Scienza dei materiali parte I di V - Struttura cristallina

Materiali: scienza dei materiali

Studia le relazioni tra struttura, proprietà e modo in cui il materiale risponde alle sollecitazioni esterne e all'ambiente.

Proprietà

• Meccaniche: frattura, deformazione elastica, durezza, plastica reversibile della non parte, plasticità.
• Termiche: trasmissione, dilatazione del calore, capacità termica e conducibilità.
• Elettriche e magnetiche: risposta ai campi, suscettibilità magnetica.
• Ottiche: assorbimento, riflessione, trasmissione della luce.
• Chimiche: stabilità, reattività, resistenza alla corrosione.

Struttura

Struttura dei componenti interni: disposizione dei componenti.

Subatomica: elettroni all'interno degli atomi.

Atomica: atomi che formano molecole e cristalli.

Nano struttura: 100 particelle, nano nm osservabili.

Microstruttura: con il microscopio, alcuni 100 hm mm.

Macrostruttura: visibili a occhio nudo, i mm o m.

Ingegneria dei materiali

Ingegneria dei materiali: progettazione della struttura di un materiale in base alle proprietà.

Tecnologia dei materiali

Tecnologia dei materiali: riguarda gli aspetti applicativi, produttivi, trasformazione e studio dei processi dell'applicazione.

Classificazione dei materiali

Classificazione dei materiali secondo applicazioni, proprietà, tipo di legame chimico, microstruttura cristallina ordinata, amorfa disordinata.

Classificazione per applicazioni

• Strutturali: usati per sostenere un carico.
• Funzionali: sono più adatti a specifici, quindi a funzioni specifiche, elettronica, meccanica, energia, biomedicina, edilizia, alimentare.

Classificazione per proprietà

Metallici, ceramicii, vetri, polimeri metallici.

Materiali metallici

Materiali metallici: Al, Ni, Cu, Ti da più materiali metallici.

Composti da uno o più elementi di N 0, con eventuale aggiunta di alcuni non metallici, es C.

Due classi: ferrose e non ferrose.

• Metalli ferrosi: elevata quantità di ferro e leghe, acciai e ghisa.
• Metalli non ferrosi: ferro in nulle o poche quantità, leghe a base titanio e superleghe cobalto e cromo.

Proprietà dei metalli

Proprietà: struttura cristallina ordinata di norma, spesso policristallina.

Densità cm3 2.7 8, eccezione Pt 9 21.5.

Opacità alla luce, non trasparenza alla luce.

Lucentezza: riflettono bene la luce se la superficie è levigata.

Elevata resistenza meccanica, elevata rigidezza.

Duttilità: si piegano prima di rompersi.

Lavorabilità facile.

Conducibilità elettrica e termica, resistenza allo sbalzo termico.

Materiali ceramici

Materiali ceramici: materiali inorganici non metallici.

Ossidi: allumina Al203.

Carburi: SiC.

Nitruri: Si Nn.

Elementi puri: il diamante; possono essere anche come carbonio.

Possono essere ceramici cristallini, vetri amorfi, vetroceramici parzialmente cristallini.

Proprietà generali dei ceramici

Proprietà generali: densità cm3 5 93.

Hanno fragilità, non comportamento plastico, ma non facilmente vuol dire che si rompono di schianto.

Rigidezza, durezza, scarsa conducibilità termica ed elettrica, resistenza alle alte temperature e refrattarietà, inerzia chimica.

Proprietà dei vetri

Proprietà dei vetri: preparati per fusione e raffreddamento di ossidi, spesso SiO2, Na2O, CaO, Al203, K2O.

Amorfi, densità circa 2.5 g cm3.

Fragilità, rigidezza, durezza.

Lavorabili solo a caldo, la viscosità diminuisce in un intervallo interno.

Conducibilità termica ed elettrica scarsa.

Chimicamente inerti alla diffusione Ti.

Materiali polimerici

Materiali polimerici: sono materiali organici costituiti da reticoli o catene, cioè macromolecole organiche contenenti carbonio.

Sono generalmente non cristallini.

Proprietà: non sopportano alte temperature, isolanti termicamente ed elettricamente.

Resistenza meccanica poca.

Deformabili, alcuni lo sono plasticamente, la maggior parte termoindem, alcuni hanno proprietà elastiche, reati gomme.

Densità bassa, cm3 1 9.

Classificazione per tipo di legame chimico

• Solidi metallici: legame metallico non direzionale.
• Solidi ionici: attrazione elettrostatica tra cationi e anioni, non direzionale.
• Solidi covalenti: legame covalente direzionale.
• Solidi molecolari: legame intermolecolare debole.

Solido metallico

1 Gli elettroni di valenza non sono associati.

ÉIIà è: gli elettroni non sono attratti da uno specifico nucleo, ma da tutti indistintamente.

Gli elettroni sono liberi.

Proprietà del solido metallico

Dipendono dalla non direzionalità del legame e dall'esistenza di elettroni delocalizzati.

Alta densità atomica grazie al massimo impacchettamento degli atomi e al peso atomico degli elementi.

La forza di legame è variabile e dipende dalla configurazione elettronica degli elettroni di valenza.

Durezza: la resistenza all'indentazione dipende dalla forza di legame, anche dalla capacità di movimento degli atomi e dalla dislocazione.

Anche il punto di fusione e il coefficiente di espansione termica dipendono dalla forza di legame.

Temperatura di fusione: minore carattere metallico, minore elettroni di valenza, maggiore energia di legame, bassa T bassa fusione.

Orbitali d: aumenta il carattere covalente per l'ibridazione degli orbitali, aumenta l'energia di legame.

Orbitali d riempiti, più elettroni esterni, minori energie, This minori e diversa molto T è simile ma configurazione.

Gli orbitali d diminuisce perché più sono pieni, più sono quelli esterni legati meno, le minori sono T as.

Proprietà ottiche dei metalli

Opacità: gli elettroni interagiscono con tutte le radiazioni nel visibile, nel corto, sono molto vicini, tutte assorbite e non trasmesse.

Non vengono passate attraverso con distanza cadena radio.

Lucentezza: l'energia assorbita viene riemessa dalla superficie sotto forma di luce assorbita con la stessa di quella.

Proprietà elettriche dei metalli

Conducibilità elevata: elettroni delocalizzati possono essere messi in movimento anche da un basso potenziale.

Nei metalli puri è più facile che nelle leghe.

Proprietà meccaniche dei metalli

Malleabilità, plasticità e duttilità dovuta alla non direzionalità del legame chimico.

Dei cristallini, piani di scorrimento che mantengono le forze perché gli atomi sono tutti uguali, grazie al fatto all'equilibrio.

Solido ionico

Sono ioni diversi tra loro, cationi e anioni tornati.

1 NaCl, noi Cl Na: forza di legame colombiana forte.

Legame Cl noi Na Na Cl Na, TCI, ciNa, Nat Nat.

Proprietà dei solidi ionici

Legami ionici tra metalli molto elettropositivi ed elementi non metalli molto elettronegativi.

Interazione elettropositivi elettronegativi e 0: produzione di cationi e anioni.

Il raggio varia: NaCl, Na anione, catione.

Forze di legame dovute all'attrazione elettrostatica, stabilita grazie all'attrazione elettrostatica.

Cristallo elettricamente neutro.

Struttura influenzata dalle dimensioni relative tra catione re e anione ra.

Stabilità: tutti gli anioni devono essere in contatto con il catione.

Le formazioni molecolari non sono tutte possibili.

Instabile, stabile, limite anione catione diminuire.

Bisogna il numero di coordinazione.

Numeri di coordinazione

Numeri di coordinazione tipici per solidi ionici: dipendono dal rapporto tra i raggi.

• Lineare: numero 2, 0,155, anioni che toccano il catione centrale.
• Triangolare: 3, 0.155 0.225.
• Tetraedrica: 4, 0.414 0.225.
• Ottaedrica: 6, 0.414, comune per ceramici, re più 0.732.
• Cubica: 8, 0.732, ra 1.

Definiscono il grado di impacchettamento.

Proprietà fisiche dei solidi ionici

Elevati punti di fusione per la forza di legame.

Densità medio basse: il massimo impacchettamento non è possibile perché si deve garantire l'elettroneutralità, gli ioni si posizionano in disposizioni precise.

Temperatura di fusione diminuisce aumentando la dimensione e l'energia di legame.

Il punto di fusione anche: sono più lontani quindi il legame.

Aumentando gli elettroni aumenta il punto di fusione.

Proprietà elettriche dei solidi ionici

Buoni isolanti, gli elettroni sono impegnati nel legame chimico.

Conduttori solo allo stato liquido e in soluzione, separo cariche.

Proprietà ottiche dei solidi ionici

Non dotati di un colore proprio, trasparenti alla luce visibile.

La luce interagisce con il legame e viene assorbita solo restituendo alcune lunghezze d'onda.

Proprietà meccaniche dei solidi ionici

Più vicini sono gli ioni e maggiore è la durezza.

La durezza del legame cresce con il crescere del numero di ossidazione, quindi la carica è più forte.

Soggetti a frattura fragile.

Non può avere deformazione plastica perché dopo lo slittamento non c'è stabilità di cariche, ma repulsione.

28 0 è scambiati, 38 bivalenti è tutti scambiati nei anafora inversa varia molto simile aroma.

Solido covalente

Atomi tenuti insieme da legami covalenti forti, monotonici.

Esempi: quarzo, diamante, grafite, carbonio, SiC.

Covalente reticolare.

Diamante: durezza estrema, punto di fusione elevatissimo, conducibilità pessima.

Orbitali Sps, diamante e grafite.

Grafite: caso particolare, organizzazione in strati sovrapposti tenuti insieme da interazioni di Van der Waals, conceit der demoralizzati.

Facile sfaldabilità, usata come buon lubrificante.

Elettroni delocalizzati, numerosi orbitali spa, grafite, il conduttore.

Proprietà fisiche dei solidi covalenti

Elevati punti di fusione.

Densità bassa: il totale impacchettamento non può esistere solo per la direzionalità del legame, dovuto al fatto che gli orbitali si uniscono in orientazioni determinate.

Proprietà elettriche dei solidi covalenti

Conducibilità elettrica fortemente bassa, elettroni legati.

Proprietà ottiche dei solidi covalenti

Trasparenti, incolori: la radiazione passa attraverso il materiale e non interagisce con gli elettroni.

Proprietà meccaniche dei solidi covalenti

Elevata durezza.

Indeformabili, fragili: frattura direzionale e legame.

Affinità tra legame ionico e covalente

Affinità tra legame ionico e covalente: legami molto forti, elettroni localizzati.

Differenze ionico covalente: direzionale, non direzionale, forza minore, forza maggiore.

Gli elettroni appartenenti a singolo, trasferiti, condivisi tra un nucleo e più nuclei.

Legami misti

Il tipo di legame dipende dalla differenza di elettronegatività.

Se è molto alta si parla di legame ionico, Al203 covalente ionico.

Ceramici come GaAs, semiconduttori come Ge, 2nsesi, metallico covalente e metalli.

Ionico tra metallo e due composti che hanno una significativa differenza di elettronegatività, Narnia vita NICO come fc2e in FaetfcresTAaoqq.FII.

I legami misti hanno una componente ionica e una covalente.

Gli elettroni girano più intorno all'atomo elettronegativo anche per poco tempo, ma per definizione in mezzo ai due atomi incerta.

Ionico puro, polare, ti 014 32 3.281.

Percentuale di carattere ionico dei legami misti

Materiale, percentuale di carattere ionico dei legami misti: CaFe 89, prevale ionico.

MgO 73, NaCl 67, Al203 63, SiO2 51, Sismi 30, 2ns 18, SiC 12, prevale covalente.

Solidi molecolari

Sono rari allo stato solido, spesso gas.

Legati tra loro da legami intermolecolari deboli.

Esempi: Ar, H2O, O2, argon, ghiaccio.

Proprietà fisiche dei solidi molecolari

Punti di fusione e sublimazione bassi per la bassa forza di legame, calore di sublimazione e calore di dissociazione o fusione.

Il legame covalente tra atomi è molto più forte del legame tra molecole.

Proprietà meccaniche dei solidi molecolari

Durezza bassissima.

Proprietà ottiche ed elettriche dei solidi molecolari

Proprietà ottiche ed elettriche dai legami intramolecolari interni.