CAPITOLO
1
Introduzione alla
Scienza e Tecnologia
dei Materiali
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
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Cosa sono i materiali?
• 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.
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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
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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
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Scienza dei Materiali
Scienza e Tecnologia
dei Materiali
Conoscenze
di base dei
materiali
Conoscenze
risultanti
della struttura e
delle proprietà
Tecnologia dei Materiali
Conoscenze
applicate dei
materiali
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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
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Non ferrosi
Es.: Rame,
Alluminio
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.
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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.
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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
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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.
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Concorrenza tra i materiali
• I materiali competono tra loro
per essere presenti in nuovi
mercati.
• Su un periodo di tempo,
1600
l’impiego di differenti materiali 1400
varia a seconda del costo e delle 1200
prestazioni.
1000
• Materiali nuovi, più economici o 800
600
migliori sostituiscono i vecchi
materiali quando c’è una svolta 400
200
nella tecnologia.
Esempio
lb/auto
_
Alluminio
Ferro
Mat. Plastiche
Acciaio
0
1985
1992
1997
Anno del modello
Previsioni e utilizzo dei
materiali per auto in USA
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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)
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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)
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Caso di studio – selezione di materiali
•
Problema: selezionare il materiale adeguato
per il telaio e le forcelle di una bicicletta
Acciaio e
leghe
Legno
Basso costo, ma
Leggero e
pesante. Bassa
resistente.
resistenza alla Non può essere
corrosione
modellato
Plastica
rinforzata con Leghe di
fibre di carbonio alluminio
(CFRP)
Molto leggera e
resistente. Non
corrodibile.
Molto costosa
Leggere,
abbastanza resistenti.
Resistenti a
corrosione. Costose
Costo importante? Selezionare acciaio
Proprietà importanti? Selezionare CFRP
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Leghe di
Ti e Mg
Leggermente
meglio delle
leghe Al. Più
costose
