Proprieta' elettriche dei materiali ceramici

Proprieta' elettriche dei materiali ceramici

I materiali ceramici vengono utilizzati per molte applicazioni elettriche ed elettroniche, di cui i principali impieghi sono come:

Materiali isolanti ceramici - I materiali ceramici hanno proprieta' elettriche e meccaniche che li rendono particolarmente adatti per molte applicazioni come isolanti nell’industria elettrica ed elettronica; cio' per via dei legami ionici e covalenti che limitano la mobilita' degli elettroni e degli ioni. La composizione chimica e la microstruttura per applicazioni elettriche ed elettroniche devono essere controllate con maggiore attenzione rispetto ai ceramici strutturali come mattoni o le tegole. Alcuni ceramici isolanti sono: la porcellana elettrica, la steatite, la fosterite e l’allumina.

Materiali ceramici per condensatori - I materiali ceramici vengono comunemente usati come materiali dielettrici per condensatori; di cui quelli a disco sono il tipo piu' comune. Questi condensatori ceramici con dischi piani molto sottili sono formati principalmente da titanato di bario (BaTiO₃) con altri additivi. Il BaTiO₃ viene utilizzato per la sua costante dielettrica molto alta, intorno a 1200 - 1500. Nella figura sono mostrati gli stadi di fabbricazione di un tipo di condensatore a dischi ceramici; in questo tipo di condensatore uno strato d’argento sulle superfici superiore ed inferiore costituisce le "armature" metalliche del condensatore. Per realizzare capacita' molto alte con dispositivi di minime dimensioni, sono stati sviluppati piccoli condensatori ceramici multistrato. I microcondensatori possono fornire valori di capacita' maggiori per unita' di superficie ed essere aggiunti a circuiti di film spesso mediante una semplice saldatura o un’operazione di collegamento equipotenziale.

Semiconduttori ceramici - Molti composti ceramici hanno importanti proprieta' di semiconduzione sfruttate per il funzionamento d’alcuni dispositivi elettrici. Uno di questi dispositivi e' il termistore, o resistore sensibile alla temperatura, che viene usato per la misura e il controllo della temperatura. Di particolare interesse e' il tipo di termistore con coefficiente di temperatura negativo (NTC) la cui resistenza diminuisce con l’aumento della temperatura. Il termistore diventa cioe' piu' conduttore con l’aumentare della temperatura, come nel caso del semiconduttore al silicio. I materiali semiconduttori ceramici piu' comunemente utilizzati per termistore NTC sono ossidi sinterizzati degli elementi Mn, Fe, Co e Cu, con combinazioni di soluzioni solide d’ossidi di questi elementi vengono utilizzati per ottenere l’intervallo richiesto di conducibilita' elettrica in funzione della variazione di temperatura.

Per introdurre l’ultimo utilizzo si descrive brevemente le proprieta' dei domini ferroelettrici.

Molti materiali ceramici cristallini ionici hanno celle elementari senza un centro di simmetria e, cosi', le loro celle elementari contengono piccoli dipoli elettrici. Un materiale ceramico d’importanza industriale appartenente a questa classe e' il titanato di bario, BaTiO₃. Al di sopra di 120°C, il BaTiO₃ ha una struttura cristallina cubica regolare simmetrica di tipo perovskite. Al di sotto di 120 °C, lo ione centrale Ti⁴⁺ e gli ioni O^2- circostanti della cella elementare di BaTiO₃ subiscono un piccolo momento di dipolo elettrico. Questo spostamento delle posizioni ioniche, alla temperatura critica di 120°C, detta temperatura di Curie, cambia la struttura cristallina del BaTiO₃ da cubica a leggermente tetragonale. Su scala maggiore, il titanato di bario solido ha una struttura a domini, in cui i piccoli dipoli elettrici delle celle elementari sono allineati lungo una direzione. Il momento di dipolo risultante in un volume unitario di questo materiale e' la somma dei piccoli momenti di dipolo delle celle elementari. Se il titanato di bario policristallino viene raffreddato lentamente passando attraverso la sua temperatura di Curie in presenza di un forte campo elettrico, i dipoli di tutti i domini tendono ad allinearsi nella direzione del campo elettrico a generare un forte momento di dipolo per volume unitario del materiale.

Effetto piezoelettrico - Il titanato di bario e molti altri materiali ceramici mostrano quello che e' chiamato effetto piezoelettrico. Consideriamo un campione di materiale ceramico ferroelettrico che ha un momento risultante dipolare, dovuto all’allineamento di molti piccoli dipoli. In questo materiale ci sara' un eccesso di carica positiva su un lato e di carica negativa sull’altro lato, nella direzione della polarizzazione. Gli sforzi di compressione riducono la lunghezza del campione e quindi causano una riduzione della distanza tra i dipoli, che a loro volta riducono l’intero momento di dipolo per unita' di volume del materiale. La variazione del momento di dipolo del materiale cambia la densita' di carica agli estremi del campione e quindi la differenza di potenziale tra i lati del campione, se questi sono isolati l’uno dall’altro. D’altra parte, se e' applicato un campo elettrico tra i due lati del campione, viene modificata la densita' di carica ad ognuno dei due lati . Questa variazione nella densita' di carica provochera' nel campione una variazione dimensionale nella direzione del campo applicato.

L’effetto piezoelettrico e' un effetto elettromeccanico mediante il quale le forze meccaniche possono produrre su un materiale ferroelettrico una risposta elettrica, o forze elettriche una risposta meccanica. I materiali ceramici piezoelettrici hanno molte applicazioni industriali. Esempi di conversione delle forze meccaniche in risposte elettriche sono: l’accelerometro delle vibrazioni che avvengono sopra un ampio intervallo di frequenze, e la testina del giradischi nella quale le risposte elettriche sono "raccolte" da una puntina che vibra nei solchi di registrazione. Un esempio di conversione di forze elettriche in risposte meccaniche e' il trasduttore di un bagno ad ultrasuoni, che viene fatto vibrare per azione di un ingresso di potenza a corrente alternata che puo' indurre una violenta agitazione del liquido nella vaschetta. Un altro esempio di questo tipo e' il trasduttore di suono subacqueo nel quale un ingresso di potenza elettrica provoca la vibrazione del trasduttore per trasmettere onde sonore. Sebbene il BaTiO₃ sia normalmente utilizzato come materiale piezoelettrico, e' stato ampiamente sostituito da altri materiali ceramici piezoelettrici. Di particolare importanza sono i materiali ceramici costituiti da soluzioni solide di zirconato di piombo (PbZrO₃) e di titanato di piombo (PbTiO₃) per realizzare quelli che vengono chiamati materiali ceramici PZT. I materiali PZT hanno una gamma maggiore di proprieta' piezoelettriche, tra cui una temperatura di Curie piu' elevata rispetto al BaTiO₃.