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PORTALE DELLA DIDATTICA

Materials for aerospace

01NHRMT

A.A. 2018/19

Course Language

Italian

Course degree

Master of science-level of the Bologna process in Aerospace Engineering - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 48
Esercitazioni in aula 12
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Biamino Sara Professore Associato ING-IND/22 30 12 0 0 7
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/22 6 D - A scelta dello studente A scelta dello studente
2018/19
Probabilmente nessun settore industriale come quello aeronautico-spaziale manifesta una richiesta così continua di materiali innovativi e una disponibilità consolidata alla sperimentazione di nuove soluzioni. L’introduzione di requisiti sempre più stringenti crea nuove e sempre più significative esigenze e problematiche alle quali la ricerca industriale deve dare risposta con competitiva tempistica e appropriata affidabilità. Questo obiettivo non può essere conseguito se la cultura dell’ingegnere aerospaziale non si arricchisce di una conoscenza approfondita dei materiali e delle fondamentali correlazioni esistenti tra i vari livelli di struttura (composizione, nanostruttura, microstruttura, macrostruttura) e le proprietà, non necessariamente e in modo univoco meccaniche, ma anche chimico-fisiche (di durabilità, termiche, ottiche, magnetiche,…). Tali basi conoscitive ed interpretative dei materiali e delle loro prestazioni ‘a tutto tondo’ costituiscono, infatti, non solo uno strumento per comprendere le nuove proposte di materiali, che rapidamente si susseguono nel mondo aerospaziale, ma anche per agire come protagonisti nella innovazione e nella ideazione di nuovi materiali.
The aeronautics-aerospace industrial sector continuously needs new materials and innovative solutions able to match very strict requirements in order to improve product reliability and competitiveness. To achieve this ambitious goal, aerospace engineers must achieve a deep knowledge about materials and basic relationships between the several structural levels (compositional, nanostructural, microstructural, macrostructural) of the materials and their properties, in terms not only of mechanical, but also physico-chemical (durability, thermal, optical, magnetic, and so on) features. Such basic knowledge is a fundamental tool for understanding innovation but also to play a leading role in the study and exploitation of new materials for this advanced field of application.
L’obiettivo è di fornire allo studente le nozioni base in termini di materiali e tecnologie che gli permetta di approcciare in modo consapevole la notevole moltitudine di materiali per le applicazioni aerospaziali: - selezione del materiale più opportuno per i requisiti dell'applicazione; - tecnologie con cui si può realizzare un componente una volta scelto il materiale; - trattamenti termici, trattamenti superficiali mirati a massimizzare le prestazioni dei diversi materiali. - conoscere le nomenclature dei materiali (in particolare quella internazionale) - conoscere la terminologia internazionale, in particolare quella inglese. Verranno trattati i materiali attualmente stato dell'arte ma tenendo conto della notevole velocità con la quale, nel settore aerospaziale, si osserva la penetrazione di nuovi materiali e tecnologie ad essi connesse, il corso vuole fornire anche una visione delle attuali linee di ricerca per superarie i limiti dei materiali/ tecnologie. In questo modo l'Ingegnere aerospaziale acquisirà terminologie e conoscenze che favoriranno il dialogo con altre culture (quali la scienza e tecnologia dei materiali e gli ingegneri dei Materiali) per lo sviluppo di nuovi materiali per il settore aerospaziale.
The goal is to provide the student with the basics in terms of materials and technologies that allow him to consciously approach the considerable multitude of materials for aerospace applications: - selection of the most appropriate material for application requirements; - technologies with which a component can be made once the material has been chosen; - heat treatments, surface treatments aimed at maximizing the performance of different materials. - know the nomenclature of materials (especially the international one) - know the international terminology, in particular the English one. The materials currently state of the art will be treated during the course but, taking into account the remarkable speed with which, in the aerospace sector, the penetration of new materials and technologies is observed, the course aims to provide a view of the current research lines for surpassing the actual limits of materials / technologies too. In this way the aerospace engineer will acquire terminologies and knowledge that will favor dialogue with other cultures (such as materials science and technology and materials engineers) for the development of new materials for the aerospace industry.
Lo studente deve possedere una cultura di base solida e ampia sui materiali, a partire dalla loro natura e struttura fino alle principali proprietà. Deve pertanto possedere informazioni consolidate sulla struttura della materia ai vari livelli di scala dimensionale, sulle strutture amorfe e cristalline, e le loro difettualità. Deve conoscere le classi di materiali e le principali differenze tra di essi, in termini composizionali e prestazionali. Deve inoltre conoscere i fondamenti del comportamento meccanico dei materiali e delle altre principali proprietà (termiche, ottiche, magnetiche,..). Deve infine avere conoscenza dei principali processi di produzione e trasformazione dei materiali.
The student is required to have a large, basic knowledge on materials science and technology, starting from atomic and compositional data till to the main properties at the macro-scale. In particular, he must own a robust background about materials structure at the different scales, about glassy and crystalline solids, and their atomic/microstructural defects. He must know the different classes of materials and the major differences in terms of composition and properties. He must have fundamental knowledge on mechanical behaviour of the materials as well as on their many other (thermal, optical, magnetic…) properties. Finally he must know the main processes for materials production and transformation.
Materiali per alte temperature. I materiali metallici per i propulsori aeronautici e spaziali: le superleghe base nichel e cobalto e le problematiche relative agli organi di movimento nelle turbine. Rivestimenti protettivi a barriera termica (TBC-EBC). Criteri di selezione; caratteristiche composizionali e microstrutturali; processi produttivi. Problematiche di durabilità. Nuove prospettive di design. L’introduzione dei compositi a matrice ceramica (h.13) I materiali intermetallici ed il tema dell’alleggerimento delle strutture rotanti: caso studio delle leghe intermetalliche gamma-TiAl per la produzione di palette per gli ultimi stadi della turbina di bassa pressione. Il valore aggiunto delle tecniche di additive manufacturing per componenti in materiale metallico (h.6) Gli acciai speciali per applicazioni nelle gearbox e negli organi di trasmissione. I materiali metallici per le strutture aereonautiche e spaziali: le leghe di alluminio e magnesio alto resistenziali; i processi di formatura speciali per la produzione di componenti complessi e di grande dimensione; le leghe di titanio e i processi di formatura di diffusion bonding e superplastic forming. Il problema della giunzione tra componenti metallici. I compositi a matrice metallica (8 h). I materiali polimerici e compositi a matrice polimerica per lo sviluppo di strutture ad elevata resistenza specifica: i polimeri per l’incollaggio speciale; i compositi a matrice polimerica alto resistenziali per lo sviluppo di velivoli a elevate prestazioni. Le strutture gonfiabili e la tematica dei materiali a gradiente di funzione (FGM). Esempi di sistemi compositi a matrice polimerica. (6h) Materiali per moduli abitativi. Materiali per strutture rigide e gonfiabili. La realizzazione dell’azione di scudo: alle radiazioni (Radiation Shield), all’urto di micrometeoriti, all’abrasione e usura interna,.... Il design dei materiali a ridotta permeabilità ai gas. (h.3) I sistemi di protezione termica (TPS). Protezioni termiche passive. Tipologie di materiali, condizioni operative e funzionalità. Il caso delle protezioni dello Space Shuttle. Problematiche in uso e alternative in fase di sviluppo. I materiali per il ‘Repair-in-space’: concetto, ruolo e problematiche. Il concetto del self-healing. Gli UHTC (Ultra-High Temperature Ceramics) nel disegno dei profili "sharp": composizioni, proprietà e nuove soluzioni per migliorarne prestazioni e affidabilità. Protezioni termiche attive: il fenomeno dell’ablazione. Ablatori per bassi, medi e alti flussi termici. (h.6) La durabilità nello spazio e le principali cause di degrado dei materiali per lo spazio: outgassing e tensione di vapore, erosione da ossigeno, infragilimento da idrogeno, interazione con radiazioni, micrometeoriti,... Relativi danneggiamenti subiti dai materiali, potenziale tempo di vita, possibili soluzioni per contenere gli effetti negativi. (h.3) Gli smart materials: sistemi sensori-attuatori nel controllo termo meccanico e nel controllo dell’isolamento termico. Materiali per sensoristica e per attuazione: materiali piezoelettrici, materiali conduttori ionici, SMA, magnetostrittori. Le applicazioni nel campo della robotica umanoide spaziale per attività extraveicolari. (h.4) Materiali trasparenti: applicazioni ottiche e optoelettroniche. Le finestre ottiche e la trasparenza a lunghezze d’onda diversificate. Materiali per finestre rigide e per finestre flessibili. Materiali per radomes. Materiali a bassissimo coefficiente di dilatazione termica: il caso dei materiali per telescopi spaziali (mirrors). (h.4) Le nuove frontiere dei materiali: la nanostrutturazione. Il controllo della struttura dei materiali alla nanoscala e le implicazioni a livello prestazionale, chimico-fisico-meccanico. (h.4) Criteri di design e selezione di materiali. Diagrammi di Ashby. (3 h)
High-temperature materials. Metallic materials for aeronautic and space propulsion: nickel and cobalt superalloys and the demanding for moving devices in turbines Thermal barrier coatings (TBC-EBC). Compositions, properties, processes and design. Durability . The introduction of cerami matrix composites (h. 13) Intermetallic materials and the subject of rotating structure lightening: gamma-TiAl case study for the production of low pressure turbine blades. The adding value of additive manufacturing technologies for the production of metallic components (h.6) High strength steels and their application in gearbox and transmission devices. Metallic materials for aeronautic and space structures: high performing aluminum and magnesium alloys and forming processes for complex components with large dimensions; titanium alloys and the diffusion bonding process as well as supeplastic forming. The topic of the joining between metallic components. Metal matrix composite. (h. 8) Polymeric materials and polymeric matrix composites for the development of structures with high specific strength: polymers for special joining; high strength polymeric composites for the development of high performing flying devices. Inflatable structures and the topic of functionally graded materials (FGM). Examples of devices in polymeric matrix composites (h.6) Materials for rigid and inflatable structures. Radiation and several other type of shield. Low-permeability materials (h.3) Thermal protection systems (TPS). Passive (Reusable) systems: materials, working conditions, problems, solutions. Case of Space Shuttle TPS. Materials for repair in space. Self-healing. UHTC (Ultra-High Temperature Ceramics) and sharp profiles: compositions, solutions, reliability. Active TPS: ablation and ablative materials for low, medium and high flux conditions (h.6) Durability in space operative conditions: the main degradation phenomena and possible solutions (h.3). Smart Materials: sensors and actuators. Piezoelectrics, ionic conductors. SMA, magnetostrictors. Application in the field of space human–robotic for extra vehicular activities. (h.4). Transparent materials (optic and optoelectronic applications): optical, rigid or flexible windows. Radomes. Very low CTE materials: the case of telescope mirrors. (h.4) Nanomaterials; an introduction to the nanoscaled materials and processes (h.4) Design criteria and material selection. Ashby diagrams . (h.3)
Il corso consiste di lezioni frontali da parte del docente ed esercitazioni in aula mirate a visionare provini e campioni di materiali trattati durante il corso e descrivere casi studio di componenti. Viene anche illustrato il software CES EDUPACK che rappresenta un interessate strumento per supportare la scelta e la selezione dei materiali
The course consists of lectures by the teacher and classroom exercises aimed at examining samples and samples of materials covered during the course as well as describing case studies of components. In addition, the CES EDUPACK software (which represents an instrument to support the selection and selection of materials) is presented.
Le slide utilizzate dal docente per le spiegazioni verranno fornite in anticipo e testi per eventuali approfondimenti saranno consigliati durante le lezioni.
The slides used for the lessons will be available in advance and books for eventual in deep investigation of particular subjects will be suggested by the teacher during the lessons.
Modalità di esame: prova scritta;
Esiste il solo esame scritto finale, che accerta l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese tramite lo svolgimento di una prova scritta di 2 ore senza l'aiuto di appunti o libri. La prova scritta consiste di 16 quesiti, nei quali si richiede di dimostrare la conoscenza della materia. Le domande valgono tutte due punti e possono essere a risposta aperta o a risposta multipla. Se si supera 30 si ottiene la lode. Un facsimile di prova d’esame sarà disponibile sul portale della didattica.
Exam: written test;
The examination is only written. The examination will last 2 hrs. Books and notes will not be available. The student will have to answer to 16 questions in order to witness his/her knowledge of the contents of the course. Each question has a value of 2. Above 30 means that the laude is reached. The student may be requested to provide an open answer or to select an option among given possibilities. A facsimile examination form will be available on the "Portale della didattica".


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