Appunti di tecnologia dei materiali e chimica applicata

SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI

• Ogni materiale garantisce la conoscenza di base sulla scienza dei materiali che consente il tecnico nella lavorazione dei materiali.

MATERIALI:

Materia prima resa funzionale tramite opportune lavorazioni e trasformazioni, si possono classificare in base a:

• Stato fisico: solido/liquido/gassoso
• Ordine: amorfi ➔ cristallini
• Funzione: strutturale, sensoristica, ottica
• Costituenti: metallici, ceramici, polimerici, compositi o elettronici.

MATERIALI METALLICI:

• Sostanze inorganiche che composto da uno o più elementi metallici o possono contenere anche elementi non metallici. Hanno struttura cristallina con disposizione spaziale regolare degli atomi. Sono buoni conduttori termici/elettrici, sono generalmente resistenti alle sollecitazioni meccaniche, duttili e resistenti anche ad alte temperature.
• Leghe metalliche sono combinazioni di due o più metalli o metalli e non metalli e si suddividono in:
• Metalli e leghe ferrose: contengono grandi percentuali di ferro, come acciaio e ghisa.
• Metalli e leghe non ferrose: non contengono ferro o lo contengono in piccola quantità, come alluminio, rame, zinco, titanio e nichel.

MATERIALI POLIMERICI

• Materiali formati da lunghi atomi
• Buoni isolanti elettrici
• Duttilità e resistenza meccanica variano notevolmente da un materiale all'altro
• Hanno basse temperature di decomposizione e fusione
• Esempi sono polietilene e PVC. La loro struttura è in genere non cristallina.

MATERIALI CERAMICI

• Materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente.
• Possono essere cristallini o parzialmente cristallini.
• Sono duri ma fragili e resistenti alle alte temperature.
• Hanno buone proprietà isolanti e ottima resistenza al calore.
• Esempi sono ottenuti dalla cottura dell'argilla e dal vetro.

MATERIALI COMPOSITI

• Sono formati dall'unione di due o più materiali.
• In genere i compositi consistono di un elemento di rinforzo e di una matrice con esso compatibile, legati talvolta per avere caratteristiche e proprietà utili e particolari.
• I componenti dei materiali compositi non si 'dissolvono' uno nell'altro ma può essere individuato facilmente un'interfaccia tra i due più costituiti.
• I compositi più diffusi sono:
  • Fibrosi: fibra annegato in una matrice.
  • Particellati: particelle annegato in una matrice.

Esempi sono materiali costituiti da fibra di vetro in matrice di resina poliestere e fibre di carbonio in matrice di resina epossidica.

MATERIALI PER ELETTRONICA

• Materiali usati in elettronica e microelettronica.
• Il più importante materiale è il silicio puro che viene opportunamente trattato.
• Importante è anche l'arseniuro di gallio.

STATO SOLIDO

• Lo stato solido è uno stato di aggregazione della materia in cui i costituenti sono legati da interazioni attrattive sufficientemente forti da prevalere sull'energia dei moti termici.
• Possono avere struttura ordinata (solidi cristallini) o disordinata (solidi amorfi).
• Le particelle che costituiscono un solido oscillano attorno a posizioni di equilibrio che nel loro insieme definiscono il reticolo cristallino del solido.
• I solidi cristallini in genere sono anisotropi, ossia le loro proprietà fisiche variano in base alla direzione considerata, mentre i solidi amorfi sono isotropi.

I solidi cristallini possono essere classificati in base al tipo di legame che trattiene i costituenti nell'edificio cristallino in solidi molecolari, solidi covalenti, solidi ionici e solidi metallici.

Solidi Molecolari

Sono costituiti da molecole discrete de bolate da forze intermolecolari. La loro struttura dipende dall'intensità e direzionalità delle forze intermolecolari. In genere sono molto teneri e hanno bassi punti di fusione e facilmente deformabili. Un esempio di solido molecolare è il ghiaccio in cui agiscono i legami a idrogeno, che rompono e sono mobili al di sotto della loro temperature di fusione. L'ossigeno solido e l'azoto solido, le loro proprietà sono in gran parte dovute alla debolezza delle forze intermolecolari, legami secondari molto più deboli dei legami primari.

SISTEMI DI RIFERIMENTO NELLE CELLE

POSIZIONE

Per individuare la posizione di un atomo in una cella elementare cubica si utilizza un sistema di assi ortogonali x,y,z con origine un vertice del cubo il cui lato assuma lunghezza unitaria. La posizione di un punto su un modello cubico sarà dunque determinata da una terna (x,y,z) tale che x,y,z ≤ 1.

Nel caso esagonale si considera il centro di una base del prisma esagonale; dal centro della base si fanno partire 3 assi a₁, a₂, a₃ inclinati di 120° l’uno dall’altro giacenti sul piano della base, e paralleli un asse c perpendicolare a tutti e 3 gli assi a₁, a₂, a₃ e parallelo all’altezza del prisma. L’unità di misura lungo a₁, a₂, a₃ è la lunghezza del lato dell’esagono, l’unità di misura lungo c è l’altezza del prisma. Pertanto un atomo in una cella esagonale è individuato da una quaterna (q,r,s,c) tale che q,r,s,c ≤ 1.

DIREZIONE

In una cella cubica una direzione è indicata da un vettore geometrico tracciato dall’origine del terna x,y,z di cui si riportano le componenti rispetto ad ognuno della terna esso ridotte agli interi più piccoli con la notazione [u,v,w], in cui u, v, e w sono gli indici del comporarsi del vettore ridotto agli interi più piccoli, rispettivamente rispetto a x, y, z. Se un indice è negativo allora si denota con un trattino sopra. Indici dello stesso ordine sono cristallograficamente equivalenti. Se la distanza tra gli atomi lungo ogni direzione è identica, si indica con chiamandole famiglie di direzioni equivalenti. Le direzioni cristallograficamente equivalenti nel caso esagonale sono comporre i vettori delle direzioni rispetto a ognuno dei quattro assi coordinati ridotte agli interi più piccoli e sono indicate come 〈u v t w〉.

Configurazioni di coordinazione

• Cubica (N.C. 8) > 0,732
• Ottaedrica (N.C. 6) > 0,414
• Tetraedrica (N.C. 4) > 0,225
• Triangolare (N.C. 3) > 0,155

Posizioni interstiziali

Tra gli atomi o ioni che sono raggruppati in un reticolo di una struttura cristallina vi sono degli spazi liberi, detti interstizi, nei quali possono essere sistemati atomi o ioni diversi da quelli del reticolo principale. Nelle strutture compatte CFC e EC vi sono due tipi di posizioni interstiziali: ottaedriche e tetraedriche.

La posizione ottaedrica è quella dell’interstizio al centro di sei atomi che si toccano l’uno con l’altro i cui centri formano un ottaedro. La posizione tetraedrica è al centro di 4 atomi che si toccano l’un altro i cui centri sono vertici di un tetraedro.

Nei reticoli CFC le posizioni ottaedriche sono in posizione al centro delle celle elementari e al centro degli spigoli del cubo.

Nei reticoli CFC le posizioni tetraedriche sono collocati in posizione rappresentativo ( /sub>1/4