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. 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)

Le slide utilizzate dal docente per le spiegazioni verranno fornite in anticipo e testi per eventuali approfondimenti saranno consigliati durante le lezioni.

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.