Scienze dei materiali

Scienze dei materiali

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Breve storia dei materiali

Siamo circondati da materiali (es: acciaio, calcestruzzo, ecc…).

C’è stata un’epoca dell’acciaio, delle pietre, ecc…. Uno dei primi materiali che è stato usato è stato: il mattone.

I materiali hanno definito una capacità dell’uomo a fare alcune cose. (es: pietra per tagliare o per cacciare).

Tipicamente i materiali si dividono in:

• Metalli (es. oro, ecc…)
• Polimeri (es. pece, gomma, plastiche, ecc…)
• Ceramici (es. calcestruzzo, ecc…)
• Compositi (es. leghe, ecc…)
• Vetri (fanno parte dei ceramici)

I romani furono i primi ad utilizzare il calcestruzzo. I cinesi furono i primi ad utilizzare l’acciaio.

Bisognava però sapere con che materiali si lavorava e che proprietà avevano.

Criteri di scelta di un materiale

• Prestazioni e costi: qualità/prezzo influenzati dalla disponibilità del materiale e dal costo d’estrazione;
• Produzione del materiale: difficoltà e elasticità;
• Struttura: composizione e peso.

Metodo gorilla

Nel vetro ci sono sempre ioni Na e mettendoli a bagno con ioni positivi di K, essi sostituiranno gli ioni Na ed essendo più elettronegativi si compattano di più, facendo diventare il vetro più resistente: gorilla-glass.

Capitolo 1

La scienza dei materiali è lo studio della relazione che intercorre fra la fabbricazione, la struttura, le proprietà e le prestazioni dei materiali.

Le proprietà all’ambiente e a forze esterne (stress) sono il modo in cui il materiale risponde.

Le proprietà sono molteplici, si parla quindi di:

1. Proprietà meccaniche: risposta alle sollecitazioni meccaniche, resistenza, ecc.
2. Proprietà termiche: sono collegate alla trasmissione del calore e alla capacità termica.
3. Proprietà elettriche e magnetiche: risposta ai campi elettrici, ecc.
4. Proprietà ottiche: comprendono l’assorbimento, la trasmissione e diffusione della luce.
5. La stabilità chimica: per contatto con l’ambiente, resistenza alla corrosione, ecc.

Le proprietà di un materiale ci aiutano a decidere qual è il migliore per un dato intervento, ecc.

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Classificazione dei materiali

I materiali possono essere classificati secondo:

1. Il tipo di legame
2. Le proprietà
3. La struttura
4. Le applicazioni

Tipi di legame

Legami chimici:

Legami fisici:

Legami chimici:

Esistono vari tipi di “legame chimico”.

Materiali metallici, materiali ceramici, materiali ceramici avanzati, materiali polimerici.

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Legame ionico

Legame primario.

Tra elemento metallico (M) e non metallo (X): + -

Il metallo cede un elettrone al non metallo e si creano gli ioni M e X.

Si crea una forza di attrazione di tipo coulombiano.

Il legame è di tipo a-direzionale, cioè non ci sono direzioni privilegiate.

Il più diffuso fra i materiali ceramici. (Data la grande stabilità del legame, i ceramici sono molto duri e poco reattivi). Una delle loro caratteristiche è avere una temperatura di fusione alta.

Es. cloruro di sodio.

Legame covalente

Legame primario (più forte del legame ionico).

Gli elettroni più esterni sono condivisi fra gli atomi o molecole, per saturarne la valenza.

L’esempio più semplice è la molecola di idrogeno H₂ (H-H). Gli elettroni permangono più a lungo nei due nuclei piuttosto che all’esterno (realizzazione del legame).

Legame direzionale (direzione: congiungente i due elettroni).

Data l’elevata energia di legame forma composti molto stabili e duri: es. diamante.

Proprietà: bassa reattività chimica e dilatazione, alta rigidità, durezza e temperatura di fusione.

Legame metallico

Legame primario.

Qui, tanti atomi condividono gli elettroni di valenza.

Questi elettroni viaggiano e formano un “mare di elettroni”, in cui gli ioni si legano insieme e si forma un solido stabile.

Questo legame non è direzionale (gli atomi sono impacchettati gli uni sugli altri). Ma, a differenza del legame ionico, qui l’elettrone condiviso non è uno solo.

Gli atomi di metallo hanno in genere pochi elettroni di valenza che sono facilmente delocalizzabili in un reticolo di atomi metallici caricati positivamente. Si può visualizzare questo tipo di legame immaginando un metallo come un reticolo di ioni positivi tenuti uniti da una nube di elettroni.

Come nel caso del legame ionico non esistono quindi molecole vere e proprie ma aggregati reticolari di atomi metallici tenuti insieme da questa forza di tipo elettrostatico. Questo modello spiega alcune proprietà dei metalli come le loro elevate conducibilità elettrica (infatti, essendo tali elettroni non legati a nessun atomo particolare, risultano essere estremamente mobili) e termica, la loro malleabilità e duttilità.

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Legami fisici

Si tratta dei legami secondari. Più deboli dei primari. Il legame si forma grazie all’interazione di dipoli (separazione di cariche).

I dipoli possono essere temporanei (fig.1) e permanenti (fig.2).

Viene creato legame fisico, perché non c’è trasferimento o condivisione di elettroni.

Questi legami sono alla base di tutti i processi biologici.

Nei polimeri ad esempio le catene sono costituite da atomi che sono legati con legami primari. Le catene, invece, sono legate tra di loro con legami secondari. È più facile staccare una catena che distruggerla.

Forza di legame / T° fusione:

Legame covalente > legame ionico > legame metallico > legame idrogeno > legame di Van der Waals.

Si possono formare anche dei legami misti (es. nei ceramici) (es. metallico-covalente).

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Le proprietà

Metalli

Le caratteristiche dei metalli sono:

• Opachi
• Riflettono la luce
• Elevata resistenza, rigidità e duttilità
• Conduttori
• Resistenti agli sbalzi termici
• Soggetti a corrosione e ossidazione
• Facilmente lavorabili
• Sono costituiti da elementi come Fe, Al, Mg, Cu, ecc.
• Di norma si presentano in forma cristallina
• Vengono preparati per fusione
• Sono tutti solidi a T° ambiente
• Danno origine a leghe

Ceramici

Le caratteristiche dei ceramici sono:

• Fragili e difficilmente lavorabili
• Rigidi, elevata durezza
• Isolanti termici e elettrici
• Refrattari e resistenti ad alte T°
• Chimicamente inerti anche in ambienti aggressivi
• Sono di norma allo stato cristallino
• Gli atomi si comportano come ioni negativi o positivi che sono almeno parzialmente legati da forze coulombiane
• Sono combinazione di metalli o semiconduttori ed ossigeno, azoto o carbonio: ossidi (Al₂O₃), carburi (SiC), nitruri (Si₃N₄)
• Fondono a T° elevate
• Vengono preparati per sinterizzazione (fusione di particelle piccole)
• Alcuni esempi sono: mattoni, calcestruzzo, piastrelle, porcellane, vetri (no ordine cristallino ma amorfo),…

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Polimeri

La maggior parte dei polimeri è:

• Molto leggera (bassa densità < 1 g/cm³ perché sono fatte a catene che non sono compatte tra di loro)
• Non può sopportare alte T°
• È isolante
• Modesta resistenza meccanica
• È deformabile plasticamente
• Alcuni hanno proprietà elastiche (gomma)
• Sono costituiti da composti organici macromolecolari, naturali o sintetici
• Sono legati da legami covalenti e anche da legami secondari
• Vengono preparati per sintesi organiche
• Sono lavorabili meccanicamente
• Non conducono calore ed elettricità
• Ecc….

Alcuni esempi: pneumatici, adesivi, silicone, vernici, bitumi,

Compositi

I compositi sono sistemi eterogenei, costituiti da una matrice di tipo ceramico, polimerico o metallico in cui si trova dispersa una seconda fase.

Sono dotati di proprietà che non possono essere garantite dai singoli costituenti.

Sono costituiti da due fasi: matrice e seconda fase (o fase rinforzante).

Si classificano a seconda della matrice in:

• Compositi a matrice metallica (MMC)
• Compositi a matrice ceramica (CMC)
• Compositi a matrice vetrosa o vetroceramica (GMC)
• Compositi a matrice polimerica
• Armato,…

Alcuni esempi sono: vetroresine, legno, calcestruzzo.

Si classificano anche a seconda della seconda fase:

• Compositi rinforzati con fibre (lunghe o corte)
• Compositi rinforzati con particelle
• La seconda fase può appartenere ad ognuna delle classi principali dei materiali

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La struttura

I solidi possono essere classificati in funzione della regolarità con cui i loro atomi o ioni sono disposti nello spazio gli uni rispetto agli altri.

La struttura di un materiale può essere cristallina o amorfa o semicristallina.

• Cristallina: struttura ordinata (c’è un ordine periodico nella disposizione degli atomi su larga scala, tipica dei metalli e delle ceramiche)
• Amorfa: struttura disordinata (periodicità a corto raggio: celle uguali che si ripetono solo poche volte, tipica dei vetri o polimeri)
• Semicristallina: possiamo avere dei materiali che presentano in alcune zone struttura cristallina e in altre amorfa, tipica dei vetroceramici, polimeri e compositi)

Nei materiali cristallini gli atomi o molecole sono collocati in posizioni ben definite all’interno della cella.

Conoscendo solo una piccola parte di un materiale cristallino, possiamo conoscere la sua intera struttura.

Questa struttura viene determinata dalle interazioni tra gli atomi.

Risulta conveniente, molto conveniente, descrivere le strutture cristalline come la ripetizione della più piccola unità ordinata ripetitiva, che viene chiamata cella unitaria.

Per definire una cella, abbiamo bisogno di sei parametri:

• Parametri di cella: a, b, c
• Angoli di cella: α, β, γ

A T ambiente e in assenza di forze applicate dall’esterno (in genere a, b, c valgono circa 0.1-0.26 nm, variano con la T e con l’applicazione di forze).

A 0 [K] gli atomi sono fermi sulle posizioni di equilibrio, mentre, se aumentiamo la temperatura oscillano intorno a questi punti provocando effetti macroscopici come la dilatazione termica e poi quando l’energia delle vibrazioni supera l’energia di legame si ha la fusione.

I liquidi sono amorfi proprio perché sono sopra al loro punto di fusione.

Immaginiamo la cella unitaria composta da sferette rigide, in cui il raggio di queste è il raggio medio dell’atomo che occupa quella posizione. La distanza minima fra due atomi uguali è pari al loro diametro.

Nel reticolo cristallino, definiamo i centri dove si collocano gli atomi come nodi.

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Un tipo di cristallo esagonale è la grafite. La grafite è formata da piani di atomi di carbonio disposti in un reticolo esagonale. Quello che succede è che il legame fra gli atomi di carbonio in ogni piano è covalente, mentre fra i piani si instaura un legame più debole. Quindi la grafite si sfalda lungo un piano.

Ecco perché le matite scrivono a contatto con la carta (si sfaldano i piani).

Si chiamano materiali monocrystallini quelli in cui il cristallo ha sempre la stessa orientazione.

Materiali policristallini: gran parte dei solidi sono costituiti da un aggregato di molti piccoli cristalli o grani. Infatti avviene che le celle cristalline si accrescono senza che vi siano le condizioni perché si orientino allo stesso modo.

Si formano dei grani che si scontrano e che cambiano direzione. Fra i due grani si ha il bordo di grano che favorisce la propagazione delle cricche. Sono punti di debolezza.

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Questo tipo di crescita si ha quando iniziamo a raffreddare un materiale fuso.

In generale, i materiali cristallini sono policristallini (es. metalli, ceramici, etc.).

Più nel dettaglio

(Vediamo ora le strutture cristalline, infine quelle amorfe).

Struttura cristallina nei metalli

I metalli hanno legame a-direzionale. Sono materiali che hanno grande impacchettamento. Avranno strutture che occupano il meglio possibile lo spazio.

Sono materiali densi.

Tipicamente nei metalli possiamo avere una struttura:

1. Cubica a facce centrate CFC
2. Cubica a corpo centrato CCC
3. Esagonale compatta

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Densità atomica lineare

(n° dei diametri atomici intersecati con la linea considerata) / (lunghezza della linea)

Densità atomica planare

(area occupata dagli atomi i cui centri giacciono sul piano considerato) / (area del piano)

CFC

Cella cubica con atomi sulle facce. Tipica del rame, oro, etc.

In totale questa cella ha 4 atomi.

(La massima densità lineare e planare si ha lungo la diagonale e il piano rappresentati in figura) (lungo la diagonale non riusciamo a comprimere la cella).

Numero di coordinazione: = n° di atomi vicini ai quali un atomo è legato = 12.

Fattore di compattazione atomica: = frazione di volume occupato dagli ioni rispetto al volume della cella = (somma dei volumi atomici)/(volume della cella) = 0.7 = √2.

Relazione fra lato della cella (a) e raggio atomico R.

CCC

Cella cubica con atomi nei vertici e uno al centro (tipica del cromo, ferro etc.).

In totale questa cella ha 2 atomi.

Numero di coordinazione: = n° di atomi vicini ai quali un atomo è legato = 8.

Fattore di compattazione atomica: = frazione di volume occupato dagli ioni rispetto al volume della cella = (somma dei volumi atomici)/(volume della cella) = 0.68 =

Relazione fra lato della cella (a) e raggio atomico R √.

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(La massima densità lineare e planare si ha lungo la diagonale e il piano rappresentati in figura) (lungo la diagonale non riusciamo a comprimere la cella).

Esagonale compatta

Base esagonale. In mezzo si ha un piano triangolare.

Sulle facce superiore e inferiore si hanno sei atomi ai vertici più uno al centro di ogni base.

N° atomi per cella = 6.

N° coordinazione = 12.

Fattore di compattazione atomica: 0.74.

È possibile che il solido cambi la sua struttura cristallina durante il riscaldamento (polimorfismo) per reazione (trasformazione) allo stato solido.

Esempi di polimorfismo (trasformazioni allotropiche): Ti, Fe, SiO₂.

Il polimorfismo provoca variazioni nelle proprietà dei materiali (volume, densità, etc.).

Le trasformazioni allotropiche comportano una variazione di volume, che porta alla formazione di stress residuo nel materiale, che possono indurre fratture nei materiali fragili.

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Spazi interstiziali

Sono degli spazi vuoti che non sono occupati da atomi.

Essi possono essere di due tipi: tetraedrici e ottaedrici.

In questi spazi si possono inserire altri atomi (es. nel ferro si possono inserire atomi di carbonio).

Oltre ad aggiungere atomi, possiamo anche sostituirli (soluzioni solide sostituzionali).

Interstizi tetraedrici: sono vuoti formati dall’addensamento di tre sferette che giacciono su uno stesso piano e un’altra appoggiata su quelle precedenti (piramide).

Si forma uno spazio che può essere descritto come un tetraedro in grado di ospitare un atomo di piccolo diametro.

Interstizi ottaedrici: sono vuoti formati dalla sovrapposizione di due terne di sferette sfalsate tra loro di 60°.

Se metto un atomo in uno spazio vuoto e conto quanti atomi ha vicino, posso dedurre che:

• Se gli atomi vicini sono 4, ho un interstizio tetraedrico.
• Se gli atomi vicini formano un ottaedro, ho un interstizio ottaedrico.

Secondo il tipo di difetto, le proprietà possono cambiare.

Ad esempio nel reticolo CCC ci sono molte lacune ottaedriche e anche tetraedriche. Difetto in (1/2, 1/2, 0) e in (1/2, 1/4, 0).

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Nel reticolo CFC:

Strutture cristalline dei ceramici

Rispetto ai metalli si ha una maggior varietà di strutture cristalline;

I parametri di cella sono maggiori a causa della repulsione fra ioni e questo implica una densità inferiore.

I piani reticolari a maggior distanza e minore impacchettamento; ciò influenza le proprietà meccaniche.

Qui la disposizione degli ioni è determinata principalmente dai seguenti fattori:

1. La dimensione relativa degli ioni nel solido ionico
2. La necessità di bilanciare le cariche elettrostatiche per mantenere la neutralità elettrica del solido.

I solidi ionici sono costituiti da cationi (+) e anioni (-). I cationi (che tendono a perdere elettroni) sono normalmente più piccoli degli anioni con cui si legano. Il numero di anioni che circondano un catione centrale è chiamato numero di coordinazione (CN). Per ottenere una struttura stabile, il maggior numero di anioni deve circondare il catione centrale.

(+) rosa, (-) bianchi.

La prima e la seconda figura indicano un equilibrio stabile. La terza figura indica un equilibrio instabile, causato dal non equilibrio elettrostatico: la r