Appunti STM – Corso Ingegneria Energetica

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• Corso: Scienza e Tecnologia dei Materiali per l’Ingegneria Energetica (01UTHMK)
• Laurea in Ingegneria Energetica, A.A. 2024-2025
• Docenti: Milena Salvo, Vittorio Verda, Raffaella Sesana, Filippo Spertino

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• Ingegneria dei Materiali: studio dalla scala atomica alla produzione industriale
• Link di presentazione (YouTube) indicato dal corso

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• Fondazione Politecnico di Torino: $1859$

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• Scienza dei Materiali: relazione tra struttura atomico-molecolare e proprietà
• Ingegneria dei Materiali: applicazione di tali conoscenze per progettare, sviluppare, produrre e testare materiali

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• Strategia UE (27/02/2024) per la leadership europea nei materiali avanzati
• Materiali avanzati: progettati per prestazioni superiori; chiave per transizione verde e digitale

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• STM = una delle tre tecnologie chiave (con ICT e biotecnologie)
• Impatti: riduzione costi, miglioramento prestazioni, nuovi dispositivi, sviluppo ecosostenibile

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Al termine del corso lo studente dovrà:

• Conoscere relazione struttura-proprietà (atomico e microstrutturale)
• Applicare tali conoscenze per controllare proprietà
• Saper selezionare materiali secondo requisiti di progetto
• Comprendere scambi termici e ruolo dei materiali nelle trasformazioni energetiche
• Risolvere esercizi di combustione

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Contenuti principali (1):

• Struttura cristallina/amorfia; difetti reticolari; soluzioni solide; diffusione, nucleazione, crescita
• Diagrammi di stato, trattamenti termici (leghe $Fe ext{-}C$), non-equilibrio
• Proprietà meccaniche, comportamento elastico/plastico, metodi di rafforzamento

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Contenuti principali (2):

• Proprietà termiche: refrattari, isolanti, vetri per risparmio energetico
• Proprietà elettriche: conduttori, semiconduttori, piezoelettrici; ottiche: effetto fotovoltaico
• Combustione industriale: potere calorifico, aria teorica, fumi, $T$ teorica, perdite camino, potenziale termico

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• Seminari applicativi: trasmissione calore, sistemi a combustione, meccanica strutturale, fotovoltaico, eolico

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Organizzazione ed esame:

• Lezioni teoriche + esercitazioni numeriche + seminari + laboratorio prove meccaniche
• Esame scritto: 3 esercizi numerici (proprietà, DDS, combustibili) + 3 domande aperte, $120\,\text{min}$, materiale non consultabile

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• Materiale didattico: slide, videolezioni passate, testo consigliato Callister “Scienza e ingegneria dei materiali”

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• Classificazione secondo: tipo di legame, struttura (cristallina/amorfia), proprietà, applicazioni

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• Tre classi principali: Metalli, Polimeri, Ceramici

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• Quarta classe: Compositi

Pagina 16-18 (Metalli)

• Proprietà tipiche: opachi, riflettenti, alta resistenza, rigidi, duttili, elevata conducibilità termica/elettrica, resistenti a shock termici, cristallini, lavorabili

Pagina 19-22 (Polimeri)

• Proprietà generali: bassa $T_{fus}$, isolanti termici/elettrici, modesta resistenza, deformabili, alcuni elastici (gomme)

Pagina 23-25 (Ceramici)

• Proprietà: fragili, rigidi, duri, isolanti (salvo eccezioni), refrattari, chimicamente inerti; includono vetri e ceramici avanzati

Pagina 26 (Compositi)

• Miscela di matrice + seconda fase (fibre o particelle); matrice metallica, ceramica o polimerica; sinergia proprietà

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Classificazione per tipo di legame:

• Ionico, covalente/molecolare, metallico

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Legame metallico:

• Atomi cedono elettroni a “nuvola” di valenza; esempio: $Cu$ con struttura cubica a facce centrate (CFC)

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Legame ionico:

• Trasferimento di elettroni tra elementi con forte differenza di elettronegatività; esempio: $NaCl$, $MgO$

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Legame covalente:

• Condivisione di elettroni, legame direzionale; esempi: diamante, $SiC$, $GaAs$

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Legami secondari (Van der Waals, idrogeno):

• Interazione di dipoli; deboli; fondamentali nei polimeri per coesione tra catene

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• Legami misti frequenti: ionico-covalente, metallico-covalente, metallo-ionico

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Importanza del legame chimico:

• Determina struttura e proprietà: $T_{fus}$, espansione termica, conducibilità, modulo elastico, duttilità, proprietà elettriche

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• Relazione forza di legame-temperatura di fusione: $T<em>{fus} \propto E</em>{legame}$
• Ordine crescente di $T_{fus}$: Polimeri < Metalli \approx Ceramici