Materiali e componenti ceramici avanzati prodotti da polimeri preceramici
Prof. Paolo Colombo, Ing. Lisa Biasetto

I polimeri preceramici sono dei polimeri (commercializzati da varie ditte in Italia ed all'estero) che possono essere trasformati in materiali ceramici tramite riscaldamento in atmosfera inerte (Ar, N2, vuoto,…) o reattiva (O2, NH3,…). Un tipico esempio di tale polimeri preceramici sono i convenzionali siliconi i quali, per riscaldamento a temperature superiori a 800°C danno luogo, con una limitata perdità in peso, ad un materiale ceramico contenente Si, O e C. Altri materiali ceramici avanzati che tipicamente possono essere ottenuti a partire da questi polimeri sono il carburo di silicio (SiC), ed altri ceramici contenenti Si, N, C ed O. Tutti questi materiali ceramici sono adatti per applicazioni ad elevata temperatura (> 1000°C) in atmosfere corrosive.
Tra i numerosi vantaggi dell'utilizzo dei polimeri preceramici nella produzione di componenti ceramici è che tali materiali ceramici avanzati possono essere prodotti a temperature notevolmente inferiori (< 1200°C) a quelle richieste dai convenzionali metodi di sintesi e, soprattutto, che i componenti ceramici possono essere prodotti sfruttando tradizionali tecniche di lavorazione delle materie plastiche (estrusione, injection molding, resin transfer molding, filatura, schiumatura, ecc.). Quindi, utilizzando polimeri preceramici, è possibile ottenere componenti difficilmente ottenibili per via tradizionale, come fibre o rivestimenti, nonché pezzi massivi a costi generalmente inferiori di quelli di tecniche alternative.
La possibilità di addizionare il polimero preceramico con additivi quali polveri ceramiche o metalliche, o tessuti in fibra ceramica, permette di espandere ulteriormente il campo di utilizzo dei componenti ceramici prodotti in questo modo (ad esempio permette l'ottenimento di materiali ceramici che conducono elettricamente, o che hanno caratteristiche ferromagnetiche, o che hanno una elevata superficie specifica, o che hanno caratteristiche di frattura non catastrofica come i compositi ceramici).
Nel Laboratorio Materiali Ceramici e Vetri vengono attualmente sviluppati le seguenti attività (in collaborazione con numerose istituzioni di ricerca Italiane e straniere)

1) Schiume ceramiche macrocellulari
Le schiume ceramiche sono dei componenti porosi (a porosità aperta o chiusa e con dimensioni di cella che vanno da circa 250 micron sino a 1 mm) che trovano applicazione in numerosi campi quali ad esempio la filtrazione di particelle, liquidi o gas, i bruciatori a mezzo poroso, l'isolamento termico ed acustico ad elevata temperatura, l'assorbimento di urti, la realizzazione di elementi riscaldanti, il rinforzo tridimensionale di matrici polimeriche, ceramiche o metalliche. Utilizzando dei polimeri preceramici sono state sviluppate schiume a cella aperta che hanno una resistenza superiore a quella di schiume ottenute con altri metodi, come pure una variazione graduale di porosità lungo lo spessore.
Le figure qui riportate illustrano la morfologia di tali materiali (Fig. 1), come pure la realizzazione di schiume ceramiche magnetiche e che conducono l'elettricità (riscaldandosi sino a 1200°C) (Fig. 2), o di schiume ceramiche che agiscono come rinforzo di matrici metalliche (ad esempio Al) o polimeriche (ad esempio resina poliestere).

Fig. 1. Tipica morfologia di schiume ceramiche macrocellulari ottenute da polimeri preceramici

Fig. 2. Schiume ceramiche con caratteristiche magnetiche o elettroconduttrici

Fig. 3. Schiume ceramiche utilizzate come rinforzo di matrici metalliche o polimeriche

2) Schiume ceramiche microcellulari
A differenza delle precedenti, queste hanno delle dimensioni di cella variabili da circa 2 a circa 100 micron, e rispetto ad esse posseggono una resistenza a compressione circa 200 volte più elevata (arrivando a resistere ad uno sforzo di compressione di circa 20 MPa per campioni aventi una densità di 0.5 g/cm3). In Fig. 4 si può osservare come in questo campione la porosità è completamente aperta e le dimensioni di cella variano da circa 4 a circa 10 mm.

Fig. 4. Tipica morfologia di schiume ceramiche microcellulari ottenute da polimeri preceramici

3) Giunzioni ceramiche
Utilizzando polimeri preceramici è stato possibile ottenere, a bassa temperatura (< 1200°C) giunzioni di componenti ceramici (compositi o massivi, Fig. 5) che posseggono una elevata stabilità alle elevate temperature e resistenza meccanica.

Fig. 5. Giunzioni ceramiche di compositi ceramici o di componenti massivi, ottenute utilizzando una resina siliconica