29427 - SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI ELETTRICI T

Conoscenze e abilità da conseguire

Il corso si propone di fornire una trattazione unitaria delle proprietà, delle tecnologie di lavorazione, degli impieghi e dei criteri di scelta dei materiali per l'ingegneria elettrica. In particolare, saranno trattate la struttura, la microstruttura e le proprietà meccaniche ed elettriche dei principali materiali metallici, ceramici, polimerici e compositi impiegati nel settore elettrico. Saranno, infine, analizzati gli effetti delle condizioni di servizio sulle proprietà e sulle prestazioni dei materiali isolanti a matrice organica.

Contenuti

I materiali e loro classificazione sulla base del legame chimico.

Principali prove sui materiali e relativa normativa italiana e internazionale.

Principali proprietà delle diverse classi di materiali: proprietà fisiche, termiche, elettriche, meccaniche.

Proprietà meccaniche: deformazioni elastiche e deformazioni plastiche, costanti elastiche, incrudimento, duttilità, tenacità, frattura.

Proprietà termiche: temperatura di transizione vetrosa, temperatura di fusione, conducibilità termica, coefficiente di dilatazione termica lineare.

Materiali metallici. Classificazione. Metalli e leghe per l'ingegneria elettrica: rame e sue leghe, alluminio e sue leghe, altri metalli e leghe metalliche. Conduttori metallici: scala IACS della conducibilità elettrica. Tecnologie di lavorazione, proprietà ed applicazioni dei materiali metallici.

Materiali ceramici. Classificazione. Materiali ceramici tradizionali: materiali da costruzione, refrattari, vetri. Materiali ceramici speciali: refrattari, elettrici, magnetici, per l'industria meccanica.

Tecnologie di lavorazione, proprietà ed applicazioni dei materiali ceramici.

Materiali polimerici. Classificazione. Polimeri lineari, ramificati, reticolati a bassa ed alta reticolazione; polimeri termoplastici e termoindurenti; polimeri amorfi e semicristallini. Cristallinità nei polimeri termoplastici; rado di cristallinità e grado di polimerizzazione. Principali materiali polimerici impiegati nell'industria elettrica: polietilene ad alta, media e bassa densità, polietilene reticolato, polipropilene, polivinilcloruro, poliesteri, poliammidi, gomme etilene-propilene; resine fenoliche, epossidiche, poliestere. Tecnologie di lavorazione, proprietà ed applicazioni dei materiali polimerici.

Materiali amorfi e materiali cristallini. Temperatura di transizione vetrosa e temperatura di fusione.

Struttura cristallina: reticoli, celle unitarie, impacchettamento atomico.

Imperfezioni nei reticoli cristallini: difetti dinamici e statici. Difetti statici: difetti di punto, di linea, di superficie, di volume. Effetto dei diversi tipi di difetti sulle proprietà dei materiali.

Materiali amorfi di interesse tecnico. Vetri: tipi e composizione; diagramma tecnologico.

Soluzioni solide: soluzioni costituzionali ed interstiziali; totale e parziale solubilità. Esempi.

Microstruttura e proprietà dei materiali. Diagrammi di equilibrio a due componenti in fase condensata. Diagramma a completa solubilità: determinazione della composizione e della quantità delle fasi. Diagrammi a parziale solubilità: eutettici, eutettoidi, peritettici. Diagrammi di interesse tecnico: diagramma silice-allumina; diagramma ferro-cabonio.

Leghe ferro-cabonio: microstruttura e proprietà degli acciai e delle ghise.

Trattamenti termici degli acciai: ricottura, normalizzazione, tempra, rinvenimento; curve di Bain. Trattamenti termochimici degli acciai (cenni).

Materiali compositi: classificazione; tipi di matrice e di rinforzo; caratteristiche generali.

Rinforzi particellari e fibrosi. Principali tipi di rinforzo particellare e loro proprietà.

Rinforzi fibrosi: fibre continue, fibre discontinue, whiskers. Principali tipi di rinforzo fibroso: fibre ceramiche e polimeriche. Struttura, proprietà, tecnologia di produzione, applicazioni.

Principali tecnologie di produzione dei materiali compositi a matrice metallica, ceramica e polimerica.

Proprietà meccaniche dei materiali compositi. Compositi a fibre continue e allineate: modulo elastico e resistenza a trazione in direzione longitudinale e trasversale. Volume critico delle fibre.

Compositi a fibre corte e allineate: lunghezza critica delle fibre; modulo elastico e resistenza a trazione. Compositi particellari: modulo elastico e resistenza a trazione.

Proprietà elettriche dei materiali. Classificazione dei materiali sulla base del modello delle bande di energia e della legge di Ohm. Natura dei portatori di carica elettrica nei materiali.

Trasporto elettronico e conduzione elettrica nei materiali metallici. Resistività elettrica dei conduttori metallici: regole di Matthiessen e di Nordheim. Esempi ed applicazioni.

Materiali semiconduttori. Semiconduttori intrinseci ed estrinseci. Portatori di carica.

Semiconduttori intrinseci: livello di Fermi e distribuzione di Fermi-Dirac.

Semiconduttori estrinseci di tipo p e di tipo n: livello di Fermi; dipendenza della concentrazione dei portatori di carica e della conducibilità dalla temperatura.

Materiali isolanti. Natura dei portatori di carica. Conducibilità elettrica in cc: dipendenza dal tempo, dalla temperatura, dal campo elettrico, dalle condizioni di misura, dalla struttura e microstruttura del materiale. Conducibilità elettrica in regime stazionario: conduzione elettronica e legge di Child; conduzione ionica e legge di Einstein.

Campi elettrici variabili. Costante dielettrica relativa complessa, costante dielettrica relativa, fattore di dissipazione, fattore di perdita. Processi di polarizzazione nei materiali: polarizzazione elettronica, ionica, dipolare, interfacciale. Polarizzazione dipolare e teoria di Debye.

Processi di polarizzazione nei materiali polimerici. Polarizzazione dipolare e interfacciale: dipendenza dalla temperatura e dalla frequenza. Determinazione delle proprietà elettriche in cc ed in ca dei materiali isolanti. Tecnica di misura a tre terminali. Tecniche di misura in cc: metodo voltamperometrico. Correnti di carica e di scarica. Correnti di scarica termostimolate. Tecniche di misura in ca. Repertorio di dati relativi ai principali materiali impiegati come isolanti elettrici.

Testi/Bibliografia

W.D. Callister, Materials Science and Engineering: An Introduction, J. Wiley & Sons, New York, 1999.

W. Tillar Shugg, Handbook of Electrical and Electronic Insulating Materials, IEEE Press, New York, 1995.

A.R. Blythe, Electrical properties of polymers, Cambridge University Press, Cambridge, 1980.

Normativa (UNI, EN, ISO, ASTM, etc.) sui materiali

Modalità di verifica e valutazione dell'apprendimento

Colloquioorale

Strumenti a supporto della didattica

Laboratori per esercitazioni pratiche sulla determinazione sperimentale di proprietà chimico-fisiche, meccaniche ed elettriche dei materiali

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Antonio Motori