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Valeria CANNILLO
Professore Ordinario
Dipartimento di Ingegneria "Enzo Ferrari"
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Insegnamento: Polimeri e compositi
Ingegneria del Veicolo (Offerta formativa 2023)
Obiettivi formativi
L'insegnamento è suddiviso in "Modulo I (Materiali polimerici)" e "Modulo II (Materiali compositi)".
Modulo I (Materiali polimerici):
Al termine del Modulo I, relativamente ai materiali polimerici allo stato solido, lo studente sarà in grado di:
- Conoscere le principali proprietà chimico-fisiche.
- Comprendere le correlazioni fra struttura molecolare e proprietà macroscopiche (in particolare proprietà chimiche, termiche e meccaniche).
- Comprendere il comportamento viscoelastico.
- Risolvere problemi numerici per la previsione del comportamento viscoelastico.
- Conoscere e applicare alcune tecniche di caratterizzazione chimica, termica e meccanica.
- Redigere relazioni tecniche relative a prove di caratterizzazione.
Modulo II (Materiali compositi):
Al termine del Modulo II lo studente sarà in grado di:
- Conoscere le principali proprietà di matrici e rinforzi.
- Comprendere le relazioni tra le proprietà di matrice, rinforzo, frazione volumetrica e le risultanti proprietà della lamina.
- Prevedere il comportamento di un laminato composito a partire dalle singole lamine.
- Conoscere e applicare i criteri di resistenza.
- Risolvere problemi numerici finalizzati alla progettazione di manufatti in composito.
Per una più completa comprensione degli obiettivi formativi, si rimanda alla lettura dei risultati di apprendimento attesi a seguito dello svolgimento del presente percorso formativo.
Prerequisiti
Conoscenze relative ai fondamenti della scienza dei materiali, con particolare riferimento a:
- struttura della materia: stato amorfo e cristallino;
- microstruttura dei materiali;
- deformazioni elastiche e plastiche;
- proprietà meccaniche delle 3 classi di materiali (polimeri, ceramici, metalli).
Programma del corso
Modulo I (Materiali polimerici):
1 CFU (9 ore) - Cenni storici e generalità sulle materie plastiche
1 CFU (9 ore) - Struttura molecolare dei polimeri - Polimeri termoplastici e termoindurenti. Pesi molecolari medi. Configurazione e conformazione.
1 CFU (9 ore) - Proprietà termiche dei polimeri. Polimeri amorfi e semi-cristallini. Transizione vetrosa, cristallizzazione e fusione. Reticolazione: gelificazione, vetrificazione e diagrammi TTT.
1 CFU (9 ore) - Proprietà meccaniche - Materiali viscolelastici: creep e rilassamento degli sforzi. Comportamento a trazione e in regime oscillatorio. Principio di sovrapposizione tempo-temperatura.
1 CFU (9 ore) - Fenomeni di rottura fragile e duttile - Degradazione - Degradazione termica, termo-ossidativa e idrolitica. Resistenza ai liquidi.
1 CFU (9 ore) - Tecniche di caratterizzazione dei materiali plastici - Calorimetria differenziale a scansione (DSC). Analisi termogravimetrica (TG). Analisi dinamico-meccanica (DMTA). Proprietà a trazione.
Modulo II (Materiali compositi):
1 CFU (9 ore) - Definizione di materiale composito. Caratteristiche e campi d'applicazione. Cenni sulle varie tipologie di matrice e rinforzi.
1 CFU (9 ore) - Interazione matrice-rinforzi. Frazione di volume occupato dal rinforzo. Meccanismi di trasferimento degli sforzi (modelli di Cox e Kelly-Tyson).
1 CFU (9 ore) - Previsione delle proprietà di compositi a fibre lunghe. Introduzione alla micromeccanica. Regola delle miscele, regola delle miscele inversa, equazioni di Halpin-Tsai. Previsione della resistenza e delle proprietà a rottura di un composito a fibre lunghe.
1 CFU (9 ore) - Previsione delle proprietà di compositi a fibre corte. Lunghezza critica. Previsione dei moduli elastici: equazioni di Halpin Tsai. Previsione della resistenza e delle proprietà a rottura di un composito a fibre corte.
1 CFU (9 ore) - Previsione delle proprietà di laminati. La lamina unidirezionale. I laminati. Criteri di cedimento per una lamina ortotropa: teoria del massimo sforzo, teoria della massima deformazione, teoria del massimo lavoro. Teoria della laminazione. Cenni sui processi di fabbricazione.
1 CFU (9 ore) - Progettazione di materiali compositi (con esercizi numerici).
Metodi didattici
L'insegnamento si svolge con le modalità di seguito riportate.
Modulo I (Materiali polimerici):
- Lezioni frontali (circa 50 ore).
- Live learning: somministrazione di domande a risposta multipla e discussione dei risultati (ca 2 ore).
- Assegnazione di esercizi numerici da svolgere a casa (homeworks) e successiva correzione in aula (ca 2 ore).
Modulo II (Materiali compositi):
- Lezioni frontali (circa 45 ore).
- Esercitazioni finalizzate alla progettazione dei materiali compositi (circa 9 ore).
Entrambi i Moduli sono erogati in lingua italiana.
La frequenza non è obbligatoria, ma fortemente consigliata.
Testi di riferimento
Material Science of Polymers for Engineers, 3rd Edition
Tim A. Osswald, Georg Menges
Carl Hanser Verlag, Munich, 2012
I. Crivelli Visconti, G. Caprino, A. Langella, Materiali Compositi, Hoepli
Verifica dell'apprendimento
L'accertamento del profitto (esame) viene svolto separatamente per i Moduli I e II, con modalità e criteri di seguito riportati.
Modulo I (Materiali polimerici):
- Svolgimento di una prova scritta finale (1 ora) in cui si valutano i risultati di apprendimento complessivamente raggiunti dallo studente.
- La prova scritta è costituita da domande a risposta aperta (in numero da 3 a 5) ed esercizi numerici (in numero da 1 a 3).
- Colloquio orale integrativo.
Modulo II (Materiali compositi):
- Svolgimento di una prova scritta finale (1 ora e 30 minuti) in cui si valutano i risultati di apprendimento complessivamente acquisiti dallo studente.
- La prova scritta è costituita da esercizi numerici (2, ciascuno suddiviso in più parti) e domande a risposta aperta (4).
- Colloquio orale integrativo.
- Nell’attribuzione del punteggio finale viene valutato in maniera preponderante il livello delle conoscenze teoriche acquisite e della capacità di applicare le conoscenze acquisite. Viene inoltre tenuto in considerazione il livello di autonomia di giudizio e di abilità comunicative. In particolare, gli indicatori (caratteristiche accertate) di valutazione sono: i) capacità di utilizzare le conoscenze (65%); ii) capacità di collegare le conoscenze (15%); iii) capacità di discutere gli argomenti (5%); iv) capacità di approfondire gli argomenti (5%); v) padronanza del linguaggio scientifico-tecnologico (10%).
- La votazione finale è espressa in trentesimi, con eventuale lode.
- In caso di votazione sufficiente (superiore o uguale a 18/30) è possibile effettuare una prova orale che verterà su approfondimenti degli argomenti di teoria. In questo caso, la votazione finale sarà la media pesata delle votazioni conseguite nelle prove scritta e orale.
- In caso di votazione insufficiente (inferiore a 18/30) è necessario ripetere la prova scritta (dopo almeno 20 giorni).
- La votazione complessiva è data dalla media delle votazioni conseguite nei Moduli I e II.
Risultati attesi
Modulo I (Materiali polimerici)
Conoscenza e capacità di comprensione:
- correlare la struttura molecolare di polimeri termoplastici e termoindurenti con le proprietà termo-meccaniche;
- riconoscere le proprietà termiche di materiali polimerici (temperatura di transizione vetrosa, temperatura di cristallizzazione, temperatura di fusione);
- comprendere i processi/meccanismi di solidificazione di materiali polimerici;
- comprendere il comportamento viscoelastico di materiali polimerici e correlarlo con struttura molecolare, tempo e temperatura;
- comprendere i modelli predittivi del comportamento viscoelastico di materiali polimerici;
- riconoscere i meccanismi di rottura e di danneggiamento/degradazione di materiali polimerici e correlarli con proprietà chimiche-fisiche.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate:
- condurre prove sperimentali di caratterizzazione chimico-fisica dei materiali polimerici;
- risolvere problemi per la previsione del comportamento viscoelastico dei materiali polimerici.
Autonomia di giudizio:
- analizzare e interpretare dati di caratterizzazione chimico-fisica dei materiali polimerici;
- scegliere i modelli predittivi del comportamento viscoelastico di materiali polimerici da adottare in relazione alle condizioni al contorno.
Abilità comunicative:
- redigere relazioni utilizzando opportunamente stili e modalità di presentazione dell'ambito tecnico-scientifico;
- utilizzare efficacemente e opportunamente concetti, argomenti e termini specifici in forma scritta;
- comunicare utilizzando il lessico tecnico-scientifico specifico.
Capacità di apprendere:
- saper utilizzare adeguatamente e in autonomia gli strumenti forniti per la valutazione e l’autovalutazione dell'apprendimento, per applicare e migliorare le proprie competenze.
Modulo II (Materiali compositi)
Conoscenza e capacità di comprensione:
- correlare le proprietà dei costituenti (matrice e rinforzo) con quelle risultanti della lamina in composito;
- riconoscere i principali meccanismi di tenacizzazione di un materiale composito;
- comprendere il meccanismo di trasferimento degli sforzi dalla matrice alle fibre;
- comprendere l'effetto della lunghezza delle fibre sul comportamento della lamina in composito;
- comprendere i criteri di cedimento dei compositi;
- comprendere la relazione tra le singole lamine, la sequenza di laminazione e le proprietà risultanti del laminato;
- riconoscere i principali criteri progettuali per la progettazione di un manufatto in composito.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate:
- risolvere problemi per la determinazione delle proprietà dei compositi;
- saper progettare i materiali compositi avvalendosi dei criteri di resistenza.
Autonomia di giudizio:
- scegliere i modelli predittivi del comportamento meccanico di materiali compositi;
- analizzare e interpretare gli sforzi agenti su un laminato composto;
- verificare la resistenza di un manufatto.
Abilità comunicative:
- redigere relazioni progettuali utilizzando opportunamente stili e modalità di presentazione dell'ambito tecnico-scientifico;
- utilizzare efficacemente e opportunamente concetti, argomenti e termini specifici in forma scritta;
- comunicare utilizzando il lessico tecnico-scientifico specifico.
Capacità di apprendere:
- le attività descritte consentono allo studente di acquisire gli strumenti metodologici per proseguire gli studi e per potere provvedere autonomamente al proprio aggiornamento.