Analisi dei materiali ceramici con microscopia elettronica a scansione

I materiali ceramici presentano una serie di proprietà tra cui elevato punto di fusione, elevata durezza, ottima resistenza all’usura e resistenza all’ossidazione, e per questo sono ampiamente utilizzati in svariati settori come l’industria elettronica, automobilistica, tessile, chimica e aerospaziale. Le proprietà fisiche dei materiali ceramici dipendono in gran parte dalla loro microstruttura, che è possibile caratterizzare grazie all’osservazione al SEM.

I materiali ceramici sono una classe di materiali inorganici non metallici realizzati a partire da composti naturali o sintetici mediante formatura e sinterizzazione ad alta temperatura, e possono essere suddivisi in materiali ceramici generali e materiali ceramici speciali.

I materiali ceramici speciali possono essere a loro volta classificati o in base alla composizione chimica: ceramiche su base ossidi, nitruri, carburi, boruri, siliciuri, ecc.; oppure in base alle loro caratteristiche e applicazioni: ceramiche strutturali e ceramiche funzionali.

Con il continuo sviluppo della società, della scienza e delle tecnologie, i requisiti che vengono richiesti a questi materiali sono diventati sempre più complessi, il che richiede una comprensione più profonda delle varie proprietà fisiche e chimiche dei materiali stessi.

Fig.1 – Analisi morfologica di materiale ceramico al nitruro di boro. Immagine acquisita con microscopio elettronico a scansione a emissione di campo (FEG SEM) CIQTEK SEM5000 con detector ETD (SE).

Le proprietà fisiche dei materiali ceramici dipendono in gran parte dalla loro microstruttura, la cui caratterizzazione è resa possibile dalle immagini acquisite al SEM, grazie all’elevato potere risolutivo e ad un’ampia profondità di campo. L’analisi con sonda EDS inoltre permette di determinare rapidamente la composizione elementare dei materiali.

Il settore in cui sono più ampiamente utilizzati i materiali ceramici speciali è quello dell’industria elettronica, dove il titanato di bario (BaTiO3) è impiegato nei condensatori ceramici multistrato (MLCC), nei termistori (PTC) e in altri componenti elettronici grazie alla sua elevata costante dielettrica, eccellente proprietà ferroelettriche e piezoelettriche e proprietà di resistenza alla trazione e di isolamento. Con il rapido sviluppo di questo settore, la domanda di titanato di bario è in aumento e i componenti elettronici stanno diventando sempre più piccoli e miniaturizzati, il che comporta anche requisiti più elevati per il titanato di bario.

I ricercatori spesso modulano le proprietà finali modificando la temperatura di sinterizzazione, l’atmosfera, il drogaggio e altri parametri coinvolti nel processo di preparazione. Tuttavia, questi cambiamenti causano anche modifiche nella microstruttura del materiale e di conseguenza nelle sue proprietà. Gli studi hanno dimostrato che le proprietà ferroelettriche dielettriche del titanato di bario sono strettamente correlate alla microstruttura del materiale, in particolare alla porosità e alla dimensione dei grani. La morfologia, la dimensione e la relativa uniformità delle particelle della polvere ceramica di titanato di bario possono essere caratterizzate mediante microscopia elettronica a scansione a emissione di campo, utilizzando il SEM5000 di CIQTEK, come mostrato nelle Figg.2-3.

I risultati della caratterizzazione della microstruttura costituiscono delle importanti linee guida per la selezione dei metodi di sinterizzazione e dei parametri di processo. Inoltre, lo studio della microstruttura dei materiali mediante SEM aiuta a comprendere la relazione tra microstruttura e proprietà finali.

Figg.2-3 – Analisi morfologica di polvere ceramica di titanato di bario. Immagini acquisite con microscopio elettronico a scansione a emissione di campo (FEG SEM) CIQTEK SEM5000 con detector In-Lens. Figg.4-5 – Analisi morfologica di prodotto sinterizzato di titanato di bario e stronzio. Immagini acquisite con microscopio elettronico a scansione a emissione di campo (FEG SEM) CIQTEK SEM5000 con detector BSE.

Anche il titanato di bario e stronzio (BaxSr1-xTiO3) è un importante materiale ceramico per l’elettronica, e consiste in una soluzione solida formata da titanato di stronzio e titanato di bario. Rispetto al titanato di bario, ha una costante dielettrica più elevata, una perdita dielettrica inferiore, una maggiore resistenza alla rottura e un punto di transizione di fase variabile con la composizione, ed è stato ampiamente studiato e utilizzato nei dispositivi elettronici. I ricercatori utilizzano spesso metodi come la regolazione del rapporto Sr/Ba e l’aggiunta di elementi dopanti per ottenere prestazioni migliori. Tuttavia, è ancora fondamentale modulare le proprietà del materiale modificandone la microstruttura, che può essere caratterizzata al SEM come mostrato nelle Figg.4-5.

I materiali ceramici, i materiali metallici e i materiali polimerici sono i tre materiali più utilizzati nella società odierna. Con il continuo sviluppo della scienza e delle tecnologie, il futuro porrà requisiti sempre più severi in termini di prestazioni di questi materiali. L’uso del SEM per caratterizzarne la microstruttura aiuterà a migliorarne la tecnologia di preparazione di questi materiali verso prestazioni sempre più elevate.

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