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MATERIALI CERAMICI PER L'ENERGIA

CODICE 65943
ANNO ACCADEMICO 2022/2023
CFU
  • 6 cfu al 2° anno di 9017 SCIENZA E INGEGNERIA DEI MATERIALI (LM-53) - GENOVA
  • 6 cfu al 3° anno di 10375 INGEGNERIA CHIMICA E DI PROCESSO (L-9) - GENOVA
  • 5 cfu al 2° anno di 10376 INGEGNERIA CHIMICA E DI PROCESSO (LM-22) - GENOVA
  • 6 cfu al 1° anno di 11430 SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI (LM SC.MAT.) - GENOVA
  • SETTORE SCIENTIFICO DISCIPLINARE ING-IND/22
    SEDE
  • GENOVA
  • PERIODO 1° Semestre
    MATERIALE DIDATTICO AULAWEB

    PRESENTAZIONE

    Il corso è un’introduzione ai processi di preparazione dei materiali ceramici, alle loro proprietà e applicazioni. Tratta inoltre le trasformazioni chimico-fisiche e i difetti cristallini, al fine di ottimizzarne microstruttura e proprietà funzionali. Il corso tratta in maggior dettaglio i ceramici utilizzati nei sistemi di produzione e accumulo dell'energia.

    Corso tenuto in lingua italiana. Slide e materiale del corso in inglese.

    OBIETTIVI E CONTENUTI

    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

    DOCENTI E COMMISSIONI

    Commissione d'esame

    RODOLFO BOTTER (Presidente)

    MARIA PAOLA CARPANESE (Presidente)

    MASSIMO VIVIANI (Presidente)

    LEZIONI

    Orari delle lezioni

    L'orario di tutti gli insegnamenti è consultabile su EasyAcademy.

    ESAMI

    MODALITA' D'ESAME

    L'esame finale consiste in una prova scritta e una prova orale, al fine di valutare il raggiungimento degli obiettivi formativi. La prova scritta proporrà quesiti su argomenti ed esercizi svolti a lezione. Durante la prova orale verranno rivolte al candidato due domande; la prima verterà su un argomento a scelta del candidato, la seconda su un argomento a scelta dell’esaminatore. 

    Si consigliano gli studenti con certificazione di DSA, di disabilità o di altri bisogni educativi speciali di contattare il/la docente all’inizio del corso per concordare modalità didattiche e d’esame che, nel rispetto degli obiettivi dell’insegnamento, tengano conto delle modalità di apprendimento individuali e forniscano idonei strumenti compensativi.

    MODALITA' DI ACCERTAMENTO

    L'esame è progettato per verificare la conoscenza da parte dello studente delle pricipali caratteristiche e proprietè dei materiali ceramici. Viene richiesta la conoscenza delle relazioni tra composizione chimica, struttura e microstruttura e i parametri del processo produttivo, al fine di ottimizzare le proprietà meccaniche e funzionali dei materiali. Sarà inoltre valutata la capacità di risolvere semplici problemi numerici e di interpretazione dei diagrammi di fase, nonché l'abilità dello studente nell'operare una scelta tra materiali differenti, la chiarezza e la precisione dell'esposizione.

     

     

    Calendario appelli

    Data Ora Luogo Tipologia Note

    ALTRE INFORMAZIONI

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

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