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Scienza e tecnologia dei materiali

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I materiali e la storia

I materiali con cui l’uomo ha lavorato nella storia sono i metalli, i materiali polimerici elastomeri, i vetri ceramici, gli ibridi.

Inizialmente la disponibilità di materiali era ridotta perché solo l’oro era reperibile in natura allo stato metallico, a differenza di altri metalli che vanno estratti e successivamente lavorati. Dal 10.000 a.C. all’anno 0 non si ha un grande progresso nell’uso di materiali e nella scoperta di nuovi, fino a quando si inizia a usare rame e bronzo, una lega di rame e stagno, per nuove tecnologie, più avanti si arriverà al ferro e alle sue leghe, come la ghisa.

Metalli come questi, denominati grigi, hanno un peso specifico minore rispetto all’oro, hanno diverse proprietà ma simili densità essendo della stessa famiglia.

Nei primi anni del ’900 si sviluppano nuovi materiali anche per causa della Grande Guerra: acciaio inossidabile e titanio.

La Rivoluzione Industriale ha reso disponibili strumenti e mezzi che hanno accelerato la velocità e la modalità di azione dell’uomo sulla materia.

Così, nascono nuove motivazioni e nuovi fini, nasce la produzione di massa e la standardizzazione.

La storia del design, nel XX secolo, ha avviato la ricerca incessante di nuovi materiali e nuove tecnologie che andassero a sostituire migliorando le prestazioni dei loro predecessori. Un esempio di miglioramento con ripercussioni in ambito industriale è quello di Giulio Natta, il quale ottenne il Premio Nobel insieme a Karl Ziegler nel 1963 per le loro scoperte nel campo della chimica e della tecnologia dei polimeri ottimizzando il processo di ottenimento di polipropilene isotattico.

Il telefono

• Fase 1: Telefono ingombrante in legno e in acciaio per alcune parti, fine ’800 - inizio ’900.
• Fase 2: Telefono rotary in plastica e metallo più snello ed essenziale, metà ’900.
• Fase 3: Smartphone, un telefono migliorato in efficienza nei materiali e nelle componenti sempre più leggeri e performanti a parità di dimensioni, spesso con scocca in alluminio, vetro intelligente, evoluto anche nelle funzioni, anni ’10 del 2000.

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Anche nell’aviazione i materiali sono stati sostituiti nel tempo con materiali più efficienti come alluminio, composito e per alcune parti titanio e nonostante la scocca sia stata rafforzata aumentando il volume e la massa, l’efficienza e il rendimento finali sono ottimizzati per ridurre il peso totale e il consumo di carburante.

Con le nuove tecnologie introdotte grazie alla Rivoluzione Industriale, i materiali metallici sono anche usati sotto forma di tubolari cavi da inizio ’900. Si riescono a modellare intelligenti soluzioni con il metallo che prima era complicato fare. I fratelli Mannesmann, in Germania, inventarono dei tubolari senza saldature con una funzione meccanica comunque molto forte. Per ottenere le lamine, come quelle ottenute dai fratelli Mannesmann, si usa il processo di estrusione che assomiglia al funzionamento di un tritacarne, la carne viene pressata e fatta uscire da dei buchi che ne determinano la forma. Per i laminati avviene un lavoro simile a quello che svolge una macchina per la pasta, dove il materiale è forzato tra due rulli.

Un dato materiale può essere formato solo attraverso determinate tecnologie, e date tecnologie di lavorazione danno vita solo ad alcune forme. Si può giungere a nuove forme utilizzando tecnologie innovative di formatura per prodotti utilizzando i materiali più comuni, come legno, metallo, vetro, calcestruzzo, cartone, plastica, stampa 3D.

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La struttura dei materiali

Un materiale è un aggregato di atomi o molecole, che grazie a legami chimici e fisici, acquisisce una struttura che gli garantisce adeguate reazioni a sollecitazioni meccaniche, fisiche o chimiche per consentire la realizzazione di oggetti, componenti e strutture.

Le proprietà dei materiali dipendono dal tipo di legame che si crea tra gli elementi e in funzione di essi si distinguono 3 classi di materiali:

• Metalli.
• Polimeri.
• Ceramici.
• Compositi.
• Naturali.

Le proprietà dei materiali sono strettamente legate alla loro struttura che si può differenziare in tre diversi livelli di dettaglio:

• Macrostrutturale.
• Microstrutturale.
• Atomico o molecolare.

Nella macrostruttura il materiale viene considerato nel suo insieme ed esaminato a livello macroscopico, cioè a occhio nudo. Esempio: Panettone, paracarro stradale in calcestruzzo, ideato da Enzo Mari, è un manufatto realizzato in calcestruzzo dove le sue caratteristiche e le proprietà macroscopiche vengono studiate globalmente, senza che sia necessario conoscere i diversi costituenti che lo formano.

Nella microstruttura il materiale è osservato usando un microscopio ottico per individuare le singole fasi o particelle che lo costituiscono e che interagiscono determinando il comportamento del materiale nel suo insieme.

Nella struttura atomica o molecolare il materiale è considerato come un aggregato di atomi o molecole ed è possibile correlare la natura dei legami tra gli atomi e tra le molecole, la mobilità degli elettroni, le dimensioni di atomi e molecole, la disposizione spaziale degli atomi e delle molecole e la presenza di difetti.

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Atomi e molecole

Un atomo è formato da particelle, gli elettroni, che ruotano secondo livelli energetici attorno al nucleo, i neutroni e i protoni, che costituiscono il nucleo, dove è concentrata la massa. Nello studio di atomi e molecole è essenziale conoscere il numero di elettroni presenti nel livello energetico più esterno; gli atomi che presentano 8 elettroni nel livello più esterno sono detti gas nobili.

Si ha un legame chimico quando una forza di natura elettrostatica tiene uniti più atomi e in particolare i legami forti sono:

• Legame ionico, il quale comporta la cessione di elettroni da un atomo all’altro con formazioni di ioni. Si forma tra atomi diversi, uno che possiede 1/2 elettroni nel livello energetico più esterno, e l’altro a cui manca lo stesso numero di elettroni per completare l’ottetto energetico. 1 o più elettroni di valenza vengono ceduti da un atomo all’altro, in modo da raggiungere la configurazione stabile di 8 elettroni nel livello energetico più esterno. L’atomo che cede elettroni è il catione, mentre l’atomo che riceve elettroni è l’anione e essi, ioni, si attraggono reciprocamente per la disparità delle cariche. Esempio della formazione del cloruro di sodio, NaCl: l’atomo di sodio perde un elettrone, catione Na⁺, il cloro acquista un elettrone, anione Cl^-.
• Legame covalente, il quale comporta la compartecipazione tra due atomi di uno o più elettroni, può essere semplice, doppio, triplo in modo da raggiungere la configurazione stabile. Il carbonio, avendo 4 elettroni di valenza, per raggiungere la configurazione stabile crea fino a 4 legami covalenti. Il legame covalente si può formare tra atomi uguali, come spesso avviene per il carbonio, C–C, o anche tra atomi diversi, ad esempio C–H, C–O, N–H. A differenza del legame ionico, il legame covalente è direzionale.
• Legame metallico, il quale comporta la compartecipazione degli elettroni di valenza tra molti atomi attigui, attaccati. I metalli, che rappresentano circa i 3/4 degli elementi della tavola periodica, sono caratterizzati da elettroni di valenza poco numerosi, legati debolmente al loro nucleo, liberi di muoversi tra tutti gli atomi vicini creando una forte attrazione elettrostatica tra i nuclei e una nuvola elettronica di elettroni di valenza.

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I legami deboli sono determinati da attrazioni elettrostatiche tra molecole che presentano dipoli elettrici, sono:

• Legame dipolo-dipolo o legame H.
• Legame di Van der Waals, dipoli molto deboli e questi legami interessano i materiali polimerici.

Una molecola è un aggregato di pochi atomi e una sostanza molecolare è un aggregato di molecole, legate alle altre tramite pochi legami deboli, non sufficienti a determinare una significativa resistenza alle sollecitazioni e che, pertanto, molto raramente può essere considerata un materiale.

Una macromolecola è un aggregato di un elevato numero di atomi tenuti insieme da legami covalenti, che formano lunghe catene. Una sostanza macromolecolare è un aggregato di macromolecole legate da molti legami deboli ma sufficienti a determinare resistenza alle sollecitazioni.

Tipi di strutture

Gli atomi o le molecole che costituiscono un materiale possono disporsi nello spazio in modo più o meno ordinato e ripetitivo, si distinguono 3 tipologie di strutture tra i materiali:

• Struttura cristallina, fortemente ordinata e ripetitiva.
• Struttura amorfa, nonostante gli atomi che la compongono siano legati fortemente, è una struttura disordinata che genera materiali trasparenti, tra cui vetro e alcuni polimerici.
• Struttura semicristallina.

Materiali metallici

I materiali metallici sono materiali che resistono molto bene alla trazione e gli atomi che li costituiscono sono legati tra loro con legami metallici in modo ordinato a formare reticoli tridimensionali. Sono materiali costituiti da atomi di uno o più elementi metallici, Fe, Cu, Al, ecc., più eventualmente elementi non metallici, C, N. Si possono anche deformare a causa della loro struttura fortemente ordinata per via di difetti presenti nel reticolo, chiamati dislocazioni. La deformabilità avviene secondo scorrimento progressivo che consente la rottura e la riformazione di pochi legami per volta, una traslazione di una o più posizioni reticolari di una parte del reticolo cristallino rispetto all’altra. Gli scorrimenti possono manifestarsi in diversi modi: a spigolo, a vite, misto.

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Proprietà dei materiali metallici:

• Elevate proprietà meccaniche, a causa dei legami metallici, legami forti.
• Deformazione plastica.
• Facile formazione di leghe, la lega è la sostituzione di atomi nel reticolo cristallino con atomi diversi.
• Conducibilità elettrica e termica elevate grazie agli elettroni di valenza che si muovono formando la nuvola elettronica.
• Lucentezza.

Materiali ceramici

I materiali ceramici sono materiali che resistono bene alla compressione, essendo densi e ordinati. Gli atomi che li costituiscono sono legati tra loro, per formare reticoli cristallini, con legami ionici e covalenti, entrambi legami forti. Gli elettroni di valenza sono utilizzati per formare i legami che tengono insieme gli atomi.

Non si possono deformare plasticamente, una volta che la forma è stata stabilizzata mediante trattamento termico, vetrificazione o sinterizzazione, essa non può più essere modificata.

I materiali ceramici sono materiali inorganici, ossia materiali costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente tra loro in rapporti costanti; fanno parte di questa famiglia i ceramici tradizionali, argille, porcellane, i ceramici avanzati, composti puri quali allumina, zirconia, nitruro di silicio ecc., i vetri e i cementi.

Proprietà dei materiali ceramici:

• Elevata resistenza meccanica a compressione, sempre perché costituiti da soli legami forti, bassa resistenza a trazione.
• Elevato isolamento termico ed elettrico.
• Elevata inerzia chimica e resistenza alle alte temperature.

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Materiali polimerici

I materiali polimerici sono materiali organici composti da unità, monomeri, in lunghe catene, macromolecole, a base di atomi di carbonio e altri elementi come idrogeno H e ossigeno O, legati tra loro ripetitivamente con legami covalenti.

I materiali polimerici possono essere organizzati in catene molecolari lineari, ramificate e reticolate.

Le macromolecole sono legate l’una all’altra da soli legami deboli, o legami di Van der Waals, perciò non sono resistenti alla deformazione. Gli elettroni di valenza sono vincolati fra due nuclei per formare i legami covalenti.

Nei polimeri, la disposizione cristallina e quella amorfa coesistono, esistono materiali polimerici completamente amorfi ma non esistono materiali polimerici completamente cristallini, la possibilità che in una disposizione la parte cristallina sia massima corrisponde al 90% circa.

Proprietà dei materiali polimerici:

• Modeste caratteristiche meccaniche, legami deboli.
• Stampabilità, facilmente formabili in forme complesse dopo riscaldamento a temperature relativamente basse.
• Rammolliscono e si decompongono a temperature non elevate, impieghi limitati.
• Isolamento termico ed elettrico, in quanto gli elettroni di valenza sono vincolati per formare i legami covalenti.

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Proprietà dei materiali - confronto

L’importante dozzina

Caso studio: la padella.

Si valutano le proprietà utili per selezionare il materiale idoneo per produrre una padella.

Le proprietà da considerare sono:

• Resistenza alla temperatura della fiamma, da analizzare è la massima temperatura di esercizio, non di fusione.
• Trasferimento rapido e omogeneo del calore dal fornello al contenuto della padella, da analizzare è la conducibilità termica.
• Resistenza alla corrosione, sia atmosferica, sia legata ai cicli di lavaggio, da analizzare è la durabilità.
• Rigidità, la padella non deve flettersi.
• Resistenza e tenacità, deve resistere a urti accidentali.
• Duttilità, deve poter essere facilmente formata nella sua forma concava finale.
• Densità, deve pesare poco.
• Costo, deve avere un prezzo di vendita accettabile.
• Trasparenza, potrebbe essere utile vedere quanto avviene all’interno.
• Conducibilità elettrica e ferromagnetismo, nel caso in cui dovesse essere utilizzata su una piastra riscaldante a induzione.

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Proprietà dei materiali

Proprietà generali:

• Costo.
• Densità.

Proprietà meccaniche:

• Rigidità.
• Resistenza.
• Tenacità.
• Duttilità.

Proprietà fisiche e chimiche:

• Conducibilità termica.
• Conducibilità elettrica.
• Magnetismo.
• Massima temperatura.
• Durabilità.

Proprietà ottiche:

• Trasparenza.

Costo

Il costo non può essere definito a rigore una proprietà di un materiale ma è un fattore da tenere nella massima considerazione nella progettazione di un oggetto e può variare da meno di 0,10 €/kg con il calcestruzzo, a più di 10.000 €/kg con l’oro.

Densità

La definizione di densità è peso per unità di volume. =

L’unità di misura è Mg/m³ ma 1 Mg/m³ = 1 g/cm³ = 1 kg/dm³ = 1.000 kg/m³.

Corrisponde al peso specifico, ossia il peso del materiale diviso per il peso a pari volume di acqua. La densità dei materiali è strettamente legata al numero atomico, se il numero atomico è alto, l’elemento è ordinato in modo compatto e quindi denso.

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La densità nei polimeri è bassa perché sono costituiti da molecole i cui elementi hanno bassi numeri atomici e bassi fattori di compattazione atomica, C, H, O; i valori variano 0,9 e 2,0 g/cm³.

La densità nei ceramici è molto diversificata tra diversi materiali tra cui calcestruzzo, vetro, terracotta, porcellana, allumina e diamante.

La densità può essere quantificata in termini economici e ci sono due valori da distinguere: il prezzo per unità di peso, €/kg, e il prezzo per unità di volume, kg/dm³, ottenendo €/dm³.

La curva sforzo-deformazione

La curva sforzo-deformazione è l’andamento di un diagramma sforzo, ordinate, - deformazione, ascisse, ottenuta eseguendo una prova di trazione; per esempio una barra che sottoposta a forze modifica le sue dimensioni.

Indicando con:

• F = la forza applicata.
• L₀ = la lunghezza iniziale.
• A₀ = la sezione iniziale.
• L = la lunghezza finale.

Si definiscono lo sforzo, σ, e la deformazione, ε.

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La forza è espressa in N, Newton, le dimensioni in mm, millimetri, lo sforzo σ è espresso in N/mm² o MPa, MegaPascal, e la deformazione ε è adimensionale, anche ε% moltiplicando per 100.

Il coefficiente angolare della curva sforzo-deformazione è il modulo elastico o E = σ/ε, modulo di Young, e più è ripida la retta, più è rigido il materiale.

Dove la curva si arresta, invece, abbiamo il dato della resistenza del materiale.

Lo sforzo è proporzionale alla deformazione, nel caso si annulli lo sforzo applicato prima di giungere alla rottura, il materiale torna praticamente alle dimensioni iniziali seguendo la legge di Hooke, σ = E ε.

Ogni materiale ha un preciso valore di E e maggiore è il valore del modulo di elasticità, maggiore è la pendenza della curva sforzo-deformazione.

Hanno comportamento elastico i materiali la cui microstruttura non consente loro di deformarsi plasticamente, i ceramici e i vetri hanno un valore alto di modulo elastico E e deformazioni elastiche molto piccole, mentre gli elastomeri hanno un valore