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Giorgio SPINOLO – Scienza dei Materiali - 6 marzo / 19 aprile 2007 – Corsi ordinari IUSS

Sintesi e fabbricazione di materiali

Perché diciamo fabbricazione ?


La tecnologia dei metalli


Materiali metallici

• Riduzione di ossidi, solfuri,…• Fuso• Colata in lingottiera Oggetto finito

• Lavorazione per deformazione plastica– Laminazione– Trafilatura

Semilavorato

Oggetto finito


Ceramici (e metalli altofondenti)

• Sintesi chimica

=> polveri con composizioni chimica e di fase desiderate

• Formatura, compattazione, densificazione

=> produzione di un oggetto compatto della forma desiderata (o prossima a questa) e (quasi) privo di porosità

Sinterizzazione


Sinterizzazione

• Polveri

• Preparazione di un green (liquido, legante, compattazione a freddo, …) di forma prossima a quella finale voluta

• Sinterizzazione: un processo ad alta temperatura (inferiore al punto di fusione) in cui avvengono fenomeni quali:– aumento delle dimensioni dei grani– variazione nella forma dei pori– variazione nel numero e nella dimensione dei pori

• Talora la sinterizzazione viene realizzata contemporaneamente alla sintesi chimica


Sinterizzazione – 1: Crescita dei grani

• E’ un processo che avviene sempre nei solidi come conseguenza dell’innalzamento della temperatura. La driving force è la variazione di energia associata all’aumento di dimensione dei grani che a sua volta deriva dalla diminuzione dell’estensione delle superfici di contatto ed è controllato dalla loro curvatura.

r

VG2


• Le frequenze di salto nelle due direzioni non sono uguali• Il grain boundary quindi si muove verso il suo centro di curvatura. • In un reticolo tridimensionale di grain boundaries aventi tutti la

stessa energia gli angoli di contatto sarebbero tutti di 120°.

Sinterizzazione – 1: Crescita dei grani


Sinterizzazione – 2: Densificazione

• E’ il processo che porta al compattamento di aggregati di polveri

• Vari meccanismi:– Evaporazione/condensazione– Diffusione superficiale– Diffusione di bulk– In fase liquida


Metodi innovativi di sinterizzazione

• Hot pressing

• SPS (Spark Plasma Sintering): molto più recente


Sintesi allo stato solido

• Viene generalmente condotta su miscele di polveri pressate e quindi appare come sinterizzazione reattiva

• Gli aspetti di base della reazione allo stato solido NON vengono studiati su miscele di polveri (troppo complesse da modellare) ma su sistemi “ideali” a geometria e morfologia controllate: tipicamente su interfacce planari tra monocristalli o compresse sinterizzate di polveri dei reagenti


Sintesi allo stato solido

Es.: Meccanismi di sintesi di ossidi AB2O4


Preparazione di polveri


METODO SOL-GEL

Esempio: preparazione di fibre ottiche di silice.


Combustion synthesis

Esempi:

Ti (s) + C (s) → TiC (s)

2Ti(s) + N2(g) → 2 TiN(s)

2NiO + Zr → 2Ni + ZrO2


Preparazione di monocristalli

Metodo Czochralski



Forno a immagine Es: (ossidi di zirconio, magnesio, calcio, nitruri, boruri,ecc.)



Metodo Stockbarger

Metodo Bridgman

Metodo “Zone melting



Metodo Verneuil

Es.: ossidi con temperature di fusione superiori a 1800°C (zaffiri, rubini, spinelli…)


Preparazione di piccoli monocristalli

Metodo del trasporto

Esempio : preparazione di cristalli di magnetite Fe3O4:

Fe3O4 (s) + 8 HCl(g) = FeCl2(g) + 2FeCl3(g) + 4 H2O

(T2= 1270°C, T1 = 1020°C)

2

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