Chimica - parte 2 Materiali

Carattere ionico e covalente nei legami tra gli atomi

I valori approssimati delle percentuali di carattere ionico e covalente nei legami tra gli atomi in tali composti possono essere ottenuti valutando le differenze di elettronegatività fra i diversi tipi di atomi, presenti in questi composti.

Applicando l'equazione di Pauling per la determinazione della percentuale di carattere ionico quando il legame si rivela di tipo "misto":

-(0.25) (XA - XB) 2% = [1- e ] x 100

con XA e XB elettronegatività dell'elemento A e dell'elemento B.

La sequenza ordinata nello spazio di elementi metallici e non metallici in rapporto costante (ossidi, carburi, nitruri, ...) che si legano tra loro per formare reticoli cristallini costituiti da soli legami forti (legame ionico, legame covalente).

Esempi strutture cristalline:

- ossido di alluminio (Al2O3)

- ossido di zirconio (ZrO2)

- Allumina (Al2O3)

3+ 2- due ioni Al in posizione ottaedrica ogni tre ioni O portano distorsione della

• Possono formare anche strutture amorfe:
  • silicati
  • vetri

• Variano a seconda dei tipi di legame coinvolti e della loro percentuale
• In generale godono di:
  • durezza
  • elevata fragilità
  • bassa tenacità
  • duttilità bassa
  • resistenza a trazione bassa
  • resistenza a compressione elevata
  • buoni isolanti termici ed elettrici (elettroni vincolati nei legami)
  • alta temperatura di fusione (carattere refrattario)
  • elevata stabilità chimica (stabilità legami forti)

• I ceramici sono più resistenti termicamente e chimicamente dei metalli e dei polimeri
• Densità inferiore a molti metalli e leghe
• Sono caratterizzati da elevata porosità
• Le materie prime disponibili e poco costose
• Si lavora per deformazione plastica di sospensioni acquose o per...

compattazione di polveri.

Si consolidano per cottura.

modulo elastico elevato

comportamento fragile.

Materiali ceramici: proprietà termiche

I materiali ceramici devono le loro proprietà ai legami tra gli atomi che li compongono.

I composti con predominanza di uno dei due legami hanno in genere punto di fusione più alto.

I materiali ceramici hanno bassa conducibilità termica e bassi coefficienti di espansione.

Sono isolanti per applicazioni particolarmente "difficili" (alta T, ambiente chimicamente aggressivi).

Materiali ceramici: proprietà elettriche

Isolante: 3 4 -8

Poliestere: 10

Isolante: 7

Cu: 5 x 10

Conduttore: 22

YBa Cu O: 10

Superconduttore: 2 3 -4

Si: 3.3 x 10

Superconduttore

Materiali ceramici: classificazione

• Tradizionali
• Avanzati
• Cementi e leganti
• (Vetri)
• Rocce e minerali

Materiali ceramici tradizionali

• componenti principali:
• argilla
• silice
• feldspato

Argilla: conferisce lavorabilità e durezza

Silice: determina elevata resistenza a T e alto punto di fusione

Feldspato di potassio: produce la fase vetrosa quando il ceramico è cotto

Ceramici tradizionali: laterizi

• costituiti da argille comuni fusibili impastate con quarzo e carbonati e rappresentano il prodotto ceramico più diffuso
• abbondanza e reperibilità delle materie prime
• tecnologia di fabbricazione semplice e poco costosa
• facilità di trasporto
• versatilità e semplicità delle tecniche di posa

Ceramici avanzati

• Sono formati da composti puri o quasi puri (polveri con purezza > 99.9%)
• esempi:

1. ossido di alluminio (Al₂O₃) = allumina
2. ossido di zirconio (ZrO₂) = zirconia
3. carburo di silicio (SiC)
4. nitruro di silicio (Si₃N₄)

Ma anche materiali a base di solo carbonio:

• carbonio grafitico

Ceramici avanzati: impieghi

Carbonio grafitico:

• Grafite
• Arrangiamento ordinato di piani paralleli
• Struttura anisotropa
• Sotto sforzo di taglio → scorrimento dei piani → lubrificante

Difetti nei materiali ceramici:

• Carbonio turbostratico
• Caratterizzati da orientazione casuale dei cristalliti di grafite
• Alta resistenza all'usura
• Alta resistenza alla fatica meccanica

• Carbonio vetroso
• Struttura disordinata, vetroso
• "Carbone vetroso" = aspetto lucente, simile a quello di un vetro nero
• Fragile, con microporosità chiusa ed impermeabile ai gas
• Non graffitizzabile
• Trattamenti termici ad alta temperatura non modificano, se non in misura marginale, lo stato di disordine strutturale
• Densità relativamente bassa
• Isotropo
• Proprietà

Materiali ceramici – tecnologie

• Vengono utilizzate tecniche differenti da quelle utilizzate per i materiali metallici (e per i materiali polimerici)
• PB: alto punto di fusione (2000 – 4000°C)
• La lavorabilità è limitata a T ambiente (elevata durezza, fragilità).
• Non sono deformabili plasticamente a T ambiente (ad es. no stampaggio)
• macchine utensilio limitate solo alla finitura superficiale.

Formatura

• Requisiti:
• La forma ottenuta deve essere più prossima possibile alla forma desiderata.
• Ci deve essere massimo impaccamento delle particelle di polvere per garantire un elevato grado di consolidamento del green
• green = polvere debolmente legata (ma compatta)

Sintetizzazione

È un trattamento termico, con o senza applicazione di pressioni esterne, mediante il quale un sistema di particelle individuali o un corpo poroso modifica le sue proprietà evolvendo verso uno stato di

La crescita dei grani durante la sinterizzazione:

• La purezza e la dimensione dei grani possono influenzare la resistenza meccanica, la resistenza a fatica e la tenacità a rottura.

Produzione di una testa femorale in allumina:

• Elasticità - elasticità entalpica
• Materiali metallici, materiali ceramici, polimeri termoindurenti.

Frattura nei materiali ceramici:

• Composti covalenti:
  • Frattura fragile (separazione dei legami tra le coppie di elettroni, senza successiva riformazione).
• Composti ionici:
  • Coinvolge ioni di carica diversa.
  • I piani di scorrimento rimangono legati l'uno all'altro da forze secondarie durante il processo di scorrimento.

MATERIALI COMPOSITI

Definizioni:

• Materiale composito: sistema di materiali formato da una miscela o combinazione di due o più micro- o macro-costituenti che differiscono nella forma e, in generale, nella composizione chimica e che sono insolubili l'uno nell'altro.

Definizione (abbastanza