Risultati degli esoneri di  Materiali nonmetallici  Brindisi

Risultati esoneri del corso “Scienza e tecnologia dei materiali”  AA 2009-2010

Carissimi apprendisti ingegneri

Vi comunico finalmente e con scuse, i risultati grezzi dei due esoneri. Il voto finale, previa discussione e verifica di alcuni "casi sospetti" sarà la media dei due esoneri. Se reputate che il voto finale non corrisponda alla vostra preparazione avete facoltà di chiedere un’integrazione orale. L’integrazione orale è altresì obbligatoria qualora non siano stati raggiunti i 18/30.

La valutazione potrà essere maggiorata di alcuni punti mediante la valutazione del lavoro monografico.

NS= non sufficiente

Risultati degli esoneri di  Materiali nonmetallici  Brindisi

Risultati esoneri del corso “materiali non metallici”  AA 2007-2008

Carissimi studenti

Vi comunico finalmente e con mille scuse i risultati dei due esoneri.Il voto finale, previa discussione e verifica sarà la media dei due esoneri. Se reputate che il voto finale non corrisponda alla vostra preparazione avete facoltà di chiedere un’integrazione orale. L’integrazione orale è altresì obbligatoria qualora non siano stati raggiunti i 18/30

 2° esonero MATERIALI CERAMICI 2007

 1° esonero MATERIALI CERAMICI 2007

 2° esonero 2006

Gli studenti che lo desiderano potranno integrare la propriavalutazione con un colloquio orale

la verbalizzazione dei voti e i colloqui integrativi è prevsta per lunedì 31 luglio alle ore 9:30

 1° esonero 2006

Risultati degli esoneri di  Materiali Ceramici 1 

2°esonero 2006

1°esonero 2006

N.B. Il docente si riserva di convalidare il voto della prova scritta. La convalida potrà richiedere in alcuni casi una discussione della prova stessa. La seduta di verbalizzazione è prevista per venerdì 21 Aprileore 15. E' facoltà degli studenti richiedere un colloquio integrativo del test scritto.

Esercizi per prepararsi agli esami

Si riportano sotto i tipici esercizi di esonero e/o le domande d'esame

Quesito 1
Calcolo della densità di un green di Al2O3
Stimare la densità di un green di allumina densamente impacchettato formato da particelle sferiche di 25micron. Cosa accadrebbe con un diametro di 10micron? Cosa accadrebbe con l'aggiunta del 20%volume di particelle più piccole adatte ad occupare gli interstizi?

Suggerimento
Si calcola la calcola la frazione di volume occupato in una cella unitaria a facce cubiche (massima densità di impacchettamento):

4 X 1,33pr³/16 x 21/2r3 = 0.7405

Si moltiplica la frazione per la densità dell'allumina 3,96g/cm³
d = 0.7405 x 3,95 = 2,93g/cm³

aggiungendo la frazione degli interstizi di particelle più fini
d = (0,20 x 3,96 + 2,93)g/cm³ = 3,72g/cm³

Quesito 2
Concentrazione di uno slip
Una sospensione acquosa di Al2O3 ha densità 2,5g/cm3. Calcolare la concentrazione iniziale di polvere esprimendo il risultato in volume e peso.

Suggerimento 

poniamo la frazione in volume di polvere pari a X
considerando un volume unitario
il peso dell'allumina è 3,96g/cm3*X
il peso dell'H2O (1-X)*1g/cm3
il peso dello slip è dato da
2,5 g/cm3 = 3,96g/cm3*X + (1-X)*1g/cm3
risolvendo
X = 1,5/2,96 = 0,506
ossia la frazione in volume è 0,506*100 = 50,6%
frazione in peso si calcola:
il peso dell'allumina: è 3,96g/cm3*0,506 = 2.003g/cm3
frazione in peso 2,003/2,5 = 0,8 in percento : 80%

Quesito 3
Modulo di rottura (MOR)
Dieci sbarre di mullite vengono testate a flessione a tre punti. Le dimensioni della sbarre sono larghezza 1,3cm, 0,6cm distanza dei vincoli 5cm. I carichi di rottura misurati sono stati 140Kg, 142Kg, 143Kg, 145Kg, 150Kg, 151Kg, 152Kg, 153Kg, 155Kg, 156Kg. Calcolare il MOR
Svolgimento: 

Ricordando che il MOR per una sbarra posta a flessione in tre punti è dato da:

MOR = 3PL/bd²

In questo caso particolare noi abbiamo che:

b = 1.3 cm

d = 0.6 cm

L = 5 cm

P = 140Kg * 9,81 = 1372 N

Quindi basta sostituire e si ottiene un MOR = 220 Mpa

Per gli altri carichi si ripete lo stesso procedimento variando naturalmente il valore di P

Quesito 4
Calcolo della superficie specifica
D: Una polvere di Al2O3 ha dimensioni medie pari a 5 micron (diametro). Calcolare la superficie specifica. Se ogni particelle fosse a sua volta costituita da agglomerati di 0,5 micron quale sarebbe il numero medio di particelle per agglomerato e la superficie specifica.

Suggerimento: 

La superficie specifica è il rapporto tra la superficie di una particella e il peso.

AREA = 4pR² = 4p (2,5)² = 78.5mm² = 78.5*10^-8 cm²

PESO = densità dell’allumina volume = 3.96 g/cm³* 4/3pR³ = 2.6*10^-14g

La superficie specifica è 78.5*10^-8 cm²/2.6*10^-14g = 30.19 *10²m²/g

Per sapere il numero di agglomerati contenuti in una particella bisogna considerare il 74% del volume della particella, perché è quello pieno, fratto il volume di un agglomerato:

0.74*4/3pR₁³/4/3pR₂³ = 740 che è il numero di agglomerati per particella.

Per calcolare la superficie specifica di un agglomerato:

AREA = 4pR₂² =0.78*10^-8 cm²

PESO = 0.26*10^{- 12 g}

Superficie specifica = 0.78*10^-8/0.26*10^-12 = 3m²/g

Quesito 5
Densità e porosità aperta
Discutere gli effetti della porosità sulla resistenza, sul modulo elastico, sulla resistenza alla corrosione e all'ossidazione, sulla conducibilità termica.

Quesito 6
Densità bulk e porosità
Sono state eseguite su una porcellana le seguenti pesate a 25°C:
peso del campione 15,234
peso del campione saturo d'acqua 15,408
peso del campione saturo sospeso in acqua 8,948
calcolare la densità bulk, e la porosità aperta

Quesito 7
Espansione termica
Calcolare la densità dell'allumina a 1000°C. Si assuma nel range 20-1000°C un coefficiente di espansione termica pari a 8*10^-6K^-1.

Quesito 8
Stress termico
Calcolare il valore di stress necessario a indurre una elongazione del MgO a 100°C
R: aDT = Dl/l , ? = E Dl/l

Quesito 9
Stress termico
Indicare se una fritta ceramica da applicare su un biscotto debba avere coefficiente di espansione termica maggiore o minore di quello del biscotto stesso. In quale caso si ha un aumento della resistenza a flessione?

Quesito 10
Stress termico smalto/biscotto
Uno smalto ceramico tende a cricccarsi se sottoposto a stress tensile maggiore del 0,1%. La temperatura di cottura è pari a 900°C e la temperatura di rammollimento 725°C. Trovare la relazione da applicare
Suggerimento: dalla definizione a DT = Dl/l
segue  a smalto -a biscotto < Dl/lDT
cioè
 a smalto - a biscotto < 1,43*10-6K-1

Quesito 11
I dielettrici
Calcolare la capacità di una capacità a piatti piani paralleli di 10mm di lato spaziatura tra le armature 1mm

Suggerimento: C = ?0 ?r A/h
ricordando che ?0 = 8,85*10-12C2/Nm2

Quesito 12
Tape casting
Uno slip per "tape casting" contiene 100 parti di allumina, 9 parti di PVA, 35 parti di toluene. Rispetto allo slip il nastro essiccato è spesso il 60%. Durante la sinterizzazione il nastro si compatta ulteriormente del 5% mentre la porosità finale è il 5%. Calcolare la porosità del green, la porosità dopo la rimozione della parte organica. Stimare la contrazione lungo il piano del nastro.
Risultato 17%, 38%, 17%

Quesito 13
Il bilancio energetico delle vetrate
Il bilancio energetico (BE) di una vetrata di supericie S si può esprimere come:
BE = S(-U*Gh + It*Fs)
U = trasmittanza della vetrata in W/m2K
Gh = prodotto base regionale (Gradi giorno GG per le ore di riscaldamento)
It = irraggiamento solare medio
FS = fattore solare
D: calcolare il BE di un appartamento di Milano con 15m2 di vetrate esposte a Nord e 10m2 esposte a Sud nel caso di impiego di vetro comune(A), vetro isolante(B), vetro low-E(C)
R: GG a Milano 2404, It a Nord 94185 Sud 309686
trasmittanza delle vetrate A = 5,9 (FS0,85), B = 2,9(0,76), C =1,9(FS 0,70)
alla fine dei calcoli
BE (A) -4.676.934W (dispersione)
BE (B) -755.615W (dispersi)
BE (C) 416216 guadagnati
Isolamento termico
Il flusso di calore Q tra due ambienti con differenza di temperatura DT è dato da
Q = UDT = DT/R U = trasmittanza R = resistenzza
1/R = 1/(1/hi + d/? + 1/he + Rs )
hi = scambio termico superficie-interno = 8m2K/W
he scambio termico superficie-esterno = 25m2K/W
? = conducibilità termica del vetro 1W/mK, d= spessore della lastra
Rs= resistenza dell'intercapedine d'aria
D: Calcolare la trasmittanza del vetro semplice e del vetrocamera (spessore lastre 4mm, spessore intercapedine 6mm)
R: vetro semplice U = 5,9W/m2°K
vetrocamera U = 3,3W/m2°K

Quesito 14
Silicati
Feldspati e zeoliti: similitudini, differenze e proprietà

Quesito 15
Sinterizzazione reattiva e slip
Formulare un impasto per ottenere 100 barre di 50X5x3mm di pura mullite (3Al2O32SiO2) SiC (densità 3,14g/cm3) da slip casting a partire da SiC (densità 3,1g/cm3) e Al2O3 SiC (densità 3,96g/cm3). Assumere che, i due componenti, per sinterizzazione reattiva, si trasformano integralmente in fase mullitica. Determinare le quantità in peso di SiC e Al2O3 occorrenti e la quantità d'acqua assumendo di dover preparare uno slip al 50% in volume di contenuto solido.

Soluzione: SiC 44,16g, Al2O3 168,91g

Quesito 16
Tempra del vetro
Tempra termica e tempra chimica del vetro piano: descrivere i cicli termici di ciascuno dei due processi

Quesito 17
I calcestruzzi
Un calcestruzzo deve avere un dosaggio minimo di cemento di 280Kg/m³. E' prescritto un rapporto H₂O/cemento a/c= 0,6 calcolare la quantità in peso di inerte da aggiungere note le densità dei due componenti:
densità cemento = 3100Kg/m3
Densità inerte = 2700Kg/m3

Quesito 18
Slip e ritiro
Parte a: Formulare la composizione in peso di uno slip ceramico in cui si richiede: frazione volumica di zirconia in allumina pari al 15%, frazione di liquido (H₂O) in volume nello slip 35%, quantità totale di slip 1 litro. (densità zirconia 5,9g/cm³, densità allumina 3,96g/cm³).
Parte b: Dopo la formatura per slip casting il green solidificato subisce un ritiro trascurabile rispetto alle dimensioni dello stampo. Quale è il ritiro volumetrico e lineare atteso durante la sinterizzazione supponendo la piena densificazione?

Quesito 19
La zirconia
I meccanismi di tenacizzazione indotti dalla presenza di zirconia nei ceramici avanzati

Quesito 20
Tempra termica del vetro
La temperatura di transizione vetrosa del vetro float è 550°C. Indicare quale delle seguenti temperature dovrebbe essere raggiunta in un forno di tempra termica e spiegare brevemente perché.
550°C 500°C 650°C 1000°C

Quesito 21
Stress termico su smalti ceramici
Stabilire quale smalto vetroso è possibile applicare su un biscotto per evitare la rottura dello smalto. Le ceramiche vengono cotte a 1000°C, la temperatura di transizione vetrosa dello smalto è 520°C, le ceramiche sono raffreddate a temperatura ambiente (20°C). Il modulo di Young degli smalti è 50Gpa, la resistenza a trazione è pari a 50Mpa e di compressione 300MPa. Sono dati i seguenti coefficienti di espansione termica:

Espansione termica (K^-1)
biscotto 8*10-6
Smalto A 9*10-6
Smalto B 11*10-6
Smalto C 7*10-6
Smalto D 4*10-6

Quesito 22
Il Carburo di silicio
Descrivere sinteticamente le tecniche di sintesi e formatura di ceramici a base di Carburo di Silicio

Quesito 23
Ossidi formatori di strutture vetrose
Discutere sinteticamente sulla base dei dati riportati in tabella se vi è tendenza a formare ossidi vetrosi in ciascuno dei seguenti cationi.

Si+4 P+5 C+4 Ti+4 O-2
Raggio ionico (pm) 42 35 16 68 132
Elettronegatività 1,8 2,1 2,5 1,5 3,5

Quesito 24
Sinterizzazione reattiva
Per la sintesi della tialite (Al₂TiO₅) si ricorre alla reazione ad alta temperatura di polveri submicroniche di bohemite (AlOOH) e titania (TiO2) indicare le quantità in peso di ciascuno dei due componenti occorrenti per la sintesi di un chilogrammo di tialite.
 Peso atomico Al 26,98 Ti 47,88 O15,99
 

Quesito 25
Porosità, superficie specifica e dimensione dei pori
A seguito del processo di sinterizzazione il manufatto in tialite ha una densità bulk di 3,35g/cm3, porosità residua pari al 12% ed un'area specifica di 0,1m2/g. Calcolare la dimensione media dei pori assumendo che questi abbiano dimensioni simili e forma sferica.
Suggerimento: quanti sono i pori in 1cm3??)

Quesito 26
Diagrammi di fase
Indicare se vi è o meno miscibilità allo stato solido, se vi è o meno formazione di composti intermedi e tracciare la curva di rafreddamento relativa alla composizione X.

Quesito 27
Silicati
Dare la definizione di fillosilicati e tectosilicati.
Fare alcuni esempi di materiali sintetici o naturali appartenenti alle due categorie e descrivere due esempi di impieghi tecnologici, uno per ogni categoria

.

Quesito 28

Stress termico su una lastra di vetro
D: Calcolare il valore delle tensioni generate su di una lastra di vetro per effetto della temperatura differenziata relativamente a 25°C, 40°C e 65°C

R: ricordiamo ??T = E??T/2(1-?)
quindi: ? = (73.000 * o,000009) ?T /2(1 - 0,22)
?25 = 10,5N/mm2
?40 = 16,8N/mm2
?65 = 27,4N/mm2 (alto rischio di rottura)

Quesito 29

Interfaccia fibra matrice nei CMC

 Discutere il ruolo dell'interfaccia matrice/fibra nei compositi a matrice ceramica e evidenziare la differenza con i compositi a matrice metallica e rinforzo ceramico

Suggerimento: nei compositi ceramici l'interfaccia deve assicurare un debole legame matrice fibra per consentire la deviazione della cricca, nei compositi metallici l'interfaccia deve assicurare un buon legame per consentire il trasferimento del carico alla fibra a più alto modulo

.

Quesito 30

Le fibre di carbonio

Le fibre di carbonio possiedono particolare struttura e orientamento cristallini descrivere brevemente la struttura e le proprietà derivanti dall'anisotropia possibilmente tramite esempi e applicazioni correlate.

Suggerimento: i piani esagonali grafitici sono orientati parallelamente all'asse della fibra. Pertanto il tipo di legame e l'energia di legame sono diversi nelle sezione e nella direzione. Deriva una grande resistenza lungo l'asse e maggiore conducibilità termica ed elettrica: applicazioni: dissipazione del calore nei freni grazie alla conducibilità del calore preferenzialmente lungo la fibra

.

Quesito 31

Vetro ceramici

Durante un trattamento termico di riscaldamento vicino alla Tg un vetro con alto tenore di alluminio e litio è diventato opalescente e quindi si è opacizzato: cosa potrebbbe essere successo??

Suggerimento

Vi è stata una devetrificazione del sistema vetro-ceramico. L'opalescenza presumibilmte si può ricondurre alla fase di nucleazione di piccoli grani. L'opacizzazione alla crescita dei grani fino a raggiungere dimensioni che scatterano la luce (50nm)

.

Quesito 32

Preparazione di uno slip di allumina

Vi è richiesto di formulare un litro di una sospensione di Al2O3 per slip casting al 45% in volume di solido il resto H2O. Determinare le quantità in peso delle componenti: 4% in volume della frazione solida: legante polimerico densità 1g/cm3 0,3% in volume disperdente (densità 1,2g/cm3) resto polvere di allumina densità 3,96g/cm3 H2O La polvere è estremamente fine e ha una superficie specifica pari a 3m2/g e forma tendenzialmente sferica, calcolare le dimensioni medie delle particelle.

Suggerimento

H₂O = 550ccH2O > 500g Frazione solida 450cc Legante = 450*0.04*1 Al2O3 = 450*95,7*3.96 > Disperdente = 450*0.003*1,2 Dimensioni Superficie specifica 8m2/g = 4pr2/(4/3pr3*(3,96g/cm³)) r=

.

Quesito 33

I bioceramici

Vi è stato richiesto di migliorare il fissaggio di una protesi d’anca in Titanio applicando un rivestimento di materiale bioceramico. Indicare brevemente dove bisogna suggerire l’applicazione di un ceramico bioinerte e/o bioattivo e per quali benefici. Fornire eventualmente un esempio di bioceramico inerte e di ceramico bioattivo.

Suggerimento

Bisogna raccomandare un ceramico bioattivo in grado di favorire la ricrescita ossea nello stelo della protesi che viene innestato nell’osso fratturato e un materiale bioinerte nella testa del femore per impedire la crescita ossea sull’articolazione

.

Quesito 34

I bioceramici

Vi è stato richiesto di migliorare il fissaggio di una protesi d’anca in Titanio applicando un rivestimento di materiale bioceramico. Il paziente pesa 80Kg e la protesi deve sostenere carichi massimi pari a 7 volte il suo peso.

Assumendo le seguenti proprietà:

Qual’è la massima deformazione (espressa in %) ammissibile con e senza rivestimento?

A quale carico si verificherà la frattura in presenza del rivestimento bioceramico? Potete di conseguenza ammetterne l’utilizzo?

Suggerimento

Deformazione massima: e(%) = stress a rottura / modulo = s/E  0,36%(titanio

0,1% bioceramico

carico:

superficie titanio x stress al 0,1%  + superficie biovetro x stress biovetro

.

Quesito 35 

La superficie specifica

Esprimere la definizione di superficie specifica e fare un esempio dell’utilizzo di questo concetto nella scienza e tecnologia dei ceramici.

Suggerimento 

La superficie specifica è la quantità di superficie per unità di peso espressa tipicamente in m2/g

.

Quesito 36

La superficie specifica

Calcolare la superficie specifica di un tessuto di fibre lunghe Textron assumendo siano perfettamente densificate alla densità teorica del carburo di silicio e che abbiano un diametro di 100 micron.

Per realizzare un composito per compattazione di più tessuti di tali fibre, viene depositato tramite fase vapore uno strato uniforme di SiC pari ad un millimetro. Calcolare a quanto si riduce la superficie specifica.

Suggerimento

Si trascura il contributo alla superficie delle estremità delle fibre:

Superficie di una fibra di lunghezza l       S = 2prl

Peso   p = volume per densità = lpr²r

Superficie specifica delle fibre S/P = 2/rr = 2/(50x10^-6mx 3,1g/cm³ )= 2/50X3,1 m2/g

Superficie specifica delle fibre S/P = 2/r_cvdr =2/(51x10^-6mx 3,1g/cm³)

.

Quesito 37

La sinterizzazione

Discutere l’evoluzione dei grani cristallini, dei bordi di grano e dei pori durante la fase finale della sinterizzazione in fase solida di un materiale ceramico e gli effetti sulle proprietà meccaniche

. 

Quesito 38

Proprietà termiche e ottiche dei vetri

Spiegare l’effetto di aumento della temperatura nelle serre esposte al sole

 .

Quesito 39

Sinterizzazione reattiva

Un green preceramico di 1000cc formato da polveri di silicio metallico (d=2,33g/cm³) con porosità pari al 35% viene sinterizzato in azoto per ottenere Nitruro di Silicio (Si₃N₄) (d=3,1g/cm³). Durante la sinterizzazione e la conversione in nitruro, il silicio si espande del 20% ma le dimensioni del manufatto non cambiano. Calcolare:

- la porosità finale del manufatto

- la densità bulk

- la superficie specifica del manufatto finale assumendo che i pori abbiano forma sferica e diametro pari a 0,5 micron

.  

Quesito 40

Shock termico

Calcolare la resistenza agli shock termici (DT) del Si₃N₄  sapendo: - la resistenza meccanica  450Mpa

- Il coefficiente di espansione termica 2,92*10^-6 K^-1

- Il modulo di Young 290GPa

-Resistenza a trazione 50MPa

- Rapporto di Poisson 0,25

Uno strato di silice amorfa (SiO₂) viene applicato sul nitruro a bassa temperatura. Fino a che temperatura il Si₃N₄ può essere efficacemente protetto con SiO₂ (espansione termica 0,1*10^-6 K^-1 resistenza in trazione 50MPa) senza che il rivestimento subisca fratture e comprometta la resistenza chimica del materiale?