Le proprietà fisico-chimiche di un materiale si riferiscono ai suoi attributi intrinseci esibiti sotto azioni fisiche e chimiche, che ne determinano le caratteristiche essenziali. Le prestazioni di processo (o prestazioni tecnologiche) si riferiscono alla capacità di un materiale di adattarsi a vari metodi di lavorazione e produzione, influenzando direttamente la fabbricabilità e il costo dei prodotti.
Le proprietà fisico-chimiche sono inerenti al materiale stesso e indipendenti dalla lavorazione. Sono principalmente classificate in proprietà fisiche e proprietà chimiche.
Queste riflettono la risposta del materiale alle azioni fisiche (ad esempio, forza, calore, luce, elettricità, magnetismo) e servono come base fondamentale per la selezione dei materiali.
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Proprietà termiche: Caratteristiche relative alle variazioni di temperatura
- Punto di fusione/punto di solidificazione: La temperatura alla quale un materiale passa dallo stato solido a quello liquido (o viceversa). Ad esempio, il punto di fusione dell'acciaio è di circa 1538°C, che definisce l'intervallo di temperatura per la sua lavorazione a caldo.
- Conducibilità termica: La capacità del materiale di trasferire calore. Il rame ha un'elevata conducibilità termica (~401 W/(m·K)) ed è adatto per componenti di dissipazione del calore; il cotone isolante termico ha una bassa conducibilità termica e viene utilizzato per l'isolamento termico.
- Coefficiente di dilatazione termica: Il tasso di variazione dimensionale di un materiale con la temperatura. Ad esempio, i coefficienti di dilatazione termica del vetro e del metallo devono corrispondere per evitare crepe durante l'imballaggio.
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Proprietà elettriche: La risposta del materiale alla corrente elettrica
- Resistività: Misura la conducibilità del materiale (bassa resistività per conduttori come il rame; alta resistività per isolanti come la gomma; resistività intermedia per semiconduttori come il silicio).
- Costante dielettrica: Caratterizza la capacità del materiale di immagazzinare energia elettrica, utilizzata per la selezione di condensatori e materiali isolanti (ad esempio, la ceramica ha un'elevata costante dielettrica ed è adatta per condensatori ad alta frequenza).
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Proprietà ottiche: L'interazione tra il materiale e la luce
- Trasmittanza luminosa: La proporzione di luce trasmessa attraverso il materiale (ad esempio, il vetro ha una trasmittanza >80% per le finestre; le pellicole di plastica hanno una trasmittanza regolabile per le serre agricole).
- Riflettività/Assorbanza: Gli specchi hanno un'elevata riflettività, mentre i rivestimenti sui pannelli solari hanno un'elevata assorbanza per migliorare l'efficienza della conversione fotoelettrica.
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Proprietà magnetiche: La risposta del materiale ai campi magnetici
- Tipi magnetici: Classificati come ferromagnetici (ad esempio, ferro, nichel, attratti dai magneti), paramagnetici (ad esempio, alluminio, debolmente attratti) e diamagnetici (ad esempio, rame, debolmente repellenti), utilizzati in motori e dispositivi di memorizzazione magnetica.
Queste riflettono la stabilità del materiale in ambienti chimici, ovvero la sua capacità di resistere alla corrosione, all'ossidazione e alle reazioni chimiche.
- Resistenza alla corrosione: La capacità del materiale di resistere all'erosione da parte di agenti chimici come acidi, alcali e soluzioni saline (ad esempio, l'acciaio inossidabile resiste alla corrosione atmosferica; le leghe di titanio resistono alla corrosione dell'acqua di mare e sono utilizzate nei componenti delle navi).
- Resistenza all'ossidazione: La capacità del materiale di resistere alla reazione con l'ossigeno ad alte o a temperatura ambiente (ad esempio, le superleghe resistono all'ossidazione nei motori per prevenire la sfaldatura superficiale).
- Stabilità chimica: La caratteristica del materiale di non reagire con le sostanze a contatto (ad esempio, il politetrafluoroetilene, noto come "resistente a tutti i prodotti chimici", viene utilizzato come rivestimento per tubazioni chimiche).
Le prestazioni di processo si riferiscono alla capacità di un materiale di adattarsi ai processi di produzione. Determina direttamente "se la lavorazione è possibile", "difficoltà di lavorazione" e "tasso di resa", ed è una considerazione chiave per la selezione dei materiali nella produzione industriale.
I due interagiscono e determinano congiuntamente gli scenari applicativi del materiale:
- Le proprietà fisico-chimiche definiscono il limite superiore delle prestazioni di processo: Ad esempio, i materiali con un alto punto di fusione (ad esempio, tungsteno, punto di fusione 3422°C) sono difficili da colare (richiedono temperature estremamente elevate) e possono essere lavorati solo tramite metallurgia delle polveri; i materiali fragili (ad esempio, ceramiche) hanno scarse prestazioni di lavorazione per deformazione e possono essere formati solo tramite sinterizzazione.
- Le prestazioni di processo influenzano la realizzazione delle proprietà fisico-chimiche: Ad esempio, il trattamento termico può cambiare la struttura interna di un materiale, regolando così le sue proprietà meccaniche (ad esempio, l'acciaio 45 mostra una maggiore durezza e resistenza, con una plasticità leggermente ridotta, dopo la tempra e il rinvenimento); la velocità di raffreddamento durante la colata influisce sulla dimensione dei grani dei getti, che a sua volta cambia la loro resistenza alla trazione e la resistenza alla corrosione.
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