Servizi per la didattica
PORTALE DELLA DIDATTICA

Scienza e tecnologia dei materiali compositi

02CFUMZ

A.A. 2019/20

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Dei Materiali - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 70
Esercitazioni in aula 25.5
Esercitazioni in laboratorio 3.5
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Badini Claudio Francesco Professore Ordinario ING-IND/22 70 25.5 9.5 0 10
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
ING-IND/22 10 B - Caratterizzanti Discipline dell'ingegneria
2018/19
Questo insegnamento completa il panorama delle classi di materiali maggiormente utilizzati nel campo dell'ingegneria, aggiungendosi ai tradizionali materiali metallici, polimerici e ceramici. Poiché i materiali compositi nascono dall'abbinamento di materiali convenzionali, facendo derivare da tale abbinamento effetti sinergici ed un set di proprietà non altrimenti realizzabili, l'insegnamento richiama ed utilizza le nozioni fornite nei corsi di base sui materiali convenzionali. Per altro la fase dispersa nella matrice dei compositi sovente presenta caratteristiche e processi di fabbricazione specifiche che sono presentate nella parte iniziale dell'insegnamento. Successivamente sono introdotte le principali categorie di materiali compositi (a matrice polimerica, metallica e ceramica ) ed i relativi processi di fabbricazione. Sono poste in evidenza le proprietà (caratteristiche meccaniche, termiche, termomeccaniche, elettriche ecc.) di ciascuna classe di materiali compositi e presentati i relativi campi di applicazione. I materiali compositi sono caratterizzati dal possedere proprietà meccaniche, fisiche, chimiche modulabili in funzione delle esigenze primarie della struttura complessiva, offrendo così all'ingegnere diversificate soluzioni progettuali. L'insegnamento propone principi fondamentali e modelli micromeccanici concernenti le principali caratteristiche meccaniche ed i meccanismi di danneggiamento di questi materiali.
This course is aimed at the completion of the knowledge about the materials of the greatest interest for engineering; composite materials are presented also exploiting the knowledge previously acquired by the students about conventional metallic, polymeric and ceramic materials. Since the composite materials are processed by coupling two or more conventional materials a specific set of pre-fixed properties can be achievd. The second phase dispersed in the composite matrix frequently is processed according to specific processing paths that are presented in the first part of the course. Afterwards the main classes of composite materials (with polymeric, metallic and ceramic matrices) and their production technologies are discussed. The main properties of the composite materials(mechanical, thermal, thermo-mechanic and electric behaviour) and the fields of possible application are then presented. Composite materials showing pre-fixed properties fulfilling specific performance requirements can be designed, thus offering to engineers several solutions for practical applications. Micro-mechanical models suitable for designing a composite with tailored properties will be introduced. Finally the degradation processes that can affect composite materials will be discussed.
Conoscenza delle caratteristiche e dei processi produttivi delle classi principali di materiali compositi. Comprensione dei meccanismi che consentono di ottenere proprietà peculiari sulla base della scelta dei componenti del materiale e della sua architettura. Capacità di progettare un materiale composito di cui siano prefissate (indicando una forcella di valori) le caratteristiche meccaniche e le altre principali proprietà fisiche e chimiche.
The student will acquire the basic knowledge about the characteristics and the production technologies of the different kinds of composites. Another expected learning outcome refers to the capability of designing composites showing a set of required properties (for a specific application) by chosing the suitable material components as well as the composite architecture.
Chimica, fisica, fondamenti di meccanica, elementi di matematica. Conoscenze di base su materiali metallici, polimerici e ceramici.
Prerequisites Basic knowledge of Chemistry, Physics, Mathematics. Knowledge about traditional metallic, polymeric and ceramic materials.
Generalità e peculiarità dei materiali compositi. Tecnologie produttive, settori di utilizzo e proprietà fisiche, chimiche e meccaniche di: fibre sintetiche organiche e inorganiche, particelle, whiskers e fibre corte. Compositi a matrice polimerica, metallica e ceramica. Compositi in situ. Interfacce: descrizione e loro ruolo nel determinare le proprietà dei materiali compositi. Comportamento elastico di compositi con rinforzante continuo: Leggi di Voigt e Reuss. Utilizzo della regola delle miscele per la previsione di altre proprietà fisiche. Equazioni di Tsai Halpin. Modello ¿Shear Leg¿ di Cox. Effetto del rapporto di forma del rinforzante e suo valore critico. Dipendenza della rigidità dalla direzione per singole lamine di composito e laminati. Tensioni residue nei compositi. Resistenza delle fibre: approccio statistico, funzioni di Weibull. Resistenza di fibre multifilamento. Dipendenza della resistenza dalla lunghezza delle fibre. Modelli micromeccanici di resistenza di lamine e laminati in materiale composito con fibre continue. Criteri di frattura. Metodi sperimentali di misura della resistenza di interfacce. Resistenza di compositi con rinforzante discontinuo: modello ¿Shear Leg¿ modificato, modello di Arsenault e Shi (per MMCs). Cause ambientali di degrado di compositi a matrice polimerica, metallica e ceramica. Creep di materiali compositi, resistenza alla corrosione di MMCs. Cause di degrado delle interfacce matrice/rinforzante. Tenacità di compositi: interazione tra cricca e fibra e relativo lavoro di debonding, post-debonding e pull-out. Meccanismi di tenacizzazione in compositi con rinforzante discontinuo e matrice ceramica. Comportamento a fatica di compositi a matrice polimerica, metallica e ceramica.
Course syllabus. Introduction to the concept of composite material. Production processes; physical, chemical and mechanical properties of: organic and inorganic long fibres, particles, whiskers and chopped fibres. Classification of composites with polymeric, metallic and ceramic matrix. In-situ composites. Role of interfaces in composites. Elastic behaviour of composites containing long fibres: Voigt an Reuss equations. Adoption of the mixture rule for the forecast of other composite properties. Tsai-Halpin equations. Shear Leg model by Cox. Importance of tha aspect ratio of short fibres and measurement of its critical value. Anisotropy of the single lamina of composite material: stiffness in different directions. Residual stresses. Fibre strength: statistical distribution according to Weibull equations. Strength of multi-filament fibres. Effect of fibre length on strength. Micro-mechanical models for the calculation of the strength of both the single composite sheet (with long fibres) and the multi-layer laminate. Experimental methods for interfacial strength measurement. Strength of composites with short fibres, wiskers and platelets: adaptation of Shear-Leg model, Arsenault and Shi model (for MMCs). Degradation od different kinds of composites owing to environmental conditions. Creep and corrosion resistance. Detrimental reactions at the matrix/reinforcement interface in composites. Toughness and fracture mechanisms: debonding, post debonding friction and pull-out. Toughening of ceramic matrices through the adoption of a not-continuous second phase. Fatigue behaviour of different classes of composites.
Misura della resistenza a trazione di fibre continue. Metodi di misura di proprietà meccaniche di compositi a matrice polimerica, metallica e ceramica: resistenza a trazione, compressione e flessione, tenacità, durezza. Controlli non distruttivi su materiali compositi (ultrasuoni, radiografia ecc.). Misura sperimentale di resistenza a trazione, resilienza, modulo elastico di compositi. Caratterizzazione microstrutturale di compositi con tecniche microscopiche. Utilizzo di semplici modelli di calcolo per la previsione del comportamento di materiali compositi.
Laboratories and/or tutorial or practice classes. Standards for the measurement of: tensile stregth of fibres; tensile, compression, flexural strength, toughness and hardness of composites with polymeric, metallic and ceramic matrices. Laboratory practice: measurement of tensile strength, modulus and toughness of composites. Laboratory practice: observation of composite microstructure by optical microscope. Use of a software for the selection of materials based on material charts of Ashby. Use of simple micro-mechanical models for the forecasting of composite properties.
Testo di riferimento per l'insegnamento: a) C. Badini , Materiali Compositi per l'Ingegneria Nuova Ed., Celid, Torino 2013; Per approfondimenti: b) F.L. Matthews, R.D. Rawlings, Composite Materials: Engineering and Science, Chapman & Hall, Londra 1994; c) B. Harris, Engineering Composite Materials, IOM Communication Ltd (London), The University Press, Cambridge 1999
Learming materials. Reference book: a) C. Badini , Materiali Compositi per l¿Ingegneria 2° Ed, Celid, Torino 2008; Other study materials: b) F.L. Matthews, R.D. Rawlings, Composite Materials: Engineering and Science, Chapman & Hall, Londra 1994; c) B. Harris, Engineering Composite Materials, IOM Communication Ltd (London), The University Press, Cambridge 1999
Modalità di esame: prova scritta; prova orale obbligatoria;
L’apprendimento è verificato tramite un esame finale individuale scritto e orale. La prova scritta consiste di n domande (con n=15-20) a risposta aperta o chiusa e tre esercizi di calcolo, il tempo a disposizione dei candidati è di 2,5 ore. L’allievo svolge la prova scritta senza avvalersi dell’aiuto di testi o appunti, e con l’utilizzo di una macchina calcolatrice tascabile per eseguire i calcoli. Ciascun esercizio di calcolo svolto correttamente comporta l’acquisizione di un punteggio pari a 5/30. Ciascuna risposta corretta ai quesiti comporta l’acquisizione di un punteggio pari a (n/15). Il punteggio finale, espresso in trentesimi, si ottiene sommando il punteggio per gli esercizi di calcolo con quello relativo alle risposte date ai quesiti. I quesiti sono scelti in modo da verificare l’apprendimento di ogni aspetto trattato nell'insegnamento, ed in particolare essi vertono su: processi di fabbricazioni di fibre e materiali compositi, proprietà dei suddetti materiali con particolare riferimento al comportamento meccanico ed alle proprietà termofisiche, metodi di laboratorio per lo studio delle proprietà dei compositi e processi di degradazione di questi materiali. Gli esercizi di calcolo sono rivolti a verificare che gli studenti abbiano acquisito la capacità di utilizzare modelli ed equazioni per la progettazione di materiali compositi o, comunque, per la previsione delle loro proprietà, note che siano le caratteristiche di matrice e fase dispersa e l’architettura del materiale composito. Dopo la correzione della prova scritta l’allievo viene convocato per sostenere la prova orale. La prova orale prende le mosse dall’elaborato scritto e consiste nell’esame dello svolgimento della prova scritta. In tal modo si offre l’opportunità di trattare in modo più approfondito gli argomenti d’esame e di verificare la capacità critica e le abilità espositive dell’allievo. Il voto finale tiene conto di entrambe le prove; il punteggio conseguito con la prova scritta è quindi ampiamente migliorabile, ma non garantisce né un voto minimo né il superamento dell’esame nel caso che la prova orale evidenzi gravi carenze di preparazione.
Exam: written test; compulsory oral exam;
The final exam consists of two tests: written and oral. During the written test (lasting 2.5 hours) the candidates are requested to answer some questions (from 15 to 20) and solve three problems (with the help of a calculator). The help of books, notes of internet connections during the written test is not permitted. The score for each problem correctly solved is 5/30 and that for each correct answer is n/15 (where “n” is the number of questions). The sum of the scores obtained for problems and questions gives rise to the total score of the written test (maximum 30/30). Written questions will focus at every part of the course programm: fabrication of the different classes of composite materials; mechanical, thermal and other physical properties of composites; durability and degradation processes; testing methods. Problems will focus on calculations for the prediction of composite properties performed on the basis of theoretical models. The students that pass the written test will be informed about their mark and invited to give the oral test. The oral test will entail a discussion about the subjects of written test and related topics. The mark achieved with the written test could be improved or worsened after the oral test. To pass the exam both written and oral test should be passed.


© Politecnico di Torino
Corso Duca degli Abruzzi, 24 - 10129 Torino, ITALY
m@il