Introduzione e cenni storici: l’influenza dei materiali nella storia dell’uomo, il ciclo di vita dei materiali, definizione e classi dei materiali ceramici, storia della ceramica e del vetro, materiali e ambiente,  i bioceramici.

Chimica dello stato solido: legame ionico, covalente, metallico, Van der Waals. Elettronegatività di Pauling, Costante di Madelung. Cristallografia chimica: il raggio atomico, ionico e covalente, numeri di coordinazione, reticoli di bravais, reticolo HCP, FCC, difetti reticolari. Descrizione della struttura cristallina dei principali ceramici: Wurtzite, Blenda, Cloruro di Cesio, Rutilo, Corindone, Antifluorite Perovskite Granato, struttura grafitica e fibre di carbonio, Nitruro di silicio.

La silice e i silicati: ciclosilicati, polisilicati, tectosilicati e fillosilicati, il quarzo, il diagramma silice allumina, le argille e le loro proprietà: intercalazione e reattività chimica, i feldspati le zeoliti e le loro proprietà.

Densità e porosità: densita' cristallografica, teorica apparente e di bulk, misure di densita' con il principio di Archimede, porosità misura e influenza, microporosità, mesoporosità misura e applicazioni, superficie specifica i carboni attivi, le zeoliti, filtri e membrane.

Proprieta' meccaniche dei ceramici:

mudulo di Young, modulo di rottura; modulo di Poisson. Misure meccaniche sui ceramici. Resistenza teorica di materiali. Approccio di Griffith. Intensificazione degli sforzi e tenacita' alla frattura. Meccanismi di tenacizzazione nei ceramici monolitici e compositi. Proprietà meccaniche e meccanismi di tenacizzazione nei compositi ceramici a fibre lunghe. Proprietà tribologiche.

Proprieta' termiche: punto di fusione ed energia di reticolo, capacità termica, conducibilità termica, espansione termica, creep libero e sotto carico, la resistenza agli shock termici.

Progettare i con ceramici: dispense del Prof. B. Zuccarello

Approccio empirico, deterministico e probabilistico alla progettazione. Statistica di Weibull, formula di Weibull metodo Montecarlo applicati alla meccanica della rottura dei materiali fragili. Limiti dell'applicazione e limiti del materiale.  

Le polveri ceramiche: Materie prime e precursori ceramici,  processo Bayer per la preparazione di allumina e Atchenson per la preparazione di carburo di silicio. Metodi di separazione di polveri: setacciatura. Investigazioni granulometriche, granulazione.

Tecniche di formatura:  Formatura a secco e con sospensioni,  pressatura uniassiale a caldo e a freddo. Preparazione delle polveri per la pressatura: leganti plasticizzanti e lubrificanti. Pressatura idrostatica a caldo e a freddo. Slip casting, proprietà delle sospensioni ceramiche: potenziale zeta, viscosità, flocculazione deflocculazione. Presso-filtrazione. Stampo in cera a perdere. Tecniche di prototipazione rapida: selective laser sintering, laminated object manufacturing, stereolitografia laser.

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La sinterizzazione:

Descrizione dei forni ceramici. Definizione dei tipi e delle fasi della sinterizzazione. Espressione della densificazione per trasporto via bordi di grano, via reticolo, via diffusione superficiale e via fase di vapore. Mobilita' dei pori e dei bordi di grano. Il diagramma di sinterizzazione. Sinterizzazione assistita da fase liquida. Additivi di sinterizzazione.

I compositi a matrice ceramica: Fibre ceramiche e tecniche di produzione: pirolisi di precursori organici, deposizione chimica da fase vapore. Classificazione dei rinforzi e delle preforme. L’interfaccia fibra-matrice, i riporti per la resistenza alle alte temperature. Metodi di infiltrazione: da fase vapore, da fase liquida, reaction bonding. Le proprietà meccaniche, la trattazione micromeccanica dei meccanismi tenacizzanti: lunghezza critica e pull-out della fibra.

I Vetri: Modelli teorici dello stato vetroso. La teoria di Zachariesen: ossidi formatori e modificatori. Temperatura di transizione vetrosa. Viscosita' e lavorabilita'. Esempi di composizioni vetrose: silice fusa, vetro sodalime, pyrex. Proprietà reologiche. Resistenza alla corrosione, proprietà meccaniche.

I vetro ceramici (.doc) (.ppt):definizioni, diagrammi di stato, nucleazione cristallizzazione, decomposizione spinodale, proprietà ottiche e meccaniche, applicazioni.

Produzione e lavorazione dei vetri:  I forni per vetri e le materie prime. Produzione di vetro cavo e fibre. Tecniche vetrarie: satinatura, vetrofusione, soffiatura. Il vetro piano,  tempra termica e chimica ed indurimento superficiale. Vetri di sicurezza, vetri temprati. 

Proprietà ottiche e caratteristiche termiche dei vetri: Definizioni, fenomeni di assorbimento, emissione, riflessione e luminescenza. Il controllo del fattore solare, la trasmittanza termica, l'effetto serra. Il colore nei ceramici e nei vetri, modello vibrazionale nei solidi ionici, i metalli di transizione, le terre rare. Lampade, laser e amplificatori ottici.Vetri speciali: basso emissivi, vetri solari, antiriflesso, antifuoco.

Proprieta' elettriche e magnetiche dei ceramici: costante dielettrica, contributi alla polarizzabilita'. Conducibilità elettrica e ceramici conduttori e semiconduttori. I sensori di gas a stato solido. Piezo-elettricita': Titanato di bario, temperatura di Curie. Piro-elettricita' e ferroelettricita'. Magnetismo nella materia e Ferromagnetismo, ed antiferromagnetismo di granati e ferriti, le celle a combustibile.

Il metodo Sol-Gel: Chimica del processo: idrolisi policondensazione. Essiccamento, sinterizzazione, trattamenti termici. Sol, gel xerogel, aerogel. Preparazione di rivestimenti, polveri, fibre, vetri.

Le fibre ottiche: Guide d’onda monomodo multimodo, core, cladding, finestre di trasmissione nell’infrarosso. Tecniche di fabbricazione. Tecnologie di telecomunicazione nell’infrarosso: amplificatori EDFA, DWDM, MEMS, switch ottici.

Applicazioni e mercati: Ceramici strutturali, ceramici per elettronica, coatings, bioceramici, ceramici per l’energetica, membrane e filtri ceramici, bruciatori ceramici, ceramici per l’aerospazio, materiali per telecomunicazioni, l'allumina e le sue applicazioni, i materiali fotocatalitici, fibre di carbonio, schiume ceramiche

Esercitazioni in laboratorio: Formatura dei ceramici con tecnica slip casting, sinterizzazione, studi di densità e porosità, formatura a caldo di materiali vetrosi, preparazione di gel di silice e ottenimento di silice fusa per sinterizzazione.

Visite guidate: visita guidata ai laboratori artigianali di ceramica, visita guidata ad industrie vetrarie.

Fonti nel settore dei materiali ceramici: banche dati, Internet, riviste, libri, collane, annuari, fiere ed esposizioni.

Argomenti Sussidiari

Introduzione alla petrologia: l'origine delle rocce e dei minerali, rocce ignee sedimentarie e metamorfiche, identificazione e classificazione dei minerali e delle pietre da costruzione, la pietra leccese, lavorazione delle pietre da costruzione, alterazione dei materiali lapidei ed interveti di restauro e consolidamento.

I leganti da costruzione: Leganti aerei e idraulici, la calce, la calce idraulica, il gesso, il cemento, produzione presa e indurimento del cemento, il cemento pozzolanico, il calcestruzzo, il calcestruzzo armato, mix design, le alterazioni del cemento, le classi di impiego.

Programma didattico

Materiali ceramici I

 Esame del 3° anno nuovo ordinamento

Introduzione e cenni storici: l’influenza dei materiali nella storia dell’uomo, il ciclo di vita dei materiali, definizione e classi dei materiali ceramici, storia della ceramica e del vetro, materiali e ambiente.  

Chimica dello stato solido: legame ionico, covalente, metallico, Van der Waals. Elettronegatività di Pauling, Costante di Madelung. Cristallografia chimica: il raggio atomico, ionico e covalente, numeri di coordinazione, reticoli di bravais, reticolo HCP, FCC, difetti reticolari. Descrizione della struttura cristallina dei principali ceramici: Wurtzite, Blenda, Cloruro di Cesio, Rutilo, Corindone, Perovskite, struttura grafitica e fibre di carbonio.

I silicati: Quarzi, tectoslicati e feldspati, fillosilicati, le argille e le loro proprietà: intercalazione e reattività chimica, le zeoliti e le loro proprietà, microporosità mesoporosità misura e applicazioni.

Proprieta' fisiche e termiche dei ceramici: densita' cristallografica, teorica apparente e di bulk. misure di densita' con il principio di Archimede, porosità misura e influenza, miscela, superficie specifica. Proprieta' termiche: punto di fusione ed energia di reticolo, capacità termica, conducibilità termica, espansione termica, creep libero e sotto carico.

Proprieta' meccaniche dei ceramici: mudulo di Young, modulo di rottura; modulo di Poisson. Misure meccaniche sui ceramici. Resistenza teorica di materiali. Approccio di Griffith. Intensificazione degli sforzi e tenacita' alla frattura. Meccanismi di tenacizzazione nei ceramici monolitici e compositi. Proprietà meccaniche e meccanismi di tenacizzazione nei compositi ceramici a fibre lunghe.

La sinterizzazione: Descrizione dei forni ceramici. Definizione dei tipi e delle fasi della sinterizzazione. Espressione della densificazione per trasporto via bordi di grano, via reticolo, via diffusione superficiale e via fase di vapore. Mobilita' dei pori e dei bordi di grano. Il diagramma di sinterizzazione. Sinterizzazione assistita da fase liquida. Additivi di sinterizzazione.

Preparazione di ceramici: Formatura dei materiali tradizionali. Processo Bayer per la preparazione di allumina e Atchenson per la preparazione di carburo di silicio. Metodi di separazione di polveri: setacciatura. Investigazioni granulometriche. Proprietà delle sospensioni ceramiche: potenziale zeta, viscosità, flocculazione deflocculazione. Formatura di ceramici: slip casting, pressatura uniassiale a caldo e a freddo. Preparazione delle polveri per la pressatura: leganti plasticizzanti e lubrificanti. Pressatura idrostatica a caldo e a freddo. Presso-filtrazione. Stampo in cera a perdere.

I vetri: Modelli teorici dello stato vetroso. La teoria di Zachariesen: ossidi formatori e modificatori. Temperatura di transizione vetrosa. Viscosita' e lavorabilita'. Esempi di composizioni vetrose: silice fusa, vetro sodalime, pyrex. I vetro ceramici: definizioni, diagrammi di stato, nucleazione cristallizzazione.

Proprietà dei vetri e produzione: Resistenza alla corrosione, proprietà meccaniche. I forni per vetri e le materie prime. Produzione di vetro cavo e fibre. Il vetro piano. Tecniche vetrarie: satinatura, vetrofusione, soffiatura.

Proprietà ottiche dei vetri e controllo del fattore solare.

Visite guidate: visita guidata a laboratori artigianali di ceramica e industrie vetrarie.

Fonti nel settore dei materiali ceramici: banche dati, Internet, riviste, libri, collane, annuari, fiere ed esposizioni.

Tecnologia dei Materiali Ceramici 

Esame della laurea specialista in Ingegneria dei materiali

Definizione e classi dei materiali ceramici: ceramici tradizionali, vetri, ceramici avanzati.  

Cristallografia chimica. Descrizione della struttura cristallina dei principali ceramici: Wurtzite, Blenda, Cloruro di Cesio, Rutilo, Corindone, Antifluorite Perovskite Granato, struttura grafitica e fibre di carbonio. 

I silicati: Quarzi, tectoslicati e feldspati, fillosilicati, le argille e le loro proprietà: intercalazione e reattività chimica, le zeoliti e le loro proprietà, microporosità mesoporosità misura e applicazioni.

Proprieta' meccaniche dei ceramici. Resistenza teorica di materiali. Approccio di Griffith. Intensificazione degli sforzi e tenacita' alla frattura. Meccanismi di tenacizzazione nei ceramici monolitici e compositi. Proprietà meccaniche e meccanismi di tenacizzazione nei compositi ceramici a fibre lunghe.

Proprieta' elettriche e magnetiche dei ceramici: costante dielettrica, contributi alla polarizzabilita'. Conducibilità elettrica e ceramici conduttori e semiconduttori. I sensori di gas a stato solido. Piezo-elettricita': Titanato di bario, temperatura di Curie. Piro-elettricita' e ferroelettricita'. Le celle a combustibile.  

La sinterizzazione, descrizione dei forni ceramici. Definizione dei tipi e delle fasi della sinterizzazione. Espressione della densificazione per trasporto via bordi di grano, via reticolo, via diffusione superficiale e via fase di vapore. Mobilita' dei pori e dei bordi di grano. Il diagramma di sinterizzazione. Sinterizzazione assistita da fase liquida. Additivi di sinterizzazione.  

Preparazione di ceramici: Formatura dei materiali tradizionali. Processo Bayer per la preparazione di allumina e Atchenson per la preparazione di carburo di silicio. Metodi di separazione di polveri: setacciatura. Investigazioni granulometriche. Proprietà delle sospensioni ceramiche: potenziale zeta, viscosità, flocculazione deflocculazione. Formatura di ceramici: slip casting, pressatura uniassiale a caldo e a freddo. Preparazione delle polveri per la pressatura: leganti plasticizzanti e lubrificanti. Pressatura idrostatica a caldo e a freddo. Presso-filtrazione. Stampo in cera a perdere. Tecniche di prototipazione rapida: selective laser sintering, laminated object manufacturing, stereolitografia laser.

Preparazione di compositi a matrice ceramica: Fibre ceramiche e tecniche di produzione: pirolisi di precursori organici, deposizione chimica da fase vapore. Classificazione dei rinforzi e delle preforme. L’interfaccia fibra-matrice, i riporti per la resistenza alle alte temperature. Metodi di infiltrazione: da fase vapore, da fase liquida, reaction bonding. 

Proprietà dei vetri e produzione. I forni per vetri e le materie prime. Produzione di vetro cavo e fibre. Tecniche vetrarie: satinatura, vetrofusione, soffiatura.  

Il vetro piano: Processi di produzione, vetri da lastra, tempra termica e chimica ed indurimento superficiale. Vetri di sicurezza, vetri temprati. Vetri speciali: basso emissivi, vetri solari, antiriflesso, antifuoco.  

Il colore: Definizioni, fenomeni di assorbimento, emissione, riflessione e luminescenza. Il colore nei ceramici e nei vetri, modello vibrazionale nei solidi ionici, i metalli di transizione, le terre rare. Lampade, laser e amplificatori ottici.  

Il metodo Sol-Gel: Chimica del processo: idrolisi policondensazione. Essiccamento, sinterizzazione, trattamenti termici. Sol, gel xerogel, aerogel. Preparazione di rivestimenti, polveri, fibre, vetri.  

Le fibre ottiche: Guide d’onda monomodo multimodo, core, cladding, finestre di trasmissione nell’infrarosso. Tecniche di fabbricazione. Tecnologie di telecomunicazione nell’infrarosso: amplificatori EDFA, switch ottici.  

Progettazione con ceramici: requisiti dell'applicazione, gerarchia dei requisiti. limiti dell'applicazione e limiti del materiale. Approccio empirico, deterministico e probabilistico alla progettazione. Statistica di Weibull e formula di Weibull.

Applicazioni e mercati: Ceramici strutturali, ceramici per elettronica, coatings, bioceramici, ceramici per l’energetica, membrane e filtri ceramici, bruciatori ceramici, ceramici per l’aerospazio, materiali per telecomunicazioni, l'allumina e le sue applicazioni.  

Esercitazioni in laboratorio: Formatura dei ceramici con tecnica slip casting, sinterizzazione, studi di densità e porosità, formatura a caldo di materiali vetrosi, preparazione di gel di silice e ottenimento di silice fusa per sinterizzazione.

Materiali ceramici I

 Esame del 3° anno nuovo ordinamento

• Tecnologia ceramica, vol. 1-3, G.P.Emiliani, F.Corbara Faenza ed., 1999

• Introduzione ai ceramici avanzati, G. Aliprandi, F. Savioli, Pubblicazione interna ENEA 1989

• Il nuovo calcestruzzo, M. Collepardi, Tintoretto ed.

Tecnologia dei Materiali Ceramici 

Esame della laurea specialista in Ingegneria dei materiali

• Solid State chemistry, Anthony R. West, J. Wiley e Sons 1990

• Modern Ceramic Engineering, D. W. Richerson, M. Dekker inc., 1990

• Introduction to the principles of ceramic processing, J.S. Reed J. Wiley e Sons 1988

• Ceramic Technology and Processing”, William Andrew Publishing/Noyes ,2002

• Electroceramics, A.J. Moulson, J.M. Herbert, Chapman and Hall 1990