Materiali per il design-politecnico di Milano

8/13/2019 Materiali per il design-politecnico di Milano

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C.I. Materiali per il Design

Modulo di scienza e tecnologia

dei materiali

! Mail: [email protected]! Telefono: 02-2399-3161! Ricevimento: su appuntamentovia mail


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! Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria ChimicaGiulio Natta! via Mancinelli 7 Milano

! MaterialieDesign! c/o POLIteca Palazzina AR via Durando 38 Milano

! Contatti! (02.2399).3161! [email protected]

Dove trovarmi


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Propriet dei materiali


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Propriet dei materiali! Quali sono le propriet che deve avere il materiale con cui

realizziamo il tacco di una scarpa?


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Propriet di un tacco di scarpa! Non deve flettersi n schiacciarsi troppo! Non si deve deformare in modo permanente! Non si deve rompere se urtato! Deve poter essere lavorato per ottenere la forma finale! Deve avere adeguata resistenza alla corrosione e agli agenti

atmosferici


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Propriet di un tacco di scarpa! Deve resistere alla temperatura dellasfalto! Deve pesare poco! Deve avere un prezzo di vendita accettabile


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Propriet di un tacco di scarpa! Non deve flettersi n schiacciarsi troppo (rigidit)! Non si deve deformare in modo permanente (resistenza)! Non si deve rompere se urtato (tenacit)! Deve poter essere lavorato per ottenere la forma finale

(duttilit)! Deve avere adeguata resistenza alla corrosione e agli agenti

atmosferici (durabilit)


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Propriet di un tacco di scarpa! Resistere alla temperatura dellasfalto (massima

temperatura di esercizio)! deve pesare poco (densit)! deve avere un prezzo di vendita accettabile (costo)


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Classi di materiali per realizzare un tacco

! Materiali polimerici! Materiali naturali! Materiali ceramici! Materiali metallici


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Materiali e tacchi


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Materiali e tacchi


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Materiali e tacchi


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Materiali e tacchi


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! Propriet generali! Densit! Costo

! Propriet fisiche echimiche! Conducibilit termica! Conducibilit elettrica! Magnetismo! Massima temperatura diesercizio! Durabilit

! Propriet ottiche! Trasparenza

! Propriet meccaniche! Rigidit! Resistenza! Tenacit! Duttilit

La importante dozzina


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Le classi di materiali

! Tradizionalmente i materiali sono divisi in classi, definite inbase alla struttura chimica del materiale:! Metalli! Ceramici (e vetri)! Polimeri! Materiali naturali

! Per scegliere e usare consapevolmente i materiali fondamentale comprendere che esiste un legame struttura/proprietdel materiale


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Struttura degli atomi

! Gli atomi sono lunit base di tutti i materiali! Un atomo costituito da

! Nucleo molto piccolo! Nuvola elettronica dispersa che circonda il nucleo

! Il nucleo costituito da due principali particelle subatomiche:! Protoni, hanno carica elettrica positiva! Neutroni, elettricamente neutri hanno circa la stessa massa dei

protoni! Elettroni

! Hanno carica uguale ed opposta (negativa) ai protoni! Hanno massa trascurabile rispetto a protoni e neutroni


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Struttura degli atomi


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La tavola periodica


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La tavola periodica


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Dimensione degli atomi


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Perch gli atomi formano dei legami

! In un atomo, gli elettroni si trovano in definiti livellienergetici, detti gusci atomici, che si trovano aspecifiche distanze dal nucleo

! Il primo guscio pu contenere fino a due elettroni, dettoduetto

! I gusci pi esterni possono contenere fino a 8 elettroni

(ottetto)! nella maggior parte dei casi di nostro interesse

! Gli atomi i cui livelli energetici pi esterni non sonocompleti partecipano ai legami chimici con altri atomi


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Perch gli atomi formano dei legami


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Elettronegativit

! La capacit di un atomo di attrarre elettroni! Ioni

! Atomi non neutri, in cui il numero di elettroni diverso dal numero diprotoni

! CATIONI: ioni con carica positiva! ANIONI: ioni con carica negativa


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Dimensione anioni e cationi

! Un catione sempre pi piccolo dellatomo di cui formato! Un anione sempre pi grande dellatomo da cui formato

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Legami chimici

! Legami forti! Legame ionico! Legame covalente! Legame metallico

! Legami deboli! Idrogeno! Van der Waals

e da questi dobbiamo arrivare ai materiali


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Legame ionico

! l legame non dovuto a condivisione di elettroni, ma ad unavera e propria attrazione elettrostatica tra cariche di segno

opposto! Si tratta di un legame adirezionale, nel quale ossia non vi

una direzione preferenziale di legame


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Legame covalente

! PURO! i due atomi hanno la stessa

elettronegativit

! la coppia elettronica condivisa in modo

simmetrico


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Legame covalente

! POLARE! Gli atomi hanno

elettronegativit differente,quindi la coppia condivisa

in modo asimmetrico, vale a

dire gli elettroni sonospostati verso latomo pi

elettronegativo! Un atomo diventa un po

pi positivo e laltro un po

pi negativo! Si forma un dipolo, cio la

molecola ha una parteelettricamente positiva e una

negativa


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Legame metallico

! I metalli hanno tendenza a cedere i loro elettroni divalenza e a divenire ioni positivi (cationi)! I cationi occupano posizioni fisse e ordinate nello spazio(reticoli

cristallini)

! Gli elettroni ceduti vengono messi in comune e costituiscono unanuvola elettronica molto mobile

! La nuvola elettronica si muove facilmente tra i cationi efunge da "collante" perch esiste un'attrazione reciproca tra

ioni e nuvola elettronica (carica elettrica di segno opposto) ela possibilit degli elettroni di muoversi cosi liberamente.


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Legame metallico

! Gli atomi che formano imetalli tendono a formareun unico orbitale di legame

! Gli elettroni di legame nonhanno pi un atomo in

particolare cui fareriferimento, ma si muovono

da un atomo all'altro,essendo quindi in grado dicreare di volta in volta un

legame tra atomi diversi


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Legame metallico


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Legami deboli

! I legami deboli (Van der Waals, idrogeno...), sono interazioniche riguardano i legami fra molecole gi precostituite e sonodi natura puramente elettrostatica

! Ad esempio, per il legame covalente polare che si formavauna molecola con una zona positiva e una negativa


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Atomi, legami e

! Il nostro obiettivo non sono n gli atomi n i legami in s.

! ma gli atomi servivano per capire i legami e i legami percapire i materiali


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Legami e classi di materiali

! La classificazione dei solidi correlata ai legami:! Solidi metallici (legame metallico)! Solidi covalenti (legame covalente)! Solidi ionici (legame ionico)! Solidi molecolari (legami deboli)

! Per a noi interessa di pi la classificazione generale, cheera quella delle classi di materiali, che pi pratica! Metalli! Ceramici! Polimeri

! centreranno con i legami?


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Materiali metallici

! I metalli puri sono elementi metallici della tavola periodicache si legano tra loro con il legame metallico

! Le leghe metalliche invece contengono pi di un elementometallico e loro propriet possono essere cambiate con gli

elementi e i rapporti relativi! Ad esempio tra il ferro puro e lacciaio (che ha solo un po di carbonio

in pi) le cose cambiano


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Materiali ceramici

! Ceramico un termine usato generalmente per definire imateriali non metallici inorganici, e vanno dal sale da cucina(NaCl) alla ceramica delle tazze al vetro delle fibre ottiche

(anche se spesso i vetri fanno classe a parte)! In effetti la classe dei ceramici molto ampia

! Caratterizzati da legami ionici e covalenti! Entrambi sono legami piuttosto forti. Questo

particolarmente vero per i solidi covalenti.! i ceramici hanno temperature di fusione molto alte(per rompere il

legame devo dargli molto calore in cambio)! Gli elettroni di legame sono tutto impegnati a riempire orbitali

e non sono propensi ad andarsene in giro. E i ceramici sono

generalmente, ottimi isolanti elettrici e termici


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The ionic compound NaCl

Materiali ceramici

! I materiali ionici consistono di una combinazione di cationi edanioni! La formula sempre la stessa della formula empirica! La somma di cationi e anioni risulta in un solido elettricamente neutro


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Materiali ceramici


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Materiali polimerici

! I polimeri sono costituiti da lunghe catene di atomi, tenutiinsieme da legami covalenti (sequenze di unit ripetitive)

! Allinterno della catena, i legami sono di tipo covalente. Ilmateriale per tenuto insieme da legami di tipo debole

(quelli elettrostatici) che uniscono le catene in un gran

groviglio.

i i i i i


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M i li li i i


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M t i li li i i


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! I legami sono di tipo debole e la temperatura di fusione deipolimeri bassa

! le molecole si organizzano in un complicato groviglio e sonofatte da elementi a basso peso atomico, e la densit dei

polimeri bassa! Al contrario metallici sono anche elementi ad alto peso e

stanno vicini vicini e la loro densit alta, piombocompreso

L t tt d i t i li


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La struttura dei materiali

! Gli atomi o le molecole che costituiscono un materialepossono disporsi in modo pi o meno ordinato

! I materiali possono pertanto presentare, a seconda del gradodi ordine degli elementi che li compongono, struttura:! CRISTALLINA! SEMICRISTALLINA! AMORFA

! Tali strutture possono presentare dei difetti, che in realtsono molto importanti nel determinarne le caratteristichefinali

St tt i t lli


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Struttura cristallina

! In una struttura cristallina gli atomi o gruppi di atomi sonodisposti in modo ordinato e ripetitivo

! Hanno struttura cristallina! Metalli (legame metallico)! Ceramici (legame ionico o covalente)

! I legami che caratterizzano queste strutture sono forti, edeterminano una elevata risposta alle sollecitazioni

R ti l i t lli t lli


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Reticolo cristallino metallico

! Reticolo cristallino metallico pu essere facilmentedeformato

! Ci dovuto alla presenza delle dislocazioni! Dislocazioni sono dei difetti di linea della struttura cristallina

di un metallo, che consentono gli scorrimenti

! La presenza di questi difetti determina la possibilit dilavorare per deformazione plastica tali materiali

N f tt


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Nessuno perfetto

N f tt


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Nessuno perfetto


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Struttura amorfa


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Struttura amorfa

! In una struttura amorfa i gruppi di atomi o di molecole sidispongono in modo disordinato nello spazio

! I legami allinterno delle molecole sono forti, mentregeneralmente tra le molecole sono deboli

! Le caratteristiche meccaniche sono quindi generalmenteinferiori rispetto a quelle di strutture cristalline! Sono amorfi i VETRI e alcuni POLIMERI


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