Scienza e tecnologia dei materiali - Appunti completi

SDM

Classificazione dei materiali

A seconda di: legame chimico (ionico, covalente e molecolare,

metallico), struttura (cristallina/amorfa), proprietà, applicazioni

METALLI (M + eventuali NM)

• opachi, riflettenti

• rigidi, duttili

• elevata resistenza meccanica

• conduttori elettrici e termici

• resistenza a sbalzi termici

• facilmente lavorabili

• di norma allo stato cristallino

- Metalli e leghe ferrose (elevata % ferro)

- Metalli e leghe non ferrose (no ferro o piccole %) (es. superleghe, migliori prestazioni sotto stress)

Celle elementari ccc, cfc, ec (caratterizzate da numero di coordinazione (n di atomi a contatto con un atomo

preso come riferimento) , fattore di compattazione atomica (vol atomi/vol cella))

CERAMICI (M + NM) (inorganici)

• molto duri

• estremamente fragili – poco duttili

• isolanti termici ed elettrici

• resistenti alle alte temperature ed agli ambienti aggressivi

• trasparenti/traslucidi/opachi

• chimicamente inerti anche in ambienti aggressivi

• alcuni magnetici (Fe3O4)

Possono essere cristallini (ceramici), non cristallini (vetri), parzialmente cristallini (vetroceramici)

Sono composti inorganici. Usati per edilizia,utensili da taglio e abrasivi, forni, in elettronica come isolanti,

conduttori (elettroliti solidi) o semiconduttori, attuatori piezoelettrici

I bioceramici sono usati in chirurgia per impianti.

Struttura: hanno strutture generalmente molto complesse. Il legame varia da

puramente ionico (determinate principalmente dal rapporto fra il raggio cationico e quello anionico rC /rA )

(sono strutture stabili se gli anioni che circondano un catione sono tutti in contatto con quel catione) (Strutture

di tipo AX, AmXp, AmBnXp) a puramente covalente (determinate dalla direzionalità del legame) (es. carbonio

elementare, sia in forma di diamante che di grafite, e il carburo di silicio), ad amorfe (vetri)

+ REFRATTARI → Materiali da costruzione, non metallici, adatti a resistere e sopportare le sollecitazioni

meccaniche a T>1500°C senza fondere o decomporsi. Si ottengono da materie prime facilmente reperibili.

La funzione principale dei refrattari è quella di rivestire l’interno dei forni.

Le caratteristiche principali che devono avere sono : bassa conducibilità termica, bassa dilatazione termica,

resistenza agli sbalzi termici, stabilità strutturale, resistenza a compressione.

La T di refrattarietà libera è la T alla quale una piccola piramide del refrattario

dà origine ad una quantità di liquido tale da inflettersi sotto il proprio peso sino

a portare la punta a toccare il piano di base.

Coni Seger: miscele di caolinite e allumina

La T di refratterietà sotto carico valuta il comportamento alla deformazione quando sottoposto a carico costante

e aumento della T. È la T massima alla quale può essere utilizzato il refrattario.

• Refrattari acidi → reagiscono con gli ossidi metallici. Sono a base di silice o allumina. I più pregiati sono

quelli a base di allumina (impurezze sotto il 3%)

• Refrattari basici → reagiscono con gli ossidi a carattere acido.

– Magnesici → Refrattarietà libera elevata (circa 2000°C), Refrattarietà sotto carico bassa (Tr circa 1600°C),

Coefficiente di dilatazione termica elevato → scarsissima resistenza agli shock termici

– Cromo-magnesiaci → Hanno un coefficiente di dilatazione termica relativamente basso e quindi una buona

resistenza agli shock termici. Vengono usati per la costruzione di volte di forni che raggiungono anche 1800°C

• Refrattari neutri → Sono a base di sostanze che non hanno natura né acida né basica e vengono talvolta

impiegati per formare cordoni di separazione tra refrattari acidi e refrattari basici.

Possono essere a base di carburo di silicio (es. per rulli per forni a cottura continua), di carbonio (es. per

dissipatori di calore), di zirconia

POLIMERI (solidi macromolecolari) (organici)

(lunghe catene o reticoli di molecole organiche (con Carbonio), generalmente non cristallini, ma a volte si)

• non sopportano alte T

• isolanti termici ed elettrici

• modesta resistenza meccanica

• deformabili plasticamente, alcune proprietà elastiche (gomma)

• buona inerzia chimica

Nei cristalli molecolari l’unità che si ripete nel reticolo è costituita da una molecola (molecole di pochi atomi o

Macromolecole: catene lineari o ramificate di unità (monomeri) ripetute n volte ,dove n = grado di

polimerizzazione)

I legami chimici nei polimeri sono di DUE tipi:

◼ legami all’interno delle catene (intra-molecolari): primari, forti, es: covalenti

◼ legami fra le catene (inter-molecolari):

 secondari, deboli (Van der Waals e a idrogeno) per i polimeri termoplastici (no legami incrociati, duttili,

rammolliscono al riscaldamento, Es: polietilene)

 covalenti, forti per i polimeri termoindurenti (no legami incrociati, duttili, rammolliscono al

riscaldamento, Es: polietilene)

Possono avere struttura amorfa, cristallina o parzialmente cristallina.

Una singola catena polimerica può piegarsi, torcersi con numerose e casuali spirali prodotte dalla rotazione dei

legami della catena.

COMPOSITI

Sistemi eterogenei (2 o più fasi distinte presenti in almeno 5%), costituiti da una matrice di tipo ceramico,

polimerico o metallico in cui si trova dispersa una seconda fase (filler /rinforzante) (fibre o particelle), dotati di

proprietà che non possono essere garantite dai singoli costituenti (E, snervam, rottura, resistenza, usura,

σ σ

tenacità, duttilità) ( Spesso, ma non sempre, si chiama matrice la fase presente in quantità maggiore)

(es. in natura ossa, legno, in edilizia calcestruzzo, pale eoliche, biomateriali, ….) es. uso di fibre di carbonio

consente di aumentare la lunghezza della lama delle pale eoliche senza alcun aumento di peso aggiuntivo )

La MATRICE lega e separa fibre/particelle, trasmette e distribuisce i carichi applicati, protegge fibre/particelle

da danneggiamenti superficiali. Possono essere metalli e leghe (es. Al → duttilità) , ceramici (es. carbonio, →

rinforzante per duttilità) , vetri e vetroceramici, polimeri (termoplastici e termoindurenti)(→ duttilità), matrici

cementizie

→ A matrice polimerica (PMC) : leggeri, resistenti, isolanti.

- GFRP/vetroresine : con filler fibre di vetro

- CFRP : con filler fibre di carbonio

- FIBRE ARAMIDICHE : es. kevlar (alti modulo elastico e resistenza a trazione)

→ A matrice metallica (..)

→ A matrice ceramica (..)

La SECONDA FASE sono fibre (lunghe o corte) o particelle. I

parametri sono concentrazione, dimensione, forma, distribuzione,

orientazione. La morfologia può essere..

L’INTERFACCIA è la zona in cui avviene il trasferimento di

sollecitazione meccanica fra matrice e seconda fase . I parametri

secondo cui viene progettata sono bagnabilità, reattività, continuità.

Il meccanismo di rinforzo si basa su : trasferimento del carico, ostacolo nella propagazione delle

cricche/dislocazioni

Classificazione compositi:

◼ Rinforzati con particelle : facili, economici, proprietà inferiori ai fibrorinforzati, proprietà mecc. Isotrope.

(es. nerofumo nella gomma dei pneumatici)

- di grandi dim → Filler più duro della matrice, ne limita il movimento. Parte del carico è trasferito

Per modulo elastico, conducibilità, posisson → Regola dell e miscel

e

- disperse (0.01 m) → (vedi meccanismi di rafforzamento)

μ limitano moto dislocazioni e propagaz cricche

◼ Fibrorinforzati : complessi, costi maggiori, proprietà migliori (th di griffith, statistica di weibull), anisotope

nelle fibre continue e isotrope nel laminato.

- fili metallici

- fibre continue (allineate), discontinue (corte. allineate o no)

- whiskers (monocristalli. Fibre inorganiche corte), elevato grado di perfezione

cristallina

L’efficacia del rinforzo è data dalla lunghezza critica della fibra (lc)

◼ Strutturali : multistrato a bassa densità.

-Laminati (pannelli 2d)

- Sandwich (due strati esterni e un’anima più spessa)

◼ Nanocompositi : nanoparticelle immerse in una matrice (immagazzinamento energia. Usati per anodi)

Allotropia o polimorfismo

• Alcuni elementi possono presentare strutture cristalline differenti a diverse temperature e pressioni (se

riguarda non gli elementi, ma i composti).

Esempio → il Ferro è stabile nella forma ccc, αFe, fino a 911°C allorché si trasforma nella forma cfc, γFe, per

poi ritrasformarsi a 1395 °C nelle forma ccc di alta temperatura, δFe.

◼ ◼ ◼ ◼ ◼

Esempio → Carbonio : Diamante Grafite Fullereni Nanotubi (forma amorfa)

Isotropia/Anisotropia

Monocristallo → Le proprietà variano con la direzione: anisotropia. Esempio: il modulo elastico (E) nel ferro

ccc

Policristallino → Le proprietà possono variare o non variare con la direzione Se i grani sono orientati in modo

casuale: isotropia. Se i grani sono orientati: anisotropia

ARGOMENTI

1. Differenza tra struttura cristallina e amorfa con tutte le relative proprietà

- Struttura cristallina: particelle disposte regolarmente e periodicamente a livello atomico o molecolare,

anisotropia [proprietà (quali conducibilità elettrica e termica, indice di rifrazione,..) variano a seconda della

direzione], punto di fusione ben definito (dipende dalla forza di legame)( → netta variazione proprietà fisiche),

ordine a lungo raggio.

- Struttura amorfa: struttura disordinata simile a quella dei liquidi, isotropia (stesse proprietà in tutte le

direzioni), punto di fusione non ben definito (non tutti i legami hanno la stessa forza e si rompono

contemporaneamente, c’è un rammollimento progressivo)( → le proprietà variano gradualmente), ordine a

corto raggio

2. La cristallinità nei polimeri

Impacchettamento delle catene molecolari al fine di produrre una struttura atomica ordinata. A causa delle

dimensioni e, spesso, complessità, le molecole dei polimeri sono solitamente solo parzialmente cristalline →

regioni cristalline all’interno di regioni amorfe. (Un polimero NON É MAI COMPLETAMENTE

CRISTALLINO (max 95%)).

Modello a micelle frangiate - Le regioni cristalline (cristalliti o micelle) disperse all’interno

di una matrice amorfa. Una singola catena potrebbe attraversare sia diverse cristalliti sia regioni

amorfe

Modello a catena ripiegata - Ciascuna lamella è costituita da un certo

numero di molecole ripiegate su se stesse

Molti polimeri cristallizzano formando sferuliti: aggregato di

cristalliti a forma nastro

a catene ripiegate che irradiano dal centro verso l’esterno.

Lamelle molto ordinate collegate da regioni amorfe.

A parità di peso molecolare, la densità di un polimero cristallino è maggiore di quella dello stesso polimero

amorfo (in una struttura cristallina le catene sono più compatte)

Il grado di cristallinità può essere determinato mediante misure di densità:

Fattori che influenzano la cristallinità dei polimeri:

• Velocità di raffreddamento durante la solidificazione → si deve lasciare tempo sufficiente perchè le catene di

allineino

• Composizione chimica: la cristallinità è sfavorita nei polimeri che derivano da monomeri con strutture

chimiche complesse (es. polistirene)

• Struttura delle catene: le ramificazioni laterali interferiscono nel processo di cristallizzazione

Il modulo elastico, la resistenza a trazione e la fragilità generalmente aumentano con la % di cristallinità

Resistenza meccanica: generalmente aumenta con Mw(peso molecolare) (aumenta l’allineamento delle catene)

3. Indicare e descrivere i difetti nei solidi e come modificano le proprietà

I materiali mono o policristallini non sono così ordinati, ma sono ricchi di DIFETTI RETICOLARI: viene

meno la periodicità della struttura cristallina. DIFETTO: irregolarità del reticolo cristallino che presenta una o

più dimensioni dell’ordine di un diametro atomico.

I difetti influenzano: • proprietà fisiche • proprietà meccaniche • proprietà tecnologiche (deformabilità a freddo,

conduttività elettronica dei semiconduttori, corrosione)

• DIFETTI PUNTUALI - zero dimensionali.

- Vacanza : difetto di equilibrio (la presenza di vacanze aumenta l’entropia e l’entalpia del cristallo).

Mancanza di un atomo nel reticolo (una certa densità di vacanze rende minima

l’energia (deltaG) del reticolo cristallino a quella T).

Si forma a seguito di agitazione termica, incrudimento, irradiazione, aggiunta di impurezze chimiche (ioni con

cariche diverse). Si forma in prossimità della superficie.

La concentrazione di vacanze all’equilibrio cresce con la T, secondo la legge di Arrhenius

Le vacanze permettono il movimento degli atomi da un nodo reticolare ad un altro (diffusione).

- Interstiziale : presenza di un atomo di impurezza o del reticolo di base (autointerstiziale) più piccolo in

posizione interstiziale (molto meno frequente perché richiede molta + energia)

Difetto di Frenkel: coppia catione-vacanza e catione-interstiziale

Difetto tipo Schottky: Vacanza cationica-vacanza anionica

- Sostituzionale : un atomo di impurezza che sostituisce un atomo proprio del reticolo

• DIFETTI LINEARI– monodimensionali

Dislocazioni – Non sono difetti di equilibrio. Spiegano la deformazione plastica dei materiali.

Si formano durante la solidificazione e le lavorazioni meccaniche.

Si definisce densità di dislocazioni la lunghezza complessiva di tutte le linee di dislocazione presenti nell’unità

di volume

- A spigolo : semipiano, aggiuntivo nel reticolo. spigolo positivo (┴) o negativo (┬). In

seguito all’applicazione di una sollecitazione di taglio la dislocazione si sposta lungo il piano

di scorrimento finché fuoriesce; a questo punto il reticolo risulta deformato irreversibilmente

- A vite : rampa a spirale di atomi spostati rispetto alla posizione del reticolo perfetto. Dovuta

all'applicazione di sforzi di taglio.

- Miste : presentano componenti di entrambi

• DIFETTI DI SUPERFICIE – bidimensionali

- Superfici esterne - gli atomi che ne fanno parte hanno numero di coordinazione inferiore agli altri e sono più

reattivi (es.: i fenomeni di ossidazione e corrosione sono superficiali)

- Bordi di grano (BDG) - confine che separa le aree monocristalline (grani) di un materiale policristallino.

Regione di cattivo arrangiamento atomico (con vari gradi di disallineamento).

È rappresentabile come un susseguirsi di dislocazioni a spigolo positive.

Il bordo geminato è un bordo di grano attraverso cui vi è una simmetria speculare del reticolo cristallino.

La presenza di dislocazioni introduce energia di deformazione → energia interfacciale o di bordo grano → I

bordi di grano sono più reattivi dei grani

• (DIFETTI MACROSCOPICI di volume o massa - tridimensionali)

4. Le soluzioni solide

Sistemi monofasici (infatti sono soluzione e non compositi)

Fornisce al materiale caratteristiche specifiche..

- nei metalli migliori proprietà meccaniche, resistenza a corrosione, proprietà ad alte T

- nei ceramici migliori proprietà meccaniche, piezoelettricità, conducibilità elettrica

Il limite di solubilità fra due elementi o fra due composti dipende da: dimensioni atomiche, elettronegatività,

struttura cristallina dei due elementi puri, valenza degli elementi

• interstiziali → nel caso di soluti di dimensioni ridotte (es. H). (es. atomi di C nel ferro)

• sostituzionali → molto più frequenti. La struttura cristallina del solvente A non viene modificata dalla

sostituzione con atomi del soluto B. (es. una parte degli atomi di rame con atomi di nichel)

- complete : A e B puri hanno la stessa struttura cristallina, dimensioni atomiche molto simili, configurazioni

elettroniche dello stesso tipo. In queste soluzioni solide si passa con continuità da 100% di A a 100 % di B

- parziali

Due sostanze che non formano una soluzione solida completa possono dar luogo, oltre che a soluzioni solide

primarie sostituzionali o interstiziali, anche a fasi intermedie con struttura cristallina differente.

Possono essere soluzioni solide intermedie, quando presentano composizione variabile oppure composti

intermedi quando hanno composizione fissa e i costituenti disposti in modo ordinato

5. I meccanismi di diffusione

Condizioni necessarie : presenza di vacanze, l’atomo deve avere energia

vibrazionale sufficiente, (è un processo attivato termicamente perché con la T

aumentano le vacanze le vibrazioni atomiche)

La diffusione alto stato solido è un mezzo di trasporto di massa all’interno di

materiali solidi, che avviene mediante movimenti atomici a salti. Il termine

“autodiffusione” si riferisce alla migrazione di atomi del metallo base nello stesso metallo base. Per la

migrazione di atomi diversi da quelli del materiale di base si usa il termine “interdiffusione”.

I meccanismi possibili sono due: diffusione di vacanze (il flusso degli atomi e quello

delle vacanze sono opposti) e diffusione interstiziale (Attraverso lacune. Avviene più

rapidamente (atomi più piccoli e mobili, non servono vacanze) L’energia di attivazione

dell’interstiziale è molto minore di quella di vacanze).

Dato un metallo base, le specie atomiche interstiziali generalmente diffondono con

maggior rapidità. Per la diffusione stazionaria (a regime costante) ( es. gas attraverso

una piastra sottile), il profilo di concentrazione delle specie diffondenti è indipendente

dal tempo, e il flusso o velocità risulta proporzionate al gradiente di concentrazione preso con il segno negativo

(prima legge di Fick). La diffusione non a regime (o non “stazionaria”) è invece descrit