OBIETTIVI FORMATIVI

Lo scopo principale del corso è quello di fornire le conoscenze di base sulle strutture cristalline e amorfe dei materiali ceramici, sui diagrammi di fase per ceramisti, nonché sullo sviluppo di struttura e microstruttura durante il processo di formatura e sinterizzazione. Tali conoscenze costituiscono la base per definire i processi di produzione dei ceramici al fine di ottimizzare le proprietà funzionali e meccaniche. 

OBIETTIVI FORMATIVI (DETTAGLIO) E RISULTATI DI APPRENDIMENTO

Lo scopo dell'insegnamento è quello di fornire conoscenze sulle caratteristiche chimico-fisiche e microstrutturali dei materiali, allo scopo di indirizzare il processo di produzione (formatura, trattamenti termici, finitura) verso l'ottimizzazione delle proprietà per cui il materiale è stato progettato.

Lo studente sarà in grado di:

• conoscere i differenti tipi di materiali ceramici, in particolare quelli impiegati nella trasformazione dell'energia
• conoscere i meccanismi che definiscono la conducibilità elettrica e termica dei materiali 
• definire i parametri di un processo di formatura e sinterizzazione
• conoscere le principali tecniche di indagine chimico-fisica ed essere in grado di applicarle criticamente al problema specifico
• correlare struttura e microstruttura alle proprietà meccaniche e funzionali

PREREQUISITI

Chimica di base, analisi matematica, fisica.

MODALITA' DIDATTICHE

Lezioni frontali ed esercitazioni in aula e in laboratorio.

In caso di indicazioni da parte dell'Ateneo e del Consiglio di Corso di Studi non si esclude l'opzione didattica a distanza, attraverso la piattaforma 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.

Proprietà meccaniche: frattura fragile, statistica di Weibull. Metodi di rafforzamento.

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