La ceramica funzionale è un nuovo tipo di ceramica sviluppato per realizzare tecnologie all'avanguardia. Trova ampio impiego nella sensoristica, nell'informatica, nella bioingegneria, nell'industria automobilistica e nelle scienze ambientali.
I materiali a base di terre rare trovano enormi applicazioni nel migliorare le caratteristiche e le prestazioni delle ceramiche funzionali. Le terre rare migliorano le ceramiche funzionali che rispondono agli effetti di luce, elettricità, magnetismo, suono, potenza e calore.
Questo articolo vi aiuterà a comprendere l'utilizzo delle terre rare nella ceramica funzionale. Approfondiamo l'argomento.
Elementi delle terre rare e la loro importanza:
Gli elementi delle terre rare (REE) sono 17 elementi della tavola periodica con proprietà simili. Gli elementi REE della tavola periodica sono:
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Lantanio (La)
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Scandio (Sc)
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Cerio (Ce)
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Ittrio (Y)
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Neodimio (Nd)
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Disprosio (Dy)
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Praseodimio (Pr)
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Samario (Sm)
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Gadolinio (Gd)
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Terbio (Tb)
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Europio (Eu)
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Yatterbio (Yb)
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Olmio (UE)
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Promezio (Pm)
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Lutezio (Lu)
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Erbio (Er)
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Tulio (Tm)
Questi 17 elementi sono una parte fondamentale di vari dispositivi tecnologici avanzati. Gli elementi REE vengono utilizzati per realizzare oltre 200 prodotti con molteplici applicazioni.
Le terre rare sono ampiamente utilizzate nel settore manifatturiero:
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prodotti di elettronica di consumo,
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computer personali,
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dischi rigidi,
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veicoli elettrici (EV),
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veicoli ibridi,
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telefoni cellulari,
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televisori,
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e monitor a schermo piatto, ecc.
I materiali delle terre rare trovano applicazione anche nella produzione di apparecchiature per sistemi di difesa, come sistemi radar, sistemi sonar, sistemi di guida, laser e display elettronici.
Vale la pena sottolineare che la quantità totale di terre rare utilizzate in questi prodotti non è significativa rispetto al loro volume, peso e valore, ma è essenziale per il funzionamento del dispositivo.
Ad esempio, la produzione di motori a mandrino e bobine mobili per computer richiede una frazione di terre rare inferiore al loro peso totale. Ma non è possibile realizzarli senza.
La Cina detiene attualmente circa il 60-70% delle terre rare mondiali. All'inizio del 1990, la produzione, la fornitura e l'esportazione di terre rare sono diventate un problema nazionale per la Cina. Successivamente, la Cina ha iniziato a ridurre le terre rare vendute all'estero.
Ora la Cina ha limitato le esportazioni di sette materiali di terre rare, considerando le loro applicazioni e la loro disponibilità.
Cosa sono le ceramiche funzionali?
Le ceramiche funzionali sono tipologie di ceramiche sviluppate per offrire qualità superiori rispetto alle ceramiche tradizionali e strutturali. Sono ampiamente utilizzate in applicazioni di ingegneria magnetica, elettrica e ottica.
Presentano un'enorme diversità nella loro struttura, composizione e proprietà. Possono essere utilizzati per molti scopi high-tech.
La preparazione della ceramica funzionale richiede un lungo sistema di lavorazione che comprende la lavorazione delle materie prime, la formulazione, la miscelazione e la macinazione, la disidratazione, la pre-sintesi, la macinazione, la granulazione, la formatura, la sinterizzazione e l'elettrodeposizione.
Questo rigoroso metodo di lavorazione della ceramica funzionale aiuta a mantenere le sue proprietà, quali quelle magnetiche, elettriche, termiche, ottiche, fotoelettriche, interfacciali, meccaniche, di trasporto, termodinamiche, termoelettriche, ferroelettriche, bioattive, biocompatibili ed elettrochimiche.
Utilizzo di elementi di terre rare nella ceramica funzionale:
Terreni fertili per ceramiche superconduttrici: Le ceramiche superconduttrici sono materiali ceramici che presentano proprietà di conduzione termica estreme. Questi materiali non hanno diamagnetismo e hanno resistenza nulla. LaSrCuO, LaBaCuO, YbCuO e BaPbBi sono alcune delle ceramiche superconduttrici più utilizzate. Queste composizioni sono costituite da elementi delle terre rare.
Le terre rare aumentano la densità di corrente critica delle ceramiche e ne migliorano le prestazioni nei campi magnetici. I superconduttori possono trasportare elettricità senza perdere energia e respingere i campi magnetici. Pertanto, il campo magnetico non può attraversare i superconduttori.
I principali settori di utilizzo della ceramica superconduttrice includono i sistemi di purificazione dell'acqua, la produzione di supercomputer, la produzione di treni a levitazione magnetica e i sistemi di trasmissione e distribuzione di energia.
Terreni fertili per ceramiche ottiche: Gli elementi delle terre rare sono una componente essenziale delle ceramiche ottiche. Le ceramiche ottiche sono uno speciale tipo di ceramica funzionale, trasparente e in grado di lasciar passare la luce visibile.
La produzione di ceramiche trasparenti richiede materiali puri ultrafini o cristalli equiassici con assi cristallini di alta qualità. Questo cristallo rappresenta la fase trasparente principale e viene prodotto tramite un processo di sinterizzazione rigorosamente mantenuto con una quantità fissa di additivi modificanti.
Le terre rare regolano il colore e la luce, riducono al minimo le dimensioni e aumentano l'efficienza energetica delle ceramiche ottiche.
Esempi di ceramiche ottiche comunemente utilizzate sono l'allumina, il triossido di ittrio (Y2O3), la ceramica di titanato di zirconio e lantanio di piombo (PLZT), l'allumina, l'ossido di calcio, la magnesia e l'ossido di torio (ThO2).
REES per ceramiche magnetiche: Le ceramiche magnetiche sono costituite da uno o più elementi metallici. L'elemento principale delle ceramiche magnetiche è il ferro. La ceramica di ferrite è un nome comune per le ceramiche magnetiche.
La ferrite è un semiconduttore con una resistività più elevata rispetto ai metalli magnetici convenzionali. Presenta una bassa perdita per correnti parassite.
I materiali ceramici magnetici possono essere suddivisi in due categorie a seconda dell'utilizzo: materiali magnetici dolci e materiali magnetici duri. I materiali magnetici duri sono molto difficili da magnetizzare e smagnetizzare. Trovano applicazione in dispositivi di memorizzazione magnetica e magneti, e sono costituiti da magneti in terre rare e magneti in ferrite.
Al contrario, i materiali magnetici dolci sono soggetti a magnetizzazione e possono essere facilmente magnetizzati o smagnetizzati. Anche la direzione del flusso magnetico in questi materiali dolci può essere alterata. I materiali magnetici dolci sono comunemente utilizzati nei componenti elettronici che devono reagire a campi magnetici variabili.
Esistono tre tipi di ceramiche magnetiche in base alla loro struttura cristallina: le ferriti esagonali, gli spinelli e le ferriti a granato. La ferrite a granato è utilizzata principalmente nelle ceramiche funzionali. Viene utilizzata in campi magnetici a frequenza estrema per la sua elevata resistività e le perdite ad alta frequenza molto ridotte.
Terreni irrigui per ceramiche piezoelettriche: Le ceramiche piezoelettriche sono ceramiche funzionali che possiedono l'effetto piezoelettrico. Le terre rare migliorano le prestazioni di sinterizzazione, le proprietà elettriche e il coefficiente piezoelettrico di queste ceramiche.
L'effetto piezoelettrico si riferisce alla capacità di un materiale di creare una carica elettrica quando gli viene applicato uno stress meccanico. L'effetto piezoelettrico è di due tipi: positivo e negativo. Quando una carica elettrica viene creata dallo stress, si parla di effetto piezoelettrico positivo, mentre quando lo stress è generato dalla carica elettrica, si parla di effetto piezoelettrico negativo.
Il titanato di zirconio di piombo, il titanato di bario e il titanato di piombo sono utilizzati principalmente come ceramiche piezoelettriche. Sono note come ceramiche piezoelettriche di tipo perovskite.
Come abbiamo discusso in precedenza, la maggior parte delle ceramiche superconduttrici ha come ingrediente base le terre rare. Ad esempio, la ceramica superconduttiva ossido di ittrio, bario e rame (YBCO) è composta da ittrio e terre rare. Ha una struttura cristallina equiassica con formula molecolare M3(Fe5O12).
Inoltre, le terre rare vengono utilizzate anche nelle ceramiche funzionali come additivi. Quando alcune terre rare vengono aggiunte alle ceramiche funzionali, la loro resistenza, densità e coesione risultano notevolmente migliorate.
Domande frequenti:
Cosa sono i metalli delle terre rare?
I metalli delle terre rare sono un gruppo di 17 elementi, tra cui 15 lantanidi, scandio e ittrio.
Sono ampiamente utilizzati nell'elettronica di consumo, nelle apparecchiature mediche, nei veicoli elettrici (EV), nella raffinazione del petrolio, nei motori degli aerei, nelle applicazioni militari, nei sistemi radar e nei missili.
Qual è il metallo più raro dell'universo?
Il metallo più raro nell'universo nel suo stato stabile è il tantalio. Sebbene il francio sia considerato il metallo più raro, non ha uno stato stabile né un impiego.
Qual è il metallo più raro al mondo?
Il lantanio è considerato il metallo più raro al mondo.
Come definire i metalli delle terre rare?
I metalli delle terre rare sono definiti come un gruppo di 17 elementi rari, 15 dei quali sono noti come la serie dei lantanidi nella tavola periodica, mentre gli altri due sono l'ittrio e lo scandio.
Cosa sono i lingotti di metallo raro?
I lingotti di metalli rari sono barre raffinate realizzate con metalli non comuni come platino, palladio e rodio. Sono rari in natura e trovano diverse applicazioni industriali.
Conclusione: Le terre rare trovano molteplici impieghi nelle ceramiche funzionali, sia come elementi base che come integratori per migliorarne le prestazioni. Hanno inoltre conferito a queste ceramiche alcune proprietà di primaria importanza.
L'impiego di minerali di terre rare con ceramiche funzionali li ha resi un elemento essenziale delle moderne tecnologie avanzate.