Riassunti di Materiali non metallici e criteri di selezione dei materiali

A.A. 2020-2021, Padova Unipd

Riassunti di lezione di

Materiali non metallici e

Criteri di selezione dei materiali

Lezioni tenute dal Professore Enrico Bernardo

S

OMMARIO

1 Materiali ceramici ..................................................................................................................... 9

1.1 Introduzione ai materiali ceramici .................................................................................... 9

1.1.1 Definizioni e classi fondamentali ............................................................................. 9

1.1.2 Struttura dei materiali ceramici ................................................................................ 9

1.1.3 Strutture covalenti .................................................................................................. 10

1.1.4 Strutture ioniche ..................................................................................................... 11

1.1.5 Silice ....................................................................................................................... 15

1.2 Correlazione struttura-proprietà nei ceramici ................................................................. 16

1.2.1 Silicati ..................................................................................................................... 16

1.2.2 I difetti nei ceramici ................................................................................................ 17

1.2.3 Riflessi della struttura sul comportamento meccanico ........................................... 20

1.3 Mobilità e dilatazione atomica ....................................................................................... 20

1.3.1 La diffusione ........................................................................................................... 20

1.3.2 La dilatazione termica ............................................................................................ 22

1.4 Il processo ceramico ....................................................................................................... 23

1.4.1 Introduzione ............................................................................................................ 23

1.4.2 I meccanismi di sinterizzazione .............................................................................. 23

1.5 I materiali ceramici tradizionali ...................................................................................... 26

1.5.1 Materie prime ......................................................................................................... 26

1.5.2 Tecnologia dei materiali ceramici tradizionali ....................................................... 28

1.5.3 La formatura dei ceramici avanzati ........................................................................ 29

1.6 I refrattari ........................................................................................................................ 30

1.6.1 Generalità ............................................................................................................... 30

1.6.2 Generalità dei materiali refrattari ........................................................................... 31

1.7 I vetri inorganici ............................................................................................................. 34

1.7.1 Introduzione ............................................................................................................ 34

1.7.2 La viscosità ............................................................................................................. 34

1.7.3 Definizione generale di vetro e identificazione dei vetri inorganici ....................... 36

1.7.4 Proprietà del vetro .................................................................................................. 39

1.8 I prodotti vetrari ingegneristici ...................................................................................... 39

1.8.1 Introduzione: le proprietà meccaniche del vetro .................................................... 39

1.8.2 I prodotti vetrari ..................................................................................................... 41

1.9 La frattura fragile ........................................................................................................... 42

1.9.1 Modalità di frattura dei materiali ........................................................................... 42

1.9.2 Meccanica della frattura ......................................................................................... 45

1.9.3 Progettazione in funzione della frattura fragile di un recipiente cilindrico a pressione

45

1.10 I materiali ceramici avanzati .......................................................................................... 46

1.10.1 Definizione ............................................................................................................. 46

Ceramici avanzati ionici: L’allumina ()

1.10.2 ..................................................... 46

1.10.3 La zirconia () ................................................................................................ 47

1.10.4 Il carburo di silicio .......................................................................................... 49

....................................................

1.10.5 Il nitruro di silicio e i ceramici 50

1.11 Controllo della frattura fragile ....................................................................................... 51

1.11.1 Interpretazione del fattore di intensità di sforzo .................................................... 51

1.11.2 Il proof-test ............................................................................................................. 52

1.11.3 Aggiornamento della meccanica della frattura ...................................................... 52

1.11.4 L’approccio statitistico progettazione con i materiali fragili ................................. 53

2 Materiali polimerici ............................................................................................................... 55

2.1 Struttura dei materiali polimerici ................................................................................... 55

2.1.1 Generalità ............................................................................................................... 55

2.1.2 Grado di polimerizzazione e peso molecolare ....................................................... 56

2.1.3 Forma di una macromolecola lineare ..................................................................... 56

2.1.4 Cenni ai processi di polimerizzazione.................................................................... 57

2.1.5 I materiali polimerici allo stato solido ................................................................... 59

2.2 I principali tipi di materiale polimerico ......................................................................... 62

2.2.1 Polimeri termoplastici ............................................................................................ 62

2.2.2 Polimeri per applicazioni oltre 100 °C ................................................................... 66

2.2.3 Polimeri termoindurenti .......................................................................................... 66

2.3 Proprietà meccaniche dei polimeri ................................................................................. 68

2.3.1 Generalità ............................................................................................................... 68

2.3.2 Il comportamento meccanico degli elastomeri ....................................................... 70

Il meccanismo dell’elasticità degli elastomeri

2.3.3 ........................................................ 72

2.4 Il creep dei material polimerici ....................................................................................... 72

2.4.1 Creep e rilassamento .............................................................................................. 72

2.4.2 Modelli viscoelastici ............................................................................................... 73

2.4.3 Variazione della rigidità con la temperatura ........................................................... 77

2.5 Tecnologia dei materiali polimerici ................................................................................ 79

2.5.1 Introduzione ............................................................................................................ 79

2.5.2 Stampaggio per colata ............................................................................................ 79

2.5.3 Estrusione ............................................................................................................... 80

2.5.4 Stampaggio per soffiatura ....................................................................................... 80

2.5.5 Fabbricazione di contenitori ................................................................................... 81

2.5.6 Stampaggio ad iniezione ......................................................................................... 82

2.5.7 Stampaggio rotazionale .......................................................................................... 83

2.5.8 Stampaggio per compressione e per trasferimento ................................................. 83

2.5.9 Calandratura ........................................................................................................... 84

2.5.10 Termoformatura ...................................................................................................... 84

3 Materiali compositi ................................................................................................................. 87

3.1 Caratteristiche generali dei materiali compositi ............................................................. 87

3.1.1 Definizione ............................................................................................................. 87

3.1.2 Le fasi in un materiale composito ........................................................................... 87

3.1.3 Compositi rinforzati con particelle ......................................................................... 88

3.1.4 Compositi rinforzati con fibre ................................................................................ 88

3.2 Elementi di meccanica dei materiali compositi .............................................................. 91

3.2.1 Elasticità dei compositi a rinforzo non direzionale ................................................ 91

3.3 Fibre e matrici ................................................................................................................ 91

3.3.1 La relazione fibre-matrici e la resistenza meccanica ............................................. 91

3.3.2 Generalità delle fibre più comuni ........................................................................... 94

3.4 I processi produttivi dei materiali compositi .................................................................. 96

3.4.1 Compositi a matrice polimerica ............................................................................. 96

3.4.2 Cenni ai compositi a matrice metallica .................................................................. 98

3.4.3 Cenni di compositi a matrice ceramica .................................................................. 98

3.5 I leganti .......................................................................................................................... 98

I leganti “storici”

3.5.1 .................................................................................................... 98

3.5.2 I primi leganti idraulici .......................................................................................... 99

3.5.3 Il calcestruzzo moderno ....................................................................................... 100

4 I grafici di proprietà dei materiali ........................................................................................ 105

4.1 I grafici di proprietà dei materiali ................................................................................ 105

4.1.1 Introduzione alla selezione dei materiali: il contributo dei materiali nella prestazione

di un componente ................................................................................................................. 105

4.1.2 Scale lineari e logaritmiche: la convenzione di rappresentazione ........................ 106

Grafici “mono-proprietà” e “bi-proprietà”

4.1.3 ........................................................... 106

4.1.4 Selezione grafica di materiali attraverso indici di prestazione ............................. 108

4.2 Ottimizzazioni massa-rigidezza ................................................................................... 110

4.2.1 Rigidezza estensionale: tiranti ............................................................................. 112

4.2.2 Rigidezza flessionale: barre, pannelli e puntoni .................................................. 112

4.2.3 Casi di studio ........................................................................................................ 115

4.3 Ottimizzazioni massa-resistenza .................................................................................. 117

4.3.1 Definizione dei dati di resistenza ......................................................................... 117

4.3.2 Resistenza di tiranti .............................................................................................. 117

4.3.3 Resistenza a flessione: barre, pannelli e puntoni.................................................. 117

4.3.4 Casi di studio ........................................................................................................ 120

4.4 Casi di studio di resistenza e rigidezza avanzati .......................................................... 122

4.4.1 Ottimizzazione di recipienti in pressione ............................................................. 122

4.4.2 Pannelli ad alta efficienza ..................................................................................... 125

4.5 Selezione con due obiettivi convergenti, parte 1 .......................................................... 126

4.5.1 Introduzione: ottimizzazione di due proprietà espresse dalla stessa grandezza ... 126

4.5.2 Casi di studio di ottimizzazione della massa in funzione sia della rigidezza che della

resistenza 127

4.6 Selezione con due obiettivi convergenti, parte 2 .......................................................... 129

4.6.1 Grafici indice-indice ............................................................................................. 129

4.6.2 Recipienti a pressione leggeri: progettazione in funzione della dimensione dei difetti

132

4.7 Selezione con obiettivi in conflitto reciproco ............................................................... 132

Grafici di “trade-off” (compromesso)

4.7.1 .................................................................. 132

4.7.2 Diagramma di compromesso applicato al packaging ........................................... 135

4.8 Selezione con obiettivi molteplici ................................................................................ 136

4.8.1 Funzioni di penalizzazione generalizzata ............................................................. 136

4.8.2 Dimensionamento dei fattori peso: confronto binario (digital logic) ................... 137

4.8.3 Funzione di prestazione generalizzata .................................................................. 138

4.8.4 Normalizzazione a posteriori ................................................................................ 138

4.9 Selezione di materiale e forma, parte 1 ........................................................................ 139

4.9.1 Ottimizzazione delle prestazioni attraverso la forma geometrica ......................... 139

4.9.2 Fattore di forma per problemi di rigidezza ........................................................... 139

4.9.3 Fattore di forma e nuovo indice di prestazione per problemi di resistenza .......... 141

4.10 Selezione di materiale e forma, parte 2 ........................................................................ 143

4.10.1 Selezione grafica con coordinate virtuali ............................................................. 144

4.10.2 I diagrammi a quattro quadranti ........................................................................... 145

Miglioramento dell’efficienza di pannelli attraverso formatura

4.10.3 ........................... 149

Riduzione della rigidezza attraverso la forma: ”disaccoppiamento” tra prestazione

4.10.4

assiale e prestazione flessionale ........................................................................................... 150

4.11 Selezione applicata ai materiali compositi ................................................................... 151

4.11.1 Definizione e rappresentazione di equazioni costitutive ...................................... 151

Studio grafico dell’efficienza di rinforzo

4.11.2 ............................................................. 152

4.11.3 Strutture cellulari ad alta efficienza ..................................................................... 155

1 M ATERIALI CERAMICI

1.1 I NTRODUZIONE AI MATERIALI CERAMICI

1.1.1 Definizioni e classi fondamentali

Un materiale ceramico è un qualsiasi solido inorganico e non metallico, ottenuto attraverso un

processo ad alte temperature, generalmente caratterizzato da fragilità, da durezza e da elevata

stabilità chimica. I materiali ceramici possono essere suddivisi in:

• materiali ceramici tradizionali: prodotti basati su argille.

• vetri: solidi a struttura amorfa a base di silice ( ).

2

• materiali ceramici ingegneristici: materiali per applicazioni strutturali.

• materiali cementizi: leganti per sabbia, ghiaia, elementi in laterizio.

• materiali ceramici naturali: rocce e minerali.

Tutti i materiali ceramici hanno una caratteristica fondamentale in comune: sono intrinsecamente

fragili, e la loro fragilità condiziona il modo in cui essi sono utilizzati. Spesso questi tipi di materiale

sono interessanti per la grande rigidità e la grande durezza. La gran parte dei ceramici è

riconducibile a composti tra ossigeno, carbonio e azoto con metalli e metalloidi come alluminio e

silicio.

1.1.2 Struttura dei materiali ceramici