Riassunti di Materiali non metallici e criteri di selezione dei materiali

A.A. 2020-2021, Padova Unipd

Riassunti di lezione di Materiali non metallici e Criteri di selezione dei materiali

Lezioni tenute dal Professore Enrico Bernardo

Sommario

• 1 Materiali ceramici ..................................................................................................................... 9
• 1.1 Introduzione ai materiali ceramici .................................................................................... 9
• 1.1.1 Definizioni e classi fondamentali ............................................................................. 9
• 1.1.2 Struttura dei materiali ceramici ................................................................................ 9
• 1.1.3 Strutture covalenti .................................................................................................. 10
• 1.1.4 Strutture ioniche ..................................................................................................... 11
• 1.1.5 Silice ....................................................................................................................... 15
• 1.2 Correlazione struttura-proprietà nei ceramici ................................................................. 16
• 1.2.1 Silicati ..................................................................................................................... 16
• 1.2.2 I difetti nei ceramici ................................................................................................ 17
• 1.2.3 Riflessi della struttura sul comportamento meccanico ........................................... 20
• 1.3 Mobilità e dilatazione atomica ....................................................................................... 20
• 1.3.1 La diffusione ........................................................................................................... 20
• 1.3.2 La dilatazione termica ............................................................................................ 22
• 1.4 Il processo ceramico ....................................................................................................... 23
• 1.4.1 Introduzione ............................................................................................................ 23
• 1.4.2 I meccanismi di sinterizzazione .............................................................................. 23
• 1.5 I materiali ceramici tradizionali ...................................................................................... 26
• 1.5.1 Materie prime ......................................................................................................... 26
• 1.5.2 Tecnologia dei materiali ceramici tradizionali ....................................................... 28
• 1.5.3 La formatura dei ceramici avanzati ........................................................................ 29
• 1.6 I refrattari ........................................................................................................................ 30
• 1.6.1 Generalità ............................................................................................................... 30
• 1.6.2 Generalità dei materiali refrattari ........................................................................... 31
• 1.7 I vetri inorganici ............................................................................................................. 34
• 1.7.1 Introduzione ............................................................................................................ 34
• 1.7.2 La viscosità ............................................................................................................. 34
• 1.7.3 Definizione generale di vetro e identificazione dei vetri inorganici ....................... 36
• 1.7.4 Proprietà del vetro .................................................................................................. 39
• 1.8 I prodotti vetrari ingegneristici ...................................................................................... 39
• 1.8.1 Introduzione: le proprietà meccaniche del vetro .................................................... 39
• 1.8.2 I prodotti vetrari ..................................................................................................... 41
• 1.9 La frattura fragile ........................................................................................................... 42
• 1.9.1 Modalità di frattura dei materiali ........................................................................... 42
• 1.9.2 Meccanica della frattura ......................................................................................... 45
• 1.9.3 Progettazione in funzione della frattura fragile di un recipiente cilindrico a pressione45
• 1.10 I materiali ceramici avanzati .......................................................................................... 46
• 1.10.1 Definizione ............................................................................................................. 46
• 1.10.2 Ceramici avanzati ionici: l’allumina () ..................................................... 46
• 1.10.3 La zirconia () ................................................................................................ 47
• 1.10.4 Il carburo di silicio .......................................................................................... 49
• 1.10.5 Il nitruro di silicio e i ceramici .................................................... 50
• 1.11 Controllo della frattura fragile ....................................................................................... 51
• 1.11.1 Interpretazione del fattore di intensità di sforzo .................................................... 51
• 1.11.2 Il proof-test ............................................................................................................. 52
• 1.11.3 Aggiornamento della meccanica della frattura ...................................................... 52
• 1.11.4 L’approccio statistico progettazione con i materiali fragili ................................. 53
• 2 Materiali polimerici ............................................................................................................... 55
• 2.1 Struttura dei materiali polimerici ................................................................................... 55
• 2.1.1 Generalità ............................................................................................................... 55
• 2.1.2 Grado di polimerizzazione e peso molecolare ....................................................... 56
• 2.1.3 Forma di una macromolecola lineare ..................................................................... 56
• 2.1.4 Cenni ai processi di polimerizzazione.................................................................... 57
• 2.1.5 I materiali polimerici allo stato solido ................................................................... 59
• 2.2 I principali tipi di materiale polimerico ......................................................................... 62
• 2.2.1 Polimeri termoplastici ............................................................................................ 62
• 2.2.2 Polimeri per applicazioni oltre 100 °C ................................................................... 66
• 2.2.3 Polimeri termoindurenti .......................................................................................... 66
• 2.3 Proprietà meccaniche dei polimeri ................................................................................. 68
• 2.3.1 Generalità ............................................................................................................... 68
• 2.3.2 Il comportamento meccanico degli elastomeri ....................................................... 70
• 2.3.3 Il meccanismo dell’elasticità degli elastomeri ........................................................ 72
• 2.4 Il creep dei materiali polimerici ....................................................................................... 72
• 2.4.1 Creep e rilassamento .............................................................................................. 72
• 2.4.2 Modelli viscoelastici ............................................................................................... 73
• 2.4.3 Variazione della rigidità con la temperatura ........................................................... 77
• 2.5 Tecnologia dei materiali polimerici ................................................................................ 79
• 2.5.1 Introduzione ............................................................................................................ 79
• 2.5.2 Stampaggio per colata ............................................................................................ 79
• 2.5.3 Estrusione ............................................................................................................... 80
• 2.5.4 Stampaggio per soffiatura ....................................................................................... 80
• 2.5.5 Fabbricazione di contenitori ................................................................................... 81
• 2.5.6 Stampaggio ad iniezione ......................................................................................... 82
• 2.5.7 Stampaggio rotazionale .......................................................................................... 83
• 2.5.8 Stampaggio per compressione e per trasferimento ................................................. 83
• 2.5.9 Calandratura ........................................................................................................... 84
• 2.5.10 Termoformatura ...................................................................................................... 84
• 3 Materiali compositi ................................................................................................................. 87
• 3.1 Caratteristiche generali dei materiali compositi ............................................................. 87
• 3.1.1 Definizione ............................................................................................................. 87
• 3.1.2 Le fasi in un materiale composito ........................................................................... 87
• 3.1.3 Compositi rinforzati con particelle ......................................................................... 88
• 3.1.4 Compositi rinforzati con fibre ................................................................................ 88
• 3.2 Elementi di meccanica dei materiali compositi .............................................................. 91
• 3.2.1 Elasticità dei compositi a rinforzo non direzionale ................................................ 91
• 3.3 Fibre e matrici ................................................................................................................ 91
• 3.3.1 La relazione fibre-matrici e la resistenza meccanica ............................................. 91
• 3.3.2 Generalità delle fibre più comuni ........................................................................... 94
• 3.4 I processi produttivi dei materiali compositi .................................................................. 96
• 3.4.1 Compositi a matrice polimerica ............................................................................. 96
• 3.4.2 Cenni ai compositi a matrice metallica .................................................................. 98
• 3.4.3 Cenni di compositi a matrice ceramica .................................................................. 98
• 3.5 I leganti .......................................................................................................................... 98
• 3.5.1 I leganti “storici” .................................................................................................... 98
• 3.5.2 I primi leganti idraulici .......................................................................................... 99
• 3.5.3 Il calcestruzzo moderno ....................................................................................... 100
• 4 I grafici di proprietà dei materiali ........................................................................................ 105
• 4.1 I grafici di proprietà dei materiali ................................................................................ 105
• 4.1.1 Introduzione alla selezione dei materiali: il contributo dei materiali nella prestazione di un componente ................................................................................................................. 105
• 4.1.2 Scale lineari e logaritmiche: la convenzione di rappresentazione ........................ 106
• 4.1.3 Grafici “mono-proprietà” e “bi-proprietà” ........................................................... 106
• 4.1.4 Selezione grafica di materiali attraverso indici di prestazione ............................. 108
• 4.2 Ottimizzazioni massa-rigidezza ................................................................................... 110
• 4.2.1 Rigidezza estensionale: tiranti ............................................................................. 112
• 4.2.2 Rigidezza flessionale: barre, pannelli e puntoni .................................................. 112
• 4.2.3 Casi di studio ........................................................................................................ 115
• 4.3 Ottimizzazioni massa-resistenza .................................................................................. 117
• 4.3.1 Definizione dei dati di resistenza ......................................................................... 117
• 4.3.2 Resistenza di tiranti .............................................................................................. 117
• 4.3.3 Resistenza a flessione: barre, pannelli e puntoni.................................................. 117
• 4.3.4 Casi di studio ........................................................................................................ 120
• 4.4 Casi di studio di resistenza e rigidezza avanzati .......................................................... 122
• 4.4.1 Ottimizzazione di recipienti in pressione ............................................................. 122
• 4.4.2 Pannelli ad alta efficienza ..................................................................................... 125
• 4.5 Selezione con due obiettivi convergenti, parte 1 .......................................................... 126
• 4.5.1 Introduzione: ottimizzazione di due proprietà espresse dalla stessa grandezza ... 126
• 4.5.2 Casi di studio di ottimizzazione della massa in funzione sia della rigidezza che della resistenza 127
• 4.6 Selezione con due obiettivi convergenti, parte 2 .......................................................... 129
• 4.6.1 Grafici indice-indice ............................................................................................. 129
• 4.6.2 Recipienti a pressione leggeri: progettazione in funzione della dimensione dei difetti132
• 4.7 Selezione con obiettivi in conflitto reciproco ............................................................... 132
• 4.7.1 Grafici di “trade-off” (compromesso) .................................................................. 132
• 4.7.2 Diagramma di compromesso applicato al packaging ........................................... 135
• 4.8 Selezione con obiettivi molteplici ................................................................................ 136
• 4.8.1 Funzioni di penalizzazione generalizzata ............................................................. 136
• 4.8.2 Dimensionamento dei fattori peso: confronto binario (digital logic) ................... 137
• 4.8.3 Funzione di prestazione generalizzata .................................................................. 138
• 4.8.4 Normalizzazione a posteriori ................................................................................ 138
• 4.9 Selezione di materiale e forma, parte 1 ........................................................................ 139
• 4.9.1 Ottimizzazione delle prestazioni attraverso la forma geometrica ......................... 139
• 4.9.2 Fattore di forma per problemi di rigidezza ........................................................... 139
• 4.9.3 Fattore di forma e nuovo indice di prestazione per problemi di resistenza .......... 141
• 4.10 Selezione di materiale e forma, parte 2 ........................................................................ 143
• 4.10.1 Selezione grafica con coordinate virtuali ............................................................. 144
• 4.10.2 I diagrammi a quattro quadranti ........................................................................... 145
• 4.10.3 Miglioramento dell’efficienza di pannelli attraverso formatura ........................... 149
• 4.10.4 Riduzione della rigidezza attraverso la forma: ”disaccoppiamento” tra prestazione assiale e prestazione flessionale ........................................................................................... 150
• 4.11 Selezione applicata ai materiali compositi ................................................................... 151
• 4.11.1 Definizione e rappresentazione di equazioni costitutive ...................................... 151
• 4.11.2 Studio grafico dell’efficienza di rinforzo ............................................................. 152
• 4.11.3 Strutture cellulari ad alta efficienza ..................................................................... 155

1 Materiali ceramici

1.1 Introduzione ai materiali ceramici

1.1.1 Definizioni e classi fondamentali

Un materiale ceramico è un qualsiasi solido inorganico e non metallico, ottenuto attraverso un processo ad alte temperature, generalmente caratterizzato da fragilità, da durezza e da elevata stabilità chimica.

I materiali ceramici possono essere suddivisi in:

• Materiali ceramici tradizionali: prodotti basati su argille.
• Vetri: solidi a struttura amorfa a base di silice ( ).2
• Materiali ceramici ingegneristici: materiali per applicazioni strutturali.
• Materiali cementizi: leganti per sabbia, ghiaia, elementi in laterizio.
• Materiali ceramici naturali: rocce e minerali.

Tutti i materiali ceramici hanno una caratteristica fondamentale in comune: sono intrinsecamente fragili, e la loro fragilità condiziona il modo in cui essi sono utilizzati.

Spesso questi tipi di materiale sono interessanti per la grande rigidità e la grande durezza.

La gran parte dei ceramici è riconducibile a composti tra ossigeno, carbonio e azoto con metalli e metalloidi come alluminio e silicio.

1.1.2 Struttura dei materiali ceramici