Materiali non metallici e criteri di selezione dei materiali - prima parte

introduzione

Le prestazioni di un componente sono collegate alla resistenza e alla durata.

I materiali non metallici sono sfruttati soprattutto per il loro ridotto peso. Importante di un materiale sono il comportamento termico ed a frattura.

Scienza dei materiali -> sintesi + composizione + proprieta; a queste l'ingegneria dei materiali aggiunge le performances.

Con la Rivoluzione industriale la produzione di molti materiali si e industrializzata.

Importante e il collegamento tra le proprieta e la struttura -> magnesio puro ha una frattura fragile ed una struttura esagonale compatta; l'alluminio e duttile, ha una diversa struttura atomica rispetto al magnesio, infatti e cubica a facce centrate -> i cristalli si riescono a deformare tutti e la direzione principale di scorrimento e la diagonale del cubo.

Allumina (Al2O3) -> ha deformazione plastica + elastica; da monocristallo e trasparente, da policristallo e translucida.

I ceramici avanzati fanno parte di quelli avanzati. Il nitruro di silicio (Si3N4) e durevole ma leggero, e molto scorrevole; viene utilizzato ad esempio, come le biciclette.

I materiali polimerici sono catene di atomi di carbonio, legati con un legame covalente.

-> possono essere a catena lineare, ramificata e regolare

Hanno proprieta e stati fisici molto diversi l'uno dall'altro. Sono molto leggeri, sensibili alle tempera ture e a fenomeni temporali.

Esempi di materiali compositi sono la malta e il calcestruzzo.

La resistenza e la rigidezza sono fondamentali da valutare.

Il materiale alluminio e meno rigido dell'acciaio; la struttura in alluminio ha una maggior rigidezza di una in acciaio.

ceramici

I materiali ceramici sono materiali forti -> come l'argilla, che se viene bagnata diventa modellabile, poi viene cotta, facendo un trattamento termico. L'argilla a base di allumina viene chiamata nitrato. Anche il vetro è un materiale ceramico amorfo -> trattamento termico a temperature di 1500/1700°C. Alcuni ceramici frequenti sono i seguenti:

• Silice, carburo di silicio -> SiC
• Allumina, ossido di alluminio -> Al2O3
• Zirconia, ossido di zir -> ZrO2
• Calce -> CaO
• Soda, ossido di sodio -> Na2O

Refrattari = materiali ceramici che sono stabili ad alte temperature, anche intorno ai 3000°C.

Il vetro normale ha una resistenza meccanica di 100MPa; un vetro temperato 700MPa -> quasi quella di un metallo. Per tagliare un metallo si può usare un incisivo o un diamante -> alta durezza. Coltelli di zirconia, taglia tutto e non si hanno problemi con i grassi.

I cementi sono fatti di allumina, silice e calce -> insieme al calcestruzzo è uno dei materiali più usati nel mondo.

Un ceramico è costituito da un metallo + un non-metallo; mettendo insieme degli ossidi si possono fare altri ceramici. Se si vuole stabilità alle alte temperature non si usa l'alluminio, con l'allumina si arriva al massimo ai 2000°C.

I ceramici si dividono tra materiali a legame prevalentemente ionico o covalente.

Un esempio di ceramico covalente è il diamante, che è fatto di carbonio. Il carbonio ha tre elettroni e gli orbitali sono 1s² 2s² 2p² -> il carbonio ibrida sp³, quindi può fare 4 legami

C

C C C

C

-> struttura tetraedrica

Il legame covalente è il più forte di quello metallico ed è direzionale -> il diamante è un materiale leggero e molto duro, con una densità di 3,5g/cm³.

Un materiale simile è fatto aggiungendo silicio -> il carburo di silicio ha struttura tetraedrica, con legame covalente forte (= materiale duro) e ha spazio tra gli atomi, dunque è leggero -> è l'alternativa del diamante prodotto in laboratorio.

Se si fa un materiale sempre con il carbonio, ma con una diversa struttura, si ottiene la grafite se il carbonio si ibrida sp² -> può fare solamente tre legami e la struttura è triangolare, è data dalla sovrapposizione tra piani, che sono legati da un legame debole, ciò permette ai piani di muoversi. Un elettrone rimane libero -> quindi la grafite è conduttiva, a differenza del diamante che è isolante. Mentre lungo il piano il legame è covalente.

La grafite sono piu piani; mentre la grafine e solamente 1 piano.

carbon nano tube = uno strato singolo a forma circolare di carbonio, con struttura triangolare.

si possono fare piu piani di materiale per fare i carbon nano tube -> multi-wall.

Per avere un legame ionico bisogna avere degli anioni e dei cationi -> il legame covalente e piu forte di quello ionico (covalente>ionico>metallico).

Per capire la struttura bisogna trovare il raggio del catione e dell'anione. Numeri di coordinazione = numero di atomi di cui e circondato quello centrale (grafite n=3; diamante n=2).

Bisogna sempre avere un bilancio tra cariche positive e negative se si vuole che il materiale sia stabile. Materiali con un legame ionico sono piu pesanti a causa della struttura piu compatta.

La zirconia (zro2), ossido di zirconio ha un numero di coordinazione pari a quattro, quindi, la struttura cristallina e tetraedrica. Il nitruro di boro (BN) ha una struttura triangolare ed e un lubrificante solido, e un isolante (perche non ci sono elettroni liberi).