Appunti delle lezioni

RIA TEORICA DI COMBUSTIONE

F .............................................................................................................................................................................. 95

UMI

COMBUSTIBILI E LUBRIFICANTI ................................................................................................................................ 106

Z .................................................................................................................................................. 106

OLFO NEI COMBUSTIBILI

C ......................................................................................................................................... 106

OMBUSTIBILI SOLIDI NATURALI

C ........................................................................................................................................ 107

OMBUSTIBILI LIQUIDI NATURALI

ALTRI DIAGRAMMI DI STATO ................................................................................................................................... 163

DIAGRAMMI TTT E CCT ............................................................................................................................................ 166

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Scienza e Tecnologia dei Materiali

Introduzione

Per scienza dei materiali si intende la disciplina che studia le relazioni che esistono fra la struttura e le

proprietà dei materiali. Invece per ingegneria dei materiali si intende la progettazione o l'ingegnerizzazione

della struttura di un materiale, sulla base di queste correlazioni struttura-proprietà, per produrre un

predeterminato insieme di proprietà.

Struttura è un termine generico per indicare il tipo di composizione ed ordinamento degli elementi di base

che costituiscono un determinato dominio in cui si osserva; ad esempio se parliamo di struttura a livello

atomico intendiamo la disposizione relativa di molecole ed atomi, mentre se parliamo di struttura a livello

subatomico intendiamo la disposizione ed il tipo di interazione tra nuclei ed elettroni. Più

macroscopicamente, la struttura di un materiale è l’insieme di caratteristiche strutturali osservabili

attraverso uno studio con strumenti quali microscopi o, in modo ancor più macroscopico, lenti di

ingrandimento. Classificazione dei materiali

Classi di materiali

I materiali sono catalogati tradizionalmente in tre classi più i materiali compositi (unione di diversi),

fondamentalmente in base alla loro composizione chimica e struttura atomica.

Metalli: grazie alla presenza di un gran numero di elettroni delocalizzati, essi sono buoni conduttori di

elettricità e di calore; non sono trasparenti alla luce visibile (opachi) e la riflettono; sono abbastanza resistenti

(alto resistenziali) ma deformabili e duttili, dunque indicati per le applicazioni strutturali perché si piegano

prima di rompersi; resistono bene agli sbalzi termici; di norma sono allo stato cristallino e sono facilmente

lavorabili e preparabili per fusione, dando origine a leghe diverse.

Materiali ceramici: principalmente sono i composti fra elementi di transizione e comprendono i vetri, i

leganti, i cementi ed i minerali argillosi; tipicamente sono isolanti elettrici e termici, caratterizzati da altissima

resistenza all’usura ed altissima durezza ma anche da un’alta fragilità; alcuni sono refrattari e resistenti alle



alte temperature (alto punto di fusione vengono preparati per sintetizzazione e mai per fusione). Questa

classe comprende: i materiali ceramici avanzati, i quali sono combinazioni di metalli/semiconduttori ed

O/N/C/B, vale a dire ossidi, nitruri, carburi e boruri, difatti la maggior parte delle sostanze minerali

appartengono a questa categoria. I vetri, che se trattati termicamente diventano materiali vetroceramici.

Generalmente i vetri sono materiali amorfi, cioè senza una definita cella elementare, isolanti termici ed

elettrici, vengono preparati per fusione a partire da ossidi e sono lavorabili a caldo.

Materiali polimerici: ad esempio, plastiche e gomme; la maggior parte dei polimeri sono caratterizzati da

bassa densità, basso punto di fusione, capacità di isolare da calore e corrente elettrica, modesta resistenza

meccanica, differenti proprietà elastiche e possibilità di essere deformati plasticamente e riciclati

(termoplastici). Sono costituiti da composti organici naturali o sintetici, legati da legami di Van Der Waals e

legami idrogeno, possono essere preparati al momento dell’utilizzo (sono adesivi) e sono in genere lavorabili

meccanicamente. 5

Materiali compositi: sono sistemi eterogenei costituiti da una matrice di tipo ceramico, polimerico o metallico

in cui si trova dispersa una seconda fase (fase rinforzante), appositamente ingegnerizzati per ottenere

particolari proprietà. Ad esempio, la vetroresina è una matrice polimerica in cui si trovano fibre di vetro. Si

possono classificare in base alla matrice in compositi a matrice metallica/polimerica/ceramica (tra cui

compositi a matrice vetrosa o vetroceramica), oppure in base alla fase rinforzante in compositi rinforzati con

fibre (lunghe o corte) / con particelle.

I rinforzi metallici si utilizzano per aumentare la durezza dei materiali ceramici (ad esempio il calcestruzzo

armato, matrice ceramica con rinforzo metallico), i rinforzi di fibre di vetro o di carbonio si utilizzano per

aumentare la rigidità e la resistenza a trazione dei materiali polimerici (ad esempio lo pneumatico, matrice

polimerica in gomma con rinforzo metallico) e la matrice polimerica si utilizza per ridurre il peso di

componenti (ad esempio le vetroresine).

Confronto tra i materiali:

Metalli Ceramici Polimeri

Duttili Fragili Molto duttili

Conduttori Isolanti Isolanti

Scarsa resistenza chimica Eccellente resistenza chimica Buona resistenza chimica

Resistenza al calore variabile Resistenti al calore Molto poco resistenti al calore

Duri Durissimi Poco duri

Proprietà dei materiali

Le proprietà di un materiale sono l’insieme dei tipi di risposta del materiale in esame rispetto a specifici

stimoli ad esso imposti. In generale, le definizioni delle varie proprietà sono indipendenti dalla dimensione e

dalla forma del materiale stesso. Le proprietà dei materiali possono essere raggruppate in 6 categorie

principali:

Proprietà fisiche: densità + proprietà meccaniche;

Proprietà meccaniche: risposta alle sollecitazioni meccaniche, resistenza, rigidezza, modulo elastico, … ;

Proprietà termiche: collegate alla trasmissione del calore, alla capacità termica, espansione termica,

transizioni termiche, conduttività termica, … ;

Proprietà elettriche e magnetiche: risposta a campi elettrici e magnetici, conducibilità elettrica, … ;

Proprietà ottiche: assorbimento, trasmissione e diffusione della luce, … ;

Proprietà chimiche: composizione chimica, risposta al contatto con l’ambiente (proprietà superficiali,

resistenza alla corrosione, reattività chimica,…).

Classificazione dei materiali per tipo di legame

I materiali possono anche essere classificati in base alla loro struttura atomica. Infatti, molte proprietà dei

materiali dipendono dalla geometria della configurazione atomica interna, ad esempio il noto Carbonio nelle

due forme Grafite e Diamante. Avremo dunque solidi ionici (MgO, NaCl, gesso, …), solidi covalenti (polimeri,

diamante, grafite, carburi, nitruri di silicio) e solidi metallici (metalli puri e loro leghe).

Vedremo più avanti in questa trattazione che i materiali possono essere classificati anche secondo la loro

struttura (cristallina o amorfa), le loro proprietà o le loro applicazioni.

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Struttura atomica e legami interatomici

È importante studiare i legami chimici perché è da essi (dal tipo, direzionalità e forza) che derivano struttura

e proprietà dei materiali: temperatura di fusione, espansione termica, proprietà meccaniche, proprietà

elettriche. La temperatura di fusione, ad esempio, è direttamente proporzionale alla forza di legame.

Legame metallico e solidi metallici -

I materiali metallici (primi 2 gruppi della tavola periodica e loro leghe) presentano 1, 2 o 3 e di valenza, i quali

non sono legati ad un particolare atomo della struttura solida, bensì sono in grado di spostarsi all’interno (o

attraverso) l’intera struttura metallica. Si può pensare ad essi come un “mare” od un “gas” di elettroni di

valenza, che schermano e tengono unite le cariche positive (cioè i protoni e quindi i nuclei degli atomi di

metallo del corpo in oggetto). Il legame metallico è adirezionale.

Legame ionico e solidi ionici

Il legame ionico è il più semplice legame atomico da descrivere. Tipico dei materiali ceramici, esso è sempre

presente nei composti formati dall’unione di un elemento metallico ed uno non metallico: gli atomi metallici

cedono facilmente gli elettroni di valenza agli atomi non metallici, di conseguenza tutti gli atomi coinvolti nel

legame assumono la configurazione elettronica stabile dei gas nobili ed acquisiscono una carica (si ionizzano).

Le forze attrattive di questo legame hanno natura elettrostatica (forze Coulombiane), perché i due ioni hanno

carica opposta. Questo legame è adirezionale, ovvero l 'energia di legame è la stessa in tutte le possibili

direzioni intorno allo ione. Da questa circostanza deriva che una condizione necessaria alla stabilità di un

materiale ionico è che tutti i suoi ioni positivi debbano essere circondati nelle tre direzioni da ioni negativi e

viceversa.

Legame covalente e solidi covalenti

In questo tipo di legame, la configurazione elettronica stabile si ottiene grazie alla condivisione degli elettroni

di valenza da parte degli atomi. Difatti, gli elettroni condivisi appartengono ad entrambi gli atomi che

concorrono al legame. Esso è di tipo direzionale, dunque può esistere solo nella direzione congiungente gli

atomi partecipanti alla condivisione elettronica. Esempi di legami covalenti si vedono in: molecole di non

metalli, molecole di metalli e non metalli, solidi elementari (C-diamante, Si, Ge, …).

Legami secondari o di Van der Waals

Le forze presenti nei legami secondari derivano dall'esistenza di dipoli negli atomi o nelle molecole. Il legame

scaturisce dall'attrazione coulombiana tra l'estremità positiva di un dipolo e la regione negativa di un altro

dipolo adiacente. Non coinvolge trasferimenti di elettroni. Distinguiamo diversi meccanismi.

I legami a dipolo indotto fluttuante sono forze temporanee e fluttuanti che nascono per ristabilire la

geometria elettricamente simmetrica delle molecole. Esempio: gas inerti.

I legami a dipolo permanente sono forze che nascono dalla polarità delle molecole polari (dunque

permanenti) adiacenti. Un esempio di questo tipo di legami è il legame a idrogeno, che si tro