Unità 3 - I materiali nelle realizzazioni industriali

Premessa: l'unità fornisce delle nozioni di base sui materiali impiegati nei vari campi della tecnologia; trattandosi di argomenti molto generali affrontati anche in altre discipline, in questa sede se ne daranno solo brevi cenni.

I metalli sono materiali molto diffusi con i quali è possibile anche formare delle leghe. Le loro caratteristiche principali sono:

• riflettono la luce
• sono conduttori di calore
• sono conduttori elettrici
• hanno buone caratteristiche meccaniche

Il metallo più utilizzato è il ferro. E' presente in natura mescolato alle rocce e viene estratto mediante fusione¹⁾. Il ferro viene quasi sempre impiegato in lega per migliorarne le caratteristiche meccaniche. Le due leghe principali del ferro contengono piccole percentuali di carbonio e sono:

• la ghisa, più facile da ottenere e con caratteristiche meccaniche peggiori ma adatta alla realizzazione di pezzi per fusione (testate, fontane, tombini, ecc.)
• l'acciaio, con caratteristiche meccaniche superiori e una minore percentuale di carbonio ²⁾

Il ferro è un materiale importante anche per le sue caratteristiche magnetiche - la sua permeabilità magnetica è tra le più elevate - ed è uno dei pochi materiali ferromagnetici.

Tra gli altri metalli ricordiamo:

• i metalli pesanti (piombo, rame, stagno), così chiamati per la loro densità ma anche per la loro tossicità
• i metalli leggeri (alluminio), con densità molto bassa
• alcuni metalli per usi specifici:
  • il tantalio per i condensatori
  • il litio per le batterie
  • il platino usato come catalizzatore
  • i lantanidi con ottime proprietà magnetiche

Sono formati da componenti inorganici non metallici e lavorati a temperature molto alte. In genere presentano:

• un componente facilmente lavorabile (ad esempio l'argilla)
• uno refrattario e cristallino per dare resistenza (ad esempio la silice)
• uno vetroso per unire il tutto (ad esempio il feldspato)

Le principali caratteristiche sono:

• isolanti elettrici e termici
• alcune buone caratteristiche meccaniche (durezza, rigidità)
• alcune cattive caratteristiche meccaniche (fragilità)
• resistenza al calore e alle alte temperature

Vengono impiegati come materiali di costruzione (laterizi, piastrelle), per usi domestici (sanitari, stoviglie), come refrattari nei forni ma anche nelle applicazioni chimiche, odontoiatriche (porcellana). In campo elettrico vengono usati:

• negli isolatori nelle linee elettriche
• nei condensatori
• per realizzare oscillatori (al posto del quarzo)
• per sfruttare l'effetto piezoelettrico dove un lamierino deformato produce una piccola tensione (ad esempio negli accendini, nei microfoni) e lo stesso lamierino sottoposto a tensione si deforma (piccoli altoparlanti)

Il vetro è un materiale inorganico a base di silice con una struttura amorfa. Viene lavorato ad alte temperature e presenta queste caratteristiche:

• è trasparente
• è un isolante elettrico e termico
• è duro ma fragile
• resiste alla corrosione

Il campo di impiego è molto vario e può essere trattato per migliorare alcune caratteristiche (vetrocemento, pyrex, vetro infrangibile); in campo elettrico viene usato come isolante e nelle fibre ottiche.

I polimeri sono composti organici a base di carbonio caratterizzati da molecole di grandi dimensioni. I polimeri sintetici - dette materie plastiche - vengono ottenuti da derivati del petrolio e si suddividono in:

• resine termoplastiche, che sono plasmate a caldo e possono essere rimodellate se riscaldate (vedi tabella 3)
• resine termoindurenti, che nella formatura a caldo subiscono modifiche irreversibili (vedi tabella 4)

Le principali caratteristiche delle materie plastiche sono:

• leggerezza
• economicità
• facilità di lavorazione e colorabilità
• buona resistenza agli urti
• isolamento acustico, termico ed elettrico
• resistenza alla corrosione e idrorepellenza
• scarsa resistenza alle alte temperature

Rientrano nelle materie plastiche anche:

• le resine espanse, particolarmente leggere e usate per l'isolamento
• gli elastomeri, cioè le gomme sintetiche

Nelle applicazioni elettriche ed elettroniche le materie plastiche vengono usate come isolanti (cavi, condensatori, morsettiere, ecc.).

I materiali compositi sono una combinazione di due o più materiali che restano separati e mantengono ognuno le proprie caratteristiche. In genere è presente un materiale di supporto detto matrice e uno di rinforzo che ne migliora le caratteristiche. Alcuni esempi sono:

• il cemento armato il cemento è la matrice e le barre di acciaio migliorano le proprietà meccaniche)
• il legno compensato
• le fibre di vetro e carbonio
• il kevlar

I materiali compositi vengono usati per realizzare strutture (auto, barche, serbatoi), attrezzature sportive, protesi; sono utilizzati anche in elettronica, ad esempio nelle fibre ottiche e per la base dei circuiti stampati.

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