Introduzione alla Scienza e Tecnologia dei Materiali CAPITOLO 1 Introduzione alla Scienza e Tecnologia dei Materiali W. Smith, J. Hashemi, Scienze e tecnologia dei materiali, 4e - © McGraw-Hill Education (Italy) srl W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

I Rover per Marte - Spirit e Opportunity Spirit e Opportunity sono realizzati con materiali come * Metalli * Ceramici * Compositi * Polimeri * Semiconduttori www.nasa.gov W. Smith, J. Hashemi, Scienze e tecnologia dei materiali, 4e - © McGraw-Hill Education (Italy) srl 1-1 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

Cosa sono i materiali? Esempi: I materiali possono essere definiti come sostanze dalle quali ogni cosa è composta o fatta Otteniamo materiali dalla crosta terrestre e dall’atmosfera Esempi: Silicio e Ferro costituiscono rispettivamente il 27.72 ed il 5.00 % in peso della crosta terrestre. Azoto e Ossigeno costituiscono rispettivamente il 78.08 ed il 20.95 % in volume dell’aria secca. 1-2 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

Perché lo studio dei 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 alta temperatura La 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 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

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 della conoscenza ottenuta dalla scienza dei materiali per convertire i materiali in prodotti Scienza e Tecnologia dei Materiali Scienza dei Materiali Tecnologia dei Materiali Conoscenze applicate dei materiali Conoscenze risultanti della struttura e delle proprietà Conoscenze di base dei materiali 1-4 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

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: Carburo di Silicio, Ossido di Ferro Inorganici, hanno struttura cristallina Buoni conduttori termici ed elettrici. Metalli e Leghe Ferrosi Es.: Acciaio, Ghisa Non ferrosi Es.: Rame, Alluminio 1-5 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

Tipologie di Materiali Materiali polimerici (plastiche) Molecole organiche per lo più non cristalline Alcuni sono compositi da 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: Polivinil Cloruro (PVC), Poliesteri Applicazioni: Dispositivi, DVD, Tessuti, etc. 1-6 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

Tipologie di Materiali Materiali Ceramici Elementi metallici e non metallici sono legati insieme chimicamente. Inorganici, ma possono essere cristallini, non cristallini o semicristallini. 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 e il rientro in atmosfera. Altre applicazioni: abrasivi, materiali da costruzione, utensili, etc. Esempi: Porcellana, Vetri, Nitruro di silicio. 1-7 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

Tipologie di materiali Materiali compositi Miscela di due o più materiali Formati da due materiali (riempimento e matrice) Materiali legati, non si miscelano l’uno con l’altro Principalmente due tipologie: Fibroso: fibre in una matrice; Particolato: particelle in una matrice. La matrice può essere metallica, ceramica o polimerica Esempi: Fibre di Vetro (materiale da rinforzo in una matrice di poliestere o resina epossidica) Calcestruzzo (ghiaia o barre di acciaio rinforzate in cemento e sabbia) Applicazioni: Ali e motori di aerei, costruzioni W. Smith, J. Hashemi, Scienze e tecnologia dei materiali, 4e - © McGraw-Hill Education (Italy) srl 1-8 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

Tipologie di materiali Materiali per l’elettronica Non elevati per 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 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

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 e utilizzo dei materiali per auto in USA 1-10 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

Avanzamenti recenti e Tendenze Future Materiali intelligenti Reagiscono a stimoli ambientali Cambiano le loro proprietà quando soggetti a uno stimolo esterno Esempi: leghe a memoria di forma – usati per stent arteriosi Sistemi microelettromeccanici (MEMS) 1-11 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

Avanzamenti recenti e tendenze future Nanomateriali Dimensioni minori a 100 nm Materiali con proprietà speciali Molto duri e resistenti Ricerca in corso Esempi: plastiche rinforzate con nanofibre di carbonio (molto leggere, ma forti come i metalli) 1-12 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl

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, abbastanza resistenti. Resistenti a corrosione. Costose Leggermente meglio delle leghe Al. Più costose Costo importante? Selezionare acciaio Proprietà importanti? Selezionare CFRP 1-13 W. Smith, J. Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed – © McGraw-Hill Education (Italy) srl