Molti ceramici sono sempre più utilizzati nel settore dell’elettrotecnica e
dell’elettronica.
Possono costituire il substrato isolante di dispositivi elettrici o elettronici
(quando la costante dielettrica relativa è inferiore a 12) grazie alla loro
resistenza elettrica, alla limitata densità e al basso coefficiente di perdita
nonché, a seconda dell’applicazione, grazie alla conducibilità termica e al
coefficiente di dilatazione termica simile a quello del silicio.
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Importante, soprattutto in applicazioni di potenza, l’andamento della resistività
con la temperatura, strettamente dipendente dalla quantità di fase vetrosa (vedi
mobilità ionica). Questa peraltro risulta spesso necessaria in fase di
sinterizzazione per limitare la porosità e quindi l’impermeabilità.
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Alcuni ceramici presentano elevata costante dielettrica (carica massima
sopportabile dal circuito). Per questo sono utilizzati come dielettrici (in
condensatori o dispositivi simili).
Elevata in genere è anche la resistenza dielettrica ovvero la massima differenza
di potenziale applicabile.
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I meccanismi alla base della polarizzabilità fanno riferimento alla
polarizzazione delle nubi elettroniche, degli atomi (variazione delle distanze di
legame), dei dipoli e del reticolo nei sistemi multifasici (migrazione relativa
alle cariche attraverso i vari cristalli). Ognuno dei meccanismi presenta una
certa velocità e quindi efficacia al variare della frequenza.
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Sempre più utilizzati sono i sistemi integrati basati sull’assemblaggio di tape
cosinterizzati.
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Dispositivi tipici sono i capacitori multistrato.
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I ceramici ferro-eletttrici sono caratterizzati da un allineamento spontaneo dei
dipoli. L’applicazione di un campo elettrico esterno causa una polarizzazione
residua e un comportamento a “ciclo di isteresi”. 7
La costante dielettrica dipende fortemente dalla microstruttura (grana
cristallina) e quindi dal processo produttivo. La polarizzabilità è funzione della
temperatura: non si manifesta polarizzazione residua sopra la temperatura di
Curie (TC) come viene evidenziato per il titanato di bario.
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La causa del comportamento osservato va ritrovata nella distribuzione atomica.
Nel titanato di bario l’atomo di titanio non si trova esattamante al centro della
cella cubica e questo genera un dipolo permanentendel materiale che porta alla
formazione di domini ferroelettrici (che, in presenza di un campo elettrico,
possono venire orientati tutti nella stessa direzione). La struttura ovviamente
cambia con la temperatura (sopra i 120°C non ho più polarizzazione residua).
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Alcuni ferroelettrici manifestano anche proprietà piezoelettriche cioè si
deformano sotto l’azione di un campo elettrico ovvero si polarizzano in
presenza di una pressione (manifestando un ciclo di isteresi). Tali materiali si
ottengono per raffreddamento sotto campo elettrico da sopra la TC. Più interessanti sono gli elettrostrittivi i quali non manifestano fenomeni di
isteresi nella deformazione.
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Numerosissime sono le applicazioni dei piezoelettrici.
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I varistori sono costituiti di materiale con un particolare andamento della curva
V-I. In caso di grandi sbalzi di tensione la resistenza elettrica cala
notevolmente e per questo sono usati come dispositivo di sicurezza. La ragione
di tale comportamento è legato ai livelli energetici possibili al bordo grano (che
deve quindi essere particolarmente “controllato”) dove il materiale assomiglia
ad un semiconduttore.
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Gli ossidi ferromagnetici presentano una struttura a spinello inverso con gli
ioni trivalenti sia nei siti ottaedrici che in quelli tetraedrici (nelle strutture a
spinello normale gli ioni trivalenti sono tutti nei siti ottaetrici). Questo fa sì che
sia presente un momento magnetico netto dipendente dal numero di elettroni
dello ione divalente nell’orbitale d.
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Sia la magnetizzazione che la temperatura di Curie dipendono dallo ione
divalente.
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Sistemi particolarmente interessanti sono le celle a combustibile ad ossido
solido. In esse viene prodotta energia elettrica sfruttando una reazione di
ossidazione dell’idrogeno in acquaIl funzionamento della pila è garantito a
temperature di 800-1000°C; a tali condizioni dalla parte dell’anodo è
necessario un materiale poroso resistente alla presenza di idorgeno, dalla parte
del catodo è necessario un materiale poroso resistente all’ossidazione mentre
l’elettorlita deve essere impermeabile ma conduttore di ioni ossigeno. Per
questo possono essere utilizzati solo materiali ceramici che vanno cosinterizzati in un unico componente. Numerosi studi sono in corso ancor oggi
per scegliere i materiali ottimali e produrre monocelle prive di difetti.
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