Materiali per il design

F.

La trave è sollecitata da una forza P e da due reazioni vincolari

R1 ed R2 entrambe pari a P/2

La trave tende a flettersi e il punto di massima sollecitazione (in

cui eventualmente si romperebbe) è al centro in corrispondenza al

punto di applicazione di P -​ Azione interna assiale

è sempre nulla [N = 0]

-​ Azione interna taglio

ha intensità pari a metà della forza F [T = F/2] lungo tutta

l’asta, ma nel punto di applicazione della forza cambia

segno

-​ Azione interna momento è nulla negli appoggi e

assume valore crescente fino a raggiungere il massimo

al centro [Mmin = 0, Mmax = F·L/4]

-​ Azione interna momento M è particolarmente critica per l’integrità degli oggetti: è

importante sapere dove risulta massima e il valore che assume

-​ l punto in cui è massima la sollecitazione e in cui pertanto la mensola si romperà è al

centro (azione interna momento massima)

Deflessione 24

Trave su due appoggi con carico al centro

-​ La trave è sollecitata da una forza F e da due reazioni vincolari R1 ed R2

entrambe pari a F/2

-​ La trave tende a flettersi e il punto di massima sollecitazione (in cui

eventualmente si romperebbe) è al centro in corrispondenza al punto di

applicazione di F

Trave incastrata con carico all’estremo

Sull’asta agiscono:

-​ la forza verticale F diretta verso il basso applicata

all’estremità dell’asta

-​ una forza verticale di reazione diretta verso l’alto applicata

all’incastro, avente la stessa intensità della forza F

-​ un momento antiorario di reazione, avente intensità pari

alla forza F per la lunghezza dell’asta

In questo caso non vi è reazione vincolare orizzontale

Le azioni interne N, T ed M in questo caso valgono:

-​ Azione interna assiale è sempre nulla [N = 0]

-​ Azione interna taglio ha valore costante [T = F]

-​ Azione interna momento è nulla nel punto di applicazione della

forza ed è massima in prossimità dell’incastro, ove risulta pari al

valore della forza per la lunghezza dell’asta [Mmin = 0, Mmax =

F·L]

L’andamento dell’azione interna momento può essere meglio intuito se

immaginiamo la situazione con una asta incastrata caricata all’altra

estremità con una forza via via crescente: → Il punto in cui è massima la

sollecitazione e in cui pertanto l’asta si potrà rompere è in corrispondenza

dell’incastro (ove il momento è massimo).

La trave tende a flettersi e il punto di massima sollecitazione (in cui si

romperebbe) è nell’incastro La trave tende a flettersi e il punto di

massima deflessione è l’estremo a cui è applicata la F. 25

lex 9

Materiali ceramici

I materiali ceramici sono una classe molto ampia di materiali inorganici non metallici,

caratterizzati da una struttura cristallina o parzialmente cristallina, ottenuti da materie prime

inorganiche e consolidati mediante un processo di cottura.

Proprietà Generali

1.​ Resistenza chimica e termica superiore:

○​ I ceramici hanno una resistenza chimica e termica molto maggiore rispetto a

metalli e polimeri. Possono resistere a temperature elevate senza deformarsi

o deteriorarsi, il che li rende adatti per applicazioni in ambienti estremi.

2.​ Bassa densità:

○​ Hanno densità inferiore rispetto a molti metalli e leghe, il che li rende utili in

applicazioni in cui il peso è una considerazione importante.

3.​ Elevata porosità:

○​ I ceramici sono spesso caratterizzati da una certa porosità che può essere

utilizzata in applicazioni specifiche, come i filtri o i materiali per l'isolamento.

4.​ Materie prime economiche e facilmente reperibili:

○​ Le materie prime per la produzione di ceramici sono generalmente

abbondanti e poco costose, rendendo questi materiali relativamente

economici da produrre.

5.​ Tecnologia di lavorazione:

○​ I ceramici si lavorano principalmente per deformazione plastica di

sospensioni acquose o per compattazione di polveri. Successivamente, il

materiale viene consolidato tramite cottura ad alte temperature.

6.​ Elevato modulo elastico:

○​ I ceramici hanno un modulo elastico elevato, che significa che sono rigidi e

resistono alla deformazione elastica, ma, essendo fragili, non tollerano bene

carichi di compressione e urti.

7.​ Durabilità e fragilità:

○​ I materiali ceramici sono duri e resistenti all'usura, ma sono anche fragili, con

bassa tenacità e duttilità. Questo significa che tendono a fratturarsi facilmente

sotto stress meccanici, soprattutto quando sottoposti a tensioni di trazione.

I materiali ceramici sono caratterizzati da legami chimici forti, generalmente ionici e

covalenti:

●​ Legami covalenti e ionici: Entrambi sono molto forti, e questa caratteristica

conferisce ai ceramici le loro alte temperature di fusione. Inoltre, questi legami

rendono i ceramici ottimi isolanti elettrici e termici, in quanto non vi sono elettroni

liberi per la conduzione.​

●​ Assenza di elettroni di conduzione: Poiché gli elettroni di legame sono

completamente impegnati a riempire gli orbitali, i ceramici non conducono elettricità

né calore, il che li rende ottimi materiali per l'isolamento termico ed elettrico. 26

Composizione: generalmente composti da ossidi, ma possono includere anche altri

composti come:

●​ Ossidi: Come l'allumina (Al₂O₃), che è uno degli ossidi ceramici più comuni, noto per

la sua resistenza alla corrosione e durezza.

●​ Carburi: Come il carburo di silicio (SiC), utilizzato per la sua durezza e resistenza

all'usura.

●​ Nitruri: Come il nitruro di silicio (Si₃N₄), impiegato per la sua elevata resistenza

termica e meccanica.

●​ Boruri: Come il boruro di titanio (TiB₂), che offre una notevole resistenza alla

corrosione e all'usura.

I materiali ceramici, grazie alla loro resistenza chimica e termica, bassa densità e la capacità

di agire come isolanti, sono fondamentali per una vasta gamma di applicazioni, dalla

produzione di utensili e dispositivi elettronici a materiali da costruzione e prodotti estetici

come il porcellanato. La loro fragilità, tuttavia, limita il loro utilizzo in contesti che richiedono

materiali più duttili o resistenti agli urti. La capacità di essere lavorati a freddo e consolidati

tramite cottura ad alte temperature li rende anche molto versatili, sebbene le loro proprietà

siano fortemente influenzate dalla composizione chimica e dalla lavorazione.

Struttura chimica

Le proprietà distintive dei materiali ceramici derivano dalla loro struttura chimica e dai tipi

di legami tra gli atomi:

●​ Legami forti: La combinazione di legami covalenti e/o ionici conferisce ai materiali

ceramici un punto di fusione molto elevato.

●​ Composti con predominanza di un tipo di legame: I materiali con legami covalenti

predominanti tendono ad avere punti di fusione più alti rispetto a quelli con legami

ionici prevalenti, a causa della maggiore energia necessaria per rompere i legami.

Proprietà Meccaniche

1.​ Fragilità:

○​ I materiali ceramici sono fragili e si rompono senza subire deformazione

plastica significativa.

○​ Questo comportamento è legato alla rapida formazione e propagazione di

cricche sotto stress, che portano a una frattura catastrofica.

2.​ Resistenza allo sforzo:​

La resistenza dei ceramici varia in base al tipo di sforzo applicato:

■​ Elevata resistenza in compressione: I materiali ceramici sopportano

molto bene carichi compressivi, rendendoli ideali per applicazioni

strutturali statiche.

■​ Bassa resistenza a trazione e flessione: La presenza di

microcricche o difetti superficiali rende i ceramici più deboli quando

sottoposti a sforzi di trazione o flessione. 27

Proprietà Termiche

1.​ Bassa conducibilità termica:

○​ I materiali ceramici sono eccellenti isolanti termici, grazie all'assenza di

elettroni liberi per la conduzione di calore.

2.​ Bassi coefficienti di espansione termica:

○​ La scarsa espansione termica consente loro di mantenere stabilità

dimensionale anche a temperature elevate.

3.​ Resistenza a temperature elevate e ambienti aggressivi:​

L'alto punto di fusione e l'elevata resistenza chimica rendono i ceramici insostituibili

come isolanti per applicazioni in condizioni particolarmente difficili:

■​ Alte temperature.

■​ Ambienti chimicamente aggressivi.

I materiali ceramici rappresentano una scelta ideale per applicazioni strutturali e isolanti,

soprattutto in ambienti estremi. Tuttavia, la loro fragilità e la scarsa resistenza a trazione e

flessione ne limitano l’uso in situazioni che richiedono materiali più duttili o resilienti.

Classificazione dei Materiali Ceramici

1.​ Ceramici Tradizionali Materiali derivati da materie prime naturali e prodotti con

tecnologie di formatura e cottura relativamente semplici.

○​ Applicazioni comuni:

■​ Ceramiche bianche (porcellane, sanitari, piatti).

■​ Prodotti strutturali: Laterizi (mattoni), tegole, piastrelle.

■​ Refrattari: Materiali resistenti a temperature elevate.

■​ Abrasivi: Mole, carte abrasive.

■​ Cemento: Leganti idraulici usati in edilizia.

2.​ Ceramici Avanzati Materiali tecnologicamente sofisticati per applicazioni industriali,

mediche, elettroniche o aerospaziali (non approfonditi nel testo fornito).

Costituenti Principali dei Ceramici Tradizionali

1.​ Argilla:

○​ Caolino (2SiO₂ · Al₂O₃ · 2H₂O):

■​ Conferisce plasticità all'impasto.

■​ Le argille pure cuociono bianche (più pregiate), mentre quelle impure

contengono ossidi di ferro e danno una colorazione rossastra.

○​ Proprietà: Abbondanti, economiche, e idroplastiche (miscelate con acqua

formano una massa lavorabile). 28

2.​ Silice:

○​ Ruolo: Componente refrattario con alta temperatura di fusione.

○​ Effetti: Limita ritiri e deformazioni durante la cottura.

3.​ Feldspato:

○​ Ruolo: Riduce la temperatura di sinterizzazione creando una fase vetrosa

che lega i componenti refrattari.

○​ Effetti: Contribuisce alla densità e compattezza della struttura ceramica.

Classificazione Basata sulla Microstruttura

1.​ Pasta Porosa:

○​ Struttura con grani separati da pori e interstizi.

○​ Tipico di materiali meno compatti.

2.​ Pasta Compatta:

○​ Vuoti riempiti da una fase vetrosa formata durante la cottura.

○​ Porcellane:

■​ Composizione: Caolino (pasta bianca), quarzo (traslucenza), feldspati