Unit AEROSPACE MATERIALS

Course
Sustainable materials and processes engineering
Study-unit Code
A002446
Curriculum
Materiali per l'aerospazio
Teacher
Maurizio Natali
CFU
10
Course Regulation
Coorte 2023
Offered
2024/25
Type of study-unit
Obbligatorio (Required)
Type of learning activities
Attività formativa integrata

HIGH TEMPERATURE MATERIALS FOR AEROSPACE APPLICATIONS

Code A002448
CFU 5
Teacher Maurizio Natali
Teachers
  • Maurizio Natali
Hours
  • 50 ore - Maurizio Natali
Learning activities Caratterizzante
Area Ingegneria dei materiali
Academic discipline ING-IND/22
Type of study-unit Obbligatorio (Required)
Language of instruction ENGLISH
Contents Il corso vuole fornire una panoramica dettagliata sui materiali per
l’aerospazio ad alta temperatura detti anche Thermal Protection System
(TPS). Verrà trattata la produzione, il testing termico e termo-meccanico,
tradizionale ed avanzato, illustrando l’ambito specifico in cui ogni
formulazione trova la migliore applicazione. Questi materiali vengono
usati nella produzione degli schermi termici delle navette e sonde
durante il volo di rientro in una atmosfera planetaria ma sono
anche
utilizzati per la produzione dei sistemi di propulsione chimica quali motori
a razzo a propellenti liquidi, solidi ed ibridi. Il corso fornirà allo studente
una panoramica unica in termini di bilanciamento tra le nozioni teoriche e
sperimentali, implementando un approccio unico sul panorama nazionale
per corretta trattazione di materiali ad alto valore aggiunto come
quelli
ad alta temperatura e per l’aerospazio.
Al termine del corso lo studente sarà in grado di identificare
correttamente l’uso di ogni classe di materiale ad alta temperatura,
formando una figura professionale fortemente ricercata in un settore
come quello dell’industria aerospaziale che vede l’Italia tra i primi paesi
al mondo per qualità e ritorno economico.
Reference texts - P.K. Mallick, Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and
Design, CRC Press, [3 or 4 ed.].
- Ronald Gibson, Principles of Composite Material Mechanics, McGraw-Hill
Science/Engineering/Math.
- G.F. D'Alelio and J. A. Parker, Ablative Plastics, 1971.
- Frank P. Incropera, David P. DeWitt, Theodore L. Bergman, Adrienne S.
Lavine, Fundamentals of Heat and Mass Transfer [6 ed.].
Altro materiale fornito dal docente.
Educational objectives Lo studente sarà guidato nella comprensione dei concetti
fondamentali
alla base della teoria dei materiali TPS. Al termine del corso lo studente
possiederà gli strumenti di base per la progettazione di materiali TPS.
Prerequisites Conoscenze di base di matematica, fisica, chimica, scienza delle
costruzioni, polimeri
Teaching methods l corso è articolato in lezioni frontali con l'ausilio di presentazioni
Powerpoint, video, esercitazioni, con integrazioni di esperienze di
laboratorio.
Il corso sarà bilanciato in termini di concetti teorici e sperimentali forniti
allo studente attraverso un approccio unico volto a massimizzare
l'efficacia dell'attività didattica.
Other information Elaborato e/o esame orale.
Per informazioni sui servizi di supporto agli studenti con disabilità e/o DSA
visita la pagina http://www.unipg.it/disabilita-e-dsa.
Extended program Introduzione agli ambienti ipertermici: cenni al volo da rientro
atmosferico e classificazione in base ai flussi termici, generalità
sulla
propulsione chimica, motori a razzo liquidi, solidi e ibridi, impulso
specifico e totale, nozioni di base sull’ugello di de Laval, materiali
strutturali il contenitore del motore, vettorazione della spinta;
• Introduzione ai materiali per la protezione termica o Thermal Protection
System (TPS);
• Materiali TPS non ablativi per il rientro atmosferico: generalità sui
materiali TPS non ablativi, materiali ceramici a bassa densità,
processi
produttivi, diffusione e sinterizzazione, Reusable Surface Insulation,
lo
scudo termico dello Space Shuttle;
• Materiali TPS ablativi: metalli refrattari, ceramici, materiali
carboniosi,
grafite, meccanismi di erosione e termo-ossidazione, introduzione ai
materiali TPS ablativi polimerici, esempi di applicazione nel campo della
propulsione a razzo;
• Materiali isolanti: a matrice elastomerica principali (EPDM e
silicone),
metodi di produzione (calandratura, kneader, etc), esempi di formulazioni
EPDM/Kevlar, SLA-561V, DC 93-104; vulcanizzazione, perossidi,
applicazioni specifiche, materiali isolanti a matrice rigida, metodi di
produzione, legno, sughero (P50);
• Materiali TPS fibrorinforzati: classificazione delle matrici, stabilità
termica e dimensionale, matrici fenoliche, cicli di cura, resa
carboniosa,
generalità sulle fibre (vetro, basalto, silice, carbonio), trattamento
superficiale, riempitivi, caratteristiche termiche e meccaniche dei
materiali TPS fibrorinforzati;
• Cenni ai materiali TPS nanostrutturati: introduzione, differenze tra
i
meccanismi di ablazione a bassi ed alti flussi termici;
• Materiali TPS fibrorinforzati tipo carbonio/fenolica: processo di
fabbricazione della fibra dal Rayon, dal PAN e dalla pece, differenze tra i
tipi di fibra in termini di funzionalizzazione chimica ed affinità alle diverse
matrici polimeriche, proprietà termiche e meccaniche, tecniche di
produzione dei compositi carbonio/fenolica, applicazioni, cenni al
dimensionamento di un laminato carbonio/fenolica (review nuova);
• Caratterizzazione termofisica di base dei materiali TPS: richiami di
fisica, termodinamica, definizione di capacità termica, conducibilità
termica, teoria della misurazione della temperatura, effetto Seebeck, tipi
di termocoppie, cenni alla teoria della misurazione, sistemi di
acquisizione, tecniche di caratterizzazione termica (TGA/DTG/DTA,
DSC,
LFA), stabilità dimensionale, tecniche di caratterizzazione (TMA),
ruolodell’heating rate;
• Caratterizzazione termofisica avanzata;
• Caratterizzazione avanzata dei materiali TPS: condizioni termiche,
condizioni chimiche, condizioni meccaniche, tipi di torce (plasma, arc-jet,
HVOF, etc), torcia ossi-acetilene, determinazione del flusso termico,
calibrazione, tipi di calorimetri (slug, Gardon gages, etc), ruolo del
rapporto ossidante/combustibile, esempi di test, caratterizzazione
morfologica della superficie esposta alla fiamma, definizione di perdita di
massa e tasso di erosione, sistemi di misura del tasso di erosione
post
testing e real time;
• Caratterizzazione avanzata dei materiali TPS mediante banchi di prova
basati su motori a propellenti liquidi, solidi, sistema di test del
NASA
MSFC, banchi su motori ibridi, analisi a raggi X dei materiali TPS.
• Materiali TPS ultra leggeri: Lightweight Ceramic Ablators,
PhenolicImpregnated Carbon Ablators, metodi di produzione;
• Introduzione alla modellazione dei fenomeni ablativi: introduzione alla
matematica governante la degradazione dei materiali, cinetica di
degradazione (metodi di Friedman, Ozawa, etc), legge di Arrhenius
determinazione dei parametri cinetici mediante TGA, regola delle
miscele, modellazione della conducibilità termica e capacità termica
anche in funzione della temperatura, cenni alla erosione meccanica,
differenze tra ablazione superficiale ed in volume.

PROCESSING AND PROPERTIES OF COMPOSITES

Code A002447
CFU 5
Teacher Maurizio Natali
Teachers
  • Maurizio Natali
Hours
  • 50 ore - Maurizio Natali
Learning activities Caratterizzante
Area Ingegneria dei materiali
Academic discipline ING-IND/22
Type of study-unit Obbligatorio (Required)
Language of instruction ENGLISH
Contents This course provides the basic insights for understanding of polymer based composite materials.
Reference texts - P.K. Mallick, Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and
Design, CRC Press, [3 or 4 ed.].
- Ronald Gibson, Principles of Composite Material Mechanics, McGraw-Hill
Science/Engineering/Math.
Educational objectives The student will be guided to understand the fundamental concepts
behind the theory of polymer based composite materials.
Prerequisites Basic knowledge of mathematics, physics, chemistry, structural
mechanics, polymers.
Teaching methods The course will based on lectures and will make extensive use of
Powerpoint presentations, theoretical exercises and laboratory
experiences.
The course will be balanced in terms of theoretical and
experimental
concepts, providing a unique approach aimed at maximize the
effectiveness of the teaching activity.
Learning verification modality Elaborato e/o esame orale
Extended program Introduction, materials, mechanics, performance, manufacturing, design, metal, ceramic, and carbon matrix composites, polymer nanocomposites
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