MATERIALI POLIMERICI, COMPOSITI E CERAMICI

Attività formativa monodisciplinare
Codice dell'attività formativa: 
39013

Scheda dell'insegnamento

Per studenti immatricolati al 1° anno a.a.: 
2019/2020
Insegnamento (nome in italiano): 
MATERIALI POLIMERICI, COMPOSITI E CERAMICI
Insegnamento (nome in inglese): 
POLYMERIC, COMPOSITE AND CERAMIC MATERIALS
Tipo di attività formativa: 
Attività formativa Affine/Integrativa
Tipo di insegnamento: 
Opzionale
Settore disciplinare: 
SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI (ING-IND/22)
Anno di corso: 
1
Anno accademico di offerta: 
2019/2020
Crediti: 
6
Responsabile della didattica: 
Mutuazioni

Altre informazioni sull'insegnamento

Modalità di erogazione: 
Didattica Convenzionale
Lingua: 
Italiano
Ciclo: 
Primo Semestre
Obbligo di frequenza: 
No
Ore di attività frontale: 
48
Ambito: 
Attività formative affini o integrative
Materiali didattici: 
Prerequisiti

Nozioni di base di chimica

Obiettivi formativi

Il corso ha l'obiettivo di fornire allo studente le principali nozioni sulla struttura, sulle proprietà meccaniche e fisiche, sulle principali applicazioni, sulle tecnologie di lavorazione e sui fenomeni di degrado dei polimeri termoplastici e termoindurenti, degli elastomeri e delle fibre e dei compositi a matrice polimerica, dei ceramici avanzati, dei compositi a matrice metallica e ceramica, di vetro e legno.
Al termine del corso lo studente avrà la possibilità di scegliere correttamente il materiale maggiormente indicato per ogni applicazione che dovrà affrontare, valutare vantaggi e svantaggi dell'utilizzo di nuovi materiali, studiare la possibilità d realizzare componenti con materiali differenti da quelli attualmente utilizzati realizzando un risparmio in termini economici ed ambientali.

Contenuti dell'insegnamento

Definizione di macromolecola, polimero e materiale polimerico. Polimeri termoplastici, termoindurenti, elastomeri e fibre. Polimeri lineari e reticolati, copolimeri. Grado di polimerizzazione e peso molecolare medio. Polimeri cristallini e polimeri amorfi. Temperatura di fusione e di transizione vetrosa. Proprietà meccaniche dei materiali polimerici. Viscoelasticità. Prova di trazione dei materiali polimerici. Effetto della temperatura e della velocità di deformazione sul comportamento meccanico dei materiali polimerici. Teoria della viscoelasticità lineare. Proprietà elettriche, ottiche e termiche dei polimeri. Tecnologie di lavorazione dei materiali polimerici. Degrado dei materiali polimerici. Principali materiali polimerici: polietilene, polipropilene, polistirene e polivinilcloruro. Cenni agli elastomeri e ai polimeri speciali. Definizione di materiale ceramico. Materiali ceramici tradizionali ed avanzati. Ceramici tradizionali. Struttura dei silicati, argille e feldspati. Plasticità dell’argilla. Lavorazione e cottura dei ceramici tradizionali: effetto del contenuto di acqua, ritiro e porosità finale. Polveri ceramiche e sinterizzazione dei materiali ceramici avanzati. Proprietà meccaniche dei materiali ceramici: rigidità e tenacità. Effetto della porosità e dei difetti, meccanica della frattura. Anisotropia del comportamento trazione/compressione. Prove per la caratterizzazione del comportamento meccanico dei materiali ceramici. Principali ceramici avanzati: allumina, silice, carburi, zirconia. Impieghi strutturali e funzionali dei materiali ceramici. Rivestimenti ceramici sottili (PVD, CVD, Plasma spray).
Vetri: struttura, classificazione e proprietà. Tecnologie di lavorazione ed impieghi. Degrado dei materiali ceramici e vetri. Definizione e struttura dei materiali compositi. Classificazione in funzione delle matrici. Principali materiali di rinforzo (fibre e particelle). Produzione e proprietà di fibre di boro, carbonio, vetro e aramidiche. Fibre naturali. Semilavorati di fibre (rowing, tessuti, etc.). Proprietà delle principali classi di matrici polimeriche. Matrici termoindurenti poliestere, viniliche ed epossidiche. Matrici termoplastiche. PEEK. Gelazione, curing e post-curing. Interfaccia ed adesione rinforzo/matrice. Proprietà meccaniche: effetto del rinforzo, anisotropia dei compositi a fibre lunghe orientate. Modelli micromeccanici. Modelli di Voigt e Reuss. Laminati compositi. Codice di laminazione, laminati simmetrici e bilanciati. Proprietà elastiche dei laminati compositi. Criterio di Krenchell. Resistenza a rottura dei compositi a fibra lunga e dei laminati multistrato. Proprietà elastiche di compositi rinforzati con fibre corte. Tenacità. Produzione dei materiali compositi a matrice polimerica: impregnazione manuale, poltrusione, tecnica del preimpregnato e del sacco a vuoto. Invecchiamento e degrado dei materiali compositi. Controlli distruttivi e non distruttivi. Problematiche ambientali e riciclo. Compositi a matrice metallica. Proprietà meccaniche dei compositi a matrice metallica. Tecnologie di ottenimento e lavorazione, impieghi e degrado dei compositi a matrice metallica. Utensili metallo-ceramici. Materiali compositi a matrice ceramica. Tenacizzazione con particelle duttili, fragili, fibre e con zirconia. Applicazioni di compositi a matrice ceramica, compositi carbonio/carbonio. Strutture sandwich, proprietà ed esempi applicativi.
Legno. Ritiro, distorsione e difetti del legno. Proprietà meccaniche ed effetto dell’umidità. Lavorazione e semilavorati del legno (truciolati, tamburati, compensati, legno lamellare). Degrado del legno.

Testi di riferimento

C.Badini, Materiali compositi per l’ingegneria, Ed. Celid 2013
Giuseppe Gozzelino Materie plastiche (Struttura proprietà e applicazioni dei materiali polimerici industriali) Ed. Heopli

Metodi didattici

lezioni frontali
Durante il corso potranno essere organizzati seminari con esperti esterni in grado di portare esperienze pratiche dell'impiego dei materiali compositi

Modalità verifica profitto e valutazione

scritto a domande aperte (circa 10 -15domande su tutto il programma)
ciascuna domanda avrà un punteggio differente a seconda del grado di difficoltà;
al termine dello scritto i risultati (in 30simi) saranno esposti nella bacheca del corso.
Gli studenti che avranno ottenuto almeno 16/30 nella prova scritta saranno ammessi al colloquio orale.

Prerequisites

Chemistry

Educational goals

The course explains the main classes of non metallic materials: polymer, traditional and innovative ceramics, glass, wood and composites. Mechanical and physical properties, main applications, processing technologies and degradation of thermoplastic and thermoset polymers, elastomers and fibers, polymer matrix composites, advanced ceramics, metal matrix composites and ceramics are illustrated.

Course content

Macromolecule, polymer and polymer material. Thermoplastics, thermosets, elastomers and fibers. Linear and crosslinked polymers, copolymers. Degree of polymerization and average molecular weight. Crystalline polymers and amorphous polymers. Melting point and glass transition temperature. Mechanical properties of polymeric materials. Viscoelasticity. Tensile test of polymers. Effect of temperature and strain rate on the mechanical behavior of polymeric materials. Theory of linear viscoelasticity. Electrical, optical and thermal properties of polymers. Technologies of processing of polymeric materials. Degradation of polymeric materials. Main polymeric materials: polyethylene, polypropylene, polystyrene and polyvinylchloride. Definition of ceramic materials. Traditional ceramics. Structure of silicates, clays and feldspars. Plasticity of the clay. Processing of traditional ceramic: effect of water content, shrinkage and final porosity. Ceramic powders and sintering of advanced ceramics. Mechanical properties of ceramic materials: stiffness and toughness. Effect of porosity and defects, fracture mechanics. Anisotropy behavior of tension/compression. Tests for the characterization of the mechanical behavior of ceramic materials. Alumina, silica carbide, zirconia. Thin ceramic coatings (PVD, CVD, plasma spray). Glasses: structure, classification and properties. Processing technologies and applications. Degradation of ceramics and glass. Definition and classification of composite materials. Reinforcement materials (fibers and particles). Production and properties of fibers of boron, carbon, glass and aramid. Natural fibers. Semi-finished fiber (mat, rowing, woven, etc.). Properties of the main classes of polymeric matrix. Thermosetting polyester, vinyl and epoxy. Thermoplastic matrix. PEEK. Gelation, curing and post-curing. Interface and adhesion reinforcement / matrix. Mechanical properties of composites, anisotropy. Micromechanical models. Models of Voigt and Reuss. Composite laminates. Elastic properties of composite laminates. Criterion of Krenchell. Tensile strength of long fiber composites and multilayer laminates. Elastic properties of composites reinforced with short fibers. Toughness. Production of composite materials with polymeric matrix: manual impregnation, pultrusion, prepreg technique and the vacuum bag. Aging and degradation of composite materials. Destructive and non-destructive tests. Environmental impact and recycling. Metal matrix composites. Mechanical properties of metal matrix composites. Technologies for obtaining and processing, uses and degradation of the metal matrix composites. Metal-ceramic tools. Materials ceramic matrix composites. Applications of ceramic matrix composites, carbon/carbon composites. Sandwich structures, properties and examples. Wood. Shrinkage, distortion and defects in the wood. Mechanical properties and effect of moisture. Wood products (honeycomb, plywood, laminated wood). Degradation of the wood.

Textbooks and reading lists

C.Badini, Materiali compositi per l’ingegneria, Ed. Celid 2013
Giuseppe Gozzelino Materie plastiche (Struttura proprietà e applicazioni dei materiali polimerici industriali) Ed. Heopli

Teaching methods

frontal lessons

Assessment and Evaluation

written to open questions (about 10 -15 questions on the whole program)
each question will have a different score depending on the degree of difficulty;
at the end of the writing the results will be shown on the notice board of the course.
Students who have obtained at least 16/30 in the written test will be admitted to the oral exam.