Biomateriali

Scelta del materiale

Scienza dei materiali

Scienza che studia le relazioni esistenti tra la struttura dei materiali e le loro proprietà

Ingegneria dei materiali

Progettazione della struttura di un materiale per ottenere determinate proprietà

Tecnologia dei materiali

Studi sull’applicazione e dell'impiego dei materiali, con particolare riferimento a processi di produzione

Materia → Materiali → Applicazione → Proprietà → Scelta secondo criteri:

• industrialies: resistenza in serie
• economicies: rapporto qualità-prezzo
• socialies: riciclo

Scienza e tecnologia dei materiali

Scienza dei materiali

Struttura → Proprietà → Comportamento

LavorazioniServiziAmbiente

Struttura dei materiali

Tecniche di indagine

AFM

• Diffrazione e raggi X
• Analisi termica
• Cromatografia
• Spettroscopia

Struttura

• atomica o molecolare
• 10^-9 m n

Microscopia elettronica

Microscopia ottica

Prove empiriche

• Durezza
• Risposta
• Granitometria

Microstruttura

• 10^-6 m µ

Macrostruttura

• 10^-3 m
• visibile ad occhio nudo

Solidi e legami chimici

Legame covalente

Una coppia di elettroni viene messa in comune fra due atomi.

• legame forte e direzionale, compatto

Solidi covalenti

• energia di coesione elevata
• poco volatili
• elevate temperature di fusione
• duri e fragili
• insolubili nei comuni solventi
• isolanti

Legame ionico

Attrazione che si stabilisce per effetto delle cariche opposte di cationi e anioni.

Elettroni di valenza ceduti da un atomo all'altro.

• legame forte e adrizonale, non compatto

Solidi ionici

• energia di coesione molto elevata
• poco volatili
• elevate temperature di fusione
• duri, rigidi e fragili
• elevata solubilità in acqua
• scarsa conduttività allo stato solido

Legame metallico

Nube elettronica in cui sono immersi cationi in posizione reticolare.

• legame forte e adrizonale, compatto

Solidi metallici

• energia di coesione elevata
• poco volatili
• elevate temperature di fusione
• duttili e malleabili
• elevata conduttività elettrica e termica
• elevata densità (massimo compattamento spazio)

Legame a idrogeno

Atomo di idrogeno che si pone in ponte fra due atomi fortemente elettronegativi.

Solidi molecolari

• Non è la formazione di una formula elettronica
• energia di coesione bassa
• volatili
• basse temperature di fusione
• facilmente deformabili
• solubili in solventi con polarità similari
• isolanti elettrici

Legame dipolare

Attrazione fra dipoli elettrici di molecole polari.

BORDO DI GRANOPunti di incontro tra piani orientati diversamente in un policristallo

DIFETTO DI VOLUMEDIFETTO DI IMPIANTAMENTODEFINIZIONIMATERIALE OMOGENEOCostituito da una sola sostanza, oppure da più sostanze che nello stato solido formano una soluzione solida omogenea.

MATERIALE ETEROGENEOCostituito da componenti, insolubili tra loro che si distribuiscono nel sistema policristallino.

FASEPorzione fisicamente e chimicamente omogenea.

Proprietà meccaniche

PROPRIETÀ MECCANICHE

Descrivono il comportamento di un solido sottoposto all’applicazione di una forza → sollecitazione → deformazione

SFORZORapporto tra la forza e la superficie su cui agisceσ = F / A

TRAZIONE E COMPRESSIONE

TAGLIOFLESSIONETORSIONE

Unità di misuraPascal (1 Pa = 1N/m²)Da un punto di vista pratico si usa il MPa (10⁶Pa).

DEFORMAZIONEIn caso di sforzo di trazione e di compressioneε = (L - L₀) / L₀ = ΔL / L₀, dove L₀ è lunghezza del pezzo in direzione delle forze, prima della sua applicazione.L è lunghezza del pezzo in direzione delle forze, dopo la sua applicazione.

In caso di sforzo di taglioγ = tan θ, dove θ è l’angolo di taglio.

Durezza

Resistenza che la superficie oppone alla scalfittura, all'iterazione e alla deformazione plastica per compressione

- La durezza viene misurata per confronto tramite la scala di MOHS

Viscoelasticità

Scorrimento viscoelastico

Ad alta temperatura, il comportamento meccanico di ceramici e metalli dipende dalla temperatura e la deformazione è funzione del tempo

Materiali Viscoelastici

Materiali per cui il rapporto tensione-deformazione dipende dal tempo e l'energia meccanica è dissipata mediante conversione in calore

Modello di Voigt

ε(t) = _σ0/_E (1 - e^-t/λ)

dove λ = η/E tempo di ritardo

ε_recovery = ε₀ - ε₀ e^-t/λ

(> microderima)

Rilasciando il carico, il materiale recupera le dimensioni originali (creep recovery)

- Nel caso di viscoelastico la deformazione non viene recuperata del tutto

Metalli e ceramici

La temperatura a cui inizia lo scorrimento viscoso è tanto più alta quanto maggiore è la temperatura di fusione

Tipica per valori di T > 0,3 ÷ 0,5 T_f

Polimeri

A temperature maggiori di Tg, le catene di molecole si spostano uno dopo l'altro ed variano nel tempo

I polimeri o meno freddi per temperatura bassa e veloc T > Tg

Creep Primario

* Segue il movimento delle dislocazioni

* Entità del crocodilo riempie

Creep Secondario

* Rilassamento asintomo

* Ad esaurimento del numero di dislocazioni

Creep Terziario

* D’aumento delle velocità e rottura vista

* giunti di sezioni di audizione del stress indicativo del break di poro

GRANULOMETRIA

ANALISI GRANULOMETRICA MEDIANTE SETACCI

Si utilizzano setacci inglobati l'uno nell'altro con aperture decrescenti andando dall'alto verso il basso.

MODULO DI FINEZZA

Si ottiene sommando le percentuali cumulative trattenute per ogni setaccio e dividendole il risultato per 100.

GRANULOMETRIA LASER

• Non si usano setacci ma raggi fino ai 150μm.
• Si usa un rifrattore montato e si fanno delle immersioni più piccole rispetto alla granulometria laser.
• Un granulometro è dotato di una sorgente di luce monocromatica.
• Una parte, passando da polvere, diffrazione: in funzione della larghezza e profondità, arriva su un fotodiodo; il segnale è un'amplificazione elaborata.
• Forzando da una parte granulosità diffondendo la luce con angolo noto da aumento diametro delle particelle sulle particelle.

PROPRIETÀ TERMICHE

CONDUZIONE DI CALORE

Trasporto di energia termica fra due punti a temperatura diversa.

FLUSSO DI ENERGIA TERMICA

Energia che attraversa l'unità di superficie perpendicolare alla direzione del trasporto nell'unità di tempo.

• La conduttività termica è una proprietà specifica del materiale.
• Ighi isolant termici hanno valori molto bassi di K; bassa -> campo si utilizza per isolare strutture cellulari o pneumatici e altro.

CALORE SPECIFICO

Quantità di energia necessaria per elevare di un grado la temperatura di un kg di materiale.

DILATAZIONE TERMICA

All'aumentare della temperatura aumenta il valore medio della distanza interatomica -> dilatazione termica del materiale.

PROPRIETÀ OTTICHE

INDICE DI RIFRAZIONE

Rapporto tra la velocità della luce nel vuoto e nel mezzo.

RIFLETTANZA

Rapporto tra intensità della luce riflessa e l'intensità della luce incidente perpendicolarmente alla superficie.

TRASMITTANZA

Rapporto tra intensità della luce trasmessa e intensità della luce incidente perpendicolarmente alla superficie.