Appunti Tecnologia dei materiali

Tecnologia dei materiali

Materiale: aggregato di atomi o molecole, avente specifiche proprietà chimiche, fisiche e meccaniche, utilizzato per la realizzazione di oggetti.

Biomateriale: sostanza sistematicamente e farmacologicamente inerte, progettata per l’impianto in sistemi viventi. La protesi non solo sostituisce ma può anche servire per curare. Un materiale per il quale si prevede un’interfaccia con i sistemi biologici al fine di valutare, trattare, migliorare o sostituire qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo umano.

Biocompatibilità: capacità di un materiale di comportarsi con una risposta appropriata del sistema ospite in una specifica applicazione, quindi capacità di un biomateriale di svolgere la sua funzione desiderata rispetto a una terapia medica, senza suscitare effetti locali (es. rush cutanei) o sistemici (allergie) 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.

• Non deve far male.
• Dovrebbe far sì che l’organismo risponda nel modo desiderato.

Un’interazione. Il contatto del biomateriale con l’organismo dà luogo a tra i due i cui effetti possono verificarsi sia sul materiale (es. corrosione) sia sull’organismo stesso (es. morte della cellula).

I biomateriali possono essere classificati in base all’interazione con l’organismo:

• 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.
• Facilita interazione con tessuto biologico ßs.
• 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.

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) Tecnologia dei materiali.

Scienza dei materiali s (Può richiedere nuovi materiali (Insieme dei materiali L dalla scienza) e caratteristiche) Proprietà rnL V Composizione Struttura e chimica).

Dal progetto al prodotto

1. Progetto: 2. Scelta dei materiali 3. Tecnologie di lavorazione (operazioni).

• Necessità di immettere sul mercato l’oggetto da progettare per un dato prodotto.
• Possono esistere più materiali disponibili.
• Primarie e secondarie per produrre il pezzo finito, ed eventuale assemblaggio.
• Possono esistere più tecnologie disponibili.
• Requisiti.
• La scelta può dipendere da: requisiti del prodotto (<—> caratteristiche del materiale).
• La scelta può dipendere da: materiale.
• Utilizzatori.
• Costo finale.
• Forma e dimensioni.
• Forma e dimensioni.
• Forma e dimensioni.
• Tecnologie di produzione.
• Costo finale del prodotto.
• Costo finale del prodotto.

Materiali metallici, ceramici e polimerici

Materiali metallici

• Atomi: metallici con possibile aggiunta di atomi non metallici (materiale inorganico).
• Proprietà: a usiamo non → termine, duttilità attitudine a iniaiterie plastiche deformarsi plasticamente. cconeensorã additivi.
• Buona resistenza meccanica altra).
• Buona rigidezza.
• Buoni conduttori elettrici e termici.
• Tecnologie di lavorazione: deformazione plastica (x duttilità), 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.

Materiali polimerici

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

Proprietà dei materiali

Proprietà fisiche. Proprietà meccaniche. Densità. Modulo di elasticità. Proprietà termiche. Resistenza allo snervamento, alla trazione. Proprietà elettriche. Proprietà magnetiche. Tenacità alla frattura.

Densità: massa per unità di volume (ro = m/V). Proprietà ottiche. Resistenza a fatica. Modulo elastico: misura della resistenza opposta ad una deformazione temporanea. Resistenza allo scorrimento viscoso. Proprietà tecnologiche.

Conduttività elettrica: misura della facilità di conduzione della corrente elettrica. Deformabilità a caldo e a freddo. Resistenza alla fatica termica. Proprietà di superficie.

Conduttività termica: misura della facilità di conduzione del calore. Lavorabilità alle macchine utensili. Resistenza alla corrosione. Coefficiente di espansione termica: misura della variazione di lunghezza al variare della temperatura. Colabilità. Resistenza all’ossidazione. Resistenza all’usura. Temperatura di fusione: temperatura di passaggio da solido a liquido. Saldabilità. Rugosità.

Struttura atomica

Gli atomi sono costituiti da un nucleo dove sono presenti protoni e neutroni, il nucleo atomico é circondato da elettroni con massa ancora più piccola che hanno carica negativa, uguale e contraria a quella dei protoni.

La scala tra nucleo e atomo é 1:10000.

Gli elettroni sono disposti su orbitali elettronici (regioni dello spazio in cui vi è un’alta probabilità di trovare l’elettrone) e possono avere solo specifici valori dell’energia (le energie degli elettroni sono quantizzate).

Elettroni di valenza: elettroni che occupano gli orbitali più esterni.

Non tutti gli elettroni possono stare negli stessi orbitali, ma in ciascuno possono stare due elettroni con un numero quantico di spin diverso.

Molte delle proprietà dei materiali dipendono dalle forze interatomiche, gli atomi tendono a interagire per formare aggregati la cui energia è più bassa di quella degli atomi separati. Dove si viene a formare il legame chimico noi otteniamo qualcosa che non è necessariamente uguale a quello dei costituenti. Gli aggregati così formati hanno proprietà chimiche caratteristiche differenti da quelle degli atomi costituenti.

Esiste un valore della distanza per cui la somma delle forze si annulla ovvero si bilanciano, allora si crea legame tra gli atomi, si ha di conseguenza una situazione di equilibrio.

=> Minimo della curva di potenziale allora condizione di equilibrio stabile.

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.

La distanza di legame è una distanza di equilibrio, gli atomi non stanno congelati ma vibrano e oscillano intorno alle posizioni di equilibrio.

Relazione tra proprietà macroscopiche e legame atomico

Modulo elastico: misura della resistenza opposta ad una deformazione temporanea <—> misura della resistenza alla separazione di atomi adiacenti -> Forza del legame interatomico (Ftot = F(r)).

Coefficiente di espansione termica: misura della variazione di lunghezza al variare della temperatura <—> aumento della distanza media tra gli atomi all’aumentare 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 -> Energia di legame.

Legame atomico

Legami forti o primari, legami deboli o secondari. Distinguiamo i come il legame ionico, covalente e metallico, e i come il legame di van der Waals (o dipolare) e quello a idrogeno.

Legame ionico

Si instaura tra atomi con bassa energia di ionizzazione (es. metalli alcalini) e atomi con alta affinità elettronica (es. alogeni). Gli atomi con bassa energia di ionizzazione tendono a cedere gli elettroni agli atomi con alta affinità elettronica, di conseguenza abbiamo la formazione di ioni positivi e negativi.

È un legame di tipo elettrostatico ovvero ciascun ione è legato a tutti gli ioni di segno opposto da forze coulombiane (non ci sono elettroni liberi) -> è un legame non direzionale, ovvero la forza del legame è la stessa in tutte le direzioni.

Esempio: NaCl.

La dimensione relativa degli ioni positivi (cationi) e degli ioni negativi (anioni) influenza le geometrie che si possono ottenere. Avere diversa geometria condiziona quanti atomi occupano un’unità di volume, ovvero la densità. Quantità maggiore o minore di spazio vuoto, ho un impaccamento di sfere che comunque mi dà uno spazio vuoto.

Proprietà meccaniche dei solidi ionici

I vincoli sulla struttura condizionano il comportamento meccanico poiché quando vado a deformare un materiale, sposto i piani di atomi o meglio i piani di ioni. Spostare equivale a far cambiare di posizione gli ioni, se si sposta di una posizione può avvicinarci e interagire con uno ione dello stesso segno. Quando ioni dello stesso segno vengono a contatto essi si respingono quindi il materiale si rompe. Se mi muovo invece sulla linea blu, mi trovo in una situazione per cui faccio scorrere l’uno rispetto all’altro i piani formati da ioni dello stesso segno, e lo fanno tranquillamente perché lo ione positivo e quello negativo sono sempre a contatto, il legame si rompe e si riforma.

Proprietà: energie di legame (Eo) alte e temperature di fusione (Tfus) alte, non ci sono elettroni liberi quindi il materiale è isolante.

Caratteristiche: alta energia di legame, alta temperatura di fusione, isolante elettrico e termico, bassa densità, duro e fragile.

Legame covalente

Si instaura tra atomi che hanno valori circa uguali di affinità elettroni e potenziale di ionizzazione (circa la 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 però uno spostamento permanente di carica, ovvero non si formano ioni) => non trasferiscono stabilmente uno o più elettroni, ma tendono a essere condivisi tra i due nuclei.

Si formano gli orbitali molecolari, se essi hanno una forma simmetrica le cose ci vanno molto bene altrimenti le cose si complicano.

Per far sì che gli orbitali si fondano la loro energia deve essere più o meno dello stesso ordine, quindi devono avere:

• Energie dello stesso ordine.
• Massima sovrapposizione.
• Stesse caratteristiche di simmetria.

È un legame direzionale.

Se il legame viene rotto, si può riformare con grande difficoltà, devono esserci determinate geometrie e gli atomi devono stare in determinate posizioni.

Proprietà legame: energie di legame (Eo) e temperature di fusione (Tfus).

Caratteristiche: alta energia di legame, alta temperatura di fusione, isolante elettrico e termico, bassa densità, duro e fragile.

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, ovvero gli elettroni liberi fanno da schermo agli ioni.

È un legame non direzionale, => alta deformabilità: gli ioni possono scorrere l’uno sull’altro senza distruggere completamente il legame.

A causa della presenza di elettroni liberi ho un’alta conducibilità elettrica e termica.

Proprietà: energie di legame (Eo) e temperature di fusione (Tfus) abbastanza alte, conduttori elettrici e termici, alta densità, duttile.

Legame di van der Waals o dipolare

Gli atomi sono globalmente neutri (hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni) e normalmente hanno una distribuzione simmetrica di 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 infatti ha un’energia di legame di circa 10 kJ/mole.

Legame idrogeno

Legame idrogeno più forte) (mediamente. Un atomo di idrogeno, presente in un legame covalente causa una distribuzione asimmetrica permanente di carica. L’atomo di idrogeno interagisce con atomi elettronegativi (O, N, F, Cl).

Caratteristiche dei materiali (per entrambi i legami deboli:

• Bassa energia di legame.
• Bassa temperatura di fusione.
• Isolante elettrico e termico.
• Bassa densità.

Metalli, ceramici e polimeri

Metalli => legame metallico, in esso gli elettroni fanno da collante e da schemi perciò ho a che fare con densità elevata, ovvero tanti atomi e poco spazio vuoto, ed è quindi un tipo di legame forte. La presenza di elettroni liberi ha effetto sulla conducibilità elettrica e termica. Inoltre presentano la capacità di deformarsi plasticamente prima di arrivare a rottura.

Ceramici => legame ionico o covalente. In essi ho atomi di metalli e non metalli, in presenza di ossidi, nitruri e carburi, gli atomi metallici cedono elettroni a atomi non metallici. È un legame non direzionale come quello metallico, che condiziona la sistemazione degli ioni nello spazio (vincolo spaziale), condiziona densitá che risulta bassa perché ioni devono stare in una certa posizione, temperature di fusione alte, è considerato un legame forte, non ci sono elettroni liberi allora ho materiale che è isolante sia dal punto di vista termico che elettrico.

Polimeri => legame covalente (intramolecolare) e van der Waals (intermolecolare).

Legame covalente: situazione in cui non c’è tendenza a prendere e cedere elettroni, elettroni vengono ospitati in orbitali comuni (che si chiamano molecolari) e questo condiziona la direzione in cui si riesce a sviluppare il legame (legame direzionale), gli elettroni non si possono muovere allora isolanti termici e elettrici.

Abbiamo fatto classificazione rigida, possiamo avere anche situazione con legami con caratteristiche intermedie, come il legame tra atomi di ossigeno e silicio.

Strutture condizionate dalla posizione degli ioni => legami fragili.

I polimeri sono costituiti da unità ripetute che formano catene, che hanno come ossatura gli atomi di carbonio, legati tra loro con legami covalenti ovvero legami forti, ma non hanno alta energia di legame.

I lunghi fili sono legati da forze di van der Waals ovvero legame debole, ci vuole quindi poca forza per romperlo, allora il modulo di elasticità è basso, basta anche poco calore per far scorrere le catene le une rispetto alle altre. L’energia di legame è bassa e questo si riflette nel coefficiente di espansione termica che è elevato a causa dei legami dipolari.

I polimeri sono fatti dunque da lunghe catene date dalle singole unità (il monomero è l’etilene e lo ripeto tante volte ottenendo la catena, un polimero è fatto di tante catene più o meno aggrovigliate.

Le catene hanno legame covalente fra le singole unità, ma quello che lega una catena ad un’altra è un legame debole => possono scorrere le une rispetti alle altre.

La presenza di un legame dipolare rende i materiali estremamente sensibili alla temperatura.

Le proprietà dei materiali dipendono da come sono legati tra loro gli atomi presenti all’interno del materiale.

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.

cristallo e reticoli di Bravais

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. Nella realtà gli atomi oscillano rispetto alle posizioni di equilibrio, in realtà tanto più è alta la temperatura più tendono a muoversi.

Reticoli di Bravais.

I sistemi cristallini sono 7: cubico, tetragonale, ortorombico, romboedrico, esagonale, monoclino e triclino.

Ho 4 tipi di disposizione di atomi: semplice, a corpo centrato, a facce centrate, a basi centrate.

Cristallo cubico a corpo centrato: ho un atomo aggiuntivo al centro del cubo, consentono maggiore impaccamento degli atomi e mi permette di abbassare l’energia del sistema, è favorito dal punto di vista termodinamico. Il 68% della struttura è occupato dagli atomi altrimenti è vuoto.

Cristallo cubico a facce centrate: é una struttura ancora più compatta, al centro di ciascuna faccia ho un atomo aggiuntivo che mi permette di avere massimo impacchettamento di atomi tutti della stessa dimensione. PF=0,74.

Cristallo esagonale compatto: altra struttura ad alto impacchettamento, è la struttura ad esempio del titanio, del cobalto e del magnesio, anche qui PE=0.74.

Strutture cristalline dei materiali ceramici:

• Solidi ionici: disposizione degli atomi determinata da: dimensione relativa.