quando non trattati termicamente). La trasparenza è il risultato della mancanza di bordi di grano e pori nella struttura del vetro. Questa mancanza di bordi di grano porta anche alla fragilità, poiché le crepe possono propagarsi senza ostacoli.

Un’altra caratteristica dei vetri è la loro mancanza di ordine nella loro struttura, cioè gli atomi e le molecole sono disposti casualmente. Ciò può essere evidenziato in un’analisi di diffrazione dei raggi X (XRD), in cui un vetro non visualizzerà picchi chiaramente definiti. Un materiale cristallino invece mostra ordine nella sua struttura e generalmente produrrà picchi ben definiti quando analizzato da XRD.

La mancanza di cristallinità nella loro struttura porta ad essere indicati come amorfi o vitrei.

Materiali in vetroceramica

I materiali in vetroceramica hanno le stesse composizioni chimiche dei vetri ma differiscono da essi in quanto sono tipicamente per il 95-98% cristallino in volume, con solo una piccola percentuale vitrea. I cristalli stessi sono generalmente molto piccoli, inferiori a 1 µm e molto spesso di dimensioni molto uniformi. Inoltre, a causa della loro cristallinità e della rete di bordi di grano, non sono più trasparenti.

Proprietà dei materiali in vetroceramica

I materiali vetroceramici sono tipicamente caratterizzati da:

• Molta forza
• Elevata resistenza agli urti
• Basso coefficiente di dilatazione termica, a volte anche negativo coefficiente di dilatazione termica
• Buona resistenza agli shock termici
• Una gamma di proprietà ottiche, da traslucente a opaco e talvolta opalescenza.

Produzione di materiali in vetroceramica

I componenti in vetroceramica sono formati utilizzando gli stessi processi applicabili ai componenti in vetro. Per convertirli da un materiale di vetro vitreo in un materiale di vetroceramica cristallino devono essere trattati termicamente o devitrificati.

La devitrificazione può avvenire spontaneamente durante il raffreddamento o durante il servizio, ma è più comunemente incorporata nella produzione di vetroceramica. Implica il riscaldamento del prodotto di vetro formato a una temperatura sufficientemente alta da stimolare la nucleazione dei cristalli in tutto il vetro. La temperatura viene quindi aumentata, il che induce la crescita dei nuclei, cristallizzando il vetro rimanente.

La nucleazione richiede un numero critico di atomi convergenti per formare un nucleo. Quando il nucleo raggiunge la dimensione critica, si verifica la nucleazione. In molte composizioni di vetro, la nucleazione è ostacolata dal fatto che il materiale è a base di silice ed è altamente viscoso, rendendo difficile l’unione degli atomi richiesti. Le composizioni cristalline possono anche essere complesse rendendo difficile la nucleazione. Questi fattori aiutano la formazione e il raffreddamento del vetro senza cristallizzazione.

Il trattamento termico di devitrificazione deve essere attentamente controllato per garantire che si formi il numero massimo di nuclei e che questi nuclei crescano in una struttura cristallina fine uniforme. Per ottenere un’elevata concentrazione di nuclei in tutta la struttura, è comune aggiungere un agente nucleante alla composizione di vetro.

agenti nucleanti

Gli agenti nucleanti più comuni sono TiO ₂ e ZrO ₂ . Altri materiali che sono stati usati per agenti nucleanti includono P ₂ O ₅ , gruppo platino e metalli nobili e alcuni fluoruri.

Composizioni in vetroceramica

Sebbene esistano molte diverse composizioni di vetroceramica, ci sono 3 famiglie principali:

• LAS – Miscela di ossidi di litio, alluminio e silicio (Li ₂ O-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ), con altri agenti vetrogeni (es. Na ₂ O, K ₂ O e CaO).
• MAS – Miscela di ossidi di magnesio, alluminio e silicio (MgO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ) con agenti di formazione del vetro
• ZAS – Miscela di ossidi di zinco, alluminio e silicio (ZnO-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ) con agenti di formazione del vetro

Applicazioni della vetroceramica

Alcune applicazioni della vetroceramica includono:

• Radom – realizzati con Corning 9606 (2MgO.2 Al ₂ O ₃ , sistema cordierite)
• Pentole, pentole e piani cottura – realizzati con Corning 9608 (sistema ß-spodumene)
• Specchi telescopici – realizzati in Owens-Illinois Cer-vit (sistema ß-quarzo)
• Isolatori – realizzati in General Electric Re-X (sistema Li ₂ O.2SiO ₂ )
• Vetro bioattivo per biomateriali – Bioglass 45S5 (46,1% mol% SiO ₂ , 26,9% mol% CaO, 24,4% mol% Na ₂ O e 2,5% mol% P ₂ O ₅ ) è stato approvato dalla FDA e sono risultate molte variazioni diverse su questa composizione.
• Componenti tecnici: realizzati in Macor, una vetroceramica lavorabile

Riferimenti

• Come si definiscono vetro, ceramica e vetroceramica? – IWT globale
• Introduzione alla ceramica, seconda edizione, Kingery WD, Bowen HK e Uhlmann DR, John Wiley & Sons, 1976.
• La scienza e la progettazione dei materiali ingegneristici, Schaffer JP et al, Richard D. Irwin Inc, 1995
• Ingegneria moderna della ceramica, Richardson DW, Marcel Dekker Inc., 1992.

Fonte