OBIETTIVI FORMATIVI

Crystal structure of ceramic.Phase diagrams for ceramist. Sintering.Synthesis of highly dispersed ceramic materials.Dense ceramic materials.Structural, electronic and thermal properties. Defects and thermodynamic control of vacancy concentration.Functional properties (electric, magnetic and environmental).Ceramic process and industrial applications.

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

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

avere una conoscenza di base della struttura dei materiali ceramici;

comprendere la correlazione tra struttura, microstruttura, difetti e  proprietà.

conoscere i materiali ceramici tradizionali e avanzati utilizzati nelle costruzioni, nei processi produttivi e nella produzione di energia.;

avere conoscenze di base sui processi di produzione e sui trattamenti post-produzione mettendo in luce le relazioni tra processo produttivo, chimico fisica delle trasformazioni e proprietà meccaniche o funzionali dei materiali ottenuti.

PREREQUISITI

Per un proficuo apprendimento sono richieste conoscenze base di matematica, chimica e fisica, ma non è prevista alcuna propedeuticità formale.

MODALITA' DIDATTICHE

Il modulo prevede lezioni frontali in aula. Alla presentazione di contenuti teorici si alternano esercizi numerici applicativi (40 ore). Sono previste (5 ore) di esercitazioni numeriche individuali finalizzate a consolidare l’apprendimento e 5 ore di attività pratica-sperimentale in laboratorio.

PROGRAMMA/CONTENUTO

Il programma deli'insegnamento prevede la presentazione e discussione dei seguenti argomenti:

Definizione di materiale ceramico, classificazione (ceramici tradizionali e avanzati), caratteristiche generali dei materiali ceramici, fasi del processo ceramico.

Proprietà strutturali: Strutture cristalline di materiali ceramici, legami, regole di Pauling. Struttura cristallina ideale e difetti cristallini. Polimorfismi, silice, silicati, minerali argillosi.

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

Struttura del vetro, regole di Zachariasen. Formazione del vetro, proprietà ed effetto della composizione sulle caratteristiche del vetro, nucleazione e crescita, vetroceramici.

Diagrammi di fase: regola di fase, sistemi monocomponente, sistemi binari, sistemi ternari, regole della leva. Casi di interesse per ceramisti. Esempi di raffreddamento e riscaldamento isopletale sul diagrammi ternari.

Processo ceramico: metodi di preparazione della polveri, macinazione, analisi granulometrica, distribuzione granulometrica, formatura di refrattari e ceramici avanzati.

Stabilità delle sospensioni, bagnabilità e additivi. Principi generali di formatura.

Essiccazione, eliminazione dei leganti e cottura.

Densificazione e crescita 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

Struttura di celle a combustibile ed elettrolizzatori a ossidi solidi (SOFCs/SOECs): requisiti per i materiali elettrolitici, catodici e anodici. Principi di conducibilità elettrica in un dispositivo SOFC/SOEC

Strategie per la scelta dei materiali adatti a temperature basse e/o intermedie. Problemi relativi al degrado dei componenti.

Diagarmmi di Brouwer. Numero di trasporto e criteri qualitativi per la scelta dell’elettrolita. Conducibilità nel sistema fluoritico.

Punto sullo stato dell’arte dei materiali:

• Elettrolita: materiali fluoritici e perovskitici (anionici e protonici). Cenni a materiali con altre strutture: BIMEVOX, compositi ceria-carbonati.
• Catodi: materiali perovskitici (cenni a doppie perovskiti e strutture tipo Ruddlesden-Popper)
• Anodi: cermet a base Ni, materiali a struttura perovskitica e doppio-perovskitica.Esercitazioni in laboratorio: dimostrazione pratica del funzionamento di alcune apparecchiature per la caratterizzazione dei materiali ceramici, prove pratiche di formatura sinterizzazione e caratterizzazione dei prodotti ottenuti.

Esercitazioni di laboratorio: Dimostrazione pratica del funzionamento di alcune apparecchiature per la caratterizzazione dei materiali ceramici, prove pratiche di formatura sinterizzazione e caratterizzazione dei prodotti ottenuti. Pressatura, 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