Materiali e tecnologie per l'ambiente

Università degli Studi della Basilicata - Scuola di Ingegneria

Materiali e tecnologie per l’ambiente

Anno Accademico 2016/2017

Materiali e Tecnologie per l’Ambiente

Indice

• Capitolo 1 - Introduzione alla scienza e tecnologia dei materiali …………………. pag. 3
• Capitolo 2 - Struttura e legami degli atomi …………………………………………... pag. 5
• Capitolo 3 - Struttura e geometria cristallina ………………………………………... pag. 7
• Capitolo 4 - Solidificazione, difetti cristallini e diffusione nei solidi, deformazione plastica …………………………………………………………………………………………... pag. 11
• Capitolo 5 - Proprietà meccaniche dei materiali ….……………………...…………... pag. 18
• Capitolo 6 - Diagrammi di stato ………………….………………………...…………... pag. 29
• Capitolo 7 - Materiali metallici …………..….……………………………...…………... pag. 31
• Capitolo 8 - I combustibili …………….….….……………………………...…………... pag. 36

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Capitolo 1 - Introduzione alla scienza e tecnologia dei materiali

La scienza dei materiali si basa sulla conoscenza di base, quindi sulla struttura, le proprietà e i metodi di lavorazione, mentre la tecnologia dei materiali si basa sulla conoscenza applicata e quindi sull'uso di questa conoscenza di base applicate ai materiali.

La scienza e la tecnologia dei materiali quindi si basa quindi sulla struttura, le proprietà, le lavorazioni e i comportamenti dei materiali.

Quindi un materiale è una qualsiasi sostanza che serve all'uomo nello stato liquido, solido o gassoso. Facciamo una distinzione tra il gas e liquidi, mentre un gas tende ad espandersi e occupare tutto il volume, un liquido invece non tende a occupare tutto il volume.

Invece la materia è tutto ciò che ha la proprietà di avere una massa.

Quindi le materie prime, che sono i costituenti della crosta terrestre, degli oceani e dell'atmosfera, vengono ricavati mediante l'estrazione. Dopodiché si ha la produzione, dalla quale si ricavano i materiali e anche sostanze di rifiuto che poi vengono riutilizzate, riciclate o recuperate. I materiali vengono poi utilizzati dall'uomo per realizzare strutture, elementi costruttivi e oggetti necessari alle sue attività, quindi per il loro utilizzo vengono effettuate delle scelte in base alle esigenze tecniche, economiche e commerciali, derivanti quindi dalle loro proprietà e dai loro comportamenti.

I materiali principalmente si distinguono in tre classi: materiali metallici, materiali polimerici (materie plastiche) e materiali ceramici. A queste classi principali si aggiungono i materiali compositi e materiali per l'elettronica.

Materiali metallici

I materiali metallici sono sostanze inorganiche come ad esempio il ferro, il rame, alluminio, il nichel e il titanio. Essi hanno una struttura cristallina in cui gli atomi sono disposti in modo regolare nello spazio, e sono relativamente resistenti alle sollecitazioni meccaniche, ma sono anche duttili a temperatura ambiente, e molti mantengono una buona resistenza anche ad alta temperatura. I metalli e le leghe, le quali sono una combinazione di due o più metalli, vengono comunemente divisi in due classi:

• Metalli e leghe ferrose.
• Metalli e leghe non ferrose.

Materiali polimerici (materie plastiche)

La maggior parte dei materiali polimerici sono costituiti da lunghe catene o reticoli di molecole organiche (contenenti carbonio). La loro struttura spaziale è in genere non cristallina. La resistenza meccanica e la duttilità dei materiali polimerici variano notevolmente da un materiale ad un altro.

Materiali ceramici

Materiali ceramici sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente tra loro. I materiali ceramici possono essere cristallini, non cristallini o parzialmente cristallini e parzialmente non cristallini contemporaneamente. La maggior parte dei materiali ceramici possiede alta durezza, resistenza ad alta temperatura, ma tende ad essere fragile.

Materiali compositi

I materiali compositi sono formati dall'unione di due o più materiali. La maggior parte dei materiali compositi consiste in un riempitivo di rinforzo e di una matrice polimerica con esso compatibile, legati fra loro in modo da ottenere delle caratteristiche particolari e proprietà utili per l'applicazione richiesta. I materiali compositi sono di due tipi: tipo fibroso e tipo particolato.

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Materiali per l’elettronica

I materiali per l'elettronica non sono sicuramente tra i più rilevanti per quanto riguarda il volume di produzione, ma essi sono estremamente importanti in relazione alle tecnologie più avanzate.

Competizione tra i materiali

Esiste una continua competizione tra i vari tipi di materiali, sia relativa alle applicazioni tradizionali, sia a quelle innovative. Con il passare del tempo si sono verificati molti fattori che rendono possibile la sostituzione di un materiale con un altro per una certa applicazione. Tra i fattori che causano il rimpiazzo troviamo:

• Il costo.
• Lo sviluppo di materiali con proprietà specifiche per una determinata applicazione.

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Capitolo 2 - Struttura e legami degli atomi

Gli atomi sono l'unità base di tutti i materiali. Essi sono costituiti da tre principali particelle subatomiche: i protoni, neutroni e gli elettroni. I protoni e i neutroni sono quelli che si trovano nel nucleo dell'atomo, mentre gli elettroni si muovono attorno al nucleo e sono responsabili dei legami atomici. Quindi si può dire che il nucleo costituisce quasi l'intera massa dell'atomo.

Il numero atomico indica il numero di protoni, le particelle a carica positiva, presenti nel nucleo di un atomo.

La massa atomica relativa di un elemento è la massa in grammi di 6,023 x 10²³ atomi, ovvero il Numero di Avogadro.

Per poter studiare l'atomo, vengono costruiti dei modelli di interpretazione, quindi comincia a diffondersi la meccanica quantistica, la quale studia il moto di un elettrone attorno al suo nucleo.

Se un elettrone passa da un livello di energia inferiore ad uno superiore o viceversa, l'elettrone emetterà una quantità discreta di energia sotto forma di radiazione elettromagnetica, chiamata fotone. Questa variazione di energia viene regolata dall'equazione di Planck.

∆ = ℎ ℎ è ℎ

∆ = è à ℎ ′

Il primo modello ipotizzato fu opera di Bohr, il quale dedusse che ogni elettrone effettuasse delle orbite circolari e ben determinate, a seconda dell'energia che possedevano. L’energia di un elettrone, per i vari livelli energetici consentiti, viene rappresentata dall’equazione di Bohr:

2 4 2 13,6 ( ) = = − = 1,2,3,4,5, … 2 2 2 ℎ ′ ′ , è

In seguito uno scienziato di nome Heisenberg, dedusse che gli elettroni potevano descrivere anche orbite non circolari, e quindi l'orbita di un elettrone non poteva essere determinata. Il principio di indeterminazione di Heisenberg quindi afferma che noi possiamo avere delle zone in cui è più probabile trovare gli elettroni, e vengono così definiti gli orbitali.

Ad ogni elettrone possiamo associare quattro numeri quantici:

• Numero quantico principale, (n) indica i livelli primari di energia; [1 < n < 7]
• Numero quantico azimutale, (l) indica i livelli secondari di energia; [0 < l < n-1]
• Numero quantico magnetico, (m) specifica l’orientazione spaziale di un singolo orbitale atomico; [-l < m < +l]
• Numero quantico di spin, (m) descrive l’orientazione spaziale dell’elettrone; [-½ < m < +½]

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In seguito Pauli enuncia il principio di esclusione di Pauli, ovvero due elettroni non possono mai avere gli stessi valori relativi ai quattro numeri quantici. Quindi per poter descrivere la disposizione spaziale intorno agli orbitali, relativa ai vari elettroni, viene introdotta la configurazione elettronica di un elemento configurazione elettronica. Per poter eseguire la noi facciamo riferimento ai quattro numeri quantici.

6 Configurazione elettronica. In cui 5 l’energia degli orbitali cresce dal primo ai 4 livelli successivi. 3 2 1 s p d f

L’energia interna è la somma dell'energia vibrazionale più l'energia cinetica. E = E + E v c

L'elettronegatività è il grado di attrazione degli elettroni da parte di un atomo, mentre l’elettropositività è la capacità di cedere elettroni più facilmente.

Definiamo ione una molecola elettricamente carica, in particolare distinguiamo: anioni e cationi. Un anione è un atomo che ha acquistato elettroni e quindi si carica negativamente, mentre un catione è un atomo che ha ceduto elettroni e quindi si carica positivamente.

L'energia di legame è la differenza tra l’energia dell’aggregato stabile A-B e quella dei due atomi A e B isolati, nonché l'energia che bisogna fornire al sistema per separare gli atomi e separarli.

I legami che si formano tra i diversi atomi possono essere di due tipi: primari e secondari.

I legami primari a sua volta si suddividono in:

• Legami ionici, È un legame di tipo non direzionale, che si forma tra elementi molto elettronegativi o elettropositivi, in cui la differenza tra i due atomi è molto elevata;
• Legami covalenti, è un legame di tipo direzionale, in cui sia la condivisione degli elettroni, si forma tra elementi molto elettronegativi o elettropositivi, in cui la differenza tra i due atomi è molto piccola;
• Legami metallici, in cui i vari atomi sono affiancati tra loro in modo relativamente compatto, secondo uno schema ripetitivo o una struttura cristallina.

I legami secondari a sua volta si suddividono in:

• Legami dipoli, è un tipo di legame che avviene tra molecole che presentano dipoli, ovvero atomi che possiedono poli positivi e negativi;
• Legami idrogeno, sono legami che vengono a costituirsi quando l'idrogeno si lega ad un elemento molto elettronegativo.

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Capitolo 3 - Struttura e geometria cristallina

Il termine solido descrive uno stato di aggregazione degli atomi per cui la sostanza conserva un volume e una forma definitiva.

La struttura dei materiali solidi di interesse tecnologico dipende principalmente dalla disposizione degli atomi, ioni o molecole che compongono il solido e dalle forze che li legano fra loro.

Le forze di legame riguardano l'organizzazione degli atomi e delle molecole.

Il numero di coordinazione (NC) dipende dalla direzionalità e non direzionalità del legame e dalla carica degli ioni, ovvero il numero di molecole o di ioni legati all'atomo centrale.

La disposizione degli atomi deve tendere a rendere minimo l’energia globale del solido.

Il fattore di riempimento (FR) il rapporto tra lo spazio occupato dagli atomi e quello disponibile.

Il fattore di compattazione atomica (FCA) è il rapporto tra il volume degli atomi e il volume disponibile.

Quindi se NC è il numero di atomi e quindi risponde ad un atomo preso come riferimento FCA è legato alla densità.

Definiamo cella elementare la più piccola unità ripetitiva in un cristallo, il cui insieme forma il reticolo cristallino, perché viene ripetuta migliaia di volte. La dimensione e la forma della cella elementare possono essere descritte mediante tre vettori reticolari a, b e c. costanti reticolari La lunghezza degli assi a, b e c e gli angoli tra tali assi α, β e γ, sono le della cella elementare.

Assegnando dei valori specifici alla lunghezza degli assi e agli angoli compresi tra essi, possiamo costruire celle elementari di diverso tipo.

In particolare Bravais mostrò che 14 celle elementari standard possono descrivere tutti i possibili reticoli cristallini. Le 14 celle elementari fanno riferimento a 7 sistemi di riferimento cristallini:

• Cubici.
• Tetragonale.
• Ortorombico.
• Romboedrico.
• Esagonale.
• Monoclinio.
• Triclinio.

I più importanti reticoli spaziali che fanno riferimento al sistema cristallino sono: la struttura cubica a corpo centrato (CCC), la struttura cubica a facce centrate (CFC) e la struttura esagonale compatta (EC).

Strutture cubiche a corpo centrato (CCC)

Nella cella elementare delle strutture CCC gli atomi sono in contatto l'uno all'altro lungo la diagonale del cubo così la relazione tra il lato del cubo a e il raggio atomico R è: = 4√3

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Strutture cubiche a facce centrate (CFC)

Gli atomi della cella elementare a struttura CFC sono in contatto l'uno con l'altro lungo la diagonale della faccia del cubo cosicché la relazione che intercorre tra la lunghezza del lato del cubo a il raggio atomico R è: = 4√2

Strutture esagonali compatte (EC)

Nella struttura cristallina EC, il rapporto tra l'altezza c del prisma esagonale e il lato della base a è chiamato rapporto c/a, il rapporto c/a per una struttura cristallina EC ideale è pari a 1,633.

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Posizione degli atomi nelle celle elementari cubiche

Per determinare la posizione degli atomi nelle celle elementari cubiche, si utilizza un sistema a tre assi ortogonali x, y, z. Solitamente si assumono positivi l'asse x quando è uscente dal piano del disegno, l'asse y quando è rivolto verso destra e l'asse z quando è rivolto verso l'alto.

Le posizioni degli atomi vengono indicati mettendo tra parentesi tonde da una terna di numeri, separata da una virgola. Nel caso di una cella elementare CCC o CFC vengono specificate solo due posizioni e le restanti vengono poi ricavate. (a,b,c)

Direzioni degli atomi nelle celle elementari cubiche

Per indicare graficamente una direzione in una cella elementare cubica, si disegna un vettore di direzione partendo da un'origine, fino a farlo emergere dalla superficie del cubo.

Le coordinate di posizione del punto in cui il vettore di direzione emerge dalla superficie del cubo, ridotte a numeri interi, solo gli indici della direzione in esame. Convenzionalmente gli indici delle direzioni sono racchiusi tra le parentesi quadre senza virgole di separazione, e i numeri negativi sono indicati con un trattino sopra il numero. [uvw]

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Le direzioni sono fra loro cristallograficamente equivalenti se la distanza tra gli atomi lungo ogni direzione è la stessa. Famiglie di direzione simili sono indicati con la notazione <uvw>.

Gli indici di Miller sono terne di valori dovute alle direzioni in cui si identifica un piano con direzioni cristallografiche. Per determinare gli indici di Miller bisogna:

• Scegliere un piano non passante per l'origine;
• Determinare le intersezioni del piano con gli assi;
• Effettuare il reciproco delle intersezioni ottenute;
• Normalizzare le frazioni e determinare gli interi positivi più piccoli.

Per quanto riguarda le strutture esagonali si hanno bisogno di 4 assi per identificare gli indici, e questi vengono chiamati indici di Miller - Bravais.

Polimorfismo e allotropia

Parliamo di allotropia quando vi è la possibilità per un elemento di esistere in condizioni di temperature e pressioni in forme diverse, ovvero in forme cristalline diverse. es.: carbonio, ferro

Parliamo di polimorfismo quando vi è la possibilità per