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Introduzione allaScienza e ingegneria dei materiali

Antonio LicciulliCorso di scienza e tecnologia dei materiali ceramici

Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali

Materiali non metallici

Docente: Antonio LicciulliDepartment of Innovation EngineeringLecce University, Via per Arnesano’ 73100 Lecce’ Italye-mail: [email protected]. 0832 297321fax 0832 297525

CF 5

Durata del corso 40h

Materiale didattico reperibile in Internet:www.ceramici.unile.it

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Orario

11-1315-18Orario

MartedìLunedìGiorno


Testi consigliati

Smith: Scienza e tecnologia dei materiali

M. Collepardi, Il nuovo calcestruzzo, Tintoretto ed.

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Interdisciplinarietà della scienza dei materiali


The classical model of material applicationhas been inverted. We once soughtapplications for materials.

We now have applications driving the creation of materials. We now have design materials for what we need

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Gli scudi termici nei veicoli da rientro orbitale


Approccio bottom up nella scienza dei materiali

La moderna scienza e ingegneria dei materiali, grazie alle conquiste tecnologiche (microscopi elettronici, risonanza magnetica, raggi X) offre un approccio bottom up

I materiali avanzati sono il frutto dell’osservazione e della progettazione ad un livello molecolare e/o nanometrico

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Il binomio resistenza/densità nella storia


I materiali ed economia

Nel passato i materiali sono stati considerati dagli economistiuna variabile esogenal del sistema economico

Lo sviluppo della scienza e del controllo umano sulla “generazione” di nuovi materiali porta a considerare i materiali come variabile endogena del sistema economicoLa generazione e la vita del material viene a dipendere da:

fattori economici quali costo, barriere d’ingresso e barriere d’uscita dal ciclo economicoEsigenza di ottenere caratteristiche e prestazioni

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Price sensitive e price insensitive materials

Insensitive

sensitive


Il ciclo di vita dei prodotti

La fasi del ciclo di vita di un prodotto

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Collocazione dei materiali


Life Cycle of a product

The life cycle of a product starts with raw material extraction, continues with the fabrication of the relevant semi-finished products, includes finishing and assembling of the final product as well as its use and maintenance, and concludes with the end-of-life operations.This last stage includes

recycling of materials and, after adequate treatment, final disposal of waste.

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Life Cycle Thinking

In ogni stadio della produzione vi è un consumo di risorse ed un impatto sull’ambienteLife Cycle Thinking is an approach toaddress and analyze all these activities in regard to risks, opportunities, and valuecreation in order to find the best overallsolutions. It involves internal decision-makers fromR&D, production, marketing, or management, as well as externalstakeholders such as suppliers, retailers, customers, consumers, and the generalpublic. Life Cycle Thinking should enable to

concentrate on sustainability actions thatcan bring the greatest overall benefitsfrom its products, for its long-termprofitability, the natural environment, and global society in general.


Circoli virtuosi e circoli dannosi

L’attuale incremento demografico e l’utilizzo intensivo delle risorse planetarie rendono indispensabile la riconsiderazione dell’intero ciclo di vita dei materiali occorre cancellare dal

vocabolario termini quali: rifiuti, immondizia ….

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Ciclo dannoso

La divisione post raccolta non può essere considerato un sistema ecologico ed efficace per trattare i rifiuti


Il trattamento dei rifiuti

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Classificazione dei materiali

Strutturali Calcestruzzo, acciaio,

fibre di carbonio

FunzionaliElettriche e ottiche

Semiconduttori, fibre ottiche

Chimiche e ambientali Filtri membrane catalizzatori


L’argilla: dalla preistoria, alle nanotecnologie

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Grafite

La grafite è la forma cristallina del carbonioL’atomo di carbonio si trova nella

ibridazione sp2

La grafite ha struttura stratificataIn ogni strato legami covalenti

creano delle celle esagonaliI diversi strati sono tenuti insieme

da legami secondariLo scorrimento dei piani conferisce

alla grafite proprietà lubrificantiEsiste una forte anisotropia di

proprietà meccaniche e fisiche


Breve storia di una fibra rivoluzionaria

Thomas Edison nel 1878 fu il primo a convertire le fibre di cellulosa in fibre di carbonio per ricavare il filamento delle lampadine a indandescenzadopo il 1910 il filamento di

carbonio venne sostituito da un filamento in tungstenoNegli anni 50 si riaccende

l’interesse per le fibre refrattarie con l’avvento della propulsione a razzo e con la ricerca militare e aerospaziale1960 sviluppo delle tecnica di

“hot stretching”

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Altri stati cristallini del carbonio

Il diamante, C in ibridazione sp3, cella elementare zincoblenda (CFC con ½ degli iterstizi tetragonali occupati)

Il fullerene (C56) C in ibridazione sp2 disposti ai vertici di un pallone da calcio (formato da un volume chiuso da pentagoni e esagoni)


Il Carbone Attivo?

Il carbone attivo si può immaginare come una grafite “sgualcita” e porosa, in cui le lamine piane sono rotte e curvate indietro e su se stesse:

Immagine SEM di un area 15x12micron

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Produzione e costo delle fibre


Dal PAN alla grafite

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Tenacità delle fibre polimeriche

I compositi in aramidica sono da 2 a 4 volte più tenaci dei compositi in carbonio. La rottura non è fragile come

quella delle fibre di vetro e carbonio. Si spezzano in una serie di

fibrille, che sono parti di macromolecola orientate nella stessa direzione della fibra. Queste piccole fratture

assorbono molta più energia e quindi si ha un aumento di tenacità.

Il soldato inglese Eric Waldermancentrato più volte nella battaglia di Umm Qasr (Iraq) salvato dall’elmetto in Kevlar

Le fibre di polietilene, ancora piùleggere delle fibre di Kevlar


Nuovi materiali

Con lo sviluppo delle conoscenze, l’uomo non si limita ad utilizzare materiali così come reperibili in natura, ma impara a modificarne le proprietà per renderli più adatti ai suoi scopiEssenziale è la scoperta del

fuoco, che permette di modificare la composizione di materiali

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Il cemento e leganti idraulici

I leganti idraulici sono sistemi multifasici che a temperatura ambiente risultano instabili rispetto all’acquaLe reazioni delle fasi solide in presenza di

acqua sono chiamate idratazioneLe reazioni possono avvenire per:

dissoluzione ionica in fase acquosa e successiva precipitazione dei composti idrati

Per reazione diretta tra composto anidro e acqua senza preventiva dissoluzione del primo


I sistemi cementizi

Calcestruzzo armato

+ armature in acciaio =

Calcestruzzo

+ ghiaia o pietrisco =

Pasta cementizia

+ sabbia =Pasta di cemento

Cemento + acqua+ aria+ additivi =

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Cementi vs leganti antichi

il 1000 a.C. i fenici formulano il primo legante idraulico ottenuto mescolando calce spenta e polvere di laterizio cottoI Romani riuscirono a costruire opere imponenti per il

consolidamento delle parti costruttive immerse sott’acqua usando la calce idraulica

Pont du Gard presso Nimes


La ceramica

La ceramica tradizionale si ottiene cocendo un impasto di argilla ed acqua a temperatura sufficientemente elevataIl problema della formatura viene risolto, utilizzando una massaplasticaL’argilla è costituito da una miscela di minerali, avente elevatissimo punto di fusione

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I vetri

Anche il vetro presenta delle caratteristiche simile a quelle dei ceramiciIl vetro è un materiale solido, rigido, compatto e trasparenteLe sue proprietà sono dovute alla mancanza di fase cristallina ( mancanza di struttura ordinata)

a) Quarzo cristallino

b) Quarzo amorfo

c) Vetro siliceo con sodio


I metalli

I metalli sono molto diffusi sulla terraLa maggior parte degli elementi chimici sono metalliI metalli raramente si trovano allo stato libero, ma sottoforma di composti non metallici nelle rocceLe proprietà più importanti sono. Buona conducibilità (termica ed elettrica), buone proprietà meccaniche, capacità di formare leghe

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Introduzione ai materiali

I materiali si possono classificare in:MetalliCeramiciPolimeriSemiconduttoriCompositi

Ciascuna classe presenta strutture e proprietà diverse, che ne rendono consigliabile l’utilizzo in particolari campi applicativi


Proprietà dei materiali

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I materiali metallici

Sostanze inorganiche composte da uno o più elementi metallici, Possono contenere anche elementi non metallici

Ferro, Rame , alluminio, nichelCarbonio, ossigeno, azoto

Struttura cristallina (disposizione regolare degli atomi nello spazio)Leghe ferroseLeghe non ferrose

Buoni conduttori termici ed elettriciBuone resistenze meccanicheDuttiliResistenti alle temperaturePesanti

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Materie plastiche

Polimeri materiali organici, costituiti da macromolecoleStruttura cristallina o amorfaCattivi conduttoriBassa resistenza alla

temperaturaProprietà meccaniche non

eccezionaliLeggeri


I materiali compositi

Composito: Materiale multifaseartificialmente creato in cui le fasi sono distinguibili per la presenza di una netta interfaccia

Inclusi: calcestruzzi, PMC, MMC, CMCEsclusi: leghe metalliche

Si distinguono nel composito Matrice fase continuaRinforzo fase dispersa oInterfaccia rinforzo/matrice

eventualmente modificata con agenti accoppianti

Filler o inerti riempitivi che riducono il contenuto di matrice

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L’impareggiata complessità dei compositi naturali

La struttura dell’osso consiste di una rete di fibredi collagene raccchiuse in una matrice.La Matrice è una struttura

inorganica e cristallina, l’idrossiapatite composta da ossidi mistidi fosforo, calcio. fibra e matrice contribuiscono

alle performance meccaniche dell’osso. le fibre di collagene

sostengono i cairiche tensili la matrice sostiene i carichi in compressione


La struttura del legno

Corteccia esterna: fisiologicamente èmorta, serve come protezione alla pianta e consente gli scambi gassosi necessari alla vita della pianta.Corteccia interna (o alburno):

formata da cellule vive e costituiscono l'apparato circolatorio della pianta consentendo la conduzione dei sali minerali dalle radici alle foglie. Libro (o floema): contiene i vasi che

conducono il nutrimento sintetizzato delle foglie ad ogni parte dell'albero. Cambio: Strato sottile di tessuto

responsabile della produzione di nuovo legno verso l’interno e di nuovo floemaverso l'esterno. Durame: La parte più interna del tronco

è formata da cellule morte Mano a mano che l'albero cresce, l'Alburno diventa Durame. Midollo: Parte centrale del tronco,

generalmente poco differenziabile dal durame che lo contiene. In alcune varietàdi legno sono molto visibili i caratteristici anelli stagionali.

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Il legno: un “composito” naturale

Un complesso sistema di fibre legnose orientate prevalentemente in direzione longitudinale viene generato a livello del cambio. Contemporaneamente sono generate cellule radiali Le cellule allungare del legno

determinano proprietà meccaniche fortemente anisotropiche. Oltre ad assolvere la funzione strutturale il legno assolve la funzione di nutrimento attraverso il trasporto della linfaQuando la pianta è in succhio la

struttura cresce porosa, quando tende al riposo vegetativo il legno si fa piùcompatto

The cellular structure of PinusPalustris


Relazione proprietà-struttura-processo

Proprietà:Meccaniche

ModuloResistenza CreepDuttilitàFaticaDurezzaImpatto

FisicheChimicheDensitàElettricheMagneticheOttichetermiche

La struttura del materiale (disposizione degli elettroni, tipo di legame, disposizione degli atomi e delle fasi) determina le proprietà del materialeLe condizioni di processo ( temperatura di lavorazione, forze applicate, condizioni di raffreddamento) possono alterare la struttura del materiale, e quindi le proprietà del prodotto

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Ceramici avanzati strutturali

Esempi: Allumina Nitruro di silicio, zirconia, Carburo di silicio compositi ceramici,

Proprietà:Durezza, resistenza allo scorrimento viscoso, resistenza all’abrasione, lubrificazione solida, resistenza alle alte temperature

Applicazioni:Turbine a gas, macchine utensili, forni ad alta temperatura, Anelli di tenuta, Barriere termiche, Elettrodi per alta temperatura


Materiali per l’elettronica

Piezoceramiciprodotti presso l’Università di Lecce

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Materiali e refrattarietà

Esempi: Mullite, cementi alluminosi, ossido di magnesio, Carburo di silicio, Ossido di Berilio

Proprietà:resistenza agli sbalzi termici, Isolamento, Conducibilità


Resistenza vs temperatura

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Materiali e porosità

Esempi: Zeoliti, Carbone attivo, Gel di silica

Applicazioni: filtrazione, ultrafiltrazione, decontaminazione aria e liquidi, isolamento termico

La marmitta catalitica


Materiali per l’ottica

Esempi:SiO2, TiO2, MgO, CdS, Y2O3

Proprietà:Trasparenza, trasmissione, polarizzazione, fluorescenza, fotosensibilità,

Applicazioni:Lenti, fibre ottiche, diodi, sensori ottici, laser, amplificatori ottici, dispositivi ottici a controllo ottico (fotonica). Nel 1870 Thomas Edison inventa la lampadina a bulbo

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I biomateriali e la risposta tissutale

C o m p o r t a m e n t ob i o l o g i c o

T i p o d ir i s p o s t a

R e a z i o n e d e l t e s s u t o

T o s s i c o T o s s i c i t à I l t e s s u t o c i r c o s t a n t em u o r e

I n id o n e o R ig e t t o S i f o r m a u n a c i s t i i s o la n t el 'o g g e t t o i n s e r i t o n e lt e s s u t o c o n p r e s e n z ao m e n o d i p u s

Q u a s i in e r t e A c c e t t a z io n eb io lo g ic a

S i s v i l u y p p a u n t e s s u t of ib r o s o a s p e s s o r e v a r ia b i le

A t t i v o A c c e t t a z io n eb io lo g ic a

S i f o r m a u n le g a m ein t e r f a c c ia le f r a t e s s u t o em a t e r ia le

R ia s s o r b ib i l e A c c e t t a z io n eb io lo g ic a

I l m a t e r ia le v i e n e s o s t i t u i t on e l t e m p o d a l t e s s u t oc i r c o s t e n t e


Bioceramici

Ceramici per uso biologico, si dividono nelle seguenti categorie:

1) Bioinerti (Al2O3, carbonio vetroso) non provocano e non subiscono reazioni con il mezzo fisiologico a contatto

2) Riassorbibili (idrossiapatite) materiali di riempimento che rendono possibile durante e dopo la loro dissoluzione, la riformazione dei tessuti

3) Bioattivi (e.g. biovetro) incrementano i finomenidi aderenza, ad esempio tramite la stimolazione della ricrescita ossea

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I materiali dentali


I materiali intelligienti

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Controllo Attivo dell’elica Del Rotore

Attuazione integrale: integral twist designUtilizzo dell’AFC

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