Appunti di Tecnologie dei materiali

Tecnologia dei materiali

Definizioni principali

Materiale: aggregato di atomi o molecole, avente specifiche proprietà chimiche, fisiche e meccaniche, utilizzato per la realizzazione di oggetti. I materiali che vengono impiantati nel corpo umano possono essere degradati e rilasciare sostanze che danneggiano il corpo, quindi è importante fare attenzione sia per quanto riguarda le protesi interne che per la parte delle protesi esterne a contatto con il corpo umano.

Biomateriale: materiale destinato a interfacciarsi con sistemi biologici come parte integrante di un processo finalizzato a valutare, monitorare o trattare i tessuti del corpo, sostituire o aumentare tessuti o a facilitare la rigenerazione dei tessuti. (no inerte, no impianto)

Biocompatibilità: capacità di un biomateriale di svolgere la sua funzione desiderata rispetto a una terapia medica, senza suscitare effetti locali o sistemici indesiderati nel ricevente o beneficiario di tale terapia, ma generando la risposta cellulare o tissutale benefica più appropriata in quella specifica situazione, e ottimizzando le prestazioni clinicamente rilevanti di tale terapia. Il contatto del biomateriale con l'organismo dà luogo a un'interazione tra i due i cui effetti possono verificarsi sia sul materiale (es. corrosione) sia sull'organismo stesso (es. morte della cellula).

Classificazione dei biomateriali

• Biotossico → il tessuto a contatto con il materiale perde vitalità e muore
• Bioinerte → l'organismo forma un tessuto proteico fibroso (sacca proteica) di spessore variabile attorno al materiale
• Bioattivo → si ha la formazione di una interfaccia con connessioni tissutali tra materiale e tessuto biologico
• Biodegradabile → l'organismo è in grado di degradare il materiale, i cui prodotti devono essere non tossici, e di sostituire gradualmente il materiale

Solitamente si scelgono materiali bioattivi o biodegradabili.

Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza dei materiali: conoscenza di base della struttura e delle proprietà dei materiali.

Tecnologia dei materiali: conoscenza applicata dei materiali per la loro conversione in prodotti (ad es., sulla base della correlazione struttura-proprietà di un materiale è possibile progettare la sua struttura per avere proprietà desiderate).

Esempi di evoluzione e rischi nell'utilizzo di materiali

Le proprietà di un materiale sono date dalla sua composizione chimica e dalla struttura del materiale, in particolare a livello microscopico e atomico. Cambiando la struttura o la composizione del materiale cambiano le sue proprietà.

Esempi di rischio: sottovalutazione dei materiali, ad esempio:

• Affondamento Titanic: causa: urto con iceberg, possibile concausa: comportamento fragile dell’acciaio dello scafo (transizione duttile-fragile).
• Sensore per la misurazione glucosio che provoca reazioni allergiche: causa: allergene isobornyl-acrilato, presente nella capsula di plastica rigida intorno all'ago, con successiva migrazione nell'adesivo a contatto con la pelle.

Dal progetto al prodotto

1. Progetto:
   • Necessità di immettere sul mercato l'oggetto da progettare
   • Requisiti
   • Utilizzatori
   • Costo finale
   • Forma e dimensioni
2. Scelta dei materiali: possono esistere più materiali disponibili per un dato prodotto. La scelta può dipendere da:
   • Requisiti del prodotto (caratteristiche del materiale)
   • Tecnologie di produzione
   • Costo finale del prodotto
3. Tecnologie di lavorazione (operazioni primarie e secondarie per produrre il pezzo finito, ed eventuale assemblaggio). Possono esistere più tecnologie disponibili, la scelta può dipendere da:
   • Materiale perché materiali diversi hanno bisogno di tecnologie di lavorazione diverse
   • Forma e dimensioni
   • Costo finale del prodotto

Se non esistono materiali o tecnologie di lavorazione adatti, il prodotto non può essere realizzato.

Analisi del prodotto da realizzare

Forma dell’oggetto (volume) e proprietà dei materiali (densità), resistenza alle sollecitazioni (uso proprio e improprio), durabilità (materiali costituenti), prevedibile vita, possibilità di riutilizzo, riuso del prodotto, riciclo e/o smaltimento.

Tipi di materiali

Materiali Metallici

• Atomi: metallici con possibile aggiunta di atomi non metallici (materiale inorganico).
• Proprietà: duttilità, buona resistenza meccanica, buona rigidezza, buoni conduttori elettrici e termici.
• Tecnologie di lavorazione: deformazione plastica, fonderia, metallurgia delle polveri.

Materiali Ceramici

• Atomi: metallici e non metallici (materiale inorganico).
• Proprietà: elevata durezza, fragilità, elevata rigidezza, isolanti elettrici e termici, resistenti ad alta T.
• Tecnologie di lavorazione: formatura di polveri (ceramici tradizionali e avanzati) con successiva cottura, da fusione o rammollimento (vetro).

Materiali Polimerici

• Atomi: non metallici (materiale organico).
• Proprietà: bassa densità, resistenza meccanica bassa, bassa rigidezza, isolanti elettrici e termici, duttilità e fragilità, influenza della temperatura.
• Tecnologie di lavorazione: riscaldamento, formatura e raffreddamento (termoplastici); riscaldamento, formatura e reazione chimica (termoindurenti).

Proprietà di interesse per la scelta di un materiale

Proprietà meccaniche

• Modulo di elasticità
• Resistenza allo snervamento, alla trazione
• Tenacità alla frattura
• Resistenza a fatica
• Resistenza allo scorrimento viscoso
• Resistenza alla fatica termica

Proprietà fisiche

• Densità
• Proprietà termiche
• Proprietà elettriche
• Proprietà magnetiche
• Proprietà ottiche

Proprietà di superficie

• Resistenza alla corrosione
• Resistenza all'ossidazione
• Resistenza all'usura
• Rugosità

Proprietà tecnologiche

• Deformabilità a caldo e a freddo
• Lavorabilità alle macchine utensili
• Colabilità
• Saldabilità

Materiale buon conduttore di calore: lega metallica

• Acciaio inossidabile
• Alluminio

Conduttività termica: capacità di un materiale di condurre calore

• Acciaio inossidabile: 16. 2 /( )
• Alluminio: 200 /( )

Proprietà materiali

• Densità: massa per unità di volume ( = m/V) → cm
• Modulo elastico: misura della resistenza opposta ad una deformazione temporanea
• Conduttività elettrica: misura della facilità di conduzione della corrente elettrica
• Conduttività termica: misura della facilità di conduzione del calore
• Coefficiente di espansione termica: misura della variazione di lunghezza al variare della temperatura
• Temperatura di fusione: temperatura di passaggio da solido a liquido

Il ciclo dei materiali

Macrostruttura - microstruttura

• Proprietà dipendenti dalla forma dell'oggetto (es: taglio pane)
• Proprietà dipendenti dalla microstruttura meccanica (es: resistenza)
• Proprietà dipendenti dalla struttura a livello atomico (es: densità, modulo elastico)

I materiali sono costituiti da atomi.

• Dimensioni: -10 atomo: ≈ 10
• Nucleo: ≈ 10
• Costituenti:
  • Protone: ≈ 1. 6 · 10 = + 1. 6 · 10
  • Neutrone: ≈ 1. 6 · 10 = 0
  • Elettrone: ≈ 9. 1 · 10 = - 1. 6 · 10

Gli elettroni sono disposti su orbitali elettronici, regioni dello spazio in cui vi è un'alta probabilità di trovare l'elettrone. Le energie degli elettroni sono quantizzate, ovvero gli elettroni possono avere solo valori specifici di energia. Elettroni di valenza: elettroni che occupano gli orbitali più esterni.

Legame chimico

Molte delle proprietà dei materiali dipendono dalle forze interatomiche. Gli atomi tendono ad interagire per formare aggregati la cui energia è più bassa di quella degli atomi separati. Gli aggregati così formati hanno proprietà chimiche caratteristiche e differenti da quelle degli atomi costituenti, molte delle quali dipendono dalle forze interatomiche (materiale duttile o fragile).

Interazione tra due atomi isolati

Energia di legame: energia che deve essere fornita per separare i due atomi e portarli a una distanza infinita. L'energia di legame e la forma della curva E = E(r) dipendono dal tipo di legame. Gli atomi si muovono con vibrazioni attorno alle posizioni di equilibrio.

Relazione tra alcune proprietà macroscopiche e legame atomico

• Modulo elastico: misura della resistenza opposta ad una deformazione temporanea → Forza del legame interatomico (F = F(r)).
• Coefficiente di espansione termica: misura della variazione di lunghezza al variare della temperatura → Variazione dell'energia con la distanza interatomica E = E(r).
• Temperatura di fusione: temperatura di passaggio da solido a liquido → Energia necessaria per rompere i legami.

Legami atomici

• Legami forti o primari:
  • Legame ionico
  • Legame covalente
  • Legame metallico
• Legami deboli o secondari:
  • Legame di van der Waals (o dipolare)
  • Legame idrogeno

Legame ionico

Si instaura tra atomi con bassa energia di ionizzazione (es. metalli alcalini) e atomi con alta affinità elettronica (alogeni): gli atomi con bassa energia di ionizzazione tendono a cedere elettroni agli atomi con alta affinità elettronica → Formazione di ioni positivi e negativi. Legame di tipo elettrostatico: ciascun ione è legato a tutti gli ioni di segno opposto da forze coulombiane (non ci sono elettroni liberi) → Legame NON direzionale.

• Caratteristiche materiali:
  • Alta energia di legame
  • Alta temperatura di fusione
  • Isolante elettrico e termico
  • Bassa densità
  • Duro e fragile

Energie di legame (E₀) e temperature di fusione (T_fus):

• NaCI E₀ = 640 kJ/mole T_fus = 801 °C
• MgO E₀ = 1000 kJ/mole T_fus = 2800 °C

La dimensione relativa degli ioni positivi (cationi) e negativi (anioni) influenza le geometrie che si possono ottenere.

Legame covalente

Si instaura tra atomi che hanno valori circa uguali di affinità elettronica e potenziale di ionizzazione (stessa tendenza a cedere e prendere elettroni). Gli elettroni di valenza sono condivisi dai due nuclei, disponendosi su orbitali comuni ai due atomi. Non si realizza un trasferimento permanente di carica (non si formano ioni) e non ci sono elettroni liberi.

• Caratteristiche dei materiali:
  • Alta energia di legame
  • Alta temperatura di fusione
  • Isolante elettrico e termico
  • Bassa densità
  • Duro e fragile

Orbitali atomici s e p: Il legame covalente è direzionale.

Energie di legame (E₀) e temperature di fusione (T_fus):

• C (diamante) E₀ = 713 kJ/mole T_fus > 3550 °C
• Si E₀ = 450 kJ/mole T_fus = 1410 °C

Legame metallico

Gli atomi sono così vicini che gli elettroni di valenza sono attratti dai nuclei degli atomi vicini. Gli elettroni di valenza sono debolmente legati agli ioni positivi e possono muoversi facilmente nel cristallo. → Schematizzazione: ioni positivi circondati da un "gas" di elettroni liberi.

• Legame NON direzionale.
• Presenza di elettroni liberi.
• Alta deformabilità: gli ioni possono scorrere l'uno sull'altro senza distruggere completamente il legame.
• Alta conducibilità elettrica e termica.

Energie di legame (E₀) e temperature di fusione (T_fus):

• Al E₀ = 324 kJ/mole T_fus = 660 °C
• Fe E₀ = 406 kJ/mole T_fus = 1538 °C
• W E₀ = 849 kJ/mole T_fus = 3410 °C

• Caratteristiche dei materiali:
  • Abbastanza alta energia di legame
  • Abbastanza alta temperatura di fusione
  • Conduttore elettrico e termico
  • Alta densità
  • Duttile

Legame di van der Waals (o dipolare)

Gli atomi sono globalmente neutri (stesso numero di protoni ed elettroni) e normalmente hanno una distribuzione simmetrica delle cariche elettriche. In particolari circostanze è possibile che la distribuzione spaziale delle cariche positive e negative diventi asimmetrica → si crea un dipolo. Distribuzioni asimmetriche di cariche possono essere presenti anche in molecole:

• Il legame di van der Waals intercorre tra atomi o molecole che hanno carattere dipolare: i dipoli elettrici interagiscono tra loro attraverso forze di tipo elettrostatico.
• È relativamente debole (energia di legame ~ 10 kJ/mole)
• I batteri possono aderire alla superficie dei biomateriali attraverso forze di van der Waals.

Energie di legame (E₀) e temperature di fusione (T_fus):

• Ar E₀ = 7.7 kJ/mole T_fus = - 189 °C
• E₀ = 31 kJ/mole T_fus = - 101 °C

• Caratteristiche dei materiali:
  • Bassa energia di legame
  • Bassa temperatura di fusione
  • Isolante elettrico e termico
  • Bassa densità

Legame a idrogeno

Un atomo di idrogeno, presente in un legame covalente (es. O-H, N-H, F-H), causa una distribuzione asimmetrica permanente di carica. L'atomo di idrogeno interagisce con atomi elettronegativi (O, N, F, Cl).

Energie di legame (E₀) e temperature di fusione (T_fus):

• E₀ = 51 kJ/mole T_fus = 0 °C
• E₀ = 35 kJ/mole T_fus = - 78 °C

• Caratteristiche dei materiali:
  • Bassa energia di legame
  • Bassa temperatura di fusione
  • Isolante elettrico e termico
  • Bassa densità

Legame chimico

Le specie che derivano hanno proprietà chimico-fisiche caratteristiche e differenti da quelle degli atomi costituenti. Le proprietà di un composto sono definite dalla composizione, dal tipo di legame chimico presente tra gli atomi e dalla posizione degli atomi nello spazio.

Isomerismo: stessa composizione ma diversa struttura

• Esempio: isomeria geometrica: 1,4 poli-isoprene

Gomma: materiale dalle spiccate caratteristiche elastiche. Stesso discorso vale per la Silice SiO₂. La struttura cristallina ha una temperatura di fusione quindi passa da solido a liquido, la struttura amorfa no: diventa malleabile ma non liquida. Il materiale amorfo ha un comportamento isotropo perché le sue proprietà fisiche non dipendono dalla direzione in cui si analizza la sostanza.

Struttura e geometria cristallina

Cristallo: gli atomi sono disposti in modo regolare e periodico nello spazio per una distanza molto maggiore della distanza interatomica (ordine lungo raggio: distanza interatomica ~ 10^-10 m).

Per ogni cristallo si può individuare una cella elementare, che ne definisce la geometria e la posizione degli atomi. Per ogni geometria dell’atomo ho caratteristiche diverse.

Reticoli di Bravais

• Geometria tridimensionale: posso suddividere atomi in 7 sistemi cristallini, 7 forme diverse:
  • Cubico
  • Tetragonale
  • Ortorombico
  • Romboedrico
  • Esagonale
  • Monoclino
  • Triclino
• La disposizione degli atomi può essere di 4 tipi fondamentali:
  • Semplice
  • A corpo centrato
  • A facce centrate: atomi al centro di ciascuna faccia
  • A basi centrate: atomi su due facce opposte

Nei metalli: tipo cubico o esagonale.

Cristallo cubico a corpo centrato (C.C.C.)

I pallini indicano la posizione media nel tempo perché gli atomi tendono a vibrare nelle loro posizioni di equilibrio.

Esempi: Fe-alfa, Cr, Mo, V, W, Zr, Ti-beta

Packing factor (PF) = volume degli atomi / volume della cella = 0.68

Cristallo cubico a facce centrate (C.F.C.)

Esempi: Al, Cu, Fe-gamma, Ag, Au, Ni, Pb, Pd, Pt

PF = 0.74

Cristallo esagonale compatto (E.C.)

Esempi: Mg, Ti-alfa, Zn, Be, Cd, Co

PF = 0.74

Sequenze di impilamento di piani compatti

Strutture cristalline dei materiali ceramici

Solidi ionici: disposizione degli atomi determinata dalla dimensione relativa degli ioni e dalla necessità di bilanciare le cariche elettriche per mantenere la neutralità di carica.

Solidi covalenti: disposizione degli atomi determinata dalla direzione del legame chimico.

Strutture cristalline polimeriche

Sistemazione delle catene molecolari nella cella elementare per il polietilene:

Monocristallo ⇒ Proprietà ANISOTROPE

Policristallo ⇒ Proprietà ISOTROPE

Polimorfi: due o più tipi di cristallo che hanno la stessa composizione ma diversa cella elementare.

Difetti: in un cristallo reale è sempre presente un certo numero di difetti che possono influenzare le proprietà fisiche e meccaniche del materiale.