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.

L’obiettivo è di fornire allo studente uno strumento robusto e versatile che gli permetta di approcciare in modo consapevole la notevole moltitudine di materiali per le applicazioni aerospaziali. In particolar modo, tenendo conto della notevole velocità con la quale si osserva la penetrazione di nuovi materiali e tecnologie ad essi connesse nel settore aerospaziale, il corso vuole fornire conoscenze avanzate che si svincolino da una mera descrittiva, ma costituiscano le linee-guida per una conoscenza consapevole, che non solo garantisca di seguire l’innovazione in corso, ma anche di esserne parzialmente protagonisti.
Quindi al termine dell’insegnamento si chiederà allo studente di:
- conoscere le relazioni che correlano le caratteristiche composizionali e strutturali (ai vari livelli) dei materiali alle loro proprietà, non unicamente meccaniche;
- conoscere le linee-guida fondamentali per la selezione dei materiali in funzione dell’applicazione prevista e dei pre-requisiti imposti a livello progettuale;
- conoscere le strategie perseguibili per ottimizzare la risposta di un materiale per una determinata destinazione d’uso o per garantire una corretta operatività e durabilità in esercizio;
- saper selezionare materiali per una specifica applicazione progettuale;
- saper confrontare criticamente materiali già consolidati a nuove proposte, in vista di applicare consapevolmente l’innovazione;
- saper partecipare al dialogo con altre culture (quali la scienza e tecnologia dei materiali) per lo sviluppo di nuovi materiali per il settore aerospaziale;
- conoscere la terminologia internazionale, in particolare quella inglese.

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.

Materiali per alte temperature. Superleghe e metalli refrattari. Rivestimenti protettivi a barriera termica (TBC-EBC). Criteri di selezione; caratteristiche composizionali e microstrutturali; processi produttivi. Problematiche di durabilità. Nuove prospettive di design. (h.14)
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. 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.10)
Il concetto del self-healing: la progettazione di materiali autoriparanti. Vantaggi e problematiche. Esempi di sistemi compositi a matrice polimerica. Nuove proposte ceramiche. I materiali a gradiente di funzionalità (FGM), densi e porosi. Processi produttivi e proprietà. Materiali cellulari. Metodologie di schiumaggio e di realizzazione di sistemi a celle aperte, semi-chiuse e chiuse (direct foaming, replica, gel-casting, sol-gel,...). Il caso dell’aerogel di silice: dalla cattura delle polveri spaziali (Stardust) all’isolamento termico nelle missioni su Marte. (h.6)
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.6)
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). Strutture embedded. Materiali per la generazione di energia: celle solari, celle a combustibile (PEM, SOFC). Problemi di decadimento delle prestazioni legate ai materiali e alle loro interazioni. Materiali per le vele solari. 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,.. (h.10)
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)
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.10)

ITALIANO:

- Introduzione ai materiali per uso aerospaziale: proprietà controllanti. (1.5 h)
- Materiali con caratteristiche strutturali:
- 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; gli acciai speciali per applicazioni nelle gearbox e negli organi di trasmissione; i materiali intermetallici ed il tema dell’alleggerimento delle strutture rotanti. (12 h)
- i materiali metallici per le strutture aereonautiche e spaziali: le leghe di alluminio e magnesio alto resistenziali ed 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 diffusionbonding e superplasticforming. Il problema della giunzione tra componenti metallici. I compositi a matrice metallica (11 h).
- i materiali polimerici e compositi nello 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; i materiali a gradiente di funzionalità densi e porosi, processi produttivi e proprietà. Le strutture gonfiabili e la tematica dei materiali a gradiente di funzione (7.5 h)
Materiali con caratteristiche funzionali:
- i materiali ceramici: rivestimenti protettivi (thermal barrier TBC e/o environmental barrier EBC). I dispositivi di protezione termica (TPS) e il tema del rientro in atmosfera: protezioni passive, il caso della protezione dello space shuttle; gli UHTC (ultra-high temperature ceramics) e l’evoluzione delle barriere riutilizzabili. Il problema del repair in space, il concetto di self healing. (7 h)
- i materiali trasparenti: applicazioni ottiche e optoelettroniche, le finestre ottiche e la trasparenza a lunghezza d’onda diversificata, materiali per finestre rigide e flessibili, materiali a bassissimo coefficiente di dilatazione termica: il caso dei materiali per telescopi spaziali (mirrors) (3 h)
- i materiali per la generazione, il recupero e lo stoccaggio di energia. Celle solari, celle a combustibile, batterie. (3 h)
Materiali speciali:
- i materiali cellulari: metodologie di schiumaggio e di realizzazione di sistemi a celle aperte, semichiuse e chiuse. (3 h)
- i materiali intelligenti e la nuova frontiera dello sviluppo di sensori ed attuatori: le SMA (shape memory alloys) e la trasmissione dell’energia meccanica; i materiali piezoelettrici e la sensoristica distribuita; i magnetostrittori. Le applicazioni nel campo della robotica umanoide spaziale per attività extraveicolari. (3 h)
- i materiali nanostrutturati e la nuova frontiera dei materiali: la nanostrutturazione, il controllo della struttura dei materiali alla nanoscala e le implicazioni a livello strutturale, chimico-fisico e meccanico. (3 h)

Esercitazioni:
- criteri di design e selezione di materiali. Diagrammi di Ashby. (6 h)


INGLESE:

- Introduction to the materials for aerospace applications: determining properties. (1.5 h)
- Structural materials:
- metallic materials for aeronautic and space propulsion: nickel and cobalt superalloys and the demanding for moving devices in turbines; high strength steels and their application in gearbox and transmission devices; intermetallic materials and the subject of rotating structure lightening. (12 h)
- 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 diffusionbonding process as well as supeplasticforming. The topic of the joining between metallic components. Metal matrix composite. (11 h)
- polymeric materials and 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; dense and porous functionally graded materials, processes and properties. Inflatable structures and the topic of functionally graded materials. (7.5 h)
- Functional materials:
- ceramic materials: protective coatings (thermal barrier TBC and/or environmental barrier EBC). The thermal protection systems (TPS) and the re-entry in the atmosphere: passive protections, case of space shuttle TPS; the ultra-high temperature ceramics (UHTC) and the evolution of reusable systems. Repair in space and the topic of self-healing. (7 h)
- transparent materials: optic and optoelectronic applications, optical windows and the transparence at different wavelengths, rigid and flexible windows, very low thermal expansion coefficient materials: the case of telescope mirrors. (3 h)
- materials for energy generation, recovery and storing. Solar cells, fuel cells, batteries. (3 h)
Special materials:
- cellular materials: foaming methods for the production of open, semi-closed and closed porosities. (3 h)
- smart materials and the development of sensors and actuators: SMA (shape memory alloys) and mechanical energy transmission; piezoelectrics and sensor network development; magnetostrictors. Application in the field of space human–robotic for extra vehicular activities. (3 h)
- nanostructured materials and the new frontier of materials: the nanostructuration, the control of materials at the nanoscale and the effect on structural, chemical-phisical and mechanical level. (3 h)

Exercitations:
- Design criteria and material selection. Ashby diagrams . (6 h)

Dispense redatte dal docente.

Esiste il solo esame 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 alcuni quesiti, nei quali si richiede di dimostrare la conoscenza della materia. Facsimili di prova d’esame saranno disponibili sul Portale della didattica.