B006902 - MATERIALI CERAMICI E VETRO

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Struttura delle ceramiche. Reticoli a massimo impacchettamento, siti reticolari, siti interstiziali in reticoli HPC e FCC. Stabilità dei cristalli ionici. Predizione di strutture cristalline. Difetti nei cristalli: classificazione e trattazione termodinamica. Descrizione della struttura dei vetri. Modelli strutturali di vetri. Classi di vetri ossidi e non-ossidi. Termodinamica della transizione vetrosa. Diagrammi di fase. Produzione e aspetti applicativi di materiali ceramici e vetrosi.

Dispense e materiale bibliografico preparato dai docenti e fornito a lezione.

Conoscenza e Comprensione: il corso si propone di formare gli studenti sugli aspetti teorici principali che stanno alla base delle proprietà strutturali, meccaniche, elettriche e ottiche dei vetri e delle ceramiche. Verranno inoltre trattati aspetti tecnologici e industriali riguardanti questi materiali.
Comunicazione: abilità nel comunicare con lessico appropriato le competenze acquisite durante il corso.
Autonomia di Giudizio: capacità critica nella analisi, ad esempio, dei diversi modelli discussi per la descrizione di strutture vetrose e ceramiche. Capacità di valutare vantaggi e svantaggi di processi di produzione di materiali vetrosi e ceramici, anche in relazione alle diverse applicazioni.

Corsi vincolanti: Chimica Generale e Inorganica.
Corsi raccomandati: Chimica Fisica I, Fisica sperimentale.

Numero di ore relative alle attività in aula: 48.

Esame orale volto a verificare le conoscenze acquisite, la capacità di ragionamento sulle conoscenze acquisite, la qualità dell'esposizione e la competenza nell'impiego del lessico specialistico.

Introduzione al corso. Classificazione dei materiali. Definizioni di ceramica. Proprietà generali dei materiali ceramici. Tipologie di materiali ceramici tradizionali.
Tipologie di materiali ceramici tradizionali (vetri, cementi e refrattari). Cenni alla classificazione dei silicati.

Struttura delle ceramiche cristalline: reticoli a massimo impacchettamento, HPC e FCC (siti reticolari e cella elementare). Reticoli a massimo impacchettamento: siti interstiziali. Rapporto tra siti reticolari e siti interstiziali in FCC e HCP. Stabilità di cristalli ionici. La costante di Madelung: reticolo monodimensionale, reticolo bidimensionale, reticolo tridimensionale. Energia repulsiva in cristalli ionici. Stabilità dei cristalli ionici: calcolo dell'energia totale. Predizione di strutture cristalline: numero di coordinazione, poliedri di coordinazione. Le regole di Pauling. Esempi di strutture FCC e HCP e relativa discussione delle caratteristiche prinicipali. Polimorfismo e politipismo: il caso di blenda e wurtzite. Difetti in materiali ceramici. Classificazione dei difetti. Trattazione termodinamica dei difetti. Concentrazione di difetti di Frenkel e concentrazione di difetti di Schottky. Difetti lineari: dislocazioni a spigolo e a vite. Vettore di Burgers. Difetti di superficie e di volume.

Introduzione a vetri e definizioni di vetro. Descrizione della struttura dei vetri: funzione di distribuzione a coppie, funzione di distribuzione radiale e funzione di correlazione a coppie. La funzione di distribuzione a coppie e il numero di coordinazione in sistemi misti. Altri parametri strutturali. Tipologie di cristalli in base al legame prevalente. Modelli strutturali di vetri: CRN monoatomico, CRN di ossidi, CRN di sistemi binari non ossidi. La teoria dei vincoli topologici o della rigidità di Phillips-Thorpe. Modello a cristalliti. Formatori di reticolo e modificatori di reticolo. Modelli strutturali di vetri: random close packing (RCP). Descrizione del modello. Confronto tra RCP e HCP/FCC. Strutture a massimo grado di impacchettamento. Poliedri di Voronoi. Cavità canoniche di Bernal. Classi di vetri: vetri di silice, vetri di ossido di boro; vetri silico alcalini e vetri sodico calcici. Vetri boro-sodici e vetri all'ossido di fosforo. Descrizione delle strutture dei cristalli e dei vetri. Modelli numerici e misure sperimentali. Classi di vetri ossidi: vetri monocomposizionali, vetri bifasici con modificatori di struttura, vetri con più formatori e modificatori di struttura. Classi di vetri non ossidi: Si e Ge amorfo, vetri calcogeni monocomponenti, vetri calcogenuri e calcoalogenuri, vetri metallici.

Richiami di termodinamica. Transizioni di fase: definizioni. Termodinamica delle transizioni di fase: funzioni termodinamiche in transizioni liquido-cristallo.
Termodinamica delle transizioni di fase: funzioni termodinamiche in transizioni liquido-vetro. Formazione di cristalli e vetri: Diagrammi tempo-temperatura-trasformazione
Formazione di cristalli e vetri: energia libera di formazione di cristalliti, andamento in funzione del raggio, definizione di nuclei critici e supercritici, numero di nuclei critici per unità di volume, approssimazione di Turnbull, velocità di nucleazione.
Formazione di cristalli e vetri: velocità di crescita di cristalli (derivazione e considerazioni generali). Andamento di velocità di nucleazione e crescita in funzione della temperatura. Equazione di Johnson-Mehl-Avrami. Diagrammi TTT e misure sperimentali di Iv e u. Velocità di raffreddamento per la formazione di vetri in materiali diversi. Velocità di raffreddamento critica e spessore massimo. Considerazioni sulla tipologia di tempra.

Diagrammi di fase. Definizione di fase, componente, gradi di libertà. Considerazioni generali sui diagrammi di fase. Regola delle fasi di Gibbs: enunciato e dimostrazione. Esempi di diagrammi di fase ad un componente. Diagrammi di fase a due componenti. Regola della leva. Sistemi binari con eutettico. Diagrammi di fase di sistemi binari: punti invarianti peritettoidi, eutettoidi e monotettici.

Aspetti applicativi di materiali vetrosi: il processo di lavorazione del vetro. Composizione e calcolo del lotto. Il processo di fusione. Viscosità e processo produttivo: definizione di "working point", "softening point", "annealing point" e "strain point". Affinaggio e ricottura. Produzione di vetri piani: rullatura, deep drawing e processo float. Vetri soffiati. Vetri rivestiti. Vetri di sicurezza: temperaggio e laminazione. Vetri fotocromatici. Vetroceramica: caratteristiche e modalità di ottenimento. Esempi di vetroceramiche. Bioceramiche: bioceramiche inerti (o quasi interti) e ceramiche bioattive. Stress shielding. Compositi bioceramici. Materiali vetrosi per radioterapia.