Study-unit AEROSPACE MATERIALS
| Course name | Sustainable materials and processes engineering |
|---|---|
| Study-unit Code | A002446 |
| Curriculum | Materiali per l'aerospazio |
| Lecturer | Maurizio Natali |
| CFU | 10 |
| Course Regulation | Coorte 2023 |
| Supplied | 2024/25 |
| Type of study-unit | Obbligatorio (Required) |
| Type of learning activities | Attività formativa integrata |
| Partition |
HIGH TEMPERATURE MATERIALS FOR AEROSPACE APPLICATIONS
| Code | A002448 |
|---|---|
| CFU | 5 |
| Lecturer | Maurizio Natali |
| Lecturers |
|
| Hours |
|
| Learning activities | Caratterizzante |
| Area | Ingegneria dei materiali |
| Sector | 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 |
| Lecturer | Maurizio Natali |
| Lecturers |
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| Hours |
|
| Learning activities | Caratterizzante |
| Area | Ingegneria dei materiali |
| Sector | 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 |