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

L’insegnamento si propone di fornire agli studenti una conoscenza avanzata dei materiali ceramici per impieghi energetici. Ad una panoramica di base delle proprietà e dei processi produttivi che contraddistinguono i materiali ceramici saranno associati approfondimenti su: difetti e modellizzazione delle strutture reticolari, conduzione ionica ed elettronica applicazioni in celle a combustibile ed elettrolizzatori ad alta temperatura, turbine a gas, celle fotovoltaiche.

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 e nello stoccaggio dell'energia
• definire i parametri di un processo di formatura e sinterizzazione
• conoscere la correlazione fra struttura e microstruttura e proprietà meccaniche e funzionali (resistenza meccanica, conducibilità elettrica, proprietà termiche, magnetiche e ottiche) dei ceramici 
• conoscere le principali tecniche di indagine chimico-fisica ed essere in grado di applicarle criticamente al problema specifico

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.

Gli studenti che abbiano in corso di validità certificazione di disabilità fisica o di apprendimento in archivio presso l'Università e che desiderino discutere eventuali sistemazioni o altre circostanze relative a lezioni, corsi ed esami, dovranno parlare sia con il docente che con il Prof. Federico Scarpa (federico.scarpa@unige.it), referente per la disabilità della Scuola Politecnica.

PROGRAMMA/CONTENUTO

L'insegnamento analizza le relazioni fondamentali tra i processi di manifattura, la microstruttura, i difetti cristallini e le proprietà funzionali dei materiali ceramici avanzati. Il corso adotta una prospettiva fortemente orientata alla transizione energetica e alla decarbonizzazione, approfondendo i materiali e le modellizzazioni chiave per l'economia dell'idrogeno e l'accumulo di energia di rete. Il programma è strutturato nelle seguenti aree tematiche:

1. Struttura dei materiali ceramici, stato vetroso e termodinamica delle fasi

• Introduzione e classificazione: evoluzione dai ceramici tradizionali ai ceramici avanzati (strutturali e funzionali); criteri di selezione e panoramica sul processo produttivo globale.
• Proprietà strutturali: legami chimici, principali strutture cristalline di interesse ingegneristico e criteri di stabilità dei solidi ionici (regole di Pauling).
• Stato vetroso e ceramici amorfi: transizione vetrosa, struttura e proprietà di vetri e vetroceramici di interesse tecnologico (es. sigillanti per alte temperature).
• Equilibri di fase: richiami termodinamici ai diagrammi di stato binari e introduzione fenomenologica ai sistemi ternari di interesse per i materiali ceramici.

2. Ingegneria del processo, tecnologie di manifattura e attività di laboratorio

• Tecnologie di manifattura e formatura: tecniche per la preparazione, macinazione e caratterizzazione dimensionale delle polveri ceramiche commerciali; chimica-fisica e stabilità delle sospensioni (reologia e additivi); principali metodologie di formatura del green per componenti ceramici avanzati (es. pressatura, colaggio, estrusione).
• Attività sperimentale guidata: introduzione pratica in laboratorio alle tecniche di formatura dei materiali ceramici avanzati, analisi termogravimetrica (TGA), dilatometria e microscopia elettronica a scansione (SEM) applicate alla caratterizzazione microstrutturale del green e dei sinterizzati.
• Fenomeni di densificazione: termodinamica della sinterizzazione; modelli cinetici di trasporto di materia allo stato solido e in presenza di fase liquida; controllo della crescita del grano e della porosità evolutiva strutturale.

3. Difettologia reticolare, proprietà meccaniche e trasporto di carica

• Comportamento meccanico dei ceramici: meccanismi di frattura fragile, approccio statistico (modello probabilistico di Weibull) e strategie microstrutturali per il rafforzamento dei ceramici avanzati.
• Chimica dei difetti nei solidi ionici: difettologia reticolare e notazione di Kröger-Vink; modellizzazione termodinamica delle reazioni dei difetti in funzione dell'atmosfera gassosa circostante e introduzione operativa ai diagrammi di Brouwer.
• Fenomeni di trasporto: correlazione tra difetti strutturali e proprietà di conduzione ionica, elettronica e mista (MIEC) nei ceramici funzionali.

4. Ceramici avanzati nel nuovo panorama energetico

• Tecnologie per l'Idrogeno e la decarbonizzazione (SOFC/SOEC): termodinamica, materiali ed elettrodi ceramici avanzati per celle SOFC ed elettrolizzatori SOEC. Modellizzazione elettrochimica delle sovratensioni (ohmiche, di attivazione e di concentrazione); meccanismi di degradazione e sfide tecnologiche per i sistemi Power-to-Gas e lo stoccaggio stagionale dell'energia.
• Altre applicazioni per la transizione energetica: panoramica sui ceramici per l'accumulo elettrochimico (batterie allo stato solido), membrane ceramiche per la separazione e cattura dei gas, sistemi piezoelettrici e materiali per alte temperature (turbine a gas).

ARTICOLAZIONE DEL PROGRAMMA IN BASE AI CFU

• Programma per i percorsi da 6 CFU (Scienza dei Materiali LM - Ingegneria Chimica L-9):
  Prevede la trattazione completa di tutti i moduli, incluse le 10 ore complessive di attività didattica e di laboratorio dedicate alla manifattura. In sede d'esame è richiesto un rigore analitico superiore sulla modellizzazione della chimica dei difetti (Brouwer) e una conoscenza approfondita di tutti i casi studio applicativi (SOFC, SOEC, membrane e batterie).
• Programma per il percorso da 5 CFU (Ingegneria Chimica e di Processo LM-22):
  Il programma viene rimodulato per adattarsi al monte ore ridotto: fermo restando il blocco da 10 ore dedicto alle tecnologie di formatura e al laboratorio, la trattazione teorica dei diagrammi ternari e della chimica dei difetti viene limitata agli aspetti puramente fenomenologici, concentrando le ore sulle tecnologie di diretto interesse per l'ingegnere di processo (in particolare l'integrazione di SOFC/SOEC negli impianti energetici, il Power-to-Gas e le membrane di separazione dei gas).

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

LEZIONI

INIZIO LEZIONI

https://corsi.unige.it/corsi/10375/studenti-orario

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 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.

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.