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MATERIALIE INGEGNERIA

RIVISTA DI INFORMAZIONE DELL’ASSOCIAZIONE ITALIANA INGEGNERI DEI MATERIALIAnno 11 - Numero 2 - Giugno 2004 - Spedizione in abbonamento postale - art.2 comma 20/C L. 662/96 - D.C. Trento

IN CASO DI MANCATO RECAPITO RESTITUIRE AL MITTENTE CHE SI IMPEGNA A PAGARE LA RELATIVA TASSA

Immagine TEM in campo chiaro di lamellemartensitiche in acciaio AISI H13.

Immagine TEM in campo scuro del precedente qua-dro: in contrasto il film di austenite residua lungo leplacche martensitiche.

Immagine TEM di dislocazioni in acciaio duplex. Immagine TEM di precipitati in acciaio duplex.

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Associazione

Consiglio direttivoPresidente: Giovanni StraffeliniVice-Presidente: Andrea BianchiSegretario e Tesoriere: Stefano RossiConsiglieri: Alberto Valla, GiancarloSquarzoni, Monica Fidanza, GiuseppeBoni, Lorenzo Menaldo, Paolo Mosaner.

SedeLa sede dell’Associazione è in viaMesiano 77 - 38100 Trento, presso la Fa-coltà di Ingegneria (Dipartimento di In-gegneria dei Materiali).Telefono 0461-882458, 882403.Fax 0461-881977.e-mail:giovanni.straffelini@ing.unitn.it;stefano.rossi@ing.unitn.it

Iscrizioni 2004Le quote di iscrizione all’Associazione peril 2004 sono fissate in 30 Euro per i laure-ati e 20 Euro per i laureandi. La quota puòessere pagata con un versamento sul c/cpostale n. 14463384 intestato a: Associa-zione Italiana Ingegneri dei Materiali -ASSIM, via Mesiano 77 - 38100 Trento.Ai nuovi iscritti è richiesto di inviare unmodulo di iscrizione debitamente compi-lato che può essere richiesto in sede oscaricato dal sito internet.

MATERIALI E INGEGNERIA

Rivista di informazione dell’Associa-zione Italiana Ingegneri dei Materiali

Anno 11 - Numero 2 – Giugno 2004

Direzione e redazione presso la sededell’Associazione

Autorizzazione del Tribunale di Trenton. 827/R.S. del 4/7/1994

Coordinatore:Giovanni Straffelini

Direttore responsabile:Roberto Bombarda

Fotocomposizione e stampa:Litografia AmorthVia Crosare, 12 - Gardolo (TN)

BANCA DATI ASSIM-LAVORO

La banca dati ASSIM-Lavoro, è stata istituita ne 1996 e si prefigge di favorire il contat-to tra i laureati in Ingegneria dei Materiali ed il mondo del lavoro. I soci che voglionoessere inseriti per la prima volta debbono compilare il modulo (che possono richiedereall’Associazione) ed eventualmente allegare il proprio curriculum vitae (massimo unafacciata). Si ricorda che la banca dati viene azzerata al 31 ottobre. Coloro, già iscritti,che sono interessati a rimanere inseriti nella banca-dati sono quindi invitati a comuni-carlo per iscritto all’Associazione.È attivata una specifica pagina web e quindi le iscrizioni e ogni ulteriore comunicazio-ne in merito potranno essere fatte via Internet.Le aziende interessate all’assunzione di ingegneri dei materiali possono fare richiestadei nominativi inseriti nella banca dati all’Associazione.

Per informazioni e per inviare la propria adesione alla banca-dati le persone dacontattare sono: Stefano Rossi (lab. Anticorrosione Industriale, Università diTrento - tel. 0461-882403, fax 881977).

ASSIM ON-LINE

È attivo il nuovo sito WEB dell’ASSIM, che può essere consultato collegandosi suinternet all’indirizzo:

http://www.assimonline.org

I soci e tutti gli interessati possono quindi avvalersi di tale strumento che contribuiràsicuramente a far conoscere e promuovere al meglio la figura professionale dell’inge-gnere dei materiali. Alcune tra le potenzialità che tale strumento offre sono:- creare un punto di incontro tra le aziende e l’ASSIM e gli ingegneri dei materiali in

cerca di lavoro,- comunicare in tempo reale tra i soci e il direttivo ASSIM e viceversa,- poter presentare le proposte in pagine dedicate a tale scopo,- confrontarsi apertamente su problematiche tecniche di interesse specifico dei soci,- scambiare informazioni, documenti, moduli ed altro in modo pratico ed economico,- tenere i contatti in modo efficiente con i soci delle altre sedi comprese quelle più

lontane.Nel sito si possono trovare anche i numeri arretrati della nostra rivista.

SOMMARIO

ASSOCIAZIONE

ASSIM: ASSEMBLEA DEI SOCI 2004

NUOVI MATERIALI: NANOPARTICELLE NANOSTRUTTURATE

NOTIZIE IN BREVE

TPE - ELASTOMERI TERMOPLASTICI

TECNICHE PER LA CARATTERIZZAZIONE DEI MATERIALI PERL’ INGEGNERIA

NEOLAUREATI IN INGEGNERIA DEI MATERIAI A TRENTO

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ASSIM: ASSEMBLEA DEI SOCI 2004

Giovanni Straffelini

Il 3 aprile 2004 si è svolta, presso la Facoltà di Inge-gneria di Trento, l’Assemblea annuale dell’ASSIM.Si è trattato di un’assemblea importante, in quantoera in programma l’elezione delle cariche sociali euna riflessione e un dibattito sul ruolo stesso dell’associa-zione ASSIM, a dieci anni dalla sua fondazione.Inizialmente, e come consuetudine, sono state illustrate leprincipali attività svolte dall’associazione nel 2003. È sta-ta innazitutto evidenziata la buona vitalità dell’associazio-ne, confermata dell’elevato numero di soci, che nel 2003ha raggiunto il numero massimo di 128 soci. Come mo-strato nella figura riportata in questa pagina, il numero deisoci è sostanzialmente aumentato con continuità in questi10 anni di vita dell’associazione, anche se ancora moltineolaureati preferiscono non iscriversi all’associazione emolti soci non rinnovano l’iscrizione dopo qualche anno diappartenenza all’associazione.L’attività di promozione dell’Ingegneria dei Materiali èstata perseguita, come negli anni scorsi, innanzitutto me-diante la realizzazione e spedizione del giornalino ‘Mate-riali e Ingegneria’. È stata quindi organizzata e svolta consuccesso una Giornata di Studio, dedicata ai ‘Materialiper l’Edilizia’. La Giornata di Studio ha avuto luogo il 20marzo presso la sala dell’Ordine degli Ingegneri della Pro-vincia di Trento con una buona partecipazione di soci del-l’associazione e una partecipazione più contenuta di per-sone esterne all’associazione. È stata in particolare rile-vata la ridotta partecipazione di ingegneri iscritti all’Ordi-ne della Provincia di Trento, anche a causa di un’inade-guata opera di informazione dell’Ordine stesso. Vistol’interesse riscontrato dagli argomenti trattati è in pro-gramma la ripetizione della giornata di studio in autun-no, dopo aver informato e coinvolto in modo più capil-lare gli Ingegneri dell’Ordine di Trento e anche degliOrdini di altre regioni italiane. Le presentazioni sonocomunque già ora disponibili sul sito dell’associazione(www.assimonline.org).La promozione della figura dell’Ingegnere dei Materialie il contatto tra i soci dell’Assim e il mondo del lavoroha trovato notevole impulso anche dal nuovo sito Web,continuativamente aggiornato e seguito dal socio An-drea Bianchi, tramite etymo (linguaggi multiculturali)di Trento. Ad oggi si hanno circa 35 visite al giorno e ladurata media di ogni visita è sui 4 minuti, a testimonian-

za dell’interesse che il sito suscita presso gli utenti. An-che l’utilizzo del Forum come mezzo per la richiesta diinformazioni o come momento di scambio di idee è incontinuo aumento. Il sito web sta quindi diventando sem-pre più il mezzo principale di sviluppo delle attività del-l’associazione. È anche all’attenzione del Direttivo unaproposta di Andrea Bianchi e di etymo di potenziareulteriormente il sito, penetrando in modo più efficacenel mondo industriale.Nel corso dell’assemblea si è prevveduto all’elezionedel nuovo Presidente e del nuovo Direttivo.Come Presidente è stato confermato il Sottoscritto,mentre il nuovo direttivo è costituito da:

e-mailGiovanni Straffelini Giovanni.Straffelini@ing.unitn.itStefano Rossi Stefano.Rossi@ing.unitn.itAndrea Bianchi info@etymo.com, a.bianc@tiscali.itAlberto Valla valla@texbondspa.com, alberto.valla@tin.it

Monica Fidanza monica.fidanza@coster.com,monica_fidanza@virgilio.it,

Giuseppe Boni Giuseppe.boni@dana.com

Lorenzo Menaldo lorenzomenaldo@virgilio.itGiancarlo Squarzoni g.squarzoni@marangoni.com

Paolo Mosaner paolomos.xtn@libero.it,mosaner@science.unitn.it

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Si può notare come il Direttivo sia no-tevolmente rinnovato, garantendoquindi nuovo entusiasmo e idee all’as-sociazione; la presenza dei soci fon-datori Straffelini, Rossi e Valla gra-natisce anche la necessaria continui-tà nell’attività dell’associazione (la pri-ma riunione del nuovo Direttivo, te-nuta il 12 maggio 2004, ha eletto An-drea Bianchi come Vice Presiden-te, e Stefano Rossi come Segreta-rio/Tesoriere).Stefano Rossi ha quindi illustrato leattività inerenti la banca dati Assim-Lavoro, che rappresenta una delleattività storiche e qualificanti dell’as-sociazione.È stato in particolare evidenziato comeil numero di richieste di Ingegneri deiMateriali da parte del mondo del la-voro abbia registrato un boom nel 2000(22 richieste), attestandosi negli ulti-mi anni intorno a 10-13 richieste, aconferma del momento non felice chesta vivendo il mondo del lavoro in que-sto periodo.All’assemblea sono stati quindi pre-sentati i risultati del Questionario,

come spunto di discussione sul futurodell’Associazione.I risultati sono mostrati nei grafici inqueste pagine. La discussione dei ri-sultati del questionario, svolta durantel’assemblea, ha evidenziato la volon-tà di tutti di continuare ad investire conenergia nell’associazione, incremen-tando e diversificando le sue attività.È emersa in particolare la necessitàdi potenziare ulteriormente il sito Web(e l’attività in studio proposta da ety-mo va proprio in questa direzione), fa-cendolo diventare il luogo privilegiatoper promuovere il contatto tra i soci(anche provenienti da sedi universita-rie di verse da Trento) e il contattocol mondo del lavoro.È stata anche evidenziata la necessi-tà di aumentare il numero delle gior-nate di studio, dato che l’aggiornamen-to culturale nel mondo dell’Ingegne-ria dei Materiali è percepito comeun’importante necessità.Con l’obiettivo di vivacizzare l’assem-blea annuale e di farla diventare an-che un evento importante di aggior-namento culturale è stata quindi pro-

posta, ed accolta, una modifica dellostatuto atta a facilitare la nomina diSoci Onorari dell’Associazione. I nuo-vi Soci Onorari saranno invitati a rea-lizzare un intervento durante l’assem-blea dei soci, quando verrà cioè con-ferito loro, con adeguata solennità, lanomina di Socio Onorario.Nel prossimo biennio sarà compito delnuovo Direttivo e del Presidente diaccogliere i suggerimenti dell’assem-blea, e altri suggerimenti che i socivorranno trasmettere al direttivo, e dimetterli in pratica promuovendo e or-ganizzando nuove attività.È chiaro, tuttavia, che è assolutamen-te necessario uno scambio continuocon i soci.È quindi un auspicio che il forum delsito Web venga utilizzato per promuo-vere e realizzare nuove iniziative: lavitalità dell’Associazione dev’esseremantenuta alta e favorita da un conti-nuo interscambio tra i soci e i compo-nenti del direttivo. In questo contestoè anche importante che molti soci of-frano la propria disponibilità a parte-cipare a specifici progetti e attività.

QUALI SONO OGGI LE ATTIVITA’PIU’ IMPORTANTI DELL’ASSIM?

(1=poco importante – 7=molto importante)

La banca dati lavoro 5

Promozione della figuradell’Ingegnere dei Materiali 5.5

Organizzazione di giornate di studio 5.2

Sito web (assimonline.org) 5

Pubblicazioni (giornalino, libri) 5.8

RISULTATI DEL QUESTIONARIO

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Scheda tecnica

NUOVI MATERIALI:NANOPARTICELLE NANOSTRUTTURATE

Francesco Stellacci

Department of Materials Science and EngineeringMassachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA, USA

Negli ultimi anni la scienza el’ingegneria dei materiali sisono aperte a nuovi orizzonti.Infatti, come in quasi tutte le altrediscipline, c’è stata una fortissimatendenza a studiare materiali e feno-meni in una nuova scala: il mano-metro (10-9 m). È ormai noto che unodei due eventi scientifici più importantidell’ultimo decennio è l’avvento dellananoscienza (l’altro è l’identificazionedel genoma umano).Le caratteristiche principali di questascienza sono due: la ricerca di feno-meni nuovi e la tensione verso unafusione delle discipline classiche in unapproccio multi-disciplinare. NegliStati Uniti è ormai chiaro che idipartimenti dei materiali sono quelliche hanno tratto più vantaggiodall’avvento di questa vera e propriarivoluzione scientifica. Infatti, mentredieci anni fa più o meno in tutta lanazione le iscrizioni ai corsi deimateriali erano in costante declino e ifondi della ricerca vinti in questidipartimenti erano diventati marginalirispetto ad altre discipline, ora latendenza è diametralmente opposta.Le iscrizioni iniziano ad aumentare inmaniera esponenziale e i fondi sonoesplosi. Nel 2000, nel tentativo di farfiorire la nanoscienza negli Stati Uniti,il ministero della difesa ha lanciato ungara per 7 DURINT, dei grossi eprestigiosissimi fondi di ricerca.Sebbene la gara fosse aperta a tuttele discipline, addirittura 3 sono stativinti da quello che ora e’ il miodipartimento e in tutti e 7 c’era unacomponente dominate di professoridei materiali.Lo scopo di questo articolo è di

spiegare, con un esempio pratico, imotivi di questo rinnovato interesseverso la nostra disciplina. Ad oggi èchiaro ai più che la scienza deimateriali è in “pole position” nellananoscienza. Si tratta ora di capire sesul lungo periodo vincerà la garaoppure verrà superata ad un certopunto da qualche altra disciplina.La mia opinione è che ci troviamo inquesta situazione per un motivointrinseco ed uno casuale. Col tempoperderemo il vantaggio casuale emanterremo l’altro. Andiamo conordine: una scienza che cerca nuovifenomeni principalmente generati daun confinamento nello spazio diparticelle quantistiche (elettroni efotoni) deve tassativamente avere lesue basi nella creazione e nellacaratterizzazione di materiali moltopiccoli capaci quindi di creare dellebarriere fisiche spaziate pochinanometri. Di conseguenza, la nano-scienza è tutta centrata nello studio dimateriali estremamente piccoli(nanomateriali) oppure nella nano-strutturazione di materiali classici(materiali nanostrutturati).Questo dà e darà sempre ai materialistiin questo campo un vantaggio unico:l’essere la colonna portante di tuttol’impianto.L’altro vantaggio che noi materialistiabbiamo è del tutto fortuito e prestolo perderemo. Fino a pochi anni fa, eforse tutt’oggi noi siamo gli scienziatie gli ingeneri che sono stati formatinel modo più interdisciplinare, per cuisiamo quelli che più si avvicinano allafigura professionale del nanoscien-ziato. In questo anno io mi sonoimpegnato nel creare una nuova

famiglia di materiali che è allaintersezione tra i materiali nanostruttu-rati ed i nanomateriali. Fortuna-tamente (per me) questi nuovi mate-riali mostrano proprietà molto interes-santi e promettenti. Si tratta materialicompositi, nanoparticelle di metallo,fatti di un cuore metallico coperto daun monostrato molecolare. Il cuoremetallico è tipicamente composto daun singolo cristallo di oro, metre ilmonostrato molecolare è fatto dimolecole tiolate. Come mostrato infigura, quando il monostrato ècomposto da molecole diverse questefanno una separazione di fase unicain natura. Infatti si creano degli anelliconcentrici a composizione molecolarealternata. Se si tiene in considerazioneil fatto che il cuore metallico ha undiametro solamente di 6 nanometri cisi rende subito conto che queste fasisono piccolissime (in media 5 Å).Fasi così piccole non sono mai stateosservate prima in natura. Per essereprecisi, la definizione scientifica di unafase non comprende regioni spazialicosì piccole. Questo è uno dei primiesempi di nano-materiale nanostruttu-rato, infatti il materiale è una sfera dicirca 10 nanometri che presenta unulteriore strutturazione nella compo-sizione molecolare del guscio moleco-lare protettivo.Un approccio interdisciplinare allaricerca mi ha aiutato a trovare subitoun’applicazione per questi materiali: laprevenzione dell’assorbimento nonspecifico di proteine. Si tratta di unproblema grave che causa la rotturadella maggior parte degli organiartificiali che vengono posti nel corpoumano. La causa principale di questo

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Scheda tecnica

problema è la natura idrofobica edidrofilica delle proteine. È, infatti, notoche la maggior parte delle proteine puòcambiare la propria conformazione inrisposta ad un campo di forza creatoda una generica superficie. Questocambiamento porta alla massimiz-zazione, sulla superficie del globuloproteico, della parte che è maggior-mente attratta dalla superficie. Laconseguenza di questo processocomplesso è che tutte le superficifiniscono per attrarre le proteine. Nelcaso di organi artificiali, questo è unproblema gravissimo perchè la

formazione di residui proteici portaall’occlusione di importanti valvole.Questi nuovi materiali hanno l’invidia-bile proprietà di essere capaci al tem-po stesso di attirare e respingere leproteine. Questo avviene perchè laloro superficie è composta da dominiordinati di regioni idrofilici ed idrofo-bici che sono spaziate meno di unnanometro. Essendo tale distanzacommensurabile con la grandezza diun unico residuo amminoacido la pro-teina non e’ in grado di “decodifica-re” la natura della superficie. La con-seguenza è che, indipendentemente

dalla conformazione del globulo pro-teico, l’attrazione netta è sempre mol-to piccola, di fatto inferiore all’ener-gia di solvatazione. Risultati prelimi-nari molto convincenti mostrano infattiche superfici ricoperte da queste na-noparticelle resistono benissimo all’at-tacco delle proteine, probabilmentemolto meglio di tutti gli altri materialiche vengono usati oggi per resistereagli attacchi delle proteine.In conclusione, questo esempio, quiriportato brevemente, ha tutti glielementi fondamentali che uniscono lananoscienza alla scienza dei materiali.Da un lato, infatti, abbiamo un esempiodi creazione di un nuovo materiale: unnanomateriale che è anche nanostrut-turato. Dall’altro abbiamo un esempiodi approccio mulitidisciplinare allasoluzione di un importante problemabiologico.

Per ulteriori informazioni:Alicia M. Jackson, Jacob W.Myerson, Francesco Stellacci,“Spontaneous assembly of sub-nanometre ordered domains in theligand shell of monolayerprotec-tednanoparticles”,Nature Materials, 3, 330-336, 2004.

(Francesco Stellacci si è laureatoin Ingegneria dei Materiali alPolitecnico di Milano nel 1998).

Nanoparticelle di oro protette da unmonostrato molecolare composto daottanotiolo e acido mercaptopropionico (2:1in rapporto molare). In basso una rappre-sentazione tridimensionale di un immagineottenuta con un microscopio STM (scanningtunneling microscope). In alto un disegno cheaiuta a capire la nanostruturazione. I cilindrigialli rappresentano le molecole di ottanotiolo,quelli rossi le molecole di acido merca-ptopropionico. Essendo la nanoparti-cella solo10 nm in diametro si può notare come laspaziatura tra due anelli molecolari simili èsolamente 1 nm.

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Notizie in breve

MANUALE DI PROGETAZIONE PER STRUTTREIN ACCIAIO INOSSIDABILE

Questo manuale di progettazione è stato redattodallo Steel Construction Institute per esserepubblicato come risultato del programmafinanziato dalla CECA “Progetto di valorizzazione –Sviluppo dell’uso di acciaio inossidabile in edilizia”(contratto 7215-PP-056) e costituisce una revisionecompleta del Manuale di progettazione per strutture inacciaio inossidabile preparato dallo stesso Istituto fra il1989 ed il 1992 e pubblicato da Euro Inox, solo in linguainglese, nel 1994.La nuova edizione tiene conto dei progressi delleconoscenze in tema di comportamento delle strutture inacciaio inossidabile nell’ultimo decennio, in particolare,sui collegamenti, sulla produzione, sul montaggio, sullesaldature e con l’inserimento del progetto di struttureresistenti al fuoco.

Il manuale, preparato per guidare ingegneri esperti nellaprogettazione di strutture in acciaio in generale, nonnecessariamente solo inossidabile, è diviso in due parti:

1) Raccomandazioni- Introduzione- Principi di progettazione- Materiali: proprietà, scelta e durabilità- Proprietà delle sezioni trasversali- Progetto di membrature- Progetto dei collegamenti- Progetto di strutture resistenti al fuoco- Fatica- Prove- Aspetti della fabbricazione

2) Esempi di progettazione

Per richiedere il manuale contattare:

CENTRO INOX SERVIZI SrlPiazza Velasca 10 – 20122 Milano

Tel. 02.86450559/69 – Fax 02.860986www.centroinox.it

E-mail: centroinoxservizi@centroinox.it

MANUALE DI PROGETTAZIONE PERSTRUTTURE IN ACCIAIO INOSSIDABILE€ 25,00 + IVA + spese postali (Pagamento a mezzocontrassegno).

UNA COPIA DEL MANUALEÈ DISPONIBILE

PER CONSULTAZIONE PRESSOLA SEDE DELL’ ASSOCIAZIONE

ASSIM.

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Scheda tecnica

TPE - ELASTOMERI TERMOPLASTICI

Marco Mazzolani

CATTINI ENGINEERING PLASTICS, San Martino in Rio (RE)

G l i “ E L A S T O M E R ITERMOPLASTICI”sono materiali con pro-prietà tipiche degli elastomeri (gom-me) e delle plastiche. La normaASTM D 1566 definisce gli elasto-meri termoplastici (TPE) come “unaclasse di materiali gommosi che, adifferenza delle gomme conven-zionali vulcanizzate, possono esse-re lavorati e riciclati come materialitermoplastici”. Essi, infatti, sono inmaggioranza ottenuti come i prodottiplastici convenzionali mediante leattrezzature per estrusione e stam-paggio ad iniezione, ma hanno leproprietà di resistenza all’abrasione,di flessibilità e di resistenza allalacerazione degli elastomeri. Unelastomero termoplastico (TPE) ècomunque un materiale gommoso conproprietà e comportamento funzionalemolto simili a quelli di una gommatermoindurente convenzionale. Ques-to risulta essere vero in quanto lamaggior parte degli elastomeri termo-plastici recupera velocemente epienamente grosse deformazioni, puòsubire allungamenti superiori anche al100% e inoltre è insolubile nei piùcomuni solventi organici.Si può quindi dire che, in termini diproprietà funzionali e di uso, un TPEsi comporta come una gomma; in ter-mini invece di processo e fabbri-cazione, si configura come un mate-riale termoplastico. Sopra al suo puntodi fusione (Tm), esso è fluido e puòessere formato o estruso con la stessaattrezzatura e gli stessi metodi usaticomunemente per i termoplastici.Sotto la sua Tm, invece, un TPE si

comporta come una gomma flessibileed elastica. Gran parte del successodegli elastomeri termoplastici è, comein parte si è già visto, dovuto al fattoche in molte applicazioni possonoessere usati in sostituzione dellagomma naturale o sintetica comporta-ndo così un insieme di vantaggi legatiprincipalmente alla facilità dilavorazione e alla gestione degli scarti.La maggior parte degli elastomeritermoplastici sono sistemi costituiti daalmeno due fasi: una fase rigida esolida a temperatura ambiente edun’altra tenera e di natura elasto-merica. Le proprietà del mate-rialeche ne deriva saranno stretta-mentecollegate a quelle delle due fasicostituenti e alla loro mutua intera-zione. Spesso le diverse fasi sonogenerate da segmenti termodinami-camente incompatibili, contenuti incopolimeri a blocchi. Altre volte unTPE può essere ottenuto da unamiscelazione di due diversi polimeri,come ad esempio polipropilene (PP)per la fase rigida termoplastica edEPDM come elastomero tenero. Siottengono in questo modo i TPE dinatura olefinica che si indicano anchecon la sigla TEO e comprendonoanche miscele di poliestere ed EPDMo, in alcuni casi, di NBR e polivi-nilcloruro (PVC).La vulcanizzazione dinamica della fasetenera di una tale miscela dà originead un materiale termoplastico vulca-nizzato (TPV) con proprietà moltosimili a quelle di un gomma termo-indurente tradizionale. Questi TPEsono costituiti da una matrice continuadi natura termoplastica in cui sono

presenti particelle finemente dispersedi gomma reticolata:L’interazione tra le due fasi elasto-merica e termoplastica è dovuta allagrande area di interfaccia tra di esse.Esempi di TPV disponibili sul mercatosono costituiti, ad esempio, dapoliolefine, soprattutto PP, come faserigida continua ed EPDM, NBR,gomma naturale (NR), gomma butileo etilene-vinil acetato (EVA), comefase tenera. In altri casi le fasi di unelastomero termoplastico possonooriginarsi da segmenti rigidi alternatiad altri flessibili lungo una stessacatena polimerica (vedi Fig.1). Inquesto caso i segmenti che dannoorigine alle diverse fasi sono chimi-camente legati mediante una copo-limerizzazione a blocchi che è la baseper molti dei TPE attualmente dispo-nibili sul mercato.Una delle più semplici strutture per icopolimeri a blocchi è quella di tipoA-B-A, in cui A rappresenta ilsegmento rigido e B invece quelloflessibile ed elastico. Questo è il casodei TPE-Stirenici.La figura 1 mostra come i segmentidi polistirene formano delle regionisferiche separate, chiamate domini,disperse nella fase elastomerica conti-nua. A temperatura ambiente, questeregioni di polistirene sono dure efungono da vincoli fisici, legando lecatene polimeriche in una retetridimensionale.Questo, in qualche misura, è ciò cheaccade per le gomme convenzionalinelle quali, però, i vincoli sono dati dailegami originati dallo zolfo nellavulcanizzazione.

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Scheda tecnica

Le proprietà caratteristiche deglielastomeri termoplastici dipendono dallaTg (o Tm se la fase è cristallina) dellafase rigida termoplastica, che di normaha un valore elevato, e dalla temperaturadi transizione vetrosa, Tg, dei segmentielastomerici (il valore di Tg è solitamentemolto basso).All’interno dell’intervallo di tempe-ratu-re compreso tra Tg e Tm i TPE possonoessere utilizzati per applicazioni pratiche,mentre al di sopra di Tm i segmenti durifondono e il materiale diventa fluido.Questo permette la lavorazione con lenormali attrezzature usate per i termo-plastici. Se poi la temperatura scendesotto al valore di Tg il pezzo diventa fra-gile e perde tutte le sue proprietà ela-stomeriche. Il passaggio di un TPE daTg a Tm è reversibile e può avvenireanche molte volte in quanto entrambesono trasformazioni fisiche reversibili, enon chimiche. Per una gomma termoin-durente reticolata il superamento di Tgè ancora un fenomeno reversibile, maquello della Tm non esiste per definizio-ne. Quindi il continuo riscaldamento diuna gomma tradizionale non comportanessuna trasformazione fino all’iniziodella decomposizione interna e dell’at-tacco dell’ambiente esterno. Questo at-

tacco chimico è un processo irre-versibile che implica la distruzionedei vincoli tra le catene elastomeri-che.

RELAZIONI TRAPROPRIETÀ

E STRUTTURA DEI TPE

Fase rigida. La scelta del polimeroche si usa per questo segmentocondiziona la resistenza del materialeagli oli e ai solventi. Infatti se anchela fase elastomerica risulta essereresistente ad un determinato tipo diolio o solvente, ma quella rigida hauna bassa resistenza e quindirigonfia, allora verranno perse tuttele proprietà fisiche utili del TPE.Così, i copolimeri stirenici a blocchihanno, di per sè, una resistenza aisolventi organici minima o nulla. Permigliorare tale proprietà si possonousare, come segmenti rigidi, deipolimeri cristallini come polietilene,polipropilene, poliestere opoliammide che possono esseresostituiti al polistirene comunementepresente nei TPE stirenici.Inoltre i domini rigidi perdono la loroforza se il polimero viene riscaldato

oppure sciolto in solventi: ciò permetteal materiale di fluire.Se poi al riscaldamento si fa seguireun raffreddamento, o se il solventeevapora, i domini induriscono nuova-mente e si riforma spontanea-mentela struttura originale. Infine la naturachimica della fase rigida può influenza-re la resistenza al calore, a trazione eil comportamento al rigonfiamento.

Fase elastomerica. Nei copolimeristirenici a blocchi, il segmentoelastomerico determina la stabilità ela rigidità del prodotto finale. Glielastomeri maggiormente usati sonopolibutadiene, poliisoprene e poli(etilene-co-butilene). I copolimericorrispondenti sono indicati rispettiva-mente come S-B-S, S-I-S e S-EB-S.Nei primi due casi il segmentoelastomerico contiene un doppiolegame per unità monomerica, equesto rappresenta una notevole fontedi instabilità (scarsa resistenzaall’ossidazione). Si avranno perciòdelle limitazioni per l’uso di questimateriali in applicazioni che prevedonoesposizioni ad alte temperature, a luceultravioletta oppure all’ozono.I copolimeri a blocchi di tipo S-EB-S,invece, sono più stabili dei precedentiin quanto EB, cioè la fase elasto-merica, non contiene doppi legami.Se, per qualche motivo, prende avvioil processo di degradazione, nel casodi copolimeri come S-B-S si può avereuna reticolazione e il materiale diventavia via più duro, insolubile e infusibile;nelle stesse condizioni, invece, S-I-Sè soggetto ad una scissione dellacatena, diventando così più tenero epiù debole. Inoltre la natura chimicadei segmenti teneri influenza anche ilcomportamento elastico e la flessibilitàalle basse temperature.

Rapporto tra segmenti teneri esegmenti duri. Gli elastomeri termo-plastici con alte proporzioni di faserigida risultano essere duri e rigidi. Man

Fig. 1 Morfologia dei TPE Stirenici

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Scheda tecnica

mano che aumenta la presenza disegmenti duri il materiale perde il suocarattere elastomerico e, successi-vamente, diventa termoplastico rigidoe caratterizzato da un’alta resistenzaall’urto.Il rapporto tra segmenti duri eteneri determina quindi la durezza edil modulo di elasticità del prodottofinale.Si è già detto che ogni fase dei TPE ècaratterizzata da una propriatemperatura Tg di transizione vetrosa(o Tm se la fase è cristallina) chedetermina i valori di temperatura a cuile proprietà del materiale subisconodelle variazioni. Quando, ad esempio,si misura il modulo di un elastomerotermoplastico in funzione dellatemperatura, si possono distinguere trediverse regioni a cui corrispondonoaltrettanti comportamenti differenti(vedi Fig.2). Per valori della tempe-ratura molto bassi, entrambe le fasisono dure e quindi il materiale è rigidoe fragile. Per valori leggermente piùelevati i segmenti elastomericidiventano teneri e così il TPE diventasimile ad una gomma convenzionalevulcanizzata. Quando la temperaturasupera la prima transizione, il modulorimane pressoché costante e la fase

tenera diventa molto elastica, rimanen-do tale fino alla seconda transizione.Arrivati a questo passaggio, ilsegmento duro rammollisce e il modulocala drasticamente, determinando laquasi totale perdita di resistenza delmateriale. Si deduce quindi che glielastomeri termoplastici hanno duetemperature che determinanol’intervallo di temperatura di servizio.La più bassa dipende dalla Tg delsegmento elastomerico, mentre la piùalta è legata alla Tg o Tm della faserigida. Bisogna però precisare che,

Fig. 2 Modulo a flessione di un tipico TPE in funzione della temperatura.

poiché la fase rigida comincia arammollire prima di raggiungere la suaTg o Tm, le temperature superiori diservizio sono in realtà leggermenteinferiori rispetto ai valori riportati nellasuddetta tabella.È possibile valutare alcune caratteri-stiche dei TPE facendo un confrontodiretto con altri tipi di materiali.Ad esempio, la dipendenza della de-formazione permanente all’allunga-mento rispetto all’allungamento (vediFig.3) definisce in modo netto le dif-ferenze tra elastomeri termoplastici edelastomeri tradizionali.Esaminando la figura si capisce comei TPE si trovino in una zona intermediatra i prodotti termoplastici e glielastomeri tradizionali; i TPE prossimialla curva inferiore saranno caratte-rizzati da un comportamento più similea quello degli elastomeri, mentre quelliprossimi alla curva superiore avrannocaratteristiche più vicine a quelle deimateriali termoplastici.Un altro parametro che permette dicaratterizzare i TPE e confrontarli conaltri tipi di materiali è la durezza (vediFig.4). I TPE più vicini agli elastomeripossono essere così differenziati daquelli che, essendo più vicini aitermoplastici, hanno anche proprietàanaloghe di durezza.

Fig. 3 Deformazione permanente all’allunga-mento in funzione dell’allungamento.

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Scheda tecnica

LA GOMMA NITRILE NEGLIELASTOMERI

TERMOPLASTICIPer molti versi la diffusione dellegomme NBR nell’ambito dei TPE sipuò già considerare un dato di fatto inquanto, come si vedrà in seguito, negliultimi anni sono aumentate progressi-vamente le formulazioni di elastomeritermoplastici comprendenti questo tipodi gomma come fase elastomerica. Loscopo della trattazione che segue vuoleessere quello di fornire una panora-mica riguardo alle più recenti e attualipossibilità d’uso della gomma nitrile.Prima di passare ad esaminare leformulazioni di elastomeri termo-plastici a base di NBR già disponibilisul mercato, si vuole dare unaindicazione di massima delle piùrecenti tendenze della ricerca scienti-fica e delle prospettive di diffusionedi materiali di questo tipo. Valutandogli attuali orientamenti si conclude chele formulazioni che si svilupperannomaggiormente nei prossimi anni sono:

- miscele NBR-PP- miscele NBR-PVC- miscele NBR-NYLON

Per quanto riguarda le miscele NBR-PP si trova che i fattori determinantisono dati dalla morfologia, compati-bilizzazione, rapporto NBR-PP nellamiscela. Le proprietà meccaniche ela resistenza all’olio rimangono, perquanto riguarda le caratteristicheapplicative, i requisiti fondamentali perprodotti di questo tipo. Questa impor-tante proprietà viene conservataanche nel caso della miscela con ilpolipropilene a fronte però di uncomportamento alle basse tempera-ture piuttosto scarso. La tabella dellapagina successiva mostra comemigliorare tale fattore. Si vedefacilmente che il punto di temperaturafragile può essere abbassato con unaperdita ridotta di resistenza all’oliomiscelando la formulazione di NBR-PP con un elastomero termoplasticodisponibile sul mercato a base di PP-EPDM. Le due composizioni sono traloro compatibili (in quanto basateentrambe su una fase continua di PP)e originano una miscela con proprietàmeccaniche pari all’incirca alla mediadi quelle dei due componenti.Sorprendentemente la resistenzaall’olio è anche migliore rispetto al

valore medio dei due costituenti.Anche le miscele NBR-PVC sonooggetto di studi recenti data la lorogrande versatilità e potenzialità disoddisfare esigenze molto particolarie a volte anche molto diverse tra loro.La ricerca scientifica è volta all’analisidella micromorfologia di questipreparati e alle possibili interazioni traNBR e PVC all’interno di unamiscela. Si è trovat, infatti, che il PVCviene utilizzato insieme alla gommaNBR per migliorare la lavorabilità delprodotto e ottenere valori elevati diresistenza all’ozono. Chiaramentequeste proprietà variano con lapercentuale in peso di polivinilcloruro;se questa si attesta sul 10% si ha lamigliore resistenza all’ozono. Bisognapoi rilevare come all’aumentare delcontenuto di PVC, cala l’allungamentoa rottura e, parallelamente, aumentala resistenza a trazione.Oltre a quanto detto sopra, si puòaffermare che risulta convenientepreparare elastomeri termoplastici abase di PVC e gomma nitrile perchèsi possono ottenere buone caratte-ristiche di resistenza al freddo, al caldoe all’olio. Materiali con questeproprietà contengono:- PVC parzialmente reticolato e

altamente polimerizzato- 50÷150 parti di NBR parzialmente

reticolata- 20÷100 parti di copolimero

vinilacetato-olefina- 20÷130 parti di plastificanti- riempitivi e stabilizzantiPartendo da una formulazione comequesta si hanno le seguenti proprietà:- resistenza a rottura 1.21 Kg/mm2

- allungamento 600%- compression set (70°C, 22h) 50- resistenza al freddo

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Scheda tecnica

1 2 3

Wt % NBR-PP compositiona 100 50 0

Wt % EPDM-PP compositionb 0 50 100

Properties

Tensile strength (MPa) 22.6 15.9 8.6

Stress at 100% strain (MPa) 11.2 7.9 4.4

Elongation at break (%) 585 510 415

Hardness (A scale) 93 87 68

Tension set (%) 48 23 10

True stress at break (MPa) 155 97 44.3

ASTM No.3 oil volume swelling (%) c 22 32.5 62.5

Brittle point (°C) -24 -47

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Scheda tecnica

di pre-cura, il rapporto dei costituentila miscela, la quantità di plastificantee la concentrazione dei catalizzatori.Si trova comunque che suolemicrocellulari basate su NBR-PVCin sospensione hanno miglioricaratteristiche di resistenza all’abra-sione, di resistenza a rottura, durezzae assorbimento d’acqua. Per controquelle basate su NBR-PVC inemulsione sono più leggere data laminore densità.Si considerano infine le miscele NBR-nylon11 di cui si riportano in seguito leprinciapli applicazioni.Un settore molto sviluppato è quellodelle parti e dei pezzi che devonovenire a contatto con oli, benzine osolventi di varia natura. In questoambito, infatti, sono numerosi i brevettidepositati: un’applicazione è quellarelativa alla produzione dello stratointerno di tubi in gomma per benzina.In questo caso [42] si usa una polveredi nylon 11 con cui si rivesteelettrostaticamente la superficieinterna del tubo (fatta con una miscelaNBR-PVC) mediante un riscalda-mento a 210°C per 20 minuti. Cosìfacendo si ottiene un prodotto convalori di “compression set” pari al43% dopo 22h a 100°C, caratterizzatoda buona flessibilità e impermeabilitàalla benzina. I procedimenti perottenere prodotti di questo tipopossono essere diversi fra loro: infattiè possibile produrre tubi con lesuddette caratteristiche ancheprocedendo con l’estrusione di unamiscela di NBR (Chemigum 775)-PVC attorno al tubo che, per quantoriguarda lo strato interno, è costituitoda elastomeri termoplastici a base dipoliammide contenenti nylon 12 e unagomma a base di politetrametilene(Pebax 5533). Il tubo che si ottiene inquesto modo ha una permeabilità allabenzina di 75g/m

2al giorno.

Un’altra applicazione che richiedebuona resistenza ai solventi è quella

relativa alla costruzione di contenitorio tubi per benzina.I materiali di partenza sono laminatidi nylon (nylon 6, nylon 66, nylon 11oppure nylon 12), formulazioni digomma nitrile e fluororesinetermoplastiche.Il procedimento consiste nel laminaree vulcanizzare questi prodotti (a cui siaggiungono 3 parti di MgO, 6 di Ca(OH2), 20 di nero di carbone e 1 dicera) a 240°C per 10 minuti così daottenere un manufatto con buonaadesione interfacciale.La possibilità di ottenere prodotti conbuona resistenza all’olio e ai solventiè un punto cruciale nello sviluppo deiTPE e delle loro applicazioni. Sonoquindi molti gli studi e le ricerche aquesto proposito; una di questeriguarda i copolimeri NBR-TPE abase di poliammidi fermentate conpetrolio (PFPA). Questi materiali sonoprodotti per vulcanizzazione dinamicae la resistenza all’olio e ai solventidell’elastomero termoplastico puòmigliorare all’aumentare del contenutodi PFPA, mentre parallelamente siassiste ad un peggioramento dellaresistenza all’invecchiamento perattacco termico e ossidativo.Un altro tipo di applicazione riguardala fabbricazione di suole per scarpesportive: si parte da miscele dielastomeri vulcanizzabili, agentivulcanizzanti, ed elastomeri termopla-stici contenenti blocchi di poliammidi.Il prodotto finale si ottiene colando unamiscela 80:20 di NBR e NBRcarbossilata su un film di 0.5 mm dispessore costituito da blocchi digomma polietere-poliammide (Pebax6333). Il tutto avviene all’interno di unostampo in cui si ha anche la cura a155-160°C.Infine si cita la possibilità di utilizzarele poliammidi in combinazione conpoliestere per costruire pezzi dautilizzare per parti di automobili. Icopolimeri che si ottengono hanno

buone caratteristiche di resistenzameccanica e resistenza al calore. Sonoottenuti combinando 97/3-30/70 partidi poliesteri e poliammidi e 1÷80% inpeso di NBR.Altri additivi sono acido adipico (146parti), butilen glicole (108 parti),neopentil glicole (125 parti) e HycarCTBN 1300X13 (30 parti).Questi componenti vengono miscelatiper un’ora a 200°C, polimerizzati percondensazione e, infine, sottoposti astampaggio a iniezione a 70°C perdare un prodotto finale con tempera-tura di fusione di 199°C, durezzasuperficiale 39 (ASTM D 2240),resistenza a rottura di 260 Kg/cm2 eallungamento 1220% (JIS K 6301).Esaminando i brevetti e gli studi sopramenzionati, salta subito agli occhi ilfatto che le miscele NBR-poliammidihanno cominciato ad essere studiatein modo sistematico solo negli ultimidue o tre anni.Prima del 1995, infatti, si trovanomeno risultati di ricerche e brevettidepositati, mentre dal 1996 in poi leapplicazioni per tubi resistenti all’olioe per parti con alta resistenza aisolventi sono diventate predominanti.È da osservare, inoltre, che molti deibrevetti presi in considerazione sonostati depositati in Giappone più chealtrove; ciò a testimoniare come inquesto paese sia fortemente sviluppa-ta la ricerca scientifica verso nuoveprospettive di sviluppo che sfocianopoi in soluzioni tecnologiche per nuo-ve applicazioni industriali.

(Marco Mazzolani si è laureato inIngegneria dei Materiali a Mo-dena nel 1998).

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Scheda tecnica

TECNICHE PER LA CARATTERIZZAZIONEDEI MATERIALI PER L’ INGEGNERIA

Stefano Gialanella

Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e Tecnologie Industriali

Università di Trento

Ha inizio con questo numerouna breve serie di articoli sulleprincipali tecniche per la ca-ratterizzazione dei materiali di interes-se ingegneristico, per quanto concer-ne particolarmente la loro microstrut-tura, la composizione chimica, la strut-tura cristallografica, etc.. Questi sonoinfatti gli aspetti che maggiormente in-fluenzano le proprietà macroscopichedei materiali. La loro conoscenza ri-sulta pertanto rilevante nella fase diprogettazione di un componente, gui-dando la selezione del materiale piùidoneo alla sua realizzazione; per lascelta delle tecniche di processo e dilavorazione, delle quali vengono ca-ratterizzate le modificazioni che essestesse possono indurre nel materialebase. Infine, la vita in esercizio delcomponente può essere prevista e/ovalutata sulla base di dati sperimenta-li ottenuti dalla caratterizzazione dicampioni sottoposti a prove di labora-torio ovvero eserciti.

TECNICHE MICROSCOPICHELa prima parte di questa rassegna èdedicata alle tecniche microscopiche,un essenziale supporto per la esten-sione della indagine visiva a dimen-sioni spaziali anche assai ridotte. Unamisura della scala dimensionale ac-cessibile con una certa tecnica micro-scopica è la risoluzione spaziale, defi-nita come la minima distanza alla qualepossono essere posti due oggetti, taleche questi siano ancora osservati comedistinti. In Tabella 1 è riportata una

scala di risoluzioni spaziali non solo perdiverse tecniche microscopiche, maanche per altre tecniche di indaginemicrostrutturale, come, ad esempio, lemicroanalisi. Anche per queste infatti,la dimensione effettiva del, general-mente, ridotto volume di campiona-mento è un parametro interessante.

Microscopia otticaLa risoluzione spaziale di riferimento

è, ovviamente, quella della visione adocchio nudo, che raggiunge circa ildecimo di millimetro. La visione uti-lizza come segnale i fasci luminosi, ofotoni (se vogliamo evidenziare la na-tura particellare e quantistica dellaluce), emessi dall’oggetto osservatoquando investito da un altro fascio diluce. Stiamo dunque considerando fe-nomeni che coinvolgono la porzionevisibile dello spettro elettromagnetico.

Tabella 1 Risoluzioni spaziali di diverse tecniche di indagine microstrutturale.

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Scheda tecnica

Figura 1 Schemi di: a- un microscopio ottico (MO), b- elettronico in trasmissione (TEM); c- elettronico a scansione (SEM).

Vi appartengono radiazioni con lun-ghezza d’onda dei qualche decimo dimicrometro: tale è il limite di risolu-zione raggiungibile con le tecniche dimicroscopia ottica (vedi tabella 1). Infigura 1 viene mostrato lo schema sem-plificato e il principio di funzionamen-to di un microscopio ottico (MO), nel-le condizioni operative più comuni: luceriflessa e luce trasmessa. Nella me-desima figura sono mostrati gli analo-ghi schemi del microscopio elettroni-co in trasmissione (TEM), e del mi-croscopio elettronico a scansione(SEM), che saranno considerati suc-cessivamente nella presente trattazio-ne.Tornando al MO e alla sua risoluzio-ne spaziale, va detto che le miglioriprestazioni si possono raggiungere conapparecchi composti a due sistemi dilenti: obbiettivo ed oculare. Lo sche-ma del MO in figura 1 mostra propriouno strumento di questo tipo, con ilquale è possibile ottenere immaginidell’oggetto con una risoluzione spa-ziale della stessa entità della lunghez-za d’onda della radiazione luminosaimpiegata. Un miglioramento della ri-soluzione spaziale di un microscopio,non solo ottico, si può, in principio, ot-tenere impiegando radiazioni con lun-ghezza d’onda sempre più ridotta. In

effetti, sono stati messi a punto mi-croscopi a radiazione ultravioletta e araggi x. Per i microscopi a raggi x nonsi sono potute impiegare delle lenti invetro convenzionali. Infatti gran par-te dei materiali, inclusi i vetri per lenti,presentano il medesimo valore dell’in-dice di rifrazione per la radiazione x,che, quindi, non viene affatto defles-sa passando dall’uno all’altro mezzo.Sono state invece sviluppate, grazie atecniche di microlitografia, le cosid-dette lenti di Fresnel. In questo casola deflessione dei fasci di raggi x èindotta da processi di diffrazione.Come illustrato in seguito, risultati de-cisamente più soddisfacenti, dal pun-to di vista di una migliore risoluzionespaziale, si possono ottenere ricorren-do a microscopi ad elettroni: TEM eSEM.La qualità di una immagine e, quindi,la bontà della informazione che se nepuò ottenere, dipende anche dalle ca-ratteristiche del campione in osserva-zione. Per quanto riguarda la micro-scopia ottica, uno dei fattori maggior-mente limitanti è la ridotta profonditàdi campo. Ad esempio, in un comunemicroscopio metallografico (luce ri-flessa) si ha una profondità di campodi solo 1mm a un centinaio di ingran-dimenti. Pertanto, i campioni metallo-

grafici devono avere una notevole pla-narità e una rugosità della superficieda osservare inferiore al micrometro.Queste condizioni possono essere re-alizzate con le tecniche di preparazio-ne metallografica, che prevedono leseguenti principali fasi.1- Taglio del campione, se richiesto,per ottenere un provino facilmentemaneggiabile;2- Inglobatura del provino in matri-ce polimerica: questa operazione ser-ve per facilitare la manipolazione delcampione nel corso delle successiveoperazioni di lucidatura;3- Lucidatura: la superficie del pro-vino viene lucidata impiegando in suc-cessione carte abrasive di granulome-tria via via più fina. Nelle fasi finali siricorre spesso a lappatura con pastediamantate, sospensioni oleose conte-nenti diamanti di dimensioni di 6, 3, 1mm;4- Attacco chimico. Soprattutto incaso di materiali metallici, preliminar-mente alla osservazione, per eviden-ziare le caratteristiche microstrutturalidel campione, e per eliminare l’even-tuale strato superficiale di spalmaturarisultante dalla lucidatura, il provinoviene attaccato superficialmente conun’opportuna soluzione acida o basi-ca (figura 2) . Per la scelta della solu-

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Scheda tecnica

zione più idonea si può fare riferimen-to a uno dei numerosi manuali metal-lografici disponibili.Grazie all’attacco chimico, la cui azio-ne è sensibile alla effettiva microstrut-tura del materiale in esame, risultanoevidenziati i diversi grani, la loro di-versa orientazione, la presenza di in-clusioni, etc., (figura 3).

Microscopie elettronicheCome visto, per incrementare la riso-luzione spaziale dei microscopi si puòridurre la lunghezza d’onda della ra-diazione impiegata per la formazionedella immagine. A tal riguardo, gli elet-troni ad alta energia hanno avuto unnotevole successo a partire dai primi

Figura 2 L’attacco chimico evidenzia le caratteristichemicrostrutturali del campione.

Figura 3 Micrografie ottiche relative alla microstruttura di due leghe TiAl.

decenni del XX secolo. Se infatti sipuò assumere come prototipo degliattuali microscopi ottici il cosiddettoocchialino, realizzato da G. Galilei nel1624, la paternità dei microscopi adelettroni (comunemente e, forse, unpo’ ambiguamente detti elettronici) vasicuramente attribuita a E. Ruska, in-signito per i suoi studi nel campo dellaoptoelettronica del premio Nobel perla Fisica nel 1986. Il riconoscimentofu relativamente tardivo, visto che glistudi pionieristici di Ruska circa lapossibilità di ottenere immagini ingran-dite di un oggetto impiegando elettro-ni ad alta energia risalgono ai primianni Trenta. In particolare, dopo varitentativi, nel 1934 Ruska realizzò il

primo microscopio ad elettro-ni in grado di migliorare, perpiù di più di un ordine di gran-dezza, la risoluzione spazialedi un microscopio ottico. Il mi-croscopio di Ruska può esse-re visto come il prototipo de-gli attuali TEM. Nonostante lamicroscopia elettronica in tra-smissione sia spesso, quantoa torto, considerata una tec-nica sofisticata e per iniziati,in realtà si basa su strumenti

che hanno avuto uno sviluppo relati-vamente antico e i cui principi di fun-zionamento sono per molti aspetti as-similabili a quelli della microscopia ot-tica.Con i TEM più avanzati è oggi possi-bile raggiungere risoluzioni spaziali discala atomica. Queste prestazioni di-pendono in primo luogo dalle lunghez-ze d’onda assai ridotte degli elettroni.Basti pensare che elettroni con unaenergia di 100 KeV, che può, tuttosommato, considerarsi bassa per unTEM, hanno una lunghezza d’onda di3.7 pm, i.e., 3.7x10-12 m! Le dimen-sioni atomiche sono dell’ordine dellecentinaia di picometri. Curiosamente,se si considera che la risoluzione mas-sima oggi raggiungibile con un TEMad alta risoluzione, anzi, a risoluzio-ne atomica, è di 140 pm, si può sicu-ramente concludere che i sistemi dilenti elettromagnetiche impiegati inqueste apparecchiature non sono al-trettanto efficienti quanto le lenti invetro, impiegate nei microscopi ottici.In questi ultimi infatti, come preceden-temente esposto, la risoluzione spazia-le ultima è dello stesso ordine di gran-dezza della radiazione impiegata! Ineffetti, anche i più sofisticati sistemidi lenti elettromagnetiche sono affettida una notevole abberrazione sferica,che ne limita significativamnte le pre-stazioni. Al di là di questa notazionestrumentale, va detto che i TEM sonodegli strumenti assolutamente irrunun-ciabili per la quantità e qualità delleinformazioni microstrutturali che sonoin grado di fornire sulla intima naturadei materiali, e non necessariamentea livello atomico. Un aspetto unicodella microscopia elettronica in tra-smissione è legato alla possibilità di vi-sualizzare direttamente dettagli micro-strutturali, come dislocazioni, clusterdi vacanze, difetti di impilaggio, preci-pitati nanometrici, etc. (figura 4). Talidifetti e particolari microstrutturali,sebbene indirettamente individuabili

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anche con altre tecniche, e.g., quellediffrattometriche, possono essere di-rettamente visualizzati e caratterizza-ti solo a partire da immagini TEM.Inoltre, nel corso della osservazioneal TEM è possibile acquisire anchedati di natura cristallografica e chimi-ca. Infatti gli elettroni che incidono sulpreparato, oltre a fornirne una imma-gine diretta della microstruttura, pos-sono subire processi di diffrazionecoerente da parte dei piani atomici, incaso di materiale cristallino, ovvero didiffusione da parte di una strutturaamorfa. Dagli spettri di diffrazione èpossibile risalire alla struttura cristal-lina della zona in osservazione, chepuò avere dimensioni anche assai ri-dotte, i.e., 1-100 nm. Le possibilitàanalitiche della microscopia elettroni-ca in trasmissione saranno conside-rate successivamente, contestualme-te a quelle della microscopia elettro-nica a scansione. Un altro aspettofondamentale della presente tecnica,che effettivamente rappresenta spes-so un ostacolo insuperabile per la ese-cuzione delle osservazioni, è il vasto,talvolta “doloroso”, capitolo della pre-parazione dei campioni. I campioniTEM per poter essere osservabili de-vono in primo luogo essere trasparentiagli elettroni e, inoltre, rappresentati-vi del materiale dal quale vengonoestratti, ancorché ridotti a fogli estre-mamente sottili. Per soddisfare a que-ste condizioni sono state messe a puntoinnumerevoli procedure, da selezio-narsi sulla base delle caratteristichespecifiche del materiale da esamina-re. In caso si disponga di un pezzomassivo di materiale, è necessario pro-cedere con una sequenza di opera-zioni:1- Taglio di provini di materiale dispessore submillimetrico; 2- Assotti-gliamento meccanico dei suddettiprovini sino allo spessore di 0.1 mmcirca; 3- Assottigliamento finale. Èin questa fase che una porzione, che

Scheda tecnica

si vorrebbe relativamente estesa delprovino, verrà resa trasparente aglielettroni. A tal fine si possono impie-gare diverse tecniche, tra le quali lepiù diffuse sono sicuramente l’assot-tigliamento (elettro)chimico, applica-bile a materiali metallici relativamen-te omogenei, e l’assottigliamento io-nico, consigliato per materiali nonmetallici e, in generale, a quelli construttura composita. Per materiali chenon sono dei buoni conduttori elettri-ci, dopo l’assottigliamento finale, è ri-chiesta una metallizzazione, che con-siste nel rivestire il provino con unostrato di un materiale buon condutto-re, tipicamente carbonio o oro. Lostrato, che deve essere sufficiente-mente sottile in modo da non compro-mettere la trasparenza del preparato,serve ad evitarne il caricamento elet-trostatico durante la osservazione pereffetto del bombardamento di elettro-ni. Purtroppo non sempre il campionesopravvive a questi, che, in realtà,sono solo alcuni dei principali passirichiesti dalla procedura di prepara-zione. Inoltre, va precisato che in unTEM, così come in un SEM, a menodelle puntualizzazioni riportate di se-guito, il materiale da osservare si tro-va esposto a condizioni assai diverseda quelle normali. Infatti, il campioneviene tenuto a bassa pressione (rispet-to a quella atmosferica) ed è esposto

al bombardamento da parte degli elet-troni nel corso della osservazione: ciòdi per sé limita l’impiego della tecnicaa materiali che si mantengano stabiliin tali condizioni, quanto meno per iltempo necessario alla loro caratteriz-zazione e/o documentazione fotogra-fica.Molti dei problemi legati alla prepara-zione dei campioni considerati a pro-posito della microscopia ottica e, so-prattutto, della microscopia elettroni-ca in trasmissione vengono menoquando si utilizzi la microscopia elet-tronica a scansione (figura 5). A talriguardo, particolarmente interessantisono i microscopi elettronici di ultimagenerazione, che consentono la osser-vazione diretta di praticamente qual-siasi tipo di materiale, senza partico-lari preparazioni preliminari, laddove iSEM “tradizionali” richiedevano cam-pioni conduttori elettrici o resi tali conle tecniche di metallizzazione, già men-zionate a proposito della preparazio-ne di provini TEM. Infatti nei SEM diultima generazione la pressione nellacamera del campione può essere te-nuta a valori sufficientemente elevatida consentire lo scaricamento elettri-co di provino, anche non conduttivo,grazie alla ionizzazione delle moleco-le gassose contenute nell’atmosferadi lavoro. Non a caso questi micro-scopi vengono denominati SEM ad altapressione (o basso vuoto) e ambien-tali (Environmental Scanning ElectronMicroscopy - ESEM).In un SEM l’immagine viene ricostru-ita su uno schermo televisivo. Nelcaso di un tradizionale schermo contubo catodico, il fascio di elettroni cheeccita gli elementi fluorescenti (pixel)dello schermo si muove in sincroniacon un fascio collimato di elettroni, cheincide sul campione, posto nella ca-mera del microscopio. Il campioneemette vari segnali, che raccolti da unappositi rivelatori e opportunamenteelaborati da una catena elettronica,

Figura 4 Micrografie TEM che mostra unamatrice di dislocazioni in una lega TiAl.

MATERIALI E INGEGNERIA PAG. 21

Scheda tecnica

possono essere impiegati per modu-lare la intensità del fascio catodicodello schermo video. Analogo processovale ovviamente nel caso in cui la im-magine venga a formarsi su unoschermo a cristalli liquidi. In tal casoil segnale emesso dal campione vieneinviato, quale input, alla scheda videoche controlla la illuminazione delloschermo.Nella figura 5 è schematizzato il prin-cipio di funzionamento appena descrit-to. L’immagine che si ottiene da unmicroscopio elettronico a scansione èil frutto di una complessa quanto rapi-da rielaborazione del segnale prodot-to dalla interazione primaria tra elet-troni e campione. Tale segnale vieneutilizzato solo per dare inizio alla se-quenza di operazioni che porta alla for-mazione dell’immagine, ingrandita,della zona in osservazione. Quindi unSEM ha un principio di funzionamen-to del tutto analogo a quello di un ap-parecchio televisivo, che riceve il se-gnale video, anzichè da un ripetitore,dal campione in osservazione eccita-to dal fascio di elettroni. Non a caso,lo sviluppo dei SEM ha seguito di paripasso quello degli apparecchi video diuso domestico, essendo stato il primostrumento commercializzato, nel 1963,il microscopio MARK I dellaCambridge Instruments (UK).Nel presente ambito è interessantenotare che, se da un lato la elabora-zione del segnale, prodotto dallainterazione elettroni-materia, è essen-ziale per la formazione delle immaginie per l’ottenimento di varie altre in-formazioni, dall’altro è una potenzialefonte di artefatti! Sta all’occhio attentodi un operatore esperto il compito diinterpretare correttamente le imma-gini ottenute. A tal fine è possibilesfruttare la molteplicità di segnali, qualielettroni secondari, elettroni retro-dif-fusi, raggi x, etc., che possono essereimpiegati per la formazione delle im-magini (figura 5). A titolo esemplifi-

cativo, in figura 6 viene mostrata laimmagine della superficie di fratturadi un utensile da taglio per materialiduri, costituito da una matrice metalli-ca, una lega a base cobalto, nella qualesono incastonati dei diamanti artificiali.Le due immagini SEM in figura 6 sonoottenute con due diversi tipi di elettro-ni. Quella in alto con elettroni secon-dari, provenienti dagli strati più ester-ni del materiale, usualmente impiegatiper riprodurre con ottima risoluzione(sino a 10-50 nm) gli aspetti della to-

pografia superficiale del campione. Unaspetto assai evidente della immagineè la notevole profondità di campo, as-solutamente impensabile per le tecni-che microscopiche considerate in pre-cedenza. La immagine in questionesembra mostrare tre diamanti emer-genti dalla superficie di frattura. Inrealtà, solo uno dei tre particolari èeffettivamente un diamante: quello chenell’altra immagine in figura 6.

(continua)

Figura 5 Schema di funzionamento di un SEM.

Figura 6 Superficie di frattura di un inserto diamantato per il taglio di minerali e altri materialiduri. Le immagini sono state ottenute con un SEM impiegando elettroni secondari (alto) edelettroni retrodiffusi (basso).

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NEOLAUREATI IN INGEGNERIA DEI MATERIALI

22-11-2002

MANTOVANI FABIOInfluenza della formatura sulle pro-prietà mecaniche di una barra an-tintrusione per l’industria automo-bilistica per mezzo di analisi a ele-menti finiti.

MENATO CHRISTIANIl vetro “COPPER - RUBY”: ap-proccio innovativo ad un materia-le antico.

NICHELATTI ALBERTORealizzazione di interconnessioniregolari basate sul silicio macro-poroso.

SCHWARZ MARIOOttizzazione della risposta cine-matica e dinamica di telai biam-mortizzati per mountain bike.

RAINERI ANDREACaratterizzazione meccanica diimpasti ceramici crudi.

20-12-2002

DEGASPERI ELIANAApplicazione di materiali innovati-vi nella protezione dei monumentie studio di nuovi metodi di caratte-rizzazione.

FOSSEN OMARAnalisi e sviluppo di nuove propo-ste per la costruzione di compres-sori.

PROSSEDA STEFANOProtezione dalla corrosione di car-rozzerie in alluminio per il traspor-to pubblico.

21-02-2003

ADAMI ANDREARealizzazione e caratterizzazionedi un sistema basato su sensoriisfet in configurazione differenzia-le per applicazioni in ambito ali-mentare.

AZZOLINI FRANCESCAL’impiego di “migrating corrosioninhibitors” per il ripristino di strut-ture autostradali ammalorate.

BATAGELJ LUCIANO AUGU-STORazionalizzazione del processo diraffreddamento dei blocchi colatidi refrattario elettrofuso AZS.

CORNACCHIA VITOFiltri per leucodeplezione: valuta-zione di parametri che controlla-no il processo di “coating”.

FABBRI ANDREASviluppo di refrattari resistenti acorrosione - erosione per forni dasmalti vetrosi.

PANDINI STEFANOIl ruolo della viscoelasticità sulcomportamento meccanico adelevate deformazioni nel polibuti-lentereftalato (PBT) semicristalli-no.

PESCHEDASCH MATTEOLa vaporizzazione in continuo deisinterizzati ferrosi.

SANTULIANA LUCA MARIOComportamento viscoelastico dimateriali ceramici ottenuti per pi-rolisi di precursori preceramici.

TURRIN MATTEOComportamento a fatica degli ac-ciai sinterizzati.

ZABOT HIGORProduzione di acciaio inossidabi-le sinterizzato mediante impiego dimiscele bifasiche.

28-03-2003

BERTON LUCAValutazione delle prestazioni ener-getiche di due tipologie di stufe inmaiolica ed elaborazione di unmodello di scambio termico.

COMPERATORE LEONARDOFilatura di fibre composite polipro-pilene - poliammide.

FAES ALESSANDROProgettazione di un attuatore inlega a memoria di forma per val-vola termoidraulica.

SCIAN CARLOProcessi diffusivi in film sottili diossido di titanio drogati con Mo eW per applicazioni sensoristiche.

SCIENZA LUCASviluppo di acciai semi-HSS per icilindri sbozzatori da laminazionepiana a caldo.

TONEZZER MICHELEProduzione di film organici per sen-sori di gas mediante tecniche dideposizione in vuoto.

TORNIELLI ANDREAApplicazione dell’effetto a memo-ria di forma a due vie per la realiz-zazione di dispositivi termomec-canici: il ruolo del “training”.

MATERIALI E INGEGNERIA PAG. 23

VAIA DINOEffetto della composizione chimi-ca sul rinvenimento di ghise a tem-pra indefinita.

BENVENUTO AUGUSTOStudio sulle modifiche del com-portamento a corrosione della legadi magnesio AM 50 irraggiata conimpulsi laser a eccimeri.

BONAFINI STEFANOEffetti dell’invecchiamento igroter-mico sulle prestazioni e sulla mi-crostruttura di polietilentereftalato(PET) da post consumo e relativicompositi.

DALLA FONTANA MARIOAttività preparatoria di un esperi-mento di guida automatica: svilup-po di un sistema di navigazioneinerziale.

DALLAPICCOLA PAOLOIpotesi per il dimensionamento pa-rametrico di un ventilatore assia-le.

LEONARDELLI LORENZOCoating di zirconia ottenuta viasol-gel per promuovere l’adesionemetallo/rivestimento organico perlaminati d’alluminio.

MONTIBELLER LORENZOProduzione di profili controllati disforzo residuo in vetri float tempratitermicamente per prestazionimeccaniche superiori.

PISONI GIULIANOStudio e realizzazione di un microalcolometro a stato solido.

ZANIBONI CHIARAMonitoraggio e ristrutturazionedelle strutture in cemento armato.

11-06-2003

CARLETTI ELEONORASinterizzazione in vuoto ad altatemperatura di acciai strutturali.

DALLAPE’ ALESSANDROStudio della propagazione di fes-sure di fatica in giunti incollati.

DEL BUONO MATTEOCaratterizzazione della struttura disilicio policristallino.

PREGHENELLA MICHELEStudio di proprieta’ di nanocompo-siti resina a matrice epossidica -silice.

ZANDONATI ANDREAAcciai dual phase al cromo sinte-rizzati in vuoto.

CESCHINI SERGIOMateriali ceramici conduttori perapplicazioni ad alta temperatura.

FONTANARI LOREDANAEffetto del degrado abrasivo sulleproprieta’ protettive di un sistemaverniciante.

LORENZINI CHRISTIANAnalisi dei fenomeni di frattura nelvetro ESP (engineered stress pro-file).

PATERNOSTER MASSIMOProgettazione e produzione di la-minati ceramici ad elevata resi-stenza meccanica.

PRIMON FRANCESCOCaratterizzazione meccano/elet-trochimica di leghe di magnesioestruse.

STOFFELLA MASSIMILIANOMeccanismi di trasporto ionico inrivestimenti protettivi.

TANCON BARBARAResistenza alla corrosione di strut-ture paramassi e paravalanghe.

ZANDONELLA THOMASDispositivi di sicurezza ad alta af-fidabilita’ in vetro ESP: analisi spe-rimentale delle prestazioni.

28-07-2003

GREGO MATHIASCaratterizzazione reologica di gelidi fibroina.

GUIDO EMILIANOBilancio termico e possibile recu-pero di energia in un forno ad os-sicombustione per smalti vetrosi.

MANZANA ANTONIOChemical durability of float glassafter different tempering treatmen-ts.

SCOTTINI FEDERICACaratterizzazione ad usura- corro-sione di rivestimenti cermet depo-sitati mediante tecnologia “highvelocity oxygen fuel”.

ZANOTELLI ADRIANOPretrattamenti a base silani per laverniciatura di alluminio e rame.

PAG. 24 MATERIALI E INGEGNERIA

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