Vetro e ceramica - appunti per esame di Materiali e componenti per il design

⇒I

Nei ceramici tradizionali, le materie prime si trovano sotto forma di minerali di argilla e di silice

(sabbia di quarzo).

maggioranza dei casi si tratta di silicati – composti a base di silice (SiO2) e

⇒Nella

alluminosilicati – allumina (Al2O3) più silice.

Forti legami chimici primari.

●​ Sono fra i materiali più resistenti, duri e maggiormente refrattari.

●​ Hanno bassa conducibilità termica ed elettrica (ottimi isolanti).

●​ Fragilità

●​ Stabilità chimica

●​

Nella foto: polveri ceramiche

I materiali ceramici sono prodotti a partire da polveri mediante un processo di cottura

(vetrificazione).

Per i materiali ceramici avanzati si parla di sinterizzazione.

Nella foto: polveri ceramiche

I ceramici tradizionali si ottengono a partire da materie prime che si trovano in natura.

Nella foto: Mattonelle ceramiche, Porta di Ishtar

Le materie prime utilizzate nella produzione di materiali ceramici ricadono in tre gruppi:

1)​ ARGILLA

2)​ SILICE (inerte)

3)​ FELDSPATI (fondenti)

Nella foto: struttura della caolinite

I materiali ceramici tradizionali si suddividono in:

1.​ Ceramiche bianche

2.​ Prodotti strutturali a base di argilla (mattoni, piastrelle)

3.​ Refrattari

4.​ Abrasivi

5.​ Cemento

Formatura

Le principali tecniche sono:

1)​ La pressatura

2)​ l’estrusione

3)​ La colata a impasto umido La scelta del metodo di formatura condiziona il

⇒

contenuto di acqua nell’impasto. Impasti molto liquidi si chiamano «barbottine»

Formatura al tornio

Se il ceramico cotto è poroso e si desidera renderlo impermeabile bisogna smaltarlo

Ceramiche bianche

Ceramiche bianche: caolino + silice + feldspato.

porcellane sono ceramiche bianche vetrose.

⇒Le colore bianco, impervietà a fluidi, bassa conducibilità elettrica, inerzia

⇒Caratteristiche:

chimica, e possibilità di essere prodotte in forme complesse.

Ceramici avanzati dalle altissime prestazioni.

⇒Ceramici

​ elettricità meglio dei metalli, possono assumere le colorazioni che desideriamo

⇒Conducono

«un materiale inorganico, non metallico, principalmente cristallino di composizione

rigorosamente controllata, prodotto secondo dettagliare regole da materie prime purificate

e/o caratterizzate in modo estremamente accurato che presentano specifiche

caratteristiche»

Struttura ingegnerizzata cottura avviene mediante sinterizzazione allo stato solido

⇒La

ALTRI IMPIEGHI

SMART MATERIALS

“Vengono definiti intelligenti, in inglese smart materials, quei materiali in grado di reagire con

l’ambiente e di rispondere ai cambiamenti che in esso avvengono modificando una o più

delle loro proprietà (meccaniche, ottiche, elettriche, magnetiche, chimiche o termiche)

La scoperta degli «SM»

La scoperta, che avvenne alla fine del XX secolo, di nuove classi di materiali come i “materiali

intelligenti” (smart materials, abbreviato con SM) e i nanomateriali, ha portato ad una serie di

applicazioni tecnologiche e di ricerche di base che dominano largamente l’attuale sviluppo

della scienza dei materiali.

scoperte hanno aperto la strada ad un nuovo modo di progettare e realizzare

⇒Queste

materiali sintetici.

Tutti i materiali subiscono modifiche quando esposti a variazioni nel loro ambiente.

Smart material e spazio

L’industria aerospaziale ha dato un forte impulso a questo tipo di soluzioni progettuali, in

quanto è proprio in ambito spaziale, dove l’intervento umano è estremamente difficile, che

l’impiego di strutture con capacità di autodiagnosi, auto-manutenzione e autoriparazione può

offrire enormi vantaggi.

CLASSIFICAZIONE

Gli smart materials più comunemente impiegati sono:

le leghe con memoria di forma,

●​ le ceramiche piezoelettriche,

●​ i materiali magnetostrittivi e

●​ i fluidi elettroreologici magnetoreologici.

●​

Leghe a memoria di forma

Le leghe con memoria di forma (LMF, Shape Memory Alloys, SMA, memoria metallica) sono

metalli che a una certa temperatura, dopo essere stati deformati, riprendono la forma

originaria. Nella foto: Nitinol

SMA subiscono una trasformazione quando vengono portate dalla loro configurazione

⇒Gli

più rigida ad alta temperatura (Austenite), alla configurazione a più bassa temperatura

(Martensite). Nella foto: Vista microscopica del processo di memoria di forma.

primi a scoprire questo fenomeno furono Chang e Read (Columbia University, USA) nel

⇒I

1932; essi notarono la reversibilità della trasformazione nella lega AuCd (oro-cadmio) tramite

osservazioni metallografiche e variazioni nella resistività.

La vera scoperta la fece William Buehler nel 1960. ​

osservò la stessa caratteristica nella lega nichel-titanio (ribattezzata

⇒Egli

successivamente Nitinol) i cui vantaggi si rivelarono essere:

maggiore deformazione recuperabile (8% contro il 4-5%)

●​ stabilità termica

●​ miglior resistenza alla corrosione

●​ maggior duttilità (soprattutto in fase martensitica)

●​

Gli SMA trovano applicazione in svariati settori, da quello automobilistico, in cui

rappresentano il futuro per dei nuovi «scheletri» delle auto, al campo aerospaziale e nel

prossimo futuro un loro impiego è previsto per i beni di consumo e nelle applicazioni

medico-chirurgiche

V/a.g.r.a. (Romolo Stanco )

Le potenzialità espressive di materiali animati e reattivi come le leghe a memoria di forma

applicati da Romolo Stanco già diversi anni fa in un pionieristico progetto strutturale

sviluppato in collaborazione con il CNR – hanno stimolato l’intuizione progettuale, l’ideazione

di ‘lampade animate”, oggetti embrionali e morfo -organici che prendono vita, si muovono e

reagiscono come esseri viventi sollecitati dalla luce.

Arsenio (Romolo Stanco)

a sospensione (da soffitto) di V/agra con 20 proboscidi in materiale tessile nella

⇒Versione

versione “Dreadlocks” che guardano verso il basso a luce spenta e si muovono e prendono

forma nello spazio muovendosi ininterrottamente e casualmente all’accensione della luce.

Hanabi

Realizzata con una lega a memoria di forma.

lampada 'sboccia' al calore della luce, ogni volta che viene accesa. Progetto dello

⇒Questa

studio Nendo

Polimeri a memoria di forma

Rispetto agli SMA, i polimeri a memoria di forma (SMP: Shape Memory Polymers) hanno una

reazione diversa: in un delta di temperatura T, che è compreso tra la temperatura di

deformazione permanente e lo stato vetroso, possiamo deformare il materiale e fissare la

nuova forma congelandolo; riscaldandolo poi nuovamente ritorna alla sua forma originaria.

Come le precedenti leghe a memoria di forma, anche i polimeri a memoria di forma vengono

impiegati nel settore medicale/biomedicale anche per la caratteristica biodegradabile di

alcuni.

ambito industriale stanno prendendo piede come materiali di auto-riparazione; vengono

⇒In

studiati anche in ambito architettonico/design (come pareti mobili che respirano), in quello

tessile (come tessuti che tengono regolata la temperatura corporea) o in ambito

aerospaziale

L’osso bionico made in Italy

I ricercatori dell’Università di Milano-Bicocca, in collaborazione con l’Imperial College di

Londra, hanno brevettato un materiale autoriparabile, biocompatibile e dinamico, per l’utilizzo

nell’ambito della medicina rigenerativa.

La pinza «morbida»

Per offrire una dimostrazione di una semplice applicazione per le strutture a memoria di

forma, Fang e i colleghi (MIT e Singapore University of Technology and Design) hanno

stampato una piccola pinza morbida a forma di artiglio prensile: le piccole appendici

dell'artiglio vengono ripiegate all'indietro e quando la temperatura dell'aria viene portata ad

almeno 40 gradi, esse si richiudono sull'oggetto - una piccola vite - che gli ingegneri hanno

posto sotto di esso.

Effetto piezoelettrico

La piezoelettricità è una caratteristica di alcuni cristalli che, quando sono sottoposti a forze

meccaniche, sviluppano cariche elettriche sulla loro superficie (effetto piezoelettrico diretto) e

viceversa, si espandono o si contraggono in risposta a una differenza di potenziale applicata

(effetto piezoelettrico inverso). Nella foto: Struttura cristallina di un materiale piezoelettrico

(piombo -zirconato di titanio).

Esempio: accendigas

L’accendino piezoelettrico riesce, con questa “nuova” tecnologia, a creare una scintilla senza

necessitare di una fonte di elettricità o di una pietra focaia, in quanto la corrente necessaria

deriva direttamente dalla pressione del “tasto”

Altri esempi di materiali smart

Esistono moltissimi altri esempi di smart materials che sono tuttora in fase di sperimentazione

e test; nelle slide successive verranno mostrati alcuni esempi applicati al design e alla

robotica.

Calcestruzzo autoriparante

La ricerca del prof. Hendrik Marius Jonkers, dell’Università di Delft in Olanda, ha portato alla

creazione di un calcestruzzo biologico in grado di riparare quelle fessure che esporrebbero

la matrice cementizia agli agenti atmosferici con conseguente attacco ai ferri d’armatura. Le

fessure vengono riparate da batteri che si attivano in presenza di acqua e producono

calcare.

Materiali autopulenti

La meravigliosa capacità della pianta del loto di respingere lo sporco ha ispirato un'intera

gamma di tecnologie antibatteriche e di autopulizia, che potrebbero servire in svariate

applicazioni. NanoSeptic® from NanoTouch Materials

lavora da molti anni per l’introduzione degli smart material nel settore automotive,

⇒BMW

con svariate applicazioni che vanno dal tessile, alle superfici di carrozzeria, alla moda.

Active Auxetics

Sperimentazioni sui materiali auxetici sottoposti a calore.

materiali auxetici (es. goretex) se sottoposti a trazione si espandono in tutte le direzioni,

⇒I

mentre quando compressi si restringono in tutte le direzioni.

Auxetic Materials, sviluppati al MIT Self Assembly Lab

⇒Heat-Active

Bio Robot Refrigerator (Electrolux)

Dall'idea del designer russo Yuriy Dmitriev nasce un sistema innovativo di refrigerazione

basato su un gel speciale, fatto di bio-polimeri che usano la luminescenza per preservare i

cibi. Una volta inseriti i cibi si raffreddano e rimangono sospesi.

Ferrofluid

Un ferrofluido è un liquido che si polarizza fortemente in presenza di un campo magnetico.

ferrofluidi sono composti di particelle ferromagnetiche sospese in un veicolo fluido, molto

⇒I

spesso un solvente organi