Tecnologia dei materiali

Introduzione

Per iniziare diamo innanzitutto alcune definizioni:

• Sostanza: qualità di materia con composizione chimica ben definita (esprimibile con una formula)
• Materia: termine generico che si riferisce a tutto ciò che ha una massa
• Materia Prima: materia fornita dalla natura che nei processi industriali serve come partenza per le successive lavorazioni
• Materiale: materia solida con cui possono essere costruiti degli oggetti, anche con più sostanze. Inoltre, deve rispondere a precise peculiarità in base alle caratteristiche che sono richieste.

La struttura di una sostanza fa riferimento alla disposizione interna dei suoi componenti (atomi, molecole) a livello macro e microscopico. Ogni tipologia di sostanza è caratterizzata da determinate proprietà che ne determinano le fasi e le ampiezze di risposta. Sulla base di queste definiamo poi le prestazioni del materiale in base ai rendimenti forniti dal materiale.

Stati fisici della materia

Gli stati fisici che può assumere la materia sono:

• Solido
• Liquido
• Gassoso

Strutture solide

All'interno dello stato solido possiamo distinguere due tipologie di strutture:

• Amorfo
  • Inorganici (vetri o materiali metallici vetrosi)
  • Organici (polimeri o bitume)
• Cristallino
  • Monocristallini (molto costosi quindi poco usati)
  • Policristallini

Detto questo definiamo:

• Microstruttura, ovvero l'insieme delle caratteristiche geometriche e quantitative delle fasi presenti nel materiale compresi vuoti e difetti. Essa è il risultato delle modalità di produzione del materiale
  
  • Omogenea: se è costituita da un'unica sostanza oppure da più ma solubili allo stato solido.
  • Eterogenea: se è costituita da componenti insolubili tra loro, formanti quindi un sistema polifasico.

Classificazione dei materiali

Sono suddivisi, i materiali, in 3 macroaree:

• Metallici: Prevalentemente costituiti da elementi chimici a carattere metallico. Sono buoni conduttori del calore e dell'elettricità. Presenti legami metallici.
  • Metallici Ferrosi (Ferro, Acciaio e Ghise)
  • Metallici Non Ferrosi (Alluminio, Rame..)
• Ceramici: prevalentemente composti da ossidi e silicati, sono duri ma fragili e non conducono né calore né elettricità, resistono ad ossidazione e alte temperature (mattoni, piastrelle..). Presenti legami covalenti o ionici che giustificano l'elevata durezza.
• Polimerici: Sono costituiti da composti organici macromolecolari, sintetici o naturali. Caratterizzati da basse densità prevalentemente composti di C e H. Presenti legami covalenti tra C ed H mentre tra le macromolecole si presentano legami deboli come Van der Waals conferendo basse proprietà meccaniche.

Nuove classi di materiali

Nuove classi di materiali che possiamo definire sono:

• Compositi, creati unendo più materiali. Vengono progettati in modo da ottenere la migliore combinazione delle proprietà dei diversi materiali componenti.
• Semiconduttori, sono dotati di proprietà elettriche intermedie tra quelle dei conduttori elettrici e degli isolanti.
• Biomateriali, usati per impianti nel corpo umano.

Classificazione dei materiali solidi in base alle proprietà

• Materiali magnetici
• Conduttori, semiconduttori e isolanti
• Luminescenti
• Resistenti alla corrosione

Struttura degli atomi e legami chimici

L'atomo è l'unità di base di tutta la materia che ci circonda e di cui anche noi siamo fatti e le principali particelle che le formano sono:

• Protoni
• Neutroni
• Elettroni

Il numero atomico indica il numero di protoni nel nucleo dell'atomo di un elemento mentre la massa atomica è la massa in grammi 6.023*10²³ atomi (n° di Avogrado). Definiamo anche l'unità di massa atomica (uma) pari ad 1/12 della massa di un atomo di carbonio. Infine esplicitiamo il grammo-mole come la quantità di tale elemento che ha una massa espressa in grammi, pari alla massa atomica molare relativa di quell'elemento.

Struttura elettronica

In meccanica quantistica, il modello di Bohr è il modello che viene adottato per poter spiegare la disposizione degli elettroni attorno al nucleo all'interno dell'atomo. In tal modello un fotone, ovvero una particella nell'atomo priva di carica, senza spin quindi, passa da un anello più interno ad uno più esterno se assorbe energia. Secondo il principio di Indeterminazione di Heisenberg è impossibile determinare con accuratezza nello stesso istante la posizione e il momento di una piccola particella come un elettrone quindi fu necessario passare al modello meccanico ondulatorio. In tal modello si parla di densità di nuvola di carica elettronica orbitale in cui quindi non si definisce una posizione precisa all'elettrone ma si attribuisce una densità di probabilità alle posizioni in cui questo può trovarsi.

L'organizzazione degli orbitali nel metodo meccanico ondulatorio segue il Principio di Pauli ovvero due elettroni non possono mai avere gli stessi valori dei quattro numeri quantici. Il riempimento di questi orbitali prevede di seguire il principio di Hund ovvero facendo un riempimento prima con un elettrone in tutti gli orbitali isoenergetici e poi si passa con la seconda mandata.

L'atomo in prima approssimazione può essere considerato come una sfera di raggio definito, e tale valore è influenzato dalle condizioni al contorno. A sua volta è molto importante per lo studio e la comprensione delle dinamiche interstiziali e sostituzionali. Una caratteristica che contraddistingue tra loro i vari materiali quindi intrinseca di ogni atomo è l'elettronegatività ovvero la capacità di un atomo di accogliere elettroni ed è quella caratteristica che permette di determinare dei legami tra gli elementi chimici.

I legami chimici si determinano tra atomi se lo stato di legame porta ad una diminuzione di energia e quindi ad una maggior stabilità dei due atomi. I legami possono dividersi come:

• Forti
  Se sono tra atomi e coinvolgono forze di 100 o più kcal/mol
  1. Ionici -> atomi legati fra loro grazie a forze di natura coulombiana che comportano l'attrazione tra ioni di carica opposta, generati dal trasferimento di elettroni. Legame non direzionale
  2. Covalenti -> le forze interatomiche si originano dalla condivisione di elettroni per formare il legame di tipo direzionale.
  3. Metallici -> in questo caso gli atomi mettono in comune gli elettroni in modo delocalizzato generando legami non direzionali.
• Deboli
  1. Dipolo Permanente -> forze coulombiane tra dipoli permanenti presenti nella molecola composta da atomi a diversa elettronegatività
  2. Legame ad Idrogeno -> caso particolare di dipolo permanente e si genera tra un H e un atomo fortemente elettronegativo.
  3. Forze di Van der Walls -> forze che si determinano da attrazioni coulombiane deboli generate a loro volta da temporanei dipoli determinata dall'asimmetria di carica elettronica. Variando la simmetria continuamente avremo fluttuazioni forti del legame.

Andiamo un po' più nello specifico, spiegando meglio, le varie tipologie di legame.

Legame ionico

Come già detto questa tipologia di legame non è direzionale e si determina tra elementi spesso molto e molto poco elettronegativi in quanto prevede il trasferimento di elettroni tra un atomo ed un altro. L'atomo molto elettronegativo strappa a quello poco elettronegativo uno o più elettroni determinando un anione e un catione che quindi si attraggono e determinano un legame. Un esempio tipico di questo legame è l'NaCl. La distanza a cui si dispongono i due elettroni è quella che caratterizza un livello di energia netta più basso degli altri. Per questo legame, essendo il numero di coordinazione utilizzato per indicare il numero di atomi direttamente adiacenti ad un singolo atomo, nell'ambito di una definita struttura cristallina.

Il numero di coordinazione in un reticolo non può superare il valore di 12: tale valore si ha per il reticolo cubico a facce centrate e il reticolo esagonale compatto, i quali non a caso presentano un valore di fattore di impacchettamento atomico pari a 0,74, che è il valore massimo ammissibile per reticoli formati da un solo tipo di atomi nel caso in cui gli atomi possano considerarsi sfere rigide avremo che.

Legame covalente

Questa tipologia crea legami direzionali basati sulla condivisione di elettroni tra gli atomi con anche minime gap di elettronegatività. Una pratica che viene attuata in questa tipologia di legami è l'ibridazione che permette di creare legami tra atomi di diversa natura rispettando questa tipologia di legame mettendo perciò in condivisione gli elettroni tra più atomi come nel caso del Metano CH₄ che ibrida come sp³. La distanza tra gli atomi è ancora quella che caratterizza il legame con la minor energia.

Legame metallico

Tutti gli elettroni di ogni atomo sono messi in gioco determinando un mare di elettroni in cui creare i vari legami. Essendo atomi metallici sono bassamente elettronegativi quindi gli elettroni sono facilmente dispersi determinando una rete di elettroni in cui creare i legami metallici. Maggiore è il numero di elettroni di valenza e maggiore è l'intensità del legame.

Legame di dipoli permanenti

Si determina tra molecole caratterizzate da una distribuzione non omogenea delle cariche che fa sì che se le molecole si orientano per la presenza di forze coulombiane si determinano questi legami.

Legame di dipoli fluttuanti

Ancora una volta si creano tra molecole che hanno distribuzioni non omogenee di cariche. Queste distribuzioni sono altalenanti quindi possono variare, variando perciò il legame dipolo.

Stato solido

Solido cristallino

Un solido cristallino è formato dal ripetersi nelle tre dimensioni di una stessa unità fondamentale detta cella elementare. I reticoli fondamentali presenti in natura sono stati schematizzati come 14 da Bravais e divisi in 7 sistemi cristallografici. Ognuno di questi è caratterizzato da delle costanti reticolari che li caratterizzano e quindi li distinguono. Le costanti sono i 3 lati a, b e c ed i 3 angoli α, β e γ. Variando perciò le costanti reticolari avremo la possibilità di ottenere i vari sistemi cristallini.

Le principali strutture cristalline metalliche sono la CCC, la CFC e la EC ovvero:

Struttura CCC

La struttura CCC ovvero la struttura a corpo centrato vede attorno ad ogni atomo 8 atomi e un numero pari a 2 atomi all'interno di ogni cella elementare. Un parametro piuttosto importante è il fattore di compattazione atomico anche denominato come FCA e pari a. Ovvero quindi il rapporto tra il volume degli atomi all'interno e il volume della cella elementare. Detto ciò maggiore sarà l'FCA e maggiore sarà la compattezza della struttura garantendo una struttura più stabile.

Struttura CFC

La struttura CFC ovvero la struttura a facce centrate vede attorno ad ogni atomo 12 atomi e un numero pari a 4 atomi all'interno di ogni cella elementare. Anche in questo caso possiamo determinare l'FCA ottenendo un valore pari a 0.74 quindi una struttura più complessa e stabile della precedente.

Struttura EC

La struttura EC, esagonale compatta, vede attorno ad ogni atomo 12 atomi e l'atomi dentro ogni reticolo. Detto questo calcoliamo l'ennesima volta l'FCA ottenendo di nuovo 0.74 quindi una struttura compatta e stabile quanto la CFC e più della CCC.

Ritornando a parlare delle strutture cristalline definiamo come ogni solido cristallino è caratterizzato da delle specifiche distanze reticolari tipiche di ogni prodotto. La disposizione degli atomi sono state determinate dopo la scoperta dei raggi X che hanno una lunghezza d'onda paragonabile alla dimensione delle celle. Detto questo variando l'angolo di incidenza sul materiale dei raggi X è possibile determinare le varie distanze reticolari. Questo fenomeno si basa sulla diffrazione dei raggi X perché quando un fascio di raggi X colpisce un solido cristallino, possono essere prodotti dei picchi di diffrazioni rinforzati di radiazione di varie intensità.

Nel momento in cui i raggi X vengono sparati sulla superficie vanno a rinfrangersi su questa uscendo dal materiale in fase e rinforzati se MP + PN è pari ad un multiplo della lunghezza d'onda dei raggi X. Sulla base di questo definiamo che quando i raggi escono rinforzati ed in fase conoscendo l'angolo di incidenza abbiamo la possibilità di determinare per ogni materiale le varie distanze reticolari che lo caratterizzano.

Sulla base di questa tecnica si instaura infatti l'analisi della struttura cristallina mediante la tecnica della diffrattometria a raggi X. Tale analisi ci permette di identificare le componenti cristalline presenti in un materiale solido e di analizzare la struttura. L'analisi può essere eseguita sia su polveri che su pezzi di materiali con una superficie piana.

Vediamo alcuni esempi, un'altra caratteristica dei cristalli può essere l'isotropia, ovvero tutti quei cristalli che rispondono con i medesimi comportamenti allo stesso sforzo con direzioni differenti. Sono anisotropi quei solidi che invece rispondono in modo differente allo medesimo sforzo applicato in direzioni. Per definizione un singolo cristallo è anisotropo a causa della disposizione degli atomi nella cella. Nel momento in cui consideriamo la disposizione casuale dei vari cristalli, otteniamo un solido isotropo.

Processi che modificano la costituzione

Il comportamento di un materiale, di un corpo può cambiare se cambia la sua costituzione ovvero se varia la composizione chimica, la struttura cristallina o la morfologia delle fasi che lo costituiscono e le loro distribuzioni. I processi che possono portare ad una modifica dei processi sono:

• Fisici
  • Fusione
  • Polimorfismo o allotropia (transizione da struttura cristallina a un'altra)
  • Diffusione (spostamento del materiale per differenza di concentrazione)
• Chimici
  • Cambiamento della composizione

Temperatura di fusione e temperatura di transizione vetrosa

Come possiamo vedere il vetro, che è un solido amorfo nel passaggio tra lo stato solido e liquido richiede del calore latente per far aumentare il volume specifico cosa che invece non si determina nei cristalli in cui il salto di volume specifico è rapido ed istantaneo alla temperatura di fusione.

Polimorfismo o allotropia

Un materiale può cambiare la sua struttura in base anche alla temperatura a cui questo è sottoposto; fatto esempio dell'acciaio che al variare della temperatura con una precisa percentuale di Carbonio avremo la possibilità di avere più di una struttura che lo caratterizza.

Diffusione allo stato solido

La diffusione allo stato solido è un fenomeno spontaneo di trasporto di materiale che si verifica quando all'interno di un materiale esistono differenze di concentrazione di un suo componente. Il trasporto tende a minimizzare queste differenze ed avviene nonostante che allo stato solido gli atomi tendano a conservare le loro posizioni reticolari. La motivazione principale è la presenza delle vibrazioni che sono presenti negli atomi dovuta al riscaldamento.

Stabilità chimica e durabilità dei materiali

La stabilità chimica dei materiali nei confronti degli ambienti aggressivi è misurata dalla variazione di energia libera corrispondente ad eventuali processi di alterazione. La durabilità non è una grandezza fisica, direttamente misurabile, ma è costituita da un insieme di proprietà chimiche e fisiche che si ripercuotono sul comportamento del materiale. Può portare a problemi economici. Tale diminuzione delle caratteristiche è data da fattori intrinseci (struttura) ed esterni (inquinanti).

Solidificazione e difetti dei cristalli

Materiali Monocristallini

Possono essere ottenuti dei materiali a singolo cristallo. Esso viene prodotto determinando una solidificazione molto lenta del fuso attorno ad un solo nucleo di cristallizzazione. Tale materiale sarà poi anisotropo perché come detto un materiale cristallino è poi isotropo perché la disposizione casuale di cristalli rende il materiale in se isotropo.

Materiale Policristallino

La quasi totalità dei materiali di interesse applicativo è costituita da materiali policristallini, formati da più cristalli orientati in modo diverso. La solidificazione di questi prevede 2 fasi:

• Nucleazione: creazione di nuclei da cui parte la formazione dei vari cristalli
• Crescita: crescita dei singoli cristalli, determinando una struttura a grani.

La nucleazione a sua volta può essere:

• Omogenea: Tipo di nucleazione che si determina in un metallo fuso quando gli atomi dello stesso formano nuclei di cristallizzazione. Questo fenomeno richiede un certo grado di sotto raffreddamento al di sotto della temperatura di fusione affinché si determinino i primi nuclei omogenei. Sulla base di ciò definiamo come un nucleo è un agglomerato di atomi legati tra loro che si forma viene denominato nucleo quando la sua dimensione supera una dimensione critica, mentre viene denominato embrione in caso contrario. L'embrione non è stabile e non danno origine ai cristalli.

Come possiamo vedere dal grafico soprastante...