Chimica dei Materiali - Macroarea di Scienze

 Obiettivi
Il comportamento dei materiali trae origine dalla loro struttura
ITALIANO atomica e molecolare nonche’ dalla presenza di difetti della
struttura cristallina. Obiettivo del corso e’ pertanto quello di
far comprendere al discente come struttura e microstruttura
dei materiali, quest’ultima dipendente anche dal processo di
produzione, ne influenzino le proprietà e, conseguentemente, il
comportamento in esercizio e l'idoneità' per una specifica
applicazione. La correlazione processo-microstrutturaproprietà viene quindi analizzata con casi concreti quali i
processi di sinterizzazione di polveri, i processi di deposizione
di film da fase vapore (PVD, CVD), e il processing di materiali
avanzati per la realizzazione di celle a combustibile a ossidi
solidi o polimeriche.
INGLESE
The behaviour of materials is related to their atomic structure,
chemical bonds and defects. The main goal of the Course is to
provide students with a comprehensive understanding of the
relationship between nano/microstructure, characterization,
properties and processing of materials.The strong relationship
between properties and microstructure of materials is
discussed by introducing two manufacturing processed, namely
powder metallurgy and thin film deposition techniques.
Advanced processing techniques will be analyzed by describing
ceramic fuel cells (SOFCs) and proton exchange membrane
fuel cells (PEMFCs).
Parte generale
ITALIANO
Programma
1 - Strutture cristalline. Solidi cristallini. Reticoli di Bravais.
Indici di Miller. Strutture cristalline dei materiali metallici.
Strutture compatte (fcc, hcp). Strutture dei solidi ionici.
Strutture di CsCl, NaCl, ZnS, fluorite, titania, spinelli,
perovskiti. Difetti. Difetti puntuali. Conducibilità ionica.
Elettroliti solidi. Difetti di linea: dislocazioni, vettore di Burgers,
sistemi di scorrimento, interazioni tra dislocazioni, interazioni
dislocazioni-difetti puntuali. Difetti di superficie: difetti di
impilamento (stacking faults), geminazione (twins), bordi di
grano, bordi di grano a basso angolo. Difetti di volume:
inclusioni, precipitati, porosità.
2 - Proprietà meccaniche dei materiali. Comportamento
elastico lineare. Modulo di Young. Coefficiente di Poisson.
Curva sforzo-deformazione: snervamento, deformazione
plastica, incrudimento, carico di rottura, duttilità. Tenacità.
Resilienza. Durezza. Meccanismi di rafforzamento dei materiali
metallici. Legge di Hall-Petch. Fatica. Scorrimento viscoso
(creep). Case study: l’evoluzione delle palette di turbina per
motori a reazione. Proprietà meccaniche dei materiali ceramici.
Frattura fragile. Teoria di Griffith. Comportamento a frattura in
termini statistici (Weibull). Materiali polimerici. Polimeri amorfi
e semi-cristallini. Temperatura di transizione vetrosa.
Comportamento
viscoelastico.
Reticolazione.
Materiali
compositi. Proprietà meccaniche dei compositi. Condizioni di
isosforzo e isodeformazione per compositi con fibre continue
allineate. Compositi rinforzati con particelle. Cermet.
Compositi a matrice metallica (MMC).
Parte specialistica
3 - Processi di sinterizzazione di polveri. Principi fondamentali.
Equazione di Laplace. Stadi della sinterizzazione. Evoluzione
della microstruttura. Tecniche di misura del grado di
avanzamento della sinterizzazione. Additivi di sinterizzazione:
principi di funzionamento. Sinterizzazione con fase liquida.
Diagramma di German. Processi di sinterizzazione
pressure-assisted (HIP). Case study: la sinterizzazione del
carburo di tungsteno cementato (WC-Co).
4 - Rivestimenti avanzati da fase vapore. Processi di
deposizione fisica (PVD): evaporazione, sputtering, magnetron
sputtering, processi ad arco, arco filtrato. Processi di
deposizione chimica da vapore (CVD). CVD termico, CVD
assistito da plasma, Hot Filament CVD. Parametri di processo,
microstruttura dei rivestimenti e proprietà. Case study:
deposizione di film di diamante micro- e nano-strutturati.
5 - Materiali per celle a combustibile a ossidi solidi (SOFC) e
polimeriche (PEMFC): scelta, proprietà e processing degli
elettrodi e dell’elettrolita.
INGLESE
Crystal structures and defects.Bravais lattice. Lattice planes and
directions. Miller indices. Unit cell contents, crystal densities
and formulae. Descriptive crystal chemistry: metals and alloys
(bcc, fcc & hcp structures). Ionic structures: CsCl, NaCl, ZnS,
fluorite, titania, spinel, perovskite. Point defects. Nonstoichiometry. The Arrhenius equation for ionic conductivity.
Extended defects. Dislocations, Edge and Screw Dislocations.
The Burgers Vector. The Burgers Circuit. Slip Systems. Critical
resolved shear stress (Schmid's Law). Grain boundaries, lowangle boundary, stacking faults, twins. Volume defects.
Mechanical behaviour of solids. Definitions of Stress, Strain and
Stiffness. Energy-Separation Curves for Inter-atomic Bonds.
Hooke's law. Young's modulus. Poisson's ratio. Effect of
temperature on stiffness. Thermal expansion of materials.
Dislocation Glide as an Explanation of the Low Yield Stresses
of Metals. Force on a Dislocation. Elastic Strain Energy stored
in a Dislocation. Frank’s Rule. Dislocation Densities. Attraction
and Repulsion between Dislocations. Cross-slip of Screw
Dislocations. Dislocation climb. Annihilation, Rearrangement
and Intersections. Work Hardening Effects. Precipitates as
obstacles to Dislocations. Hall-Petch Law. Fatigue. The Paris
law for fatigue crack growth rates. Creep. Stages of creep.
Case study: the evolution of Ni-base superalloy turbine blades.
Brittle fracture. Crack-initiated fracture. Griffith theory.
Fracture statistics of brittle materials: Weibull distribution.
Deformation of polymers. Amorphous and semi-crystalline
polymers. Glass transition temperature. Viscoelastic behaviour.
Cross-linking. Composite materials. Stiffness of long fibre
composites. Axial loading: Voigt model. Transverse loading:
Reuss model. Strength of composites. Cermets. Metal matrix
composites (MMC).
Sintering theory and practice. Introduction to sintering. Laplace
equation. Sintering measurement techniques. Solid-state
sintering fundamentals. Stages of sintering. Sintering kinetics.
Microstructure evolution in solid-state sintering. Solid-state
sintering of mixed powders. Activated solid-state sintering.
Liquid-phase sintering. Pressure-assisted sintering. Case study:
history and sintering of Co-cemented tungsten carbide.
Vapor deposition processes. Physical Vapour Deposition (PVD)
processes: evaporation, sputtering, magnetron sputtering, arcPVD, filtered-arc PVD. Chemical Vapour Deposition (CVD)
processes. Thermal CVD. Plasma-assisted CVD, Hot Filament
CVD. Grain growth, texture, and microstructure control in
thin films. Stresses in films. Case study: micro- and nanostructured CVD diamond films: preparations, properties and
applications.
5 - Ceramic materials for Solid Oxide Fuel Cells (SOFCs): Solid
Oxide Fuel Cells (SOFCs): materials and processing. Use of
electrode-supported
electrolyte
films
for
improved
performance at intermediate temperatures (IT-SOFCs).
ITALIANO
CHIMICA DEI MATERIALI
INGLESE
MATERIALS CHEMISTRY
Denominazione
Testi adottati
Agli studenti saranno fornite copie dei lucidi proiettati a lezione
e articoli di rassegna. Gli studenti possono integrare la
preparazione, o approfondire argomenti specifici, mediante la
consultazione dei seguenti testi:
Parte generale:
William D. Callister, Jr., “Scienza e Ingegneria dei Materiali. Una
Introduzione”; EdiSES, Napoli (2002).
William F. Smith, “Scienza e tecnologia dei materiali”; McGrawHill Libri Italia srl, Milano (1995).
Anthony R. West, “Solid State Chemistry and its applications”,
John Wiley & Sons, UK (1984).
Parte specialistica:
Randall M. German, “Sintering theory and practice”, John Wiley
& Sons, Inc., USA (1996).
Milton Ohring, “Material Science of Thin Films. Deposition and
Structure”, Academic Press, San Diego (CA), USA (2002).
Roitan F. Bunshah, “Handbook of Deposition Technologies for
Films and Coatings. Science, Technology and Applications”, 2a
edizione, Noyes Publications, Westwood (New Jersey), USA
(1994).
Valutazione Prova scritta
Prova orale
X
Test attitudinale
Valutazione progetto
Valutazione tirocinio
Valutazione in itinere
Prova pratica