UNITA 5 MATERIALI CERAMICI, COMPOSITI; NANOMATERIALI

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1 UNITA 5 MATERIALI CERAMICI, COMPOSITI; NANOMATERIALI Risposta 5.1 La composizione chimica, ovvero la reattività, che consente di classificarli in refrattari acidi, basici e neutri. La refrattarietà, in particolare quella sotto carico a compressione, che corrisponde alla temperatura massima di impiego. La conducibilità termica, che deve essere modesta, salvo che negli scambiatori di calore. La dilatazione termica, che deve essere contenuta. La resistenza agli shock termici, per i refrattari sottoposti periodicamente a cicli di riscaldamento e raffreddamento. La densità a verde, teorica e apparente e la connessa porosità aperta e chiusa. La resistenza a compressione, specie a caldo. La stabilità strutturale per quei refarrari in cui sono presenti fasi che cambiano struttura cristallina al variare della temperatura con forti differenze di densità. Risposta 5.2 I refrattari acidi afferiscono al sistema silice (SiO 2 )-allumina(al 2 O 3 ) e si distinguono in: refrattari silicei o dinas, costituiti per il 96-97% da silice, con refrattarietà di poco inferiore a 1700 C. refrattari silico-alluminosi propriamente detti contenenti circa dal 22% al 44% di allumina. refrattari sillimanitici, contenenti circa il 63% di allumina. refrattari mullitici, ad alta refrattarietà, contenenti circa il 72% di allumina. refrattari alluminosi, contenenti il 97-98% di allumina, utilizzabili, per la loro elevatissima durezza (corindone) anche per realizzare mole abrasive. Risposta 5.3 refrattari magnesiaci, contenenti come sostanza base l ossido di magnesio, MgO, ricavato sia da carbonati sia dall acqua di mare refrattari dolomitici, ottenuti per calcinazione della dolomite, un carbonato di calcio e di magnesio, e costituiti da una miscela di ossido di calcio, CaO, e di ossido di magnesio refrattari cromo-magnesiaci (o magnesio-cromitici) costituiti da una miscela di ossido di magnesio e di cromite (FeO Cr 2 O 3 ) in proporzioni variabili da 70/30 a 30/70 dei due ossidi. Risposta 5.4 refrattari cromitici, a base di cromite FeO Cr 2 O 3. refrattari a base di zirconia ZrO 2 e di zircone ZrSiO 4. refrattari a base di carburo di silicio, SiC. refrattari a base di grafite/carbonio amorfo, con refrattarietà superiore a 3500 C, da impiegarsi in assenza di ossigeno. 1

2 Risposta 5.5 sono frequentemente non costituiti da ossidi, bensì da carburi, nitruri, boruri, siliciuri hanno densità relativamente modeste. hanno elevata resistenza meccanica, anche ad alte temperature. hanno elevata durezza e quindi eccellente resistenza all usura. hanno alta refrattarietà. hanno per lo più notevole inerzia chimica. sono piuttosto fragili, per cui richiedono interventi di tenacizzazione. sono molto sensibili alle imperfezioni con conseguenti onerose esigenze di controllo delle materie prime, delle tecnologie di produzione e della qualità dei singoli manufatti. sono relativamente costosi. Risposta 5.6 la refrattarietà libera e sotto carico a compressione. la stabilità termodinamica intesa come un mantenimento di un entalpia di formazione negativa anche ad alte temperature. la densità teorica ed apparente. la resistenza meccanica a compressione, a trazione e a flessione. la tenacità mostrata o acquisibile. la resistenza al creep, agli shock termici, a fatica, alla corrosione chimica e all erosione meccanica. la conducibilità e la dilatazione termica. la durezza. il modulo elastico. Risposta 5.7 produzione di polveri molto pure di adatta distribuzione granulometrica formatura di componenti attraverso pressature a caldo o a freddo isostatiche o unidirezionali oppure attraverso operazioni di estrusione o di iniezione in stampi di polveri plasticizzate con un legante sinterizzazione e compattazione dei componenti attraverso riscaldamenti a temperature elevate per tempi sufficienti a consentire i necessari processi di diffusione: ciò, eventualmente, operando sotto pressione o in presenza di additivi o di particolari atmosfere di sinterizzazione. Risposta 5.8 applicazioni metallurgiche nell ambito della gestione dei metalli liquidi e dei processi di formatura. componenti resistenti a corrosione ed erosione, adatti a lavorare a contatto con sostanze aggressive. materiali per utensili da taglio, sia a livello massivo, sia come rivestimenti antiusura. realizzazione di componenti per la produzione di energia e gli scambiatori di calore. realizzazione di scudi termici e di protezioni balistiche. 2

3 Risposta 5.9 temprando il vetro con getti d aria da una temperatura di circa 700 C; si creano tensioni permanenti che possono in parte compensare quelle che il materiale subisce in esercizio; in caso di rottura questo stato di tensione genera frammenti piccoli, con spigoli arrotondati, poco pericolosi. realizzando un vetro stratificato o laminato, costituito da due lastre di vetro separate da un film polimerico che trattiene incollati i frammenti di vetro impedendone la proiezione nell ambiente circostante. Con queste tecnologie si possono anche produrre vetri blindati saldando tra di loro più lastre di vetro alternate a più strati polimerici. realizzando un vetro armato o retinato incorporando a caldo nelle lastre allo stato pastoso reti metalliche capaci di trattenere le schegge in caso di rottura. Risposta 5.10 le radiazioni luminose vengono: in parte riflesse, in una misura definita da un coefficiente di riflessione dato dal rapporto tra flusso luminoso riflesso e flusso luminoso incidente: la % di luce riflessa dipende dalla differenza tra l indice di rifrazione del vetro e quello dell aria, dall angolo di incidenza, dalle condizioni della superficie del vetro. in parte assorbite, in una misura definita da un coefficiente di assorbimento dato dal rapporto tra flusso luminoso assorbito e flusso luminoso incidente: la % di luce assorbita dipende dalla composizione del vetro dal suo spessore e dalla lunghezza d onda della radiazione. in parte trasmesse, in una misura definita da un coefficiente di trasmissione dato dal rapporto tra flusso luminoso trasmesso e flusso luminoso incidente: il flusso trasmesso è dato da quello incidente diminuito di quello riflesso e di quello assorbito. Risposta 5.11 i materiali vetroceramici sono materiali inizialmente vetrosi nei quali viene realizzato mediante un trattamento termico e la presenza di agenti nucleanti un parziale e controllato passaggio allo stato cristallino; a ricottura avvenuta i vetroceramici sono costituiti da una fase vetrosa e da una fase cristallina. presentano porosità molto contenute, geometrie anche complesse a seguito della facilità di formatura del vetro originario, proprietà fisico-meccaniche nettamente superiori a quelle dei materiali ceramici. Risposta 5.12 ottenere materiali con caratteristiche superiori a quelle dei materiali tradizionali di natura metallica, ceramica, polimerica, vetrosa, vetroceramica. consentire di progettare materiali con le proprietà desiderate ottenute mescolando matrici di natura differente con fasi disperse di natura diversa; dosando i due componenti principali, matrice e rinforzante ( o tenacizzante) si possono modulare le proprietà del prodotto finale. 3

4 Risposta 5.13 occorre garantire una stretta interconnessione tra i due costituenti per ottenere un corretto trasferimento delle sollecitazioni dall uno all altro(continuità meccanica). occorre garantire che i due costituenti non reagiscano fra di loro evitando la formazione di fasi infragilenti (discontinuità chimica). talvolta è necessario un forte legame interfacciale per conferire resistenza e rigidità alla matrice; in altri casi si preferisce un legame debole che consenta la decoesione tra matrice e seconda fase con conseguente aumento dell energia di rottura e della tenacità del composito. nel caso di matrici impiegate allo stato liquido occorre ottimizzare la bagnabilità della fase solida; ciò si può ottenere sia modificando la composizione della matrice liquida sia rivestendo la fase solida con sostanze che migliorino la bagnabilità. Risposta 5.14 i compositi a matrice polimerica, realizzati per migliorare la resistenza meccanica dei polimeri di base anche a temperature relativamente alte; le matrici possono essere termoplastiche o termoindurenti e le loro prestazioni dipendono dalla natura dei monomeri, dal grado di polimerizzazione, di cristallinità, di reticolazione. i compositi a matrice metallica, realizzati per migliorare la resistenza meccanica a temperature medio-alte, la durezza, la resistenza all usura e al creep, mantenendo doti di leggerezza; le matrici sono per lo più a base di metalli leggeri: Mg (d=1.75g/cm 3 ); Al (d=2.7g/cm 3 ); Ti (d=4.5g/cm 3 ) sia da getto che da trattamento termomeccanico. I compositi a matrice ceramica, realizzati per migliorare la tenacità della matrice ovvero per ridurne la fragilità attraverso modalità di frattura che comportino assorbimento di energia; le matrici possono essere di natura cristallina, ad es. di allumina, nitruro o carburo di silicio, mullite, zirconia, di natura vetrosa, di natura vetroceramica. Risposta 5.15 Con fibre lunghe disposte unidirezionalmente, diversificate quanto a concentrazione, dimensione, forma, distribuzione, orientamento stato superficiale, doti resistenziali; possono essere di tipo organico ( carbonio o polimeri ) o di tipo inorganico ( di vetro o cristalline o metalliche). Con fibre corte talvolta disposte secondo un orientamento, più di frequente orientate casualmente nell ambito di un composito isotropo; le fibre corte sono quasi sempre di natura inorganica. Con particelle equidimensionali (e talvolta di morfologia tabulare) disperse prevalentemente in matrici metalliche o ceramiche, ottimizzate per quanto concerne le dimensioni, costituite da allumina, carburo o nitruro di silicio, carburo di boro, carburo o boruro di titanio. Con whiskers, monocristalli ceramici a forma di aghi con un rapporto lunghezza/diametro superiore a 20, con difettosità molto ridotte e ottime caratteristiche meccaniche; il più diffuso è il carburo di silicio, SiC, il cui carico di rottura può raggiungere i MPa. 4

5 Risposta 5.16 Metodi manuali o semimanuali con cui si dispongono in uno stampo strati alterni di fibre rinforzanti e di polimeri liquidi oppure si spruzzano sospensioni di polimero e rinforzante. Stampaggio a caldo di lastre contenenti polimero e rinforzante. Formatura a caldo per adesione a uno stampo di pannelli di polimero e rinforzanti promossa da una modesta pressione sovrastante o da depressione sottostante. Infiltrazione in stampo chiuso del rinforzante da parte del polimero liquido. Poltrusione (o pultrusione) continua di fasci di fibre preimpregnate di polimeri che vengono formate mantenendo il sistema sotto trazione. Risposta 5.17 Per dispersione del rinforzante, fibre corte o particelle, nella matrice liquida e successivi colaggio e solidificazione. Per dispersione del rinforzante nella frazione liquida di una matrice parzialmente solidificata. Per infiltrazione per gravità o sotto pressione di una preforma porosa di rinforzante da parte di una matrice liquida. Per sinterizzazione di sistemi costituiti da un miscuglio di polvere metallica e di polvere di rinforzante. Per compattamento attraverso un riscaldamento sotto pressione di fogli di matrici e strati di fibre lunghe per tempi e temperature sufficienti a promuovere la diffusione della matrice. Per produzione del composito attraverso la formazione all interno della matrice liquida della fase rinforzante a seguito di reazioni con sostanze solide o gassose. Risposta 5.18 Per sinterizzazione di polveri omogenee di idonea granulometria costituite da matrice e da rinforzante tenacizzante e compattate a caldo o a freddo. Per impregnazione di fibre lunghe di tenacizzante con sospensioni di polveri ceramiche; si ricavano fogli di fibre che vengono poi compattati. Per infiltrazione di una preforma ceramica a opera di un precursore capace di trasformarsi al riscaldamento in una matrice ceramica. Per infiltrazione in fase vapore di una preforma di tenacizzante ad opera di un gas che si trasforma nella matrice ceramica. Risposta 5.19 Compositi con matrice di allumina (Al 2 O 3 ) tenacizzata con particelle di zirconia (ZrO 2 ) stabilizzate nella modificazione tetragonale da piccole aggiunte di ossido di ittrio. Compositi con matrice vetrosa in polvere tenacizzata con fibre di carburo di silicio (SiC), sinterizzata e poi devetrificata per dare una matrice vetroceramica. Compositi ottenuti a partire da una sospensione di allumina e whiskers di carburo di silicio che viene essiccata, pressata e sinterizzata. Compositi carbonio/carbonio (C/C) ottenuti da fibre di C e da resine fenoliche o da pece con le quali si realizzano pannelli che vengono poi carbonizzati e grafitizzati. Compositi SiC/SiC ottenuti per infiltrazione di preforme di SiC con policarbosilano liquido che verrà poi pirolizzato o con particelle microcristalline di SiC o con clorosilani gassosi. 5

6 Compositi SiC/C ottenuti infiltrando preforme di fibre di C con carburo di silicio o suoi precursori o con silicio fuso. Risposta 5.20 La zirconia presenta il fenomeno del polimorfismo; ad alta temperatura è stabile una forma che può essere stabilizzata anche a basse temperature con opportune aggiunte (es. ossido di ittrio) che ne impediscono la trasformazione, con aumento di volume, nella forma stabile a bassa temperatura. Quando una cricca di rottura avanza nel composito le sollecitazioni presenti al suo apice promuovono la trasformazione della forma stabilizzata di alta temperatura in quella stabile di bassa temperatura. La trasformazione con aumento di volume crea uno stato di compressione all apice della cricca, contrastandone la propagazione e migliorando così la tenacità del composito. Risposta 5.21 Attraverso l analisi microscopica e composizionale si verificano la struttura della matrice, la concentrazione, dimensione, forma, distribuzione, orientamento del rinforzante, la qualità dell interfaccia, la presenza di fasi secondarie nella matrice, la presenza di microvuoti o di microcricche. Attraverso prove meccaniche e termomeccaniche si verificano a temperatura ambiente, o a caldo, il modulo elastico e il comportamento a trazione (del composito o delle fibre lunghe), a compressione, a flessione, la tenacità, la durezza e la microdurezza, la resistenza a fatica, la resistenza al creep, l attitudine alla giunzione. Risposta 5.22 In condizione di isosforzo (carico perpendicolare alle fibre) vale la E c = E f E m / ( E m V f + E f (1 - V f )) Sostituendo si ha: E c = / ( (1-03)) = 2.83 GPa In condizione di isodeformazione (carico parallelo alle fibre) vale la E c = E f V f + E m (1- V f ) Sostituendo si ha: E c = (1-0.3) = 32.9 GPa Risposta 5.23 La capacità della matrice di deformarsi, elevata per le matrici polimeriche e metalliche, molto modesta in quelle ceramiche e vetrose. La frazione volumetrica, le caratteristiche geometriche e l orientamento del rinforzante o del tenacizzante. La presenza di difetti, di porosità, di seconde fasi. La presenza di tensioni interne di origine termica. 6

7 L energia necessaria per provocare la perdita di adesione all interfaccia tra matrice e rinforzante, riconducibile alle forze di legame trai due costituenti. L energia necessaria per provocare lo scorrimento relativo tra fibre e matrice. La capacità del rinforzante di deviare la direzione di propagazione della cricca oppure di deformarsi. Risposta 5.24 La resistenza a trazione del composito che, a sua volta, dipende da quella del rinforzante. Nei compositi a matrice polimerica i fenomeni di isteresi che provocano un accumulo di energia con conseguente deformazione plastica o aumento di temperatura e relativo indebolimento della matrice. Nei compositi a matrice metallica l elevata resistenza delle fibre lunghe aumenta la resistenza a fatica rispetto a quella della matrice in misura legata alla frazione volumetrica delle fibre; anche le particelle e i whiskers, se non originano microvuoti in grado di innescare cricche, danno luogo a compositi più resistenti e più rigidi e quindi più resistenti a fatica. Nei compositi a matrice ceramica fragile è quest ultima che cede a fatica aumentando la sollecitazione a carico delle fibre fino a valori che non possono da queste essere sopportati. Risposta 5.25 I nanomateriali (1 nanometro è uguale a 10-9 m) sono materiali nuovi ottenuti sotto forma di particelle di dimensioni nanometriche poi assemblate, oppure anche materiali già noti, ma non in precedenza utilizzati alla scala nanometrica o non modificati superficialmente a livello nanometrico o non resi porosi a questo livello. La messa a punto di nanomateriali e la realizzazione di componenti con strutture nanometriche implicano la capacità di controllare la materia alla scala nanometrica, una condizione caratterizzata da un valore molto elevato del rapporto tra la superficie complessiva delle nanoparticelle e il volume da esse occupate e anche della massa di riferimento. Sebbene particelle di dimensioni nanometriche possano essere ottenute per riduzione di quelle di particelle più grandi, è talvolta possibile ottenere nanoparticelle assemblando atomo per atomo per ottenere aggregati capaci di svolgere funzioni specifiche, eventualmente accorpandoli in strutture sopramolecolari. Risposta 5.26 Sottilissimi rivestimenti nanostrutturati che conferiscono, ad esempio, in conseguenza della straordinaria durezza, elevata resistenza all usura agli utensili da taglio, oppure maggiore resistenza all abrasione e alla rigatura di alcuni materiali polimerici (es. policarbonati), oppure aumentano la resistenza all usura di componenti in lega metallica leggera rendendo possibile il loro impiego in sostituzione di componenti in pesante lega ferrosa. Impiego di nanopolveri metalliche per realizzare componenti con un processo di sinterizzazione o per ottenere depositi superficiali con processi di spray termico; impiego di nanopolveri ceramiche in paste abrasive oppure per realizzare manufatti più duttili, meno difettosi, più formabili rispetto ai ceramici non nanometrici ottenuti con tempi di sinterizzazione molto contenuti. Realizzazione di nanocompositi a matrice polimerica contenenti modeste quantità di nanoparticelle metalliche o ceramiche dotate di caratteristiche meccaniche, termiche, di impermeabilità ai fluidi e di resistenza alla fiamma superiori. Realizzazione di materiali porosi nanostrutturati con porosità controllata alla scala nanometrica e con funzionalizzazione delle superfici dei pori attraverso l innesto di numerosi tipi di 7

8 molecole e di biomolecole. Questi materiali mesoporosi si impiegano anche sotto forma di film in dispositivi sensoristici, nella catalisi, nell emodialisi, nella rimozione di inquinanti, in applicazioni fotovoltaiche, come matrici per nanoconduttori. 8