Master “Materiali, Matematica
e Modelli per la Progettazione e
la Produzione”
Proprietà chimiche e fisiche dei materiali di
interesse industriale: origine, tipologie, basi di dati.
Dott. Gabriele Ricchiardi
Dipartimento di Chimica - NIS Centre of Excellence- NISLabVCO
[email protected]
CV
Perché insegno questo breve corso…
• Ricerca nel campo della simulazione
quantomeccanica dei materiali (soprattutto
catalizzatori ed adsorbenti)
• Esperienza industriale (fonderia Teksid)
• Direzione laboratorio di ricerca applicata
NISLabVCO (ricerca e problem solving per le
PMI)
Sommario
• Introduzione: progettare con le proprietà dei
materiali
• Esercizio: identificazione materiali e proprietà
rilevanti
• Caratterizzazione dei materiali
• Caratterizzazione e simulazione
• Banche dati
Progettare i materiali…
• “Materials Design” a livello atomico,
microstrutturale e macroscopico.
• E’ possibile? Quali metodologie?
• Basato su tecniche di simulazione…
Un esercizio
• Esaminare i manufatti presentati nelle
dispositive seguenti (anche smontandoli…) e
compilare una tabella del tipo:
Manufatto
Materiale
Funzione
Proprietà rilevanti
N.B.: si tratta di prodotti APPARENTEMENTE di
bassa tecnologia…
Motore elettrico
(ventola bagno Vortice)
Lampada alogena
(Denso - Toyota Corolla)
???
(Fantoni)
???
(trovato sulla spiaggia…)
Pannello isolante acustico
Materiale
Funzione
Proprietà rilevanti
Composito legno-polimero “medium
density”, con ritardanti di
fiamma.minerali e organici
Dà forma e sostegno del pannello e
disperde energia acustica
Prop meccaniche, con particolare riferimento
alle prop vibrazionali acustiche. Lavorabilità.
Resistenza agenti atmosferici (umidità,
ossigeno). Proprietà termiche (dilatazione,
resistenza alla T) e di combustione.
Lavorabilità in forme complesse (x cavità
risonanti)
Film melammina (esterno)
Finitura superficiale estetica (deve
essere stampabile) e funzionale
(protettivo da polvere e umidità)
Prop. Meccaniche, adesione inchiostri, adesione
colle/legno, resistenza agli agenti atmosferici
(luce,, umidità). Colore, riflettività speculare e
diffusa (gloss) profilo microscopico.
Film melammina (interno)
Compensa meccanicamente il film di
finitura esterno
Prop. meccaniche
Tessuto polestere con ritardante di
fiamma
Assorbimento acustico
Assorbimento acustico in campo
complementare alla matrice ed all’array di
risuonatori.
Pochi componenti ma molto ben scelti…
Lampada alogena
Materiale
Funzione
Proprietà rilevanti
Fiamento W
Emettitore (corpo nero)
Alto punto di fusione
Gas atmosfera interna (inerti +Br)
Protezione del filamento
Bassa conducibilità termica, reattività specifica
con W, inerte su SiO2
Vetro ad alto tenore di quarzo
Involucro ad alta trasparenza,
resistente ad alta temperatura e
vapori di W, Br2,…
Prop, ottiche, meccaniche, termiche
Rivestimento bulbo (vernice ceramica)
Direzionamento fascio luce
Prop. Ottiche e termiche
Resina fenolica caricata
Supporto del bulbo e dei contatti
elettrici
Acciai (vari, non identificati)
Connessione del bulbo al supporto
Prop meccaniche e chimiche (corrosione) ad
alta temperatura. Conducibilità elettrica e
termica.
Elastomero (verosimilmente
copolimero a blocchi PU)
Guarnizione
Prop meccaniche, termiche
…
E questa è solo una lista molto sommaria…
Motore elettrico
Materiale
Funzione
Proprietà rilevanti
…
E questa è solo una lista molto sommaria…
Lampada alogena
Materiale
Funzione
Proprietà rilevanti
…
E questa è solo una lista molto sommaria…
Identificare i materiali
La chimica e la fisica mettono a disposizione un vasto arsenale di tecniche
per identificare la composizione chimica e la struttura dei materiali (su
scala atomica, e micro-macrostrutturale). MODULO ANALITICO: formulare
proposte?
In molti casi l’identificazione è molto semplice e può essere fatta in base a
proprietà macroscopiche sensibili, o con proprietà facilmente misurabili
aspetto, odore, colore, tatto (profilo e termico),
densità, suono, durezza, misure con multimetri e
calamite, comportamento alla fiamma, ecc…)
In moltissimi casi, è necessaria una misura strumentale. Questo è
particolarmente vero per i campioni/componenti molto piccoli, che non
possiamo saggiare con i sensi e con strumenti/attrezzi. Vediamo le più
utilizzate NELLA PRATICA:
Identificare i materiali
Una sequenza tipica (dalla mia esperienza con le aziende):
1. Esame “sensoriale” generale
2. Microscopia ottica (se c’è microstruttura)
3. Microscopia SEM con microanalisi
4. Spettroscopia Infrarossa (polimeri e sost. naturali)
5. “quantometro” (metalli)
6. TGA/DTA
7. XRD
8. Tecniche di analisi chimica accurate (fluorescenza RX,
gascromatografia, ecc…)
…naturalmente non è sempre necessario fare tutte queste cose!
Esame “sensoriale” e microscopia ottica
DA NON SOTTOVALUTARE: permette di risparmiare
tempo e soldi! Ed è anche divertente…
Un po’ di studio dell’ applicazione/contesto da cui
proviene il materiale permette spesso di restringere
notevolmente la rosa delle possibilità, lasciando alle
tecniche strumentali solo l’individuazione dei dettagli.
Microscopia Elettronica SEM
I microscopi SEM sono ormai molto diffusi, e il loro uso
presso i laboratori ha tariffe molto abbordabili (80120€/ora) . Una rapida osservazione con un SEM
dotato di analisi elementare EDX (Energy Dispersive XRay analysis) permette di ottenere:
• informazione morfologica sulla scala mm-mm con
elevata profondità di campo;
• composizione elementare di massima.
Trattamenti chimici di attacco del campione permettono
anche di valutare proprietà chimiche.
Microscopia Elettronica SEM
Se la classe non ha mai visto un SEM in funzione, prevedere una visita in laboratorio…
Spettroscopia IR
Misura le vibrazioni molecolari o cristalline caratteristiche dei
legami chimici. Lo spettro infrarosso può essere misurato sulla
luce trasmessa o riflessa da un materiale (la tecnica può essere
non-distruttiva).
• l’analisi “a occhio” degli spettri mostra la presenza di “gruppi”
chimici caratteristici (-OH, -C=O, --CH2, -CH3, -NH2, e molti altri…)
• nel caso dei polimeri e di molti minerali complessi, la parte a
basse frequenze dello spettro non è interpretabile facilmente ma
è fortemente caratteristica di un dato materiale, e si può usare da
“impronta digitale”, per confronto con una banca dati.
IR + TGA
Mostrare IR e TGA/DTA in Lab2 e Lab 8-9
Il “Quantometro”
“Quantometro” è il nome comune di uno strumento per la determinazione
accurata della composizione delle leghe, molto diffuso nell’industria
manifatturiera.
Si tratta di uno “spettrometro ottico ad emissione” (OES) molto semplificato ,
nel quale un arco elettrico superficiale vaporizza e surriscalda una piccola
quantita di campione metallico. Lo spettro della luce emessa dall’arco viene
registrato. La composizione si ricava per confronto con gli spettri atomici degli
elementi.
CAVEAT
• funziona solo per i metalli (il campione deve essere conduttivo)
• poiché i diversi componenti di una lega evaporano a velocità diverse, la
composizione del vapore non coincide esattamente con quella della lega. E’
necessaria una taratura con una matrice simile.
• Normalmente, i quantometri industriali “riconoscono” la presenza di un
elemento impostato, ma non sono in grado di identificare “incogniti”.
IL PARENTE PIU’ PERFORMANTE (PER RICCHI…)
• Spettrometro ICP-Plasma (richiede dissoluzione del campione)
TGA-DTA (DSC)
Misura le variazioni di peso e di calore specifico di un campione durante un percorso
termico (di solito un riscaldamento a velocità costante fino a completa calcinazione del
materiale).
• Sostanze assorbite/adsorbite (acqua, solventi)
• Decomposizione termica (temperatura di inzio, velocotà,…)
• Transizioni di fase (fusioni, solidificazioni, transizioni allo stato solido, cristallizzazioni e
vetrificazioni, miscelazione e segregazione di additivi.
• L’analisi del residuo (ceneri) fornisce indicazioni sulla composizione
• Nel caso dei compositi polimerici, permette di identificare la presenza di cariche
inorganiche.
• Può essere misurata in atmosfera ossidante (aria), riducente (H2) o inerte (N2, He,
Ar,…), fornendo informazioni chimiche sull’ossidabilità/riducibilità del sistema.
• In alcuni sistemi, i gas svolti durante l’esperimento possono essere analizzati con
tecniche IR o MS, fornendo informazioni chimiche.
VEDI ESEMPIO SEGUENTE
SEM + IR + TGA
Esempio. Identificazione del materiale di una guaina per cavi
elettrici (reverse engineering)
SEM + IR + TGA
• Il SEM mostra la presenza di cariche minerali e
additivi… (Sb, Mg, Ca,…)
SEM + IR + TGA
IR, il confronto con una banca dati permette di identificare il polimero
matrice ed uno degli additivi (ritardante di fiamma a bassa tensione di
vapore).
Figura 4. Spettri IR del campione (linea blu), del tri(n-octil,n-decil)trimellitato (linea verde)
e del PVC (linea rossa).
XR(P)D (X-Ray Powder Diffraction)
Fare un breve ripasso della tecnica davanti al diffrattometro del Lab.2 (Via Quarello)
Registra il caratteristico diffrattogramma (direzioni ed intensità) di un reticolo
cristallino.
In questo modo, permette di identificare fasi cristalline presenti (per confronto con
banca dati di diffrattogrammi).
Fornisce inoltre informazioni collaterali sulle dimensioni dei cristalli e sulla loro
eventuale orientazione.
ATTENZIONE:
• nel caso di strutture complesse, non permette di risalire (se non con esperimenti
complessi accompagnati da simulazioni altrettanto complesse) alla struttura atomica
del materiale.
• non “vede” la materia amorfa;
• è poco sensibile (qualche % w) e necessita di parecchio campione
Caratterizzazione dei materiali - 1
• Le tecniche viste finora permettono di IDENTIFICARE i materiali
e forniscono alcune proprietà. La detrminazione approfondita
delle proprietà rilevanti di un materiale prende il nome di
CARATTERIZZAZIONE del materiale. Le tabelle dell’esercizio
precedente mostrano esempi di proprietà:
• MECCANICHE (v. lezioni prof. Baricco)
• TERMICHE (oltre alla TGA/DTA, sono fondamentali: conducibilità
e calore specifico, prove tecniche di combustrione, dilatazione
termica)
• ELETTRICHE E MAGNETICHE
• REATTIVITA’ CHIMICA E CORROSIONE (un capitolo enorme…)
• OTTICHE (assorbimento, riflessione, emissione, diffusione, nei
vari campi spettrali da IR termico a RX)
• REOLOGICHE (viscosità e prop. Correlate)
• TRIBOLOGICHE (attrito e prop. correlate
Caratterizzazione-2
Perché siamo affamati di dati di caratterizzazione quantitativi dei materiali?
Simulazione
Progettazione
Fabbricazione
Non solo li richiede la progettazione “classica”. La simulazione interviene sia
nella progettazione avanzata, sia nella “failure analisys” dei prodotti finiti.
Banche Dati
Quando cerchiamo una proprietà, possiamo fare riferimento alle pubblicazioni
scientifiche che descrivono l’esperimento di detrminazione. Tuttavia, questo
richiede molto tempo, e l’analisi di una gran numero di informazioni non
richieste. Le varie comunità tecnologiche si sono da tempo dotate di BANCHE
DATI specializzate, che contengono specifica informazione selezionata per un
gran numero di materiali, e consentono al tempo stesso di “tracciare” l’origine
dei dati. Sono esempi di banche dati.
• I “manuali” classici in uso da scienziati ed ingegneri. Ad es:
• le banche dati di cristallografia strutturale
• le banche dati spettrali (IR, sp. Atomici, NMR)
• le banche dati ed i software di “materials selection”
• le banche dati sulla sicurezza (MSDS)
• il NIST Chemistry webbook
• banche dati/servizi online di tipo commerciale
Banche dati strutturali e
cristallografiche
V. Presentazione specifica
Appendice:
la qualità delle risorse tecnicoscientifiche in Internet
V. Presentazione specifica su
• motori di ricerca e banche dati
• valutazione della qualità
• peer review
• qualità degli “user generated content” (Wikipedia)
• motori di ricerca specializzati
Esercizio: analisi della qualità e del
contenuto delle risorse online sui
materiali.
L’attività inizia con la ricerca di “materials properties” su un motore di ricerca.
• Provare diversi motori di ricerca
• schematizzare i risultati in una tabella, analizzandone la qualità secondo i
parametri prima discussi
• approfondire la classe di proprietà di pertinenza per la propria attività
tecnica.
• Elencare e classificare le fonti disponibili
Introduzione al CES Selector
• Contenuto del database
• Funzionalità del Programma CES Selector