Scarica Materiali ceramici, polimerici e compositi e più Dispense in PDF di Tecnologia Dei Materiali solo su Docsity!
Materiali ceramici
Generalità
Per le loro caratteristiche favorevoli, come l’elevata durezza, resistenza all’usura, stabilità chimica, resistenze alle alte temperature e basso coefficiente di espansione termica, i ceramici avanzati vengono selezionati come materiale preferito per svariate applicazioni (guarnizioni, valvole, turbine a gas, motori diesel adiabatici…) I materiali ceramici sono materiali inorganici non metallici, costituiti da forti legami ionici e/o covalenti. In genere sono buoni isolanti elettrici e termici per l’assenza di elettroni di conduzione. Hanno una temperatura di fusione relativamente alta e una elevata stabilità chimica, grazie ai loro forti legami. Si suddividono in due categorie: ceramici tradizionali , generalmente costituiti da argilla, silice e feldspato. Di esempio possono essere mattoni e tegole utilizzati nell’ambito edile, e la porcellana in abito elettrico. I ceramici tradizionali sono tipicamente duri e fragili, con basse tenacità e duttilità. Quelli per utilizzo strutturale sono significativamente più duri, più resistenti e più tenaci dei ceramici convenzionali anche se la mancanza di duttilità rimane uno dei punti deboli di questi materiali. Ceramici avanzati : sono tipicamente formati da composti puri come ossido di alluminio, carburo di silicio e nitruro di silicio.
Lavorazione dei ceramici
Molti ceramici tradizionali e tecnici vengono fabbricati compattando polveri o particelle in forme che vengono poi scaldate ad elevate temperature affinché le particelle si leghino tra di loro. La sequenza base della produzione dei ceramici consiste in:
- Preparazione del materiale: le materie prime variano a seconda delle proprietà richieste per il prodotto ceramico finale. Le particele e gli altri ingredienti, vengono miscelati a umido o a secco. Per prodotti che non hanno proprietà particolarmente ‘critiche’ è pratica utilizzare l’acqua. Per altri prodotti, le materie vengono macinate a secco insieme a leganti e altri additivi. 2) Formatura: Nell’industria ceramica sono predominanti i processi di formatura a freddo. La pressatura, il colaggio e l’estrusione sono metodi comunemente utilizzati per la formatura di ceramica.
• Pressatura : le particelle di materia prima possono essere pressate nella condizione a
secco, plastica o bagnata, uno stampo per formare prodotti di una specifica forma.
- Pressatura a secco: può essere definita come la compattazione uniassiale è
formatura simultanea di una polvere, con piccole quantità di acqua e/o legante organico, in uno stampo.
- Pressatura isostatica: la polvere viene caricata in un contenitore ermetico flessibile
che si trova all'interno di una camera di fluido idraulico al quale viene applicata una pressione. La forza della pressione compatta, la polvere in tutte le direzioni, con il risultato finale di un prodotto che prende la forma del contenitore.
- Pressatura a caldo: la combinazione di calore e pressione produce parti ad alta
densità con proprietà meccaniche migliorate.
• Colaggio: le forme di ceramica possono essere colate mediante un unico processo.
- La polvere di materiale ceramico ed un liquido sono miscelati per preparare una
sospensione stabile (barbottina)
- La barbottina viene versata in uno stampo poroso e la porzione liquida è
parzialmente assorbita dallo stampo
- Si forma uno strato di materiale semi solido sulla superficie
- La barbottina in eccesso viene rimossa dalla cavità
- (^) Il materiale in eccesso viene lasciato essiccare e poi cotto - Estrusione: per estrusione possono essere prodotte sezioni trasversali, semplici e forme cave. Il percussore ceramico viene forzato in una matrice rigida in acciaio o lega per mezzo di una vite a motore.la filiera di estrusione controlla la forma del prodotto finale. 3) Trattamenti termici: sono essenziali nella fabbricazione della maggior parte dei prodotti ceramici. - Essiccamento: I componenti sono essiccati prima della cottura per rimuovere l'acqua dalla massa ceramica. Trattamento di solito eseguito al di sotto dei 100 °C. - Sinterizzazione: Piccole particelle vengono consolidate mediante fenomeni di diffusione allo stato solido ottenendo un prodotto denso e coerente.viene eseguito ad alte temperature, ma sempre inferiori al punto di fusione. Maggiore è il tempo di sinterizzazione più grandi sono le particelle che si formano. - Vetrificazione: durante la cottura, la fase vetrosa diventa liquida e riempie gli spazi porosi. Durante il raffreddamento, la fase liquida del vetro solidifica e si forma una matrice vetrosa che lega le particelle tra di loro.
Proprietà meccaniche dei ceramici
La resistenza meccanica dei ceramici è molto variabile, ma sono generalmente fragili.la resistenza trazione è inferiore alla resistenza a compressione. La bassa deformabilità è dovuta al dal tipo di legami prevalenti. Per quanto riguarda i ceramici legati covalentemente , questi mostrano frattura fragile provocata dalla separazione dei legami tra coppie di elettroni senza la loro successiva riformazione. Per quanto riguarda i ceramici legati ionicamente , i monocristalli mostra una considerevole deformazione plastica. I ceramici policristallini sono molto fragili. La rottura meccanica dei materiali ceramici avviene principalmente a causa di difetti presenti nella struttura dei materiali stessi. Le principali cause di innesco sono da attribuire alla presenza di cricche superficiali prodotte durante la finitura del materiale, di vuoti presenti all'interno del materiale, di imperfezioni e grani di eccessiva dimensione prodotti durante la lavorazione. La composizione, la microstruttura, la condizione superficiale, la temperatura e l’ambiente determinano la resistenza meccanica dei ceramici.
Vetri
I vetri hanno proprietà speciali, che non si trovano in altri materiali. La combinazione di trasparenza e durezza a temperatura ambiente, insieme a una sufficiente resistenza meccanica e un'ottima resistenza alla corrosione, rende i vetri indispensabili per molte applicazioni. Il vetro è dunque un materiale ceramico, prodotto da materiali inorganici ad elevate temperature. Tuttavia, si distingue dagli altri materiali ceramici in quanto i suoi componenti vengono portati a fusione e successivamente raffreddati a uno stato solido senza cristallizzazione. Una caratteristica del vetro è quella di avere una struttura non cristallina e dunque amorfa.
Metodi di formatura
I prodotti in vetro sono realizzati riscaldando il vetro a temperatura elevata per ottenere un liquido viscoso e successivamente formandolo, trafilandolo o laminandolo nella forma desiderata.
- Formatura di fogli ed lastre di vetro: l'85% del vetro piano è prodotto mediante il processo di galleggiamento nel quale un nastro di vetro esce dal forno di fusione e fluisce sulla superficie di un bagno di stagno fuso.il vetro viene raffreddato dallo stagno
Materiali Polimerici
Generalità
I materiali polimerici, sono i materiali artificiali in più rapida crescita al mondo con una crescita complessiva di circa 500% in termini di peso dal 1976 al 2010. I materiali polimerici continuano a sostituire i metalli, vetro e carta in molti mercati, tra cui quello automobilistico, degli imballaggi e delle costruzioni. Le proprietà favorevoli includono: ampia gamma di proprietà, facilità di produzione, basso costo, isolanti di elettricità, leggerezza e attenuazione del rumore.
Classificazione dei Polimeri
I polimeri si suddividono in materie plastiche : termoplastici che possono essere riscaldati e rimodellati nuove forme, e termoindurenti che non possono essere modellati per riscaldamento e vengono formati per reazione chimica. Abbiamo poi gli elastomeri: troviamo le gomme, le dimensioni cambiano notevolmente sotto carico e recuperano dopo scarico.
Polimerizzazione
Le reazioni di polimerizzazione a catena di monomeri (etilene) in polimeri lineari (polietilene), possono essere suddivise in tre stadi:
- Iniziazione: Uno dei radicali liberi (gruppo di atomi aventi un elettrone spaiato) reagisce con la molecola di etilene per formare un radicale libro con catena più lunga.
- Propagazione: è il processi di estensione della catena polimerica per addizione successiva di monomeri. La catena polimerica cresce spontaneamente e l’energia del sistema viene abbassata dal processo di polimerizzazione.
- Terminazione: è il processo di completamento della catena. Avviene mediante l’addizione di un radicale libero o con la combinazione di due catene. Un’altra eventualità è la terminazione a causa di impurezze. Per quanto riguarda la struttura dei polimeri bisogna ricordare che le catene sono casualmente aggrovigliate come gli spaghetti in una scodella.
Polimeri Vinilici e Vinilidenici
Sostituendo uno o più atomi di idrogeno dall’etilene con altri tipi di atomi o gruppi di atomi, si possono sintetizzare svariati materiali polimerici per addizione.
- I polimeri vinilici: si ottengono quando viene sostituito solo un atomo di idrogeno nel monomero etilene con un altro atomo o gruppo di atomi (polipropilene, polivinilacetato).
- I polimeri vinilidenici: si ottengono se entrambi gli atomi di idrogeno di uno degli atomi di carbonio del monomero etilene sono sostituiti da altri atomi o da gruppi di atomi.
Omopolimeri e Copolimeri
Gli omopolimeri sono materiali polimerici costituiti da catene polimeriche formate da singole unità ripetitive. Es: AAAAAAA I copolimeri consistono in catene polimeriche costituite da due o più unita ripetitive chimicamente differenti, disposte in sequenze differenti. Ricordiamo:
- I copolimeri casuali, ossia monomeri differenti inseriti casualmente belle catene. Es: AABAAAABBBA
- I copolimeri alternati , ordine alternato definito di monomeri diversi. Es: ABABABAB
- I copolimeri a blocchi , monomeri diversi disposti in lunghe sequenze. Es: AAAA….BBBB
- I copolimeri ad innesto , appendici costituite da un tipo di monomero inserite nella catena di un altro tipo di monomero.
Altri metodi di polimerizzazione
Polimerizzazione a stadi : durante questo procedimento i monomeri reagiscono chimicamente tra di loro in modo da creare polimeri lineari. In molte reazioni di polimerizzazione a stadi si ottiene una piccola molecola come prodotto secondario, cosi che questi tipi di reazione vengono chiamati a loro volta reazioni di polimerizzazione per condensazione. Polimerizzazione per reticolazione: La reazione chimica avviene in più di due siti di reazione, ottenendo un materiale plastico tridimensionale reticolato.
Polimerizzazione industriale
Per la produzione di materiali plastici, vengono utilizzati come materiali grezzi per produrre le sostanze chimiche di base: gas naturale, petrolio e carbone. Queste sostanze vengono quindi polimerizzate con svariati processi in materie plastiche sotto forma di granuli, pastiglie, polveri o sostanze liquide. Tra i vari processi industriali ricordiamo:
- Polimerizzazione in massa: il monomero e l’attivatore sono introdotti assieme in un reattore che viene riscaldato e raffreddato quando richiesto. - Polimerizzazione in soluzione: il monomero viene sciolto in un solvente non reattivo contenete un catalizzatore. Il calore è assorbito dal solvente così che la reazione si svolga più lentamente. - Polimerizzazione in sospensione: il monomero viene miscelato con un catalizzatore e quindi disperso come sospensione in acqua. In questi processo il calore della reazione viene assorbito dall’acqua, dunque dopo la polimerizzazione il prodotto viene separato e quindi essiccato. - Polimerizzazione in emulsione: simile al processo in sospensione, con la differenza che si svolge in acqua. Deve dunque essere aggiunto un emulsionante per disperdere il monomero in particelle molto piccole.
Solidificazione dei termoplastici
Quando passa dallo stato liquido a quello solido, un termoplastico si trasforma in un solido non cristallino o parzialmente cristallino. Durante il raffreddamento, i termoplastici subiscono un cambiamento nello stato fisico. Nei termoplastici non cristallini (amorfi), questo cambiamento avviene in modo graduale: il materiale passa da uno stato gommoso e cedevole a uno stato vetroso e fragile. Questa trasformazione non avviene a una temperatura precisa, ma in un intervallo di temperature , la cui temperatura media è detta temperatura di transizione vetrosa (Tg). Al di sotto di Tg il materiale risulta rigido e fragile, mentre al di sopra è più morbido ed elastico. Durante questa transizione, non si osserva un’improvvisa variazione del volume specifico , ma solo una modifica della pendenza dell’andamento del volume specifico in funzione della temperatura. Nei termoplastici cristallini , invece, il raffreddamento porta alla formazione di strutture ordinate: le catene polimeriche si impacchettano in modo regolare, dando luogo a una transizione netta. In questo caso, si osserva una repentina diminuzione del volume specifico , dovuta al maggiore impacchettamento delle molecole nella fase cristallina.
2) Stampaggio per trasferimento: differisce dallo stampaggio per comprensione per il modo con cui viene introdotto il materiale la cavità dello stampo. La resina non è caricata direttamente all'interno dello stampo, ma in una camera al di fuori di questa. Un pistone forza la resina nelle cavità dello stampo mediante canali e aperture.
- (^) Vantaggi: non si formano sbavature, più pezzi nello stesso tempo, può essere utilizzata per parti più piccole e complesse.
Materiali compositi
Generalità
Un materiale composito è un sistema di materiali composto da una miscela o combinazione di due o più micro o macro costituenti opportunamente disposti che differiscono per la struttura e/o la composizione chimica, essenzialmente insolubili l'uno nell'altro con una netta interfaccia che gli separa. Le proprietà dei materiali compositi possono essere superiori rispetto a quelle dei singoli componenti.
Classificazione
Un materiale composito è normalmente costituito da una fase matrice e da una fase di rinforzo. I materiali di rinforzo potrebbero essere fibre, particolato o nano inclusioni che producono rispettivamente rinforzati con fibre, rinforzati con particelle o nanocompositi. La matrice che ospita il rinforzo può essere costituita da materiali polimerici, metalli o ceramici che producono compositi, amatrice polimerica, metallica o ceramica. In tutti i casi la forza e la rigidità derivano dalla fase di rinforzo. La matrice serve per alloggiare e proteggere la fase di rinforzo oltre a trasferire il carico tra tutti i componenti della fase di rinforzo.
Fibre di vetro per rinforzare resine polimeriche
Le materie plastiche rinforzate con fibre sono materiali compositi formati da una matrice di materiale polimerico rinforzata con fibre di elevata resistenza. Le fibre forniscono elevata resistenza e rigidezza, la matrice polimerica tiene assieme le fibre e le sostiene. Le fibre di vetro sono utilizzate per rinforzare matrici polimeriche e dare origine a compositi strutturali e compositi da stampaggio.i materiali polimerici compositi rinforzati con fibre di vetro hanno le seguenti caratteristiche favorevoli: un elevato rapporto resistenza meccanica-peso, buona stabilità dimensionale, buona resistenza al calore, al freddo, all'umidità, alla corrosione, buone proprietà di isolamento elettrico, facilità di fabbricazione e costo relativamente contenuto. Il vetro E è il più utilizzato per fibre continue. Ha una resistenza trazione di circa 3.44 GPa e un modulo elastico di 72.3 GPa. Il vetro S ha un rapporto l'esistenza meccanica-peso più elevato, è più costoso del vetro E ed è utilizzato principalmente per applicazioni militari e aerospaziali. La resistenza a trazione è superiore ai 4.5 GPa e il suo modulo di elasticità è 85.4 GPa.
Produzione fibre di vetro
Le fibre di vetro sono prodotte per stiratura di monofilamenti di vetro da vetro fuso all'interno di un forno e per assemblaggio di un numero elevato di questi filamenti per formare un trefolo di fibre di vetro. I trefoli sono tenuti insieme da un legante resinoso. Per quanto riguarda le proprietà, la densità e la resistenza meccanica sono inferiori a quelle delle fibre di carbonio e aramidiche, hanno un maggiore allungamento, hanno anche un basso costo e dunque sono comunemente usate.
Fibre di carbonio per plastiche rinforzate
I materiali compositi fabbricati utilizzando fibre di carbonio come rinforzo di matrici di resina polimeriche, sono caratterizzati dall'avere una buona combinazione di basso peso,
