PRESENTAZIONE

Il corso è un’introduzione ai processi di preparazione dei materiali ceramici, alle loro proprietà e applicazioni.  Lo studio del processo, delle trasformazioni chimico-fisiche e dei difetti cristallini consente di ottimizzarne la struttura e le proprietà. Il corso tratta inoltre ceramici utilizzati nelle celle a combustibile e elettrolizzatori ad ossidi solidi, si prendono in esame i meccanismi di conducibilità ed  i requisiti strutturali dei suoi  componenti.

Corso tenuto in lingua inglese.

OBIETTIVI E CONTENUTI

OBIETTIVI FORMATIVI

Strutture cristalline dei ceramici. Diagrammi di fase per i ceramisti. Sinterizzazione . Sintesi di materiali ceramici altamente dispersi . Materiali ceramici densi . Proprietà strutturali, elettroniche e termiche . Difetti e controllo termodinamico della concentrazione delle vacanze strutturali. Proprietà funzionali (elettriche, magnetiche ed ambientali). Processi ceramici e applicazioni industriali.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

La frequenza e la partecipazione attiva alle attività formative proposte (lezioni frontali, esercizi e esercitazioni numeriche) e lo studio individuale permetteranno allo studente di:

avere una conoscenza di base della struttura e della microstruttura di vetri e materiali ceramici

comprendere la correlazione tra struttura, microstruttura, proprietà e applicazioni;

conoscere i differenti tipi di mat. ceramici, con particolare attenzione ai materiali impiegati nelle SOFC.

fornire gli elementi necessari alla comprensione delle proprietà meccaniche e funzionali e della resistenza al degrado nelle condizioni di esercizio. Fornire le conoscenze di chimico-fisiche necessarie ad indirizzare il processo produttivo verso le proprietà desiderate.

PREREQUISITI

Chimica di base, analisi matematica, fisica.

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni frontali ed esercitazioni in aula e in laboratorio. Nel primo semestre 2020 saranno seguite le indicazioni dell'Ateneo e del Consiglio di Corso di Studi. In caso di didattica a distanza verrà usato Teams.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Definizione di ceramica, classificazione (ceramica tradizionale e avanzata), cristallografia elementare, caratteristica generale dei materiali ceramici, fasi del processo ceramico.

Proprietà strutturali: struttura cristallina, legami, regole di Pauling.

Polimorfismo della silice, struttura dei silicati, minerali argillosi.

Chimica dei difetti, notazione di Kroger-Vink e formulazione delle equazioni di reazione. Controllo termodinamico della concentrazione delle vacanze.

Vetro: struttura, regole di Zachariasen, ossidi formatori e ossidi modificatori.

Formazione del vetro, effetto della composizione sulle proprietà mecc. e funzionali, nucleazione e crescita, vetroceramici.

Diagrammi di fase: richiami alle regola delle fasi e della leva, sistemi monocomponenti, sistemi binari, sistemi ternari, regola di leva nei sist. ternari, diagrammi composizione - energia libera e  temperatura. Casi di diagrammi binari di interesse per il ceramista.

Studi isopletali in raffreddamento e riscaldamento  in diagrammi  ternari di maggior interesse

Processo ceramico: metodi di preparazione delle polveri, macinazione, analisi delle dimensioni  e della distribuzione dimensionale delle particelle,  compattazione delle polveri per ceramici  avanzati refrattari.

Stabilità delle sospensioni, bagnanti, additivi. Principi generali di formatura. Essiccazione, Debonding e Cottura.

Densificazione e ingrossamento dei grani: meccanismi di trasporto nella fase iniziale della sinterizzazione. Fasi intermedia e finale della sinterizzazione, crescita dei grani ed eliminazione dei pori. Sinterizzazione in presenza di fasi liquide

Principi di funzionamento delle celle a combustibile a ossido solido (SOFC) e degli elettrolizzatori (SOEC).

Design e caratteristiche delle celle.

Difetti e conduttività nelle strutture cristalline degli elettrodi e degli elettroliti, stato dell'arte (materiali a base di perovskite e fluorite).

Requisiti e obiettivi per SOFC a temperatura intermedia.

Problemi di degrado e perdita di funzionalità.

Nuove famiglie di materiali.

Formazione in laboratorio: formatura verde, termogravimetria, dilatometria,  SEM

TESTI/BIBLIOGRAFIA

W.D. Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, John Wiley & Sons.

A.J. Moulson & J.M. Herbert, Electroceramics, Chapman & Hall.

M.W. Barsoum,  Fundamentals of Ceramics

Y M  Chiang, D. Birnie III, W. D. Kyngery , Physical Ceramics

Introduction to Phase Equilibria in Ceramics

J.S. Reed, Principles of Ceramic Processing

• Solid Oxide Fuel Cells, Materials Properties and Performance, CRC Press, Edited by J. W. Fergus et al.
• Fuel Cell Systems, Plenum Press, Edited by L. J. M. J. Blomen and M. N. Mugerwa

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

RODOLFO BOTTER (Presidente)

MARIA PAOLA CARPANESE (Presidente Supplente)

MASSIMO VIVIANI (Supplente)

LEZIONI

Orari delle lezioni

L'orario di questo insegnamento è consultabile all'indirizzo: Portale EasyAcademy

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L'esame finale consiste in una prova orale con lo scopo di valutare il raggiungimento degli obiettivi formativi. Durante la prova verranno rivolte al candidato due domande. La prima verterà una su un argomento a scelta del candidato la seconda  su un argomento a scelta dell’esaminatore. 

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

L'esame è progettato per verificare la conoscenza da parte dello studente delle pricipali caratteristiche dei materiali ceramici e la comprensione delle relazioni tra composizione chimica, struttura e microstruttura, parametri del processo produttivo  e le proprietà meccaniche e funzionali dei materiali. Sarà quindi valutata la chiarezza e la precisione dell'esposizione, la conoscenza e la comprensione degli argomenti esposti nonchè  l'abilità dello studente nell'operare una scelta tra materiali differenti o modificare i parametri del processo produttivo al fine ottenere prestazioni o comportamenti desiderati.

Calendario appelli

ALTRE INFORMAZIONI

Salvo altre indicazioni dell'ateneo la didattica frontale verrà effettuata tramite Teams.

Nel primo semestre del 2020 l'attività di laboratorio è subordinata alle prescrizioni dell'ateneo.