Scienza e tecnologia dei materiali

Classificazione materiali 1

Ci sono diversi modi per classificare i materiali, infatti è possibile dividerli per tipo di legame chimico in essi contenuto, secondo la struttura, cristallina o amorfa, nei diversi livelli di dettaglio, microscopica, subatomica, atomica, macro, secondo le proprietà e le applicazioni.

Struttura in base alla regolarità della disposizione degli atomi o degli ioni. Può essere cristallina: struttura ordinata con reticolo cristallino, la temperatura di fusione ben definita, detta congruente, materiale non trasparente, policristallino, tipica dei metalli e ceramici.

La struttura cristallina è una struttura i cui atomi, ioni, molecole che costituiscono il materiale si dispongono in maniera ordinata e periodica all'interno del reticolo e occupano delle posizioni fisse, può essere considerata un isotropa dal momento che le sue proprietà dipendono dalla direzione in cui si effettua la misura punto gli atomi delle strutture cristalline sono mantenuti ad una distanza di equilibrio dalle forze reciproche di attrazione e repulsione, se non vengono eccitati mantengono la loro posizione detta posizione di equilibrio. All'interno delle strutture cristalline si può determinare una cella unitaria la quale si ripete in maniera ordinata all'interno di tutta la struttura.

Amorfa: disordinata, gli ioni non sono in reticolo, tipica di vetri, polimeri amorfi, non c’è T di fusione ma si verifica un rammollimento in funzione della T, i legami non sono tutti della stessa entità, per questo non c è unica T, i legami si rompono in momenti diversi. Silice presenta entrambe le strutture, in cristallino si formano esagoni regolari nello spazio.

Semicrist: alcuni materiali come il polietilene presentano entrambe le strutture a seconda della posizione. Diversa struttura equivale a diverse proprietà, la diversa lavorazione influisce dunque sulle proprietà.

Classificazione materiali 2

• Proprietà meccaniche: deformazione elastica, plastica, carico massimo, frattura, risposta a sollecitazioni meccaniche.
• Termiche: legate alla trasmissione di Q, dilatazione e capacità termica.
• Elettr e magnet, ottiche: assorbimento, trasmissione, diffusione della luce.
• Chimiche: stabilità per contatto con ambiente, R alla corrosione, durabilità.

Legame chimico: in generale il legame atomico è l'interazione tra due atomi separati e progressivamente avvicinati, una volta diminuita la distanza ogni singolo atomo esercita sull'altro una forza che può essere di attrazione o di repulsione, la forza netta risultante è la somma di questi due contributi e se la forza netta è nulla allora il sistema e di conseguenza gli atomi sono in equilibrio. Le curve di Condon Morse plottano la F e d energia in funz della distanza interatomica.

Metallico è legame forte, gli e di valenza non sono legati ai singoli atomi, buoni conduttori, ma c’è mare di elettroni, è legame non direzionale cioè gli atomi non hanno legami preferenziali. Il legame metallico è proprio dei materiali metalli, che sono costituiti da atomi disposti in un cristallo perfetto, sono preparati per fusione e successivamente solidificati, presentano stato Solid a temperatura ambiente, danno origine a leghe, non sono trasparenti, presentano un' alta resistenza meccanica, sono duttili e tenaci, presentano inoltre una elevata resistenza alla temperatura e sono dei buoni conduttori dal momento che gli elettroni sono liberi.

Classificazione materiali 3

Ionico, avviene tra metallo e non, il met cede un elettrone caricandosi positivamente e prendendo il nome di catione, mentre il non metallo acquista un elettrone e si carica negativamente, prendendo il nome di anione e si crea una forza di tipo coulombiano, non dipende da orientazione delle cariche.

Questo tipo di legame avviene nei materiali ceramici e nei ceramici avanzati, che sono la combinazione di elementi metallici e non metallici, possono avere una struttura ordinata cristallina oppure disordinata, sono fragili e difficilmente lavorabili, sono rigidi e duri, ossia presentano una buona resistenza alla scalfitura, sono resistenti ad alte temperature e la temperatura di fusione è particolarmente alta, si preparano per sinterizzazione, ossia compattazione di polveri e cottura. Possono essere considerati materiali isolanti dal momento che gli elettroni sono poco liberi, infatti la conduzione termica nei ceramici e dovuta al moto dei fononi che è meno efficiente del moto degli elettroni, la conduzione elettrica anch'essa è bassa dal momento che e presente un alto gap.

Classificazione materiali 4

Covalente, ceramici avanzati, è direzionale ed esiste solo tra atomi specifici. Gli elettroni vengono condivisi tra gli atomi che si legano per raggiungere la configurazione stabile dell ottetto completo.

Van der Waals, polimerici, prevede l'interazione di di poliatomici come debole e fisico, cioè non coinvolge i trasferimenti di elettroni punto un dipolo è una separazione di carica all'interno di un atomo o una molecola e può essere di diverse entità, permanente, indotto da uno permanente. Tipico materiale che possiede legami secondari sono i polimeri, che sono costituiti da composti organici, preparati per sintesi, presentano una bassa densità, sono ben lavorabili, presentano una scarsa resistenza meccanica e termica e non conducono calore ed elettricità, infatti presentano una bassa conducibilità e dei pori virgola che riducono la conducibilità termica e presentano inoltre un elevato gap tra la banda di conduzione quella di valenza, riducendo la conducibilità elettrica.

Applicazioni funzionale, utile per conduzione, isolante. Ossidi, polimeri, metalli carburi, vetri. Strutturale, per sostenere. Metalli, ossidi, polimeri.

Proprietà meccaniche e termiche che dipendono da legame 1

Una divisione che caratterizza i materiali e quella del legame che intercorre tra gli atomi, ioni, molecole che compongono la loro struttura. In base ai legami un certo materiale e caratterizzato da proprietà meccaniche e termiche specifica, diverse da un materiale caratterizzato da altri legami. I legami possono essere: metallico è legame forte, gli e di valenza non sono legati ai singoli atomi, buoni conduttori, ma c’è mare di elettroni, è legame non direzionale cioè gli atomi non hanno legami preferenziali.

Il legame metallico è proprio dei materiali metalli, che sono costituiti da atomi disposti in un cristallo perfetto, sono preparati per fusione e successivamente solidificati, presentano stato Solid a temperatura ambiente, danno origine a leghe, non sono trasparenti, presentano un'alta resistenza meccanica, sono duttili e tenaci, presentano inoltre una elevata resistenza alla temperatura e sono dei buoni conduttori dal momento che gli elettroni sono liberi.

Ionico, avviene tra metallo e non, il met cede un elettrone caricandosi positivamente e prendendo il nome di catione, mentre il non metallo acquista un elettrone e si carica negativamente, prendendo il nome di anione e si crea una forza di tipo coulombiano, non dipende da orientazione delle cariche. Questo tipo di legame avviene nei materiali ceramici e nei ceramici avanzati, che sono la combinazione di elementi metallici e non metallici, possono avere una struttura ordinata cristallina oppure disordinata, sono fragili e difficilmente lavorabili, sono rigidi e duri, ossia presentano una buona resistenza alla scalfitura, sono resistenti ad alte temperature e la temperatura di fusione è particolarmente alta, si preparano per sinterizzazione, ossia compattazione di polveri e cottura.

Proprietà meccaniche e termiche che dipendono da legame 2

Possono essere considerati materiali isolanti dal momento che gli elettroni sono poco liberi, infatti la conduzione termica nei ceramici e dovuta al moto dei fononi che è meno efficiente del moto degli elettroni, la conduzione elettrica anch'essa è bassa dal momento che e presente un alto gap.

Covalente, ceramici avanzati, è direzionale ed esiste solo tra atomi specifici. Gli elettroni vengono condivisi tra gli atomi che si legano per raggiungere la configurazione stabile dell ottetto completo. Van der Waals, polimerici, prevede l'interazione di di poliatomici come debole e fisico, cioè non coinvolge i trasferimenti di elettroni. un dipolo è una separazione di carica all'interno di un atomo o una molecola e può essere di diverse entità, permanente, indotto da uno permanente.

Tipico materiale che possiede legami secondari sono i polimeri, che sono costituiti da composti organici, preparati per sintesi, presentano una bassa densità, sono ben lavorabili, presentano una scarsa resistenza meccanica e termica e non conducono calore ed elettricità, infatti presentano una bassa conducibilità e dei pori, che riducono la conducibilità termica e presentano inoltre un elevato gap tra la banda di conduzione quella di valenza, riducendo la conducibilità elettrica.

Deformazione e curve Condon Morse

Quando un materiale è sollecitato esternamente, questo oppone resistenza deformandosi. Le def. si dividono in reversibili, cessata la sollecitazione si torna alla conformazione iniziale, def elastica, irreversibili, def plastica. Tutti i tipi di materiali si deformano elasticamente ma si dividono in fragili, def.elastica fino a rottura, ceramici, poco tenaci, duttili, sia elastica sia plastica, mettalli, tenaci. Un materiale si dice fragile se si rompe sotto azioni esterne contenute, quindi poco R. Brittìle se si rompe solo dopo deformazioni elastiche, diamante.

La deformazione dipende da energia di legame, energia che tiene uniti atomi. Grazie alle curve di Condon-Morse si nota l’andamento dell’energia in funzione della distanza interatomica. Queste curve plottano la forza e l'energia in funzione della distanza Interatomica, servono a determinare la rigidezza e la dilatazione termica di un materiale, ma giustificano solamente la deformazione elastica.

Si parte con energia alta, scende rapidamente fino a raggiungere il valore E0 in a0, è il valore assunto dall’energia netta in corrispondenza del minimo ed è l’E minima per separare atomi infinitamente. Se azione esterna è una trazione ad un’azione di trazione corrisponde una reazione di attrazione, se separo gli atomi, il sistema reagisce con F attrattive per recuperare la distanza di eq, ci si sposta a dx di a0. Se l’azione esterna è una compressione avviene il contrario e ci si sposta a sx di a0.

Deformazione elastica 1

Si produce quindi un grafico che mette in relazione queste due grandezze, il quale nella prima parte si presenta come rettilineo e in corrispondenza del quale, nel caso il carico venisse rimosso, il provino ritornerebbe alla sua forma iniziale, subendo quindi una def.elstica. Nel tratto rettilineo virgola in cui il materiale subisce una deformazione elastica, vale la legge di Hooke: tutti i materiali allo stato solido seguono ciò che è stato detto in precedenza riguardo alla deformazione elastica e dunque hanno un campo di deformazione entro il quale hanno un comportamento elastico lineare, descritto dalla legge sigma=cost*epsilon, con cost costante di proporzionalità elastica. Per il calcolo della trazione o compressione si utilizza sigma=E*epsilon, con E modulo di Young, per il taglio invece tao=G*epsilon con G modulo di taglio.

Modulo di Young è tabulato in base ai materiali, dipende dalla loro struttura atomica e alla forza dei legami intermolecolari, ed è la misura della resistenza opposta alla separazione atomica, corrisponde al coeff.angolare della retta descritta prima, espressa in GPa, e inoltre proporzionale alla pendenza della curva che mette in relazione la forza con la distanza Inter atomica, infatti le deformazioni elastiche derivano dalla variazione delle distanze Inter atomiche una volta c'è stata la forza esterna gli atomi tornano alla loro posizione di equilibrio sotto le sole forze Inter atomiche. Serve a valutare la rigidezza di una struttura. Rigidezza resistenza che il materiale oppone alla sollecitazione elastica.

Deformazione elastica 2

Meccanismo atomico della def.elastica: queste deformazioni derivano dalla variazione delle distanze interatomiche all’interno del materiale, poiché l’applicazione di forze determina un allontanamento dalle posizioni di equilibrio, ma solo momentaneo poiché essendo una deformaz.elastica, una volta cessato lo sforzo, il sistema torna all’origine.

Ad un allungamento del provino corrisponde una contrazione perpendicolare, il rapporto tra queste due trasformazioni prende il nome di rapporto di Poisson nu, sempre minore dell’unità ma positivo grazie al – davanti al rapporto per tenere conto delle due diverse direzioni di deformazione.

Deformazione plastica

Se si supera il limite di deformabilità, si rompono alcuni legami e una volta cessato lo sforzo, solo parte della deformazione viene recuperata, mentre la restante diventa plastica e dunque permanente. Una volta che il carico supera lo sforzo di soglia, i materiali subiscono una deformazione permanente dovuta allo spostamento relativo degli atomi a causa della rottura e della riformazione di nuovi legami, una volta cessato lo sforzo la deformazione viene recuperata solo in parte, infatti il materiale subisce un tratto parallelo alla deformazione elastica in cui recupera la parte elastica, il resto della deformazione è da considerarsi plastica.

Su scala microscopica questa deformazione riguarda lo spostamento permanente di molti atomi all’interno del reticolo che provocano uno scorrimento relativo tra porzioni del cristallo stesso. In un cristallo perfetto quando avviene scorrimento di piani atomici si rompono numerosi legami forti e la resistenza è elevata. In uno reale invece se ne rompono meno poiché sono presenti le dislocazioni, serve dunque una minore sollecitazione.

Struttura cristallina

Struttura ordinata con reticolo cristallino, la temperatura di fusione ben definita, detta congruente, materiale non trasparente, policristallino, tipica dei metalli e ceramici. La struttura cristallina e una struttura i cui atomi, ioni, molecole che costituiscono il materiale si dispongono in maniera ordinata e periodica all'interno del reticolo e occupano delle posizioni fisse, può essere considerata un isotropa dal momento che le sue proprietà dipendono dalla direzione in cui si effettua la misura punto gli atomi delle strutture cristalline sono mantenuti ad una distanza di equilibrio dalle forze reciproche di attrazione e repulsione, se non vengono eccitati mantengono la loro posizione detta posizione di equilibrio. All'interno delle strutture cristalline si può determinare una cella unitaria la quale si ripete in maniera ordinata all'interno di tutta la struttura.

Le celle cristalline presentano dei parametri utili a definire univocamente una cella, questi parametri possono essere tre parametri di cella a,b,c che indicano le tre direzioni principali virgola e tre angoli di cella che invece individuano i tre angoli principali. I parametri di cella che valgono circa 0.1nm a Tamb e variano in funzione di T e dei carichi esterni, a 0K gli atomi sono fermi nella loro posizione di equilibrio, aumentando la T questi oscillano e causano dilatazione termica e fusione.

Un modo utile per studiare questi tipi di strutture è quello di rappresentare gli atomi come sfere rigide oppure tramite nodi reticolari, rappresentando la strutture come un reticolo con nodi, centri di equilibrio degli atomi, e filari, file di nodi nella stessa direzione. Esistono 7 modi in cui gli atomi/molecole/ioni si possono disporre, il più usato il cubico che presenta i parametri reticolari uguali. Oltre a queste 7 rappresentazioni primitive, ce ne sono altre 7 che pongono gli atomi anche al centro delle facce. In totale 14 e sono chiamati Reticoli di Bravais.

Struttura metalli 1

I materiali metallici, che sono costituiti da atomi disposti in un cristallo perfetto, sono preparati per fusione e successivamente solidificati, presentano stato Solid a temperatura ambiente, danno origine a leghe, non sono trasparenti, presentano un' alta resistenza meccanica, sono duttili e tenaci, presentano inoltre una elevata resistenza alla temperatura e sono dei buoni conduttori dal momento che gli elettroni sono liberi. I metalli sono materiali che si presentano opachi dal momento che la radiazione incidente eccita gli elettroni nei livelli di energia liberi oltre l'energia di fermi e tutte le frequenze vengono assorbite, nei metalli la banda di alte energie riempita solamente parzialmente.

Sono opachi e riflettenti. Essendo il legame metallico adirezionale, vi è la presenza di molti atomi e un alto grado di impacchettamento di atomi vicini. Fattore compattaz.atomica: rapporto tra volume atomi e quello della cella elementare.

Ci sono 3 strutture principali: CFC, cubica facce centrate, in cui sono presenti 6 atomi al centro delle 6 facce, ognuno dei quali conta ½ e 8 atomi ai vertici che conta 1/8, in totale 4 atomi per cella. Il fattore di compattazione atomica si ricava sapendo che la diagonale di una faccia è 4 raggi atomici ossia 4r=asqrt(2), a=4r/sqrt(2), fca=0.74, il 74% della cella è riempito di atomi, il restante 26% da spazi vuoti. La direzione a più alto impaccamento è diagonale del cubo.

Struttura metalli 2

CCC, cubica corpo centrato: atomo centrale che conta 1 e gli altri 8 ai vertici del cubo che contano 1/8 in totale 2 atomi per cella, Il numero di coordinazione è 8 perché atomo centrale tocca gli 8 esterni. Fca=0.68, il 68% occupato. La direzione a più alto impaccamento è diagonale del cubo.

ESC, esagonale compatta, struttura compatta, ogni cella ha 6 atomi e numero di coord=12. Densità lineare: rapporto tra numero di diametri atomici toccati da linea presa in esame e lunghezza della linea, per cfc2atomi/4r. D planare: rapporto tra area occupata da atomi i cui centri sono intersecati da piano preso in esame e area del piano scelto.

In ccc il piano diagonale del cubo che taglia 2 facce è quello a più elevata densità. In cfc il piano diagonale del cubo che taglia 3 facce è a max impaccamento. Interstizi spazi vuoti che si formano tra atomi di un reticolo cristal