Biomateriali

MATERIALI

I materiali sono un aggregato di atomi o molecole in grado di opporre un’adeguata reazione a

stimoli chimici, fisici e a sollecitazioni meccaniche per consentirne l’impiego per la

realizzazione di oggetti, componenti e strutture.

In base alla struttura chimica, la struttura a livello atomico, come sono legati e organizzati gli

atomi tra loro:

Metallici

 Ceramici (e vetri)

 Polimerici (e materiali naturali)

 Materiali compositi



La proprietà di un materiale non è legata solo all’elemento, ma anche alla struttura, possono

avere forme allotropiche differenti (es. Carbonio nello stesso stato elementare si presenta come

diamante e come grafite)

Le proprietà dei materiali dipendono dalla loro microstruttura, che dipende sia dalla

composizione e dall’organizzazione atomica e molecolare, che dai trattamenti fisici e chimici

che ha subito il materiale durante la sua fabbricazione e trasformazione. Inoltre, la

microstruttura subisce delle modificazioni durante l’utilizzo e l’esercizio del materiale, allora

ne risultano modificate anche le sue proprietà

I processi di fabbricazione e i trattamenti di modifica possono differire da un oggetto all’altro e

questo può portare ad avere due oggetti uguali ma con proprietà differenti.

Proprietà macroscopiche (considera il comportamento del materiale nel suo insieme)

Isotropo: reazioni uguali all’applicazione della stessa sollecitazione, proprietà uguali in tutte le

anisotropo)

direzioni (altrimenti è

Le proprietà dei materiali vengono studiate sperimentalmente con appositi campioni,

rappresentativi dell’insieme del materiale, considerando tutte le variabili e le condizioni.

Proprietà microscopiche (proprietà microstrutturali del materiale)

A livello microscopico la struttura dei legami è influenzata da:

Natura dei legami tra gli atomi, da cui nasce la forza dei legami, e le molecole e

 mobilita elettroni, legame metallico

Dimensioni molecole: polimeri, generalmente sono monodimensionali, in una direzione

 si hanno legami importanti, in altre direzioni non sono importanti

Disposizione spaziale: il carbonio che in base a come si dispongono i legami forma il

 diamante o la grafite

Presenza di difetti: soprattutto per i sistemi di tipo metallico



Legami chimici:

Forti: legame ionico, legame covalente, legame metallico

Deboli: ponte a idrogeno, van der Waals

STRUTTURA DEI MATERIALI

Gli atomi e le molecole possono disporsi in modo piu o meno ordinato, la materia puo assumere

diverse forme strutturali che dipendono dalla disposizione degli atomi o delle molecole nello

spazio.

A seconda del grado di ordine degli elementi possiamo avere una struttura:

Cristallina: cella

disposizione ordinata e ripetitiva tridimensionale della

●

elementare, unità strutturale minima che descrive il sistema, poiché la sua ripetizione

nelle tre dimensioni dello spazio può generare l’intero reticolo (la materia si costruisce

con un numero limitato di strutture di base).

I legami che tengono insieme i cristalli sono legami forti con elevate caratteristiche

meccaniche, per questo motivo è prevedibile un’elevata resistenza alle sollecitazioni.

(es. metalli ceramici). Possono essere isotrope o anisotrope

Semicristallina: coabitazione delle due strutture in base alla zona (es. polimeri

●

semicristallini, hanno parte delle molecole disposte in modo ordinato e parte in modo

disordinato)

Amorfa: disposizione disordinata simile a quella dei liquidi. I legami all’interno

●

delle molecole sono forti, mentre sono deboli tra molecole. Le caratteristiche

meccaniche sono inferiori rispetto a quelle delle strutture cristalline. Sono sempre

anisotrope, perché ho una disposizione disordinata.

Tali strutture possono presentare dei difetti che sono molto importanti nel determinare le

caratteristiche finali.

Proprieta: resistenza meccanica, rigidezza, lavorabilita, conducibilita elettrica e termica,

densita...

Classificazione dei solidi in base ai legami:

Solidi metallici, che hanno legami metallici: determinati dalla messa in

 compartecipazione degli elettroni esterni tra tutti gli elementi metallici attigui, sono

legami forti adimensionali

Solidi covalenti, che hanno legami covalenti: sono direzionali, cioè orientati nello

 spazio.

L’aggregato di atomi tenuti insieme da legami covalenti costituisce una molecola e se il

macromolecola polimero

numero di atomi coinvolti è molto elevate si parla di o

Solidi ionici, che hanno legami ionici: sono adirezionali e si distribuiscono

 uniformemente nello spazio, anioni e cationi si dispongono gli uni attorno agli altri a

formare strutture spaziali solide. solidi

Aggregati di atomi tenuti insieme sia da legami covalenti che da legami ionici:

ceramici. I composti stabili finali non sono molecole

Solidi molecolari, che hanno legami deboli (legami di tipo elettrostatico), sono di tipo

 intermolecolare o intramolecolare: legame a idrogeno, attrazioni dipolo-dipolo, legami

di Van der Waals, che si manifestano solo a distanza molto ravvicinata

Classificazione in base alle classi di materiali:

MATERIALI METALLICI

Sono materiali inorganici composti da un elemento metallico o da piu elementi metallici o non

metallici. Sono allo stato di solidi cristallini a temperatura ambiente.

Grazie al legame metallico, che prevede una nuvola di elettroni, abbiamo una mobilita degli

elettroni

MATERIALI POLIMERICI (POLIMERI ORGANICI)

Materiali organici composti da lunghe catene molecolari (macromolecole), formate per la

maggior parte da atomi di carbonio legati ad altri elementi (H, O, Cl, S). Gli elettroni di

legame sono impegnati nei legami, quindi generalmente sono ottimi isolanti elettrici e termici.

Inoltre, cristallizzano con difficoltà ed hanno proprietà fisiche molto diverse tra loro.

MATERIALI CERAMICI

Materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici legati chimicamente tra

loro, attraverso legami ionici e covalenti. Gli elettroni di legame sono impegnati a riempire gli

orbitali e non sono propensi a muoversi liberamente. Sono ottimi isolanti termici ed elettrici ed

inoltre sono fragili (duri e non elastici)

MATERIALI COMPOSITI

E’ un sistema di materiali composto da una miscela o combinazione di due o piu macro-

costituenti che differiscono nella forma e nella composizione chimica e sono insolubili l'uno e

l'altro

PROPRIETÀ DEI MATERIALI

Il comportamento di un materiale e caratterizzato dalla sua reazione ad una sollecitazione.

Infatti, la proprietà di un materiale può essere definita come la misura di un comportamento

in una prova

Tre categorie di proprietà a seconda del tipo di sollecitazioni esterne applicate:

Proprieta chimiche: comportamento dei materiali in un ambiente chimico aggressivo,

●

particolare o specifico

Proprieta fisiche: comportamento dei materiali sotto azione di forze fisiche come

●

temperatura, campi elettrici o magnetici, luce

Molto importanti per la selezione dei materiali, poiché danno informazioni su: densita, punto

di fusione, proprieta ottiche (colore, trasparenza), proprieta termiche, proprieta elettriche e

magnetiche

Proprieta meccaniche: comportamento dei materiali sottoposti all’azione di un sistema di

●

forze. Sono molto sensibili ai processi di lavorazione e trasformazione. Il comportamento del

materiale dipende da: tipo di legami, morfologia (struttura molecolare), tipo e numero di

difetti, tipo di sforzo e modo in cui è applicato

DEFORMAZIONI A SEGUITO DELLA RISPOSTA MECCANICA

Elastica: al termine dell’applicazione della forza mi riporta il materiale nella situazione

 iniziale, quindi quando la deformazione prodotta nel corpo viene completamente

recuperata dopo la rimozione della forza

Plastica: non ritorna più come prima

 Viscosa: si comporta in maniera intermedia, come si comporta un fluido (capacita di

 recupero parziali)

Avremo percio materiali elastoplastici, elastici e viscoelastici (es. polimeri amorfi, polimeri

semicristallini, biopolimeri, metalli ad elevate temperature).

Ogni forza o carico applicato ad un materiale produce uno sforzo ed una deformazione nel

materiale

Sforzo: intensita della forza di reazione in ogni punto del corpo del materiale sottoposto a

carichi (si misura essenzialmente come una pressione), che possono essere:

-in differenti condizioni di lavorazione e fabbricazione

-in seguito a cambiamenti termici

Tipi di sforzo: normale (trazione/compressione), flessione, taglio (dipende da orientazione)

Stress: è la forza di reazione in ogni punto di un campione soggetto a carichi durante l'uso in

differenti condizioni di processo e manifattura e dopo variazioni termiche

Deformazione: la deformazione al taglio e espressa anche dalla grandezza dell'angolo teta

che risulta dalla variazione dell'inclinazione di un particolare piano soggetto allo sforzo da

taglio

Modulo di elasticita: tensione/deformazione

RIGIDITÀ (RIGIDEZZA)

Capacità che ha un corpo di opporsi alla deformazione elastica provocata da una forza

applicata (più elevato è il modulo elastico, più rigido è il materiale)

Elasticità entalpica: nei metalli e nei ceramici è ridotto il movimento degli atomi a

 causa dei legami forti nella struttura, quando gli atomi sono sottoposti ad una carica

esterno. Se tali interazioni determinano un dislocamento degli atomi, questi, una volta

rimosso il carico, riescono a rioccupare la loro posizione iniziale ed il materiale è detto

elastico. Mantiene un’entropia pressoche costante mentre sale molto l'energia interna,

assorbita dagli atomi

Elasticità entropica: è caratteristica dei materiali polimerici costituiti a livello

 molecolare da catene; tale elasticità scaturisce da un movimento delle catene da uno

stato ad elevata entropia (lo stato più probabile, in cui le catene sono più disordinate)

ad uno stato a bassa entropia (uno stato meno probabile e più ordinato), che avviene

durante l’allungamento del materiale. Permettono grandi scorrimenti e deformazioni,

pertanto a sforzi e tensioni bassi corrispondo deformazioni apprezzabili. Questi

materiali sono detti elastomeri (lunghe catene macromolecolari tenute insieme da pochi

legami a ponte). L’entropia diminuisce di molto perche sto andando a fare qualcosa di

piu ordinato, l’energia interna rimane invariata perché non smuovo legami forti

PROVE DI TRAZIONE

Sono prove standard volte a determinare il comportamento meccanico di un materiale e sono

realizzate applicando una forza di trazione, su un provino (di geometrie diverse) di materiale

portandolo fino alla rottura, seguendo un procedimento di carico a velocita di deformazione

costante prove a compressione

Abbiamo anche le e l’isteresi.

materiale ideale

Per un (perfettamente elastico) la curva di trazione e reversibile

(comportamento lineare) e l'energia assorbita durante il carico e interamente restituita.

Ma i materiali non hanno un comportamento elastico ideale e per questo motivo parte

dell'energia fornita viene dissipata per attrito interno (movimento di dislocazione nei metalli o

di catene nei polimeri).

materiali viscoelastici

Per i la deformazione avviene in parte per scorrimenti viscosi tra le

molecole e l'energia assorbita durante la deformazione non viene restituita integralmente ma

si trasforma in calore

Tenacita: capacita di un materiale di assorbire energia prima della rottura (energia che

sottintende la curva fatta da due pezzi di comportamento diverso, riguarda tutto il

meccanismo).

Resilienza: capacita di assorbire energia nel campo elastico

PROVE DI RESISTENZA ALL’URTO

Si vuole valutare la quantita di energia assorbita da un provino standardizzato se colpito da

un maglio di cui e nota l'energia cinetica.

L’energia assorbita e utilizzata come indice della suscettibilita alla rottura duttile o alla

rottura fragile.

Charpy test: impatto al centro del provino (di solito ha già un intaglio)

Izod test: impatto ad un’estremita

frattura,

2 tipi di che dipendono dall’applicazione del carico e dalla temperatura, non sempre il

comportamento duttile o fragile è una caratteristica intrinseca del materiale

DUTTILE: avviene dopo una deformazione plastica estesa e presenta basse velocità di

 propagazione della rottura.

A livello microstrutturale si verifica uno scorrimento irreversibile tra gli atomi del

reticolo cristallino per scorrimento di dislocazioni, determinando una deformazione

permanente residua.

FRAGILE: avviene lungo piani cristallografici caratteristici chiamati piani di clivaggio

 e si propaga velocemente. (Ceramici: rottura di legami primari senza che sul provino si

verifichino significative deformazioni dello stesso)

Fatica: risposta a sollecitazioni ripetute nel tempo, in modo ciclico

PROVE A FATICA

Si sollecitano diversi provini con diversi sforzi di diversa intensita, voglio vedere quante volte

posso usare quel materiale: si misura il numero di cicli dopo i quali i provini giungono alla

rottura e si riportano in un grafico i valori di stress in funzione del numero di cicli a rottura

Durezza: misura della resistenza di un materiale alla deformazione plastica permanente.

ORGANIZZAZIONE, STRUTTURA E PROPRIETA’ DEI MATERIALI

MATERIALI METALLICI

I materiali metallici sono materiali inorganici composti da un unico elemento metallico o, nel

caso di leghe metalliche, da due o più elementi anche non metallici.

Tutti i metalli, tranne il mercurio, a temperatura ambiente si presentano allo stato solido.

La struttura reale di metalli e leghe non e perfetta, puo presentare dei difetti che influenzano

le propriet meccaniche, chimiche ed elettriche.

àà

Gli atomi di uno o più elementi metallici (Fe, Cu, Al…) e atomi non metallici (C, N) si legano

nello spazio per formare reticoli cristallini, caratterizzati dalla presenza unicamente di legami

metallici forti, in cui gli elettroni di valenza sono liberi di muoversi in modo delocalizzato

(nuvola elettronica) tra i vari atomi del reticolo cristallino. Questo conferisce ai metalli la

proprietà di elevata conducibilità elettrica e termica.

La struttura con cui cristallizza un particolare metallo è quella che dà al metallo la

configurazione con energia minima. Rappresenta la configurazione più stabile, anche se non la

più compatta. polimorfismo

La possibilità di cambiare struttura in funzione della temperatura si chiama e le

forme allotropiche.

diverse strutture che si formano vengono chiamate

DIFETTI DELLA STRUTTURA CRISTALLINA

Difetti puntiformi (coinvolgono un numero ridotto di atomi). Possono essere costituiti

 da: Vacanze: posizioni reticolari non occupate da nessun atomo. Facilita processi di

 diffusione e formazione di leghe metalliche

Atomi interstiziali: atomi dello stesso elemento metallico o di un elemento

 diverso che non occupano una posizione reticolare normale. Determinano una

distorsione strutturale e si trovano su siti interstiziali

Atomi estranei sostituzionali: atomi di un elemento estraneo che occupano

 posizioni reticolari

La presenza di questi difetti facilita enormemente i processi di diffusione che in

assenza di tali difetti sarebbero impossibili, per lo meno a basse temperature.

Difetti lineari (dislocazioni), sono difetti collocati lungo piani reticolari nei cristalli

 metallici, dovuti alla presenza di successioni di atomi in punti non coincidenti con

esatte posizioni reticolari.

Se non esistessero le dislocazioni per deformare il metallo sarebbe necessario ottenere

lo scorrimento contemporaneo di tutto un piano di atomi del cristallo rispetto ad un

altro piano adiacente. Ciò implicherebbe la rottura contemporanea di un grande

numero di legami metallici, richiedendo uno sforzo estremamente elevato. Con le

dislocazioni la deformazione avviene per lo scorrimento progressivo entro il cristallo,

che comporta la rottura di un numero limitato di legami atomici e quindi necessita di

uno sforzo minore e rende possibile la deformabilità dei materiali metallici.

Le dislocazioni sono generate all’interno del materiale quando questo è soggetto ad una

sollecitazione, generando deformazioni plastiche.

-Dislocazioni a spigolo

-Dislocazioni a vite: costituite da atomi spostati dalle loro posizioni reticolari secondo

una successione che segue il percorso di una vite

Le due dislocazioni sono comunque gli estremi di un fenomeno che comprende spesso

situazioni intermedie

Aumentando il numero di dislocazioni presenti, sono necessari sforzi sempre maggiori

incrudimento del

per procedere nella deformazione. Questo fenomeno prende il nome di

materiale, ed avviene in seguito a deformazione plastica a freddo.

elastica:

-Deformazione sotto un certo valore dello sforzo (limite elastico) si ha una

distorsione elastica del reticolo, gli atomi si spostano coordinatamente e tolta la

sollecitazione il reticolo torna alla geometria iniziale

plastica:

-Deformazione per sollecitazioni superiori al limite elastico, il reticolo si

deforma permanentemente e tolta la sollecitazione la parte elastica viene recuperata,

ma il reticolo mantiene una deformazione permanente, deformazione plastica

Se si opera a temperatura più elevata si possono verificare fenomeni di

ricristallizzazione o riassestamento della struttura del materiale metallico, con

conseguente diminuzione del numero di dislocazioni prodotte.

Difetti di superficie (bordi di grano), sono dovuti al fatto che il materiale è

 policristallino, cioè costituito da numerosissimi piccoli cristalli detti grani, in ognuno

dei quali il reticolo cristallino ha un’orientazione diversa da quella adiacente.

Ciò avviene perché durante la solidificazione di un metallo fuso iniziano a formarsi più

o meno contemporaneamente vari nuclei di cristallizzazione casualmente orientati, che

poi accrescono fino alla completa solidificazione del metal