Sviluppo di nuovi materiali ceramici

I materiali ceramici sono ampiamente utilizzati per la loro resistenza alla corrosione, all'usura e alle alte temperature. Sono un potenziale materiale ad alte prestazioni che può sostituire i materiali metallici ed essere utilizzato in ambienti difficili. Tuttavia, a causa della fragilità intrinseca dei materiali ceramici, il loro campo di applicazione pratica è limitato. Con il continuo progresso della scienza e della tecnologia, i nuovi materiali ceramici hanno una nuova direzione di sviluppo.

Compositi ceramici rinforzati con baffi

I whisker ceramici si riferiscono a fibre di cristallo singolo con diametri molto piccoli. In genere, la loro lunghezza è centinaia di volte il diametro e sono solitamente coltivati con il metodo della fase gassosa. I whisker hanno pochi difetti, quindi la loro resistenza meccanica è molto elevata e la loro resistenza alla trazione può avvicinarsi alla resistenza teorica dei cristalli puri. La resistenza dei whisker è strettamente correlata al loro spessore. Quanto più spessi sono i whisker, tanto minore è la loro resistenza, quindi quanto più piccolo è il diametro dei whisker, tanto meglio è. Poiché i whisker hanno le caratteristiche di alta resistenza, bassa densità e resistenza al calore, sono spesso utilizzati come materiali di rinforzo. I whisker più comunemente utilizzati sono quelli di Al2O3, SiC e Si3N4, grafite, ecc. Il rinforzo dei whisker è un mezzo efficace per migliorare le proprietà meccaniche ad alta temperatura e la stabilità agli shock termici dei materiali ceramici.

Composito nano-ceramico

I materiali compositi nanoceramici sono stati sviluppati a metà degli anni Ottanta. I compositi nanoceramici possono essere generalmente suddivisi in tre categorie: nanocompositi intragranulari, intergranulari e nano/nanocompositi. Le particelle in scala nanometrica dei primi due tipi di nanocompositi sono principalmente disperse all'interno o tra i grani della matrice e il loro obiettivo principale è quello di migliorare le proprietà meccaniche ad alta temperatura. I nano/nanocompositi sono composti da dispersioni in scala nanometrica e grani della matrice, con l'obiettivo di aggiungere alcune nuove funzioni alla ceramica, come la processabilità e la superplasticità. La dimensione dei grani, l'ampiezza dei confini dei grani, la distribuzione della seconda fase, la dimensione dei pori e dei difetti dei materiali compositi nanoceramici sono limitati al livello di 100 nm. La riduzione della dimensione dei grani raddoppia le proprietà meccaniche del materiale.

Compositi ceramici a prestazioni differenziate

La composizione dei materiali compositi a gradiente di prestazione cambia gradualmente da un lato all'altro. Il cambiamento di composizione provoca una graduale variazione delle prestazioni (o della funzione) del materiale. Questo materiale è un cosiddetto materiale a gradiente di prestazioni (chiamato materiale funzionale inclinato in Giappone). Si tratta di un nuovo materiale sviluppato dal Giappone a metà degli anni '80. Il materiale a gradiente di prestazione è un materiale per il rilassamento dello stress termico. È stato sviluppato per applicazioni pratiche che richiedono che un lato del materiale sia resistente al calore e all'ossidazione, mentre l'altro lato (lato freddo) deve essere resistente e in grado di alleviare e sopportare lo stress termico. È un materiale di nuova concezione, diverso dai tradizionali materiali compositi omogenei.