La disciplina che studia la produzione di manufatti costituiti da materiali ceramici (che sono particolari materiali non-metallici inorganici). Tali manufatti si possono fabbricare portato il manufatto ad elevatissime temperature (fino a 1300 °C circa) tramite l'azione del calore, o a basse temperature utilizzando reazioni di precipitazione chimica da soluzioni ad alta purezza. La tecnica ceramica comprende la purificazione del materiale grezzo, lo studio e la produzione dei materiali in questione, e lo studio della loro struttura, composizione e proprietà.Chambers Science and Technology Dictionary, Chambers, 1992
I materiali ceramici possono essere cristallini o semicristallini, con un ordine a lungo raggio su scala atomica. La ceramica vetrosa può avere una struttura amorfa o vetrosa, con ordine atomico limitato o a breve raggio. Essi sono formati da una massa fusa che solidifica per raffreddamento, formata e maturata tramite l'azione del calore, o per sintesi chimica a bassa temperatura, utilizzando per esempio la tecnica del sol-gel.
I materiali ceramici trovano applicazione nel campo dell'ingegneria dei materiali, ingegneria elettrica, ingegneria chimica e ingegneria meccanica. Dato che le ceramiche sono resistenti al calore, possono essere utilizzate per molti compiti ai quali i materiali come il metallo e i polimeri non sono adatti. I materiali ceramici sono utilizzati in una vasta gamma di settori, compresa l'estrazione, l'industria aerospaziale, la medicina, la raffineria, l'industria alimentare, l'industria chimica, la scienza dell'imballaggio, l'elettronica, l'energia elettrica industriale e di trasmissione e la trasmissione di onde luminose guidate.
Storia La parola "ceramica" viene dal greco κεραμικός (keramikos) che significa fatto di terracotta, relazionata a una più antica radice dell'indoeuropeo che significa "bruciare",Kéramos: "Terra da cuocere, da stoviglie, argilla, vaso piatto, tegolo, e questo dalla rad. KAB ..." che significa "cuocere, ardere,..." Il termine "ceramica" può essere utilizzato come un sostantivo per indicare un materiale ceramico o il prodotto di fabbricazione di ceramica, oppure come aggettivo.
La tecnica o ingegneria ceramica, come molte scienze, si è evoluta da una disciplina diversa rispetto agli standard odierni, dove l'ingegneria dei materiali è accoppiata alla tecnica ceramica. Le università che si occupano di ceramica hanno programmi di studio saturi di classi dell'ingegneria dei materiali.
Abraham Darby per primo utilizzò il carbone coke nel 1709 nello Shropshire, Inghilterra, per migliorare il rendimento di un processo di fusione. Il coke è ora ampiamente utilizzato per la produzione di ceramica di carburo. Il vasaio Josiah Wedgwood aprì la prima fabbrica moderna di ceramica nel Stoke-on-Trent, Inghilterra, nel 1759. Il chimico austriaco Karl Bayer, lavorando per l'industria tessile in Russia, sviluppò nel 1888 un processo per separare l'allumina dalla bauxite. Il processo Bayer viene ancora utilizzato per purificare l'allumina per le industrie di ceramica e alluminio. I fratelli Pierre e Jacques Curie scoprirono verso il 1880 la piezoelettricità nel sale di Rochelle. La piezoelettricità è una delle proprietà chiave della elettroceramica. E.G. Acheson nel 1893 ha riscaldato una miscela di coke e argilla inventando il carborundum, o carburo di silicio sintetico. A Parigi quasi nello stesso periodo di Acheson, anche Henri Moissan sintetizzò il SiC e il carburo di tungsteno nel suo forno elettrico ad arco. In Germania, nel 1923, Karl Schröter utilizzò la sinterizzazione della fase-liquida per legare o "cementare" le particelle del carburo di tungsteno di Moissan con il cobalto. I bordi cementati (legati-metallicamente) del carburo aumentano enormemente la durabilità degli strumenti da taglio in acciaio temprato. Negli annil '20 a Berlino W.H. Nernst sviluppò l'ossido di zirconio cubico stabilizzato. Questo materiale viene utilizzato come un sensore di ossigeno nei sistemi di scarico. La principale limitazione nell'uso della ceramica in ingegneria è dovuta alla sua fragilità.
Il primo corso e dipartimento di ingegneria ceramica negli Stati Uniti sono stati istituiti nel 1894 da Edward Orton, professore di geologia e di ingegneria mineraria, presso la Ohio State University. Orton e altri otto esperti di materiali refrattari fondarono l'American Ceramic Society (ACerS) al convegno tenutosi a Pittsburgh nel 1898 dall'associazione nazionale fabbricanti di mattoni (National Brick Manufacturers' Association). Orton è stato il primo segretario generale dell'ACerS ed il suo ufficio all'OSU servì inizialmente come quartier generale della società. Charles F. Binns nel 1900 istituì la New York State School (ora Alfred University) per la lavorazione dell'argilla e della ceramica. Binns fu il terzo presidente dell'ACerS e Orton il 32mo. Una società ceramica in Giappone venne fondata a Tokyo nel 1891, mentre la tedesca Deutsche Keramische Gesellschaft, venne fondata nel 1919 a Berlino.
La Keramos National Professional Ceramic Engineering venne costituita al fine di promuovere e valorizzare il sapere e il carattere degli studenti onde stimolare lo sviluppo mentale e l'interesse per gli aspetti professionali dell'ingegneria ceramica, scienza e tecnologia. Le origini della Keramos Fraternity risalgono alla formazione della Beta Pi Kappa nel 1902 presso la Ohio State University per promuovere l'interazione e il cameratismo tra i professionisti e gli studenti di ingegneria ceramica. La Beta Pi Kappa successivamente nel 1932 si incorporò in una sede di interessi e intenzioni simili presso l'Università dell'Illinois (formata come la Keramos nel 1914). La fraternity (college universitario privato) ha registrato una crescita nel corso dei successivi quattro decenni di sedi universitarie che seguivano programmi di ingegneria ceramica. Ci sono attualmente 12 sedi di studenti in tutto il paese che attivamente promuovono gli ideali della Keramos e l'ingegneria ceramica.Un'eccellente rassegna della fondazione e la storia della Keramos è disponibile in KERAMOS - Una storia biografica di W.W. Kriegel.
Il fabbisogno bellico nella seconda guerra mondiale (1939–1945) ha incoraggiato sviluppi dovuti all'esigenza di materiali ad alte prestazioni, contribuendo così ad accelerare lo sviluppo della scienza e dell'ingegneria ceramica. Durante tutti gli anni '60 e '70, nuovi tipi di ceramiche sono state sviluppate in risposta ai progressi realizzati nel settore dell'energia atomica, dell'elettronica, delle comunicazioni e dei viaggi spaziali. La scoperta dei superconduttori ceramici nel 1986 ha stimolato un'intensa attività di ricerca per sviluppare parti di ceramica come superconduttori per dispositivi elettronici, motori elettrici e attrezzatura di trasporto.
Stato attuale
Ora, con molti miliardi di dollari all'anno, l'industria, l'ingegneria ceramica e la ricerca si sono affermate come un settore importante della scienza. Le applicazioni continuano ad espandersi come i ricercatori sviluppano nuovi tipi di ceramiche per scopi diversi.
Le ceramiche al biossido di zirconio vengono utilizzate per la fabbricazione di coltelli. La lama del coltello ceramico rimarrà affilata per molto più tempo di quella di un coltello in acciaio, anche se è più fragile e può essere spezzata facendola cadere su una superficie dura. Le ceramiche come l'allumina, il carburo di boro e il carburo di silicio sono state utilizzate in giubbotti antiproiettile per respingere i colpi di fucile di grosso calibro. Tali piastre sono conosciute comunemente come inserti protettivi da piccole armi (SAPI, small-arms protective insert). Per il loro basso peso, materiali simili vengono utilizzati per proteggere la carlinga di alcuni aerei militari. Pezzi di nitruro di silicio sono usati nei cuscinetti a sfere di ceramica. La loro maggiore durezza significa che sono molto meno soggetti ad usura e possono offrire una durata più del triplo. Inoltre, si deformano anche meno sotto carico, nel senso che hanno meno contatto con le pareti della gabbia del cuscinetto che può girare più velocemente. Nelle applicazioni ad altissima velocità, il calore d'attrito durante il rotolamento può causare problemi per i cuscinetti di metallo; problemi che sono ridotti con l'uso della ceramica. Le ceramiche sono anche più resistenti alle aggressioni chimiche e possono essere utilizzate in ambienti umidi dove i cuscinetti in acciaio subirebbero l'attacco della ruggine. Il principale inconveniente nell'utilizzare le ceramiche è il costo notevolmente più elevato. In molti casi le loro proprietà elettricamente isolanti possono essere preziose per i cuscinetti. All'inizio degli anni '80, la Toyota stava cercando di produrre un motore ceramico adiabatico che potesse funzionare ad una temperatura di oltre 6000 °F (3300 °C). I motori ceramici non richiedono un sistema di raffreddamento e permettono perciò una riduzione importante del peso e quindi un maggior rendimento del carburante. Il rendimento del carburante del motore è anche più alto ad alta temperatura, come dimostrato dal teorema di Carnot. In un motore convenzionale metallico, gran parte dell'energia liberata dal combustibile deve essere dissipata come calore di scarto onde evitare la fusione delle parti metalliche. Nonostante tutte queste proprietà desiderabili, questi motori non sono in produzione perché è difficile la fabbricazione di pezzi in ceramica con i necessari requisiti di precisione e durata nel tempo. L'imperfezione nella ceramica conduce alla formazione di fratture che possono portare a guasti nelle attrezzature potenzialmente pericolosi. Tali motori sono possibili in ambienti di laboratorio, ma la produzione su vasta scala non è possibile con le attuali tecnologie. Sono state sviluppate parti in ceramica per motori turbogas. Attualmente, anche le lame in leghe metalliche avanzate utilizzate nella sezione calda dei motori necessitano di un raffreddamento e di un'attenta limitazione delle temperature in gioco. I motori a turbina realizzati in ceramica potrebbero funzionare in maniera più efficiente, fornendo una maggiore gamma di aeromobili e un più grande carico utile per una certa quantità di carburante. Recentemente ci sono stati progressi in questo campo riscontrabili nella fabbricazione della bio-ceramica che produce per es. impianti dentali e ossa sintetiche. L'Idrossiapatite, la componente minerale dell'osso naturale, è stata sintetizzata artificialmente da un certo numero di fonti biologiche e chimiche e può essere formata con materiali ceramici. Le protesi ortopediche ricavate da queste materie si legano prontamente alle ossa e ad altri tessuti del corpo, senza causare rigetto o reazioni infiammatorie. Per questo motivo, esse sono di grande interesse per la distribuzione del gene e dei collegamenti nell'ingegneria dei tessuti. La maggior parte delle ceramiche apatiti idrossili sono molto porose e sono carenti di resistenza meccanica e vengono utilizzate per apparecchi ortopedici come rivestimento per il metallo onde facilitare la formazione di un legame a livello osseo o come riempitivi dell'osso. Inoltre sono usate come riempitivi per viti di plastica ortopediche per aiutare a ridurre l'infiammazione e aumentarne il loro assorbimento. Si è lavorato per rendere i materiali ceramici nano-cristallini di idrossiapatite forti e completamente densi onde poterli usare nei dispositivi ortopedici in grado di sopportare carichi pesanti (in sostituzione di quelli estranei fabbricati in metallo e in materie plastiche) con un sintetico, ma naturale, minerale osseo. In ultima analisi questi materiali ceramici possono essere usati come sostituti ossei o, con l'incorporazione dei collageni proteici, come ossa sintetiche.