Riassunto esame Scienza e tecnologia dei materiali, Prof. Bemporard Edoardo, libro consigliato Scienze e tecnologie dei materiali , Callister

Capitolo 1

Scienza e ingegneria dei materiali

Quando si parla di “scienza dei materiali” si intende la disciplina che studia le relazioni che esistono fra le strutture e le proprietà dei materiali. Invece per “ingegneria dei materiali” si intende la progettazione o l’ingegnerizzazione della struttura di un materiale, sulla base delle suddette correlazioni struttura-proprietà, per produrre un predeterminato insieme di proprietà.

La struttura di un materiale in genere fa riferimento alla disposizione dei suoi componenti interni. Gli elementi strutturali possono essere suddivisi, a seconda della dimensione, in diversi livelli:

• Struttura subatomica: riguarda gli elettroni all’interno dei singoli atomi, la loro energia e le interazioni con i loro nuclei.
• Struttura atomica: riguarda l’organizzazione di atomi a formare molecole o cristalli.
• Nanostruttura: riguarda gli aggregati di atomi che formano particelle (nanoparticelle) con dimensioni inferiori a 100 nm.
• Microstruttura: riguarda gli elementi strutturali che possono essere osservati direttamente attraverso l’uso del microscopio (dimensioni tra 100 nm e alcuni millimetri).
• Macrostruttura: elementi strutturali che possono essere visti a occhio nudo (dimensioni tra alcuni millimetri e alcuni metri).

Una proprietà è una manifestazione, offerta da un materiale, in termini di tipo e di ampiezza di risposta, rispetto a una specifica stimolazione imposta. In generale, le definizioni delle varie proprietà sono indipendenti dalla dimensione e dalla forma del materiale. In pratica, tutte le proprietà importanti di un materiale solido possono essere raggruppate in sei differenti categorie: meccaniche, elettriche, termiche, magnetiche, ottiche e di deterioramento. Per ciascuna di esse vi è un tipo di stimolo caratteristico in grado di provocare differenti risposte.

• Proprietà meccaniche: si riferiscono alla deformazione in seguito all’applicazione di un carico; esempi includono i moduli elastici (rigidità), gli sforzi di snervamento e rottura (resistenza).
• Proprietà elettriche: lo stimolo in questo caso è un campo elettrico applicato; proprietà tipiche sono la conducibilità elettrica e la costante dielettrica.
• Proprietà termiche: sono legate alle variazioni di temperatura o ai gradienti di temperatura nel materiale; esempi includono l’espansione termica e la capacità termica.
• Proprietà magnetiche: lo stimolo in questo caso è un campo magnetico; proprietà tipiche sono la suscettibilità magnetica e la magnetizzazione.
• Proprietà ottiche: lo stimolo sono radiazioni elettromagnetiche o luce; l’indice di rifrazione e la riflettività sono tipiche proprietà ottiche.
• Proprietà di deterioramento: sono legate alla reattività chimica dei materiali; un esempio è la resistenza alla corrosione dei metalli.

Oltre alla struttura e alle proprietà, altre due importanti componenti fanno parte della scienza e dell’ingegneria dei materiali, vale a dire il processo di fabbricazione e le prestazioni. Per quel che riguarda la relazione fra queste quattro componenti (fabbricazione, struttura, proprietà e prestazioni), si può dire che la struttura di un materiale dipende da come questo è stato ottenuto. Inoltre, le prestazioni di un materiale sono funzione delle sue proprietà.

Classificazione dei materiali

I materiali solidi vengono per comodità raggruppati in tre classi basilari: metalli, ceramici e polimeri. Questo schema si basa anzitutto sulla composizione chimica e sulla struttura atomica e la maggior parte dei materiali ricade in un certo gruppo o in un altro. Vanno, inoltre, considerati i materiali compositi, materiali ottenuti mediante la combinazione di due o più materiali appartenenti alle tre classi principali sopra definite.

Metalli

I metalli sono composti da uno o più elementi metallici (come ferro, alluminio, rame, titanio, oro e nichel) e spesso anche da elementi non metallici (per esempio carbonio, azoto e ossigeno) in quantità relativamente piccole. Gli atomi nei metalli e nelle loro leghe si dispongono in modo molto ordinato e, in confronto ai materiali ceramici e polimerici, sono relativamente densi. Per quel che riguarda le proprietà meccaniche, questi materiali sono relativamente rigidi e resistenti, ma anche duttili (cioè in grado di subire un’apprezzabile deformazione senza arrivare a rottura) e resistenti alla frattura, il che giustifica il loro diffuso impiego nelle applicazioni strutturali. I materiali metallici hanno un gran numero di elettroni delocalizzati, ovvero elettroni che non sono legati a un atomo specifico. Diverse proprietà dei metalli vengono direttamente attribuite alla presenza di questi elettroni. Per esempio, i metalli sono ottimi conduttori di calore e di elettricità e non sono trasparenti alla luce visibile; la loro superficie, se levigata, assume un aspetto lucente. Alcuni metalli (come Fe, Co e Ni) hanno apprezzabili proprietà magnetiche.

Ceramici

I ceramici sono composti formati da elementi metallici e non metallici; sono per la maggior parte costituiti da ossidi, nitruri e carburi. Ad esempio, alcuni tra i più comuni materiali ceramici sono l’ossido di alluminio (o allumina, Al₂O₃), il biossido di silicio (o silice, SiO₂), il carburo di silicio (SiC), il nitruro di silicio (Si₃N₄) e, inoltre, quelli che vengono comunemente definiti ceramici tradizionali – quali quelli composti da minerali argillosi (come la porcellana), il cemento e il vetro. Per quel che riguarda il comportamento meccanico, i materiali ceramici sono relativamente rigidi e resistenti – le rigidità e le resistenze sono confrontabili a quelle dei metalli. I ceramici sono tipicamente molto duri, ma anche estremamente fragili (a causa della mancanza di duttilità), e sono molto sensibili alla frattura fragile. I materiali ceramici sono tipicamente isolanti termici ed elettrici e sono più resistenti dei metalli e dei polimeri alle alte temperature e agli ambienti aggressivi. Per quel che riguarda le proprietà ottiche, i ceramici possono essere trasparenti, traslucidi o opachi e alcuni ossidi ceramici mostrano comportamento magnetico.

Polimeri

Ai polimeri appartengono le familiari materie plastiche e le gomme. Alcuni di essi sono composti organici, basati chimicamente su carbonio, idrogeno e altri elementi non metallici (come O, N e Si). Hanno struttura molecolare molto voluminosa, configurata in genere in catene con una struttura portante formata da atomi di carbonio. Comuni e familiari polimeri sono il polietilene (PE), il nylon, il cloruro di polivinile (PVC), il policarbonato (PC), il polistirene (PS) e la gomma siliconica. Questi materiali hanno tipicamente bassa densità e proprietà meccaniche diverse da quelle dei materiali metallici e ceramici – essi, infatti, non sono così rigidi né così resistenti. Data la bassa densità, hanno spesso rigidità e resistenza specifiche (ovvero resistenze per unità di massa) paragonabili a quelle dei metalli e dei ceramici. Molti polimeri, inoltre, sono estremamente duttili e flessibili (cioè plastici), il che significa che permettono di ottenere facilmente forme complesse. In generale, essi sono relativamente inerti chimicamente e non reattivi ad un gran numero di ambienti. Uno dei maggiori svantaggi dei polimeri è la loro tendenza a rammollire e/o a decomporsi a temperature non elevate, il che in alcuni casi ne limita l’impiego. Inoltre, essi hanno basse conduttività elettriche e sono amagnetici.

Compositi

Un composito è costituito da due (o più) materiali appartenenti alle classi citate sopra, vale a dire metalli, ceramici e polimeri. La progettazione di un materiale composito ha per obiettivo quello di ottenere una combinazione di proprietà che non sono possedute da nessun particolare materiale, e di sommare anche le proprietà migliori di ciascuno dei materiali componenti.

Ci sono anche:

• Elastomeri: materiali polimerici che mostrano un comportamento simile alla gomma (alto grado di deformabilità elastica).
• Materiali naturali: quelli che si trovano naturalmente, come legno, cuoio e sughero.
• Schiume: materiali tipicamente polimerici che hanno molte porosità (un’alta percentuale del loro volume è formata da piccoli pori).

Materiali avanzati

Ci sono anche dei materiali più avanzati:

• Semiconduttori: hanno proprietà elettriche che sono intermedie fra i conduttori elettrici (metalli e leghe metalliche) e quelle degli isolanti (ceramici e polimeri). Le proprietà elettriche di questi materiali sono molto influenzate dalla presenza di piccolissime quantità di atomi di impurezze, la cui concentrazione può essere pilotata su regioni spaziali molto piccole.
• Biomateriali: materiali inanimati che sono inseriti nell’organismo in modo che funzionino in modo affidabile, sicuro e fisiologicamente accettabile nell’interazione con tessuto vivente. Quindi i biomateriali devono essere biocompatibili, compatibili per tempi adeguati con i tessuti e i fluidi con cui sono a contatto.
• Materiali intelligenti: è formato da un sensore (che rileva un segnale in ingresso) e un attuatore (che svolge una funzione reattiva e adattativa).
• Nanomateriali: possono essere costituiti da una qualunque delle quattro tipologie base di materiali – metalli, ceramici, polimeri e compositi. Comunque, diversamente da tali materiali, essi non vengono caratterizzati sulla base della struttura chimica, ma piuttosto delle loro dimensioni; il prefisso nano sta a denotare che le dimensioni di queste entità strutturali sono dell’ordine dei nanometri (10⁻⁹ m) – di regola meno di 100 nanometri.

Capitolo 2

Gli elettroni negli atomi

Vi sono due modelli atomici:

• Modello di Bohr: considera gli elettroni come particelle orbitanti attorno al nucleo in orbitali fissi.
• Meccanica ondulatoria: si fa riferimento alla natura degli elettroni e la loro posizione viene definita in termini probabilistici. Un elettrone non è considerato una particella che si muove su un determinato orbitale, ma piuttosto la posizione dell’elettrone è considerata come l’insieme delle posizioni intorno al nucleo dove vi è un’alta probabilità di trovare l’elettrone stesso.

Le energie degli ioni sono quantizzate, ovvero possono assumere soltanto specifici valori d’energia. In base al principio di Pauli, ogni stato elettronico può ospitare non più di due elettroni, che devono avere spin opposto.

Tavola periodica

Gli elementi in ognuna delle colonne della tavola periodica hanno configurazioni elettroniche distintive:

• Gli elementi del gruppo 0 hanno gusci elettronici completi.
• Gli elementi del gruppo 1 hanno un elettrone in più rispetto a quelli necessari a riempire un guscio elettronico.

Forze ed energie di legame

Energia e forza di legame sono correlate l’una all’altra dalle equazioni: = - ∫!" =- !#

Le energie di attrazione, di repulsione e netta tra due atomi o ioni dipendono dalla distanza interatomica, secondo il diagramma schematico:

Legami interatomici primari

Per trasferimento di elettroni da un atomo all’altro e grande differenza di elettronegatività, si formano ioni, che danno origine al legame ionico. Il legame covalente è dovuto ad una condivisione di elettroni di valenza tra atomi adiacenti che hanno simile elettronegatività. Per alcuni legami covalenti gli orbitali possono ibridarsi. Il legame metallico è dovuto agli elettroni di valenza che formano un “mare di elettroni” uniformemente disperso attorno ai centri ionici metallici, agendo come una sorta di collante tra essi. Gli elettroni sono fortemente delocalizzati; negli altri tipi di legame il livello di confinamento degli elettroni è sempre più elevato fino ad annullare completamente la loro indipendenza dall’atomo di riferimento e limitare i gradi di libertà del movimento degli ioni. Il legame metallico è caratteristico dei metalli e dei solidi metallici e conferisce loro tipiche proprietà meccaniche ed elettriche :

• N. elettroni di valenza < 4
• Sono liberi di muoversi nel reticolo nube elettronica
• Elevata conducibilità elettrica

Legami secondari o legami di van der Waals

Oltre ai tre legami principali e al legame di van der Waals, esistono legami misti come covalente-ionico, covalente-metallico e metallico-ionico. La percentuale di carattere ionico di un legame tra due elementi (A e B) dipende dall’elettronegatività dei due elementi, come descritto.

Legami misti

Oltre ai tre legami principali e al legame di van der Waals, esistono legami misti come covalente-ionico, covalente-metallico e metallico-ionico. La percentuale di carattere ionico di un legame tra due elementi (A e B) dipende dall’elettronegatività dei due elementi, la formula è: $ #

Correlazioni tra il tipo di legame e la classificazione dei materiali

Le correlazioni tra i tipi di legami e le classi di materiali sono le seguenti:

• Polimeri: legami covalenti
• Metalli: legami metallici
• Ceramici: legami ionici e misti ionici-covalenti
• Solidi molecolari: legami di van der Waals
• Semimetalli: legami misti covalenti-metallici
• Composti intermetallici: legami misti ionici-metallici

Proprietà non meccaniche

Le proprietà dei materiali derivano:

• Dalle specie atomiche degli atomi che li costituiscono
• Dalla natura dei legami che essi formano tra loro
• Dalla organizzazione spaziale a breve, medio e lungo raggio

Gli atomi scambiano tra loro e verso l’esterno varie forme di energia (lavoro meccanico, elettrico, magnetico, ... e calore). I meccanismi con i quali tale energia fluisce nel materiale possono essere (macroscopicamente):

• Continui
• Discontinui
• A soglia

Gli effetti che lo scambio di questa energia causa possono essere (macroscopicamente) reversibili o irreversibili. In realtà, sappiamo che qualunque trasformazione reale è irreversibile (cfr. secondo principio della termodinamica), ma quando la quantità di calore generata è trascurabile (i.e. deformazione elastica) li possiamo, macroscopicamente, definire reversibili.

Proprietà intrinseche ed estrinseche

Proprietà intrinseche: derivano quasi esclusivamente dalla natura degli elementi costituenti (natura chimica) e in minima o trascurabile parte dalla loro distribuzione nello spazio. Sono prevalentemente elementali, marginalmente collettive; dipendenti (poco) dalla temperatura e (molto) dalla dimensione al di sotto dei 50nm di volume (ca, dipende dalla proprietà considerata e dal tipo di materia che occupa quel volume).

Proprietà estrinseche: dipendono prevalentemente (ma non solo) dalla configurazione degli atomi costituenti nello spazio, dal grado di ordine e dal numero e tipo di difetti. Sono prevalentemente collettive, dipendenti molto dalla temperatura e dalla dimensione al di sotto dei 50nm di volume (ca, dipende dalla proprietà considerata e dal tipo di materia che occupa quel volume). Sappiamo però che sia le proprietà intrinseche che quelle estrinseche dipendono, ovviamente, dalle "alterazioni indotte dalla temperatura e quindi sono valide in un certo range di temperatura e non T. Inoltre, se la proprietà (intrinseca o estrinseca) considerata si riferisce ad un volume di materiale molto piccolo (i.e. dell’ordine dei nm), allora essa dipende, oltre che dalla natura chimica, in modo rilevante anche dalla dimensione del volume considerato.

Proprietà elementali e collettive

Data la dimensione degli atomi e la distanza di legame tipica nei materiali, la lunghezza caratteristica alla quale avvengono e si studiano questi effetti collettivi (i.e. interazione tra atomi) che hanno poi conseguenze macroscopiche, va tipicamente dalle decine di nanometri alle decine di micron (con eccezione per i materiali polimerici, dove la scala si può estendere anche alle centinaia di micron). La maggior parte dell’attenzione che la Scienza e la Tecnologia dei Materiali dedica allo studio e la comprensione delle proprietà intrinseche ed estrinseche dei materiali è compresa all’interno di questa dinamica dimensionale che si estende quindi per tre, a volte quattro, ordini di grandezza. Convenzionalmente si parla di «microstruttura dei materiali», che insieme alla struttura della cella elementare, consente di comprendere entrambe le proprietà esibite, intrinseche ed estrinseche.

Proprietà chimiche

Il concetto di durabilità è molto importante e si rifà ad un concetto principe che ora guida la spinta dell’innovazione, che è la sostenibilità (digital + Green); il concetto di durabilità, cioè la capacità di rendere un oggetto infrangibile, indistruttibile, inossidabile, contribuisce, in generale, all’efficientamento delle risorse utilizzate; la corrosione è definibile come il degrado del materiale ad opera di trasformazioni chimiche; la corrosion eriguarda l’interazione del materiale con l’ambiente che lo circonda, perché essendo un fenomeno di tipo chimico, come tutti i fenomeni chimici avviene quando sono presenti i reagenti e le opportune condizioni termodinamiche; in alcuni casi specifici limitati, il reagente che produce la corrosione potrebbe essere interno al materiale e attivarsi soltanto in particolari condizioni di esercizio; la corrosione è un processo distruttivo che rappresenta un’enorme perdita economica (approfondimenti nel corso magistrale, di seguito alcuni cenni fondamentali).

Corrosione materiali non metallici

I materiali non metallici, come i ceramici e i polimeri, non sono soggetti a corrosione chimica nel senso tradizionale in cui lo sono i metalli, ma possono comunque subire danni da agenti chimici o fisici sotto forma di degradazione, dissoluzione o altri tipi di reazione.