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I - Nozioni di Scienza dei Materiali
a) Classificazione e proprietà generali delle principali classi di materiali ingegneristici:
Classificazione tradizionale dei materiali ingegneristici. Caratteristiche generali dei materiali metallici. Ceramici tradizionali: composizione, produzione e tipiche proprietà. Definizione generale di materiale ceramico. Materiali polimerici: tipica struttura, caratteristiche generali ed esempi applicativi. Materiali compositi: definizione, classificazione, tipiche caratteristiche ed esempi applicativi.

b) Struttura dei materiali:
Forze interatomiche nei materiali e deduzione dell’andamento delle corrispondenti curve di energia potenziale. Grandezze deducibili dalle curve di energia potenziale (energia di dissociazione, distanza di equilibrio e rigidezza del legame). Curve di energia potenziale ed espansione termica. Struttura dei solidi: struttura cristallina e reticolo cristallino. Sistemi cristallini e reticoli di Bravais. Esercizi sui reticoli cristallini nei ceramici ionici (NaCl, CsCl). Richiami di stereochimica dei polimeri: geometria tetraedrica e conformazioni della catena polimerica. Descrizione dello stato cristallino nei polimeri. Struttura cristallina del polietilene. Materiali amorfi: descrizione dello stato amorfo e caratteristiche strutturali che lo favoriscono. Materiali semicristallini: esempi di polimeri amorfi e di polimeri semicristallini.

c) Caratterizzazione meccanica dei materiali:
Sforzo e deformazione normale. Sforzo e deformazione tangenziale. Compressione idrostatica. Comportamento elastico ed elasto-plastico di un materiale. Descrizione del significato e delle modalità di esecuzione della prova di trazione uniassiale. Comportamento duttile e fragile dei materiali nella prova di trazione. Determinazione della resistenza meccanica a trazione per materiali a comportamento fragile o duttile. Determinazione della rigidezza meccanica a trazione per materiali con tratto iniziale elastico lineare o non lineare. Valutazione della duttilità di un materiale. Determinazione del modulo di tenacità e del modulo di resilienza dalla curva sforzo-deformazione. Confronto delle proprietà meccaniche a trazione tipiche delle diverse classi di materiali. Modalità di esecuzione della prova di compressione uniassiale. Comportamento a compressione del calcestruzzo. Confronto tra comportamento a trazione e a compressione nel caso dei ceramici e dei polimeri. Prova di flessione su tre punti: descrizione qualitativa dello stato di sforzo e deformazione del materiale. Significato dei valori di sforzo e deformazione calcolati nella prova di flessione. Determinazione di rigidezza e resistenza a flessione (MOR) per i materiali ceramici. Cenni al comportamento viscoso dei materiali: legge di Newton, coefficiente di viscosità e suo significato, comportamento newtoniano e non newtoniano, comportamento pseudo plastico dei polimeri allo stato fuso. Normative per la caratterizzazione dei materiali: utilità, tipica articolazione e codifica delle normative. Esempi di bollettini tecnici dei materiali.

d) Correlazione tra proprietà meccaniche e struttura:
Comportamento elastico: materiali con elasticità a controllo energetico. Previsione del modulo elastico di un monocristallo cubico e correlazione con la rigidezza di legame. Discrepanza negli elastomeri tra valori di modulo elastico calcolati e valori sperimentali e trattazione termodinamica generalizzata della risposta elastica. Elasticità a controllo entropico negli elastomeri. Deformazione plastica nei materiali per scorrimento di piani. Ruolo delle dislocazioni. Cause della non-plasticità nei ceramici. Confronto tra sforzo teorico di coesione e valori di resistenza a trazione di un materiale a comportamento fragile. Difetti nel materiale e fattore di concentrazione degli sforzi. Materiali fragili: correlazione tra popolazione dei difetti e valori di resistenza a trazione, effetto del volume del provino sulla resistenza a trazione, confronto tra la resistenza a trazione di una lastra e di una fibra di vetro.

II - Materiali Ceramici e Vetri
a) Ceramici tradizionali:
Descrizione della composizione e del tipico processo di produzione dei ceramici tradizionali. Proprietà e applicazioni delle principali tipologie di ceramici tradizionali.

b) Cementi:
Materiali leganti. Cemento Portland: processo di produzione, componenti principali e loro ruolo durante la presa e l’indurimento dell’impasto cementizio. Ruolo degli inerti nel calcestruzzo.

c) Refrattari:
Tipici impieghi. Refrattarietà e altre proprietà richieste ai materiali refrattari. Esempi di refrattari commerciali.

d) Abrasivi:
Tipici impieghi. Proprietà richieste ai materiali abrasivi. Esempi di abrasivi commerciali.

e) Tecnoceramici:
Definizione. Tipico processo di lavorazione. Sinterizzazione allo stato solido, in presenza di fase liquida e sinterizzazione reattiva (reaction bonding). Tecnoceramici strutturali: proprietà e applicazioni dell' allumina, del carburo di silicio (ReSiC, SISiC, SSiC), del nitruro di silicio (RBSN, SSN) e dei ceramici a base di zirconia (FSZ, PSZ, TZP). Meccanismi di tenacizzazione nel SSN e nella PSZ.

f) Vetri:
Vetro di silice. Formatori e modificatori di reticolo. Composizione e proprietà dei più comuni vetri commerciali.

III - Materiali Polimerici
a) Struttura delle macromolecole polimeriche:
Richiami sui polimeri: natura macromolecolare, struttura della catena, geometria tetraedrica del carbonio e conformazioni della catena polimerica. Parametri che influenzano la flessibilità della catena polimerica: anelli in catena, gruppi laterali, forze intermolecolari. Stereoregolarità nei polimeri vinilici. Stereoregolarità nei polimeri dienici e nella gomma naturale. Architettura della macromolecola: polimeri con catene lineari, ramificate e reticolate. Effetto delle ramificazioni sulla morfologia del polietilene. Copolimeri: definizione, utilità e classificazione.

b) Principali tipologie di materiali polimerici:
Principali classi di materiali polimerici: plastiche, elastomeri e fibre. Polimeri termoplastici e termoindurenti. Tipici polimeri termoindurenti: le resine epossidiche. Elastomeri vulcanizzati. Elastomeri termoplastici. Miscele polimeriche: miscibilità e compatibilità dei polimeri. Principali classi di additivi polimerici (additivi per la trasformazione, antiossidanti e anti-UV, modificatori delle proprietà ottiche, modificatori delle proprietà meccaniche, additivi anti-fiamma, antimicrobici). Effetto dei plastificanti sulle proprietà del PVC.

c) Masse molecolari e loro distribuzioni:
Distribuzione numerale e ponderale delle masse molari. Valori medi (numerale e ponderale) della massa molare. Indice di polidispersità. Esercizi sul calcolo delle distribuzioni e delle masse molari medie. Effetto della massa molare sulle proprietà allo stato fuso e allo stato solido. Tipici valori di massa molare media e indice di polidispersità dei polimeri commerciali. Misurazione e significato del MFR (Melt Mass Flow Rate).

d) Morfologia dei materiali polimerici:
Polimeri amorfi. Deduzione della temperatura di transizione vetrosa (Tg) dalle curve modulo-temperatura e volume specifico-temperatura. Effetto della struttura della catena sulla Tg. Effetto della massa molecolare e del grado di reticolazione sulle curve modulo-temperatura dei polimeri amorfi. Curve modulo-temperatura di sistemi amorfi a due componenti: sistemi monofasici e bifasici. Polimeri semicristallini: morfologia sferulitica; grado di cristallinità; transizioni (Tg e Tm); curve modulo-temperatura; curve volume specifico-temperatura. Differenze tra polimeri amorfi e semicristallini: passaggio allo stato fuso, ritiri da stampaggio, trasparenza, resistenza chimica, resistenza all'environmental stress cracking (ESCR). Effetto della struttura e della storia termo-meccanica sul grado di cristallinità.

e) Comportamento meccanico dei polimeri:
Viscoelasticità nei polimeri. Comportamento al creep dei polimeri: effetto della temepratura e dello sforzo applicato, correlazione tra struttura e tendenza al creep. Prova di trazione sui materiali polimerici: esempi di comportamento, effetto di temperatura e velocità di deformazione, effetto dell'umidità nelle poliammidi, determinazione di rigidezza e resistenza a trazione secondo ASTM D638 e ISO 527, Tipici valori di proprietà a trazione nei polimeri (non caricati e non orientati). Prova di flessione su tre punti e determinazione delle proprietà a flessione secondo ASTM D790 e ISO 178. Prova di resilienza secondo Izod e secondo Charpy. Effetto dell'acutezza dell'intaglio e della temperatura sui valori di resilienza.

f) Processi di trasformazione dei polimeri:
Processo di estrusione con estrusore monovite. Estrusori bivite e loro impiego nei processi di additivazione. Estrusione di film per filmatura in bolla e per filmatura piana. Processi di filatura. Stampaggio a iniezione di termoplastici e termoindurenti. Soffiaggio (IBM, EBM, SBM). Stampaggio rotazionale. Termoformatura. Stampaggio per compressione.

g) Proprietà e applicazioni di alcune classi di polimeri industriali:
Classificazione dei polimeri industriali. Principali proprietà ed applicazioni di PE, PP, PVC, polimeri stirenici (PS, HIPS, SAN, ABS), PMMA, PC, PET, PBT e poliammidi alifatiche (nylon).

IV - Materiali Compositi
a) Fabbricazione dei materiali compositi a matrice polimerica:
Principali tipologie di rinforzi fibrosi. Caratteristiche delle resine poliestere insature (UP) e delle resine epossidiche. Principali metodi di fabbricazione dei PMC a matrice termoindurente: formatura manuale, in autoclave, per pultrusione, avvolgimento di filamenti, stampaggio con trasferimento di resina (RTM).

b) Principali fibre di rinforzo nei compositi:
Produzione e proprietà delle fibre di vetro. Struttura delle fibre di carbonio. Produzione delle fibre di carbonio da PAN. Proprietà generali delle fibre di carbonio (PAN e pece), delle fibre polimeriche (aramidiche, UHMWPE), di boro e ceramiche (allumina e carburo di silicio).

c) Proprietà principali dei compositi:
Proprietà specifiche (modulo e resistenza specifica): definizione e significato. Contenuto di fibra (frazione volumetrica e ponderale). Previsione della densità in assenza e in presenza di vuoti. Lamina unidirezionale a fibra continua: previsione del modulo elastico in direzione longitudinale (ipotesi di isodeformazione) e trasversale (ipotesi di isosforzo). Impiego delle equazioni di Halpin-Tsai nella previsione del modulo elastico in direzione trasversale. Effetto della lunghezza di fibra sulla rigidezza in una lamina a fibra corta: analisi qualitativa e previsione del modulo elastico mediante le equazioni di Halpin-Tsai.