Teoria di Biomateriali (chimica)

Cap 18: Materiali

Proprietà di un materiale

Struttura: legami tra le particelle all’interno del materiale.

Microstruttura: descrive l’ordine e la disposizione delle particelle all’interno del materiale.

Proprietà macroscopiche

• Materiale isotropo: ha le stesse proprietà in tutte le direzioni.
• Materiale anisotropo: le sue proprietà cambiano in base alle direzioni.

Struttura dei materiali

1. Struttura cristallina: disposizione ordinata e ripetitiva, i legami sono forti quindi ha caratteristiche meccaniche elevate (è difficile deformare il reticolo di una struttura cristallina).
2. Struttura amorfa: disposizione disordinata, i legami all’interno delle molecole sono forti mentre i legami tra le molecole sono deboli. Quindi le caratteristiche meccaniche sono inferiori rispetto a quelle delle strutture cristalline.
3. Struttura semicristallina: coesistenza di zone cristalline e zone amorfe, quindi ha caratteristiche meccaniche intermedie.

Classificazione dei materiali

• Materiali metallici: materiali inorganici composti da un metallo o più elementi metallici o non metallici. Nel legame metallico si ha una nuvola di elettroni “mobile”, quindi hanno ottime proprietà termiche ed elettriche.
• Materiali polimerici: materiali organici costituiti da lunghe catene macromolecolari a base di atomi di carbonio. Sono ottimi isolanti termici ed elettrici.
• Materiali ceramici: materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente tra loro. Sono ottimi isolanti termici ed elettrici.
• Materiali compositi: sistema di materiali composto da una miscela o combinazione di due o più macro-costituenti.

Cap 19: Proprietà dei materiali

La proprietà di un materiale è la misura di un comportamento in una prova.

Tipi di deformazione

• Elastica (elasticità = totale capacità di recupero) → Elastoplastici: mantiene una certa deformazione.
• Plastica (plasticità = incapacità di recupero): ritorna alle dimensioni iniziali → Viscoelastici: hanno un comportamento intermedio tra un solido elastico e un fluido.

Sforzo e stress

Sforzo: intensità della forza di reazione in ogni punto del materiale sottoposto a carichi.

Stress: forza di reazione in ogni punto di un campione soggetto a carichi.

Tipi di sforzo

1. Normale-tensione: applico due forze ai capi del provino in direzioni opposte - Compressione: applico due forze nella stessa direzione.
2. Flessione: applico una forza distribuita su tre punti e capisco quanto si flette il materiale.
3. Taglio: forze messe ai capi del provino che tendono ad andare in direzioni laterali opposte (deformazione laterale del provino).

Elasticità

• Elasticità entalpica: si hanno piccoli spostamenti degli atomi. L’entropia (grado di disordine delle particelle del materiale) non varia molto, quindi il materiale rimane abbastanza ordinato (si deforma poco).
• Elasticità entropica: si osserva nei polimerici formati da lunghe catene macromolecolari tenute insieme da legami a ponte. Lo sforzo tende ad allungare e quindi ad allineare le catene, ottenendo una diminuzione dell’entropia (il sistema tende ad essere più ordinato).

Tipi di prove

• Prova di trazione: forza di trazione su un provino di un materiale portandolo fino alla rottura.
• Prova a compressione.
• Prova di resistenza all’urto: si valuta l’energia assorbita da un provino che viene colpito da un maglio (martello che viene lasciato cadere da una certa altezza verso il provino) di cui è nota l’energia cinetica. L’energia assorbita indica la suscettibilità alla rottura duttile (bassa velocità di propagazione della rottura) o alla rottura fragile (alta velocità di propagazione della rottura).
• Prove a fatica: il provino viene sottoposto a un certo numero di cicli di sforzo e si osserva dopo quanti cicli quel materiale arriva alla rottura.

Cap 20: Materiali metallici

Hanno reticoli cristallini e sono ottimi conduttori termici ed elettrici.

Classificazione di difetti

1. Difetti puntiformi
   • Vacanze: posizioni reticolari non occupate (assenza di un atomo).
   • Atomi interstiziali: atomi dello stesso metallo o di un metallo diverso che si trovano negli interstizi (spazi vuoti) del reticolo.
   • Atomi sostituzionali: atomi di un altro elemento che occupano posizioni reticolari.
2. Difetti lineari
   • Dislocazioni a spigolo: mancanza di atomi lungo una linea.
   • Dislocazioni a vite: costituite da atomi spostati dalle loro posizioni.
3. Difetti di superficie (bordi di grano): superfici che si creano tra domini di superfici orientate in maniera diversa (stesso reticolo che può essere orientato in maniera diversa e l’interfaccia tra questi domini è il bordo di grano).

Tecnologie di lavorazione

Lavorazioni da fonderia: fusione di leghe metalliche, colaggio del metallo fuso in forme apposite (=stampi) con forma molto simile al componente finale che si