Insegnamento AEROSPACE MATERIALS

Corso
Ingegneria dei materiali e dei processi sostenibili
Codice insegnamento
A002446
Curriculum
Materiali per l'aerospazio
Docente
Maurizio Natali
CFU
10
Regolamento
Coorte 2021
Erogato
2022/23
Tipo insegnamento
Obbligatorio (Required)
Tipo attività
Attività formativa integrata

HIGH TEMPERATURE MATERIALS FOR AEROSPACE APPLICATIONS

Codice A002448
CFU 5
Docente Maurizio Natali
Docenti
  • Maurizio Natali
Ore
  • 50 ore - Maurizio Natali
Attività Caratterizzante
Ambito Discipline dell'ingegneria
Settore ING-IND/22
Tipo insegnamento Obbligatorio (Required)
Lingua insegnamento ENGLISH
Contenuti 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.
Testi di riferimento - 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.
Obiettivi formativi 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.
Prerequisiti Conoscenze di base di matematica, fisica, chimica, scienza delle costruzioni, polimeri
Metodi didattici Il 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.
Modalità di verifica dell'apprendimento Esame scritto + 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.
Programma esteso 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), ruolo dell’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, Phenolic Impregnated 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

Codice A002447
CFU 5
Docente Maurizio Natali
Docenti
  • Maurizio Natali
Ore
  • 50 ore - Maurizio Natali
Attività Caratterizzante
Ambito Discipline dell'ingegneria
Settore ING-IND/22
Tipo insegnamento Obbligatorio (Required)
Lingua insegnamento ENGLISH
Contenuti Il corso fornisce un'introduzione alla teoria dei materiali compositi, trattando i processi produttivi, le proprietà meccaniche e funzionali ed i criteri di scelta dei materiali compositi. Nella prima parte del corso verranno introdotte le più importanti matrici polimeriche strutturali e ad alta resa carboniosa, per poi passare alla teoria dei compositi, in termini di micro meccanica, macro meccanica, laminazione e proprietà termiche.
Testi di riferimento - 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.
Altro materiale fornito dal docente.
Obiettivi formativi Lo studente sarà guidato nella comprensione dei concetti fondamentali alla base della teoria dei materiali compositi. Al termine del corso lo studente possiederà gli strumenti di base per la progettazione di materiali compositi rinforzati con fibre.
Prerequisiti Conoscenze di base di matematica, fisica, chimica, scienza delle costruzioni, polimeri.
Metodi didattici Il 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.
Modalità di verifica dell'apprendimento Esame scritto + 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.
Programma esteso Introduzione ai materiali compositi, fibre e matrici; micromeccanica dei materiali compositi (fibre lunghe, fibre corte); macromeccanica, proprietà meccaniche e termiche delle lamine; teoria della laminazione, proprietà meccaniche e termiche dei laminati; tecniche di produzione dei materiali compositi, cenni di chemoreologia e modelli cinetici delle matrici termoindurenti; tecniche di caratterizzazione meccanica dei materiali compositi (prove di trazione, compressione, flessione, taglio) .
Condividi su