Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi CAPITOLO 1 Introduzione alla Scienza e Tecnologia dei Materiali

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi I Rover per Marte - Spirit e Opportunity Spirit e Opportunity sono realizzati con materiali come * Metalli * Ceramici * Compositi * Polimeri * Semiconduttori 1-1

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Cosa sono i Materiali? I materiali possono essere definiti come sostanza della quale ogni cosa è composta o fatta. Otteniamo materiali dalla crosta terrestre e dall’atmosfera. Esempi:  Silicio e Ferro costituiscono rispettivamente il ed il 5.00 % in peso della crosta terrestre.  Azoto e Ossigeno costituiscono rispettivamente il ed il % in volume dell’aria secca. 1-2

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Perchè lo Studio di Materiali è Importante? La produzione e la lavorazione dei materiali costituiscono una parte molto importante della nostra economia. Gli ingegneri scelgono i materiali adeguati per un progetto. Occorrono nuovi materiali per alcune nuove applicazioni.  Esempio: Materiali resistenti ad alte temperature.  Stazione Spaziale e Rovers per Marte dovrebbero resistere a condizioni nello spazio. * Alta velocità, bassa temperatura, resistente, ma leggero. Occorrono modifiche delle proprietà per alcune applicazioni.  Esempio: Trattamento termico per modificare le proprietà. 1-3

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Scienza e Tecnologia dei Materiali La scienza dei materiali riguarda la conoscenza di base della struttura interna, delle proprietà e delle lavorazioni dei materiali. La tecnologia dei materiali riguarda l’applicazione di conoscenza ottenute dalla scienza dei materiali per convertire i materiali in prodotti. Conoscenze risultanti della struttura e delle proprietà Conoscenze applicate dei materiali Scienza dei Materiali Scienza e Tecnologia dei Materiali Tecnologia dei Materiali Conoscenze di base dei materiali 1-4

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tipologie di Materiali Materiali Metallici  Composti da uno o più elementi metallici.  Esempi: Ferro, Rame, Alluminio.  Un elemento metallico può combinarsi con elementi non metallici.  Esempi: Silicio, Carburo, Ossido di Ferro.  Inorganici, hanno struttura cristallina.  Buoni conduttori termici ed elettrici. Metalli e Leghe Ferrosi Eg: Acciaio, Ghisa Non ferrosi Eg:Rame, Alluminio 1-5

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tipologie di Materiali Materiali polimerici (plastiche)  Molecole organiche giganti e per lo più non cristalline.  Alcuni sono miscele di regioni cristalline e non cristalline.  Scarsi conduttori elettrici, quindi utilizzati come isolanti.  Resistenza meccanica e duttilità variano moltissimo.  Basse densità e temperature di decomposizione.  Esempi: Poli vinil Cloruro (PVC), Poliesteri.  Applicazioni: Dispositivi, DVD, Tessuti, etc. 1-6

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tipologie di Materiali Materiali Ceramici  Elementi metallici e non metallici sono legati insieme chimicamente.  Inorganici, ma possono essere cristallini, non cristallini o una miscela di entrambi.  Elevata durezza, resistenza meccanica e resistenza all’usura.  Isolanti molto buoni. Utilizzati per rivestimenti di forni per trattamenti termici e fusione di metalli.  Usati anche per lo Space Shuttle per isolarlo durante l’uscita ed il rientro in atmosfera.  Altre applicazioni : Abrasivi, materiali da costruzione, utensili, etc.  Esempi: Porcellana, Vetri, Nitruro di silicio. 1-7

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tipologie di Materiali Materiali Compositi  Miscela di due o più materiali.  Formati da due materiali (riempimento e legante).  Materiali solamente legati, non si miscelano l’uno con l’altro.  Principalmente due tipologie: o Fibroso: Fibre in una matrice o Particolato: Particelle in una matrice o La matrice può essere metallica, ceramica o polimerica  Esempi: oFibre di Vetro (materiale da rinforzo in una matrice di poliestere o resina epossidica) oCalcestruzzo (ghiaia o barre di acciaio rinforzate con cemento e sabbia)  Applicazioni: Ali e motori di aerei, costruzioni. 1-8

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tipologie di Materiali Materiali per l’elettronica  Non elevati per il volume, ma molto importanti.  Il silicio è un comune materiale per l’elettronica.  Le sue caratteristiche elettriche sono variate aggiungendo impurezze.  Esempi: Chip in silicio, transistor.  Applicazioni: Computer, Circuiti integrati, Satelliti, etc. 1-9

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Concorrenza tra i Materiali I materiali competono tra loro per essere presenti in nuovi mercati. Su un periodo di tempo, l’impiego di differenti materiali varia a seconda del costo e delle prestazioni. Materiali nuovi, più economici o migliori sostituiscono i vecchi materiali quando c’è una svolta nella tecnologia. Esempio: Previsioni ed utilizzo dei materiali per auto in USA After J.G. Simon, Adv. Mat. & Proc., 133:63(1988) and new data 1-10

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tendenze Future Materiali metallici  La produzione segue strettamente l’economia USA.  Le leghe possono essere migliorate con una chimica migliore ed un migliore controllo di processo.  Sono costantemente ricercate nuove leghe per applicazioni aerospaziali. o Scopo: Migliorare la resistenza termica e alla corrosione. o Esempio: Superleghe a base di nichel per elevate temperature.  Sono allo studio nuove tecniche di lavorazione. o Scopo: Migliorare la vita del prodotto e le proprietà a fatica. o Esempio: Forgiatura isoterma, metallurgia delle polveri.  Metalli per applicazioni biomediche. 1-11

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tendenze Future Materiali polimerici (Materie plastiche)  Materiali di base a maggiore velocità di crescita (9% all’anno).  Dal 1995, la velocità di crescita è diminuita per saturazione.  Diversi materiali polimerici possono essere miscelati insieme per produrre nuove leghe plastiche.  La ricerca per nuove materie plastiche continua. 1-12

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tendenze Future Materiali ceramici  Nell’ultimo decennio è stata prodotta una nuova classe di materiali ceramici avanzati.  Si trovano costantemente nuovi materiali e nuove applicazioni.  Attualmente utilizzati in applicazioni automobilistiche e biomediche.  La lavorazione dei ceramici è costosa.  Facilmente danneggiabili a causa della loro elevata fragilità.  Devono essere trovate nuove tecniche di lavorazione e materiali ceramici ad elevato impatto. 1-13

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tendenze Future Materiali compositi  I principali prodotti sono plastiche rinforzate con fibre.  Crescita media annuale dal 1981 al 1987 pari a 3%.  Velocità di crescita annuale prevista per i nuovi compositi come le combinazioni fibre di vetro- resina epossidica e grafite-resina epossidica pari a 5%.  Si prevede un utilizzo maggiore di materiali compositi per gli aerei commerciali. 1-14

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tendenze Future Materiali per l’elettronica  L’utilizzo di materiali per l’elettronica, come il silicio, è aumentato rapidamente dal  Si pensa che i materiali per l’elettronica giocheranno un ruolo fondamentale nelle “Fabbriche del Futuro”.  L’impiego di computer e robot aumenterà, portando ad un’ampia crescita dell’impiego dei materiali per l’elettronica.  L’alluminio per le interconnessioni nei circuiti integrati potrebbe essere sostituito dal rame, portando ad una migliore conducibilità. 1-15

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Tendenze Future Materiali intelligenti: cambiano le loro proprietà quando soggetti ad uno stimolo esterno.  Leghe a memoria di forma: il materiale deformato ritorna alla sua forma originale al di sopra di una temperatura critica.  Utilizzate in valvole cardiache e per espandere le arterie.  Materiali piezoelettrici: producono un campo elettrico quando esposti ad una forza e vice-versa.  Utilizzati negli attuatori e nei sistemi di riduzione delle vibrazioni. 1-16

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi MEMS e Nanomateriali MEMS: sistemi microelettromeccanici  Dispositivi in miniatura  Micro-pompe, sensori Nanomateriali: Lunghezza caratteristica < 100 nm  Esempi: polvere ceramico e dimensione di grano < 100 nm.  I nanomateriali sono più duri e più resistenti dei materiali massivi.  Hanno caratteristiche di biocompatibilità (come la Zirconia).  Sono sviluppati transistor e diodi su nanofili. 1-17

Copyright © 2008 – The McGraw-Hill Companies s.r.l. Scienza e tecnologia dei materiali 3ed – W. Smith, J. Hashemi Caso di Studio – Selezione di Materiali Problema: Selezionare il materiale adeguato per il telaio e le forcelle di una bicicletta. Acciaio e leghe Legno Plastica rinforzata con fibre di carbonio (CFRP) Leghe di alluminio Leghe di Ti e Mg Basso costo, ma pesante. Bassa resistenza alla corrosione Leggero e resistente. Non può essere modellato Molto leggera e resistente. Non corrodibile. Molto costosa Leggere, abba- stanza resistenti. Resistenti a corrosione. Costose Leggermente meglio delle leghe Al. Più costose Costo importante? Selezionare acciaio Proprietà importanti? Selezionare CFRP 1-18