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1 la densità ρ = massa/volume 1 a proprietà generale: la densità ρ = massa/volume kg m -3 la densità è una proprietà intrinseca per ciascun materiale (dipende.

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1 1 la densità ρ = massa/volume 1 a proprietà generale: la densità ρ = massa/volume kg m -3 la densità è una proprietà intrinseca per ciascun materiale (dipende anche dalla temperatura) e ci consente, una volta stabilita la forma e dimensione delloggetto (o componente), di calcolarne la massa: u.m., SI = kg m -3, oppure Mg m -3 g cm -3 g / cm 3 leggero/pesante densità volumica ρ densità volumica ρ massa/volume = m / V leggero/pesante LZ2-proprietà-G. Fumagalli 1 m 3 di: legno < 1 ton acqua = 1 ton 1000 kg 10 6 g 1 Mg polimeri 1 ton vetro = 2.6 ton alluminio = 2.8 ton acciaio = 7.8 ton

2 2 per confronti fra i valori delle grandezze relative alle proprietà dei materiali possiamo ricorrere a tabelle o, meglio, ad una rappresentazione grafica densità (Mg/m 3 g/cm 2, scala lineare) pesante leggero vetro e alluminio acciaio legno (composito polimerico + aria) polimeri acqua = materia di riferimento LZ2-proprietà-G. Fumagalli

3 3 in genere una rappresentazione grafica è più intuitiva e imme- diata, quella del grafico precedente ci dice ovviamente che la densità di: 1)acciaio è poco inferiore a 8 g cm -3 2)vetro e alluminio poco inferiore a 3 g cm -3 3)plastica attorno a 1 g cm -3 4)legno inferiore a 1 g cm -3 in genere SI linformazione è sufficiente? in genere SI però, se ad es. lo specifico progetto ha come attributo critico quello della minima pesantezza del manufatto, la risposta è NO! infatti una veloce ricerca suggerisce che la lettura del grafico visto fornisce una classifica generica e dati poco precisi, ad es. : il legno balsa ha una densità 0,05 g cm -3, valore molto diverso dallo 0,7-0,8 g cm -3 di un legno compensatoil legno balsa ha una densità 0,05 g cm -3, valore molto diverso dallo 0,7-0,8 g cm -3 di un legno compensato un legno di quercia opportunamente tagliato ( alle fibre) può addirittura non galleggiare (ρ > 1 g cm -3 ) un legno di quercia opportunamente tagliato ( alle fibre) può addirittura non galleggiare (ρ > 1 g cm -3 ) esistono materiali polimerici di densità anche > 1 g cm -3 (teflon 2,14-2,2 g cm -3 ) esistono materiali polimerici di densità anche > 1 g cm -3 (teflon 2,14-2,2 g cm -3 ) LZ2-proprietà-G. Fumagalli

4 4 il valore 0 (zero) e quello < 0 non ha senso per la densità di un materiale!! inoltre tutti i materiali so- no ammassati nella parte sinistra del grafico densità (Mg/m 3 g/cm 3, scala lineare) 1519 pesante leggero metalli e loro leghe acciai acciai inox ghise ceramici polimeri legni LZ2-proprietà-G. Fumagalli

5 densità (Mg/m 3 g/cm 3, scala logaritmica) 110 pesante leggero metalli e loro leghe acciai acciai inox ghise ceramici polimeri legni una schiuma molto leggera LZ2-proprietà-G. Fumagalli

6 6 1.la lettura del grafico è più difficile, ma è possibile avere sullo stesso grafico valori di diverso ordine di grandez- za : la scala logaritmica è indispensabile per descrivere le proprietà dei materiali e in molti altri campi (da quello economico a quello politico-sociale); ad es. per i terremoti si usa la magnitudo Richter M (a scala loga- ritmica particolare): 5,4 = caduta e oscillazione di oggetti, 6,1 = caduta di intonaci, 6,5 = caduta di strutture deboli, 6,9 = crollo di alcune case; una piccola differenza numerica (solo 1,5) indica anche effetti molto diversi! infatti, per i terremoti visti sopra, lenergia sprigionata (alla base della scala M) è superiore a qualche centinaio di volte! la scala lineare è intuitiva e nota a tutti … la scala logaritmica cosè? LZ2-proprietà-G. Fumagalli

7 7 1.sulle tacche principali si distinguono facilmente gli ordini di grandezza (…, 0.1, 1, 10, …) 2.il valore 0 (zero) non è rappresentabile su questa scala 3.le tacche secondarie (…, 2, 3, 4, … o …, 1.2, 1.3, …) non sono distanziate fra loro in modo uguale (come in una scala lineare) 4.i singoli punti non consentono di individuare valori precisi, è relati- vamente facile distinguere fra 1 e 2, più difficile fra 1.5 e 1.8, quasi impossibile fra 7.5 e 7.8 (tacche secondarie troppo vicine): ovvia- mente dipende da quanti ordini di grandezza sono riportati (dalle dimensioni dellasse e sua grafica) LZ2-proprietà-G. Fumagalli la lettura dei grafici può essere difficile e una lettura acritica può essere fuorviante

8 8 densità volumica 1 a p. generale: densità volumica massa su unità di volume, u.m. comune g cm -3 questa grandezza intrinseca fornisce informazio- ni sul peso di un manufatto a questa grandezza fisica possiamo legare molte altre proprietà della materia LZ2-proprietà-G. Fumagalli la densità infatti dipende: dal tipo di atomi (+ o - pesanti o voluminosi) dal tipo di particelle di cui è costituito il materiale (atomi o molecole) dalla forza dei legami chimici che uniscono le particelle (forti o deboli) dalla loro distribuzione nello spazio (ordinata o di- sordinata, + o – compatta)

9 9 costo massico proprietà 2 generale: costo massico costo su unità di massa (o costo specifico massico) = costo/massa : nota la massa, ci informa sul costo del materiale allo stato grezzo (prima delle lavo- razioni) : può essere utile per fare dei confronti economici grossolani fra diversi materiali unità di misura = kg -1 euro kg -1 attenzione che il costo massico può essere fuor- viante infatti,, non consi- dera né i costi di lavorazione né quelli di commer- cializzazione, ! attenzione che il costo massico può essere fuor- viante infatti, oltre a variare nel tempo, non consi- dera né i costi di lavorazione né quelli di commer- cializzazione, ovvero fattori economici a volte mol- to rilevanti che andranno a determinarne il prezzo realmente pagato! LZ2-proprietà-G. Fumagalli

10 10 scala logaritmica costo massico (/kg, scala logaritmica) costoso economico accciaio = 0.5 /kg calcestruzzo = 0.05 /kg composito a fibre di carbonio = 60 /kg Al e sue leghe 1,5 /kg Cu e sue leghe 2,5 /kg acciaio inox 5,7 /kg LZ2-proprietà-G. Fumagalli

11 11 LZ2-proprietà-G. Fumagalli grandezza meccanica : deformazione tolta la forza, si possono notare 2 tipi di deformazione 1.reversibile = elastica: dimensioni originali ( el. ) 2.irreversibile = plastica = deformazione residua: dimensio- ni diverse dalle originali (semplicemente ) allungamento ΔL = L- L 0 (mm) L (mm) L 0 (mm) ε = ΔL / L 0 ε = ΔL / L 0 adimensionale: rapporto lunghezze forza agente = F ancoraggio

12 12 LZ2-proprietà-G. Fumagalli grandezza meccanica: deformazione la deformazione è una grandezza adimensionale: L/L 0 = mm/mm la deformazione può essere espressa anche in per- centuale ( è in genere un numero piccolo): % = L/L attenzione nei calcoli attenzione nei calcoli: = 1/100 %, è possibile fare un errore di 2 ordini di grandezza = errore non tollerabile in nessun progetto!! ne segue che lallungamento L = % L 0 1/100

13 13 LZ2-proprietà-G. Fumagalli indice di lavora- bilità i valori che trovate tabulati su diverse banche dati sono relativi alla deformazione a rottura R di un ma- teriale: possono essere utili come indice di lavora- bilità per deformazione (duttilità) del materiale PER IL DESIGN R è una grandezza relativamente poco utile, infatti un manufatto deformato o rotto è da buttare o da riparare deformazione lavorabilità 3 a p. meccanica: deformazione lavorabilità le deformazioni sono provocate da forze applicate al manufatto, in particolare i valori di R sono ottenuti in prove standard impiegando provini standard per rendere possibile il confronto fra diversi materiali

14 14 LZ2-proprietà-G. Fumagalli una deformazione massima tollerabile ε max (ovviamente reversibile) in un progetto è possibile stabilire un limite di defor- mabilità per un manufatto o componente al di sopra del quale si ha perdita delle funzionalità, ovvero una deformazione massima tollerabile ε max (ovviamente reversibile) in funzione di questo limite è possibile stimare le sollecitazioni massime sopportabili dal manufatto fabbricato con un certo materiale e avente una certa forma e dimensioni o viceversa, ipotizzate le probabili sollecitazioni stimare la max a seconda della forma, delle dimensioni e del tipo di materiale del manufatto grandezze intrinseche ma per fare questo lavoro di progetto è necessario conoscere valori di grandezze che siano indipendenti dalle dimensioni e forma del manufatto (ovvero delle grandezze intrinseche) e le modalità per calcolare i valori di nostro specifico interesse

15 15 LZ2-proprietà-G. Fumagalli osservazioni sensoriali è intuitivo che leffetto di una forza applicata dipenda dalla sezione resistente e dalle proprietà del materia- le + o – deformabile, quindi dobbiamo conoscere delle grandezze che ne siano indipendenti e il collegamento fra queste ed uno specifico manufatto cilindro in metallo cilindro in polimero manufatti con uguale per forze F applicate identiche

16 16 sforzo = resistenza grandezza meccanica : sforzo = resistenza una sollecitazione meccanica, ad es. la trazione dei cilindri prima vista, può essere espressa da una grandezza intrinseca, ovvero indipendente dalla sezione del manufatto, che viene chiamata sforzo sforzo (o carico) = F / A 0 = F / A 0 dove A 0 è la sezione iniziale, ovvero la superficie per- pendicolare alla sollecitazione prima che venga ap- plicata la forza F

17 17 sforzo così, impiegando la grandezza = F/A 0 poiché F ed sono identici, il confronto dei materiali è immediato A 0,polimero > A 0, metallo polimero < metallo possiamo anche essere più precisi A 0,polimero 20 A 0, metallo polimero 1/20 metallo un metallo ha una resistenza meccanica venti volte superiore a qella di un polimero (nella realtà è anche maggiore) cilindro in metallo cilindro in polimero

18 18 sforzo unità di misura per lo sforzo = F/A 0 : la forza F si misura in N (newton) e, per comodità, la superficie A 0 è meglio esprimerla in mm 2, quindi i valori di sono espressi in N mm -2 (N/mm 2 ) lunità di misura comunemente impiegata per lo sforzo è il MPa (megapascal): 1 Pa = 1 N m -2 come tutti sappiamo, 1 m 2 = mm 2 = 10 6 mm 2 1 N mm -2 = 10 6 N m -2 = 10 6 Pa = 1 MPa dove M (mega) è un prefisso per le unità di misura che indica un milione di volte, quindi il valore espresso in MPa (è equivalente) a quello in N mm -2

19 19 LZ2-proprietà-G. Fumagalli 4 a – p. meccanica : modulo di Young E = rigidità σ3σ3 ΔL3ΔL3 L0L0 σ2σ2 ΔL2ΔL2 σ1σ1 ΔL1ΔL1 se sollecitiamo il solito parallepipedo con sforzi cre- scenti otteniamo allungamenti L crescenti e, quindi, anche deformazioni crescenti V 0 = V 1 = V 2 = V 3 ma A 0 > A 1 > A 2 > A 3 in campo elastico, ovvero se la deformazione è rever- sibile, il rapporto è co- stante (σ 1 /ε 1 = σ 2 /ε 2 = σ 3 /ε 3 ) modulo di Young E tale rapporto è chiamato modulo di Young E (o mo- dulo elastico) E è una grandezza intrinse- ca e caratteristica di ogni materiale, GPa E è una grandezza intrinse- ca e caratteristica di ogni materiale, lunità di misura più comune per E è: GPa (gigapascal = 10 9 Pa)

20 20 LZ2-proprietà-G. Fumagalli σ (MPa) ε (adimensionale) ε3ε3 ε1ε1 σ3σ3 σ1σ1 σ2σ2 ε2ε2 il diagramma vs è caratteristico di ogni materiale, la pendenza della retta è il modulo elastico E BOCCIATO! L (mm) = (1000 (MPa) / E (GPa)) L 0 (mm), un errore di 3 ordini di grandezza non dovrebbe essere possibile: chi lo fa usa i numeri a caso ( BOCCIATO! ) in campo elastico ( rev ) vi è una diretta proporzionalità fra ed = E (legge di Hooke) attenzione nei calcoli attenzione nei calcoli! E (GPa) deve essere trasformato in MPa nel calcolo dellallungamento L in mm: 1 GPa = 1000 MPa

21 21 LZ2-proprietà-G. Fumagalli rigidità di 3 materiali: il modulo E σ ε E acciai GPa E gomma GPa E PP 1 GPa rigido cedevole

22 22 densità (g/cm 3, scala logaritmica) LZ2-proprietà-G. Fumagalli 0.01 E rigidità = E (GPa, scala log) schiume polimeri leghe metalliche leggere legni metalli H2OH2O per materiali comuni, sembra (scale logaritmiche !) che a > densità corrisponda > rigidità E ceramici avanzati ceramici elastomeri

23 23 LZ2-proprietà-G. Fumagalli limite elastico Y per carichi superiori a un valore limite dello sforzo, chiamato limite elastico Y (o limite di snervamento sn ), il materiale subisce anche deformazioni plasti- che: una volta tolta la solle- citazione la deformazione elastica viene sempre recu- perata mentre quella plasti- ca (residua) no σ (MPa) ε ε plastica σYσYσYσY > Y limite elastico Y = resistenza 5 a – p. meccanica : limite elastico Y = resistenza

24 24 Y resistenza = Y (MPa, scala log) LZ2-proprietà-G. Fumagalli densità (g/cm 3, scala logaritmica) schiume polimeri leghe metalliche leggere legni metalli H2OH2O per materiali comuni, sembra (scale logaritmiche !) che a > densità corrisponda > resistenza Y ceramici avanzati ceramici elastomeri acciai

25 25 LZ2-proprietà-G. Fumagalli li- mite elastico Y carico di rot- tura R superiormente il campo elastico è delimitato dal li- mite elastico Y, quello plastico dal carico di rot- tura R il valore dello sforzo R è tale che istantaneamente si possono formare nuove superfici, si ha la forma- zione di una cricca (o più) e il materiale si rompe! R, come R (deformazione a rottura), non è un parame- tro di progetto ma solo un indice di lavorabilità 3 a bis – p. meccanica : carico di rottura R σ (MPa) ε σYσY campo elastico campo plastico σRσR

26 26 LZ2-proprietà-G. Fumagalli le curve vs dei materiali la maggior parte delle proprietà meccaniche dei mate- riali sono descritte dai diagrammi - campo elastico E Y si ha un campo elastico dove vale la legge di Hooke con un andamento lineare della curva caratterizzato dal modulo elastico E (o di Young), dal limite elastico Y (o di snervamento) e da deformazioni reversibili si ha un campo plastico dove landamento non è quasi mai lineare ma curvilineo, questo secondo campo è di scarso interesse per il design ed è relativo solo alla lavorabilità per deformazione del materiale (bisogna an- che considerare che alcuni processi di lavorazione sono fatti spesso in condizioni di T e P diverse da quelle delle normali curve sforzo-deformazione, in genere ottenute a 25 °C)

27 27 LZ2-proprietà-G. Fumagalli le curve vs dei materiali possiamo avere materiali (m.) a comportamento: 1.elasto-plastico 1.elasto-plastico: la classe dei m. metallici e della maggior parte dei m. polimerici, il m. prima di rom- persi subisce deformazioni irreversibili + o - accen- tuate (m. + o - duttile) 2.solo elastico Y coincide a R 2.solo elastico: la classe dei m. ceramici e gli elasto- meri (famiglia di m. polimerici), il m. pur rompendosi ha subito solo reversibili ( Y coincide a R ) Y E i parametri di progetto utili sono Y (al suo aumentare cresce la resistenza meccanica) ed E (al suo aumen- tare cresce la rigidità) la temperatura influenza queste curve caratteristiche, così un m. elasto-plastico a T ambiente, quando la T viene abbassata, può trasformarsi in m. solo elastico (ad es. da deformabile diventa rigido): il fenomeno è particolarmente importante per la classe dei polimeri

28 28 LZ2-proprietà-G. Fumagalli fragilità tenacità 6 a – p. meccanica : fragilità tenacità la messa fuori uso per sollecitazioni meccaniche (ad es. un urto) può essere rappresentata da diversi indici numerici che descrivono fenomeni differenti e legati ai requisiti di uno specifico manufatto area curva 1.il manufatto assorbe energia nel deformarsi plasticamen- te ma, oltre a un certo limite, si rompe: lenergia limite è rappresentabile con larea delimitata superiormente dalla curva area Y 2.idem, ma è tollerata solo una deformazione elastica ( do- po lurto mantenimento della forma), quindi interessa solo larea del triangolo rettangolo Y tenacità a frattura K I C 3.la rottura avviene in presenza di un carico e di un difetto critici, tenacità a frattura K I C (MPa m 1/2 ) 4.……… altri indici di fragilità tenacità

29 29 LZ2-proprietà-G. Fumagalli tenacità a frattura K I C sul testo ufficiale è riportata un ampio commento sulla proprietà fragilità tenacità con esempi semplici e intuitivi, mi limito a commentare quello chiamato tanto maggiore è K C, quanto più grande è il carico sopportato e la dimensione del difetto tollerato dal materiale prima che si rompa K I C = critico ( a critico ) (MPa m 1/2 ) MPa m 1/2 = m 0.5 = m.

30 30 tenacità a frattura K I C (MPa m 1/2, scala logaritmica) elastica Y basso elastoplastica Y basso-medio-alto fragile medio tenace

31 31 7 a - proprietà termica : isolante/conduttore spesso le trasformazioni della materia avvengono con produzio- ne di energia, tale energia però non si accumula ma tende spon- taneamente a disperdersi mediante un flusso energetico (ad es. quello che ci arriva dal sole), in parte è di tipo termico (calore) e si muove dallarea più fredda a quella più calda (gradiente di temperatura T) a seconda dello stato di aggregazione del mezzo attraverso il quale fluisce, il trasporto di calore avviene mediante tre meccanismi principali : 1)irraggiamento 1)irraggiamento, onde elettromagnetiche nel vuoto e nei gas (ad es. sempre quelle che ci arrivano dal sole) 2)convezione 2)convezione, trasporto di materia nei gas e nei liqui- di (ad esempio il rimescolamento di masse di aria calde/fred- de durante i fenomeni meteorologici) 3)conduzione 3)conduzione, movimento di elettroni e fononi nei so- lidi (ad es. nel fondo pentola metallico sulla fiamma) LZ2-proprietà-G. Fumagalli

32 32 7 a - proprietà termica: isolante/conduttore 1.elettroni 1.elettroni mobili, che urtandosi trasferiscono luno allal- tro leccesso di energia posseduto a più alta T: materiali metallici conduttori materiali metallici = conduttori = processo veloce 1.fononi tutti i materiali 1.fononi, onde di tipo meccanico-acustico che si propagano da un atomo allaltro per vibrazione (più alta a T maggiore) dei nuclei degli atomi = tutti i materiali; il processo è più veloce quanto maggiore è la forza di legame (legami forti > legami deboli), quanto più è ordinato (monocristallino > policristallino > amorfo) e meno difettoso il reticolo di legami; materiali polimerici amorfiisolanti materiali polimerici amorfi = isolanti conduzione nei solidi il processo di nostro maggiore interesse è quello di conduzione nei solidi, è quello più rapido dei tre e si hanno due tipi di trasportatori di energia: diamante I materiali a conduzione fononica sono isolanti, però vi sono delle eccezioni, ad es. il miglior conduttore termico è il diamante (ceramico monocristallino): è facile distinguere un diamante da unaltra gemma incolore e trasparente! LZ2-proprietà-G. Fumagalli

33 33 7 a - proprietà termica: isolante/conduttore metalli = c. elettronica = buoni conduttori ceramici = c. fononica + s. policristallina = medio isolanti polimeri = c. fononica + s. amorfa = buoni isolanti sezione lunghezza la velocità con cui si propaga il flusso di calore di- pende, oltre che dal T, anche dalla sezione di materiale e dalla lunghezza del percorso attraverso ai quali scorre il flusso di energia (come un fluido in un tubo + o – stretto e lungo) più gas (convezione) e vuoti (irraggiamento) contiene il materiale migliore è il suo potere isolante schiume a base polimerica mattoni refrattari ottimi isolanti sezione piccolapercorsolungo ad esempio le schiume a base polimerica o i mattoni refrattari, che sono materiali porosi, sono ottimi isolanti termici perché la sezione reale di materiale solido, e non quella apparente con anche gas, è piccola e il percorso più tortuoso (e quindi lungo) LZ2-proprietà-G. Fumagalli

34 34 7 a - proprietà termica: isolante/conduttore la grandezza chimico-fisica che descrive il trasporto di calore della materia è la conduttività termica (u.m. del SI: W m -1 K -1 ), in questo corso (studiare anche tabella sul testo, attenti ad errori possibili) ci limiteremo a classi- ficare i materiali come: 1.ottimi conduttori rame 1.ottimi conduttori (alluminio, rame, ….. diamante) 2.buoni conduttori 2.buoni conduttori (acciai, inox, ….) 3.scarsi isolanti 3.scarsi isolanti (calcestruzzo, vetro, compositi con fibre di vetro o di carbonio, …) 4.buoni isolanti 4.buoni isolanti (legno, gomma naturale, polietilene PE, policarbonato PC, …) la proprietà di un manufatto di isolare/condurre calore dipende anche dalla forma/dimensioni e non solo dal materiale: quanto più è bassa la conduttività del materiale, è bassa la sezione del componente, è più lungo il percorso del flusso termico tanto più elevato risulterà lisolamento LZ2-proprietà-G. Fumagalli

35 35 7 ° bis - altra proprietà termica dilatazione termica (importante per alcuni componenti con tolleranze specifiche) unaltra proprietà termica di interesse per il design è la variazione di dimensioni L del materiale che si può avere al variare della tem- peratura T, ovvero la dilatazione termica (importante per alcuni componenti con tolleranze specifiche): L = L 0 T L = L 0 T = coefficiente di dilatazione termica u.m °C -1 allungamento di 1 m al m per ogni grado celsius o kelvin (ovvero grado centigrado), trovate anche lequivalente u.m. strain / °C L o = dimensione alla temperatura iniziale (ad es. 25 °C) in m contrazione termica L < 0 per T negativi si avrà ovviamente contrazione termica L < 0 alcuni m alcuni decimi di mm rischiando di alterare alcune funzionalità del manufatto in genere le variazioni L sono limitate ad alcuni m (po- co influente per un progetto), però alcuni materiali (ad es. i polimeri) possono variare anche di alcuni decimi di mm rischiando di alterare alcune funzionalità del manufatto LZ2-proprietà-G. Fumagalli

36 36 coefficiente di dilatazione termica ( strain/°C =10 -6 °C -1 ) LZ2-proprietà-G. Fumagalli

37 37 T max -T max - temperatura al di sopra della quale si ha un decadimento delle proprietà meccaniche; fra i materiali polimerici più usati, il 10 % non può essere utilizzato a T > 60 °C e il 70 % a T > 200 °C; per lacciaio T max 300 °C, fra i mate- riali ceramici troviamo quelli con T max più elevata (studiare tabella sul testo) T min -T min - temperatura al di sotto della quale si ha un decadi- mento delle proprietà meccaniche; per le temperature di interesse per il design ha scarso interesse perché T min è in genere sotto i -20 °C, … però non scordatela … temperatura di servizio 8 a - proprietà termica : temperatura di servizio LZ2-proprietà-G. Fumagalli

38 38 9 a - proprietà elettrica : conduttività elettrica per la conduttività elettrica si hanno diversi processi che consentono il trasporto delle cariche tre tipi di particelle trasportatrici di carica elettrica 1.elettroni 1.elettroni (cariche negative), 2.ioni 2.ioni (atomi o gruppi di atomi carichi negativamente o positivamente) 3.buche 3.buche (buca = spazio o difetto nel quale, mancan- do un elettrone in una posizione dove dovrebbe esserci, si forma una carica positiva mobile) LZ1-proprietà-G. Fumagalli

39 39 1.plasmi 1.plasmi - gas con ioni (- o +) e elettroni (-) mobili 2.elettroliti liquidi 2.elettroliti liquidi - liquidi con ioni (- o +) mobili 3.metalli 3.metalli - solidi dove alcuni elettroni (-) sono mobili 4.semiconduttori 4.semiconduttori - solidi con elettroni (-) e buche (+) mobili (il Si opportunamente drogato: struttura elet- tronicamente difettosa in un certo campo di T) 5.elettroliti solidi 5.elettroliti solidi - solidi dove alcuni ioni sono mobili (la zirconia opportunamente drogata: struttura difettosa ad alta T) 6.superconduttori 6.superconduttori – materiali a resistenza elettrica 0 (al- cuni metalli per T a una decina di gradi kelvin; cera- mici speciali per T °C = ossidi misti di Cu, Y e altri elementi ) diversi tipi di materia per il trasporto di cariche LZ2-proprietà-G. Fumagalli

40 40 dif- ferenza di potenziale Esezione lunghezza la conduttività elettrica mostra alcune analogie con quella termica prima vista: la velocità con cui si pro- paga il flusso di cariche dipende, oltre che dalla dif- ferenza di potenziale E, sempre dalla sezione di materiale e dalla lunghezza del percorso attraverso ai quali passano i trasportatori di carica assumono però una importanza ancora maggiore le caratteristiche del materiale e la temperatura: ad es. il tipo e la concentrazione dei trasportatori di carica (questultima può tendere a zero nei materiali isolanti), ad es. il numero di difetti elettronici può dipendere dalla composizione chimica del materiale e dalla temperatura, ad es. laumento dei moti vibra- zionali degli atomi, indotto dallaumento di temperatura, può rallentare il flusso di elettroni il processo di trasporto delle cariche LZ2-proprietà-G. Fumagalli

41 41 9 a - proprietà elettriche: isolante/conduttore come per la conduttività termica, ci limite- remo a classificare (studiare anche tabella sul testo) i materiali come : per descrivere le proprietà elettriche viene usata la grandezza conduttività elettrica (u.m. del SI: Ω -1 m -1 ) o, più spesso, il suo reciproco resistività elettrica (in Ω cm); come per la conduttività termica, ci limite- remo a classificare (studiare anche tabella sul testo) i materiali come : 1.ottimi conduttori 1.ottimi conduttori (i metalli puri, ad es. alluminio, rame, …..) 2.buoni conduttori 2.buoni conduttori (le leghe metalliche, ad es. acciai, inox, ….) 3.scarsi isolanti 3.scarsi isolanti (calcestruzzo, compositi con fibre di carbonio, legno, …) 4.buoni isolanti 4.buoni isolanti (polimeri in generale, ad es. gomma naturale, compositi con fibre di vetro, …) LZ2-proprietà-G. Fumagalli

42 42 10 a - proprietà magnetiche: non magnetico/ferromagnetico/magnetico un magnete (calamita) ha due poli di segno opposto ed è in grado di attrarre o respingere un altro magnete alcuni materiali (contenenti elementi come il ferro Fe, il nichel Ni e il cobalto Co), pur non essendo originariamente dei magneti, possono venire magnetizzati da un campo magnetico + o – forte: ferromagnetici 1.i materiali ferromagnetici vengono attratti da una cala- mita e diventano magneti in un campo magnetico, ma in genere perdono rapidamente la magnetizzazione quando allontanati dal campo magnetico magneti permanenti 2.i magneti permanenti invece mantengono a lungo la magnetizzazione e possono venire trovati in natura o es- sere artificiali non magnetici la maggior parte dei materiali sono invece non magnetici e non subiscono i campi magnetici LZ2-proprietà-G. Fumagalli

43 43 11 a - proprietà ottiche: trasparente/opaco le proprietà ottiche dei materiali verranno trattate più detta- gliatamente nel modulo relativo ai materiali polimerici, anche per questa proprietà che descrive il flusso delle radiazioni attraverso la materia, forma e dimensioni del manufatto possono essere determinanti per ora ci limiteremo a considerare una scala quali- tativa (puramente sensoriale), distinguendo i materiali: 1.di qualità ottica (< 10%) - distorsione minima della radiazione visibile (r.v.) e delle immagini, ovvero materiale idoneo ad applicazioni quali quella per lenti di occhiali, per binocoli, … 2.trasparenti (< 10%) - bassa distorsione della r.v. e delle immagini (materiali anche colorati) 3.traslucidi 3.traslucidi (< 20%) - la r.v. viene diffusa in tutte le direzioni con forte distorsione delle immagini 4.opachi (> 60 %) - la r.v. non attraversa il materiale LZ1-proprietà-G. Fumagalli

44 44 12 a proprietà chimica: durabilità largomento è trattato anche più avanti nel corso il degrado dei materiali è una tematica polidi- sciplinare complessa (chimica, fisica, ingegneria, …) : 1.il degrado di un materiale, o meglio di un manu- fatto, è la perdita delle funzionalità previste a prio- ri e le cui priorità spesso sono soggettive 2.il materiale, lambiente, la forma del componente e il tempo influenzano in modo estremamente marcato il processo, quindi non è assolutamente possibile generalizzare 3.sul testo (studiare) viene tentata una classifica ge- nerica per alcuni materiali sulla durabilità: scarsa buona ottima LZ2-proprietà-G. Fumagalli

45 45 per i designer uno dei requisiti principali è laspetto estetico del manufatto: degrado = brutto lalterazione dellaspetto superficiale è un fenomeno che potrebbe interessare uno spessore di centesimi o millesimi di mm (o anche meno), quindi potrebbe essere relativamente rapido senza portare ad altre alterazioni funzionali (ad es. quelle meccaniche, …) lunico valore della scala del testo accettabile per un designer è quello di ottima durabilità, già buona durabilità potrebbe implicare interventi manutentivi + o – frequenti ed efficaci, scarsa durabilità ovviamente costringerà al ricorso di trattamenti protettivi per evitare un sicuro fallimento del pro- getto 12 a proprietà chimica: durabilità LZ2-proprietà-G. Fumagalli

46 46 le principali proprietà dei materiali attributo sensoriale grandezza chimico-fisica u. m. SI u. m. usata pesante/leggerodensitàkg m -3 g cm -3 caro/economicocosto massico kg -1 - rigido/flessibilemodulo elastico EGPa- resistente/cedevolelimite elastico σ y MPa- tenace/fragiletenacità a frattura K I C MPa m 1/2 - + o - lavorabile deformazione a rottura %- + o - isolante termicoconduttività termicaW m -1 K -1 - termicamente dilatabile coefficiente di d. t. m m -1 K -1 - resistente al caloreT max di esercizioK°C trasparente/opacotrasmittanza%- + o - isolante elettricoresistività elettricaΩ m μ Ω cm + o - magneticoinduzione magneticaT (tesla)- + o - degradabiledurabilitàvariesoggettiva um u. m. = unità di misura; SI SI = Sistema Internazionale delle unità di misura LZ2-proprietà-G. Fumagalli


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