Post on 22-Jun-2018
1
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: antonio.licciulli@unile.ittel. 0832 297321fax 0832 297525
CF 5
Durata del corso 40h
Materiale didattico reperibile in Internet:www.ceramici.unile.it
2
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Orario
11-1315-18Orario
MartedìLunedìGiorno
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Testi consigliati
Smith: Scienza e tecnologia dei materiali
M. Collepardi, Il nuovo calcestruzzo, Tintoretto ed.
3
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Interdisciplinarietà della scienza dei materiali
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria 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
4
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Gli scudi termici nei veicoli da rientro orbitale
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
5
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Il binomio resistenza/densità nella storia
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
6
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Price sensitive e price insensitive materials
Insensitive
sensitive
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Il ciclo di vita dei prodotti
La fasi del ciclo di vita di un prodotto
7
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Collocazione dei materiali
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria 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.
8
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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.
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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 ….
9
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Ciclo dannoso
La divisione post raccolta non può essere considerato un sistema ecologico ed efficace per trattare i rifiuti
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Il trattamento dei rifiuti
10
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Classificazione dei materiali
Strutturali Calcestruzzo, acciaio,
fibre di carbonio
FunzionaliElettriche e ottiche
Semiconduttori, fibre ottiche
Chimiche e ambientali Filtri membrane catalizzatori
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
L’argilla: dalla preistoria, alle nanotecnologie
11
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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”
12
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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)
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
13
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Produzione e costo delle fibre
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Dal PAN alla grafite
14
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
15
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
I sistemi cementizi
Calcestruzzo armato
+ armature in acciaio =
Calcestruzzo
+ ghiaia o pietrisco =
Pasta cementizia
+ sabbia =Pasta di cemento
Cemento + acqua+ aria+ additivi =
16
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
17
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
18
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Proprietà dei materiali
19
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
20
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Materie plastiche
Polimeri materiali organici, costituiti da macromolecoleStruttura cristallina o amorfaCattivi conduttoriBassa resistenza alla
temperaturaProprietà meccaniche non
eccezionaliLeggeri
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
21
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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.
22
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
23
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Materiali per l’elettronica
Piezoceramiciprodotti presso l’Università di Lecce
24
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Materiali e refrattarietà
Esempi: Mullite, cementi alluminosi, ossido di magnesio, Carburo di silicio, Ossido di Berilio
Proprietà:resistenza agli sbalzi termici, Isolamento, Conducibilità
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Resistenza vs temperatura
25
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Materiali e porosità
Esempi: Zeoliti, Carbone attivo, Gel di silica
Applicazioni: filtrazione, ultrafiltrazione, decontaminazione aria e liquidi, isolamento termico
La marmitta catalitica
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
26
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
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
27
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
I materiali dentali
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
I materiali intelligienti
28
Antonio Licciulli Scienza e ingegneria dei materiali
Controllo Attivo dell’elica Del Rotore
Attuazione integrale: integral twist designUtilizzo dell’AFC