Master “Materiali, Matematica e Modelli per la Progettazione e la Produzione” Proprietà chimiche e fisiche dei materiali di interesse industriale: origine, tipologie, basi di dati. Dott. Gabriele Ricchiardi Dipartimento di Chimica - NIS Centre of Excellence- NISLabVCO gabriele.ricchiardi@unito.it

CV Perché insegno questo breve corso… Ricerca nel campo della simulazione quantomeccanica dei materiali (soprattutto catalizzatori ed adsorbenti) Esperienza industriale (fonderia Teksid) Direzione laboratorio di ricerca applicata NISLabVCO (ricerca e problem solving per le PMI)

Sommario Introduzione: progettare con le proprietà dei materiali Esercizio: identificazione materiali e proprietà rilevanti Caratterizzazione dei materiali Caratterizzazione e simulazione Banche dati

Progettare i materiali… “Materials Design” a livello atomico, microstrutturale e macroscopico. E’ possibile? Quali metodologie? Basato su tecniche di simulazione…

Un esercizio Esaminare i manufatti presentati nelle dispositive seguenti (anche smontandoli…) e compilare una tabella del tipo: N.B.: si tratta di prodotti APPARENTEMENTE di bassa tecnologia… Manufatto Materiale Funzione Proprietà rilevanti

Motore elettrico (ventola bagno Vortice)

Lampada alogena (Denso - Toyota Corolla)

??? (Fantoni)

??? (trovato sulla spiaggia…)

Pannello isolante acustico Materiale Funzione Proprietà rilevanti Composito legno-polimero “medium density”, con ritardanti di fiamma.minerali e organici Dà forma e sostegno del pannello e disperde energia acustica Prop meccaniche, con particolare riferimento alle prop vibrazionali acustiche. Lavorabilità. Resistenza agenti atmosferici (umidità, ossigeno). Proprietà termiche (dilatazione, resistenza alla T) e di combustione. Lavorabilità in forme complesse (x cavità risonanti) Film melammina (esterno) Finitura superficiale estetica (deve essere stampabile) e funzionale (protettivo da polvere e umidità) Prop. Meccaniche, adesione inchiostri, adesione colle/legno, resistenza agli agenti atmosferici (luce,, umidità). Colore, riflettività speculare e diffusa (gloss) profilo microscopico. Film melammina (interno) Compensa meccanicamente il film di finitura esterno Prop. meccaniche Tessuto polestere con ritardante di fiamma Assorbimento acustico Assorbimento acustico in campo complementare alla matrice ed all’array di risuonatori. Pochi componenti ma molto ben scelti…

Lampada alogena E questa è solo una lista molto sommaria… Materiale Funzione Proprietà rilevanti Fiamento W Emettitore (corpo nero) Alto punto di fusione Gas atmosfera interna (inerti +Br) Protezione del filamento Bassa conducibilità termica, reattività specifica con W, inerte su SiO2 Vetro ad alto tenore di quarzo Involucro ad alta trasparenza, resistente ad alta temperatura e vapori di W, Br2,… Prop, ottiche, meccaniche, termiche Rivestimento bulbo (vernice ceramica) Direzionamento fascio luce Prop. Ottiche e termiche Resina fenolica caricata Supporto del bulbo e dei contatti elettrici Acciai (vari, non identificati) Connessione del bulbo al supporto Prop meccaniche e chimiche (corrosione) ad alta temperatura. Conducibilità elettrica e termica. Elastomero (verosimilmente copolimero a blocchi PU) Guarnizione Prop meccaniche, termiche … E questa è solo una lista molto sommaria…

Motore elettrico E questa è solo una lista molto sommaria… Materiale Funzione Proprietà rilevanti … E questa è solo una lista molto sommaria…

Lampada alogena E questa è solo una lista molto sommaria… Materiale Funzione Proprietà rilevanti … E questa è solo una lista molto sommaria…

Identificare i materiali La chimica e la fisica mettono a disposizione un vasto arsenale di tecniche per identificare la composizione chimica e la struttura dei materiali (su scala atomica, e micro-macrostrutturale). MODULO ANALITICO: formulare proposte? In molti casi l’identificazione è molto semplice e può essere fatta in base a proprietà macroscopiche sensibili, o con proprietà facilmente misurabili aspetto, odore, colore, tatto (profilo e termico), densità, suono, durezza, misure con multimetri e calamite, comportamento alla fiamma, ecc…) In moltissimi casi, è necessaria una misura strumentale. Questo è particolarmente vero per i campioni/componenti molto piccoli, che non possiamo saggiare con i sensi e con strumenti/attrezzi. Vediamo le più utilizzate NELLA PRATICA:

Identificare i materiali Una sequenza tipica (dalla mia esperienza con le aziende): Esame “sensoriale” generale Microscopia ottica (se c’è microstruttura) Microscopia SEM con microanalisi Spettroscopia Infrarossa (polimeri e sost. naturali) “quantometro” (metalli) TGA/DTA XRD Tecniche di analisi chimica accurate (fluorescenza RX, gascromatografia, ecc…) …naturalmente non è sempre necessario fare tutte queste cose!

Esame “sensoriale” e microscopia ottica DA NON SOTTOVALUTARE: permette di risparmiare tempo e soldi! Ed è anche divertente… Un po’ di studio dell’ applicazione/contesto da cui proviene il materiale permette spesso di restringere notevolmente la rosa delle possibilità, lasciando alle tecniche strumentali solo l’individuazione dei dettagli.

Microscopia Elettronica SEM I microscopi SEM sono ormai molto diffusi, e il loro uso presso i laboratori ha tariffe molto abbordabili (80-120€/ora) . Una rapida osservazione con un SEM dotato di analisi elementare EDX (Energy Dispersive X-Ray analysis) permette di ottenere: informazione morfologica sulla scala mm-mm con elevata profondità di campo; composizione elementare di massima. Trattamenti chimici di attacco del campione permettono anche di valutare proprietà chimiche.

Microscopia Elettronica SEM Se la classe non ha mai visto un SEM in funzione, prevedere una visita in laboratorio…

Spettroscopia IR Misura le vibrazioni molecolari o cristalline caratteristiche dei legami chimici. Lo spettro infrarosso può essere misurato sulla luce trasmessa o riflessa da un materiale (la tecnica può essere non-distruttiva). l’analisi “a occhio” degli spettri mostra la presenza di “gruppi” chimici caratteristici (-OH, -C=O, --CH2, -CH3, -NH2, e molti altri…) nel caso dei polimeri e di molti minerali complessi, la parte a basse frequenze dello spettro non è interpretabile facilmente ma è fortemente caratteristica di un dato materiale, e si può usare da “impronta digitale”, per confronto con una banca dati.

IR + TGA Mostrare IR e TGA/DTA in Lab2 e Lab 8-9

Il “Quantometro” “Quantometro” è il nome comune di uno strumento per la determinazione accurata della composizione delle leghe, molto diffuso nell’industria manifatturiera. Si tratta di uno “spettrometro ottico ad emissione” (OES) molto semplificato , nel quale un arco elettrico superficiale vaporizza e surriscalda una piccola quantita di campione metallico. Lo spettro della luce emessa dall’arco viene registrato. La composizione si ricava per confronto con gli spettri atomici degli elementi. CAVEAT funziona solo per i metalli (il campione deve essere conduttivo) poiché i diversi componenti di una lega evaporano a velocità diverse, la composizione del vapore non coincide esattamente con quella della lega. E’ necessaria una taratura con una matrice simile. Normalmente, i quantometri industriali “riconoscono” la presenza di un elemento impostato, ma non sono in grado di identificare “incogniti”. IL PARENTE PIU’ PERFORMANTE (PER RICCHI…) Spettrometro ICP-Plasma (richiede dissoluzione del campione)

TGA-DTA (DSC) Misura le variazioni di peso e di calore specifico di un campione durante un percorso termico (di solito un riscaldamento a velocità costante fino a completa calcinazione del materiale). Sostanze assorbite/adsorbite (acqua, solventi) Decomposizione termica (temperatura di inzio, velocotà,…) Transizioni di fase (fusioni, solidificazioni, transizioni allo stato solido, cristallizzazioni e vetrificazioni, miscelazione e segregazione di additivi. L’analisi del residuo (ceneri) fornisce indicazioni sulla composizione Nel caso dei compositi polimerici, permette di identificare la presenza di cariche inorganiche. Può essere misurata in atmosfera ossidante (aria), riducente (H2) o inerte (N2, He, Ar,…), fornendo informazioni chimiche sull’ossidabilità/riducibilità del sistema. In alcuni sistemi, i gas svolti durante l’esperimento possono essere analizzati con tecniche IR o MS, fornendo informazioni chimiche. VEDI ESEMPIO SEGUENTE

SEM + IR + TGA Esempio. Identificazione del materiale di una guaina per cavi elettrici (reverse engineering)

SEM + IR + TGA Il SEM mostra la presenza di cariche minerali e additivi… (Sb, Mg, Ca,…)

SEM + IR + TGA IR, il confronto con una banca dati permette di identificare il polimero matrice ed uno degli additivi (ritardante di fiamma a bassa tensione di vapore). Figura 4. Spettri IR del campione (linea blu), del tri(n-octil,n-decil)trimellitato (linea verde) e del PVC (linea rossa).

XR(P)D (X-Ray Powder Diffraction) Fare un breve ripasso della tecnica davanti al diffrattometro del Lab.2 (Via Quarello) Registra il caratteristico diffrattogramma (direzioni ed intensità) di un reticolo cristallino. In questo modo, permette di identificare fasi cristalline presenti (per confronto con banca dati di diffrattogrammi). Fornisce inoltre informazioni collaterali sulle dimensioni dei cristalli e sulla loro eventuale orientazione. ATTENZIONE: nel caso di strutture complesse, non permette di risalire (se non con esperimenti complessi accompagnati da simulazioni altrettanto complesse) alla struttura atomica del materiale. non “vede” la materia amorfa; è poco sensibile (qualche % w) e necessita di parecchio campione

Caratterizzazione dei materiali - 1 Le tecniche viste finora permettono di IDENTIFICARE i materiali e forniscono alcune proprietà. La detrminazione approfondita delle proprietà rilevanti di un materiale prende il nome di CARATTERIZZAZIONE del materiale. Le tabelle dell’esercizio precedente mostrano esempi di proprietà: MECCANICHE (v. lezioni prof. Baricco) TERMICHE (oltre alla TGA/DTA, sono fondamentali: conducibilità e calore specifico, prove tecniche di combustrione, dilatazione termica) ELETTRICHE E MAGNETICHE REATTIVITA’ CHIMICA E CORROSIONE (un capitolo enorme…) OTTICHE (assorbimento, riflessione, emissione, diffusione, nei vari campi spettrali da IR termico a RX) REOLOGICHE (viscosità e prop. Correlate) TRIBOLOGICHE (attrito e prop. correlate

Caratterizzazione-2 Perché siamo affamati di dati di caratterizzazione quantitativi dei materiali? Progettazione Simulazione Fabbricazione Non solo li richiede la progettazione “classica”. La simulazione interviene sia nella progettazione avanzata, sia nella “failure analisys” dei prodotti finiti.

Banche Dati Quando cerchiamo una proprietà, possiamo fare riferimento alle pubblicazioni scientifiche che descrivono l’esperimento di detrminazione. Tuttavia, questo richiede molto tempo, e l’analisi di una gran numero di informazioni non richieste. Le varie comunità tecnologiche si sono da tempo dotate di BANCHE DATI specializzate, che contengono specifica informazione selezionata per un gran numero di materiali, e consentono al tempo stesso di “tracciare” l’origine dei dati. Sono esempi di banche dati. I “manuali” classici in uso da scienziati ed ingegneri. Ad es: le banche dati di cristallografia strutturale le banche dati spettrali (IR, sp. Atomici, NMR) le banche dati ed i software di “materials selection” le banche dati sulla sicurezza (MSDS) il NIST Chemistry webbook banche dati/servizi online di tipo commerciale

Banche dati strutturali e cristallografiche V. Presentazione specifica

Appendice: la qualità delle risorse tecnico- scientifiche in Internet V. Presentazione specifica su motori di ricerca e banche dati valutazione della qualità peer review qualità degli “user generated content” (Wikipedia) motori di ricerca specializzati

Esercizio: analisi della qualità e del contenuto delle risorse online sui materiali. L’attività inizia con la ricerca di “materials properties” su un motore di ricerca. Provare diversi motori di ricerca schematizzare i risultati in una tabella, analizzandone la qualità secondo i parametri prima discussi approfondire la classe di proprietà di pertinenza per la propria attività tecnica. Elencare e classificare le fonti disponibili

Introduzione al CES Selector Contenuto del database Funzionalità del Programma CES Selector