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Science and technology of ceramic materials

02CFTLS

A.A. 2018/19

Course Language

Italian

Course degree

1st degree and Bachelor-level of the Bologna process in Ingegneria Dei Materiali - Torino

Course structure
Teaching Hours
Lezioni 70
Esercitazioni in aula 21
Esercitazioni in laboratorio 9
Tutoraggio 9
Teachers
Teacher Status SSD h.Les h.Ex h.Lab h.Tut Years teaching
Bondioli Federica   Professore Ordinario ING-IND/22 60 0 26,5 0 5
Teaching assistant
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Context
SSD CFU Activities Area context
ING-IND/22 10 B - Caratterizzanti Ingegneria dei materiali
2018/19
L'insegnamento é dedicato alla specifica classe dei materiali ceramici e nell'ambito del terzo anno del corso di laurea, assieme ai corsi riguardanti altre specifiche classi di materiali (polimerici, metallici e per usi funzionali), riveste un ruolo di formazione specialistica e professionalizzante.
This course deals with ceramic science and technology and, in the frame of the third year of this educational path, together with the modules devoted to other relevant families of materials (Metals, Polymers, Functional materials,..) it is aimed to supply specialized competences and professionalizing skills.
L’insegnamento si propone di fornire una robusta cultura ingegneristica relativa ai materiali ceramici, con particolare enfasi alle correlazioni esistenti tra composizione, struttura, nano/microstruttura e prestazioni del materiale, sottolineando le potenzialità di progettazione attraverso il controllo delle caratteristiche nano-micro-macrostrutturali e dei parametri di processo nelle varie tappe della complessa processatura ceramica. Come esemplificazione viene approfondita la trattazione di alcuni materiali ceramici di particolare rilevanza industriale.
The main aim of this course is to supply students with a robust engineering background on ceramic materials, providing them the scientific knowledge to understand the relations among composition, nano/microstructure and performances of this class of materials. In addition, some tailoring tools available during the design of the components thanks to the control of the nano-micro-macrostructural features as well as of the ceramic process parameters are supplied. As an example some ceramic materials relevant for their industrial applications are discussed.
Scienza e Tecnologia dei Materiali
Materials Science & Technology
Introduzione all’insegnamento: riassunto delle principali caratteristiche e proprietà dei materiali ceramici. Cenni all’organizzazione cristallina dei principali materiali ceramici ossidici e non ossidici (allumina, zirconia, titania, silice e silicati, granati, perovskiti, spinelli, nitruri e ossinitruri, carburi e boruri). Le polveri ceramiche: le caratteristiche attese in termini composizionali, superficiali, morfologici, di distribuzione granulometrica,.. Le principali tecniche di sintesi allo stato solido, per via umida, in fase gassosa. Confronto delle caratteristiche delle polveri in funzione della tecnica produttiva. La processatura delle polveri ceramiche: problematiche connesse alla comminuzione e alla miscelazione. Additivi di processo (tensioattivi, deflocculanti, coagulanti, plasticizzanti,...). Le tecniche di granulazione. Le proprietà di impaccamento delle polveri. La preparazione di sospensioni: bagnabilità, agglomerazione, stabilità colloidale, comportamento reologico. Le tecniche di formatura: a secco, ad umido, in pasta. Tecniche di pressatura a freddo e a caldo, tecniche di getto in stampo, su nastro, estrusione, iniezione. Essiccamento e eliminazione dei leganti e altri additivi. La sinterizzazione. Gli aspetti termodinamici e cinetici che presiedono alla densificazione di un crudo ceramico. I fenomeni diffusivi: approfondimento sui temi della diffusione in fase solida. Il ritiro e l’evoluzione della porosità. La crescita di grano e il suo controllo. I meccanismi della sinterizzazione allo stato solido. La sinterizzazione in presenza di una fase liquida. La sinterizzazione reattiva. La sinterizzazione sotto pressione. Il ruolo degli additivi di sinterizzazione. Le tecniche di finitura dopo densificazione. Le proprietà dei materiali ceramici e correlazione con la loro composizione/struttura/microstruttura. Proprietà termiche: capacità termica, espansione termica, conduttività termica. Comportamento in temperatura: resistenza allo scorrimento viscoso e allo shock termico. Proprietà meccaniche: principi di meccanica della frattura applicata ai materiali fragili. Costanti elastiche, durezza, resistenza a rottura per compressione e flessione. Tenacità a frattura e comportamento in curva R. Modulo di Weibull. Possibilità di tenacizzazione dei materiali ceramici e suggerimenti per la progettazione. Comportamento ad usura. Cenni alle altre proprietà (ad esempio, ottiche). Breve descrittiva di alcune tipologie di ceramici tradizionali (leganti, refrattari,..). Le lezioni teoriche saranno integrate da esperienze di laboratorio.
Introduction and a brief summary to the main properties of ceramic materials with respect to the other families of materials. Some examples of the structure of crystalline oxide and non-oxide ceramics (alumina, zirconia, titania, silica, silicates, garnets, perovskites, spinels, nitrides and oxynitrides, carbides and borides). Ceramic powders: compositional, surface, morphological, granulometrical expected features. Synthesis routes: solid-state, liquid-phase, vapour-phase syntheses. Powder features vs. synthesis routes. Processing of ceramic powders: grinding and mixing; process adjuvants (surfactants; deflocculants; binders; plasticizers;...). Granulation. Powder packing. Suspensions: wettability; agglomeration; stability of colloidal suspensions; rheology of suspensions. Forming: dry, wet, pastes. Cold or hot pressing; casting technologies; tape casting; extrusion; injection moulding. Drying and Debinding. Sintering. Thermodynamics and kinetics aspects of sintering. Diffusion mechanisms, particularly solid-state diffusion. Shrinkage and porosity evolution. Grain growth and its control. Solid-state sintering. Sintering in the presence of a transitory liquid-phase. Pressure-sintering. Sintering aids. Surface finishing. Properties of ceramics and their dependence from composition/structure/microstructure. Thermal properties: heat capacity; thermal expansion; thermal conductivity; creep resistance; thermal shock resistance. Mechanical properties: basic approach to fracture mechanics of brittle materials. Elastic constants; hardness; compressive and flexural strength. Fracture toughness and R-curve behavior. Weibull modulus. Toughening mechanisms for ceramics. Wear behavior. Introduction to other properties (optical,..). Brief description of few traditional ceramics having a relevant industrial market (binders; refractories;...). Ex-cathedra classes are coupled to laboratory experiences.
Fondamenti teorici e applicativi della Scienza e Tecnologia dei materiali ceramici (70 ore) Esercitazioni in aula e in laboratorio informatico, individuali e in team (20 ore) Esperienze di laboratorio (10 ore).
Fundamentals of science and technology of ceramic materials and applications (60 hrs) Exercises: individual, in team, and using informatics labs (Ashby’s selection charts) (20 hrs) Laboratory (10 hrs)
Dispense a cura del docente. Testi di riferimento sono suggeriti per le varie parti del Corso durante la discussione in aula.
Notes supplied by the teachers. Teachers suggest other bibliographic references during the classes.
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Progetto di gruppo;
Exam: Written test; Group project;
L’esame finale consiste in una sola prova scritta. E’ volto ad accertare l’acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese tramite lo svolgimento di una prova scritta della durata di due ore senza l'aiuto di appunti o libri. La prova scritta consiste di esercizi di calcolo e di domande a risposta chiusa o aperta. Complessivamente si tratta di cinque quesiti di cui tre dedicati agli aspetti teorici della scienza e tecnologia dei materiali ceramici, uno agli aspetti dei fenomeni di trasporto di materia in fase di densificazione e uno alle proprietà caratteristiche di questa categoria di materiali. Le domande si riferiscono ad argomenti trattati e presenti nelle dispense distribuite agli studenti riguardanti le tematiche svolte a lezione o esercitazione. Ai fini della valutazione si tiene anche conto dell’attività di esercitazione a gruppi svolta nel corso del semestre, con particolare enfasi alla capacità critica con la quale gli studenti hanno affrontato la tematica proposta.
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: Written test; Group project;
The final evaluation consists in a written test, aimed to assess the knowledge and skills developed during the semester. This test lasts two hours and it is made of five questions (open and/or closed), sometimes including also calculus. Three questions will cover theoretical topics in science and technology of ceramic; another will concern transport phenomena and a last one will cover specific properties of this class of materials. All the proposed questions refer to topics covered during the classes and included in the lecture notes/slides made available to all students through the portal. Workgroup activity will also take place during the semester and focussed on a specific argument agreed with the teachers. This will contribute to the final evaluation; in particular the critical approach of the students towards the proposed work will be taken into account.
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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