Tecnologia dei materiali e chimica applicata

Materiali Tradizionali

• Materiali (legno, marmo, argilla, fibre naturali)
• Tecniche (impurità e tradizioni)
• Leghe e fibre metalliche, cementi e malte, sistemi più o meno facilmente ed ottimizzati in base ai problemi.
• Identificazione delle proprietà, misurazione di queste.

Esempio

Legge di Hooke: Costante -- 100 cm

• Sforzo/deformazione = E

In passato ci si basava sulla esperienza: conoscevamo i materiali e le proprietà ma non le basi che li spiegavano.

Sviluppo di nuovi materiali è stato possibile grazie ad una classificazione chimica e strutturale dei materiali.

• Progettazione di nuovi materiali diventa una scienza: sapendo di ciascuna una determinata proprietà, modifico strutturalmente il materiale per ottenerla.

La Struttura dei Materiali

• Cos'è?
• Come si osserva? Si comincia a conoscere la struttura con l'aiuto della microscopia ottica e la diffrazione dei raggi X.

• Cosa se ne deduce?

Scienza dei Materiali

Struttura → Proprietà

Scienza e Ingegneria dei Materiali

Struttura → Proprietà

• Processo → Materiale → Proprietà
• Prestazioni
  • Determinante delle condizioni in cui il materiale viene impiegato
  • Metodo per modificare i materiali secondo le esigenze

Scienza dei materiali: studia le relazioni tra struttura e proprietà dei materiali

Ingegneria dei materiali: si serve delle correlazioni tra struttura e proprietà per progettare ed ingegnerizzare le strutture per ottenere di proprietà desiderate

Struttura: organizzazione e interazione tra componenti interni

Strutture subatomiche: interazione tra elettroni e nucleo

Strutture atomiche: interazioni tra atomi e/o molecole

Strutture microscopiche: elevato numero di atomi aggregati, visti con microscopi

Struttura macroscopica: elementi della struttura, vista ad occhio nudo

Proprietà meccaniche, strutture, termiche, magnetiche, ottiche e degrado

Classi di materiali

• metalli
• ceramici
• polimeri
• compositi
• semiconduttori
• biomateriali

→ formati da due o più delle altre tipologie

Programma

Struttura dei materiali

• Struttura cristallina
• Difetti nei solidi cristallini
• Stato amorfo

Termodinamica dei materiali

• Diagrammi di equilibrio
• Termodinamica delle superfici

Aspetti cinetici → mobilità atomica

trasformazioni di fase

sviluppo della microstruttura nei materiali

Compito

Proprietà

• meccaniche
• termiche e termomeccaniche
• chimiche (corrosione e degrado)
• ottiche (ed elettriche)

Classi di materiali

• metalli
• ceramici
• polimeri di uso edilizio
• compositi

Processi di produzione (cenni)

1_a U = K/r₁

2_a U = Mμ/r₁r₂

3_a U = K/r₂

Possiamo notare che l'atomo diverso intensità a seconda della distanza.

Legame idrogeno:

Questi legami si dicono così particolari perché, passando dallo stato liquido a quello solido aumenta di volume, quando in genere il passaggio comporta maggior ordine e quindi minor volume

Per di più, essendo legame durevole, è tra quelli dotati di più forza.

Anche l’ossigeno ha gli orbitali SP3

Si tratta di un legame covalente, quindi durevole

- H - H + O

- Perciò si rappresenta : H H _O H

C'è una concentrazione maggiore di elettroni nel lato dell'ossigeno perché gli 8 e- sono condivisi, quindi c'è una carica negativa parziale intorno all'ossigeno (si tratta di un dipolo permanente)

● I legami deboli sono fondamentalmente nei polimeri

RICORDA:

• I legami non sono mai totalmente ionici o covalenti
• Più il legame è forte comporta un punto di fusione elevato

STRUTTURE CRISTALLINE DEI SOLIDI

Strutture cristalline: atomi ordinati di cui è la maggior parte dei solidi

• Monocristalli: [diffratte] tutti gli atomi secondo un ordine
• formano formati piani orientati alla stessa maniera
• policristallini:
• atomi diversi che formano piani con diverse orientazioni

RetICOLI di Bravais: vogliono disporre gli atomi in maniera ordinata in modo che ogni punto (che rappresenta un atomo) abbia lo stesso intorno di ogni altro punto

Es. ci sono solo 14 modi di disporre gli atomi e qualsiasi struttura cristallina si dedica così

Cellula unitaria: la più piccola unità ordinata ripetitiva di un cristallino

Es. primitivo:

cellula unitaria che ha atomi solo agli spigoli

Per vedere se c'è una dislocazione costruisco un circuito:

se il circuito si chiude è tutto apposto, se non si chiude c'è una dislocazione.

vettore di Burgers indica la presenza di un difetto e si posiziona perpendicolarmente a questo.

Dislocazioni circolari (a vite o a elica) sono più difficili da vedere.

In questo caso il vettore di Burgers si pone parallelamente alla dislocazione.

In questo caso se applico una forza lo spostamento avverrà non più parallelamente ma perpendicolarmente.

• può comunque cambiare piano

* Nella realtà spesso non è puramente lineare o elicoidale ma entrambi.

Non solo le dislocazioni si muovono ma possono interagire tra di loro

Si sviluppa compressione [-]

Si sviluppa trazione [+]

Quando si intrecciano

Modello di Zachariasen (1932)

Spiega quali materiali a seconda delle caratteristiche diano vetro.

1. 6 non vale per tutti i vetri ma per la maggior parte dei vetri ossidi.
2. Il numero di coordinazione deve essere minore o uguale a 4.
3. Nessun ossigeno deve essere legato a più di due cationi.
4. I poliedri di coordinazione possono avere in comune vertici, non spigoli o facce.
5. Gli atomi possono dare coordinazione almeno tra vertici.

ESEMPIO

Nel vetro da pasta R rompe l'ossido di sodio o calcio

e l'ossigeno non conta più due silici e la sua carica deve essere compensata con Na⁺.

Si₃O₅^- → Na⁺ O Si^-

Questi abbassano la temperatura di transizione vetrosa, decompattando il reticolo con un enorme più debole

(costa meno per solidificare il vetro a 550 °C che a 1000 °C)

* Si usa il calcio per stabilizzare (remotalizza) perché il vetro solo di sodio si sciogliebbe in acqua

su questa base Zachariasen fa studio sui ossidi.

Fornitore: [SiO₄] da solo danno vetro

Modificatori: sodio, calcio da sé, si stratificano, ma in un vetro ne modificano il reticolo.

Intermedi: Gallino, vanadio di sé, non danno vetro, ma possono aiutare a modificare la parte del reticolo del vetro.

Stasi da cristallizzazione, quando si staziona una parte su un minimo

Curva di cristallizzazione, traccia la tangente a questa dalla temperatura di fusione V_cr = (_Tm - _Tn)_tm