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PORTALE DELLA DIDATTICA

Chimica, fisica e ingegneria delle superfici

01NGHMZ

A.A. 2022/23

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Dei Materiali - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 64
Esercitazioni in aula 10
Esercitazioni in laboratorio 6
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Cicero Giancarlo Professore Associato FIS/03 22,5 4,5 3 0 11
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
CHIM/07
FIS/03
ING-IND/21
2
2
4
B - Caratterizzanti
B - Caratterizzanti
B - Caratterizzanti
Discipline dell'ingegneria
Discipline fisiche e chimiche
Discipline dell'ingegneria
Valutazione CPD 2021/22
2022/23
La superficie rappresenta sia il modo di apparire di un corpo sia il tramite attraverso cui un corpo interagisce chimicamente, fisicamente e meccanicamente con altri corpi solidi, liquidi e gassosi. L'insegnamento si propone l'obiettivo di fornire le conoscenze relative ai fenomeni di tipo chimico, fisico, termico e meccanico che coinvolgono la superficie, intesa sia come interfaccia con l'ambiente circostante sia come insieme di strati superficiali di un materiale in cui le proprietà sono diverse da quelle della sua porzione interna. L'insegnamento intende inoltre conferire le competenze che permettano la manipolazione delle tecnologie appropriate per ottenere, in modo efficace dal punto di vista economico, adeguate e specifiche proprietà superficiali. Ciò significa, per esempio, progettare modifiche di superfici di solidi al fine di: migliorarne l'estetica; aumentare la durabilità dell'oggetto; poter utilizzare per il substrato materiali poco costosi, modificando la sola porzione superficiale dell'oggetto; ottenere proprietà specifiche e diverse da quelle dell'interno del materiale.
The surface represents both the aesthetic aspect of a body and the medium through which such body interacts chemically, physically and mechanically with other bodies (solids, liquids or gases). This course aims at providing the knowledge concerning the chemical, physical, thermal and mechanical phenomena which involve the surface of materials. To this end the surface has to be interpreted both as the body interface with the environment and as the complex structure of all the superficial and subsurface layers, within which the material properties are inherently different from those of the bulk. Another objective of the course is to provide future engineers with competences needed to optimally manipulate the technologies to achieve cost effective and efficient surface properties. This means for example to be able to design surface modifications of solids so as to: enhance the decorative aspect of the components; enhance their durability; use cheaper substrates, being the surface modification by itself able to improve the material nobility; achieve specific properties different from those of the material core.
L'obiettivo è di sviluppare nell'allievo la comprensione dei fenomeni relativi agli strati superficiali e subsuperficiali di un materiale, la conoscenza degli aspetti teorici dei fenomeni di superficie e, dove possibile, la capacita' di progettare specifiche modifiche della superficie. Si desidera rendere l'allievo capace di modellare i fenomeni superficiali a livello teorico, anche attraverso l'utilizzo di leggi ed equazioni matematiche. L'insegnamento ha inoltre l'obiettivo di permettere ai futuri ingeneri di gestire le criticità relative ai possibili fenomeni di danneggiamento o deterioramento delle proprietà superficiali, e, sulla base delle finalità di applicazione in esercizio dei vari componenti, di selezionare un opportuno trattamento di modificazione superficiale. Per questa ultima finalità si forniranno agli allievi le competenze atte a eseguire un confronto critico tra le varie tecniche di trattamento e una identificazione dei parametri di processo che permettano di ottimizzare una particolare tecnica per la specifica applicazione. Al termine dell'insegnamento si chiederà allo studente di: - conoscere i modelli di riferimento delle diverse possibili interazioni meccaniche fra le superfici dei corpi (meccanismi di usura adesiva, abrasiva, erosiva, ecc.) e le grandezze che influenzano tali interazioni. - conoscere i modelli di riferimento delle diverse possibili interazioni chimiche e termiche fra le superfici dei corpi (modi generali di corrosione, contatto con particolari atmosfere di processo, fatica termica, ecc.) e le grandezze che influenzano tali interazioni. - derivare dalle sollecitazioni che i componenti subiranno in esercizio le scelte dei possibili materiali da utilizzare per la loro costruzione e/o dei possibili trattamenti di modificazione superficiale da applicare - selezionare criticamente i trattamenti oltre che sulla base dei vincoli posti dall'esercizio finale a cui i componenti sono destinati anche sulla base dei limiti imposti, ad esempio, dalla forma e peso dei componenti,dalle produttività richieste, dalla necessità di non alterare con la temperatura alcune caratteristiche del materiale massivo, dal costo del processo, necessità di modificare superfici esposte o parzialmente coperte (es. fori o sottosquadri), impatto ambientale, ecc. - applicare i trattamenti di modificazione superficiale al miglioramento degli aspetti decorativi, di resistenza meccanica e alle specifiche richieste funzionali. Ai fini dell'autonomia di giudizio e della comunicazione tecnica: - creare matrici di confronto fra i diversi trattamenti di modificazione superficiali identificando i vari parametri di giudizio (es. temperatura operativa sul pezzo, tipo di materiali che si possono depositare, limitazioni geometriche al trattamento, costi di processo, produttività, particolari atmosfere di processo, spessori delle modifiche superficiali introdotte, ecc.). - scomporre in fenomeni degradativi (meccaniche e corrosive) elementari le sollecitazioni subite in esercizio da particolari componenti. - conoscere la terminologia internazionale, in particolare quella inglese. Queste conoscenze e abilità vengono acquisite attraverso lo studio di alcuni casi concreti analizzati durante l'insegnamento, che vengono proposti in quanto esemplari, ovvero rilevanti per le applicazioni tecniche e adatti a introdurre la gamma di metodi che nel complesso l'ingegnere dei materiali deve padroneggiare.
The objective is to provide the students with the ability to identify the phenomena related to the superficial and sub-superficial layers of a material, to know the theoretical aspects of such phenomena, to analyze the parameters which control such phenomena and, if possible, to design the appropriate surface modifications to tackle such phenomena and to efficiently exploit those modifications. The course aims at explaining to the students how to modeling the surface phenomena at a theoretical level also using a mathematical approach. Furthermore, the course has the objective to allow to the future engineers to manage the critical events of surface related damages or surface properties deteriorations, and, on the base of the final application in service, to select the optimal surface treatment for engineering components. To this end the students will be provided with the competences enabling to critically compare the different surface treatments and to identify the process parameters that allow to optimize a particular surface modification technique for a specific application. Therefore, at the end of the present course the students will be examined on the base of: - knowledge of the reference models of the different mechanical interactions between body surfaces (mechanisms of adhesive wear, abrasive wear, erosive wear, etc.) and the parameters which control such interactions. - knowledge of the reference models of the different chemical and thermal interactions between body surfaces (general modes of corrosion, corrosion in presence of particular environments, thermal fatigue, etc.) - capacity to derive from stresses to which components are subject in service, the selection of candidate materials to be used for the fabrication and/or of the possible surface modifications treatments. - capacity to critically select surface treatments also on the base of the limits imposed, for example, by the shape and the weights of the components, by the required productivity levels, by the substrate material, by the economy scale, by the presence of holes and blind parts within the component geometry, by the environmental impact, etc. - capacity to apply surface modification treatments to enhance the decorative aspect, the mechanical resistance and other specific functional requirements. In order to verify the autonomy of judgments and the ability for technical communication, the following criteria will be considered: - capacity to create matrixes of comparisons between the different surface modification treatments, identifying the various parameters of evaluation (e.g. operative temperature, types of materials that can be deposited, geometrical constraints, economy of scale, productivity, particular process atmosphere, thickness of surface modifications achieved, etc.) - capacity to decompose the complex stresses applied in service on real components, in simplified degradative phenomena (e.g. mechanical and corrosive). - Knowledge of the international terminology related to surface matters, in particular the English and Italian ones. Such knowledge and abilities are assumed through the study of some real cases analyzed along the course. Those cases are of particular interest, since they are highly diffused in technical applications and they introduce the range of methods on which the materials engineers have to be master of science.
L'allievo che accede a questo insegnamento deve conoscere le proprietà generali dei materiali metallici, ceramici e polimerici, le nozioni di base di meccanica razionale e quelle relative alle proprietà meccaniche dei materiali, le caratteristiche dei trattamenti in temperatura massivi di materiali metallici e ceramici.
In order to face this course effectively, the student should have already acquired basic knowledge on metallic, ceramic and polymeric materials. He/she also needs to master basic notions of mechanical properties of materials and be aware of the mains features of temperature treatment of bulk metallic and ceramic materials.
Oggetto di insegnamento sono le tecniche sperimentali e i procedimenti di calcolo che consentono di prevedere e valutare le proprietà chimico-fisiche, meccaniche e termiche delle superfici dei materiali. Gli argomenti sono scelti in modo da mettere in evidenza un esauriente spettro di metodi e casi rappresentativi delle principali classi di problemi che si incontrano nell'attività dell'ingegnere. - Introduzione alla chimica, fisica ed ingegneria delle superfici. (2 ore) - Definizione di superficie. Rilassamento e ricostruzione delle superfici. (4 ore) - Tecnologie del vuoto per la preparazione e il trattamento di superficie. (2 ore) - Tecniche di caratterizzazione cristallografica di superfici: Reticolo Reciproco e LEED. (4 ore) - Tecniche di caratterizzazione chimica di superfici: spettroscopiche di fotoemissione, spettroscopia Auger, tecnica SIMS, tecnica EELS. (10 ore) - Analisi morfologica (microscopie a sonda). (3 ore) - Tecniche di funzionalizzazione di superfici e relative caratterizzazioni. (3 ore) - Adsorbimento. Fisisorbimento e Chemisorbimento. Modello di Langmuir. Definizione e misura della superficie specifica. Modello BET. (4 ore) - Proprietà acido-base delle superfici. Definizione e caratterizzazione. (2 ore) - Proprietà idrofiliche e idrofobiche delle superfici. Definizione e caratterizzazione. (2 ore) - La spettroscopia infrarossa dell'adsorbimento di molecole sonda nella caratterizzazione delle superfici. (2 ore) - Proprietà, reattività chimica e modificazione delle superfici dei solidi COVALENTI (silice, carboni attivi, diamante). (3 ore) - Proprietà, reattività chimica e modificazione delle superfici dei solidi METALLICI (chemisorbimento; superfici estese e metalli dispersi; effetto del supporto su metalli dispersi). (2 ore) - Proprietà, reattività chimica e modificazione delle superfici dei solidi IONICI e IONICO-COVALENTI (MgO, Al2O3). (2 ore) - Superfici interne di solidi nanoporosi: ZEOLITI, ARGILLE, MATERIALI A MESOPOROSITA' ORDINATA. (3 ore) - Applicazioni di solidi nanoporosi ad ADSORBIMENTO e SEPARAZIONE: generalità ed esempi (separazione di gas). (2 ore) - Applicazioni di solidi nanoporosi alla CATALISI ETEROGENEA: generalità ed esempi (sintesi dell'ammoniaca). (2 ore) - Riepilogo del concetto di superficie fisica, meccanica, tecnologica e fisico-chimica, delle caratteristiche geometriche della superficie, dei fenomeni relativi al contatto fra le superfici e delle alterazioni che derivano da tale contatto. (lez. 4 ore) - Generazione di tensioni residue nelle operazioni tecnologiche e relative ripercussioni in esercizio; natura microscopica della generazione di attrito nei materiali. (lez. 4 ore) - Lubrificazione e Lubrificanti. (lez. 2 ore) - Meccanismi di usura adesiva, abrasiva, erosiva, per fatica di contatto. (lez. 6 ore) - Metodi di protezione da usura e corrosione: trattamenti di modificazione superficiale -processi meccanici, processi termochimici, elettrodeposizione, processi fisici e chimici da fase vapore, termospruzzatura. (lez. 10 ore) - Analisi di casi specifici di degradazione superficiale e metodi di protezione. (2 ore)
Aim of this course is to teach the experimental techniques and the theoretical basis which allow the students to evaluate the chemo-physical, mechanical and thermal properties of a material. The subjects are selected so to present a wide range of methods and representative cases of problems that engineers may face during his/her activity. - Introduction to surface chemistry, surface physics and surface engineering. (2 hours) - Surface definition. Surface relaxation and reconstruction. (4 hours) - Vacuum technologies for surface preparation and treatment. (2 hours) - Surface Structural analysis: reciprocal lattice and electron diffraction. (4 hours) - Surface Compositional analysis: XPS, AES, SIMS and EELS (10 hours) - Morphological analysis: scanning probe microscopies (3 hours) - Surface functionalization and characterization (3 ore) - Adsorption. Physisorption and chemisorption. Langmuir model specific surface: definition and measurement. (4 hours) - Acid-base properties of surfaces. Definition and characterization. (2 hours) - Hydrophilic and hydrophobic properties of surfaces. Definition and characterization. (2 hours) - IR spectroscopy of adsorbed probe molecules employed in surface characterization. (2 hours) - Properties, chemical reactivity and modification of covalent solids (silica, active carbons, diamond). (3 hours) - Properties, chemical reactivity and modification of metallic solids (chemisorption; extended surfaces and dispersed metals; support effect on dispersed metals). (2 hours) - Properties, chemical reactivity and modification of ionic and ionic-covalent solids (MgO, Al2O3). (2 hours) - Internal surfaces of nanoporous solids: zeolites, clays, materials with ordered porosity (3 hours) - Adsorption and separation: basic principles and examples (gas separation). (2 hours) - Heterogeneous catalysis: basic principles and examples (ammonia synthesis). (2 hours) - Fundamentals of physics of surface, mechanical, technological and physo-chemical technology; geometrical features of the surface, contact mechanics (4 hours) - Residual stress generation in technological processing and related consequences in service; microscopic origins of friction between mating materials (4 hours) - Lubrication and lubricants - Mechanisms of adhesive, abrasive, erosive wear and contact surface fatigue (8 h) - Surface modifications against wear: examples of mechanical and thermochemical surface modifications, galvanizing deposition, physical and chemical vapour deposition, thermal spraying (10 h) - Case studies of specific surface damaging processes and related protection strategies (2h)
L'insegnamento consiste in lezioni teoriche ed esercitazioni. E' prevista una visita nei laboratori della sede di Alessandria del Politecnico di Torino, con spiegazione delle tecniche di caratterizzazione della resistenza all'usura, alla corrosione e alla fatica termica. Nell'ambito della visita si svolgono brevi prove di usura dimostrative del modo di funzionamento delle diverse macchine e della procedura di prova. La durata della esperienza di laboratorio è di 4 ore. Nel caso in cui l'insegnamento sia svolto completamente on-line la visita ai laboratori sarà sostituita con un laboratorio virtuale durante il quale verranno illustrate le esecuzioni delle prove di usura ed i modi funzionamento delle diverse macchine impiegate a tale scopo.
The course consists of theoretical lectures and exercises. If the course will be delivered face-to-face, a visit to the laboratories of the Politecnico di Torino in Alessandria will be organized. During the visit, the students will deepen their knowledge related to characterization techniques relative to wear resistance, corrosion resistance and thermal fatigue. In particular, during the laboratory session the teacher will show the working principle of different instruments and some test procedures will be conducted. The duration of the laboratory experience is of about 4 hours. If the course will be delivered on-line, we will organize a virtual-lab during which we will explain how to perform wear resistance tests and the working principles of the employed instruments.
Poiché questo modulo di insegnamento è una particolare sintesi di molti aspetti della chimica, fisica e ingegneria delle superfici è stato sviluppato materiale didattico apposito che non coincide con testi disponibili sul mercato. Per alcuni argomenti specifici relativi ai fenomeni di usura si fa riferimento al seguente testo: G. Straffelini "Attrito e usura", Ed. Tecniche Nuove, Milano, 2005. Le diapositive utilizzate durante le lezioni, vengono messe a disposizione agli studenti iscritti all'insegnamento sul portale della didattica.
This course deals with many aspects of surface chemistry, physics and engineering for which the teachers have developed own teaching materials that is not found in any specific textbooks currently available on the market. For subjects related to wear phenomena, the teacher will refer to the textbook: G. Straffelini 'Attrito e usura', Ed. Tecniche Nuove, Milano, 2005. The slides used by the teacher during the lessons will be available for download to the students enrolled in this course through the on-line portal.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;
Exam: Compulsory oral exam;
L'esame finale consiste in un colloquio orale volto ad accertare l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese (v. sopra). Al fine di verificare in modo rigoroso il raggiungimento degli obiettivi di apprendimento, e quindi l'acquisizione delle conoscenze e capacità di comprensione e delle capacità di applicarle, la verifica si articola in domande di diversa natura: conoscenza specifica di fenomeni inerenti la superficie e dei trattamenti di modificazione superficiale, esecuzione di confronti tra diverse tecnologie di modificazione superficiale mettendo in evidenza i parametri distintivi e le potenziali applicazioni.
Gli studenti e le studentesse con disabilità o con Disturbi Specifici di Apprendimento (DSA), oltre alla segnalazione tramite procedura informatizzata, sono invitati a comunicare anche direttamente al/la docente titolare dell'insegnamento, con un preavviso non inferiore ad una settimana dall'avvio della sessione d'esame, gli strumenti compensativi concordati con l'Unità Special Needs, al fine di permettere al/la docente la declinazione più idonea in riferimento alla specifica tipologia di esame.
Exam: Compulsory oral exam;
The exam consists of an oral examination aiming at verify the expected knowledge (see above). In particular, different types of questions will be proposed during the examination so to understand if the student has achieved the objectives of the course. The student has to show that he/she has understood the concepts explained during the lessons and that he/she is able to apply them to practical surface problems. The questions may aim at proving specific knowledge of surfaces phenomena, surface treatments and modification, but also at comparing different surface modification technologies highlighting specific relevant parameters and potential applications.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.
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