Questo corso 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, il corso 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 del corso. 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. Il corso propone principi fondamentali e modelli micromeccanici concernenti le principali caratteristiche meccaniche ed i meccanismi di danneggiamento di questi materiali.

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.

Chimica, fisica, fondamenti di meccanica, elementi di matematica. Conoscenze di base su materiali metallici, polimerici e ceramici.

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.

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.

Testo di riferimento per il corso:
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

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 nel corso, 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.