Materiali non metallici - itis galileo galilei conegliano
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Materiali non metallici - itis galileo galilei conegliano
Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici MATERIALI CERAMICI, VETRI E REFRATTARI, POLIMERICI, COMPOSITI E NUOVI MATERIALI • Materiali ceramici I materiali ceramici sono materiali inorganici non metallici, costituiti da elementi metallici e non metallici legati fra loro prevalentemente da legami ionici e/o covalenti. Le composizioni chimiche variano notevolmente: si passa da composti semplici a miscele costituite da molte fasi complesse legate fra loro. Per rompere i forti legami chimici, ionici o covalenti, occorre separare gli ioni e quindi occorre una grande energia. Per questo i materiali ceramici possiedono notevole durezza e fragilità, refrattarietà (buon comportamento alle alte temperature) e resistenza agli agenti corrosivi. Restando gli elettroni, che costituiscono il legame, immobilizzati, i materiali ceramici sono ottimi isolanti termici ed elettrici. Da quando l’uomo ha inventato i materiali ceramici circa 10 000 anni fa, con tale denominazione si è inteso soprattutto quei materiali ottenuti tramite cottura di impasti di minerali argillosi. Oggi con tale termine si intendono anche i materiali inorganici non metallici duri, aventi rottura fragile, ottenuti con procedimenti diversi dalla cottura (materiali vetrosi, cemento, composti ionici come NaCl, quarzo, silicati ecc. La fragilità ne ha fortemente limitato l’impiego come materiali strutturali. Oggi, utilizzando tecniche avanzate di preparazione, si riesce ad ottenere materiali ceramici aventi ottima ressistenza alla frattura, estendendone quindi le applicazioni. Caratteristiche generali • Carattere refrattario (temperature di fusione molto alte) • Elevata durezza • Alta resistività elettrica • Bassissima conducibilità termica e dilatazioni contenute • Buona resistenza chimica • Bassi costi delle materie prime e fabbricazione (soltanto per alcuni ceramici) • Possibilità di manipolare l’aspetto attraverso trattamenti superficiali • Fragilità • Elevato modulo elastico • Densità medio-bassa Struttura I materiali ceramici possono avere una struttura atomica cristallina o amorfa. Nel primo caso si hanno dei reticoli cristallini spaziali come quelli dei materiali metallici; nel secondo caso si ha una struttura disordinata e non ripetitiva degli atomi, non cristallina, detta “amorfa” o “vetrosa”. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 1 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici Classificazione I materiali ceramici sono generalmente suddivisi in due categorie: tradizionali e avanzati. • ceramici tradizionali I materiali ceramici tradizionali sono prodotti con tre componenti base: - argilla (sedimento estremamente fine avente dimensioni dei granuli inferiori a 2 [μm] di diametro, costituito principalmente da allumino-silicati idrati) - silice (composto del silicio la cui formula chimica è SiO2) - feldspati (nome di minerali che costituiscono probabilmente il 60% della crosta terrestre e che cristallizzano dal magma). I principali ceramici tradizionali sono i laterizi (mattoni, tegole …) e le porcellane. • ceramici avanzati I materiali ceramici avanzati, progettati per funzioni particolari, sono composti “puri” o “quasi puri” formati soprattutto da ossidi, carburi o nitruri. Le norme ISO danno la seguente definizione di “materiale ceramico avanzato”: “altamente ingegnerizzato, di elevate prestazioni, prevalentemente non metallico e inorganico, dotato di specifici attributi funzionali”. Alcuni dei più importanti materiali ceramici avanzati sono: - Allumina (Al2 O3) - Nitruro di silicio (Si3 N4) - Carburo di silicio (Si C) - Zirconia (Zr O2) Le proprietà di tali materiali dipendono dalla natura dei legami atomici, ionici o covalenti, e dal tipo di struttura cristallina. I ceramici ionici sono costituiti da un metallo e da un non metallo (es.: il cloruro di sodio Na Cl, l’allumina Al2 O3 o l’ossido di magnesio Mg O). I ceramici covalenti sono costituiti da due non metalli (es.: la silice Si O2). Essi, spesso, non sono cristallini ma hanno struttura amorfa. Il materiale ceramico ionico, tipo Mg O o Na Cl, è detto “composto semplice di tipo AX”. Il suo reticolo è simile a quello dei metalli C.F.C. oppure C.C.C. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 2 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici Il materiale ceramico ionico, tipo Al2 O3, è detto “composto semplice di tipo Am Xn”. Il suo reticolo è esagonale compatto E.C. I materiali ceramici covalenti, come il diamante o il Si C, hanno struttura costituita da un raggruppamento di atomi all’interno di un reticolocubico. I materiali ceramici cristallini possiedono una microstruttura policristallina simile a quella dei metalli, costituita cioè da grani confinanti, ma con una certa “porosità”. La presenza di pori, seppure arrotondati, indeboliscono il materiale, ma un effetto peggiore è svolto dalla presenza di cricche, difficili da individuare e presenti in molti ceramici. Pori e cricche si formano durante il processo produttivo. Proprietà Le proprietà dei materiali ceramici variano abbastanza a causa delle differenze di legame. - Sono duri e fragili (hanno bassa tenacità e duttilità ma elevata resistenza all’usura) - Sono buoni isolanti elettrici e termici (grazie all’assenza di elettroni di conduzione) - Hanno temperatura di fusione molto alta (che determina resistenza alle alte temperature e basso coefficiente di espansione termica) - Possiedono elevata stabilità chimica in molti ambienti aggressivi (legami forti). I materiali ceramici hanno modulo elastico più elevato di quello dei normali materiali metallici. Ciò grazie alla maggiore rigidezza determinata dai legami ionici e covalenti presenti nei ceramici. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 3 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici I materiali ceramici hanno una minore massa volumica rispetto ai materiali metallici, avendo atomi più leggeri (alluminio, carbonio, ossigeno, silicio …). Materiale Metallico Ceramico Acciai Lega di alluminio Allumina Al2 O3 Silice SiO2 Modulo E [GPa] 210 70 390 69 Massa volumica [kg/dm3] 7,8 2,7 3,9 2,6 I ceramici sono i materiali solidi con maggior durezza. Diamante, carburo di boro, carburo di silicio, carburo di titanio, carburo di tungsteno ed allumina sono più duri di qualsiasi metallo o lega. Per questo sono utilizzati come abrasivi nella lavorazione dei metalli. I metalli sono duttili perchè le dislocazioni, sotto l’azione di sollecitazioni meccaniche, possono muoversi con facilità al loro interno. I ceramici sono duri perché i legami ionico e covalente determinano una grande resistenza del reticolo al movimento delle dislocazioni. In particolare, il lagame covalente, essendo “direzionale”, vincola gli atomi impedendo lo spostamento, che invece risulta possibile nel caso del legame ionico quando il cristallo è sollecitato lungo direzioni a 45° nelle quali la resistenza del reticolo cristallino è minore essendo coinvolti nello spostamento ioni di segno opposto che si attraggono. Nel caso di sollecitazioni agenti lungo direzioni orizzontali, invece, la resistenza del reticolo è maggiore perché sono coinvolti nello spostamento ioni dello stesso segno, quindi vi è repulsione tra gli ioni. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 4 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici Tra gli svantaggi dei materiali ceramici ricordiamo la fragilità, dovuta all’elevata durezza, che causa il formarsi di cricche che si propagano molto velocemente attraversando tutta la sezione resistente del ceramico fino a causarne la rottura. Anche le rapide variazioni di temperatura (shock termico) possono causare la rottura del materiale ceramico. Ceramici strutturali I materiali ceramici “strutturali” sono una nuova classe di materiali che alle caratteristiche dei ceramici tradizionali quali: - resistenza alle alte temperature - resistenza agli agenti ambientali - durezza uniscono: - buona resistenza meccanica - elevata resistenza all’usura - buona stabilità dimensionale Attualmente i materiali ceramici strutturali trovano applicazione, oltre che in elettronica, telecomunicazioni ed ottica, in vari campi della progettazione meccanica quali: - scambiatori di calore motori termici volumetrici turbine a gas valvole guarnizioni cuscinetti a rotolamento formatura dei metalli (matrici per l’estrusione) utensili per taglio rivestimenti biomeccanica applicazioni militari I materiali costituiti interamente da ceramici dello stesso tipo sono detti “ceramici massivi”. Essi sono omogenei dal punto di vista della composizione, differenziandosi perciò dai materiali compositi e da quelli multistrato che sono costituiti da materiali diversi e sono quindi eterogenei. Materiali ceramici massivi sono Al2 O3, Zr O2, Mg O (a base di ossidi), Si3 N4, Si C, Ti N, Ti C, B4 C (non a base di ossidi). Di particolare interesse è il carburo di silicio (Si C) perché ha: - scarsa ossidazione - scarsa corrosione - elevata conducibilità termica - buona resistenza all’urto termico - buone proprietà meccaniche (flessione, creep, usura) Esso trova applicazione nei seguenti elementi: - scambiatori di calore - tubi radianti Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 5 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici - motori termici componenti abrasivi per finitura cuscinetti e tenute per pompe rivestimenti degli ugelli di spruzzatura per liquidi corrosivi parti di pompe per fluidi corrosivi navicelle per fusione dei metalli rivestimenti di crogioli per fusione dei metalli componenti di dischi di frizione rivestimenti protettivi di razzi stampi per trafilatura Nella tabella seguente sono riportati alcune proprietà dei principali materiali ceramici strutturali tra i quali anche il Sialon (a base di nitruro di silicio con piccole aggiunte di ossido di alluminio). Proprietà Massa Volumica [kg/dm3] Modulo di elasticità [GPa] Resistenza a compressione [MPa] Temperatura di fusione [K] Capacità termica massica [J/(kg K)] Conducibilità termica [W m-1 K-1] Coefficiente di dilatazione termica [M K-1] Resistenza allo choc termico [K] Diamante Materiale ceramico strutturale Carburo di Nitruro di Allumina Zircone silicio silicio Sialon 3,52 3,9 3,2 3,2 5,6 3,2 1 050 380 410 310 200 300 5 000 3 000 2 000 1 200 2 000 2 000 - 2 323 3 110 2 173 2 843 - 510 795 1 422 627 670 710 70 25,6 84 17 1,5 20/25 1,2 8,5 4,3 3,2 8 3,2 1 000 150 300 500 500 510 Lavorazione dei materiali ceramici Molti prodotti ceramici tradizionali e avanzati sono fabbricati compattando polveri o particelle in forme che vengono poi scaldate a temperatura sufficientemente elevata in modo da legare insieme le particelle. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 6 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici La sequenza base nella lavorazione dei materiali ceramici mediante agglomerazione è: 1. Preparazione del materiale 2. Formatura 3. Trattamento termico con essiccamento e cottura - Preparazione del materiale La maggior parte dei prodotti ceramici vengono realizzati mediante la consolidazione di particelle. Si fa un mescolamento intimo delle materie prime a seconda delle proprietà richieste per il prodotto ceramico finale. A questi si aggiungono leganti e lubrificanti e possono essere miscelati ad umido o a secco. Talvolta sono combinate insieme le lavorazioni a secco e a umido, in questo caso le particelle vengono macinate con acqua e legante fino ad ottenere un impasto fluido che viene successivamente essiccato a spruzzo per formare così dei piccoli agglomerati sferici che passano infine alla formatura. - Formatura I prodotti ceramici realizzati con particelle agglomerate possono essere formati con vari metodi sia a secco che nelle condizioni plastica o liquida. Pressatura: Pressatura a secco Pressatura isostatica Pressatura a caldo (Si producono tanti pezzi in poco tempo) Colaggio: Si prepara una barbottina di opportuna consistenza e viene colata in uno stampo poroso. (Si ottengono pezzi di elevata precisione) Estrusione: Il materiale ceramico plastico viene estruso attaverso una matrice. (Mattoni refrattari, tubazioni fognarie, ceramiche tecnologiche e isolanti elettrici) - Trattamenti Termici Il trattamento termico è un passo essenziale nella fabricazione della maggior parte dei prodotti ceramici. Essiccamento: Scopo è la rimozione dell’acqua dalla massa ceramica plastica (Essiccamento lento a bassa temperatura) Sinterizzazione: E’ il processo mediante il quale piccole particelle di un materiale vengono consolidate attraverso diffusione allo stato solido. (Temperature molto elevate) Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 7 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici Vetrificazione: La polvere ceramica contiene una fase vetrosa che funge da mezzo di reazione attraverso il quale avviene la diffusione ad una temperatura inferiore. • Vetri I vetri sono solidi amorfi, ad elevatissima viscosità, con i legami intermolecolari e gli attriti interni che ne mantengono a lungo inalterata la forma. Essi sono ottenuti a partire da liquidi, attraverso un rapido raffreddamento, tale da non dare alle strutture cristalline il tempo di formarsi. Hanno la possibilità di solidificare sotto forma di vetro solo i materiali che abbiano una velocità di cristallizzazione molto lenta, come l’ossido di silicio (SiO2), il diossido di germanio (GeO2), l’anidride borica (B2O3), l’anidride fosforica (P2O5) e l’anidride arsenica (As2O5). L’ossidiana, prodotta dal magma vulcanico, è un vetro. Generalmente sono considerati vetri quelli costituiti prevalentemente da ossido di silicio (vetri silicei) che, per la loro durezza e scarsa reattività, sono utilizzati come materiali da costruzione (soprattutto negli infissi, porte e finestre), nella realizzazione di oggetti comuni (come contenitori, vasi, scodelle, bottiglie e bicchieri) o nella manifattura di elementi decorativi (ad esempio oggettistica e lampadari). Caratteristiche generali Il vetro è trasparente alla luce visibile, duro, inerte e presenta una superficie molto liscia. Esso è però fragile e tende a rompersi in frammenti taglienti. La trasparenza è dovuta al fatto che il vetro non ha disomogeneità di grandezza confrontabile o superiore alla lunghezza d’onda della luce, che provocherebbero scattering, come avviene con i bordi dei grani dei materiali policristallini. Il vetro comune non è invece trasparente alle lunghezze d’onda minori di 400 nm (ovvero il campo ultravioletto), a causa dellaggiunta della soda. La silice pura (come il quarzo puro, piuttosto costosa) non assorbe invece gli ultravioletti e viene perciò impiegata nei settori dove occorre questa caratteristica. Il vetro può essere prodotto in forma così pura da permettere il passaggio della luce nella regione dell'infrarosso per centinaia di chilometri nelle fibre ottiche. Tecniche di lavorazione del vetro La miscela viene fusa a 1200 ÷ 1500 [°C] e poi lasciata raffreddare a 800 [°C]. Viene quindi sottoposta a diversi processi di lavorazione, come la soffiatura (per i vetri artistici), lo stampaggio (per bicchieri e contenitori), la filatura e la colata. Il vetro comune è detto anche "vetro siliceo", in quanto costituito quasi esclusivamente da diossido di silicio (SiO2), che ha un punto di fusione di circa 1800 [°C]. Spesso, durante la produzione del vetro, vengono aggiunte altre sostanze, come per esempio i "fondenti", che abbassano il punto di fusione anche al di sotto dei 1000 [°C] e migliorano la fluidità del vetro durante la sua produzione, quali ad esempio: - la soda (carbonato di sodio Na2CO3) - la potassa (carbonato di potassio) Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 8 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici Altre sostanze aggiunte sono: • • • • • stabilizzanti: migliorano le proprietà chimiche e meccaniche del vetro prodotto (ossidi di calcio, bario, magnesio e zinco); affinanti: agevolano l’eliminazione di difetti (triossido d’arsenico, nitrati alcalini e nitrati d’ammonio); coloranti: modificano l’aspetto cromatico del vetro prodotto (ossidi di ferro, rame, cromo e cobalto); decoloranti: neutralizzano il colore impartito da altre sostanze (biossido di manganese); opacizzanti: per la produzione del vetro opalino (fosfati di sodio, cloruri di sodio, fosfati di calcio, cloruri di calcio, ossido di stagno e talco). Il vetro al piombo, noto anche come cristallo o vetro Flint, si ottiene aggiungendo ossido di piombo, sotto forma di litargirio giallo (PbO) o minio rosso (Pb3O4), ed ha un indice di rifrazione maggiore di quello del vetro comune, con l’effetto di apparire più brillante. Aggiunte di carbonato di bario (BaCO3) aumentano ugualmente l'indice di rifrazione del vetro, mentre aggiunte di ossido di torio producono un elevatissimo indice di rifrazione ed i vetri così ottenuti sono usati per produrre lenti di alta qualità. Il boro è aggiunto sotto forma di borace (Na2B4O7) o acido borico (H3BO3) per migliorare le caratteristiche termiche ed elettriche (come nel caso del vetro Pyrex). Il vetro a lastra era in parte realizzato per colata, estrusione o laminazione e le superfici non avevano le facce otticamente parallele, dando origine a caratteristiche aberrazioni visive. Il parallelismo poteva essere ottenuto con la lucidatura meccanica, ma con elevati costi. Per questo motivo oggi questa tecnica viene usata solo per produrre vetri particolari o decorativi, quali: • • vetro stampato: su una superficie del vetro viene stampato un disegno in rilievo. vetro retinato: prodotto incorporando una rete metallica al suo interno e viene impiegato per sicurezza nelle zone sottoluce di parapetto delle vetrate. Il vetro temprato viene ottenuto per indurimento tramite trattamento termico (tempra). Il pezzo deve essere tagliato alle dimensioni richieste e ogni lavorazione (come levigatura degli spigoli o foratura e svasatura) deve essere effettuata prima della tempra. Il vetro è posto su un tavolo a rulli su cui scorre all’interno di un forno, che lo riscalda alla temperatura di tempra di 640 [°C]. Quindi viene rapidamente raffreddato da getti di aria. Questo processo raffredda gli strati superficiali, causandone l’indurimento, mentre la parte interna rimane calda più a lungo. Il successivo raffreddamento della parte centrale produce uno sforzo di compressione sulla superficie, bilanciato da tensioni distensive nella parte interna. Gli stati di tensione possono essere visti osservando il vetro in luce polarizzata. Non tutti i vetri sono temprabili; in particolare, se presentano forme articolate o numerosi fori vicini tra loro possono rompersi durante il trattamento termico, a causa delle tensioni interne del materiale. Il vetro temprato è circa sei volte più resistente del vetro float, questo perché i difetti superficiali vengono mantenuti "chiusi" dalle tensioni meccaniche compressive, mentre la parte interna rimane più libera da difetti che possono dare inizio alle crepe. D’altro canto queste tensioni hanno degli svantaggi. A causa del bilanciamento degli sforzi, un eventuale danno ad un estremo della lastra causa la frantumazione del vetro in molti piccoli frammenti. Questo è il motivo per cui il taglio deve essere effettuato prima della tempra e nessuna lavorazione può essere fatta dopo. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 9 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici Per la sua maggiore robustezza, il vetro temprato è spesso impiegato per la realizzazione di elementi senza struttura portante (tutto vetro), come porte in vetro e applicazioni strutturali e nelle zone parapetto. È anche considerato un "vetro di sicurezza" in quanto, oltre ad essere più robusto, ha la tendenza a rompersi in piccoli pezzi smussati poco pericolosi. Questa caratteristica è sfruttata nell’industria automobilistica, dove viene impiegato per realizzare i finestrini laterali delle automobili, e in generale in tutte quelle applicazioni dove i frammenti del vetro infranto potrebbero colpire delle persone. In alcune situazioni però si possono avere problemi di sicurezza a causa della tendenza del vetro temprato a frantumarsi completamente in seguito ad un urto sul bordo. Da un punto di vista ottico la lastra di vetro può presentare delle distorsioni determinate dal processo di tempra rispetto ad un vetro non temprato. Con il termine cristallo viene indicato un vetro pregiato con il quale si producono articoli per la casa, calici, bicchieri e altri prodotti di elevata qualità. Le caratteristiche principali che distinguono il cristallo dal vetro comune sono la particolare lucentezza (dovuta all'indice di rifrazione più elevato) e la "sonorità" (particolarmente apprezzata nei calici). Il cristallo viene ottenuto aggiungendo ossido di piombo (PbO) alla miscela silicea. Nei laboratori di chimica, fisica, biologia e altri campi, flaconi, vetrerie per analisi, lenti e altri strumenti sono fatti di vetro. Per queste applicazioni è spesso utilizzato un vetro con borosilicati (o vetro Pyrex), a causa della maggiore robustezza e minore coefficiente di dilatazione termica, che garantisce una buona resistenza agli shock termici e maggiore precisione nelle misure ove si hanno riscaldamenti e raffreddamenti. Per alcune applicazioni è richiesto il vetro di quarzo, che è però più difficile da lavorare. • Refrattari I materiali refrattari sono materiali in grado di resistere, per lunghi periodi, alle alte temperature senza reagire chimicamente con altri materiali con i quali si trova a contatto. Erroneamente si attribuisce al materiale refrattario principalmente la proprietà di isolante termico, anche se molti hanno anche tale proprietà. La normativa ASTM (organismo di normalizzazione statunitense) C71 definisce come refrattari “i materiali non-metallici che abbiano proprietà chimico-fisiche tali da potere essere impiegati in strutture o componenti di sistemi che sono esposti ad ambienti con temperature superiori a 538 °C (1000 °F)”. Composizione I refrattari sono materiali non metallici aventi una temperatura di fusione maggiore o uguale a 1500 [°C]. Sono costituiti generalmente da miscele di ossidi metallici aventi: - inalterabilità alle alte temperature - resistenza agli sbalzi di temperatura - resistenza all’attacco chimico Per quanto riguarda la composizione chimica, si possono avere refrattari in - silice (ossido di silicio Si O2), resistente fino a 1540 °C - allumina (Al2 O3), resistente fino a 1850 °C - silico-alluminosi, resistenti fino a 1450 °C - dolomite (carbonato di calcio e magnesio [Ca Mg (C O3)2], resistente fino a 2 000 °C - … Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 10 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici Oltre ai suddetti materiali, esistono altri refrattari a base di calcio, tungsteno, molibdeno, uranio, cromo, manganese e titanio. Per temperature estremamente alte si possono utilizzare ossido di zirconio, carburo di silicio, carburo di vanadio o grafite. D’altra parte, il carburo di silicio e la grafite non possono essere utilizzati in ambienti in cui sia presente ossigeno, in presenza del quale si ossidano e bruciano. Impieghi La scelta del materiale refrattario da utilizzare per una certa applicazione dipende dalle temperature di esercizio e dall’ambiente chimico circostante (acido, basico). Inoltre, a seconda dell’ambiente in cui il materiale refrattario deve operare, bisogna che esso sia inerte chimicamente, resistente agli shock termici, ed avere specifici valori di conduttività termica o coefficiente di espansione termica. Sono impiegati nella costruzione di forni, crogiuoli ed in tutte quelle parti di apparecchiature che devono sopportare elevate temperature. In particolare: - nei forni per la produzione della ghisa (altoforno), dell'acciaio (forno L.D. o Linz Donawitz / forno Martin-Siemens / forno Thomas) e dei materiali ceramici - nella produzione del vetro, in particolare per le operazioni di fusione - negli inceneritori - nei reattori chimici - nei reattori nucleari - nella produzione della ceramica forni a tunnel - in edilizia, nella realizzazione di caminetti a legna. I materiali refrattari possono essere preformati in forma di mattoni oppure possono essere formati in loco, per sinterizzazione, presa idraulica o chimica (calcestruzzi refrattari). La tabella seguente riporta alcuni dei materiali refrattari piùutilizzati nell’industria con le loro caratteristiche. Porosit à Coeff. di dilatazion e lineare [K-1] Conduttivit à termica a 20 °C [W/m K] Capacit à termica massica [kJ/kg K] 0,254 (25 ÷ 1000 °C) 0,254 (25 ÷ 1000 °C) 0,254 (25 ÷ 1000 °C) Materiale refrattari o Composizion e [%] Punto di rammolliment o Massa volumic a [kg/dm3] Silico alluminos o Al2 O3: 35÷42 Si O2: 52÷60 1680 ÷ 1740 2,60 ÷ 2,70 8 ÷ 24 5,4 (20 ÷ 1300 °C) Allumina Al2 O3: 90 1760 ÷ 1865 3,55 ÷ 3,65 13 ÷ 25 7,0 ÷ 10,0 Caolino Al2 O3: 44÷45 Si O2: 51÷53 1680 ÷ 1760 2,60 ÷ 2,70 7 ÷ 18 4,3 (20 ÷ 1610 °C) 0,0045 (200 ÷ 1000 °C) Zircone Zr Si O4: > 2015 4,6 0 ÷ 30 4,2 ÷5,5 (20 ÷ 1550 °C) 0,0046 (200 ÷ 1000 °C) 0,18 (20 ÷ 50 °C) Silice Si O2: 95÷96 1680 ÷ 1740 2,3 0 ÷ 2,40 20÷ 28 43 (20 ÷ 300 °C) 0,0045 (200 ÷ 1000 °C) 0,265 (20 ÷ 50 °C) 0,00339 (200 ÷ 1000 °C) 0,00339 (200 ÷ 1000 °C) Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Ritir o [%] 0,5 ÷ 2 0a 1650 °C 5a 1650 °C 0a 1550 °C 0 Pag. 11 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici • Materiali polimerici I materiali polimerici, che sono detti anche “polimeri”, sono materiali formati da “macromolecole”, cioè da molecole molto grandi. In questa categoria di materiali, in continua crescita, rientrano le materie plastiche, le gomme o elastomeri ed i legni. Le lunghe molecole, che caratterizzano i materiali polimerici, possiedono una struttura costituita da atomi di carbonio. Esse sono tenute insiemeda deboli legami, la rottura dei quali avviene a temperatura vicina a quella ambiente (20 °C). Materie plastiche Sono prodotti costituiti da molecole organiche semplici (azoto, carbonio, idrogeno, ossigeno, cloro, fluoro, zolfo, silicio …) in grado di legarsi le une alle altre qualora siano sottoposte a determinate reazioni atte ad ottenere complessi macromolecolari disposti in lunghe catene. Le reazioni chimiche fondamentali che permettono la formazione delle “molecole giganti” sono la condensazione e la polimerizzazione. 1) Condensazione E’ una reazione chimica nella quale due o più molecole organiche semplici della stessa o diversa specie chimica si combinano tra loro con eliminazione di acqua o, secondo i casi, di alcool, ammoniaca, acido cloridrico. 2) Polimerizzazione E’ una reazione chimica capace di unire molecole organiche semplici della stessa specie chimica in un solo complesso macromolecolare in presenza di un adatto catalizzatore Il calore o la luce ultravioletta, un acido …) STRUTTURE MACROMOLECOLARI Secondo le norme UNI 4266 la “materia plastica” o “resina sintetica” è un prodotto artificiale a struttura macromolecolare che in determinate condizioni (temperatura e pressione) assume una consistenza plastica e può essere quindi formato con tecnologie varie. La rappresentazione grafica può essere di tre tipi: - Macromolecola lineare omogenea E’ del tipo: - A – A – A – A – A – con “A” la molecola di una sostanza organica semplice. - Macromolecola lineare costituita da più sostanze semplici E’ del tipo: - A – B – A – B – A – B – A - con “A” e “B” le molecole di due sostanze organiche semplici. - Macromolecole reticolate Sono del tipo: A | B–A–B–A-B | | A A | | B–A–B–A-B Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 12 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici : C | B–A–B–A-B | | C C | | B–A–B–A-B Con “A”, “B” e “C” le sostanze semplici capaci di reagire fra loro e di collegarsi come reticolo. CLASSIFICAZIONE Le materie plastiche si dividono in due grandi categorie: resine termoplastiche e resine termoindurenti. 1) Resine termoplastiche Le resine termoplastiche sotto l’azione del calore rammolliscono e, quindi, diventano fluide. Esse hanno macromolecola lineare. Tra le più importanti ricordiamo le: - resine acriliche (es.: plexiglas) “ polipropioniche (es.: moplen) “ viniliche (es.: vipla) “ poliviniliche (PVC) “ polietileniche (PET) 2) Resine termoindurenti Le resine termoindurenti sotto l’azione del calore, dapprima rammolliscono, poi induriscono irreversibilmente: al di sopra di una certa temperatura si carbonizzano ma non tornano allo stato plastico. Esse hanno macromolecole reticolate. Tra le più importanti ricordiamo le: - resine fenoliche (es.: bachelite) “ poliestere (hanno come materia prima il polistirolo) “ poliuretaniche CARATTERISTICHE ED IMPIEGHI DELLE MATERIE PLASTICHE Le caratteristiche delle materie plastiche sono talvolta differenti a seconda che si tratti di resine termoplastiche o di resine termoindurenti. In generale, le materie plastiche hanno: - Basso valore della massa volumica (0,9 ÷ 1,8 kg/dm3) - Facilità di lavorazione per deformazione plastica, per fusione e per asportazione di truciolo Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 13 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici • Buona resistenza agli agenti atmosferici ed agli acidi Buone caratteristiche autolubrificanti Scarsa resistenza a trazione (10 ÷ 90 N/mm2) Limitata resistenza al calore (40 ÷ 120 °C) Scarsa resistenza alle basse temperature Scarsa durezza Scarso modulo elastico (E = 7000 N/mm2 per le fenoliche novalacche, 1000 per le termoplastiche polietilene a. d.) Allungamento buono per le termoplastiche (100 %), scarso per le termoindurenti (1,5 %) Elevato valore del coefficiente di dilatazione termica (90 · 10-6 [1/°C]) Bassa conducibilità termica (Es.: polietilene 0,34 ÷ 0,52 [J/m · s · °C]) Buone proprietà isolanti (scarsa conducibilità elettrica) Buona saldabilità nel caso delle materie termoplastiche. Lavorazioni delle materie plastiche Le materie plastiche si prestano bene ad essere lavorate per asportazione di truciolo, per stampaggio e ad essere saldate. Alle macchine utensili si possono ottenere pezzi finiti partendo da semilavorati (barre o piastre) in nylon, teflon, plexiglas … Si fabbricano così, per esempio, anelli, boccole, ruote, rulli, perni ecc, Molto utilizzata è la lavorazione di stampaggio a iniezione, che consiste nell’iniettare sotto pressione la materia plastica (termoplastica o termoindurente), rammollita e fusa all’interno di un cilindro, dentro appositi stampi chiusi. Le materie termoplastiche possono anche essere saldate. I sistemi di saldatura sono diversi. Le materie plastiche non vengono fuse ma solamente rammollite mediante una sorgente di calore che è aria calda a circa 300 °C (phon). Molto diffusa è anche la saldatura ad ultrasuoni, che sfrutta il moto vibratorio prodotto sulle superfici da unire e quindi l’attrito che si genera tra di esse, che produce il calore sufficiente a fonderle localmente. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 14 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici • Gomme Le gomme sono materiali caratterizzati da un elevato allungamento ed un rapido ritorno. Le gomme possono essere naturali o sintetiche. Esse hanno basse caratteristiche meccaniche e sono utilizzate per la preparazione di collanti e mastici; le gomme sono utilizzate come elementi antivibranti (es.: ruote di carrelli), per guarnizioni di tenuta (anelli), tappeti antiscivolo ecc. • Legno Il legno è un materiale naturale che si ricava dai tronchi degli alberi. Esso è caratterizzato da buona resistenza in rapporto al modesto peso, buona lavorabilità, aspetto gradevole, discreta reperibilità, semplicità di collegamento tra diversi elementi, buona elasticità e capacità di assorbire urti. Esso viene utilizzato sia come combustibile sia come materiale da costruzione nelle industrie edili e dell’arredamento. Dopo il taglio e la stagionatura, che può essere naturale o artificiale, si ottengono i semilavorati commerciali (travi, travetti, tavole …). I semilavorati vengono assemblati per la costruzione di strutture più complesse mediante giunzioni ottenute con colle, chiodi, piastre, viti o bulloni. Quando la struttura è sottoposta a sforzi elevati, si ricorre agli incastri a coda di rondine sempre rinforzati con colle, chiodi o viti. I principali derivati del legno sono: - compensati - paniforti - fibre di legno - truciolati Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 15 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici • Materiali compositi Può essere considerato “composito” un materiale nel quale due o più costituenti, fisicamente distinti, spesso di natura e forma notevolmente diverse, sono artificialmente combinati in macrostrutture, allo scopo di creare un materiale con proprietà specifiche differenti da quelle di ambedue i costituenti. Nella mappa seguente è descritta sinteticamente la costituzione di un materiale composito: MATERIALE COMPOSITO Due o più costituenti, distinti, artificialmente combinati Fase continua Fase discontinua Matrice Plastica Resine Rinforzo Metallica Ceramica Lega di Zn, Al Fragile Fibroso Particellare Vetro Carbonio Minerale Poliestere Fenoliche Polveri di Si C Per T < 2000° Ø 10 µ Per T < 200° Tecnologie di fabbricazione Le tecnologie di fabbricazione dei materiali compositi sono varie: a spruzzo, a mano, sotto vuoto, Resin Transfer Moulding (RTM), Resin Film Infusion (RFI), prepregs (pre-impregnati), pultrusione, Filament Winding (FW). Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 16 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici La tecnologia a spruzzo consiste in un getto in pressione di resina e fibre corte premiscelate. Nella tecnologia a mano la resina è applicata a mano su uno strato di fibre preapplicato allo stampo. Fibra di vetro Fibra di carbonio Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 17 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici Con la tecnologia sotto vuoto la polimerizzazione avviene in uno stampo con vacuum bag, che permette di comprimere il manufatto a pressione atmosferica. Nel caso di tecnologia RTM (Resin Transfer Moulding), il rinforzo è messo a secco nello stampo; in seguito, si procede all'iniezione di resina in pressione, a volte con stampo sotto vuoto. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 18 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici PROPRIETÀ MECCANICHE DI ALCUNI COMPOSITI – CONFRONTO CON ACCIAIO E LEGA DI ALLUMINIO Massa Resistenza a rottura Modulo elastico COMPOSITO volumica 2 [N/mm ] [N/mm3] [kg/dm3] 2 1400 48000 VETRORESINA 1,6 1000 220000 CARBORESINA 7,7 1100 210000 ACCIAIO 2,7 400 77000 LEGA LEGGERA Vantaggi dei compositi: - basso peso assenza di corrosione elevata rigidità elevata resistenza Svantaggi dei compositi: - necessità di progettazione specifica poche conoscenze sulla durata per tempi molto lunghi costi superiori ai materiali tradizionali Applicazioni dei compositi: • aeronautica (alianti, aviogetti …) costruzioni navali e marine (canoe, barche …) applicazioni sportive (sci, racchette da tennis, aste per salto in alto, carrozzeria auto da corsa …) guide per macchine utensili … Nuovi materiali Fibre ottiche Sono filamenti di materiali vetrosi o polimerici, realizzati in modo da poter condurre al loro interno la luce, e che trovano importanti applicazioni in telecomunicazioni, diagnostica medica e illuminotecnica. Disponibili sotto forma di cavi, sono flessibili, immuni ai disturbi elettrici ed alle condizioni atmosferiche più estreme, e poco sensibili a variazioni di temperatura. Vengono comunemente impiegate nelle telecomunicazioni come mezzo trasmissivo di segnali ottici anche su grandi distanze. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 19 Classe 3^ - UdA n° 2: MATERIA E MATERIALI: PROPRIETÀ, PROCESSI PRODUTTIVI, IMPIEGHI – Materiali non metallici Materiali a memoria di forma I materiali a memoria di forma rappresentano una classe di materiali metallici dalle inusuali proprietà meccaniche. In particolare, con il termine leghe a memoria di forma (Shape Memory Alloys, SMA’s, o LMF) si indica un’ampia classe di leghe metalliche, scoperte abbastanza recentemente, che hanno come caratteristica principale quella di essere in grado di recuperare una forma macroscopica preimpostata per effetto del semplice cambiamento della temperatura o dello stato di sollecitazione applicato, sono cioè capaci di subire trasformazioni cristallografiche reversibili, in funzione dello stato tensionale e termico. Quando una SMA è sotto la sua temperatura di trasformazione può essere deformata abbastanza facilmente a causa del suo basso σ y; se riscaldiamo però il materiale sopra la temperatura di trasformazione, subentra un cambio nella struttura cristallina che causa il ritorno alla forma originaria e sviluppa una forza notevole. In particolare, le SMA subiscono una trasformazione di fase cristallina quando vengono portate dalla loro configurazione più rigida ad alta temperatura (austenite), alla configurazione a più bassa energia e temperatura (martensite). Tale trasformazione è appunto la causa prima delle qualità peculiari di queste leghe. Questa proprietà, unica nel suo genere, è sfruttata in moltissimi campi che spaziano da quello medico a quello meccanico fino a quello microelettrico. Classe 3^ - Tecnologie mecc. di proc. e prod. - Appunti dalle lezioni del prof. Di Cara Nicola – ITIS “Galilei” - Conegliano Pag. 20