Appunti Tecnologia dei materiali

TECNOLOGIA

DEI

MATERIALI

MATERIALE: Aggregato di atomi o molecole, avente specifiche proprietà chimiche, fisiche e meccaniche, utilizzato per la

realizzazione di oggetti.

BIOMATERIALE: Sostanza sistematicamente e farmacologicamente inerte, progettata per l’impianto in sistemi viventi. La protesi non

solo sostituisce ma può anche servire per curare. Un materiale per il quale si prevede un’interfaccia con i sistemi biologici al fine di

valutare, trattare, migliorare o sostituire qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo umano.

BIOCOMPATIBILITÀ: Capacità di un materiale di comportarsi con una risposta appropriata del sistema ospite in una specifica

applicazione, quindi capacità di un biomateriale di svolgere la sua funzione desiderata rispetto a una terapia medica, senza suscitare

effetti locali (es. rush cutanei) o sistemici (allergie) indesiderati nel ricevente o beneficiario di tale terapia, ma generando la risposta

cellulare o tissutale benefica piu appropriata in quella specifica situazione, e ottimizzando le prestazioni clinicamente rilevanti di tale

terapia

-non deve far male

-dovrebbe far sì che l’organismo risponda nel modo desiderato

un’interazione

Il contatto del biomateriale con l’organismo dà luogo a tra i due i cui effetti possono verificarsi sia sul materiale (es.

corrosione) sia sull’organismo stesso (es. morte della cellula).

I biomateriali possono essere classificati in base all’interazione con l’organismo:

→

-Biotossico il tessuto a contatto con il materiale perde vitalità e muore

→

-Bioinerte l’organismo forma un tessuto proteico fibroso (sacca proteica) di spessore variabile attorno al materiale

facilita interazione con tessuto biologico

ßs →

-Bioattivo si ha la formazione di una interfaccia con connessioni tissutali tra materiale e tessuto biologico

→

-Biodegradabile l’organismo è in grado di degradare il materiale, i cui prodotti devono essere non tossici, e di sostituire

gradualmente il materiale

Tecnologia dei Materiali: conoscenza applicata dei materiali per la loro conversione in prodotti

(ad es., sulla base della correlazione struttura-proprietà di un materiale è possibile progettare la sua struttura per avere proprietà

desiderate) Tecnologia dei materiali

Scienza dei materiali s (Può richiedere nuovi materiali

(Insieme dei materiali L dalla scienza)

e caratteristiche) Proprietà r

n

L V

Composizione Struttura

e

chimica )

Dal Progetto al Prodotto

1. Progetto: 2. Scelta dei materiali 3. Tecnologie di lavorazione (operazioni

- necessità di immettere sul mercato Possono esistere più materiali disponibili primarie e secondarie per produrre il pezzo

l’oggetto da progettare per un dato prodotto. finito, ed eventuale assemblaggio) Possono

- requisiti La scelta può dipendere da: esistere più tecnologie disponibili.

- utilizzatori - requisiti del prodotto (<—> La scelta può dipendere da:

- costo finale caratteristiche del materiale) - materiale

- forma e dimensioni - forma e dimensioni - forma e dimensioni

- tecnologie di produzione - costo finale del prodotto

- costo finale del prodotto

Materiali metallici Materiali ceramici Materiali polimerici

• Atomi: metallici con possibile • Atomi: metallici e non • Atomi: non metallici (materiale

aggiunta di atomi non metallici metallici (materiale inorganico) organico)

(materiale inorganico)

a • Proprietà: • Proprietà:

• Proprietà: - elevata durezza

usiamo

non - bassa densità ( leggerezza)

→

termune - duttilità attitudine a

in

iaiterie - fragilità - resistenza meccanica bassa

plastiche deformarsi plasticamente

.

cconeensorã - elevata rigidezza - bassa rigidezza

additivi - buona resistenza meccanica

autra ) - isolanti elettrici e termici - isolanti elettrici e termici

- buona rigidezza - resistenti ad alta T - duttilità; fragilità

- buoni conduttori elettrici e • Tecnologie di lavorazione: - influenza della temperatura

termici - formatura di polveri (ceramici • Tecnologie di lavorazione:

• Tecnologie di lavorazione: tradizionali e avanzati) con - riscaldamento, formatura e

- deformazione plastica ( x successiva cottura raffreddamento (termoplastici)

duttilità ) -da fusione o rammollimento - riscaldamento, formatura e

- fonderia reazione chimica (termoindurenti)

- metallurgia delle polveri Proprietà fisiche

Proprietà meccaniche Densità

Modulo di elasticità Proprietà termiche

Resistenza allo snervamento, Proprietà elettriche

alla trazione Proprietà magnetiche

Tenacità alla frattura

densità: massa per unità di volume (ro= m/V) Proprietà ottiche

Resistenza a fatica

modulo elastico: misura della resistenza opposta ad una Resistenza allo scorrimento

deformazione temporanea Proprietà tecnologiche

viscoso

conduttività elettrica: misura della facilità di conduzione della corrente Deformabilità a caldo e a

Resistenza alla fatica termica

elettrica freddo

Proprietà di superficie

conduttività termica: misura della facilità di conduzione del calore Lavorabilità alle macchine

Resistenza alla corrosione

coefficiente di espansione termica: misura della variazione di utensili

Resistenza all’ossidazione

lunghezza al variare della temperatura Colabilità

Resistenza all’usura

temperatura di fusione: temperatura di passaggio da solido a liquido Saldabilità

Rugosità

STRUTTURA ATOMICA

Gli atomi sono costituiti da un nucleo dove sono presenti protoni e neutroni , il nucleo atomico é circondato da elettroni con massa

ancora più piccola che hanno carica negativa, uguale e contraria a quella dei protoni .

La scala tra nucleo e atomo é 1:10000

Gli elettroni sono disposti su orbitali elettronici (regioni dello spazio in cui vi è un’alta probabilità di trovare l’elettrone) e possono avere

solo specifici valori dell’energia (le energie degli elettroni sono quantizzate).

Elettroni di valenza: elettroni che occupano gli orbitali più esterni

Non tutti gli elettroni possono stare negli stessi orbitali, ma in ciascuno possono stare due elettroni con un numero quantico di spin

diverso.

Molte delle proprietà dei materiali dipendono dalle forze interatomiche, gli atomi tendono a interagire per formare aggregati la cui energia

è più bassa di quella degli atomi separati. Dove si viene a formare il legame chimico noi otteniamo qualcosa che non è necessariamente

uguale a quello dei costituenti. Gli aggregati così formati hanno proprietà chimiche caratteristiche differenti da quelle degli atomi

costituenti.

Esiste un valore della distanza per cui la somma delle forze si annulla ovvero si bilanciano, allora si crea legame tra gli atomi, si ha di

conseguenza una situazione di equilibrio.

=>Minimo della curva di potenziale allora condizione di equilibrio stabile

Energia di legame: energia che deve essere fornita per separare i due atomi e portarli a una distanza infinita

L’energia di legame e la forma della curva E = E(r) dipendono dal tipo di legame

La distanza di legame è una distanza di equilibrio, gli atomi non stanno congelati ma vibrano e oscillano intorno alle posizioni di

equilibrio.

Relazione tra alcune proprietà macroscopiche e legame atomico

Modulo elastico: misura della resistenza opposta ad una deformazione temporanea <—> misura della resistenza alla separazione di

atomi adiacenti

-> Forza del legame interatomico (Ftot = F(r))

Coefficiente di espansione termica: misura della variazione di lunghezza al variare della temperatura

<—>aumento della distanza media tra gli atomi all’aumentare della temperatura

->Variazione dell’energia con la distanza interatomica E = E(r)

Temperatura di fusione: temperatura di passaggio da solido a liquido <—>energia necessaria per rompere i legami

->Energia di legame

LEGAME ATOMICO

legami forti o primari legami deboli o secondari

Distinguiamo i come il legame ionico, covalente e metallico, e i come il legame di van

der waals (o dipolare) e quello a idrogeno.

Legame ionico

Si instaura tra atomi con bassa energia di ionizzazione (es. metalli alcalini) e atomi con alta affinità elettronica (es. alogeni). Gli atomi

con bassa energia di ionizzazione tendono a cedere gli elettroni agli atomi con alta affinità elettronica, di conseguenza abbiamo la

formazione di ioni positivi e negativi

È un legame di tipo elettrostatico ovvero ciascun ione è legato a tutti gli ioni di segno opposto da forze coulombiane

(non ci sono elettroni liberi) -> è un legame non direzionale , ovvero la forza del legame è la stessa in tutte le direzioni.

Esempio : NaCl

La dimensione relativa degli ioni positivi (cationi) e degli ioni negativi (anioni) influenza le geometrie che si possono ottenere

Avere diversa geometria condiziona quanti

atomi occupano un’unità di volume , ovvero la

densità.

Quantità maggiore o minore di spazio vuoto, ho

un impaccamento di sfere che comunque mi da

uno spazio vuoto .

Proprietà meccaniche dei solidi ionici

I vincoli sulla struttura condizionano il comportamento meccanico poiché quando vado a deformare un materiale, sposto i piani di atomi o

meglio i piani di ioni. Spostare equivale a far cambiare di posizione gli ioni, se si sposta di una posizione può avvicinarci e interagire con

uno ione dello stesso segno. Quando ioni dello stesso segno vengono a contatto essi si respingono quindi il materiale si rompe. Se mi

muovo invece sulla linea blu, mi trovo in una situaIone per cui faccio scorrere l’uno rispetto all’altro i piani formati da ioni dello stesso

segno, e lo fanno tranquillamente perché lo ione positivo e quello negativo sono sempre a contatto, il legame si rompe e si riforma.

Proprietà

Energie di legame (Eo) alte e temperature di fusione (Tfus) alte, non ci sono elettroni liberi quindi il materiale è isolante

Caratteristiche

Alta energia di legame, alta temperatura di fusione, isolante elettrico e termico, bassa densità, duro e fragile

Legame covalente

Si instaura tra atomi che hanno valori circa uguali di affinità elettroni e potenziale di ionizzazione (circa la stessa tendenza a cedere e

prendere elettroni)

Gli elettroni di valenza sono condivisi dai due nuclei, disponendosi su orbitali comuni ai due atomi

Non si realizza però uno spostamento permanente di carica, ovvero non si formano ioni)=> non trasferiscono stabilmente uno o più

elettroni, ma tendono a essere condivisi tra i due nuclei.

Si formano gli orbitali molecolari, se essi hanno una forma simmetrica le cose ci vanno molto bene altrimenti le cose si complicano

Per far sì che gli orbitali si fondano la loro energia deve essere più o meno dello stesso ordine, quindi devono avere :

-energie dello stesso ordine

-massima sovrapposizione

-stesse caratteristiche di simmetria

È un legame direzionale

Se il legame viene rotto, si può riformare con grande difficoltà, devono esserci determinate geometrie e gli atomi devono stare in

determinate posizioni

Proprietà legame

Energie di legame (Eo) e temperature di fusione (Tfus)

Caratteristiche

Alta energia di legame, alta temperatura di fusione, isolante elettrico e termico, bassa densità, duro e fragile.

Legame metallico

Gli atomi sono così vicini che gli elettroni di valenza sono attratti dai nuclei degli atomi vicini, gli elettroni di valenza sono debolmente

legati agli ioni positivi e possono muoversi facilmente nel cristallo.

Schematizzazione: ioni positivi circondati da un “gas” di elettroni liberi, ovvero gli elettroni liberi fanno da schermo agli ioni.

È un legame non direzionale,

=> alta deformabilità: gli ioni possono scorrere l’uno sull’altro senza distruggere completamente il legame.

A causa della presenza di elettroni liberi ho un’alta conducibilità elettrica e termica.

Proprietà

Energie di legame (Eo) e temperature di fusione (Tfus) abbastanza alte, conduttori elettrici e termici,

alta densità, duttile.

Legame di van der Waals (o dipolare)

Gli atomi sono globalmente neutri (hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni) e normalmente hanno una distribuzione simmetrica di

cariche elettriche. In particolari circostanze è possibile che la distribuzione spaziale delle cariche positive e negative diventi asimmetrica

-> si crea un dipolo

Distribuzioni asimmetriche di cariche possono essere presenti anche in molecole.

Il legame di van der waals intercorre tra atomi o molecole che hanno carattere dipolare: i dipoli elettrici interagiscono tra loro attraverso

forze di tipo elettrostatico.

È relativamente debole infatti ha un’energia di legame di circa 10 kJ/mole

Legame idrogeno più forte)

(mediamente

Un atomo di idrogeno, presente in un legame covalente causa una distribuzione asimmetrica permanente di carica. L’atomo di idrogeno

interagisce con atomi elettronegativi (O,N,F,Cl).

Caratteristiche dei materiali (per entrambi i legami deboli:

- bassa energia di legame

- bassa temperatura di fusione - isolante elettrico e termico

- bassa densità

Metalli=> legame metallico , in esso gli elettroni fanno da collante e da schemi perciò ho a che fare con densità elevata, ovvero tanti

atomi e poco spazio vuoto, ed è quindi un tipo di legame forte. La presenza di elettroni liberi ha effetto sulla conducibilità elettrica e

termica. Inoltre presentano la capacità di deformarsi plasticamente prima di arrivare a rottura.

Ceramici=> legame ionico o covalente. In essi ho atomi di metalli e non metalli, in presenza di ossidi, nitruri e carburi, gli atomi

metallici cedono elettroni a atomi non metallici. È un legame non direzionale come quello metallico, che condiziona la sistemazione

degli ioni nello spazio (vincolo spaziale), condiziona densitá che risulta bassa perché ioni devono stare in una certa posizione,

temperature di fusione alte, è considerato un legame forte, non ci sono elettroni liberi allora ho materiale che è isolante sia dal punto

di vista termico che elettrico.

Polimeri=> legame covalente (intramolecolare) e van der waals (intermolecolare)

Legame covalente: situazione in cui non c’è tendenza a prendere e cedere elettroni, elettroni vengono ospitati in orbitali comuni (che

si chiamano molecolari) e questo condiziona la direzione in cui si riesce a sviluppare il legame (legame direzionale), gli elettroni non si

possono muovere allora isolanti termici e elettrici.

Abbiamo fatto classificazione rigida, possiamo avere anche situazione con legami con caratteristiche intermedie, come il legame tra atomi

di ossigeno e silicio.

Strutture condizionate dalla posizione degli ioni=> legami fragili

I polimeri sono costituiti da unità ripetute che formano catene, che hanno come ossatura gli atomi di carbonio, legati tra loro con legami

covalenti ovvero legami forti, ma non hanno alta energia di legame.

I lunghi fili sono legati da forze di van der wals ovvero legame debole, ci vuole quindi poca forza per romperlo, allora il modulo di elasticità

è basso, basta anche poco calore per far scorrere le catene le une rispetto alle altre. L’energia di legame è bassa e questo si riflette nel

coefficiente di espansione termica che è elevato a causa dei legami dipolari.

I polimeri sono fatti dunque da lunghe catene date dalle singole unità (il monomero è l’etilene e lo ripeto tante volte ottenendo la catena,

un polimero è fatto di tante catene più o meno aggrovigliate.

Le catene hanno legame covalente fra le singole unità, ma quello che lega una catena ad un’altra è un legame debole => possono

scorrere le une rispetti alle altre.

La presenza di un legame dipolare rende i materiali estremamente sensibili alla temperatura.

Le proprietà dei materiali dipendono da come sono legati tra loro gli atomi presenti all’interno del materiale.

Legame chimico-> le specie che derivano hanno proprietà chimico-fisiche caratteristiche e differenti da quelle degli atomi costituenti

Le proprietà di un composto sono definite dalla composizione, dal tipo di legame chimico presente tra gli atomi e dalla posizione degli

atomi nello spazio.

Isomerismo-> stessa composizione ma diversa struttura

CRISTALLO: gli atomi sono disposti in modo regolare e periodico nello spazio per una distanza molto maggiore della distanza

interatomica (ordine lungo raggio) (distanza interatomica ~ 10-10 m)

Per ogni cristallo si può individuare una cella elementare, che ne definisce la geometria e la posizione degli atomi. Nella realtà gli atomi

oscillano rispetto alle posizioni di equilibrio, in realtà tanto più è alta la temperatura più tendono a muoversi.

Reticoli di Bravais

I sistemi cristallini sono 7: cubico, tetragonale, ortorombico, romboedrico, esagonale, monoclino e triclino.

Ho 4 tipi di disposizione di atomi: semplice, a corpo centrato, a facce centrate, a basi centrate.

Cristallo cubico a corpo centrato: ho un atomo aggiuntivo al centro del cubo, consentono maggiore impaccamento degli atomi e mi

permette di abbassare l’energia del sistema, è favorito dal punto di vista termodinamico. Il 68% della struttura è occupato dagli atomi

altrimenti è vuoto.

Cristallo cubico a facce centrate: é una struttura ancora più compatta, al centro di ciascuna faccia ho un atomo aggiuntivo che mi

permette di avere massimo impacchettamento di atomi tutti della stessa dimensione. PF=0,74

Cristallo esagonale compatto: altra struttura ad alto impacchettamento, è la struttura ad esempio del titanio, del cobalto e del magnesio,

anche qui PE=0.74.

Strutture cristalline dei materiali ceramici:

• Solidi ionici: disposizione degli atomi determinata da : dimensione relativa