Scienza dei materiali

MATERIALI IN GENERALE:

Ogni materiale di cui l'uomo e a conoscenza presenta delle caratteristiche diverse. Tali caratteristiche sono spesso collegate alla microstruttura, ovvero alle proprietà microscopiche che lo compongono. Tali proprietà dunque permettono determinati sviluppi applicativi di un materiale dai punti di vista:

• meccanico
• elettrico
• magnetico
• ottico
• termico
• durabilità (degrado)

Pertanto i materiali in generale si suddividono in 4 categorie diverse:

1. metalli
2. ceramici
3. polimerici
4. compositi

I metalli sono materiali caratterizzati da legami metallici e spesso vengono prodotti artificialmente anche se sono presenti in forma pura in natura (oro, platino etc.). Essi vengono ricavati dai minerali. I legami metallici consentono una elevata conducibilità elettrica e vedono una vasta applicazione nel settore elettrico e magnetico. I metalli sono la classe di materiali più utilizzata dall'uomo.

I ceramici non presentano proprietà metalliche e sono puramente inorganici (quindi non a base di carbonio). Vi sono ceramici scoperti molti millenni fa e altri scoperti da poche decine di anni. Si tratta principalmente di mattoni, piastrelle, ceramiche, calcestruzzi, leganti etc. Una delle principali caratteristiche dei ceramici è la formabilità, ovvero la possibilità di dare forma. Nel caso di argille, ad esempio, la formabilità è data dall'acqua seguita da un trattamento termico (ad alte temperature), mentre per i leganti (come il cemento) e per i calcestruzzi la presa avviene senza bisogno di un trattamento termico.

I polimerici sono materiali di origine organica, solitamente artificiali, molto utilizzati dall'uomo. Sono facili da produrre grazie anche alla loro formabilità, presentano una bassa densità e leggerezza con una lunga resistenza al degrado. Questi materiali non vengono utilizzati per scopi meccanici ed elettrici vista la loro scarsa conduttività elettrica e resistenza termica e meccanica.

I compositi sono tutti quei materiali che a livello macroscopico sono costituiti da materiali diversi. Un esempio sono il calcestruzzo armato o legno.

Vi sono compositi a matrice polimerica, ovvero polimeri a cui vengono incrementate le proprietà meccaniche. Questo comporta una notevole riduzione della leggerezza (che solitamente dipende dal tipo di rinforzo utilizzato)).

Vi sono dei parametri fondamentali che permettono di descrivere le proprietà di ogni materiale. Essi sono:

• DENISTÀ → definita come la massa totale fratto il volume. Essa è diversa per ogni materiale.
• MODULO ELASTICO → definisce il rapporto fra lo sforzo applicato a un materiale, e la deformazione che esso subisce a causa di tale sforzo.

Tale parametro equivale alla costante elastica k di una molla.

Il modulo elastico pertanto permette di definire la rigidezza.

• RESISTENZA (ROTTURA) → definisce il valore massimo di sforzo che un materiale può subire prima che esso venga deformato permanentemente.

Solitamente più un materiale è rigido, più alto risulta essere il suo punto di rottura.

• RESISTENZA FRATTURA FRAGILE → definisce un carico statico massimo supportato da un materiale (resistenza a un impatto).

  Essa è molto alta nei metalli e relativamente bassa nei ceramici.

• CONDUTTIVITÀ → definisce la capacità di un materiale a condurre elettricità (a favorire la presenza di un flusso di elettroni).

  I metalli presentano alti livelli di conduttività, al contrario dei ceramici e dei polimeri.

Inoltre un materiale può presentare proprietà:

• Intrinseche, ovvero proprietà fisiche legate a densità e conduttività.
• Attributive, ovvero proprietà che possono presentare una variazione nel tempo (solitamente date dall'intervento umano quali: prezzo, formabilità, riciclabilità etc…).

Un qualsiasi punto P interno alla cella è dipendente da tali parametri. Si ottiene una rappresentazione di una cella unitaria con assi di coordinate X, Y e Z, dove sono mostrate le lunghezze degli assi e i rispettivi angoli:

La coordinata q (una frazione) corrisponde alla distanza qa lungo l’asse X, dove a è la lunghezza dello spigolo della cella unitaria. Pertanto, le rispettive coordinate r e s lungo gli assi Y e Z vengono determinati nello stesso modo.

Questo comporta a una rappresentazione delle direzioni all’interno della cella unitaria ( [100], [110], [111] )

• [100] → ra = 1 rb = 0 rc = 0
• [110] → ra = 1 rb = 1 rc = 0
• [111] → ra = 1 rb = 1 rc = 1

Si tratta di frazioni di dimensioni unitarie partenti tutte dall’origine degli assi cartesiani.

Lo stesso sistema può essere utilizzato anche per una cella esagonale. Una volta introdotta la direzione occorre definire i piani cristallini. Essi sono piani che risultano essere perpendicolari alla direzione e vengono definiti con la stessa nomenclatura.

NB: parentesi quadre per direzione e tonde per i piani

Considerando pertanto un solido ionico costituito da ioni X⁺ e Y^-, che presenta una struttura cristallina semplice:

Il difetto rispetta l'elettroneutralità del solido e il bilanciamento di carica è invariato.

Ma nel caso venisse applicata una forza F al reticolo non si avrebbe più la traslazione della fila di atomi sicché si riscontrerebbero interazioni fra cariche elettroniche dello stesso segno (repulsione) che porterebbero a condizioni sfavorevoli. Il materiale ionico pertanto non può subire una deformazione.

Invece nel caso dei metalli, la deformabilità può essere modificata creando delle leghe. Si aggiungono impurità creando difetti interstiziali che cambiano la conformazione degli atomi nella struttura e modificando la mobilità di questi ultimi. Per esempio, carbonio e ferro in ghisa che non è deformabile.

Vi sono poi difetti di piano dove gli atomi difettati sono tutti collocati sullo stesso piano del reticolo. Solitamente questi difetti comprendono la superficie stessa del materiale ("fine") e i contorni granulcristallini. Pertanto nel solido si possono avere piani cristallini orientati in modo diverso rispetto ad altri adiacenti di un angolo e definito come angolo di disadattamento o di disalineamento. Tali piani costituiscono un grano. Inoltre i difetti di piano possono includere difetti di superficie, quali gradini e terrazze, dove vi sono piani interi di atomi mancanti sulla superficie.

Gradino

Gomito

Terrazza

Atomo

Pertanto è fondamentale considerare le ENERGIE DI ATTIVAZIONE ovvero la quantità minima di energia che una molecola ha bisogno per poter dare luogo a una reazione. In questo caso parliamo del moto diffusivo di una mole di atomi. Un'energia di attivazione elevata si traduce in un coefficiente di diffusione relativamente piccolo. Allo stato solido e a temperatura ambiente, i processi sono molto lenti, mentre per temperature alte si hanno condizioni favorevoli. Pertanto la relazione che lega la temperatura ai coefficienti di diffusione è data da:

D = D_o e^{- Qd/RT}

• D_o → coefficiente di temperatura allo 0 termico [m²/s]
• Q_d → energia di attivazione della diffusione [J/mol o eV/atomo]
• R → costante dei gas e vale 8,31 J/(mol·K)
• T → temperatura assoluta [K] (All'aumento di T aumenta la diffusione)

NB: i processi di diffusione che avvengono allo stato solido non necessariamente avvengono a temperature di fusione.

La diffusione può essere sfruttata anche nelle reti elettriche. L'utilizzo dell'alluminio come conduttore garantisce una migliore diffusione nonostante sia meno conduttivo del rame o dell'argento.

Considerando i logaritmi naturali della precedente equazione si ottiene:

ln(D) = ln(D_o) - Q_d/RT

y = mx + b

Con y = ln(D) x = 1/T b = ln(D_o)

Diagrammando ln(D) in funzione del reciproco della temperatura (1/T) si ottiene una retta. Essa è quindi caratterizzata dalla pendenza pari a -Q_d/R ed a un'intercetta a ln(D_o).