Classificazione dei materiali

Classificazione dei materiali

• I materiali si possono classificare in base a:
  • Tipo di legame chimico
  • Struttura (cristallina o amorfa)
  • Proprietà
  • Applicazioni

Classificazione per applicazioni

• Materiali strutturali: vengono utilizzati per sostenere un carico.
• Materiali funzionali: vengono utilizzati per ogni altra applicazione come materialli elettrici, ottici, magnetici, per elettronica.
• Esistono materiali per:
  • Elettronica
  • Meccanica
  • Energia
  • Biomedicina
  • Edilizia
  • Industria alimentare

Classificazione per proprietà

• Le classi di materiali di interesse ingegneristico sono:
  • Metalli
  • Ceramici
  • Polimeri
  • Compositi

Materiali metallici

• Generalmente i metalli sono:
  • Opachi
  • Riflettono la luce
  • Elevata resistenza meccanica (quelli di interesse ingegneristico)
  • Rigidi
  • Duttili (si piegano prima di rompersi)
  • Conduttori di calore ed elettricità
  • Resistenti agli sbalzi termici
  • Di norma allo stato cristallino
  • Facilmente lavorabili.
• Sono composti da uno o più elementi metallici (Fe, Cu, Al, Ni, Ti), con l'aggiunta di alcuni elementi non metallici (C, N, O).
• I metalli e le leghe sono suddivisi in due classi:
  • Metalli e leghe ferrose, contengono un'elevata percentuale di ferro (gli acciai e le ghise).
  • Metalli e leghe non ferrose, non contengono ferro o ne contengono piccole quantità (Superleghe a base di Ni, Fe-Ni-Co).

Materiali ceramici

• Generalmente i ceramici sono:
  • Fragili
  • Rigidi
  • Ad elevata durezza
  • Isolanti elettrici e termici
  • Refrattari e resistenti ad alte temperature
  • Chimicamente inerti anche in ambienti aggressivi
  • Comprendono i vetri e i leganti
• I ceramici sono materiali inorganici costituiti da elementi metallici e non metallici.
• Sono costituiti da composti (ossidi, carburi, nitruri, ..)(Al2O3, SiC, Si3N4,...).
• Possono essere:
  • Cristallini (ceramici propriamente detti)
  • Non cristallini (vetri)
  • Parzialmente cristallini (vetroceramici).

Vetri

• I vetri sono materiali amorfi ottenuti per progressivo irrigidimento di un liquido che non ha cristallizzato durante il raffreddamento.
• Un materiale amorfo è caratterizzato da una organizzazione spaziale priva di ordine geometrico a lungo raggio.
• Definizione che comprende, oltre ai vetri tradizionali, tutte le sostanze che in opportune condizioni realizzano lo stato vetroso (polimeri, composti organici, soluzioni acquose di acidi, alcuni sali, ecc..)
• Il vetro così ottenuto è caratterizzato da un'organizzazione spaziale con un alto grado di disordine a lungo raggio, analogamente al liquido da cui ha avuto origine.
• In un solido cristallino il passaggio dallo stato solido a quello liquido avviene in modo discontinuo in corrispondenza di una temperatura ben precisa (temperatura di fusione).
• In un solido amorfo (vetro) il passaggio allo stato liquido avviene per progressiva e continua diminuzione di viscosità durante il riscaldamento, fino a completo scorrimento.
• I materiali ceramici costituiscono una classe di composti inorganici, essenzialmente non metallici, che trovano impiego in vastissima gamma di applicazioni, a seconda delle proprietà che possiedono.
• I materiali ceramici sono usati in applicazioni come:
  • Materiali da costruzione
  • Utensili da taglio
  • Componenti per applicazioni ad alta temperatura
  • Materiali per elettronica
  • Ottica
  • Bioceramici
• Vengono utilizzati in vari ambiti dell'edilizia, a seconda delle caratteristiche e delle proprietà (laterizi, gres, le piastrelle ed il cemento).
• Vengono usati per utensili da taglio e abrasivi (troncatrici e smerigliatrici in ceramico).
• Trovano impiego nelle applicazioni ad alta temperatura (crogioli, forni in mattoni refrattari e scambiato di colore in SiC).
• I materiali ceramici vengono utilizzati in numerose applicazioni in elettronica come isolanti elettrici, sensori, transduttori, attuatori, capacitori per accumulo di energia, risonatori e superconduttori. Essendo usati come isolati elettrici, semiconduttori, conduttori ionici, elettroliti solidi.
• Ceramici sono anche i sensori e attuatori piezoelettrici usati per esempio nei sensori per airbag e parcheggio, negli atomizzatori, nei sonar poiché generano ultrasuoni, negli apparecchi ecografici, negli atomizzatori, nei microfoni, negli accendini.
• I bioceramici possono essere impiantati nel corpo umano in modo sicuro.
• Trovano applicazione soprattutto in chirurgia ortopedica ed odontoiatrica e si dividono in:
  • Inerti: Al2O3 e compositi Al2O3-ZrO2, impiegati nelle protesi ortopediche d'anca e di ginocchio.
  • Bioattivi: idrossiapatite, che si lega chimicamente all'osso, e biovetri, che stimolano la rigenerazione ossea
  • Riassorbibili: fosfati di calcio e biovetri a base fosfato, che si dissolvono dando spazio alla crescita del tessuto.

Materiali polimerici

• Sono materiali costituiti da lunghe catene o reticoli di molecole organiche (contenenti carbonio).
• Generalmente sono non cristallini, ma in alcuni casi possono essere parzialmente cristallini.
• La maggior parte dei polimeri:
  • Non supporta alte temperature
  • È isolante termico ed elettrico
  • Ha una modesta resistenza meccanica
  • È deformabile plasticamente
  • Alcuni hanno proprietà elastiche (gomma)
  • Sono di buona inerzia chimica

Confronto tra i materiali

• Metalli:
  • Duttili
  • Conduttori
  • Scarsa resistenza chimica
  • Resistenza al calore variabile.
• Ceramici:
  • Fragili
  • Isolanti
  • Eccellente resistenza chimica
  • Resistenti al calore.
• Polimeri:
  • Molto duttili
  • Isolanti
  • Buona resistenza chimica
  • Molto poco resistenti al calore.

Materiali compositi

• Sono sistemi eterogenei, costituiti da una matrice di tipo ceramico, polimerico o metallico in cui si trova dispersa una seconda fase (fibre o particelle), dotati di proprietà che non possono essere garantite dai singoli costituenti.
• Si classificano in base al tipo di matrice in:
  • Compositi a matrice metallica
  • Compositi a matrice polimerica
  • Compositi a matrice ceramica
  • Compositi a matrice vetrosa o vetroceramica
• Le fibre nella matrice possono essere:
  • Fibre (lunghe o corte)
  • Particelle
• Tipi di Composititi:
  • Polimero + Fibre di vetro/carbonio/polimero: Composito a matrice polimerica leggero con un'alta resistenza alla corrosione e buona resistenza meccanica
  • Metallo + ceramico: Composito a matrice metallica duttile che resiste agli urti grazie al ceramico.
  • Ceramico + ceramico: Composito a matrice ceramica che resiste ad alte temperature e carichi ma non è fragile.
• Si utilizzano nell'edilizia come:
  • Cemento + acqua + sabbia + aggregati = calcestruzzo
  • Calcestruzzo armato
  • Ponte in composito a matrice polimerica.
• Si utilizzano in:
  • Aerei, treni e automobili
  • Aerospaziale
  • Energia
  • Biomateriali
  • Sport.

Tipi di legame

• Solidi ionici (es. MgO, NaCl, gesso): sono tenuti insieme da attrazione elettrostatica fra cationi e anioni (non direzionale).
• Solidi metallici (metalli puri e le loro leghe): atomi legati insieme da legame metallico (non direzionale).
• Solidi covalenti (diamante, carburi, nitruri): atomi legati da legami covalenti (legame direzionale).
• Solidi molecolari (es. polimeri): insiemi di molecole vincolate nella loro posizione da legami intermolecolari deboli (legame direzionale).
• Il legame secondario risulta dall'interazione di dipoli atomici o molecolari ed è debole.
• Non coinvolge trasferimenti di elettroni (legame fisico).
• Tipi di legame secondario:
  • Legami a dipolo indotto fluttuante
  • Legami a dipolo permanente.
• Caso molto frequente: legami misti.
• Alcuni tipi di legami sono:
  • Ionico-covalente (es. alcuni ceramici, semiconduttori GaAs, ZnS).
  • Metallico-covalente (Si e Ge).
  • Metallo-ionico (composti intermetallici Al- Co, Fe- Zn).
• Il tipo di legame, la sua direzionalità e la sua forza determinano la struttura e molte delle proprietà dei materiali:
  • Temperatura di fusione
  • Espansione termica
  • Conducibilità termica
  • Proprietà meccaniche (modulo elastico, duttilità, tenacità)
  • Proprietà elettriche.
• La temperatura di fusione è direttamente proporzionale alla forza di legame.
• Tfus: Polimeri < (metalli, ceramici).

Tipologia di struttura

• Solidi amorfi (vetri e polimeri):
  • Disposizione DISORDINATA degli atomi o delle molecole, paragonabile a quella dei liquidi (ordine a corto raggio) e di Proprietà ottiche, elettriche e meccaniche ISOTROPE.
• Solidi cristallini (metalli, ceramici):
  • Disposizione ORDINATA degli atomi, ioni o molecole, secondo un ben preciso reticolo cristallino (ordine a lungo raggio).
  • Il reticolo si genera per ripetizione nelle tre dimensioni di una unità strutturale minima, detta cella elementare.
  • Proprietà ottiche elettriche e meccaniche ANISOTROPE (monocristalli) o ISOTROPE (materiali policristallini).
• Fanno eccezione i vetroceramici, alcuni polimeri e compositi che possono presentare sia struttura amorfa, sia cristallina, a seconda delle zone.
• Esistono anche materiali semicristallini.

Questa lezione descrive come classificare i materiali in base al tipo di legame chimico, alla struttura, alle proprietà e alle applicazioni. Esplora le diverse classi di materiali di interesse ingegneristico, inclusi metalli, ceramici, polimeri e compositi. Approfondisce le proprietà dei materiali metallici.