Chimica Dei Materiali 2019/2020

DENOMINAZIONE INSEGNAMENTO:

Chimica dei Materiali

SSD:  CHIM/03 – Chimica Generale ed Inorganica

DOCENTE:

Riccardo Polini

RUOLO DOCENTE:

Professore Associato

SSD di afferenza:

CHIM/03

RIFERIMENTI:

Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche – Università degli Studi di Roma ‘Tor Vergata’

TELEFONO:

+39 067259 4414

E-MAIL:

polini@uniroma2.it

RICEVIMENTO (ORARIO E LUOGO):

Università degli Studi di Roma 'Tor Vergata

Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche

Edificio Sogene

Via della Ricerca Scientifica, 1

00133 Roma

Livello 0, settore F, stanza  2

Lun & Mar 14-16                                             

ANNO DI CORSO:  1° della LM

N. CREDITI: 6

OBIETTIVI FORMATIVI:

Il comportamento dei materiali trae origine non solo dalla loro struttura atomica e molecolare, ma anche e fortemente dalla presenza di difetti della struttura cristallina, sia puntuali sia estesi. Obiettivo del corso é pertanto quello di far comprendere al discente come struttura e microstruttura dei materiali, quest'ultima dipendente anche dal processo di produzione, ne influenzino le proprietà e, conseguentemente, il comportamento in esercizio e l'idoneità per una specifica applicazione. La correlazione processo-microstruttura-proprietà viene quindi analizzata con alcuni casi concreti quali i processi di sinterizzazione di polveri e le strategie di produzione di materiali avanzati per la realizzazione di celle a combustibile a ossidi solidi o polimeriche.

PREREQUISITI:

Conoscenze delle materie fondamentali della laurea triennale in Chimica, in particolare di Fisica, Matematica, Chimica Generale, Chimica Inorganica e Chimica Fisica.

CONTENUTI DELL’INSEGNAMENTO:

Solidi cristallini e amorfi. Reticoli e strutture cristalline. Reticoli di Bravais. Indici di Miller: posizioni cristallografiche, direzioni cristallografiche [uvw], piani cristallografici (hkl). Strutture dei metalli: reticoli bcc, fcc, hcp. Siti interstiziali ottaedrici e tetraedrici nei solidi metallici. Fattore di compattazione atomica. Densità teorica (cristallografica). Solidi ionici. Raggi ionici e stabilità delle strutture cristalline (raggio critico). Strutture di CsCl, NaCl, ZnS (SiC), fluorite (zirconia cubica). Zirconia stabilizzata come conduttore di ioni ossigeno, sensori di ossigeno, sonda lambda. Spinelli, energia di stabilizzazione del campo cristallino (CFSE). Perovskiti, fattore di tolleranza t. Conduttori ionici a base di gallato di lantanio drogato. Solidi covalenti, Cristalli molecolari. Cenni di diffrazione dei raggi-X. Legge di Bragg. Intensità dei segnali di diffrazione: fattore di scattering atomico e fattore di struttura. Diffrazione da polveri, campioni massivi e film sottili. Equazione di Scherrer

Difetti dei reticoli cristallini. Difetti di punto. Atomi/ioni sostituzionali e interstiziali. Vacanze. Notazione di Kroeger-Vink. Calcolo dell'entropia configurazionale e concentrazione delle vacanze all'equilibrio. Difetti di Frenkel e Schottky nei solidi ionici. L’equazione di Arrhenius della conducibilità ionica in un campo elettrico. Conducibilità ionica in funzione della T: conducibilità intrinseca ed estrinseca.

Difetti di linea. Dislocazioni a spigolo e a vite. Circuito e vettore di Burgers. Campo di sforzo intorno ad una dislocazione a spigolo e a vite. Sistemi di scorrimento. Movimento delle dislocazioni. Fattore di Schmid. Meccanismi di rafforzamento dei materiali metallici: soluzione solida, precipitazione, incrudimento, riduzione del grano (Legge di Hall-Petch).

Difetti di superficie. Bordi grano ad alto e basso angolo. Stacking faults. Twins.              

Difetti di volume.

Curva sforzo-deformazione di materiali metallici. Legge di Hooke. Modulo di Poisson. Determinazione di sforzo e deformazione veri dai valori nominali.

Frattura fragile e duttile. Frattura intergranulare etransgranulare. Difetti come concentratori degli sforzi. Teoria di Griffith (fattore di intensità degli sforzi e tenacità a rottura). Comportamento statistico a rottura dei ceramici (Weibull).

Comportamento a fatica. Limite di fatica. Legge di Paris. Scorrimento viscoso dei materiali metallici. Creep primario, secondario e terziario.Case study: l’evoluzione delle palette di turbina dei motori a reazione.

Introduzione ai materiali polimerici. Struttura e proprietà dei polimeri. Temperatura di transizione vetrosa. Polimeri amorfi e semicristallini. Comportamento elastico, viscoso e viscoelastico.

Materiali compositi. Compositi rinforzati con particelle. Esempi: cermet, compositi a matrice metallica (MMC), polimeri rinforzati. Regola delle miscele: limite inferiore e superiore del modulo elastico. Compositi rinforzati con fibre: comportamento sforzo-deformazione, carico di rottura longitudinale e trasversale.

Processi di sinterizzazione di polveri. Equazione di Young-Laplace. Parametri per lo studio della evoluzione del processo di sinterizzazione. Dilatometria. Evoluzione dell'area superficiale. Equazione di BET. I vari stadi della sinterizzazione. Meccanismi di trasporto di massa nella sinterizzazione: flusso viscoso; evaporazione-condensazione; diffusione superficiale; diffusione al bordo grano; diffusione nel volume; flusso plastico. Cinetiche di sinterizzazione. Parametri di processo e microstruttura nella sinterizzazione allo stato solido. Sinterizzabilità di particelle “miste”. Sinterizzazione attivata: criteri per un funzionamento ed esempi. Sinterizzazione con fase liquida: principi generali e diagramma di German. Sinterizzazione sotto pressione. Pressatura isostatica a caldo (HIP). Case study: i carburi cementati. La scoperta del carburo di tungsteno da parte di Henry Moissan e gli studi del Dr Schroeter (OSRAM). La sintesi diretta del carburo di tungsteno per riduzione carbotermica di minerali di tungsteno.

Microscopia elettronica a scansione: descrizione dello strumento; le sorgenti di elettroni. Interazione elettrone-materia: emissione di elettroni secondari (SE), emissione di elettroni retrodiffusi (BSE), emissione di elettroni Auger, emissione di raggi-X caratteristici, emissione continua di raggi-X (radiazione di frenamento). Principi di microanalisi EDS al SEM: risoluzione spaziale dell'EDS; limite di rilevabilità degli elementi; mappe di raggi-X, analisi di linea (linescan).

ARTICOLAZIONE DEL CORSO:

48 ore di lezioni frontali comprendenti esercitazioni sulla caratterizzazione dei materiali mediante tecniche di diffrazione di raggi-X e microscopia elettronica.

PRESENZA DI VERIFICHE IN ITINERE: no

MODALITA’ DI VALUTAZIONE:

L'esame consiste in un colloquio orale volto a verificare il livello di conoscenza degli argomenti trattati e a valutare la capacità di comprendere le relazioni tra processo, microstruttura e proprietà dei materiali (metalli, ceramici, compositi, polimeri).

La discussione inizia con una domanda su argomenti svolti a lezione riguardanti strutture cristalline e tipologie di difetti reticolari. In seguito vengono proposte altre due domande su ulteriori argomenti svolti.

L'esame è superato se lo studente dimostra una buona padronanza di almeno due sui tre argomenti oggetto del colloquio.

La valutazione finale è espressa in trentesimi e viene determinata tenendo conto di:

– grado di acquisizione delle conoscenze degli argomenti trattati (40 % del punteggio)

– capacità di effettuare correlazioni tra i vari argomenti (30 % del punteggio)

– comprensione della correlazione tra processo, microstruttura e proprietà, dimostrata con esempi concreti (30% del punteggio).

MATERIALE DIDATTICO:

Materiale didattico fornito dal docente, sia sotto forma di fotocopie dei lucidi proiettati a lezione, sia come file pdf scaricabili da Didattica Web.

TESTI DI RIFERIMENTO:

Nessuno