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Scienza e tecnologia dei materiali compositi
02CFUMZ
A.A. 2024/25
Lingua dell'insegnamento
Italiano
Corsi di studio
Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Dei Materiali Per L'Industria 4.0 - Torino
Organizzazione dell'insegnamento
| Didattica | Ore |
|---|---|
| Lezioni | 67 |
| Esercitazioni in aula | 25,5 |
| Esercitazioni in laboratorio | 6,5 |
Docenti
| Docente | Qualifica | Settore | h.Lez | h.Es | h.Lab | h.Tut | Anni incarico |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Pavese Matteo | Professore Associato | IMAT-01/A | 67 | 15 | 16 | 0 | 2 |
Collaboratori
Didattica
| SSD | CFU | Attivita' formative | Ambiti disciplinari | ING-IND/22 | 10 | B - Caratterizzanti | Ingegneria dei materiali |
|---|
2024/25
Questo insegnamento presenta l’ampia classe dei materiali compositi. Tali materiali nascono dall’abbinamento di diverse tipologie di materiali, che tramite un’opportuna progettazione possono operare in maniera sinergica per ottenere proprietà non facilmente realizzabili con materiali “tradizionali”. Per questo motivo l’insegnamento richiama e utilizza numerose nozioni presentate nei corsi di base di scienza dei materiali, integrandole con le caratteristiche specifiche necessarie per descrivere opportunamente la scienza e la tecnologia dei materiali compositi.
In particolare, il corso: presenta i materiali utilizzati per realizzare i compositi, matrici e rinforzi, con particolare attenzione alle fibre e ai metodi per la loro organizzazione spaziale all’interno dei compositi; distingue tra macro-, micro- e nano-compositi, chiarendo l’effetto della dimensione del rinforzo dal punto di vista della modellazione meccanica, delle proprietà attese, della caratterizzazione e della realizzazione; descrive le modalità di modifica dei materiali utilizzati per ottimizzare le proprietà finali dei compositi, chiarendo la relazione tra i meccanismi microscopici e le proprietà macroscopiche osservate; descrive le principali tecniche di caratterizzazione e gli standard principali utilizzati nell’ambito; mostra come è possibile costruire modelli analitici e numerici per descrivere le principali proprietà dei compositi; chiarisce le possibilità di ottimizzazione a disposizione dell’ingegnere tipiche dei materiali compositi, le cui proprietà possono essere modulate in funzione dell’obiettivo progettuale richiesto.
This course introduces the broad class of composite materials. These materials arise from the combination of different types of materials, which through appropriate design can work synergistically to obtain properties not easily achieved by "traditional" materials. For this reason, the teaching recalls and uses several notions presented in basic materials science courses, supplementing them with the specific features needed to appropriately describe the science and technology of composite materials.
In particular, the course: presents the materials used to make composites, matrices and reinforcements, with emphasis on fibers and methods for their spatial organization within composites; distinguishes between macro-, micro-, and nano-composites, clarifying the effect of reinforcement size from the perspective of mechanical modeling, expected properties, characterization, and fabrication; describes how to modify materials to optimize the final properties of composites, clarifying the relationship between microscopic mechanisms and observed macroscopic properties; describes the main characterization techniques and standards used in the field; shows how analytical and numerical models can be constructed to describe the main properties of composites; clarifies the optimization options available to the engineer when using composite materials, whose properties can be tailored according to the required design objective.
Comprensione e conoscenza dei seguenti concetti:
- caratteristiche dei materiali compositi, e della relazione tra composizione, struttura e proprietà;
- materiali utilizzati nell'ambito dei materiali compositi, con particolare attenzione alle differenze rispetto ai materiali "tradizionali";
- effetto della scala e dell'interazione tra matrice e rinforzo sulle proprietà dei compositi;
- modelli meccanici e fisici in grado di simulare il comportamento dei materiali compositi;
- proprietà e tecniche di caratterizzazione tipiche dei materiali compositi, compresa l'analisi dei dati;
- modalità di preparazione dei materiali compositi.
Capacità di progettare un materiale composito per raggiungere uno specifico obiettivo progettuale in termini di proprietà.
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.
Fondamenti di matematica e geometria, chimica, fisica, meccanica. Conoscenze di scienza dei materiali e di 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.
Matrici e rinforzi.
Tessuti e altri metodi di organizzazione spaziale dei rinforzi.
Macro-, micro- e nano-compositi e loro peculiarità. Compositi multiscala.
Funzionalizzazione dei materiali per applicazioni nell'ambito dei compositi.
Compositi strutturali e funzionali. Compositi naturali.
Micro- e macro-meccanica dei compositi. Meccanismi di rafforzamento e tenacizzazione nei compositi.
Tecniche di preparazione dei compositi a matrice polimerica, metallica e ceramica.
Tecniche di caratterizzazione dei compositi e standard relativi.
Cenni di teoria delle misure e anlisi dati.
Modelli analitici e numerici.
Progettazione di materiali compositi.
Degrado e riciclo dei materiali compositi. Impatto ambientale.
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.
Lezioni teoriche.
Esercitazioni di calcolo, di analisi dati e di progettazione di compositi.
Esercitazioni di laboratorio su:
- fabbricazione di laminati compositi a matrice polimerica rinforzata con fibre continue di vetro e carbonio mediante infusione sotto vuoto,
- misura sperimentale di resistenza a trazione, resilienza, modulo elastico di compositi,
- caratterizzazione microstrutturale di compositi con tecniche microscopiche.
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.
Di seguito alcuni testi di riferimento per l'insegnamento:
In italiano:
C. Badini , Materiali Compositi per l'Ingegneria Nuova Ed., Celid, Torino 2013.
In inglese:
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.
Altri testi verrano consigliati durante il corso.
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
Slides; Libro di testo; Esercizi; Esercizi risolti; Esercitazioni di laboratorio;
Lecture slides; Text book; Exercises; Exercise with solutions ; Lab exercises;
Modalità di esame: Prova scritta (in aula); Prova orale obbligatoria;
Exam: Written test; Compulsory oral exam;
...
L’apprendimento è verificato tramite un esame finale individuale scritto e orale.
La prova scritta consiste di esercizi di calcolo e quesiti sui temi del corso, a risposta chiusa o aperta.
Durante la prova orale gli studenti sono tenuti a rispondere in maniera chiara, esauriente e completa a domande sui temi trattati durante il corso.
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.
Il punteggio finale, espresso in trentesimi, si ottiene combinando il punteggio della prova scritta con gli esiti della prova orale.
L'obiettivo dell'esame è verificare la comprensione e la conoscenza dei temi trattati durante il corso. I quesiti sono scelti in modo da verificare l’apprendimento di ogni aspetto trattato nell'insegnamento.
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.
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.
In addition to the message sent by the online system, students with disabilities or Specific Learning Disorders (SLD) are invited to directly inform the professor in charge of the course about the special arrangements for the exam that have been agreed with the Special Needs Unit. The professor has to be informed at least one week before the beginning of the examination session in order to provide students with the most suitable arrangements for each specific type of exam.