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Unità 1 - Proprietà dei materiali

Premessa: il testo prevede una trattazione generica dell'argomento; noi ci concentreremo sulle parti che riguardano direttamente il campo dell'elettronica.

1 Evoluzione dei materiali

Fin dall'antichità l'uomo ha utilizzato i materiali disponibili in natura per farne utensìli, vestiti, abitazioni.

Il progresso ha permesso di:

  • miglirare le tecniche di lavorazione o applicarne di nuove
  • impiegare energia per trasformare e lavorare i materiali
  • realizzare nuovi materiali non esistenti in natura

Questo processo si è svolto in maniera sempre più rapida (nuovi materiali permettono nuove lavorazioni e, insieme con l'impiego di energia, la produzione di nuovi materiali). La tabella 1 mette in evidenza il proliferare di nuovi materiali col passare del tempo. Le tabelle seguenti mostrano in dettaglio l'evoluzione di:

  • materiali metallici
  • derivati del legno
  • ceramiche, vetro e fibre
  • polimeri ed elastomeri (plastica)

Nel periodo in cui viviamo si fa un largo uso di materiali di sintesi - cioè non esistenti in natura - realizzati per avere caratteristiche adatte ad un determinato impiego (leghe leggere, materiali compositi, fibre sintetiche, ecc.). Questi materiali presentano grandi vantaggi ma contemporaneamente pongono il problema di come riciclare e riutilizzare i materiali di scarto.

2 Caratteristiche dei materiali

Quando si parla di materiali si può far riferimento:

  • agli elementi, se le molecole sono formate da atomi uguali
  • ai composti, se le molecole sono formate da atomi diversi in un rapporto fisso

La scheda di pagina 7 richiama alcune importanti definizioni dalla chimica. E' importante ricordare quelle di:

  • atomo
  • composto
  • fase

3 Caratteristiche strutturali dei metalli

Nel campo dell'elettronica i metalli vengono impiegati sfruttando principalmente le loro proprietà elettriche. In particolare nei conduttori l'orbitale più esterno possiede pochi elettroni, che possono spostarsi più facilmente.

Allo stato solido i materiali possono presentarsi:

  • in forma amorfa, se la distribuzione degli atomi è disuniforme
  • in forma cristallina, se la distribuzione è ordinata e regolare

I metalli presentano struttura cristallina.

Per migliorare le caratteristiche dei metalli è possibile formare delle leghe, unendo il materiale metallico con un'altra sostanza. Alcuni esempi sono:

  • l'acciaio (ferro e carbonio)
  • il bronzo (rame e stagno)
  • l'ottone (rame e zinco)

La tabella 6 contiene uno schema riassuntivo delle caratteristiche e proprietà che è possibile migliorare. Quelle più interessanti in ambito elettronico sono le caratteristiche elettriche, magnetiche e ottiche.

4 Proprietà chimiche: la corrosione

La corrosione è un fenomeno per cui un materiale tende a consumarsi o a peggiorare le proprie caratteristiche a causa di fenomeni chimici (ricomposizione) o elettrici (ossidoriduzione) solitamente dovuti alle condizioni ambientali.

Per proteggere un materiale dalla corrosione si può ricorrere:

  • alla passivazione, dove uno strato sottile di materiale si ossida formando una pellicola che protegge il resto
  • ai rivestimenti metallici con materiali resistenti alla corrosione (zincatura, cromatura, ecc.)
  • alle vernici, che formano uno strato protettivo

5 Proprietà fisiche

Il testo elenca alcune proprietà fisiche (non elettriche).

La densità o massa volumica è il rapporto tra massa e volume di una sostanza:

`rho = m/V [(kg)/m^3]`

La tabella 8 elenca i valori di densità per alcune sostanze.

La capacità termica è il rapporto tra la quantità di calore fornita e la corrispondente differenza di temperatura:

`c_T = Q/(Delta T) [J/K]`

Il calore specifico è la quantità di calore che fa aumentare di un grado la temperatura di un corpo di un chilogrammo:

`c=c_T/m [J/(kg K)]`

La tabella 9 elenca i valori del calore specifico per alcune sostanze.

La conducibilità termica indica la capacità di una sostanza di trasmettere calore.

La temperatura di fusione è la temperatura alla quale avviene il passaggio dallo stato solido a quello liquido. La figura 8 mostra che per i metalli questo passaggio avviene a temperatura costante.

La dilatazione termica indica la capacità di una sostanza di deformarsi con l'aumentare della temperatura.

6 Proprietà meccaniche

Le proprietà meccaniche indicano la capacità di un materiale di resistere a sollecitazioni prodotte da forze esterne. Le più importanti sono:

  • la resistenza meccanica (forze che perdurano nel tempo)
  • la resilienza (forze impulsive)
  • la durezza (sollecitazioni concentrate)
  • la resistenza d'attrito
  • la resistenza alla fatica (sollecitazione periodiche)

Queste proprietà sono in contrapposizione tra loro: un materiale con buone caratteristiche di durezza e resistenza meccanica avrà scarsa resilienza e resistenza alla fatica. Si tratta quindi di trovare un compromesso, anche perché spesso i corpi sono sottoposti contemporaneamente a sollecitazioni di tipo diverso.

In tabella 13 sono elencati i principali tipi di sollecitazione meccanica.

7 Proprietà tecnologiche

Le proprietà tecnologiche indicano la capacità di un materiale di subire un certo tipo di lavorazione. Le più importanti sono:

  • malleabilità (riduzione in fogli per laminazione e stampaggio)
  • duttilità ed estrudibilità (riduzione in fili)
  • fusibilità (stampi)
  • lavorabilità (macchine con asportazione di truciolo e saldatura)

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unita_1.txt · Ultima modifica: 2016/03/26 16:08 da admin