Materiali per il design

Il legno

Il legno è il materiale naturale più versatile e abbondante. È disponibile in diversi colori e venature. È resistente in relazione al suo peso. Isola termicamente ed elettricamente e ha buone proprietà acustiche. È relativamente facile da lavorare.

Struttura del legno

Il legno è costituito dalla corteccia esterna e da una parte lignea centrale (anelli di accrescimento) costituita da alburno e durame. La sua composizione chimica è formata da cellulosa, emicellulosa e lignina.

• Essenze dolci (Gimnosperme): abete bianco/rosso, pino, cedro
• Essenze forti (Angiosperme): quercia, acero, ciliegio, castagno, noce, ulivo

Un legno si definisce legno verde quando, se dolce ha 150% alburno e 60% durame, se duro 80% alburno e durame. La stagionatura naturale richiede anni, mentre quella artificiale richiede giorni.

• Fortemente anisotropo
• Buone proprietà meccaniche
• Densità è in genere inferiore a quella dell’acqua
• Ottimo isolante termico, acustico ed elettrico
• Degrado di tipo chimico o fisico (brucia!)
• Degrado di tipo biologico

I principali fattori che determinano la resistenza meccanica del legno sono i difetti, la densità, il contenuto di umidità e la direzione di sollecitazione

Proprietà chimiche e fisiche

• Biologico (funghi, insetti o batteri). Vengono usati estratti (i tannini nel legno di quercia) che impediscono lo sviluppo degli agenti di decomposizione e trattamenti (in genere impregnanti) idonei ad aumentare la resistenza a questa forma di degrado
• Fisico (in particolare gli agenti atmosferici)
• Chimici

Lavorazione del legno

Durante la crescita di un albero possono avvenire diversi fenomeni che introducono delle anomalie nella struttura del legno. Le imperfezioni possono riguardare lo sviluppo del tronco: fusto incurvato, accrescimento eccentrico del midollo, crescita a spirale, fessurazioni. Il ritiro è diverso lungo i tre assi principali:

• 0,1% in direzione longitudinale
• 1-10% in direzione trasversale
• 5% direzione radiale

Derivati del legno

• Legno compensato: strati sottili di legno (1-3 mm) sovrapposti con diverso orientamento delle fibre incollati tra loro in modo da ottenere dei pannelli. La resistenza meccanica dei compensati dipende dai fattori che influenzano la resistenza del legno, dal numero, spessore e orientamento degli strati e dal tipo di adesivo.
• Truciolato: piccoli pezzetti (trucioli) di un legno dolce ottenuti anche come residui da altri processi, essiccati, spruzzati con adesivo e pressati a temperatura elevata a uno spessore di 2 mm - 4 cm (densità 0,5-0,8 g/cm³). A parità di spessore, i truciolati tendono ad essere più deboli dei compensati.
• Pannelli di fibre: sono ottenuti pressando fibre di legno, ricavate per sfibratura meccanica in pressione di vapore ad alta temperatura in genere con aggiunta di colle sintetiche.
• Legno lamellare: strati di lamelle giuntate tra di loro con le fibre parallele, incollate e sovrapposte. Ha delle caratteristiche meccaniche più costanti e omogenee.
• Sughero: corteccia della quercia da sughero. È impermeabile ai liquidi e ai gas. È un ottimo isolante di calore, elettricità e suono e ha un'elevata elasticità.

Materiali ceramici

Materiali ceramici sono solidi inorganici e non metallici: diamante e grafite (sono entrambe forme del carbonio), ossidi metallici: elementi metallici + C, N, S. Struttura cristallina: cristallino-vetrosa. Hanno scarsa conducibilità termica e elettrica e sono caratterizzati da fragilità.

Legami chimici e struttura

I materiali ceramici sono caratterizzati da:

• Legami primari: legame covalente (diamante), legame ionico
• Legami secondari: legame metallico (grafite)

I materiali ceramici sono suddivisi in tradizionali e avanzati, con quest'ultimi che presentano proprietà avanzate rispetto ai materiali ceramici tradizionali.

Materiali ceramici tradizionali

I materiali ceramici tradizionali sono costituiti da tre materie prime:

• Argilla (caolino argilla bianca): plasticità, lavorabilità (+acqua)
• Silice: refrattarietà (resistenza ad alte temperature), temperatura di fusione elevata, resistenza meccanica
• Feldspati: fondente (riesco a cuocerlo a temperature basse), temperatura di fusione bassa, fase vetrosa

È importante che nella composizione ci siano tutte e tre le materie prime, in quanto ognuna dà una proprietà aggiunta al materiale.

Il processo produttivo è differente da quello dei materiali metallici. Lavorazione dei materiali ceramici:

• Preparazione del minerale
• Ottenimento della miscela
• Formatura
• Deformazione plastica: pressatura, estrusione, colata a impasto umido o colaggio (con l’aggiunta di acqua si ottiene la barbottina. Lo stampo è poroso, riuscire ad assorbire un maggior quantitativo di acqua)
• Essiccamento: rimozione dell’acqua in eccesso attraverso cottura da 900 a 1450 gradi. In base alla temperatura e alla composizione dell’impasto si avranno diverse porosità e caratteristiche meccaniche nei materiali finiti. Vengono cotti in forni continui, dove si ha un incremento della temperatura graduale)
• Cottura: Vetrificazione
• Finitura
• Rivestimento e decorazione: con un materiale vetroso attraverso un successivo passaggio di cottura (bicottura), si ottengono superfici trasparenti o opache

Proprietà

• Densità bassa: 2 e 2,5 g/cm³
• Comportamento puramente elastico: puoi modellarla quanto vuoi prima della cottura
• Buone caratteristiche di resistenza a compressione
• Scarse caratteristiche di resistenza a trazione
• Materiali fragili
• Ottimi isolanti termici ed elettrici

I prodotti che si ottengono dai materiali ceramici tradizionali sono le ceramiche bianche, prodotti strutturali a base di argilla (mattoni, tegole), materiali refrattari (materiali che ben resistono alle alte temperature con buone proprietà strutturali), gli abrasivi e il cemento.

Materiali ceramici avanzati

Materiali che hanno proprietà avanzate rispetto a quelli tradizionali. Un materiale inorganico, non metallico principalmente cristallino, di composizione rigorosamente controllata, prodotto secondo dettagliate regole da materie prime purificate e/o caratterizzate in modo estremamente accurato e che presenta specifiche caratteristiche.

Il procedimento di produzione consiste nella sinterizzazione: Processo di densificazione di un compatto di polveri: rimozione della porosità tra le particelle di partenza, coalescenza e formazione di forti legami tra particelle adiacenti. I materiali ceramici avanzati di tipo strutturale presentano proprietà meccaniche opportune in condizioni operative impegnative (ambienti erosivi, corrosivi o ad elevata temperatura o dove sia richiesta un’elevata resistenza all’usura).

• Valvole dei rubinetti
• Coltelli da cucina ceramici
• Scarpe sportive chiodate
• Sfere nelle penne a sfera
• Componenti delle protesi

I materiali ceramici avanzati di tipo elettroceramico hanno buone proprietà elettriche e ferromagnetiche:

• Circuiti integrati e condensatori
• Materiali piezoelettrici
• Proprietà magnetiche
• Proprietà ottiche specifiche (luminescenza, laser)
• Cambiamenti delle proprietà ottiche stesse per effetto di campi elettrici

I materiali ceramici avanzati di tipo ottico hanno trasparenza e notevole resistenza all’attrito o alle alte temperature. Vengono utilizzati per i contenitori per lampade ad alta temperatura, finestre dei lettori dei codici a barre e pigmenti (colorazione rossa e oro).

Materiali metallici

Materiali metallici includono alluminio, argento, bronzo, ferro (acciaio), magnesio, mercurio, oro, ottone, piombo, rame, titanio, silicio, zinco. I materiali metallici sono materiali inorganici composti da elementi metallici. Sono caratterizzati dal legame metallico (elettroni liberi).

Proprietà

• Elevate caratteristiche meccaniche
• Deformabilità plastica
• Buone conducibilità termica
• Buone conducibilità elettrica
• Riflettività e lucentezza

Legame chimico e struttura cristallina

• Tutti i metalli a temperatura ambiente si presentano allo stato solido. Gli atomi sono disposti nello spazio in modo regolare, formando una struttura tridimensionale ordinata e ripetitiva chiamata reticolo cristallino.
• Gli elettroni si possono muovere facilmente tra i vari atomi del reticolo cristallino, formando quella che viene detta nuvola elettronica. La facilità di movimento degli elettroni determina le proprietà di conducibilità elettrica e termica dei metalli.
• Il legame tra gli atomi è il legame metallico (un legame forte). Ciò determina le elevate proprietà meccaniche. Il legame metallico è adirezionale e pertanto l’unico fattore che può determinare la formazione di un certo tipo di reticolo è...