Classificazione dei Materiali e Tecnologie

Introduzione

• L'uomo ha sempre utilizzato i materiali per soddisfare le sue esigenze e migliorare la qualità della vita.
• L'utilizzo dei materiali ha segnato diverse epoche: Età della Pietra, Età del Bronzo, Età del Ferro, Età del Rame.
• Da materiali naturali come pietra e metalli, si è passati a materiali sintetici come silicio, bioplastiche e compositi.
• La crescita esponenziale della disponibilità dei materiali dal 1900 ha portato ad un enorme progresso tecnologico.

Classificazione dei Materiali

• I materiali possono essere classificati in base a:
  • Natura chimica: Metallici, Ceramici, Polimerici.
  • Uso finale: Strutturali (proprietà meccaniche) e Funzionali (risposta a stimoli esterni).
  • Ordine delle particelle: Cristallini (disposizione ordinata) e Amorfi (disposizione disordinata).
  • Tecnologia produttiva.
  • Proprietà elettriche: Conduttori, Isolanti e Semiconduttori.

Materiali Metallici

• Composti da metalli o leghe metalliche (miscele di due metalli o di un metallo e un non metallo).
• Si distinguono due tipi:
  • Fe e le sue leghe: Acciaio e ghisa (leghe di ferro e carbonio).
  • Altri metalli e leghe.

Solidi Cristallini e Solidi Amorfi

• Solidi Cristallini:
  • Particelle disposte in modo ordinato e ripetitivo nel reticolo cristallino (ordine a lungo raggio).
  • Esempi: Metalli, Leghe metalliche, Ceramici.
  • Caratteristiche:
    • Termodinamicamente stabili.
    • Temperatura di fusione netta.
    • Anisotropia (proprietà variano a seconda della direzione).
    • Spettro di diffrazione a RX con picchi caratteristici.
• Solidi Amorfi:
  • Particelle disposte in modo disordinato (ordine a corto raggio).
  • Esempi: Polimeri, Vetri, Ceramici.
  • Caratteristiche:
    • Metastabili (non dovrebbero esistere termodinamicamente).
    • Temperatura di fusione non ben definita (temperatura di rammollimento).
    • Isotropia (proprietà indipendenti dalla direzione).
    • Spettro di diffrazione a RX senza picchi caratteristici.

Solidi Cristallini

• Le particelle in un solido cristallino sono disposte in modo ordinato e ripetitivo, con simmetria (rotazione o traslazione).
• Il reticolo cristallino rappresenta la disposizione geometrica degli atomi, dove ogni atomo può essere sostituito da un punto.
• La cella elementare è la porzione di reticolo che contiene tutte le informazioni necessarie per riprodurre l'intero reticolo per traslazione.

Solidi Ideali Ionici

• Il legame ionico si forma tra elementi con elevata differenza di elettronegatività, formando anioni e cationi.
• Caratteristiche:
  • Temperatura di fusione elevata.
  • Solubili in acqua.
  • Ottimi conduttori di corrente.
  • Anisotropia.
• La struttura dei solidi ionici è determinata da:
  • Vincolo di neutralità: bilanciamento delle cariche elettriche.
  • Rapporto tra i raggi ionici: esiste un valore critico per la stabilità del solido.
• Il numero di coordinazione dipende dal rapporto dei raggi ionici, definendo il numero di anioni a contatto con il catione (Regola di Magnus).

Solidi Ideali Metallici

• Il legame metallico è caratterizzato da una nube di elettroni liberi che circonda i cationi nel reticolo.
• Caratteristiche:
  • Temperatura di fusione alta.
  • Densità elevata.
  • Buona conducibilità elettrica e termica.
  • Elevata duttilità (deformazione senza rottura).
• I difetti nel reticolo cristallino sono causati da diverse condizioni, e si classificano in base alle dimensioni:
  • Puntiformi: riguardano un singolo sito reticolare (0 dimensioni).
  • Lineari: si estendono lungo una direzione (1 dimensione).
  • Planari o di superficie: interessano una superficie (2 dimensioni).
  • Volumetrici: interessano un volume (3 dimensioni).

Difetti Puntiformi

• I difetti puntiformi possono essere:
  • Intrinsici:
    • Vacanze: posizioni reticolari vuote.
    • Auto interstiziale: atomo dello stesso elemento in posizioni non previste.
  • Estrinseci:
    • Sostituzionali: atomi di un elemento diverso occupano un sito del materiale ospitante.
    • Interstiziali: atomi di un elemento diverso occupano posizioni interstiziali.
• I difetti puntiformi causano distorsioni nel reticolo e modificano le proprietà del materiale.
• Esempi di difetti puntiformi:
  • Leghe metalliche.
  • Drogaggio del silicio.