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 a ossidi solidi, si prendono in esame i meccanismi di conducibilità ed  i requisiti strutturali dei suoi  componenti.

Il corso è 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, agnetiche ed ambientali). Processi ceramic e applicazioni industriali. 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 del modulo 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: struttura cristallina ideale e difetti cristallini, legami, regole di Pauling. Polimorfismi, silice, silicati, minerali argillosi.

Chimica dei difetti, notazione Kroger-Vink e formulazione di equazioni di reazione difettive. 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

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.

Struttura di celle a combustibile ed elettrolizzatori a ossidi solidi (SOFCs/SOECs): requisiti per i materiali elettrolitici, catodici ed 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.

All’interno del corso si svolgerà un seminario del Prof. Peter Holtappels, del Dipartimento di Conversione e Stoccaggio dell’Energia della Technical University of Denmark (DTU, Roskilde, Danimarca). Il seminario-lezione avrà una durata di due ore e proporrà il seguente tema: “In operando electrochemical characterization of high temperature electrochemical cells: impedance and optical spectroscopy”.

TESTI/BIBLIOGRAFIA

Il materiale didattico utilizzato durante le lezioni è disponibile in Aulaweb, così come le esercitazioni numeriche proposte negli anni precedenti con le relative soluzioni. Gli appunti presi durante le lezioni e il materiale in aulaweb sono sufficienti per la preparazione dell’esame. I libri seguenti sono suggeriti come testi di appoggio e approfondimento

Introduction to Ceramics, 2nd Ed. –1976.  Kingery,  Bowen, Uhlmann 

Physical Ceramics: Principles for Ceramic Science and Engineering 1996. Kingery et al.

Principles of Ceramics Processing, 1995. J.S Reed

J. Fergus, R. Hui, X. Li, D. P. Wilkindon, J. Zhang, “Solid Oxide Fuel Cells, Materials Properties and Performance”, CRC Press, 2009

N. Q. Minh, T. Takahashi, “Science and Technology of Ceramic Fuel Cells”, Elsevier, 1995

R. J. D. Tilley, “Defects in Solids”, Wiley, 2008.

DOCENTI E COMMISSIONI

Commissione d'esame

RODOLFO BOTTER (Presidente)

MARIA PAOLA CARPANESE (Presidente)

LEZIONI

Orari delle lezioni

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

ESAMI

MODALITA' D'ESAME

L’esame orale ha lo scopo di valutare la conoscenza delle caratteristiche principali dei materiali ceramici sia tradizionali che avanzati e delle relazioni esistenti tra natura chimica, struttura e microstruttura e le proprietà resistenziali, la conducibilità ionica ed elettronica e in generale le proprietà funzionali dei materiali. Sarà anche valutata la capacità di modificare i parametri di un processo ceramico per ottimizzare le caratteristiche di un prodotto. L’esame prevede l’esposizione di uno argomento del corso o di una parte di questo a scelta del candidato e si articola su due domande. La prima prevede richieste di approfondimenti o chiarimenti sull’argomento esposto mentre la seconda verte su un altro argomento del corso. La seconda domanda potrà contenere richieste di risoluzione di semplici problemi numerici.

Saranno disponibili un appello d’esame per la sessione ‘invernale’ (gennaio, febbraio e durante la pausa didattica prevista dalla Scuola Politenica a Pasqua) e un appello per la sessione ‘estiva’ (giugno, luglio, settembre e durante la pausa autunnale prevista dalla Scuola Politecnica). Sono previste riaperture di sessione su richiesta degli studenti interessati. La data delle riaperture di sessione viene comunicata su Aulaweb. Non verranno concessi appelli straordinari al di fuori dei periodi indicati dalla Scuola Politecnica, fatta eccezione per gli studenti che non abbiano inserito nel piano di studi attività formative nell’anno accademico in corso

MODALITA' DI ACCERTAMENTO

Verrà valutata la sintesi, la chiarezza dell’esposizione e l’utilizzo corretto della terminologia tecnica. Ad ogni domanda verrà attribuito un massimo di 16.5 punti e verrà valutata la correttezza dei concetti esposti e la capacità di risolvere semplici problemi del tipo presentato durante il corso.

Calendario appelli

ALTRE INFORMAZIONI

Nell'anno accademico 2019-2020.

All’interno del corso si svolgerà un seminario del Prof. Peter Holtappels, del Dipartimento di Conversione e Stoccaggio dell’Energia della Technical University of Denmark (DTU, Roskilde, Danimarca). Il seminario-lezione avrà una durata di due ore e proporrà il seguente tema: “Operando electrochemical characterization of high temperature electrochemical cells: impedance and optical spectroscopy”.