PORTALE DELLA DIDATTICA

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Chimica, fisica e ingegneria delle superfici

01NGHMZ

A.A. 2022/23

Lingua dell'insegnamento

Italiano

Corsi di studio

Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Dei Materiali - Torino

Organizzazione dell'insegnamento
Didattica Ore
Lezioni 64
Esercitazioni in aula 10
Esercitazioni in laboratorio 6
Docenti
Docente Qualifica Settore h.Lez h.Es h.Lab h.Tut Anni incarico
Cicero Giancarlo Professore Ordinario PHYS-04/A 22,5 4,5 3 0 13
Collaboratori
Espandi

Didattica
SSD CFU Attivita' formative Ambiti disciplinari
CHIM/07
FIS/03
ING-IND/21
2
2
4
B - Caratterizzanti
B - Caratterizzanti
B - Caratterizzanti
Discipline dell'ingegneria
Discipline fisiche e chimiche
Discipline dell'ingegneria
2022/23
La superficie rappresenta sia il modo di apparire di un corpo sia il tramite attraverso cui un corpo interagisce chimicamente, fisicamente e meccanicamente con altri corpi solidi, liquidi e gassosi. L'insegnamento si propone l'obiettivo di fornire le conoscenze relative ai fenomeni di tipo chimico, fisico, termico e meccanico che coinvolgono la superficie, intesa sia come interfaccia con l'ambiente circostante sia come insieme di strati superficiali di un materiale in cui le proprietà sono diverse da quelle della sua porzione interna. L'insegnamento intende inoltre conferire le competenze che permettano la manipolazione delle tecnologie appropriate per ottenere, in modo efficace dal punto di vista economico, adeguate e specifiche proprietà superficiali. Ciò significa, per esempio, progettare modifiche di superfici di solidi al fine di: migliorarne l'estetica; aumentare la durabilità dell'oggetto; poter utilizzare per il substrato materiali poco costosi, modificando la sola porzione superficiale dell'oggetto; ottenere proprietà specifiche e diverse da quelle dell'interno del materiale.
The surface represents both the aesthetic aspect of a body and the medium through which such body interacts chemically, physically and mechanically with other bodies (solids, liquids or gases). This course aims at providing the knowledge concerning the chemical, physical, thermal and mechanical phenomena which involve the surface of materials. To this end the surface has to be interpreted both as the body interface with the environment and as the complex structure of all the superficial and subsurface layers, within which the material properties are inherently different from those of the bulk. Another objective of the course is to provide future engineers with competences needed to optimally manipulate the technologies to achieve cost effective and efficient surface properties. This means for example to be able to design surface modifications of solids so as to: enhance the decorative aspect of the components; enhance their durability; use cheaper substrates, being the surface modification by itself able to improve the material nobility; achieve specific properties different from those of the material core.
L'obiettivo è di sviluppare nell'allievo la comprensione dei fenomeni relativi agli strati superficiali e subsuperficiali di un materiale, la conoscenza degli aspetti teorici dei fenomeni di superficie e, dove possibile, la capacita' di progettare specifiche modifiche della superficie. Si desidera rendere l'allievo capace di modellare i fenomeni superficiali a livello teorico, anche attraverso l'utilizzo di leggi ed equazioni matematiche. L'insegnamento ha inoltre l'obiettivo di permettere ai futuri ingeneri di gestire le criticità relative ai possibili fenomeni di danneggiamento o deterioramento delle proprietà superficiali, e, sulla base delle finalità di applicazione in esercizio dei vari componenti, di selezionare un opportuno trattamento di modificazione superficiale. Per questa ultima finalità si forniranno agli allievi le competenze atte a eseguire un confronto critico tra le varie tecniche di trattamento e una identificazione dei parametri di processo che permettano di ottimizzare una particolare tecnica per la specifica applicazione. Al termine dell'insegnamento si chiederà allo studente di: - conoscere i modelli di riferimento delle diverse possibili interazioni meccaniche fra le superfici dei corpi (meccanismi di usura adesiva, abrasiva, erosiva, ecc.) e le grandezze che influenzano tali interazioni. - conoscere i modelli di riferimento delle diverse possibili interazioni chimiche e termiche fra le superfici dei corpi (modi generali di corrosione, contatto con particolari atmosfere di processo, fatica termica, ecc.) e le grandezze che influenzano tali interazioni. - derivare dalle sollecitazioni che i componenti subiranno in esercizio le scelte dei possibili materiali da utilizzare per la loro costruzione e/o dei possibili trattamenti di modificazione superficiale da applicare - selezionare criticamente i trattamenti oltre che sulla base dei vincoli posti dall'esercizio finale a cui i componenti sono destinati anche sulla base dei limiti imposti, ad esempio, dalla forma e peso dei componenti,dalle produttività richieste, dalla necessità di non alterare con la temperatura alcune caratteristiche del materiale massivo, dal costo del processo, necessità di modificare superfici esposte o parzialmente coperte (es. fori o sottosquadri), impatto ambientale, ecc. - applicare i trattamenti di modificazione superficiale al miglioramento degli aspetti decorativi, di resistenza meccanica e alle specifiche richieste funzionali. Ai fini dell'autonomia di giudizio e della comunicazione tecnica: - creare matrici di confronto fra i diversi trattamenti di modificazione superficiali identificando i vari parametri di giudizio (es. temperatura operativa sul pezzo, tipo di materiali che si possono depositare, limitazioni geometriche al trattamento, costi di processo, produttività, particolari atmosfere di processo, spessori delle modifiche superficiali introdotte, ecc.). - scomporre in fenomeni degradativi (meccaniche e corrosive) elementari le sollecitazioni subite in esercizio da particolari componenti. - conoscere la terminologia internazionale, in particolare quella inglese. Queste conoscenze e abilità vengono acquisite attraverso lo studio di alcuni casi concreti analizzati durante l'insegnamento, che vengono proposti in quanto esemplari, ovvero rilevanti per le applicazioni tecniche e adatti a introdurre la gamma di metodi che nel complesso l'ingegnere dei materiali deve padroneggiare.
L'allievo che accede a questo insegnamento deve conoscere le proprietà generali dei materiali metallici, ceramici e polimerici, le nozioni di base di meccanica razionale e quelle relative alle proprietà meccaniche dei materiali, le caratteristiche dei trattamenti in temperatura massivi di materiali metallici e ceramici.
Oggetto di insegnamento sono le tecniche sperimentali e i procedimenti di calcolo che consentono di prevedere e valutare le proprietà chimico-fisiche, meccaniche e termiche delle superfici dei materiali. Gli argomenti sono scelti in modo da mettere in evidenza un esauriente spettro di metodi e casi rappresentativi delle principali classi di problemi che si incontrano nell'attività dell'ingegnere. - Introduzione alla chimica, fisica ed ingegneria delle superfici. (2 ore) - Definizione di superficie. Rilassamento e ricostruzione delle superfici. (4 ore) - Tecnologie del vuoto per la preparazione e il trattamento di superficie. (2 ore) - Tecniche di caratterizzazione cristallografica di superfici: Reticolo Reciproco e LEED. (4 ore) - Tecniche di caratterizzazione chimica di superfici: spettroscopiche di fotoemissione, spettroscopia Auger, tecnica SIMS, tecnica EELS. (10 ore) - Analisi morfologica (microscopie a sonda). (3 ore) - Tecniche di funzionalizzazione di superfici e relative caratterizzazioni. (3 ore) - Adsorbimento. Fisisorbimento e Chemisorbimento. Modello di Langmuir. Definizione e misura della superficie specifica. Modello BET. (4 ore) - Proprietà acido-base delle superfici. Definizione e caratterizzazione. (2 ore) - Proprietà idrofiliche e idrofobiche delle superfici. Definizione e caratterizzazione. (2 ore) - La spettroscopia infrarossa dell'adsorbimento di molecole sonda nella caratterizzazione delle superfici. (2 ore) - Proprietà, reattività chimica e modificazione delle superfici dei solidi COVALENTI (silice, carboni attivi, diamante). (3 ore) - Proprietà, reattività chimica e modificazione delle superfici dei solidi METALLICI (chemisorbimento; superfici estese e metalli dispersi; effetto del supporto su metalli dispersi). (2 ore) - Proprietà, reattività chimica e modificazione delle superfici dei solidi IONICI e IONICO-COVALENTI (MgO, Al2O3). (2 ore) - Superfici interne di solidi nanoporosi: ZEOLITI, ARGILLE, MATERIALI A MESOPOROSITA' ORDINATA. (3 ore) - Applicazioni di solidi nanoporosi ad ADSORBIMENTO e SEPARAZIONE: generalità ed esempi (separazione di gas). (2 ore) - Applicazioni di solidi nanoporosi alla CATALISI ETEROGENEA: generalità ed esempi (sintesi dell'ammoniaca). (2 ore) - Riepilogo del concetto di superficie fisica, meccanica, tecnologica e fisico-chimica, delle caratteristiche geometriche della superficie, dei fenomeni relativi al contatto fra le superfici e delle alterazioni che derivano da tale contatto. (lez. 4 ore) - Generazione di tensioni residue nelle operazioni tecnologiche e relative ripercussioni in esercizio; natura microscopica della generazione di attrito nei materiali. (lez. 4 ore) - Lubrificazione e Lubrificanti. (lez. 2 ore) - Meccanismi di usura adesiva, abrasiva, erosiva, per fatica di contatto. (lez. 6 ore) - Metodi di protezione da usura e corrosione: trattamenti di modificazione superficiale -processi meccanici, processi termochimici, elettrodeposizione, processi fisici e chimici da fase vapore, termospruzzatura. (lez. 10 ore) - Analisi di casi specifici di degradazione superficiale e metodi di protezione. (2 ore)
L'insegnamento consiste in lezioni teoriche ed esercitazioni. E' prevista una visita nei laboratori della sede di Alessandria del Politecnico di Torino, con spiegazione delle tecniche di caratterizzazione della resistenza all'usura, alla corrosione e alla fatica termica. Nell'ambito della visita si svolgono brevi prove di usura dimostrative del modo di funzionamento delle diverse macchine e della procedura di prova. La durata della esperienza di laboratorio è di 4 ore. Nel caso in cui l'insegnamento sia svolto completamente on-line la visita ai laboratori sarà sostituita con un laboratorio virtuale durante il quale verranno illustrate le esecuzioni delle prove di usura ed i modi funzionamento delle diverse macchine impiegate a tale scopo.
Poiché questo modulo di insegnamento è una particolare sintesi di molti aspetti della chimica, fisica e ingegneria delle superfici è stato sviluppato materiale didattico apposito che non coincide con testi disponibili sul mercato. Per alcuni argomenti specifici relativi ai fenomeni di usura si fa riferimento al seguente testo: G. Straffelini "Attrito e usura", Ed. Tecniche Nuove, Milano, 2005. Le diapositive utilizzate durante le lezioni, vengono messe a disposizione agli studenti iscritti all'insegnamento sul portale della didattica.
Modalità di esame: Prova orale obbligatoria;
Exam: Compulsory oral exam;
... L'esame finale consiste in un colloquio orale volto ad accertare l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese (v. sopra). Al fine di verificare in modo rigoroso il raggiungimento degli obiettivi di apprendimento, e quindi l'acquisizione delle conoscenze e capacità di comprensione e delle capacità di applicarle, la verifica si articola in domande di diversa natura: conoscenza specifica di fenomeni inerenti la superficie e dei trattamenti di modificazione superficiale, esecuzione di confronti tra diverse tecnologie di modificazione superficiale mettendo in evidenza i parametri distintivi e le potenziali applicazioni.
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.
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