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

Download Report