NANO-CERAMICA DI VETRO

A seconda delle dimensioni dei cristalliti in relazione alla lunghezza d'onda della luce, le vetroceramiche possono essere progettate per essere trasparenti (ad esempio, con cristalliti su scala nanometrica) o opache (ad esempio, con cristalliti su scala micro). 

La natura cerca sempre di abbassare l'energia necessaria per il verificarsi di una reazione o di un determinato evento. Tenendo conto di ciò, è possibile giocare su questo effetto, per rendere più difficile l'avvio e la propagazione di un determinato processo. Nel vetro, si tratta della formazione e della propagazione di cricche. Quando si applica un carico a un materiale, questo imprime una grande quantità di energia al materiale, creando una situazione in cui il materiale deve rispondere a questa energia. Oltre il limite elastico, un materiale fragile come il vetro o la ceramica normalmente dissipa l'energia attraverso la formazione di nuove superfici, ad esempio attraverso la formazione di cricche.

Le vetro-nanoceramiche offrono una gamma versatile di proprietà benefiche per migliorare la tenacità alla frattura del vetro. La presenza fisica di nanocristalli ultrafini e ben dispersi impedisce la propagazione delle cricche.  Questo accade perché ogni volta che una cricca in propagazione incontra un'interfaccia di nanocristallo, la cricca deve cambiare la sua direzione di propagazione per spostarsi intorno al nanocristallo o iniziare una nuova cricca attraverso la fase del cristallite stesso.  

Tuttavia, quando il nanocristallo è abbastanza piccolo da limitare la formazione di un confine di grano all'interno del suo reticolo cristallino, la probabilità di un sito di frattura è ancora più limitata. Una tale frustrazione del processo naturale delle cose crea una barriera energetica così grande che la formazione di un percorso per la propagazione della cricca porta a uno scenario energeticamente sfavorevole e la frattura viene limitata o proibita del tutto. 

ELEVATA RESISTENZA CON UN PESO RIDOTTO

Affinché la propagazione di una cricca sia significativamente limitata intorno e all'interno di un cristallo nanoceramico infuso nel vetro (vetro-nanoceramica), questi fondamenti sono essenziali:

• È fondamentale una dispersione uniforme e densa dei cristalli di nano-ceramica all'interno della matrice di vetro.

• I cristalli nanoceramici devono avere una dimensione ben al di sotto dei 20 nm, per ridurre al minimo o prevenire la formazione di bordi di grano al loro interno

• La composizione dei cristalli nanoceramici deve conferire al vetro funzionalità versatili, ad esempio proprietà chimiche, ottiche ed elettriche, che lo aiutino a ottenere e mantenere la durabilità.

Una delle principali sfide incontrate durante la preparazione di nanocompositi a matrice vetro-nanoceramica è la capacità di ottenere una dispersione omogenea dei nanocristalli.  L'agglomerazione di grumi di dimensioni micrometriche, in particolare di nanoparticelle di grandi dimensioni (spesso > 30 nm) utilizzate per carichi pesanti, tende a generare effetti negativi sulle proprietà termiche e meccaniche del vetro, in quanto un numero inferiore di particelle di rinforzo è presente in altre aree e gli aggregati possono agire come centri di difetti, che possono agire come iniziatori di cricche che portano al cedimento strutturale del composito di vetro.

IL CONTROLLO DELLE DIMENSIONI DELLE PARTICELLE DI NANO-CERAMICA È IMPORTANTE

Riducendo le dimensioni delle particelle di nanoceramica ben al di sotto dei 20 nm, è possibile influenzare il numero di dislocazioni accumulate ai confini dei grani e aumentare la resistenza allo snervamento di una nanoceramica, ovvero la sollecitazione massima che il cristallo di nanoceramica tollera prima che inizi la deformazione. 

Distribuendone una quantità significativa all'interno di una matrice di vetro, si ottiene un'alta densità di siti di rinforzo, all'interno di una matrice di vetro. Questo è facile con le particelle nanoceramiche ultrafini, perché il numero medio di queste presenti in un volume unitario di materiale aumenta esponenzialmente, man mano che le dimensioni delle particelle si riducono. Ad esempio, una particella ceramica di 1 um può essere sostituita da circa un migliaio di particelle nanoceramiche di 1 nm. Ciò implica che, con un volume e una massa inferiori, è possibile ottenere una distribuzione di densità più elevata di particelle nanoceramiche all'interno di una matrice di vetro, a una dose significativamente inferiore rispetto a quella ottenuta con particelle micronizzate o addirittura più grandi (> 20 nm).

VETRO NANO-TEMPERATO CHIMICAMENTE

La frattura del vetro ha inevitabilmente origine su scala nanometrica (cioè la rottura del legame). La tempra chimica è un metodo molto efficace per migliorare la resistenza attraverso l'incorporazione di un'elevata tensione di compressione nelle superfici del vetro. È possibile ottimizzare topologicamente il design del vetro su scala nanometrica, utilizzando cristalli nanoceramici di composizione variabile, in combinazione con i vantaggi delle dimensioni dei cristalli nanoceramici, per consentire all'energia applicata alla superficie del vetro di essere dissipata attraverso una densificazione localizzata intorno a un penetratore, piuttosto che attraverso la formazione di crepe all'interno del vetro stesso.

Grazie alla nostra esperienza nella progettazione e nella produzione di cristalli nano-ceramici di dimensioni inferiori a 20 nm, NANOARC è ben posizionata per aiutare l'industria del vetro a superare i limiti delle prestazioni del vetro in termini di durata chimica e strutturale. Essendo il nano-polimorfismo parte integrante del nostro processo di progettazione dei nanomateriali, consentiamo ai produttori di adottare i nostri prodotti senza problemi di compatibilità chimica.