RIVISTA DEL POLITECNICO DI MILANO
POLITECNICO
POLITECNICO
6. 2003
6. 2 0 0 3
Materiali
ricerca e didattica
6 . 2003
RIVISTA DEL POLITECNICO DI MILANO
POLITECNICO
Direttore responsabile
Maria Licia Zuzzaro
Comitato di Redazione
Giulio Ballio
Giovanni Azzone
Adriana Baglioni
Carlo Ghezzi
Mauro Santomauro
Giancarlo Spinelli
Anna Zaretti
Progetto grafico
Ufficio Sit.com
Alessandro Deserti
Stefano Mandato
Chiara Rolfini
Milano, Aprile 2003
Stampa
Up.point S.r.l.
via Mangiagalli, 18
20133 Milano
Tutti i diritti riservati
al Politecnico di Milano
Registrata presso
il Tribunale di Milano
con il n° 813 del 13.11.1987
Ho il piacere di presentare il nuovo numero della
rivista Politecnico rinnovata nella sua veste grafica,
nel formato nonché nella sua periodicità.
L'esigenza che il Politecnico di Milano abbia un suo
strumento informativo è fortemente sentita da più
parti.
Appaiono sempre più necessarie la diffusione dell'informazione all'interno dell'Ateneo e la disseminazione delle nostre conoscenze e competenze.
E inoltre tra le istituzioni, aziende, architetti, designers, ingegneri che spesso sostengono il progetto
di sviluppo dell'Ateneo e desiderano conoscere
quanto facciamo.
L'illustrazione, con numeri monografici, delle attività di ricerca e di formazione di una precisa area di
ricerca dell'Ateneo, sembra essere il sistema di
comunicazione più apprezzato.
A distanza di anni, infatti, vengono ancora richiesti
i numeri monografici prodotti in passato quali
quelli relativi ai Trasporti, al Design, al Progetto
Bovisa, alle ricerche aerospaziali.
Il nuovo progetto grafico è stato elaborato
all'interno e affidato a giovani laureati della nostra
Facoltà del Design con la speranza che la rivista
possa essere apprezzata anche da un pubblico sempre più giovane.
Ci auguriamo così che il Politecnico sia ancora più
gradito ai suoi lettori che, speriamo, saranno sempre più numerosi. Da essi attendiamo anche suggerimenti, idee, proposte, che saranno preziosi per
rendere la rivista sempre più apprezzata.
contributi raccolti, il carattere interdisciplinare dell'area, che coinvolge docenti e ricercatori di differenti dipartimenti dell'Ateneo.
Non a caso abbiamo scelto questo tema proprio
nell'anno 2003, anno nel quale ricorre il centenario
della nascita di Giulio Natta, Premio Nobel per la
Chimica nel 1963. Giulio Natta ha non solo fornito
un contributo essenziale nel settore della scienza e
tecnologia delle materie plastiche, ma ha posto le
fondamenta per la creazione di materiali che diventeranno a partire dal 1975 prototipi dei nanomateriali organici. Per rievocarne la grande figura di
scienziato, allievo e poi docente presso il nostro
Politecnico, a lui dedicheremo il prossimo numero
della Rivista.
Infine, troverete alcune pagine di carattere informativo che propongono alcuni tra gli avvenimenti di
maggiore rilievo organizzati negli ultimi mesi dal
nostro Ateneo.
Buona lettura
Giulio Ballio
Questo numero vuole fornire un quadro ampio
delle attività di ricerca e formazione nel settore dei
Materiali, ed evidenzia, con la ricchezza e varietà dei
3
Indice
6. Materiali: ricerca e didattica
8. Walter Nicodemi
L’offerta formativa del Politecnico di Milano
nel settore dell’ingegneria dei materiali
14. Pietro Luigi Cavallotti, Walter Nicodemi
I materiali metallici
24. Giuseppe Allegra
I materiali polimerici
28. Pietro Gambarova, Carlo Urbano
I materiali inorganici, compositi,
il calcestruzzo
34. Pier Luigi Cavallotti
Rivestimenti metallici nanostrutturati
per elettronica
40. Marco Boniardi, Paolo Clerici, Alfredo
Cigada, Laura Vergani
Materiali per costruzioni meccaniche
44. Carlo Caprile, Vittorio Giavotto,
Elisabetta Gariboldi, Giuseppe Sala
Attività di ricerca nell’ambito dei materiali
per applicazioni aerospaziali
52. Alberto Cigada, Riccardo Pietrabissa,
Maria Cristina Tanzi
Biomateriali
64. Giulia Baronio, Luigia Binda, Giuliana
Cardani, Elsa Garavaglia, Cristina Tedeschi
Approccio sperimentale sistematico
e modellazione probabilistica del degrado
delle murature
72. Sergio Croce, Giuseppe Turchini
Building Science, ricerca didattica,
formazione: durabilità e patologia edilizia
76. Pietro Pedeferri
La durabilità delle struttutre in calcestruzzo
armato
78. Luciano Lazzari
Materiali tradizionali e nuove sfide
80. Marinella Levi, Maurizio Vedani
I Materiali polimerici e metallici innovativi
86. Giuseppe Zerbi
Nanomateriali organici policoniugati
90. Carlo Enrico Bottani, Paolo Milani
Materiali nanostrutturati assemblati
da cluster
96. Eventi e manifestazioni
Materiali ricerca e didattica
Mi è stato chiesto, in quanto
Direttore del Dipartimento di
Chimica, Materiali ed
Ingegneria Chimica “Giulio
Natta”, di introdurre la sezione ricerca di questo numero
del Politecnico dedicato ai
materiali. E in effetti il nome
Giulio Natta, unico premio
Nobel della chimica italiana e
unico premio Nobel del
Politecnico, è al “Poli” un
sinonimo di materiali, e ciò a
maggior ragione nel 2003,
anno in cui si celebra il centenario della nascita di Natta.
Ho in questo modo anche
l’occasione per annunciare
l’intenzione di dedicare un
prossimo numero della rivista
Politecnico proprio alla figura
di Giulio Natta.
Senza nuovi materiali, sempre
più resistenti, leggeri, intelligenti, rigidi, flessibili, miniaturizzati, superconduttori,
magnetici, isolanti, fonoassorbenti, biocompatibili, biofunzionali, trasparenti, riflettenti,
tattili, scorrevoli o frenati l’innovazione avrebbe le polveri
bagnate.
Così come in quasi tutti gli
sport (automobilismo, vela,
sci, ecc.) purtroppo o per fortuna, a seconda dei casi,
eccelle solo chi ha i materiali
migliori, anche nel mondo
industriale ed economico la
padronanza o meno dei materiali può voler dire, in un
mondo sempre più globale e
concorrenziale, vittoria o
sconfitta.
Ma non solo per questo è per
me un onore presentare questa sezione della rivista. Tutti
oggi concordano sul fatto che
i materiali rappresentino un
settore determinante per lo
sviluppo, l’innovazione tecnologica e la competitività internazionale in quasi tutti i
campi e discipline. Campi e
discipline che spaziano dai
settori tradizionali della chimica e della meccanica, al settore del costruite legato all’architettura e all’edilizia, al
campo dei beni di largo consumo connessi all’elettronica
e al design, ai settori più innovativi e di recente sviluppo
legati alla medicina, alle tecnologie biomediche e, da ultimo, alle nanotecnologie.
Obiettivo di questo numero
del Politecnico è cercare di
evidenziare come i materiali
entrino in modo insostituibile
negli interessi di ricerca di
gran parte dei Dipartimenti
del Politecnico e quale sia il
contributo che il Politecnico
può offrire al mondo della
produzione in questo campo.
La varietà e distribuzione
degli autori dei vari capitoli ne
è la prima prova e ad essi è
affidato il compito di convincere il lettore.
Alberto Cigada
Ingegneria dei Materiali
o Materiali per l’Ingegneria?
Walter Nicodemi
L’offerta formativa
del Politecnico di Milano nel settore
dell’ingegneria dei materiali
Education in materials
engineering at Politecnico
di Milano
Since beginning of civilisation, materials have
represented one of the
strategic factors ruling the
development of humanity.
Still today, this role of the
materials remains
unchanged and the progress in many fields is
due to availability of so
different materials with
improved performances.
It can also be stated that
modern trends of innovation in materials science
are focussed on systems
of materials that should
be tailored and optimised
to fulfil specific requirements of service condition. Typical examples can
be found in automotive
industry and in common
appliances such as portable phones. A deep cultural background on materials engineering such as
that offered by the educational system at
Politecnico di Milano
offers real professional
opportunities in many
fields of materials
industry and research sectors: metals and metallic
alloys, polymers, ceramics, glasses, cements,
composites. It must also
8
be emphasised that education in materials engineering should not be
focussed only on materials properties but it
should also form experts
on materials processing in
order to optimise materials manufacturing cycles
to final application. The
study course in materials
engineering at Politecnico
di Milano, as in many
other Italian technical universities, is relatively
young even if materials
research in our school has
an extremely long tradition. The current course in
materials engineering has
a marked applicative character, aimed at forming
experts on design
aspects.
However, fundamental
issues on materials science are not neglected since
they are believed to be of
great importance in a field
where technological development ranges from È indubbio che i materiali sono stati da sempre uno
dei fattori strategici di sviluppo per il progresso dell’umanità. Anche oggi questo loro ruolo permane
inalterato e, se l’attività umana è riuscita a progredire in svariati campi e in molteplici attività, lo si deve
alla disponibilità di differenti materiali con prestazioni sempre migliori. Tradizionalmente, qualsiasi
prodotto industriale è stato fabbricato utilizzando
un particolare materiale; oggi tuttavia è sempre più
evidente che l’innovazione si indirizza verso sistemi
di materiali assemblati al fine di ottimizzare il rendimento in esercizio dei singoli materiali. Basti pensare all’automobile o al personal computer per
comprendere quanto questi sistemi siano diffusi
anche in beni di uso quotidiano.
In un’ottica moderna, il materiale deve essere considerato non più come risorsa infinitamente disponibile da eliminare al termine del suo ciclo di vita
utile, ma come fonte preziosa di ricchezza produttiva, da preparare, utilizzare e recuperare in un ciclo
completamente controllato, in modo da mantenere
e migliorare la qualità della vita compatibilmente
con la qualità dell’ambiente. Da questo punto di
vista l’Ingegnere dei Materiali, avendo conoscenze
specifiche sul comportamento della materia prima
in ogni periodo del ciclo, è in grado di esaminare il
problema produttivo in una prospettiva compiuta e
di discernere il materiale migliore, assumendo così
il ruolo di coordinatore delle attività nelle fasi di
produzione e di gestione.
Un’esperienza approfondita nel settore dei materiali, quale quella offerta dal percorso formativo della
Laurea in Ingegneria dei Materiali, propone opportunità di carriera nelle diverse aree relative a materiali come metalli e leghe, ceramici, cementi, vetri,
polimeri e compositi, in settori molto ampi e diversificati dell’industria e della ricerca. Sarebbe però
riduttivo limitare l’obiettivo alla conoscenza del
materiale in sé, poiché una parte rilevante del lavoro dell’esperto in materiali concerne l’innovazione
dei processi produttivi, della trasformazione e delle
applicazioni allo scopo di ottimizzare le prestazioni.
A dimostrazione del carattere completo della preparazione richiesta all’esperto in materiali, è utile
richiamare una nota definizione dell’ingegnere, originariamente proposta dal professor L. Van Vlack
dell’Università del Michigan:
“Gli ingegneri lavorano su modelli matematici
astratti, ma non sono matematici; usano metodi di
1.
Distribuzione media
dei materiali in una moderna
automobile (a sinistra)
in un telefono cellulare
(a destra)
6%
vernici
6%
11%
alluminio ghisa
10%
6%
plastiche elastomeri
56%
acciai
5%
vetri
analisi e valutazione scientifici, ma non sono scienziati; si interessano della riduzione dei costi di produzione dei loro materiali e dei consumi dei loro
sistemi, ma non sono economisti; lavorano per il
miglioramento della qualità dell’esistenza umana,
ma non sono sociologi; dirigono ed amministrano
sistemi complessi, ma non sono manager; creano
oggetti di bellezza, ma non sono artisti. E allora
cosa sono gli ingegneri? Sono profondi conoscitori
dei materiali”.
La formazione degli Ingegneri dei Materiali
nel nostro Ateneo
Il corso di studi in Ingegneria dei Materiali al
Politecnico di Milano, come negli altri Atenei
Italiani, ha una storia relativamente breve seppure la
ricerca nel settore dei materiali al Politecnico goda
di una prestigiosa tradizione, come testimonia
anche il premio Nobel conferito nel 1963 per una
scoperta nel campo dei polimeri al Prof. Giulio
Natta, del quale ricorre quest’anno il centenario
della nascita. L’attuale Corso di Studi in Ingegneria
dei Materiali presenta una forte connotazione applicativa, necessaria per la formazione di un profilo di
ingegnere orientato agli aspetti progettuali dell’in-
16%
ceramici e vetri
3%
altri
56%
acciai
25%
metalli
materials synthesis to
structural and functional
behaviour of materials
systems. The current educational programme for
the three years of the first
level degree was organised to develop knowledge
based on a scientific/technological approach. The
fundamental subjects of
science and engineering
of materials are implemented with specific
issues related to technological processes for manufacturing materials and
components. Three branches of the educational
programme focussed on
direct applications of
materials in metals, polymer and surface engineering are proposed for
those students wishing to
end their studies after
three years and looking
for professional opportunities in the industrial
world. As for the other
engineering courses, a
further educational programme more oriented to
fundamental subjects is
active, mainly for those
students that will be
engaged with the second
level degree.
The educational programme of the second level
degree will be organised
to widen the knowledge
on materials engineering
through an approach
based on materials
design. The aim is to create the professional profile
of an expert in materials
and a designer of processes and components
based on the deep knowledge on materials
behaviour and on innovative materials manufacturing processes.
9
2.
novazione, senza tuttavia tralasciare i necessari
approfondimenti fondamentali e scientifici indispensabili in un settore dove l’innovazione tecnologica si sviluppa dalla sintesi del materiale fino al
comportamento strutturale e funzionale del manufatto. Le conoscenze acquisite sono inoltre propedeutiche alle tematiche collegate al settore della
ricerca scientifica e sono compiutamente sviluppate
nel corso del Dottorato di Ricerca.
L’attuale percorso formativo relativo ai tre anni
della laurea di primo livello prevede una preparazione degli allievi secondo un approccio di tipo
scientifico/tecnologico: alla preparazione di base
dell’ingegneria e della scienza dei materiali si
aggiunge una formazione specifica sugli aspetti
legati ai processi tecnologici della produzione dei
materiali e dei manufatti. Il laureato di primo livello
acquisisce quindi una preparazione che gli consente
di operare nella gestione di impianti e processi di
produzione, trattamento e trasformazione dei materiali. Per gli studenti che desiderassero inserirsi già
dopo tre anni nel mondo del lavoro sono stati attivati tre indirizzi professionalizzanti in settori di
forte rilevanza per la realtà industriale nazionale ed
in particolare lombarda: ingegneria delle superfici,
10
ingegneria metallurgica e ingegneria dei materiali
polimerici. Come per tutti i corsi di studio è attivo
inoltre un indirizzo di tipo formativo, più focalizzato ad una preparazione di base, orientato alla prosecuzione diretta degli studi nel biennio successivo.
La laurea biennale di secondo livello consente di
estendere le conoscenze acquisite durante la laurea
di primo livello con un percorso formativo di tipo
ingegneristico-progettuale. Lo scopo è quello di formare una figura professionale di esperto in materiali e progettista di processi e manufatti, con conoscenze avanzate delle caratteristiche fondamentali e
d’impiego delle diverse classi di materiali, oltre che
delle più varie ed innovative tecniche di fabbricazione. Lo schema riportato nella figura seguente
riassume la suddetta impostazione mettendo in evidenza i corrispondenti profili professionali.
La laurea di secondo livello è caratterizzata da un
unico percorso formativo, con una serie di esami
propedeutici che integrano la preparazione della
laurea di primo livello da un punto di vista essenzialmente applicativo e progettuale, con particolare
attenzione all’esame delle proprietà strutturali e
funzionali dei materiali. La struttura base di tale
percorso si completa con una serie di esami a scelta,
generalmente di carattere monodisciplinare, che
consentono allo studente di sviluppare specifiche
conoscenze in determinate aree tematiche, secondo
le proprie attitudini e interessi. I diversi esami a
scelta, proposti ad hoc per gli Ingegneri dei
Materiali o compresi in un gruppo comune di corsi
impartiti al Politecnico e concernenti l’area
Materiali, sono proposti secondo itinerari tematici
consigliati, in modo da renderne più agevole e
razionale la selezione, evitando così di indurre negli
studenti un comprensibile disorientamento di fronte alla varietà dell’offerta didattica.
I diversi itinerari tematici consigliati che, lo ricordiamo, non hanno assolutamente un carattere di
obbligatorietà, sono dedicati a specifici settori dell’industria e delle applicazione dei materiali, oltre
che ad un settore dello studio metodologico di base
dei materiali. Con maggiore dettaglio, nel seguito si
descrivono i principali ambiti di interesse per alcune possibili aree tematiche:
Itinerario Applicativo
Riguardante l’impiego e le caratteristiche dei materiali ad elevate prestazioni utilizzati tra l’altro nei
moderni mezzi di trasporto e nei beni prodotti per
applicazioni su larga scala; è particolarmente dedicato alle innovazioni nel campo dei materiali strut-
3.
Schema dei corsi di studio
nel settore dell’Ingegneria
dei Materiali
Orientamento Orientamenti
formativo
professionalizzanti
Primo
anno
INGRESSO
Corsi comuni
a tutti gli orientamenti
Approccio
scientifico/tecnologico
Il laureato riceve una formazione
scientifica e tecnologica di
base che gli consente di operare
nella gestione dei processi
produttivi e della trasformazione
dei materiali
Materiali
Polimerici
Secondo
anno
Ingegneria Trattamento
metallurgicadelle superfici
Terzo
anno
Primo
anno
Corsi obbligatori
LAUREA DI
PRIMO LIVELLO
Corsi a scelta
Secondo
anno
Primo
anno
Secondo
anno
Terzo
anno
Corsi obbligatori
LAUREA DI
SECONDO LIVELLO
Workshop e seminari
"Specialista"
dei materiali
Tecnologo
di produzione,
assistenza
tecnica
Approccio
applicativo/progettuale
Sviluppo del materiale per le
applicazioni e la progettazione
dei manufatti
Progettista
dell'innovazione
Progettazione
di processi,
progettazione
di manufatti
Approccio
scientifico
Lavoro di tesi
Ricercatore
DOTTORATO
DI RICERCA
turali per l’ingegneria.
Itinerario Lavorazioni dei Materiali
Consente di acquisire competenze avanzate soprattutto relative ai sistemi ed ai processi produttivi e
alle tecnologie di trasformazione dei materiali di
largo impiego nell’industria, con possibile sbocco
professionale in qualità di esperti dei materiali e di
modellistica dei processi produttivi.
Itinerario Biomateriali
Con particolare approfondimento nel campo dei
biomateriali, sui criteri di scelta e sviluppo, sulle
tecniche di validazione dei criteri di progettazione e
Ricercatore
industriale,
docente
universitario
dei cicli di lavorazione relativi in primo luogo a
protesi ed impianti ortopedici, dentali e cardiovascolari.
Itinerario Metodologico
Propone gli approfondimenti di fisica, matematica e
matematica computazionale necessari per la comprensione delle proprietà dei materiali in termini
della loro struttura e per la previsione e la progettazione di nuovi materiali.
Itinerario Micro e Nanotecnologie
Gli argomenti trattati nei corsi proposti riguardano
approfondimenti sugli aspetti fondamentali della
11
1.B
Numero di offerte
di lavoro per i diversi
laureati in Ingegneria
del Politecnico; il valore
medio per l’Ingegnere
dei Materiali è il più elevato
tra tutti quelli esaminati.
(Anno 2002)
1.B
Statistiche sugli abbandoni e
sui tempi medi di laurea per
gli studenti di Ingegneria del
Politecnico
Voto medio di Laurea
meccanica
aeronautica
telecomunicazioni
nucleare
materiali
informatica
gestionale
elettronica
elettrica
edile
civile
chimico
bioingegneria
amb. e territorio
Nei prossimi anni verranno predisposti ulteriori itinerari in settori culturali nei quali esistono all’interno dell’Ateneo consolidate competenze quali ad
esempio il restauro dei beni culturali.
Posizionamento del Corso di Laurea
e dati statistici
I più recenti dati relativi alle immatricolazioni al
corso di laurea in Ingegneria dei Materiali evidenziano che, a fronte di un iniziale incremento registrato subito dopo la sua attivazione risalente ai
primi anni ‘90, il numero di iscritti si è in seguito
stabilizzato sulle 70 unità. Un’indagine condotta
presso gli studenti iscritti ha rivelato che le motivazioni che hanno portato alla scelta di questo indirizzo di laurea sono le più diverse, prima fra tutte
quella del ridotto numero di iscritti e quindi della
maggiore “vivibilità” dei corsi rispetto a settori tradizionalmente ben più affollati, quali quelli
12
meccanica
aeronautica
telecomunicazioni
nucleare
materiali
informatica
gestionale
elettronica
elettrica
edile
civile
chimico
bioingegneria
amb. e territorio
meccanica
aeronautica
telecomunicazioni
nucleare
materiali
informatica
gestionale
elettronica
elettrica
edile
civile
chimico
bioingegneria
amb. e territorio
78
fisica e della scienza dei materiali, con particolari
approfondimenti nel settore delle micro e nanotecnologie, oggi di fondamentale interesse per l'industria dell’elettronica, fotonica, telecomunicazioni e
sensoristica.
Voto medio /30
Numero medio esami
80
82
84
86
88
90
92
94
96
dell’Ingegneria Meccanica, Gestionale, Informatica
e molti altri ancora. Solo una ristretta minoranza
dichiara di avere scelto l’Ingegneria dei Materiali
per la reale conoscenza dei contenuti dei corsi.
Traspare quindi una forte disinformazione da parte
dei giovani non tanto sul corso di studi in
Ingegneria dei Materiali al Politecnico quanto
sull’Ingegneria dei Materiali quale vivace settore
della scienza e della tecnologia moderna. Le attività
di informazione rivolte soprattutto agli studenti
delle scuole secondarie recentemente intraprese da
parte del Corso di Studi in Ingegneria dei Materiali
(attivazione di un sito web, giornate informative,
presentazione presso scuole secondarie, rafforzamento della presenza in manifestazioni di presentazione delle offerte formative del Politecnico) muovono a contrastare questa situazione.
A dimostrazione di quanto i materiali raccolgano
effettivamente i favori dell’industria e del mondo
professionale si possono citare i dati raccolti
dall’Associazione Laureati del Politecnico di Milano
che rivelano quanto elevata sia stata la richiesta di
neoingegneri dei materiali in questi anni.
Attualmente il mercato non solo permette di soddisfare le aspettative dei singoli laureati (contraddi-
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
stinti da una preparazione in grado di renderli adatti per ogni tipo di impiego nei settori meccanico,
elettronico, chimico, …) ma per di più garantisce
ampia possibilità di scelta dato che un laureato in
Ingegneria dei Materiali può aspettarsi in media un
numero maggiore di offerte di lavoro rispetto ad
altri suoi colleghi Ingegneri: più di sei richieste per
ogni singolo laureato. Va poi aggiunto che i segnali
di gradimento dimostrati dal mondo industriale
indicano che la situazione è ben lontana dalla saturazione e l’auspicata crescita del numero di laureati
può venire abbondantemente assorbita dalle richieste di professionisti nei vari settori.
Dall’esame delle recenti statistiche sul corso di laurea in Ingegneria dei Materiali appare subito evidente che l’allievo medio non solo difficilmente
abbandona gli studi, ma consegue la laurea in tempi
brevi, ottenendo votazioni più che soddisfacenti e
ampiamente superiori alla media dei laureati al
Politecnico. All’iniziale disinformazione riguardo ai
contenuti specifici del Corso di Laurea, l’allievo
sostituisce ben presto una partecipazione ed un
entusiasmo che alimentano la sua voglia di imparare e la sua passione per queste discipline; la stessa
passione che auspichiamo possa conservarsi e tra-
22,5
23,0
23,5
24,0
24,5
25,0
25,5
26,0
smettersi nel mondo del lavoro di cui successivamente l’Ingegnere dei Materiali entrerà a fare parte.
In definitiva, siamo orgogliosi di formare persone,
prima ancora che Ingegneri, capaci di sviluppare
tecnologia e innovazione sfruttando anche quelle
doti di inventiva, particolarmente sviluppate soltanto in coloro che, soddisfatti ed appassionati, riescono ad esprimersi appieno nella loro carriera professionale.
13
DETERMINA
ZA
EN
F
E I LUE
MP N
ON ZA
E
Composizione
e struttura
LL
RO
NT
A
Processi
di produzione
e trasformazione
ICA
LU
IND
14
and all these relations can
be observed in Fig.1.
Chemical composition
and properties are important to determine the possibilities and the performances of a material and
in considering possible
collapses.
Therefore a good researcher in the material area
has to build a pattern of
references in order to
allow the choice of a suitable material for a project, to give indications
for modifying the project
to overcome and fit the
limits of the material.
Composition, structure
and properties of a material influence the transformation and working processes, but the limits
imposed by a material
can be overcome by changing the existing processes or by introducing
innovative processes. On
the other hand, transformation and working Prestazioni in
esercizio
CO
Metallic materials
Didactic and scientific
research activity at
Politecnico di Milano was
a basic choice since the
times of its foundation
and it was organised and
directed by professors of
international fame. Since
then, industries always
promoted and supported
the research by focusing
on the different problems
aroused by the industrial
world. As a witness of this
close link with industries
we only quote Vanzetti
Foundation and Falck
Foundation which still
provides financial support
for the metallurgical
researches.
The two cores to which
metallurgical research
was devoted are now contained in the Chemistry,
Materials and Chemical
Engineering Department
"Giulio Natta" and in the
Mechanical Department.
The last Department develops applied research, that
is to say that it always
focuses not only on the
material itself, but on the
final use of the materials
and therefore on the link
among materials, project
and final working. The
study of materials implies
chemical composition,
properties, realisation and
transformation processes,
performances in activity
1.
Interazione tra
composizione, proprietà,
produzione e prestazioni
dei materiali metallici.
INF
I materiali metallici
Uno dei compiti fondamentali del ricercatore nel
settore dell’ingegneria dei materiali è sicuramente
quello di giungere allo sviluppo di relazioni di tipo
quantitativo tra struttura e proprietà, di determinare in quest’ambito un quadro di riferimento sufficientemente definito da consentire la scelta del
materiale appropriato per un certo progetto, ma
anche di fornire indicazioni su come il progetto
debba essere impostato o modificato per assecondare le possibilità e le limitazioni imposte dai materiali disponibili.
La composizione e la struttura, ed anche le proprietà ad esse correlate, condizionano la scelta dei processi di trasformazione e di lavorazione; basti ricordare che l’attitudine di un materiale ad essere sottoposto ad un determinato processo di lavorazione è
ovviamente un aspetto cruciale per l’ingegnere e
può essere un fattore limitante nella scelta del materiale stesso. Tali vincoli possono tuttavia essere resi
meno stretti, o addirittura eliminati, mediante
modifiche dei processi esistenti o con l’introduzione
di processi innovativi.
D’altra parte i processi di trasformazione e le lavorazioni possono a loro volta suggerire varianti nella
composizione chimica, nella struttura e quindi nelle
proprietà del materiale, ed influenzarne conseguentemente le prestazioni in esercizio.
Pertanto, come appare evidente, il quadro che fa da
riferimento all’attività di ricerca condotta, appare
assai articolato, e caratterizzato da numerose interconnessioni che consentono di definire, almeno in
termini generali, un progetto unitario finalizzato
alla valorizzazione dal punto di vista ingegneristico
del materiale che quindi si colloca come cerniera tra
l’ideazione (progetto) e la realizzazione di un determinato prodotto.
I principali temi di ricerca sviluppati presso il
Dipartimento di Meccanica possono essere raggruppati nei seguenti settori principali:
- problematiche di fabbricazione di acciai e leghe
non ferrose;
- problemi relativi ai consumi energetici e all’impatto ambientale: aspetti impiantistici e di processo;
- acciai inossidabili per getti e per impieghi offshore;
- meccanica della frattura di leghe ferrose e non ferrose;
- rivestimenti superficiali, saldatura, giunzione dei
metalli;
- metallurgia delle polveri;
- caratterizzazione meccanica (fatica, creep, usura),
IN
Pietro Luigi Cavallotti
Walter Nicodemi
Nel settore metallurgico l’attività didattica e di
ricerca scientifica presso il Politecnico nasce con il
Politecnico stesso, come scelta di base, sviluppata
esclusivamente presso l’Istituto di Elettrochimica,
Chimica-Fisica e Metallurgia, i cui primi direttori
furono i professori Carrara, Scarpa, Piontelli, tutte
figure di primissimo piano a livello internazionale.
L’industria ha sempre sovvenzionato e promosso
l’attività di ricerca, svolgendo un notevole ruolo di
collaborazione che ha permesso ai ricercatori di
concentrarsi di volta in volta sulle problematiche
maggiormente richieste dalla realtà industriale. A
testimonianza di questo profondo connubio citiamo la Fondazione Vanzetti e da più di quarant’anni
la Fondazione Falck, che gode ancora di una cospicua dotazione destinata esclusivamente a ricerche
nel settore siderurgico.
I due grandi nuclei in cui si sviluppa la ricerca
metallurgica di base si collocano oggi nel
Dipartimento di Chimica, Materiali ed Ingegneria
Chimica “Giulio Natta” e nel Dipartimento di
Meccanica. L’attività di ricerca svolta presso quest’ultimo è di tipo applicato ed è fondata su un’impostazione culturale che non ha privilegiato unicamente lo studio del materiale in sé, ma ha tenuto
presente, contemporaneamente ed in termini ingegneristici, anche lo scopo finale del materiale in
esercizio, e cioè la realizzazione di manufatti, opere,
oggetti, componenti, organi meccanici, apparecchiature: non si è mai perso di vista cioè lo stretto legame esistente tra il materiale, la progettazione e le
lavorazioni.
In particolare, lo studio dei materiali comporta l’esame sistematico delle correlazioni tra composizione chimica, struttura, proprietà, processi di realizzazione e di trasformazione, prestazioni in esercizio,
correlazioni che possono essere espresse sinteticamente da uno schema quale quello riportato
[fig.1].
La composizione chimica e la struttura hanno
un’importanza fondamentale nel determinare e
controllare le proprietà di un materiale, e quindi
nello stabilire le possibili prestazioni in esercizio del
manufatto con esso realizzato, e al tempo stesso nel
porre loro delle limitazioni.
È in questa prospettiva che vanno viste le attività
connesse con il rilievo e la misura di tali proprietà e
lo studio delle relative problematiche, anche e
soprattutto in relazione ai rischi di cedimento in
opera, e all’individuazione di metodi di previsione
che offrano garanzie di elevata affidabilità.
MODIFICA
E IMPONE
processes can suggest
modifications in the composition and in the structure and consequently
influence working performances. The pattern of
reference for this kind of
research is huge and with
a lot of connections which
allow the fulfilment of a
unitary project which is a
link between the planning
and the final realisation
The most important sub-
Proprietà
meccaniche
e fisiche
jects of research developed in the Mechanical
Department are the following:
- problematic of steel and
non-ferrous alloys production
- stainless steels for
castings and off-shore
applications
- fracture mechanics of
ferrous and not ferrous
alloys
- superficial coating and
welding 15
2.
Inclusioni non metalliche
negli acciai.
100 m m
- energy consumption,
pollution, plans and processes
- powder metallurgy
- mechanical characterisation (fatigue, creep and
wear), plastic deformation, workability of the
ferrous and non ferrous
alloys.
Nowadays, notwithstanding the great amount of
different materials available in every kind of
human activity, the metallic materials are the most
widely used 75% of the
final weight of a transportation medium is given by
metals, and metallic materials are more and more
used even for structural
applications. Moreover
the metals are important
for a sustainable development as they can be
totally recycled through
remelting. This aspect is
even more important considering that metals are
16
used in every kind of
industrial production.
Here we can only list
some of the projects of
each unit research as it is
impossible to list all of
them.
For example in the plant
and productive activities
we study problems connected with the productive processes of the metallic materials and the
plants which could realise
them; all these researches
are performed with the
support of several important industries such as
Gruppo Marcegaglia,
Gruppo Riva, ISP, Voest
Alpine, Arvedi, Techint
and some of the subjects
of research obtained
financial support from the
European Community.
A first important theme
regarding the performance of steels concerns birth
and development of
glass-ceramic compounds
in steels. These determinazione della formabilità plastica e della
lavorabilità alle macchine utensili delle leghe ferrose
e non ferrose.
Al giorno d’oggi, nonostante la pluralità di materiali
che abbiamo a disposizione e che hanno consentito
e permettono l’esplicarsi dell’attività umana nei più
disparati ambiti, i materiali metallici sono ancora i
maggiormente utilizzati, basti considerare a testimonianza di tutto questo che nei mezzi di trasporto
la percentuale di materiali metallici rappresenta tutt’oggi almeno il 75% del peso, senza considerare che
anche in ambito civile l’impiego delle strutture
metalliche è in forte incremento, in virtù del favorevole rapporto tra peso, resistenza meccanica e alle
sollecitazioni dinamiche. Inoltre, i metalli possono
vantare consistenti vantaggi strategici nell’ottica di
uno sviluppo sostenibile e della preservazione delle
risorse naturali, in quanto essi risultano completamente riciclabili attraverso i processi di rifusione.
Questo risulta essere un aspetto di notevole rilevanza, anche in virtù dei molti campi di impiego in cui
i materiali metallici sono attualmente utilizzati: attività impiantistica, industria aereo-spaziale, componentistica elettronica, generazione e trasporto di
energia, applicazioni chimiche e petrolchimiche
ecc..
Ci si limita a qualche cenno, per non ripetersi, circa
alcune ricerche attualmente in corso, poiché non è
assolutamente possibile sintetizzare in poche righe
ogni singolo progetto svolto dalle varie unità di
ricerca attive nel settore.
Ad esempio, nell’area impiantistica produttiva si
sviluppano ricerche relative agli aspetti connessi con
i processi produttivi dei materiali metallici ed ai
sistemi impiantistici che possono realizzarli. Per tale
ragione le tematiche appartenenti a quest’area sono
tutte studiate con la collaborazione di diverse realtà
industriali: Gruppo Marcegaglia, Gruppo Riva, ISP
Arvedi, Techint, Voest Alpine Impianti ed alcuni di
questi filoni hanno ottenuto il sostegno finanziario
dell’Unione Europea.
Una prima tematica di forte rilevanza per le prestazioni in esercizio degli acciai riguarda la genesi e lo
sviluppo di aggregati di tipo ceramico-vetroso
all’interno degli acciai. Tali composti, detti inclusioni non metalliche, possono essere progettate in
modo da variare le caratteristiche del materiale
metallico così da modularne le proprietà meccaniche nonché l’attitudine alla lavorabilità alle macchine utensili. È in fase avanzata la strutturazione di
alcuni modelli matematici in grado di consentire ai
3.
Schema impianto
ISP Arvedi
produttori di gestire il processo attraverso il rispetto
di opportune tempistiche e l’instaurazione di corrette situazioni di analisi chimica e di temperatura
[Fig. 2].
Un altro settore di interesse è quello dei processi di
solidificazione, in particolare del processo di colata
continua, che ha consentito di giungere ad elevati
livelli produttivi. La qualità dei prodotti metallici
finali e l’efficienza delle lavorazioni successive al
processo di solidificazione dipendono in modo
significativo dall’aspetto macro e micro-strutturale,
che può essere controllato mediante un’opportuna
regolazione dei parametri di processo. Anche se i
sistemi di colata continua sono sistemi tecnologicamente molto avanzati, la loro regolazione è attualmente realizzata in gran parte solo mediante
approcci di tipo empirico. Il miglioramento della
competitività dei sistemi suddetti è legato alla possibilità di riprogettare alcuni componenti delle macchine di colata continua e di strutturare alcuni strumenti che mettano gli operatori in grado di regolare
di volta in volta il sistema a seconda delle proprie
esigenze. Un tale sforzo ha condotto l’unità di ricer-
17
4.
Schema impianto
Consteel-Tekint
5.
Giunto in acciaio
inossidabile Duplex
saldato e trattato
superficialmente
mediante laser
ca a progettare nuovi tipi di lingottiere e a sviluppare delle mappe di colaggio che consentano agli operatori di aumentare la produttività e di garantire le
qualità macro e micro-strutturali richieste. Si sta
collaborando con importanti realtà industriali per
lo sviluppo dei processi di colaggio in sottile che
possono rappresentare la vera svolta impiantistica
dei prossimi anni [fig.3].
Per quanto concerne i processi di deformazione plastica si sta studiando l’ottimizzazione dei flussi di
materiale all’interno degli utensili, tenendo conto
dei processi di trasformazione cristallina (ricoveri e
scelta corretta dei parametri produttivi, al fine di
ottenere le proprietà e le strutture desiderate, è una
priorità imprescindibile.
Infine, si sta iniziando l’attività di ricerca relativa
alla valutazione dell’impatto ambientale dei sistemi
metallurgici, in modo da migliorare la gestione dei
processi e degli impianti per preservare il contesto
ecologico in cui operano le realtà industriali, in
primo luogo con abbattimento delle emissioni e del
consumo energetico senza alterare la qualità dei
prodotti finali [fig.4].
Per quanto concerne la caratterizzazione dei prodotti è in corso un’intensa attività di studio relativa
agli acciai microlegati, volta a caratterizzarne il
comportamento in funzione della precipitazione di
carbo-nitruri di niobio, vanadio e titanio. Questa
tematica di ricerca è volta ad ottenere corrette proprietà di deformabilità per i semilavorati e di tenacità per i prodotti finiti, che possono essere garantite solo mediante un’adeguata scelta dei parametri
termici di processo.
Per le specifiche competenze e per tradizione del
gruppo di ricerca si sono sviluppati studi nelle
diverse classi di acciai, leghe non ferrose e materiali
compositi in relazione alle condizioni di esercizio
18
ricristallizzazione) che caratterizzano il comportamento del materiale in lavorazione. Quest’esigenza
diverrà ancora più stringente con l’introduzione
delle nuove generazioni di acciai polifasici, che,
nonostante siano stati sviluppati da tempo, stanno
vedendo solo ora una rapida espansione su scala
industriale. Data la loro notevole formabilità, l’elevata resistenza e la significativa resistenza agli urti
anche dopo il processo deformativo, questi materiali hanno le potenzialità per modificare profondamente gran parte del panorama dei materiali metallici destinati ad applicazioni strutturali. Perciò la
inclusions can be projected to change the features
of the metallic materials
in order to modify their
properties and workability.
The development of some
important mathematical
models is already at an
advanced state and they
can allow the producers
to menage the process, to
respect the right times
and to choose correct
situations with respect to
chemical analysis and
temperature (fig.2).
Another important area is
solidification and in particular continuos casting,
which allows great productivity. The final quality
of the metallic materials
and their efficiency
depend on the microstructural aspect, which
can be controlled by the
processing parameters.
Although continuos
casting is a very advanced
technique, its regulation is
still empirical, therefore
the project of new
systems for helping the
producers to regulate the
processes and to improve
the final micro and macro
structure of the materials
are very important. We
are co-operating with
important industries in
order to project new thin
casting systems, which
will be the great novelty
of the next decade (Fig.3).
As far as the plastic deformation is concerned we
are studying the improvement of materials fluxes
in the tools, taking into
account the crystallisation
processes characterising
the materials when working. These studies will be
even more important with
the future introduction of
multiphase steels which
will greatly modify the
structural applications of
the metallic materials.
Moreover we are 19
(in collaborazione con importanti Enti e Società in
particolare Enel e Teksid); di volta in volta viene
preso in considerazione il comportamento di tali
materiali per quanto riguarda le problematiche di
fabbricazione, di composizione chimica, di deformazione plastica, di saldatura [fig.5].
6.
Crescita prima
cellulare e poi dendritica di
cobalto elettrodeposto
5.00 m m
developing researches to
improve the environmental impact of the metallic
materials by diminishing
smokes and by preserving
energy without altering
the final material quality
(Fig 4).
An important research
about micro-alloyed steels
is in progress in order to
obtain the correct workability and toughness of
the final materials, which
can be obtained through
the right choice of the
processing thermal parameters.
Studies have been developed about the different
classes of steels, ferrous
and non-ferrous alloys
and compound materials
according to their different working conditions.
For every research we
take into consideration
the problematic about
material behaviour, chemical composition, plastic
20
deformation and welding
(Fig.5). All these researches are supported by
important companies
such as ENEL and Teksid.
Metallurgical researches
at the "Giulio Natta”
Department concern the
following main fields:
- surface engineering,
with attention to both surface modifications and
surface coatings;
- production, fabrication,
treatment and application
of non-ferrous metals;
- production and behaviour of magnetic materials.
Surface is not only the
geometric boundary of a
body, delimiting its shape,
but also the location
where exchanges occur
with the ambient and the
body evolution is defined.
Surface structure is difficult to determine, because
of its low dimensionality,
but it is fundamental to
understand what occurs
Le ricerche sui materiali metallici sviluppate presso
il Dipartimento di Chimica, Materiali ed Ingegneria
Chimica “Giulio Natta” riguardano i seguenti temi
principali:
- l’ingegneria delle superfici sia come trattamenti
nelle loro diverse possibilità, riporto o modifica
superficiale, sia come studio dell’influenza dei difetti di superficie sul comportamento dei metalli;
- la produzione, le lavorazioni ed i trattamenti, le
applicazioni dei materiali metallici non ferrosi, e fra
questi l’alluminio e le sue leghe, il rame e le sue
leghe, i metalli preziosi, le leghe a memoria di
forma;
- la produzione ed il comportamento dei materiali
magnetici, sia dolci che permanenti, sia massivi che
in strato più o meno sottile.
La superficie non è, o meglio non è solo, il confine
geometrico che delimita la forma di un corpo, definendone il volume, ma anche il modo di apparire
ed il confine tra l’oggetto e l’ambiente. Attraverso la
superficie l’oggetto interagisce, modificandosi dal
punto di vista fisico, chimico e meccanico. Le difficoltà di conoscere la superficie nascono dalla sua
stessa dimensionalità, e dalla sua profondità, di
livello atomico, per cui tecniche, che ne misurino
composizione e proprietà, sono soggette a vincoli
fisici e chimici fondamentali. Tutti i campi applicativi in fase di grande sviluppo risentono della possibilità di comprendere come le superfici siano fatte e
come possano essere modificate e condizionate.
Il laboratorio metallurgico del Dipartimento di
Chimica, Materiali ed Ingegneria Chimica “Giulio
Natta” ha perseguito lo scopo di sviluppare le conoscenze sulle superfici, sia definendole dal punto di
vista strutturale, fisico, chimico e meccanico, sia sviluppando metodi per la realizzazione di superfici di
particolare interesse per resistenza a corrosione e ad
usura.
Il contributo all’avanzamento delle conoscenze fondamentali nel campo ha riguardato, in particolare,
la correlazione tra cinetica chimica ed elettrochimica, e struttura degli strati metallici ottenuti. È stata
sviluppata una metodica di studio delle reazioni
chimiche di scarica agli elettrodi, basata sull’analisi
dei transienti di sovratensione, ed è stata studiata la
crescita conseguente, classificandola come verso l’esterno, laterale o a “cluster”. Questo ha permesso di
meglio inquadrare i modi di crescita in funzione
delle soluzioni elettrolitiche da cui il metallo viene
deposto, rivitalizzando la classificazione di Piontelli
sul comportamento elettrocinetico dei metalli,
quantificata con l’introduzione del parametro di
normalità-inerzia. La capacità di controllare i parametri che influenzano la crescita degli strati metallici ha permesso di identificare la possibilità di crescita cellulare negli strati elettrodeposti, come intermedia verso la crescita dendritica in condizioni di
elevata inibizione superficiale [fig.6].
Lo studio si sta evolvendo verso la definizione della
transizione amorfo-nanofase, che permette di
meglio comprendere gli straordinari aumenti di
caratteristiche meccaniche nei metalli con grani di
dimensione nanometrica [fig.7].
Le ricerche sulle applicazioni sono state condotte
con le principali industrie del settore.
Con IBM, Celestica e con ST si sono studiate le tecniche di interconnessione per elettronica; si è esaminata la connessione elettrica mediante rame elettrodeposto dei multistrati nei circuiti integrati, con
"superriempimento" dei buchi passanti (“via hole”),
che diventano sempre più lunghi e sottili e devono
essere esenti da difetti; si sono esaminate le tecniche
di saldobrasatura per i circuiti stampati, sviluppando nuovi processi che permettono di definire
meglio le giunzioni e di ridurre i rischi tecnologici
derivanti da lavorazioni sulle schede sempre più
onerose.
Una ricerca più che ventennale è stata condotta con
Pirelli Pneumatici sul cord metallico, e su come realizzare la sua superficie, sia per ottonatura, in due
passi e diffusione o in passo singolo, sia esaminando
possibili alternative, come le leghe zinco-manganese
di interesse per le grandi gomme da camion.
Gli studi sulla possibilità di ridurre i fenomeni di
attrito alle interfacce con cimento meccanico fortemente localizzato, hanno interessato sia le industrie
che sviluppano mezzi di trasporto, FIAT e Ferrari,
sia le industrie metalmeccaniche, e sono stati sviluppati con l’aiuto delle industrie che realizzano
trattamenti superficiali per il settore. Sono stati esaminati strati con altissima resistenza ad usura in
carbonio tipo diamante (DiamondLikeCarbon),
cresciuti in modo diverso e con diverse proprietà
[fig.8]. Sono anche stati realizzati strati ottimali di
questo tipo per deposizione da fase gas a plasma
7.
Elettrodeposito
di cromo da elettroliti
trivalenti con durezza
maggiore di 1500 HV
3mm
at the surface for all innovative applied fields. In
the “Natta” department,
studies on processes at
surfaces are performed to
promote new interesting
materials, with particular
electric and magnetic properties, as well as with
improved corrosion and
wear resistance.
Fundamental studies
regarded growth of metallic layers from aqueous
solutions, introducing cluster growth, as a third
growth process after lateral and outgrowth, to
explain the behaviour in
complexed solutions.
Cellular growth by electrodeposition was determined controlling the
operation parameters and
identified (Fig.6). Nanocolumns were deposited,
permitting a better understanding of the extraordinary increase of the
mechanical properties in
nanometer size metals
(Fig.7).
Most important researches were carried out in
co-operation with most
important companies of
the field, such as IBM,
Celestica and STM for
interconnections in
microelectronics, or Pirelli
Pneumatici for steel cord
adhesion to rubber in car
tyres. Studies concerning
the possibilities of reducing friction phenomena
at the interfaces were
developed with car and
transport industries (FIATFerrari), together with
industries where surface
treatments are made. DLC
(Diamond Like Carbon)
layers with very high
wear resistance were
grown in different ways
obtaining different properties (Fig.8). The laboratory is an important development centre for Italy
and Europe, becoming the
most important Italian 21
8.A.
Rivestimenti in materiale
ceramico tipo diamante
DLC per la distribuzione
nei motori di Formula 1
molto fragili e con pezzi
di circa 20 micron
10.0 m m
institution in the field. The
laboratory was involved
as organiser and partner
in several European projects on the production of
nanometer layers, in particular for magnetic materials. It has developed studies on gold and gold
alloys layers for the Italian
industry, the most important European jewellery
production industry. The
laboratory has often supported industries in the
developing of new production processes (e.g.
studies with Alcan on the
Tandem project for the
production of aluminium
sheets). The research
laboratory had also a central role in promoting the
degree in Surface
Treatments Engineering,
as a professional option
in Materials Engineering,
where docents coming
from the industry support
22
the academic teachers,
giving new perspectives
to the formation of technicians for the 10.000 industries working in the field.
trasferito. L’accoppiamento con strati monorientati
elettrodeposti ha permesso di proporre soluzioni
innovative a problemi ancora scottanti come la
tenuta nelle pompe ad acqua.
Il laboratorio metallurgico è diventato centro di
riferimento per le industrie galvaniche, e più in
generale dei trattamenti di superficie, italiane ed
europee, sviluppando studi su tutti i maggiori problemi che riguardano il settore: dall’implementazione degli strati resistenti ad usura, con lo studio delle
alternative alla cromatura, per mezzo dell’analisi
degli elettroliti a base di cromo trivalente e con lo
sviluppo dell’elettrodeposizione di compositi
micrometrici e nanometrici; allo studio di alternative ai rivestimenti di zincatura tradizionale (in crisi
soprattutto per la finitura di cromatazione) con
l’introduzione di leghe di zinco innovative e l’analisi
delle alternative; all’esame del processo di elettroformatura, con Medialario, che ha permesso di realizzare in Italia specchi satellitari.
Il laboratorio è stato coinvolto, come organizzatore
e proponente, in diversi programmi europei, sviluppati con centri di ricerca belgi, tedeschi, portoghesi
e inglesi, sulla realizzazione di multistrati elettrodeposti di dimensione nanometrica e sulla loro applicazione come strati magnetici. Si sono realizzati per
la prima volta in Europa multistrati Co/Cu a
magnetoresistenza gigante e micromagneti in Co-Pt
di elevata forza coercitiva. Si è messo in evidenza la
possibilità di controllare la forma dei cicli di isteresi
magnetica, parallelo e perpendicolare, definendo la
struttura ottimale degli strati deposti. I risultati
stanno trovando applicazione nello sviluppo di sensoristica per interruttori e caldaie.
Con LETI e Silmag di Grenoble è stato possibile
mettere a punto il ciclo di produzione di testine
magnetiche per elettroformatura, sviluppando la
deposizione di Permalloy su wafer di Silicio fotolitografati ed i trattamenti da effettuare per aumentare la permeabiltà magnetica.
Con Europa-Metalli si sono sviluppati studi sull’inverdimento in laboratorio del rame e sul modo di
variare il colore dal verde all’azzurro, ottenendo per
via sintetica i composti che vengono prodotti sul
rame dall’esposizione ambientale.
Il laboratorio è stato anche referente principale di
una serie di programmi ministeriali di innovazione
sull’oro, che hanno permesso di ottenere alcuni
risultati fondamentali, come la comprensione dell’infragilimento da idrogeno nei trattamenti delle
leghe d’oro, la proposta di possibili alternative alle
8.B.
Distacco di DLC
(circa 50 micron) per fatica
dalla superficie di substrato,
in caso di non perfetta
preparazione
50.0 m m
leghe di oro bianco impiegate, in modo da escludere
nichel e cadmio, e la sostituzione della rodiatura
con leghe bianche di oro elettrodeposte. Il gruppo
di laboratori affronterà ora il tema delle leghe d’oro
a memoria di forma.
Numerosi sono anche stati gli interventi di supporto all’industria impiantistica per lo sviluppo di processi metallurgici produttivi e sullo studio di processi ed impianti per il recupero degli effluenti per
estrazione con solventi; in particolare è in corso lo
studio con Alcan del processo Tandem per la produzione diretta di foglio di alluminio.
Lo studio dell’anodizzazione dell’alluminio ha
riguardato sia il processo, definendo le condizioni
migliori di conduzione della corrente imposta, il
modo di realizzare i circuiti di alimentazione delle
vasche, sia soprattutto il prodotto, analizzando e
distinguendo le morfologie del polverino atmosferico e di fissaggio, e sviluppando una metodologia
per l’individuazione del comportamento a corrosione, basata sull’imposizione di corrente catodica e
sullo studio dei transienti di tensione a impulso di
corrente catodica imposta.
Il ruolo del laboratorio metallurgico è stato anche
fondamentale nel promuovere l’Orientamento pro-
fessionalizzante in Ingegneria dei Trattamenti di
Superficie della Laurea in Ingegneria dei Materiali,
che ha costituito un esempio di apertura ai tecnici
del mondo industriale, richiamando molti di essi
per dare prospettive applicative e sul mondo del
lavoro in un settore che rappresenta quasi diecimila
aziende in Italia e rappresenta il 3% del PIL italiano.
23
Giuseppe Allegra
I materiali polimerici
Polymeric materials
The properties of a material or device, be it a fuel
cell or a microchip,
depend on the structure
and organization of all its
components, from the
macroscopic down to the
atomic length scale. The
ever increasing drive
towards miniaturization of
devices (“nanotechnology”) has emphasized
the role of the structure
and properties of materials at the molecular
scale -- the traditional
domain of chemistry. The
group led by Giuseppe
Allegra has been active
for many years in the field
of physico-chemical studies of macromolecular
materials. Equilibrium and
dynamical properties are
investigated by a range of
experimental and theoretical methods, including
X-ray and neutron scattering, microscopy, calorimetry, statistical mechanics and computer simulation. We present some
highlights of our recent
research, including the
crystal structure of
synthetic polymers, polymer phase transitions,
chain conformation and
dynamics in solution and
in the melt and the interaction of polymers with
solid surfaces.
24
Le proprietà di un materiale o manufatto, sia esso
una valvola cardiaca artificiale, una cella a combustibile o un microchip, dipendono dalla struttura e
dalla organizzazione di tutti i suoi componenti, a
partire dalla scala macroscopica fino a quella subnanometrica degli atomi costituenti. La progettazione di nuovi materiali e dispositivi, e l’utilizzo razionale o la modifica di materiali consolidati, sono
problemi che richiedono un ampio ventaglio di
conoscenze sia scientifiche che ingegneristiche. Il
Politecnico di Milano rappresenta uno dei pochi
poli in Italia a disporre delle potenzialità atte a raccogliere questa sfida: dalla progettazione e sintesi
chimica dei materiali ottimali fino alla realizzazione
di prototipi. Le discipline chimiche giocano un
ruolo molto importante in questo contesto. Infatti
la tendenza alla miniaturizzazione, che in questi
anni sta ricevendo notevole impulso dalle ricerche
sulle nanotecnologie condotte nei paesi più avanzati, enfatizza il ruolo della struttura e delle proprietà
dei materiali alla scala molecolare.
Il nostro gruppo è attivo da decenni nello studio
chimico-fisico dei materiali macromolecolari di origine sintetica e, più recentemente, anche naturale.
Vengono esaminate proprietà di equilibrio e dinamiche per scale comprese tra le dimensioni subnanometriche e il micron, con una combinazione di
approcci teorici e sperimentali. La ricerca sperimentale viene condotta principalmente con tecniche di
diffrazione e scattering di raggi X e neutroni,
microscopia ottica ed elettronica e calorimetria. I
metodi teorici possono comportare sia la costruzione e risoluzione di modelli matematici (meccanica
statistica) che la risoluzione diretta delle equazioni
di Newton o Schrödinger per tutte le particelle di
un campione di materiale. I recenti progressi negli
strumenti di calcolo consentono infatti di condurre
“esperimenti virtuali”, in cui la struttura, l'organizzazione e i moti molecolari all'interno di un materiale vengono direttamente simulati con estremo
dettaglio.
La complessità dei materiali polimerici deriva da
una serie di fattori specifici. In primo luogo, la loro
natura macromolecolare fa sì che essi presentino
moti cooperativi con tempi caratteristici molto lunghi. Questi sono alla base della alta viscosità dei
polimeri allo stato fuso, ma anche della frequente
osservazione di fasi metastabili (cioè, lontane dallo
stato ideale di equilibrio termodinamico). Per questo motivo, anche i polimeri regolari che possono
cristallizzare, lo fanno solo parzialmente portando
1.
Le forme a e g del
polipropilene isotattico.
Le catene assumono
la medesima conformazione
elicoidale, con tre monomeri
per spira.
Esse sono tutte disposte
parallelamente nella forma a
(G. Natta e P. Corradini, 1955),
mentre formano strati che
si incrociano ad angoli di 80°
nella forma g - unico
esempio noto nei polimeri
sintetici (S. Brückner
e S. V. Meille, 1989).
Forma a
Forma g
alla coesistenza di più fasi in morfologie complesse.
Ad esempio, un campione di un materiale semplice
quale il polietilene [ -(CH2CH2)n- ] consiste di
domini amorfi e microcristalli con caratteristiche e
ruoli diversi, determinanti per le proprietà meccaniche, termiche, ecc. Infine, la correlazione tra gli
atomi imposta dal loro concatenamento fa sì che
nei polimeri abbiano estrema importanza gli effetti
entropici, oltre a quelli energetici tipici di un materiale metallico o ceramico. Ad esempio, da essi derivano l’elasticità della gomma o la formazione di
mesofasi, con caratteristiche di ordine e mobilità
molecolare intermedie tra quelle dei solidi e dei
liquidi.
Passiamo ad illustrare alcuni esempi concreti delle
ricerche condotte dal gruppo. Un primo filone,
riguardante la struttura dei polimeri allo stato cristallino, è riconducibile agli studi sui polimeri strereoregolari iniziati qui al Politecnico da Giulio
Natta. Tra questi spicca il polipropilene isotattico,
forse l’unico materiale strutturale il cui utilizzo
industriale, in virtù della sua versatilità, è da 40
anni in costante crescita. Le sue proprietà molecolari (difetti e distribuzione dei pesi molecolari) e le
25
2.
Rappresentazione
bidimensionale di un
modello reticolare di
polimero flessibile,
confinato in uno spazio
sottile tra superfici parallele.
Una catena infinita segue
un cammino casuale, ed è
legata irreversibilmente alle
pareti nei punti di contatto.
L’adesione è assicurata
dalle catene che connettono
una superficie all’altra
(G. Allegra, G. Raos
e C. Manassero, 2003).
condizioni di processo (gradienti termici, agenti
nucleanti) possono indurre la cristallizzazione in
due forme cristalline (b e g) al posto della fase a,
caratterizzata da Natta e Corradini. La determinazione dell’impacchettamento delle catene polimeriche nelle forme b e g, da cui conseguono anche
diverse morfologie d’organizzazione dei cristalliti
del polimero, è stata realizzata nel nostro gruppo
nei primi anni ‘90, attraverso l'uso combinato di
tecniche quali la diffrazione di raggi X da polveri, la
diffrazione di elettroni e la modellistica molecolare
[Figura 1].
L’organizzazione molecolare allo stato solido, o
all’interfaccia con substrati differenti, è particolarmente importante anche per le proprietà di materiali funzionali avanzati. Tra questi citiamo ad
esempio i politiofeni, una classe di polimeri conduttori promettenti per l’elettronica e l’optoelettronica
organica. Il nostro gruppo è attivo anche in questo
campo, con studi sia sperimentali che modellistici
volti a determinarne le proprietà strutturali e dinamiche. Le cristallizzazione di polimeri, ma anche le
transizioni di fase tra differenti polimorfi cristallini
o mesomorfi, vengono pure studiate nei nostri
laboratori tanto dal punto di vista sperimentale che
26
teorico.
Un altro filone riguarda la descrizione delle proprietà conformazionali e dinamiche di polimeri in
soluzione e allo stato fuso, su scale che spaziano
dalle decine di nanometri fino alla frazione di un
nanometro. Questi comportamenti sono rilevanti
per la descrizione delle proprietà viscoelastiche dei
fusi sia a tempi lunghi sia nelle sollecitazioni ad alta
frequenza, particolarmente per materiali polimerici
reticolati. I risultati teorici hanno fornito un importante strumento per correlare i risultati di reologia
classica con le misure di diffrazione quasielastica di
neutroni da campioni di polietilene e polidimetilsilossano, mettendo in evidenza l’importanza del
rilassamento dei gruppi laterali, e quindi dei processi dissipativi su scala locale, a cavallo della transizione vetrosa.
Un altro tema unificante delle ricerche condotte dal
nostro gruppo è lo studio dell’interazione tra
macromolecole e superfici solide. Esso ha importanza per una serie di fenomeni apparentemente
scorrelati quali la nucleazione di fasi cristalline differenti, il rinforzo di elastomeri da parte del nerofumo e della silice, l’incollaggio di superfici, la biocompatibilità dei materiali per impianti e tessuti
artificiali e la deposizione di sottili film polimerici
nell’industria elettronica. Nel campo delle gomme
caricate, è stato da noi proposto un metodo originale fondato su un’analogia elettrostatica, per determinare il modulo elastico di equilibrio di un reticolo polimerico per varie concentrazioni delle particelle rinforzanti. È attualmente in corso l’estensione
del metodo al caso di una sollecitazione dinamica,
per la comprensione di importanti aspetti di nonequilibrio quali l’effetto Payne (dipendenza del
modulo dinamico dall’ampiezza di deformazione).
In generale, la risposta viscoelastica – cioè sia elastica che dissipativa – dovuta al polimero può essere
derivata da opportune equazioni che includano sia
le forze elastiche di equilibrio che la velocità relativa
tra le parti, introducendo opportuni coefficienti di
frizione.
Un recente esempio di applicazione dei metodi della
meccanica statistica consiste nello studio di catene
polimeriche che generano adesione tra superfici
opposte mediante formazione di legami covalenti.
È stato costruito e risolto un modello reticolare di
polimero confinato tra superfici [Figura 2].
I moduli tangenziale e longitudinale prodotti da
questo sono stati derivati in base alla conoscenza
della distribuzione statistica delle sue conformazio-
3.
Simulazione dell’interazione
tra un frammento di
collagene (sopra) con una
superficie di poli(vinilalcool)
(sotto).
Il collagene è un polipeptide
costituito da una tripla elica,
i cui filamenti sono costituiti
da amminoacidi simili tra
loro, in particolare
la sequenza più comune
è formata dalla ripetizione
della tripletta Gly-Pro-Pro.
Il poli(vinialcool) atattico è un
polimero vetroso e biocompatibile ampiamente utilizzato,
di struttura -(CH2-CHOH)n-.
(F. Ganazzoli, G. Raffaini
e S. Elli, 2003).
ni di catena.
Un ultimo esempio riguarda l’applicazione della
modellistica molecolare ai biomateriali. È stata studiata l’interazione di macromolecole proteiche con
superfici di materiali artificiali utilizzati per impianti quali per esempio il carbonio pirolitico e il
poli(vinilalcool) o PVA. In Figura 3 è riportato un
modello di deposizione del collagene su una superficie di PVA. In questo tipo di simulazioni vengono
integrate le equazioni del moto per tutti gli atomi
del sistema (alcune migliaia), per tempi dell’ordine
di qualche nanosecondo. Le interazioni di legame e
non legame (van der Waals e legame a idrogeno) tra
gli atomi sono descritte da opportune forme parametriche, la cui accuratezza può essere verificata
mediante il calcolo di proprietà quali la densità, la
capacità termica o il modulo elastico dei materiali
in massa. La simulazione dimostra importanti effetti, quali il disordine superficiale delle catene del
PVA e la distorsione del collagene nel suo avvicinarsi alla superficie.
Oltre a Giuseppe Allegra, attualmente il gruppo comprende
cinque docenti (Stefano V. Meille, Fabio Ganazzoli, Luciana
Malpezzi, Guido Raos e Antonino Famulari) e vari borsisti,
dottorandi e laureandi.
27
Acciaio nelle strutture soggette
a carichi dinamici
Pietro Gambarova
Carlo Urbano
I materiali inorganici, compositi,
il calcestruzzo
Advanced materials and
composite material
structural elements
At the Department of
Structural Engineering of
the Technical University
of Milan many research
activities on materials and
structure are performed
using the equipment of
the Material Testing
Laboratory.
The researches in the field
of advanced materials is
based on experimental
and numerical activities.
Some experimental tests
on simple specimens are
reported fig.4 and fig.5
while fig.7 and fig.8 represent the numerical
models of a fabric and of
an underwater vehicle.
The fibre reinforced materials are also used in civil
application as strengthening of damaged structures.
An example of a concrete
beam reinforced with carbon-fibre composite lamina is reported in fig.9.
The aim of these activities
is to provide efficient
tools for the design and
development of advanced
material and structural
elements.
Steel structures under
dynamic loading
Research studies on Steel
Structures, carried out
within the Structural
28
Engineering Department,
are related to the following two main topics:
- Seismic behaviour of
steel and composite steelconcrete structures
- Seismic behaviour of
large framed systems
made of thin walled, cold
formed profiles.
On the first topic a number of theoretical as well
as experimental studies
have been carried out,
which led to a better
understanding of some
phenomena typical of the
structural response and of
the damage accumulation
process. Some specific
rules adopted in
Eurocodes resulted from
these studies.
Steel storage pallet racks
are a very peculiar type of
structure because their
dead load is only a small
portion of the serviceability live load. Furthermore,
for operative reasons, bracings are eccentric with Le ricerche condotte nell’ambito del Dipartimento
di Ingegneria Strutturale sul tema delle Strutture
Metalliche possono essere inquadrate nei seguenti
filoni principali:
- comportamento di strutture di acciaio e miste di
acciaio e calcestruzzo in zona sismica;
- comportamento di grandi strutture intelaiate
costituite da profili leggeri formati a freddo, in presenza di azioni sismiche.
Sul primo argomento sono stati condotti una serie
di studi sia teorici sia sperimentali che hanno consentito non solo una miglior comprensione di alcuni fenomeni tipici del comportamento delle strutture di acciaio e miste di acciaio e calcestruzzo soggette ad azioni sismiche, ma anche la messa a punto di
alcune clausole specifiche adottate nelle normative
europee di calcolo e verifica.
In particolare, si citano i numerosi studi effettuati
nell’ambito di vari progetti di ricerca (condotti a
livello nazionale ed internazionale) sul comportamento ciclico di travi, colonne e/o dei collegamenti
trave-colonna [Figura 1 e Figura 2], che hanno
portato alla messa a punto sia di modelli di accumulazione del danno e di criteri di collasso, sia di
metodi progettuali che sono attualmente accettati a
livello internazionale.
Le strutture intelaiate costituite da profili formati a
freddo, sottoposte ad azioni sismiche costituiscono
una tipologia molto particolare, in quanto, al contrario di quanto avviene usualmente, a fronte di un
carico permanente estremamente ridotto risultano
soggette ad un elevatissimo carico accidentale.
Inoltre, per esigenze operative, i controventi sono,
usualmente, realizzati in posizione eccentrica rispetto al posizionamento dei carichi sulla struttura.
Questo fatto, unito alla grande flessibilità degli elementi strutturali e dei collegamenti rende particolarmente complessa la risposta di queste strutture
ad azioni di tipo sismico. È stato avviato, in collaborazione sia con l’Associazione Europea (F.E.M.) sia
con l’Associazione Italiana (ACAI) dei Produttori di
Scaffalature uno studio mirato sia alla caratterizzazione del comportamento dei singoli componenti
delle strutture, sia allo studio del comportamento
dinamico di strutture complete soggette ad azioni
sismiche. Grazie al contributo della UE, che ha
garantito l’accesso gratuito alla tavola vibrante del
Laboratorio di Ingegneria Sismica della National
Technical University di Atene (Grecia), sono state
1.
Particolare di nodo
trave-colonna in acciaio
sottoposto a storie
di carico di tipo sismico
2.
Lesione sull’ala più
lontana dalla soletta
in un giunto trave-colonna
di struttura mista di acciaio
e calcestruzzo
3.
Scaffalatura sottoposta
a prova dinamica presso
il Laboratorio di Ingegneria
Sismica della National
Technical University di Atene
4.
prova di trazione
strumentata con
estensimetro biassiale
eseguite una serie di prove dinamiche su modelli di
scaffalature di dimensioni reali, di due campate (2 x
1.8 m) in larghezza e tre piani (3 x 2.0 m) in altezza
[Figura 3].
Materiali innovativi ed elementi strutturali in
materiale composito
Presso il Dipartimento di Ingegneria Strutturale del
Politecnico di Milano vengono svolte numerose
attività di ricerca su materiali e strutture avvalendosi delle attrezzature del Laboratorio Prove Materiali.
La metodologia di ricerca si basa sullo sviluppo
parallelo di attività sperimentali e di modellazione
numerica. Accanto all’attività di caratterizzazione
meccanica dei materiali comunemente utilizzati nel
campo dell’ingegneria civile (acciaio e calcestruzzi
armati), vi è un’intensa attività di ricerca nel campo
dei materiali innovativi e delle strutture con essi
realizzate. Alcuni esempi di prove meccaniche utilizzate per la caratterizzazione dei materiali innovativi sono riportati in Figura 4 e Figura 5. Le
immagini mostrano una prova di trazione monoassiale e una di flessione su tre punti effettuate su
provini in materiale composito.
L’attività di modellazione è volta alla simulazione
29
6.A.
Tessuto monofilamento:
immagine da microscopio
di un campione
5.
prova di flessione
su tre punti
respect to the centre of
gravity of the applied
masses. This fact, together with the large flexibility of these structures
makes very complex the
seismic response of this
structural typology. An
extensive research program has been activated,
in co-operation with both
the European (FEM) and
Italian (ACAI) Association
of Manufacturers, for the
study of the seismic
response of the structural
members and connections as well as of the global structure. With the
contribution of the EU
(within the ECOLEADER
Research Program) a
number of full scale
models (2 bays of 1.8 m
each and 3 levels of 2.0 m
each) were dynamically
tested on the shaking
table facility of the
N.T.U.A. (Greece).
High-performance and
30
ultra high-performance
cementitious composites
belong to the frontier of
the structural materials,
and as such are required
to provide increasing
levels of strength, ductility
and durability, for more
economical, ecological,
architecturally-valuable
and daring structures. In
cooperation with several
Italian and foreign
research institutions,
much effort has been
lately devoted to these
materials in Milan, from
microstructural modelling
to fire strength, from reinforcement corrosion to
innovative structural shapes, with the aim of providing the industry a full
system of services in the
money-attracting domain
of reinforced-concrete
infrastructures.
6.B.
Tessuto monofilamento:
modello ad elementi finiti
del comportamento meccanico dei materiali e delle
strutture con essi realizzate. In Figura 6 è riportato
il modello numerico utilizzato per la simulazione
del comportamento meccanico di un tessuto tecnico per applicazioni serigrafiche e di filtraggio. In
Figura 7 sono rappresentati due modelli ad elementi finiti utilizzati per lo studio di compositi rinforzati con fibre unidirezionali e tessuti.
La Figura 8 riporta un esempio di struttura per
veicoli sottomarini realizzata in materiale composito ed il relativo modello numerico. I materiali fibrorinforzati sono ampiamente utilizzati anche per le
applicazioni civili quali elementi di rinforzo di
strutture danneggiate o da consolidare. In Figura 9
è raffigurata una trave in legno rinforzata mediante
fibre di carbonio e sottoposta a prova di flessione.
Lo scopo principale delle suddette attività è quello
di fornire efficienti strumenti di progettazione e di
sviluppo ai produttori di materiali innovativi e di
elementi strutturali.
I materiali per le costruzioni:
il calcestruzzo
L’enorme sviluppo delle costruzioni e delle infrastrutture nella seconda metà del XX secolo, sia nei
7.A.
Modellazione
ad elementi finiti:
composito unidirezionale
7.B.
Modellazione
ad elementi finiti:
tessuto di rinforzo
paesi sviluppati, che in quelli emergenti, ha richiesto la messa a punto di conglomerati cementizi più
resistenti e più durevoli, per garantire ottime caratteristiche strutturali ad opere sempre più audaci per
altezza, lunghezza e snellezza, e spesso destinate a
lavorare in condizioni ambientali estreme. Pertanto,
nelle nazioni più evolute cospicui finanziamenti
sono stati dedicati nel passato ventennio ai conglomerati cementizi ad alte prestazioni, con esperienze
e realizzazioni che in Francia, Germania, Paesi
Nordici, Giappone e Stati Uniti hanno riguardato
edifici alti, ponti, tunnel, piattaforme marine e gusci
di contenimento. Tali esempi mostrano però che il
potenziale innovativo dei calcestruzzi ad alte prestazioni può essere sfruttato solo attraverso una ben
coordinata collaborazione fra ricercatori, progettisti,
produttori, costruttori ed enti normatori.
Al Politecnico di Milano, l’interesse per i conglomerati cementizi ad alte ed altissime prestazioni (HPC
e UHPC) si è sviluppato attraverso progetti sia universitari, che misti Università-Industria (1994-96,
“Materiali speciali per le costruzioni”, CNR; 199799 e 2000-01, “Sicurezza e durabilità delle strutture”,
cofinanziati dal MURST; 1995-99, HITECO su HPC
e UHPC, cofinanziato dalla Comunità Europea ed
8.A.
Veicolo sottomarino:
modello ad elementi finiti
8.B.
Veicolo sottomarino:
prova sperimentale in mare
in collaborazione con l’ENEA; 2000, ULISSE finanziato dai produttori italiani di calcestruzzo).
Tali progetti sono stati un’eccellente occasione di
collaborazione con l’Industria e con i ricercatori di
più di venti università, fra cui si possono citare
Torino Politecnico, Brescia, Parma, Padova, Udine,
Perugia, Roma I, L’Aquila, Napoli I, Lecce e
Palermo.
I conglomerati ad alte prestazioni presentano una
molteplicità di caratteristiche positive, fra le quali
l’alta resistenza meccanica in compressione (da 2 a
6 volte superiore a quella del calcestruzzo ordinario), la maggiore compattezza ed omogeneità, la
rapidità di indurimento, l’esteso comportamento
elastico-lineare, e – con l’aggiunta di fibre metalliche – l’elevata resistenza a trazione, cui si accompagna grande duttilità. Si comprende allora come tali
materiali rappresentino un reale passo in avanti,
essendo particolarmente adatti per costruzioni che
richiedono elevati livelli qualitativi in termini di
resistenza, de-formabilità e durabilità. Inoltre i calcestruzzi ad alte prestazioni sono “ecologici” in
quanto fra i loro componenti rientrano alcuni
sotto-prodotti industriali di difficile smaltimento
(come la microsilice e le ceneri volanti).
31
9.
prove di flessione
su trave in legno
rinforzata con fibre
di carbonio
Con specifico riferimento agli studi sperimentali e
teorici condotti presso il Politecnico di Milano, l’attività ha riguardato i seguenti campi:
- La caratterizzazione meccanica dei calcestruzzi
(normali, fibrorinforzati, ad alte prestazioni, ad
altissima resistenza e ad aggregato leggero) a temperatura ambiente e ad alta temperatura
[Figura 10, Tmax = 1100°C].
- La modellazione del comportamento termo-igrometrico e microstrutturale dei conglomerati cementizi, con sviluppo di appositi programmi di calcolo
per valutare gli effetti di frattura, ritiro e viscosità
[Figura 11].
- Lo studio sperimentale e la modellazione matematica dell’interazione fra armatura e calcestruzzo, e
fra infissaggi metallici e calcestruzzo, per valutare la
capacità di ancoraggio anche in condizioni ambientali estreme (incendio e corrosione).
- Lo studio sperimentale e teorico dell’uso di materiali innovativi (calcestruzzo fibrorinforzato ed
armatura non metallica) nella precompressione
degli elementi prismatici in parete sottile [tegoli,
Figura 12].
- La caratterizzazione meccanica delle armature
ordinarie e da precompressione dopo esposizione
32
10.
provino in calcestruzzo
cilindrico con termocoppie,
all'interno di un forno
adatto anche a piccole
strutture
all’incendio.
La completa serie di apparecchiature disponibili
presso il Laboratorio Prove Materiali (Campus
Leonardo) permette di eseguire prove molto sofisticate, in controllo di spostamento o di deformazione
(capacità delle presse da 10 a 500t), e ciò grazie
anche ai notevoli investimenti fatti negli ultimi anni
per l’aggiornamento dell’elettronica di controllo e
per la strumentazione. Sono inoltre in fase di realizzazione un banco per l’estrazione degli infissi
metallici dal calcestruzzo (anche per le certificazioni
richieste dall’industria) ed un complesso pressaforno per la prova a caldo di provini di qualsivoglia
materiale, ed in particolare, di materiali cementizi e
lapidei.
Queste attrezzature saranno completate entro pochi
anni da quelle della nascente sezione del laboratorio
del Polo di Lecco, ove saranno possibili prove su
grandi elementi strutturali. Si delinea così un sistema di competenze aperto alle Imprese ed alla
Pubblica Amministrazione, per la fornitura di servizi indirizzati alla sicurezza ed alla durabilità dei
materiali cementizi e delle costruzioni.
11.
modellazione ad
elementi finiti della
microstruttura della
pasta di cemento
12.
prova di carico di
un tegolo prefabbricato
e precompresso in
calcestruzzo fibrorinforzato
cemento anidro
poro
silicato di calcio idrato
33
Introduzione
Pier Luigi Cavallotti
Rivestimenti metallici
nanostrutturati per elettronica
Nanostructured metallic
coatings for electronics
Two hundred years ago
Volta, starting the modern
era with the pile invention, did not know how
many consequences
would have been; among
them, process control at
the atomic scale and
direct view of atoms and
molecules at surfaces
have enlarged knowledge
limits. But novel problems
arise because it is not
only important the size of
structures at the micro
and nano scale, but it
becomes vital to control
their interaction ways and
define surfaces as connection interphases, not only
as matter boundaries.
This new technology is a
nanotechnology, applying
the new possibilities to
microelectronics and
microelectromechanical
devices.
Evolution of integrated
circuits is based on copper interconnection by
ElectroDeposition ED, this
means to control “superfilling” of nanodefined
motifs, vias or surface
connects; the control of
the ED process is reached
with system of additives
having synergetic action,
one inhibiting, the second
activating at the hole
mouth and the last
34
decreasing and defining
the grain size.
Multilayers can be grown
depositing from the gas
phase or by electrodeposition and can arrive to
very interesting properties, such as giant magnetoresistance (a very great
change of electrical resistivity when magnetic
field is applied to the
layers). The ED process is
of interest for its low cost,
and low temperature of
operation, decreasing
interdiffusion problems
among layers in the solid
state. On the other hand,
definition is not simple at
the nanometric scale
because the bath contains
the two metals of the multilayer, but can be achieved with specific electrolytes and controlling
the deposition rate with
sequence of programmed
current pulses.
Nanostructured coatings
were applied to realise La dimensione nanometrica sta entrando in elettronica ed in elettromeccanica per la possibilità di progettare e controllare dispositivi definiti a livello di
scala appena superiore a quello atomico. In particolare le superfici, il luogo della trasmissione delle
informazioni, il confine fra il particolare e l’universale, sono definibili solo a livello nanometrico, perché pochi atomi sono modificati nelle loro interazioni dal fatto di affacciarsi al mondo esterno. La
tecnologia solo ora è in grado di controllare le
regioni interfase e da qui nascono interessanti applicazioni in campi anche molto diversi. Si sta ad
esempio esplorando la possibilità di realizzare dispositivi capaci di gestire lo scambio, di corrente
elettrica o di deformazione, fra atomi in condizioni
di comportamento quantistico, superando la statistica delle popolazioni di specie interagenti. La prospettiva è quella di arrivare a reti che evolvono per
stati e così trasmettono. In questo articolo prenderemo in esame alcuni risultati in cui la definizione a
livello nanometrico sta diventando fondamentale,
per ridurre le dimensioni e per ottenere effetti altrimenti non raggiungibili. Considereremo l’evoluzione delle interconnesioni nei circuiti integrati, in cui
la definizione è ormai ai 50nm, i sistemi microelettromeccanici e le possibilità di applicare multistrati
magnetici.
Interconnessione di circuiti integrati
La sostituzione dell’alluminio con il rame nell’industria microelettronica per la realizzazione dell’interconnessione dei circuiti integrati ha rappresentato
una rivoluzione tecnologica senza precedenti, che è
stata resa possibile ricorrendo all’elettrodeposizione.
Lo sviluppo di questo tipo di processi per le interconnessioni nei circuiti integrati ha richiesto la
messa a punto di soluzioni per l’elettrodeposizione
di rame con specifiche caratteristiche, per conferire
loro la capacità di riempire microfori e recessi su
substrati caratterizzati da una complessa microtopografia.
La composizione di questi bagni si basa su un insieme di additivi, che impartiscono alle soluzioni potere livellante ottimale e proprietà di superriempimento ("superfilling") [1]. L’influenza degli additivi
non è limitata alla distribuzione ed all’evoluzione
della forma dei depositi, ma conferisce al metallo
elettrodeposto particolari caratteristiche microstrutturali, esercitando un controllo a scala nanometrica
1.
Immagini AFM di strati
sottili di rame dai bagni
B, G ed H, a 30°C,
20 mA cm–2, 30 s,
non agitati su
Si\TiN\Cu 0,1 m m.
B
G
H
B
G
H
nN
30.0
nN
nN
20.0
0.8
15.0
0.6
10.0
0.4
5.0
0.2
0.0
0.0
20.0
10.0
0.0
sulle proprietà fisiche e meccaniche del materiale.
La ricerca sugli effetti che gli additivi esercitano nei
bagni di elettrodeposizione sulle caratteristiche geometriche e topografiche e sulle proprietà dei depositi di rame è condotta a diversi livelli: dalla scala
molecolare, con studi ab initio delle interazioni chimico-fisiche degli additivi con il metallo elettrodeposto, alla scala macroscopica corrispondenti alle
dimensioni della cella elettrochimica, con metodi di
simulazione numerica della distribuzione di corrente e di potenziale in sistemi elettrochimici in cui è
presente l’effetto degli additivi.
La capacità livellante e di superriempimento conferita alle soluzioni dalla miscela di additivi è il risultato di effetti opposti e bilanciati dei diversi suoi
componenti. L’influenza di ciascun componente
può essere classificata come attivante o inibente, in
relazione agli effetti di polarizzazione o depolarizzazione catodica cui ciascun additivo dà luogo. Questi
effetti cinetici possono essere caratterizzati mediante le tecniche elettrochimiche convenzionali quasistazionarie o mediante tecniche di transitorio, rivelatrici degli aspetti sinergici di funzionamento degli
additivi. L’integrazione dei risultati elettrocinetici
con l’osservazione delle proprietà morfologiche e
strutturali dei depositi, in particolare negli stadi iniziali di crescita, determinanti ai fini del riempimento di vie e microfori (per densità di corrente tipica
20mA cm–2 sono sufficienti pochi secondi di deposizione per riempire fori di diametro 200nm o inferiore e altezza 1m m), permette di comprendere in
modo esauriente il funzionamento dei bagni e
quindi di controllare il processo di crescita.
L’influenza dei diversi additivi sulla morfologia
superficiale degli strati di rame negli stadi iniziali di
crescita è stata caratterizzata esaminando con
microscopia a forza atomica strati sottili su substrato Si\TiN\Cu (100nm). Le immagini topografiche
presentate in Fig. 1 sono riferite a film sottili di
rame elettrodeposto da bagni di CuSO4 0,8 M a pH
3 [2] con aggiunte successive di: cloruri 50ppm
(bagno B), polietilenglicole PEG 300ppm (bagno
G), dibenzil–ditio–carbammato TC 8ppm (bagno
H).
I depositi ottenuti dalla soluzione priva di qualsiasi
aggiunta dopo 30s di deposizione a 20 mA cm–2,
non risultano continui; in presenza di Cl–, il film di
rame mostra invece una superficie caratterizzata da
grani isolati, appiattiti o piramidali, con dimensioni
relativamente grandi, sopra uno strato sottostante
35
2.00 m m
che è costituito da grani sferoidali con dimensioni
inferiori a 100nm. In effetti, i cloruri svolgono un
ruolo importante nel favorire la crescita epitassiale,
che coinvolge l’avanzamento laterale di macro-gradini di crescita e pertanto favorisce un più rapido
ricoprimento della base [2,3]. La crescita del rame dal
bagno B procede pertanto attraverso uno stadio
precoce di diffusa nucleazione seguito da uno stadio
di crescita preferenziale, probabilmente in corrispondenza di difetti superficiali. L’aggiunta di PEG
alla soluzione B sopprime completamente la crescita
preferenziale di cristalli isolati, dando evidenza
all’azione specifica di questo additivo quale inibitore dei centri di crescita di attività più alta. La superficie diviene livellata e uniforme e la crescita è controllata dall’adsorbimento dell’inibitore, con indebolimento dell’influenza della base sulla crescita
epitassiale. L’effetto simultaneo di PEG e TC promuove l’incremento delle dimensioni di grano,
indicando che il tiocomposto svolge un’azione riattivante della crescita, mantenendo figure di crescita
cripto-cristalline e favorendo la formazione di
geminati.
L’importanza dell’effetto sinergico degli additivi con
funzione inibitrice PEG ed attivante TC, peraltro
36
3.
Micrografia SEM di
un multistrato
[Cu(7nm)/CoNi(Cu)(3nm)]40 ML
depositato su substrato
Si\SiO2\Cr(70nm)\Au.
500 nm
influenzata in modo specifico dalla presenza di cloruri [2], è dimostrata dagli effetti di questi additivi
sulla capacità di riempimento dell’elettrolita: la sola
presenza di PEG e cloruri in soluzione non consente di ottenere il riempimento di microfori aventi
rapporto profondità larghezza pari a 1:1 [v. Fig.2 a
sinistra], che è invece ottenuto quando è presente
anche il tiocomposto [v. Fig.2 a destra], dimostrando che entrambi gli additivi PEG e TC sono
necessari per conferire all’elettrolita buone capacità
di riempimento.
Multistrati metallici con magnetoresistenza
gigante
Il fenomeno della magnetoresistenza gigante
(GMR) in strati sottili metallici fu riportato per la
prima volta per il sistema Fe\Cr [4]. Le proprietà fisiche peculiari dei cosiddetti superreticoli, strutture
costituite da strati alternati di diversa composizione
e di spessore definito, e la loro applicazione come
sensori di campo magnetico, fanno dell’effetto
GMR un soggetto di ricerca di grande rilevanza tecnologica e scientifica.
I metodi più impiegati per la sintesi di multistrati
metallici sono deposizioni da fase gas, mediante
4.
Spettro di diffrazione
di raggi X di un multistrato
[Cu(5nm)/CoNi(Cu)(3nm)]40
deposto su Si\Cr(20nm)\Au.
fcc (111)
log counts (a u.)
2.
Parziale riempimento
di microfori con rapporto
di aspetto 1:1, depositando
da soluzione CuSO4 0,8 M
a pH 3 con Cl– 50 ppm,
PEG 300 ppm (a sinistra)
e con ulteriore aggiunta
di TC 8 ppm (a destra),
a 20 mA cm–2 e 30°C,
su Si\TiN\Cu (100nm).
2.00 m m
sputtering o epitassia da fasci molecolari. Anche l’elettrodeposizione è stata considerata e studiata
come metodo concorrenziale rispetto a quelli tradizionali [5], potendo realizzare multistrati o strati a
modulazione composizionale, controllando opportunamente le condizioni operative [6]. La competitività delle tecniche di elettrodeposizione deriva
soprattutto dall’intrinseca economicità di questi
processi rispetto alle tecniche da vuoto: tanto i costi
di investimento che quelli di esercizio sono sensibilmente inferiori. Inoltre, i processi di elettrodeposizione sono condotti a temperatura moderata e non
espongono pertanto la struttura multistrato a fenomeni di interdiffusione tra strati adiacenti. Tuttavia,
la complessità del comportamento elettrochimico
nell’elettrocristallizzazione di superreticoli metallici
e la difficoltà di controllo dei processi a scala di
dimensioni nanometriche, rilevanti per la definizione della lunghezza di modulazione degli strati, della
loro composizione, della dimensione dei cristalli,
dello spessore globale dei film, costituiscono aspetti
delicati per lo sviluppo dei processi all’applicazione
industriale.
L’elettrodeposizione di multistrati CoNi(Cu)/Cu [v.
Fig.3] è stata ottenuta da una soluzione studiata
per limitare i fenomeni di spostamento e ridissoluzione tipici dei bagni acidi già ampiamente considerati e caratterizzati in questo tipo di applicazioni [7].
Allo scopo di ottenere la desiderata modulazione di
composizione si impiegano soluzioni che contengono i cationi dei due metalli, Cu e Co, e si adotta la
tecnica di elettrodeposizione a corrente impulsata
con tre stadi: i primi due a corrente imposta di
valore opportuno per la scarica del catione del
metallo più nobile (bassa ddc) e del catione del
metallo meno nobile (alta ddc); il terzo a corrente
nulla o inversa, avente la funzione di annullare il
gradiente di concentrazione dei cationi che si viene
a formare al catodo. Proprio nello stadio a corrente
nulla o inversa è possibile che lo strato di lega ricco
del metallo meno nobile subisca una parziale ridissoluzione a causa dello spostamento da parte del
metallo più nobile.
Si possono ottenere depositi a composizione modulata con buona definizione dell’interfaccia tra i singoli strati, come dimostra la presenza di riflessioni
di superreticolo negli spettri di diffrazione di raggi
X, che compaiono come picchi satellite delle riflessioni (111) e (200) della struttura cfc del multistrato [v. Fig. 4] e definiscono lo spessore degli strati.
Effetti GMR importanti sono stati osservati per
fcc (200)
78,69 A
78,69 A
80,36 A
80,36 A
39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54
20
spessore degli strati di Cu maggiore di 3,5 nm ed i
migliori risultati si sono ottenuti per spessore
nominale dello strato singolo di rame compreso tra
5 e 8 nm e dello strato di CoNi(Cu) pari a 3 nm,
con valori di GMR fino a 8%. L’intensità dell’effetto
GMR è risultata correlata con l’orientamento preferenziale dei multistrati, tendendo a ridursi con la
diminuzione della frazione di cristalli con orientamento [111] e con l’incremento della frazione di
cristalli con orientamento [100].
Questi risultati dimostrano che l’elettrodeposizione
è una soluzione di processo promettente anche per
quelle applicazioni in cui le proprietà dei materiali
o delle strutture realizzati dipende dall’abilità di
definire e controllare i processi alla scala nanometrica.
Dispositivi MEMS
La possibilità di realizzare dispositivi caratterizzati
da dimensioni micrometriche e capaci di azioni
elettromeccaniche ha dato sviluppo allo studio dei
processi per la deposizione di rivestimenti metallici
nanostrutturati.
Il silicio è il materiale base per la produzione di
sistemi microelettromeccanici MEMS e la microla-
37
5.
Micrografia SEM
di dispositivi MEMS;
a sinistra elettroformato
in Ni; a destra elettroformato
in Fe-Ni 64%.
100 m m
vorazione del silicio permette di ottenere dispositivi
con strutture flottanti di elevata precisione e riproducibilità. Metalli e leghe possono essere utilizzati
in alternativa al silicio, quando vi sia la possibilità di
mettere a punto processi di microelettroformatura e
le proprietà del metallo siano compatibili per l’integrazione "on chip" del dispositivo. A questo riguardo
il comportamento dilatometrico riveste particolare
importanza per garantire tanto la fattibilità di processo quanto la stabilità dimensionale dei dispositivi
entro un ampio intervallo di temperatura e la scelta
di leghe dimensionalmente stabili come l’invar (FeNi36%) risponde a questa esigenza [8]. Esempi di
strutture del tipo accellerometro rotazionale in
metallo, nichel o invar, sono riportate in Fig. 5.
L’integrazione di rivestimenti metallici con la tecnologia MEMS ha evidenziato come i processi elettrochimici per la deposizione di strati metallici nanostrutturati fossero i più semplici da impiegare e da
introdurre nelle fasi finali della produzione dei
MEMS. La deposizione di metalli nobili o appartenenti al gruppo del platino mediante spostamento
galvanico su silicio in elettroliti acquosi contenenti
fluoruri è stato il metodo studiato per ottenere sia
strati continui di dimensioni nanometriche control-
38
1.00 mm
late sia particelle nanometriche disperse in modo
omogeneo. Mediante immersione in elettroliti contente fluoruri, ioni rameici e acido ascorbico, è stato
possibile realizzare rivestimenti di rame su dispositivi MEMS. I rivestimenti erano omogenei e conformi alla geometria della struttura e caratterizzati da
una elevata adesione al substrato di silicio. In Fig.6
è riportata l’immagine SEM della sezione di un
deposito di rame; in Fig.7, l’immagine di un dispositivo MEMS dopo la deposizione di rame 50
nm. È possibile notare come il deposito sia conforme alla struttura e come il processo di deposizione
sia selettivo per il silicio rispetto alla maschera di
nitruro di silicio.
La deposizione per spostamento galvanico è stata
anche utilizzata per la deposizione di particelle
nanometriche di palladio su silicio per catalizzatori
in microreattori. La deposizione è stata condotta
mediante immersione in una microemulsione
caratterizzata da micelle acquose di dimensione
controllata contenenti fluoruri e ioni metallici. La
possibilità di controllare le dimensioni delle micelle
variando il rapporto tra parte acquosa e organica,
permette di depositare nanoparticelle metalliche
con dimensioni che possono essere scelte nell’inter-
6.
Immagine SEM
della sezione di rame
elettrodeposto dopo
2h (spessore 200 nm)
1.00 m m
7.
Dispositivo MEMS
con rivestimento
conforme di rame
vallo 2-50 nm. In Fig.8 sono riportate le immagini
SEM di nanoparticelle di Pd su Si, che mostrano
una distribuzione omogenea.
Conclusione
Duecento anni fa l’invenzione della pila di Volta
apriva la strada all’era moderna. Nemmeno lo stesso Volta poteva aspettarsi tutte le conseguenze che
ne sono derivate e che pure erano in nuce nella sua
invenzione. La capacità di controllare i processi alla
scala atomica e di poter vedere cosa succede sulle
superfici agli atomi ed alle molecole ha permesso di
spostare ancora i confini della conoscenza. Nuovi
problemi nascono, perché diventa importante non
solo diminuire le dimensioni delle micro e nanostrutture, ma anche controllarle nel loro modo di
interagire, definire le superfici come interfase di collegamento e non solo come limite della materia.
È già possibile pensare in termine ingegneristici ai
processi applicativi di queste tecnologie che non
sono più soltanto alte tecnologie "hi tech", ma rappresentano un modo diverso di guardare la realtà
produttiva.
Con la collaborazione di
G. Bazzani, M. Bestetti, L. Magagnin, L. Nobili, A. Vicenzo.
8.
Immagini SEM di
depositi di nanoparticelle
di Pd. ottenute dopo 10 min.
A sinistra rapporto fra parti
acquosa ed organica 5;
dimensioni particelle 5 nm;
a destra rapporto
acquosa/organica 50,
dimensioni particelle 45 nm.
6mm
micrometric devices with
electromechanical actions
(MEMS MicroElectroMechanical
Systems). Silicon is the
election material for these
applications and its micromachining permits the
construction of floating
structures well defined
and reproducible. On silicon, metallic features can
be grown by microelectroforming. It is also possible
to obtain nanolayers or
nanosize particles on silicon by discharge from
aqueous solutions containing fluorides.
Applications are foreseen
for microreactors or for
microcombustion with
catalytic layers.
6mm
BIBLIOGRAFIA
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P.C. Andricacos, C. Uzoh, J.O.
Dukovic, J. Horkans e H.
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Proc. 5th International
Symposium on Magnetic
Materials, Processes and
Devices; Eds. L.D. Romankiw,
S. Krongelb, C.H. Ahn;
PV98–20, ECS INC.,
Pennington NJ, 1999.
39
Marco Boniardi
Paolo Clerici
Alfredo Cigada
Laura Vergani
Materiali per costruzioni
meccaniche
40
as duplex stainless steels.
Comparing to common
stainless steels, duplex
alloys show a better corrosion resistance and a
higher mechanical
strength (two times
around), and, therefore,
they are candidate to be
structural materials for
components subjected to
both static and dynamic
loading in aggressive
environment.
Gears are further examples of applications in
which the best results
strictly depend on an optimal combination of material and design. At our
Department several sperimentations aim to explain
and quantify the different
behaviour of a component
treated with different thermochimical processes,
carburising and nitriding,
mainly.
About that, great relevant
are the studies concerning
propagating 1.
Una significativa
applicazione unitamente
alla tipica microstruttura
degli acciai inossidabili
austeno-ferritici
100 µm
agli impieghi di acciai inossidabili innovativi. Ci
riferiamo, in questa sede, agli acciai inossidabili
duplex a struttura mista austeno-ferritica come
mostrato in figura 1.
Tali materiali, oltre ad avere eccellenti proprietà di
resistenza alla corrosione, posseggono una resistenza meccanica doppia rispetto ai tradizionali acciai
inossidabili e, quindi, si propongono come materiali
strutturali per la realizzazione di componenti soggetti ad elevate condizioni di sollecitazione sia statica che dinamica in ambienti particolarmente
aggressivi.
Altro campo dove stretta è l’interazione tra le
costruzioni meccaniche ed i materiali è il settore
degli organi di trasmissione. Tipico è il caso del settore degli ingranaggi dove un’estesa sperimentazione è in corso presso il nostro Dipartimento per
valutare la resistenza in esercizio e, quindi, l’affidabilità di ruote dentate sottoposte a differenti trattamenti superficiali, specificamente nitrurazione e
cementazione. In figura 2 è mostrato, quale esempio della sperimentazione in corso, un pignone realizzato in acciaio da cementazione. Il componente
ha subito un macroscopico danneggiamento per
fenomeni di pitting superficiale, fenomeni che,
2.
Esempio di un tipico
fenomeno
di danneggiamento
di uno strato superficiale
cementato e relativa
failure analysis
100 µm
Materials for mechanical
applications
Technological process and
innovation of know-how
methodology are the
main topics in current
industrial production.
For last years, component
designing for mechanical
applications has been
requiring materials selection matches most appropriate technological process to realize an object
reliable in terms of expected life, avoiding premature rupture, keeping costs
competitive.
This scenery makes materials research be a key
point for innovation and
development, and the
numerous areas of
research developed
recently about them attest
it. For a blank-paper
design, new materials are
characterized and investigated, while studies about
damage mechanisms
involved in exercise aims
to make best choice of
materials in terms of reliability.
Currently, many research
activities are focused on
characteristics and applications of innovative
stainless steels, like those
characterized by a microstructure mixed of two
phases, the ferritic and
the austenitic one, known
Il settore meccanico occupa una posizione di grande rilievo nella realtà industriale lombarda sia in
termini di occupazione che di prodotto, infatti le
numerose industrie meccaniche presenti nella
regione sono riuscite ad adeguarsi brillantemente
alle rapide e notevoli trasformazioni in atto nel settore.
In particolare è diventata fondamentale e strategica
la figura del progettista che ha il compito di ottimizzare le contrastanti esigenze legate all’esecuzione
del progetto di una macchina che, costruita con i
materiali e i processi tecnologici adeguati, deve
assolvere le funzioni richieste senza presentare cedimenti durante tutta la vita prevista con un costo
complessivo concorrenziale.
Il progettista può contare, d’altro canto, su mezzi di
calcolo e conoscenze tecniche senz’altro notevoli
soprattutto se confrontati con quelli a disposizione
solo fino a pochi decenni fa. Elaboratori elettronici
sempre più potenti permettono di risolvere con
programmi di calcolo numerici problemi molto
complessi che fino a pochi anni fa era impensabile
affrontare in modo analitico; le nuove tecnologie di
produzione rendono disponibili materiali pensati
quasi su misura per l’applicazione (come i materiali
compositi); le nuove macchine di prova rendono
possibile la sperimentazione dei materiali anche in
condizioni complesse simili a quelle reali.
In questi ultimi anni, inoltre, la crescente concorrenza internazionale ha richiesto una notevole accelerazione delle competenze progettuali e delle tecnologie
produttive per poter essere in grado di tenere il
passo con i ritmi di sviluppo del mercato mondiale.
Di concerto con questa spinta propulsiva, il settore
della ricerca ha subito una forte accelerazione, sia
proponendosi come motore dell’innovazione che
affiancando le varie realtà industriali nelle iniziative
di punta delle costruzioni meccaniche.
A questo riguardo, è soprattutto nel campo dei
materiali che si sono focalizzate le principali aree di
ricerca: da un lato come progettazione ex-novo utilizzando materiali innovativi, dall’altro come approfondimento dei fenomeni di danneggiamento dei
componenti in esercizio per giungere a scelte sempre più affidabili sia nel campo dei materiali tradizionali che, soprattutto, in quello dei materiali
avanzati.
Nell’ambito del Dipartimento di Meccanica molte
attività sono state intraprese in tal senso.
Nel settore delle leghe metalliche sono in corso
varie attività di ricerca relative alle caratteristiche e
20 um
41
3.
Esecuzione di un
trattamento di nitrurazione
ionica e aspetto dello strato
superficiale nitrurato.
4.
Tipica rottura per
propagazione di un
difetto interno in una
ruota ferroviaria.
5.
Macchina per prove
statiche e a fatica in
condizioni di sollecitazione
multiassiale (in alto)
in condizioni di sollecitazione
semplici (in basso)
5 mm
attraverso tecniche di failure analysis, sono stati studiati mediante microscopia elettronica a scansione.
Proprio in seguito a queste sofisticate indagini è
stato possibile conoscere i meccanismi che governano il disservizio del componente e, di conseguenza,
mettere a punto opportuni trattamenti che garantissero una maggiore affidabilità.
Sempre sul filone dei trattamenti di superficie atti a
migliorare la resistenza meccanica dei componenti,
sono da evidenziare gli studi relativi ai processi di
nitrurazione ionica.
Questa ulteriore attività, anch’essa svolta in collabo-
42
razione con aziende del settore, mira ad ottenere
un’elevata resistenza ad usura unitamente a buone
doti di tenacità e resistenza alla frattura fragile. Un
esempio di componenti nitrurati con tale processo è
osservabile in figura 3; si noti il caratteristico alone
violetto-azzurrognolo della nitrurazione ionica,
dovuto all’addensamento del plasma di azoto concentrato attorno al pezzo da trattare.
Notevoli sviluppi sono anche collegati al settore dei
trasporti. La richiesta di prestazioni sempre più
spinte in termini di velocità del veicolo e di affidabilità ha provocato un’accelerazione nella ricerca in
questo settore.
Nel Dipartimento di Meccanica molta importanza è
stata data agli studi sulla propagazione di difetti
interni sollecitati con carichi da contatto. Tipica
applicazione è quella delle ruote ferroviarie, quale
quella riportata in figura 4.
La presenza di difetti interni può, infatti, compromettere l’integrità strutturale di questi componenti
e per ovviare a tali problematiche sono stati proposti nuovi modelli di calcolo per riuscire a valutare
anche quantitativamente l’effettiva pericolosità dei
difetti presenti. In questo modo è possibile ottimizzare l’impiego di materiali tradizionali anche per
applicazioni più esasperate, come nel caso dei treni
ad alta velocità, garantendo in contemporanea la
sicurezza del sistema nel suo complesso.
Sempre nel settore dei trasporti l’impiego di nuovi
materiali ha permesso soluzioni costruttive innovative. L’uso di materiali compositi che possono esser
progettati “su misura” per le specifiche condizioni
di carico, di utilizzo e di ambiente, ha fortemente
ampliato le possibilità realizzative.
Un esempio tipico è quello dei compositi a matrice
polimerica e rinforzo in fibra di vetro, ottenuti con
il processo tecnologico di pultrusione, che hanno
caratteristiche di resistenza simili a quelle degli
acciai e sono, praticamente, inerti all’aggressione
dell’ambiente circostante. Da sottolineare inoltre
che le strutture realizzate con questi materiali non
richiedono manutenzione.
L’impiego di questi nuovi materiali è stato reso possibile da una sinergia di competenze tra l’Università
e il mondo industriale. Infatti presso il
Dipartimento di Meccanica sono disponibili nuovi
e attrezzati laboratori, dove è possibile condurre
sperimentazioni sul materiale e sulle strutture.
Nuove macchine di prova, sia meccaniche che
idrauliche, consentono la caratterizzazione dei
materiali sotto le più svariate condizioni di carico.
Ad esempio, in figura 5, è riportata una MTS per
prove statiche e a fatica in condizione di sollecitazione multiassiale.
Sempre in figura 5 è mostrata una macchina di
prova tradizionale ma che, attrezzata in modo
opportuno, consente la misura di caratteristiche
meccaniche ad alta e bassa temperatura, di tenacità
e di resistenza al danneggiamento. Da ultimo si
segnala, tra gli esami non tradizionali, la possibilità
di eseguire prove di diffrazione ai raggi X, di calorimetria ed analisi microstrutturali mediante microscopia elettronica a scansione [figura 6].
6.
Microscopio elettronico
a scansione per l’analisi
ad elevati ingrandimenti
dei materiali per
applicazioni meccaniche
mechanism of the internal
defects inside a component subjected to contact
fatigue, such as the train
wheel in its interaction
with the rail. Numerical
models are developed to
evaluate unsafe conditions, acting to several
parameters like material,
thermal treatment, manufacturing and designs to
match a high reliability
also in great stress applications typical of the high
speed trains.
New solutions in designing a component dedicated to transport industries are allowed by the
use of the composite
materials, which consist,
generally, in a mixture of
two different materials,
but which collaborate
together to match the
optimum in terms of
mechanical properties for
a particular application:
they
often are defined as the
materials which can be
“designed” for a best
design.
The Department of
Mechanics has provide
new machines for testing
materials and structures
both under static and
dynamic conditions, at
different temperatures.
Materials characterization
can be implemented by
with diffractometric and
calorimetric analysis.
43
2.
Proiezione al 2020 della
percentuale di riduzione del
peso massimo al decollo,
grazie all’implementazione di
nuove tecnologie.
Supersonici: 1) grande autonomia, 2) premium service, 3)
business jet. Grande autonomia-alta capacità: 4) convenzionale, 5) blended-wingbody. Velivoli cargo: 6) grande
autonomia, 7) corto-raggio.
Velivoli STOL: 8) medio-raggio
intercontinentale, 9) corto-raggio alta capacità, 10) Tiltrotor.
[fonte NASA Intercenter
System Analysis Team]
Introduzione
Carlo Caprile
Vittorio Giavotto
Elisabetta Gariboldi
Giuseppe Sala
Attività di ricerca nell’ambito
dei materiali per applicazioni
aerospaziali
Materials for aerospace
application
Materials and structures
have been largely responsible for major performance improvements in many
aerospace systems. The
maturation of computational structures technology
and the development of
advanced composite
materials, witnessed
during the past 40 years,
have improved structural
performances, reduced
operational risk, and shortened development times
in numerous aerospace
systems. For future aeronautical and space
systems, materials and
structures, in addition to
being enabling technologies, continue to be key
elements in determining
the reliability, performance, testability, and cost
effectiveness of these
systems. For some of the
future air vehicles, the
development and deployment of new structure
technologies can have
more impact on reducing
the operational cost and
the gross weight than any
other technology area.
Within this scientific and
technical framework,
Politecnico di Milano is
facing some crucial
aspects of research in the
44
field of materials for aerospace application. Among
them, it is worth mentioning the study of 1)
Materials degradation due
to fleet ageing: fatigue,
damage onset and
growth, moisture and
fluids absorption, barelyvisible damage in polymeric and metallic composite
materials and bonded
joints; fatigue and fracture
mechanics in light alloys,
riveted and welded joints.
2) Materials, production
and assembling techniques for affordability
improvement: development of FML (fibre metal
laminates) and thermoplastic polymeric composites
technologies; correlation
between microstructure
and heat treatments of
titanium alloys; deployment of friction stir welding techniques of aluminium alloys, casting technologies of magnesium
alloys, hot and cold Il ventunesimo secolo sarà testimone di una nuova
era per i mezzi e le missioni aerospaziali. I veicoli
diventeranno molto più piccoli e molto più grandi
di quanto non siano ora. Essi viaggeranno più velocemente e si spingeranno più lontano di quanto
non sia possibile oggi.
Nell’aeronautica civile, i futuri sistemi di trasporto
consisteranno in aeroplani subsonici di grandi
dimensioni (caratterizzati da architetture innovative, dotati di interfaccia uomo-macchina semplici,
equipaggiati con sistemi per la visione artificiale e
con apparati anti-collisione), come pure in aeroplani ultra-veloci per i voli trans-oceanici: velivoli iperveloci dai bordi d’attacco taglienti, costruiti con
materiali capaci di sopportare gli alti riscaldamenti
cinetici. Le linee guida del progetto dovranno comprendere la sicurezza, la convenienza economica
(costo iniziale e del ciclo-vita), nonché la compatibilità ambientale.
Per quanto riguarda i velivoli militari, l’enfasi si
sposterà dalla pura ottimizzazione delle prestazioni
ad una riduzione dei costi, compatibile con prestazioni accettabili. Le “parole d’ordine” dei progetti
militari saranno ancora convenienza economica,
aggiunta però a flessibilità, inter-operabilità, standardizzazione, supporto logistico, sopravvivibilità e
“letalità” degli armamenti di bordo.
Numerose sono le architetture non convenzionali in
corso di sviluppo, come gli aeroplani “tuttala” privi
di impennaggi, gli aeroplani con due coppie di ali
unite a rombo, quelli in cui l’ala e la fusoliera sono
fusi insieme, i velivoli con capacità “multistealth”,
ovvero impossibili da rilevare con le moderne tecniche radar, termiche, acustiche e sonore, ed infine i
velivoli ipersonici in grado di operare sia nell’atmosfera che nello spazio, ed in grado di effettuare la
transizione da un ambiente all’altro.
Nello spazio le grandi stazioni spaziali verranno
affiancate o sostituite da un gran numero di mini- o
micro-stazioni completamente robotizzate, dedicate
alle telecomunicazioni globali, osservazioni della
terra ed esplorazioni scientifiche dell’universo vicino. Verranno effettuati studi scientifici approfonditi
in regioni dello spazio sempre più remote, alla
ricerca di tracce di vita nell’universo. Tali attività
avranno come obiettivi una presenza vigilante ed
“intelligente” nel sistema solare, l’esplorazione dello
spazio inter-stellare e la ricerca di pianeti simili alla
Terra: a questo scopo si utilizzeranno telescopi in
grado di rilevare tracce di vita ad una distanza di
1.
Proiezione al 2020
della percentuale di riduzione
dei costi operativi di un
velivolo da trasporto, grazie
all’implementazione di nuove
tecnologie.
Grande autonomia-alta capacità: 1) convenzionale,
2) blended-wing-body;
3) grande autonomia-media
capacità, 4) medio-raggio
intercontinentale, 5) jet
regionale.
[fonte NASA Intercenter
System Analysis Team]
1.
2.
3.
4.
5.
17,4
3,2 9,1
11,8
7,8
12,9
6,8
6,7
0
8,1
1,9 7,1
5,5
4,6
10
7,4
4,3
10,8
3,7
6,4
3,2 2,7
9,7
6,4
9,4
3,8
4,0
2,9
2,7
Materiali
Aerodinamica
Propulsione
Sistemi
Progetto
Utilizzo
7,2
2,3 5,3
20
30
40
50 %
1015 chilometri. Si svilupperà così una strategia di
esplorazione integrata uomo-robot, di gran lunga
più avanzata di quella associata all’utilizzo delle stazioni spaziali. Una tale strategia sarà volta all’aumento della sicurezza, al miglioramento delle prestazioni, all’allargamento degli obiettivi ed alla riduzione del costo del ciclo-vita dei velivoli. Così i
futuri sistemi di trasporto spaziale saranno costituiti da navette riutilizzabili per i trasferimenti di routine Terra-orbita. Essi garantiranno la riduzione di
un ordine di grandezza dei costi e l’aumento di due
ordini di grandezza dell’affidabilità di tali voli. Le
sfide da vincere consisteranno nella ri-utilizzabilità,
ri-certificabilità e minimizzazione delle strutture
operative necessarie. Entro la metà del XXI secolo
tali viaggi interplanetari diventeranno di routine.
I materiali e le strutture sono stati fino ad ora tra i
maggiori responsabili del miglioramento delle prestazioni dei sistemi di trasporto aerospaziale. La
completa maturazione delle tecniche di progettazione computazionale e lo sviluppo dei materiali compositi avanzati, cui abbiamo assistito nel corso degli
ultimi 40 anni, hanno comportato il miglioramento
delle prestazioni strutturali, la riduzione dei rischi
operativi e l’accorciamento dei tempi di sviluppo di
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11
13
8
13
8
18
12
5
19
9
12
11
16
5
9
5
16
0
18
13
12
22
5
13
13
24
3
15
8
10
Materiali
Aerodinamica
Propulsione
Sistemi
15
12
7
6
7
2 14
23
5
2 8
10
20
30
40
50
60 %
numerosi sistemi di trasporto aerospaziale. Nel
futuro, i materiali e le strutture, assieme con le tecnologie ad essi collegati, continueranno a costituire
gli elementi chiave nel determinare le prestazioni,
l’affidabilità e la convenienza economica di tali
sistemi. La NASA ha identificato sette aree tecnologiche principali, da privilegiare nello sviluppo dei
futuri velivoli civili e militari: una di esse è costituita dalle “strutture e materiali”. Per alcuni tra questi
futuri veicoli, lo sviluppo e l’applicazione di nuove
strutture e materiali avrà un impatto nel ridurre il
peso massimo al decollo ed i costi operativi ben
maggiore di quelli dovuti a qualsiasi altra aerea tecnologica [Fig.1, 2].
Sulla scorta di queste considerazioni, nel campo dei
materiali aerospaziali possono essere identificate
alcune aree strategiche di importanza cruciale per il
raggiungimento degli obiettivi prefissati, entro cui il
Politecnico di Milano, autonomamente o in collaborazione con altri centri di ricerca, italiani ed esteri, sta profondendo i propri sforzi:
- invecchiamento della flotta e degrado dei materiali;
- materiali, tecniche di produzione e di assemblaggio per massimizzare l’affordability;
45
- materiali per alte temperature, di impiego sia
strutturale che motoristico;
- materiali bio-mimetici, functionally graded, smart
materials;
- materiali ad alta capacità di assorbimento di energia;
- materiali ad integrazione multifunzionale;
- materiali per condizioni ambientali spaziali.
3.
Cricche originate da difetti
in una saldatura in lega
leggera d'alluminio.
plastic deformation technologies of MMC (metal
matrix composites).
3) Materials for high temperature application: in
the field of structures,
heat-resistant graphite
composites with butadiene-toughened bismaleimidic matrix; in the field of
aircraft engines, high-performance silicon
carbide/aluminium alloy
MMC and TiAl intermetallics.
4) Bio-mimetic, functionally-graded and smart
materials: special composites with glass fibres and
doped matrix, able to
exploit fluorescence
mechanisms for stress,
moisture absorption or
environmental pH monitoring; functionally graded
ceramics, having variable
and tuneable degrees of
porosity and cristallinity;
embedding of
micro-actuators or trans-
46
Invecchiamento della flotta e degrado
dei materiali
ducers (shape memory
alloys wires, piezo-ceramic plates and fibres,
piezo-polymeric films,
optical fibres) into host
materials (composite
laminates) for structures
monitoring and control,
as well as gossamer
space antennae deployment.
5) Highly energy-absorbing materials: special
polymers, elastomers and
composites, cellular plastics, metallic foams and
honeycombs for aircraft
and space vehicles crashworthiness.
6) Multifunctional integration: materials which join
structural performance to
acoustic damping capability (micro-perforated
honeycomb for engine
nacelles) and energyabsorbing capability (cellular cores for shock
absorbers).
7) Materials for space
application: Nel corso degli ultimi anni le compagnie aeree
hanno perso più denaro di quanto non ne abbiano
guadagnato nel corso di tutta la storia precedente:
per questo motivo hanno dovuto ridurre gli investimenti previsti per la sostituzione delle flotte, la cui
età media è andata così aumentando. Di conseguenza, gli sforzi della ricerca applicata hanno dovuto
essere volti alla comprensione dei fenomeni che
possono affliggere i velivoli “anziani”: la fatica, la
propagazione del danno, la corrosione ed il degrado
ambientale in genere. In questi campi presso il
Politecnico di Milano sono attive da tempo attività
di ricerca, presso il Dipartimento di Ingegneria
Aerospaziale (DIA) e quello di Meccanica. Presso il
DIA è da lungo tempo attivo un filone di ricerca
sulla fatica e la meccanica della frattura delle leghe
leggere d’alluminio e delle loro giunzioni chiodate e
saldate. Questo ha portato, per esempio, alla messa
a punto di una metodologia integrata
numerico/sperimentale per la correlazione tra le
dimensioni/tipologie dei difetti presenti entro i cordoni di saldatura e la modalità/velocità di propagazione delle cricche [Fig.3]. L’approfondimento
della problematica ha altresì consentito di definire i
cicli di trattamento termico in grado di ottimizzarne le prestazioni a fatica dei giunti saldati. Inoltre,
quale rilevante ricaduta tecnologica, tali metodologie sono state applicate con successo alle strutture
in lega d’alluminio delle vetture gran turismo e
delle motociclette da competizione.
Il comportamento in esercizio dei materiali compositi, in particolare la loro resistenza all’applicazione
di carichi, sia statici che dinamici, ma anche la loro
rigidezza e caratteristiche fisiche possono essere
alterate (senza poter ripristinare le caratteristiche
iniziali) dall’insorgere di fenomeni di danno che
anticipano la formazione di difetti macroscopici la
cui estensione può portare a gravi conseguenze per
il componente o per la struttura. Poiché i componenti strutturali in materiale composito hanno fatto
4.
Stereo-radiografia con
liquidi penetranti
radio-opachi del danno
a fatica attorno ad un
foro di un laminato
in composito.
la loro prima comparsa sui velivoli di linea a partire
dai primi anni ‘80, il problema dell’invecchiamento
ambientale comincia a farsi sentire anche per tale
classe di materiali. L’intervento di fenomeni di
danno può essere legato a errata scelta del materiale, o a errata conduzione del ciclo di fabbricazione
del componente (ad esempio errata scelta della temperatura o dell’entità e velocità di deformazione
plastica) o dal superamento in esercizio di condizioni critiche, relative ad esempio agli sforzi applicati o
alle temperature. Tra i diversi materiali, quelli compositi mostrano fenomeni di danneggiamento particolarmente importanti perché notevolmente anticipati rispetto alla formazione di difetti macroscopici individuabili mediante controlli non distruttivi
convenzionali. In essi risultano particolarmente critiche le interazioni tra la matrice e le fibre lunghe,
corte o le particelle di rinforzo. Al Politecnico di
Milano da oltre 20 anni sono in corso ricerche di
base sulla meccanica del danno e sul comportamento a fatica dei compositi, ricerche che hanno contribuito a chiarire i comportamenti peculiari di tali
materiali, e ne hanno consentito l’utilizzo affidabile
nelle strutture primarie dei velivoli ad ala fissa e
rotante. In questo momento Presso il DIA viene
studiato il meccanismo di interazione tra i diversi
tipi di danno, e la sua influenza sulla velocità di
propagazione e sulle prestazioni a fatica. Vengono
sviluppati concetti originali di meccanica del
danno, applicati alle zone critiche dei laminati in
materiale composito, come quelle di giunzione e di
bordo. A questo scopo, particolari tecniche di controllo non distruttivo hanno dovuto essere sviluppate, e sono in corso di messa a punto, come la stereo-radiografia con liquidi penetranti radio-opachi
[Fig.4], la ultrasonoscopia per riflessione in
immersione e la termografia con luce pulsata.
L’importante aspetto dell’evoluzione del danneggiamento microstrutturale è stato studiato approfonditamente al Dipartimento di Meccanica in compositi
a matrice metallica rinforzati con particelle o fibre
corte ceramiche, in cui le alterazioni microstrutturali assumono generalmente la forma di rotture
delle particelle di rinforzo o di distacchi tra queste e
la matrice. A tal fine sono state riprodotte per diverse combinazioni di matrice/rinforzo e in diverse
condizioni riscontrabili in componenti in esercizio
anche a temperature elevate, rilevando il danneggiamento sia con osservazioni dirette sul materiale sia
mediante una serie di tecniche non distruttive di
47
monitoraggio basate sugli effetti provocati dalle
alterazioni microstrutturali, ad esempio sul valore
del modulo elastico o della resistenza elettrica, o su
segnali acustici legati alla rottura delle particelle
[Fig.5].
Inoltre, l’interazione tra la meccanica del danno e
l’invecchiamento ambientale dovuto all’assorbimento di umidità costituisce uno dei filoni di ricerca attualmente più stimolanti: diversi tipi di compositi (con fibre aramidiche, di grafite e di vetro in
matrici epossidiche e poliestere) vengono sottoposti
a cicli di condizionamento accelerato [Fig.6]. Le
modalità di assorbimento e di saturazione, nonché
le conseguenze sulle caratteristiche termo-chimiche
e visco-elastiche del materiale vengono approfondite mediante tecniche microscopiche e di dynamicalmechanical-analysis. In collaborazione con le industrie costruttrici ed i reparti di manutenzione delle
compagnie aeree sono in corso anche studi sugli
effetti di degrado prodotti dal contatto dei materiali
compositi con fluidi tipici dell’impiantistica aeronautica, come gli anti-ghiaccio, i lubrificanti ed i
carburanti. Infine, il problema dei barely visible
impact damages (danni prodotti nei materiali compositi da impatti a bassa energia, ma non rilevabili
con i normali metodi di ispezione visiva) sono
oggetto di approfonditi studi sperimentali e numerici, volti ad indagarne le sinergie con altri meccanismi di degrado ambientale, ed a definirne l’influenza sulle prestazioni meccaniche residue, quali la
tenacità, la resistenza a compressione e la rigidezza
residua [Fig.7].
Materiali, tecniche di produzione e di
assemblaggio per massimizzare l’affordability
In conseguenza della contrazione delle spese militari e della momentanea recessione che ha colpito l’aviazione civile, le industrie costruttrici stanno operando scelte strategiche market oriented piuttosto
che performance oriented, ovvero sono volte a
coadiuvare le compagnie aeree, riducendo i costi e
migliorando la manutenibilità/affidabilità dei velivoli, allo scopo di ridurre gli oneri di acquisizione e
di gestione delle flotte. Emblematica a questo
riguardo è la politica di Airbus Industries, che è sul
punto di scegliere i FML (Fiber Metal Laminates),
ovvero pannelli costituiti dalla stratificazione alternata di lamine in composito e sottili lamiere in lega
d’alluminio [Fig.8], per realizzare gran parte della
struttura del suo prossimo A 380, velivolo ad alta
capienza (660 passeggeri) e lungo raggio (14.200
48
5.
Microstruttura di un
materiale composito
rinforzato con particelle
danneggiato sia per rottura
di particelle che per
distacchi all’interfaccia
matrice/particella.
20 µm
6.
Danno da impatto
in un composito
per impieghi ad alta
temperatura.
Km). L’adozione di tali materiali, di cui dovrebbe
essere costituita l’intera parte superiore della fusoliera, promette di ridurre i costi di produzione/
assemblaggio del 15%. Inoltre le eccellenti caratteristiche di resistenza alla fatica, alla corrosione, alla
fiamma, all’assorbimento di umidità e al danno da
impatto fanno prevedere una riduzione ancora
maggiore dei costi di gestione/manutenzione. La
decisione finale è però subordinata al completamento del programma di caratterizzazione del
materiale.
Il DIA, nell’ambito di un finanziamento MIUR, sta
svolgendo una estesa campagna sperimentale, che
spazia dagli aspetti tecnologici di produzione dei
FML fino alle loro tecniche di modellazione FEM.
In particolare sono in corso studi per valutare la
meccanica della frattura ed il comportamento a
fatica, nonché la sensibilità al degrado ambientale,
eventualmente in concomitanza con danni prodotti
da impatti a bassa energia, di questi laminati ibridi.
Inoltre l’analisi sperimentale sta prendendo in considerazione anche le prestazioni in condizioni termiche estreme (da –100 a +100 °C), e le problematiche relative alla fatica termo-meccanica. Tutto ciò
non limitandosi ai laminati ibridi monolitici, ma
anche alle loro modalità tipiche di giunzione per
rivettatura ed incollaggio.
Pure nell’ambito delle giunzioni, un’ulteriore attività di ricerca sperimentale è in corso da tempo, in
collaborazione con diverse industrie nazionali, volta
alla caratterizzazione delle giunzioni saldate delle
leghe d’alluminio, ed all’ottimizzazione dei parametri tecnologici delle tecniche MIG (Metallic Inert
Gas) e FSW (Friction Stir Welding). Una tale scelta
di ricerca si è dimostrata lungimirante: infatti
l’Airbus A 380, che di fatto costituirà il challenge
tecnologico europeo per i prossimi anni, avrà la
parte inferiore della fusoliera costituita da una
struttura semimonocoque in lega d’alluminio, interamente saldata.
Infine il DIA, assieme con alcuni tra i principali
produttori mondiali di materiali compositi avanzati, da molti anni sta conducendo ricerche sui compositi strutturali a matrice polimerica termoplastica. Tali materiali consentono grandi risparmi nei
costi di costruzione, grazie alla facilità di produzione ed assemblaggio. Gli studi in corso hanno inoltre
permesso di mettere a punto le tecniche di stampaggio e di giunzione, nonché di indagare la meccanica del danneggiamento e le capacità di assorbi-
7.
Cedimento per instabilità
delle fibre poli-aramidiche
in un laminato in composito
dopo assorbimento
di umidità.
8.
Sezione del GLARE:
stratificazione alternata
di lamine in composito e
lamiere in lega d'alluminio.
low-temperature and
high-vacuum behaviour of
polymers, polymeric composites and bonded joints;
out-gassing of resins; atomic oxygen erosion of
composites.
49
50
ni di lavorabilità e che condizioni favorevoli di temperatura e velocità di deformazione sono quelle che
consentono di ottenere un valore elevato di efficienza (definita tramite un parametro h). Un esempio
di mappa di processo per un materiale composito a
matrice in lega di alluminio 6061 rinforzato con
particelle di allumina è riportata in Fig.10, dove le
linee di iso-efficienza consentono di individuare
facilmente i campi ottimali di processo.
Laddove la riduzione di peso è unita alla necessità
di realizzare componenti a spessore sottile e di
notevole complessità geometrica pur dotati di una
certa rigidezza e resistenza meccanica discreta possono essere utilizzate, anche in campo aerospaziale,
leghe di magnesio. Le moderne leghe ad elevata
purezza garantiscono resistenza a corrosione notevolmente migliorata, con una resistenza meccanica
e alla deformazione a caldo che si può mantenere a
livelli discreti fino a temperature anche di 150°C.
Le attuali linee di sviluppo delle leghe di magnesio
mirano, mediante l’introduzione di nuove composizioni chimiche/cicli di fabbricazione, a migliorare
ulteriormente aspetti ‘critici’ per le applicazioni,
quali la resistenza a corrosione, la resistenza e la stabilità microstrutturale a “caldo”, la presenza di difetti in particolari complessi realizzabili per pressocolata, processo produttivo molto diffuso per le leghe
di magnesio. Ricerche su queste tematiche sono
attualmente svolte presso il Politecnico di Milano su
leghe di utilizzo ormai relativamente esteso e su
leghe innovative, per le quali prove sperimentali
hanno consentito di modellizzare il comportamento
a caldo e di valutarne la tenacità in diverse condizioni microstrutturali.
Materiali per alte temperature, di impiego sia
strutturale che motoristico
Nonostante le temporanee difficoltà incontrate dai
programmi europei e statunitensi HSCT (High
Speed Civil Transport) e HSR (High Speed Research),
è indubbio che entro il 2020 dovrà essere sviluppato
un velivolo civile in grado di collegare - ad esempio
- New York con Londra o Tokyo in 3 ore volando a
Mach 2-2.4. Il conseguente riscaldamento cinetico
indurrà sui bordi d’attacco temperature di 150180°C continuativi: livelli eccessivi sia per le leghe
d’alluminio convenzionali che per i compositi. Per
questo motivo presso il DIA ha da tempo preso
avvio, già nell’ambito del progetto EFA (European
Fighter Aircraft) un’attività di ricerca sui compositi
con fibra di grafite in matrice bismaleimidica tena-
9.
Lega di titanio Ti6Al4V,
caratteristica microstruttura
costituita da lamelle
grossolane di fase alfa
in lastra sottoposto
a deformazione plastica
a caldo. Ingrandimento
originale 100X.
10.
:Mappa di processo per
un materiale composito
a matrice in lega di
alluminio 6061 rinforzato
con particelle di allumina.
-1.6
Log true stain rate (s-1)
mento di energia di tali materiali, per svariate combinazioni matrice/rinforzo.
L’intero processo di fabbricazione di un componente, dalle fasi iniziali e intermedie di realizzazione di
semilavorati al conferimento della forma finale,
mediante operazioni di deformazione plastica,
taglio, all’esecuzione in diversi momenti di cicli di
trattamento termico massivo o superficiale gioca,
accanto al tipo di materiale utilizzato, un ruolo fondamentale nella definizione delle caratteristiche fisiche/meccaniche agendo significativamente sulla
microstruttura. Questi aspetti sono stati oggetto di
numerose indagini condotte o in corso presso il
Dipartimento di Meccanica, anche su materiali che
rivestono notevole interesse in campo aerospaziale.
Per le leghe di titanio ad esempio la combinazione
della ridotta densità e della possibilità di modificare
le caratteristiche meccaniche in termini di variazioni microstrutturali del materiale come risposta alle
diverse operazioni termiche/meccaniche ne fa uno
dei materiali fondamentali per la realizzazione di
componenti strutturali impiegati in ambito aerospaziale. D’altro canto la notevole tendenza del titanio ad interagire con l’ambiente circostante durante
le fasi produttive richiede attenzioni particolari sia
nel caso in cui si desiderino introdurre modificazioni deliberate nelle condizioni superficiali, sia nel
caso in cui esse siano da evitare. In questo ambito,
la lega di titanio Ti-6Al-4V già ampiamente utilizzata grazie all’ottimale combinazione di resistenza
meccanica, tenacità e resistenza a corrosione è
attualmente oggetto di indagini volte a valutare gli
effetti combinati di parametri di processo ed
ambiente in operazioni sia massive, come la deformazione plastica o trattamenti termici massivi, sia
localizzate come in lavorazioni finali quali il taglio
plasma ad alta definizione o trattamenti termochimici superficiali finalizzati al miglioramento delle
condizioni di esercizio [Fig.9].
Anche i compositi a matrice in lega di alluminio
sono stati oggetto di studi sperimentali per la definizione delle condizioni ottimali per l’esecuzione di
lavorazioni tradizionali quali laminazione a caldo e
freddo, estrusione, saldatura.
Lo studio del comportamento meccanico-metallurgico dei vari materiali può portare alla definizione
di mappe di processo indicanti le condizioni ottimali di deformazione plastica a caldo. Esse vengono
ricavate considerando che il materiale in lavorazione ‘utilizza’ l’energia trasmessa dalle attrezzature in
modo più o meno efficace a seconda delle condizio-
-1.8
-2
-2.2
0.30
0.38
0.46
0.54
0.62
0.54
0.46
-2.4
0.38 0.30
0.22
0.14
-2.6
0.06
-2.8
-3
η<0
-3.2
450
500
350
400
Tempereature (C°)Tempereature (C°)
cizzata con elastomerici butadienici. Tali materiali
hanno dimostrato di poter contemperare un’elevata
resistenza ad alte temperature (fino a 200°C) con
una buona tenacità e resistenza a fatica.
Dal punto di vista motoristico, l’attività è rivolta
principalmente allo sviluppo di MMC (Metal
Matrix Composites) ad alte prestazioni, costituiti da
fibre continue di SiC (carburo di silicio) in matrice
di lega d’alluminio [Fig.11]. Tramite una tecnica di
infiltrazione ad alta pressione, con questi materiali
sono state realizzate bielle per motori a ciclo Otto,
che attualmente girano al banco.
Il DIA ha altresì collaborato allo sviluppo di valvole
per motori alternativi in intermetallico TiAl,
anch’esse in prova al banco. Tali componenti, a
parità di prestazioni, consentono un risparmio delle
masse in moto alterno di oltre il 20%, che si ripercuote positivamente sulla massa totale del motore,
sul suo rapporto potenza/peso, e –in ultima analisi–
sull’economia operativa dei velivoli.
Materiali bio-mimetici, functionally graded
e smart materials
L’ottimizzazione ponderale, requisito irrinunciabile
delle efficienti costruzioni aerospaziali, passa attra-
verso l’integrazione del materiale, della forma e
della funzione. Da questo punto di vista, i materiali
di origine biologica possono essere portati ad esempio. Per questo motivo, sempre più spesso, i materiali ad alta efficienza strutturale e/o funzionale
traggono ispirazione dalla natura: sono, in altre
parole, bio-mimetici. Tralasciando i materiali compositi “convenzionali”, che sono studiati al
Politecnico da oltre un ventennio, vale la pena di
ricordare che, presso il DIA, in quest’ambito si sta
lavorando a compositi innovativi, la cui matrice
polimerica è opportunamente “dopata” per renderla
fluorescente in presenza di cambiamenti ambientali,
quali l’applicazione di un campo di sforzo, l’assorbimento di umidità o la variazione del pH. Così
come accade ad alcuni tipi di micro-organismi, il
materiale diventa sensibile a stimoli esterni, e
intrinsecamente in grado di dare una misura dell’entità di tali stimoli. Questi risultati vengono perseguiti nell’ambito di ricerche europee, in collaborazione con università finlandesi e spagnole.
Pure nell’ambito di ricerche europee, si stanno studiando i cosiddetti materiali functionally-graded,
ovvero materiali che modificano le proprie caratteristiche con continuità, in dipendenza dei requisiti
51
11.
Fibra in carburo
di silicio inglobata
in una matrice in lega
d'alluminio.
12.
Rilevazione termografica
del campo di temperature
indotte dall'attivazione
di fili in lega a memoria
di forma NiTiNOL entro
un laminato in composito.
funzionali. In particolare, assieme con università
tedesche, tramite tecniche di brasatura nel vuoto ad
alta temperatura, si sono prodotti componenti ibridi, costituiti da leghe di titanio e da ossido di zirconio, in grado di offrire tenacità, durezza superficiale
e resistenza all’usura variabili con continuità in
maniera controllata.
Nello stesso filone, grazie ad una collaborazione con
il CNR, assieme con altre università italiane, si sta
collaborando allo sviluppo di ceramiche il cui grado
di porosità e di cristallinità è variabile per garantire
un gradiente di resistenza, rigidezza e osteo-integrabilità nelle applicazioni bio-ingegneristiche.
Infine, i cosiddetti smart materials sono ormai
diventati argomenti di ricerca quasi convenzionali e
ben consolidati presso il DIA. Al momento, l’attenzione è rivolta all’integrazione di micro-attuatori e
trasduttori entro materiali “ospiti” (quali i compositi) per ottenere smart materials. In particolare, nell’ambito di progetti di ricerca sovvenzionati dalle
Agenzie Spaziali Italiana (ASI) ed Europea (ESA),
sono allo studio compositi inglobanti fili in lega a
memoria di forma NiTiNOL [Fig.12], fibre piezoceramiche [Fig.13], film o piastrine piezo-polimerici, oppure fibre ottiche, per dar luogo a laminati
52
13.
Sezione di uno smart
laminate costituito da
fibre piezo-ceramiche
inglobate in una matrice
epossidica.
14.
Micro-struttura di un
materiale metallico
cellulare deformata da un
impatto ad alta velocità.
intelligenti capaci di rilevare e misurare stimoli
esterni (trasduzione) e applicare le conseguenti
azioni correttive (attuazione). Per mezzo di queste
tecniche, si intende controllare l’instabilità di pannelli sottili, attuare superfici mobili aeronautiche,
controllare dinamicamente strutture elicotteristiche
e provvedere al deployment di strutture gossamer,
quali antenne e vele spaziali.
Materiali ad alta capacità di assorbimento
di energia
Il miglioramento delle prestazioni dei velivoli (e dei
mezzi di trasporto in genere) non consiste unicamente nell’incremento della velocità, dell’autonomia, del raggio d’azione e del carico utile, ma anche
(e forse soprattutto) nel miglioramento degli standard di sicurezza. Nel caso degli aerei ad ala fissa e
degli elicotteri, ciò consiste essenzialmente nell’aumentare la sicurezza passiva delle strutture, e nel
rendere sopravvivibili eventi quali impatti, crash,
ammaraggi ed atterraggi, tutti caratterizzati dalla
necessità di smaltire grandi quantità di energia
cinetica. Da molti anni il DIA è attivo a livello internazionale nella ricerca sui materiali ad alta capacità
di assorbimento di energia, atti a conferire presta-
15.
Provini per la valutazione
della capacità di
assorbimento di energia
di un materiale composito
ibrido rinforzato con fibre
di boro e di grafite, prima
e dopo il test.
16.
Particolare di un pannello
sandwich micro-forato,
con compiti di resistenza
strutturale e di assorbimento
acustico
zioni di crashworthiness (sicurezza passiva) alle
strutture, senza deteriorarne le caratteristiche ponderali. Attualmente il LaST (Laboratorio Sicurezza
Trasporti) del Politecnico è riconosciuto nel mondo
come uno dei centri di eccellenza per lo studio di
queste problematiche. Le leghe metalliche, i materiali compositi, gli elastomeri ed i polimeri, i nidi
d’ape, i materiali cellulari polimerici e metallici
[Fig.14], i materiali polimerici ed i vetri stratificati
per la realizzazione di trasparenti, i materiali innovativi rinforzati con fibre di boro [Fig.15], vengono in questo momento studiati e le loro prestazioni
ottimizzate anche in relazione alle condizioni
ambientali, quali la temperatura e la velocità di
deformazione. Tali studi hanno dato luogo ad
importanti ricadute in settori collegati, quali quello
dell’automobilismo sportivo: il LaST è infatti un
laboratorio certificato dalla FIA (Federation
International d’Automobilisme) per l’effettuazione
delle prove di crash sulle strutture delle vetture di
F1.
17.
Cedimento di un incollaggio
ibrido metallo-composito
in condizioni di utilizzo
spaziali (-100°C).
essere in grado di svolgere contemporaneamente
funzioni diverse. A questo proposito, presso il DIA,
in collaborazione con industrie aeronautiche italiane, sono in corso ricerche sul comportamento dei
nidi d’ape micro-forati [Fig.16] e delle schiume
metalliche che, alla consueta funzione strutturale,
uniscono rispettivamente capacità di smorzamento
acustico (per le gondole motore) e di assorbimento
dell’energia in caso d’impatto.
Materiali per condizioni ambientali spaziali
L’utilizzo affidabile dei materiali in ambiente spaziale presuppone la conoscenza del loro comportamento in condizioni anomale. Per questo motivo,
presso il DIA sono in corso studi sul comportamento a bassa temperatura (-150 °C) degli adesivi, sulla
variazione dei meccanismi di attrito nelle coppie di
strisciamento, sul fenomeno dell’out-gassing dei
compositi in ambiente di alto vuoto e, in collaborazione con università statunitensi e canadesi, sull’erosione dovuta all’ossigeno atomico dei compositi a
matrice polimerica [Fig.17].
Materiali ad integrazione multifunzionale
L’ottimizzazione ponderale spinta richiede l’integrazione funzionale dei materiali: essi devono cioè
53
Introduzione
Alberto Cigada
Riccardo Pietrabissa
Maria Cristina Tanzi
Biomateriali
Biomaterials
The term biomaterial indicates natural and modified natural materials but
also metals, ceramics,
glasses, synthetic polymers and composites
“intended to interface
with biological systems to
evaluate, treat, augment
or replace any tissue,
organ or function of the
body”.
Biomaterials are designed
to be in contact with the
body and must therefore
satisfy specific requirements: they have to be
non-toxic, biocompatible,
show both suitable biomechanical properties
and physical structure for
their final application.
In several cases the biomaterials or the derivative
medical devices have to
stay and function appropriately in the body for
the patient lifetime but
sometimes the tissues
have sufficient healing
capacity and need only a
temporary support to
allow or enhance tissue
regeneration process.
This is the challenge of
tissue engineering, focused on the restoration of
complex human tissue
functions adopting a construct composed of a suitable bioabsorbable or
biodegradable threedimensional scaffold see-
54
ded with cells that, once
in vivo, will induce the
host body to heal itself.
The Polytechnic of Milan
has actually deeply focused in both biomaterial
and tissue engineering
field research. In particular, thanks to a recent
agreement towards the
involved Department,
respectively the
Department of Chemistry,
Materials and Chemical
engineering “Giulio
Natta”, Department of
Bioengineering and
Department of Structural
engineering, a novel coordinated network of laboratories has been defined
where all the required
facilities and expertises
for biomaterials synthesis,
characterisation and biological evaluation are
available.
The prime activity of the
Laboratory of Biological
Structure Mechanics
(Labs) is the Nella Consensus Conference di Chester del 1991 i
biomateriali sono stati definiti come “Materiali per i
quali si prevede una interfaccia con i sistemi biologici
al fine di valutare, trattare, migliorare o sostituire
qualsiasi tessuto, organo o funzione del corpo umano”.
È evidente che tale definizione identifica i biomateriali non in relazione alle loro proprietà, ma alle
finalità d'uso. Il polietilene non è un biomateriale
quando viene impiegato nella fabbricazione di un
contenitore alimentare, è un biomateriale quando
costituisce la coppa acetabolare di una protesi d'anca.
Può essere utile notare che l'unica proprietà che è
trasversalmente fondamentale per un biomateriale è
la biocompatibilità, definita da Ratner come “... la
capacità di un materiale di determinare una reazione
favorevole del tessuto ospite in una specifica applicazione".
Il giudizio su quale possa essere definita come reazione favorevole dell’organismo è molto dipendente
dall'applicazione: in alcuni casi è considerato favorevole l'essere inerte, in altri promuovere reazioni.
Si consideri a questo riguardo che i tessuti biologici
sono tutti caratterizzati dalla capacità di reagire sia
al contatto con il “non sé” (specie chimiche o biologiche di altra natura rispetto all'organismo proprio), sia alle condizioni meccaniche al contorno. Il
tipo di reazione può andare dalla produzione di
nuovo tessuto che incapsula e isola il non sé, al tentativo di degradare il non sé per eliminarlo, alla
modifica delle proprietà del tessuto ad esempio
mediante variazione di rapporto tra i costituenti o
variazione delle dimensioni e della forma. Questa
capacità di reazione è il principale ostacolo all'applicazione dei biomateriali perché è generalmente
poco prevedibile con la necessaria precisione.
Per quanto riguarda le altre proprietà dei biomateriali vi è una sostanziale dipendenza dalla funzione
del dispositivo impiantabile. Si usano metalli principalmente nel settore ortopedico e odontoiatrico
perché generalmente sono richieste elevate proprietà meccaniche, si usano polimeri quando è richiesta
una spiccata lavorabilità associata ad una ampia
variabilità di proprietà meccaniche, si usano materiali ceramici per applicazioni particolari. Non si
trascuri inoltre l'uso di materiali compositi e di
materiali di origine biologica, questi ultimi opportunamente trattati per eliminare la componente cellulare.
L'applicazione clinica dei biomateriali deriva dalla
capacità industriale di produrre dispositivi medici.
In tal senso i paesi a maggior sviluppo tecnologico,
con specifico riferimento ai settori basati sulla tecnologia dei materiali, sono quelli che hanno maggiormente contribuito allo sviluppo scientifico e
industriale del settore dei biomateriali. Fra questi
accanto agli USA, ai paesi dell'Unione Europea e al
Giappone, alcune economie emergenti, come quelle
di Taiwan e della Corea del Sud, stanno rapidamente prendendo posizione in questo mercato.
Più nello specifico, nel 1998 il mercato dei biomateriali per le applicazioni ortopediche era stimato
intorno agli 8 miliardi di euro, con un tasso di crescita del 5-7 % (le protesi dell'anca rappresentano
circa il 30%); il mercato dei presidi per la cura delle
ferite era valutato oltre i 10 miliardi di euro all'anno, di cui il 40% riguardava i trattamenti in fase
acuta; le applicazioni cardiovascolari equivalevano a
circa 3 miliardi di euro; infine, il mercato della riparazione tessutale, escluse le applicazioni ortopediche
e cardiovascolari, era stimato intorno ai 4 miliardi
di euro.
Tutto ciò porta a valutare il mercato mondiale dei
biomateriali a circa 25 miliardi di euro, con un tasso
di crescita previsto del 12% annuo. Quasi un terzo
di questo mercato mondiale, circa 7 miliardi di
euro, è situato in Europa, contro circa 10 miliardi di
euro del mercato statunitense. Tale mercato può
essere confrontato con quello complessivo dei dispositivi medici (sia diagnostici sia terapeutici) valutato in circa 150 miliardi di euro.
Accanto a situazioni più consolidate si stanno negli
ultimi anni sviluppando nuovi settori. Un settore di
ricerca innovativo nel campo dei biomateriali è
quello rivolto alla ingegneria dei tessuti biologici. Si
tratta di una disciplina che ha come obiettivo quello
di ricostruire i tessuti biologici coltivando le cellule
del paziente su supporti artificiali chiamati scaffold.
Gli scaffold sono costituiti da biomateriali che
devono consentire la proliferazione cellulare sia in
vitro, sia in vivo. Una volta impiantati gli scaffold
possono essere riassorbiti mediante processi metabolici, oppure rimanere in loco e continuare a fornire un supporto meccanico. Queste possibilità
aprono nuovi scenari per la sostituzione di tessuti
biologici e costituiscono le fondamenta della medicina rigenerativa.
La scienza dei biomateriali è comunque una scienza
“giovane” che si è strutturata solo recentemente e
non può ancora essere definita come matura.
Su questa strada si è messo anche il Politecnico di
1.
Misura della proprietà
meccaniche di un modello
di femore umano in
composito polimerico
55
3.
Superficie biomimetica
di titanio completamente
rivestita di fosfati di calcio
4 µm
2.
Una fase della sintesi
di un nuovo materiale
polimerico
Milano, dove attività di ricerca nel campo dei biomateriali sono iniziate negli ultimi 25 anni, in particolare presso il Dipartimento di Bioingegneria, il
Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria
Chimica "Giulio Natta" e il Dipartimento di
Ingegneria Strutturale. Nel seguito vengono descritte, senza essere esaustive, le principali strutture esistenti e verranno brevemente descritte, a titolo di
esempio alcune attività di ricerca in atto.
Strutture di ricerca al Politecnico di Milano
Recentemente i gruppi di ricerca che operano in
questo campo al Politecnico hanno deciso di coordinarsi tra loro, offrendo una immagine integrata.
Conseguentemente sono stati formalizzati quattro
laboratori:
- LaBS: Laboratorio di Meccanica delle Strutture
Biologiche
- BioMatLab: Laboratorio di Biomateriali
- BioTech: Laboratorio di Biomateriali e Tecnologie
Biomimetiche
- BioCell: Laboratorio di Biocompatibilità e Colture
Cellulari
mechanical characterisation of both artificial and
natural tissues or organs
in order to develop predictive models for both
materials and derivative
medical device optimisation.
The Laboratory of
Biomaterials (BioMatLab)
is involved in the development of biointegrable or
bioabsorbable scaffolds
with optimised morpholo-
56
gical, structural ad surface
properties for (but not
only) tissue engineering
applications.
The focus of the
Laboratory of
Biomaterials and biomimetic engineering
(BioTech) is the modifications of biomaterial surface compositional and
morphological properties
to positively effect cell
colonisation and consequently the LaBS
Il Laboratorio di Meccanica delle Strutture
Biologiche, opera nello sviluppo di modelli predittivi integrando attività sperimentali, numeriche ed
analitiche.
Le attività sperimentali mirano principalmente alla
identificazione delle proprietà dei materiali (artificiali o biologici) e dei loro costituenti e alla caratterizzazione di dispositivi biomedici (e/o loro componenti) in condizioni che siano il più possibile rappresentative delle applicazioni cliniche previste. Per
quanto riguarda le attività sperimentali, l’attrezzatura attualmente disponibile presso il LaBS comprende macchine per l’esecuzione di prove e misure
relative al comportamento strutturale di materiali
artificiali e biologici (sia duri sia molli) e di componenti protesici, come pure banchi prova per la valutazione delle prestazioni fluidodinamiche di dispositivi biomedici per il sistema cardiovascolare. Le
attrezzature a disposizione consentono anche la
riproduzione di pattern di carico particolari, per
esempio, in grado di simulare il carico ciclico dovuto al cammino su una protesi d’anca.
I modelli numerici di interesse comprendono
modelli micromeccanici e modelli macroscopici. I
primi consentono lo studio delle proprietà dei
materiali e dei tessuti biologici ed artificiali e sono
caratterizzati da scale dimensionali che possono
giungere (in applicazioni a tessuti biologici) alla
dimensione della cellula, mentre i secondi descrivono il comportamento di componenti e sistemi protesici e di dispositivi biomedici, dal punto di vista
strutturale o da quello termofluidodinamico o da
entrambi. Le due classi di modelli sono fortemente
interconnesse, poiché i modelli micromeccanici
possono essere visti come unità elementari con le
quali costruire sofisticati modelli macroscopici dei
componenti artificiali inseriti nell’ambiente biologico cui sono destinati. Lo sviluppo di tali modelli
richiede un’adeguata padronanza dei principi fondamentali della meccanica dei solidi, della meccanica dei fluidi e della termodinamica.
Per i tessuti biologici, inoltre, è necessaria una forte
attenzione alla compatibilità fondata sulla corretta
formulazione di leggi di rimodellamento dei tessuti
viventi e d’interfaccia tra i tessuti viventi ed i materiali protesici. Ciò richiede di indagare, ancora
mediante esperimenti e modelli numerici, i meccanismi di scambio di massa, di forze e di energia tra
il materiale/componente artificiale e i tessuti viventi
adiacenti.
Lo studio di materiali innovativi (tra i quali sono da
57
4.
Immagini al microscopio
elettronico a scansione
di osteoblasti primari coltivati
per 24 ore sulla superficie
di un materiale altamente
compatibile
100 m m
annoverare i tessuti, i ceramici, polimeri speciali e
compositi) richiede, infine, conoscenze approfondite dei legami costitutivi dei singoli componenti, dei
fenomeni di delaminazione e delle tecniche di fabbricazione e di impiego. Sono pertanto indispensabili confronti costanti con la realtà produttiva ed i
relativi centri di ricerca, sia industriale sia clinica.
BioMatLab
Presso il Laboratorio Biomateriali viene svolta attività di progettazione, sintesi, caratterizzazione e
modifica di materiali polimerici per una vasta
gamma di applicazioni biomediche, con particolare
attenzione agli aspetti applicativi e sperimentali. A
questo riguardo, l'attività di ricerca è prevalentemente orientata a proporre soluzioni innovative a
specifiche problematiche cliniche e tecnologiche in
diversi settori, in particolare quelli dell’implantologia protesica cardiovascolare, ortopedica e dentale,
il rilascio controllato di farmaci e, di più recente
sviluppo, l'ingegneria dei tessuti, dove la progettazione di supporti (scaffold) per la crescita cellulare e
la scelta dei biomateriali opportuni sono di fondamentale importanza per il successo della rigenerazione di tessuti biologici in vitro.
58
10 m m
Le principali linee di ricerca riguardano la sintesi di
nuovi materiali polimerici, in particolare elastomeri, espansi e idrogeli, la modifica di superfici e la
realizzazione di scaffold biodegradabili o biostabilibiointegrabili per la rigenerazione di osso, cartilagine, nervi, pelle. Obiettivo di queste ricerche non è
solo la sintesi di materiali con caratteristiche adeguate alla specifica applicazione, ma anche la messa
a punto delle tecnologie di trasformazione e fabbricazione.
Le strumentazioni di analisi chimico-fisica e meccanica di cui dispone BioMatLab consentono la caratterizzazione dei biomateriali, sia di nuova sintesi
che commerciali, in condizioni simulanti quelle
fisiologiche, ad esempio per valutarne la stabilità
strutturale, e lo studio dei fenomeni degradativi a
seguito di lavorazione, sterilizzazione o impianto in
vivo, nonché la definizione dei criteri e protocolli
per la selezione di biomateriali per la costruzione di
dispositivi, protesi o componenti impiantabili nel
corpo umano.
Una parte consistente dell’attività di ricerca è rivolta
anche agli aspetti di funzionalità biologica dei biomateriali, attraverso studi in vitro di bio-, emo- e
citocompatibilità, anche tramite collaborazioni con
5.
Immagini al microscopio
elettronico a scansione
di cartilagine a) naturale
e b) ingegnerizzata con
cellule umane su scaffold
a fibre di acido ialuronico
20 m m
laboratori biologici e biochimici esterni, e la preparazione di superfici intelligenti in grado di promuovere specifiche risposte cellulari.
BioTech
Il laboratorio di Biomateriali e Tecnologie
Biomimetiche opera nell'ambito della progettazione, sperimentazione e sviluppo pre-clinico di dispositivi e di trattamenti dei materiali per applicazioni
biomedicali, e in particolare nel campo dell'ortopedia e dell'implantologia orale. Una delle attività
principali di BioTech riguarda la modificazione e la
funzionalizzazione della superficie del titanio e delle
sue leghe finalizzata all'ottenimento dell'osteointegrazione diretta di impianti dentali e ortopedici, e
più in generale della ottimizzazione dell'interfaccia
tra impianto e tessuti biologici. In questo campo
della ricerca BioTech ha realizzato e sta sviluppando
una famiglia di trattamenti per l'osteointegrazione,
sia di tipo chimico che elettrochimico, dal notevole
potenziale applicativo e industriale.
Altre importanti linee di ricerca del laboratorio
riguardano la caratterizzazione meccanica dei
cementi ossei, e lo sviluppo e la sperimentazione di
trattamenti di reticolazione del polietilene a ultra
50 m m
biocompatibility properties of the derivative device.
The main aim of the
Laboratory of
Biocompatibility and Cell
culture (BioCell) is to evaluate the biocompatibility
of the developed potential
biomaterials using suitable in vitro models and
following the related guidelines proposed in the
current European normative.
The present article consists in an overview on
the Biomaterial and
Tissue engineering
research activities at the
Polytechnic of Milan,
focused in particular on
the above mentioned
structures, their aims,
their main activities, their
research lines. Also, some
of the most significant
results reached in the last
years will be briefly
described, in particular:
the development of novel
tissue engineering constructs for soft tissue
repair applications; an
innovative biomimetic
treatment (BioSpark™), to
enhance the osteointegration properties of titanium
and titanium alloys for
orthopaedic and dental
implants; the synthesis of
a novel emocompatible
and anticoagulant polymeric devices; the results
reached in development
of novel reticulation treatments of ultra high molecular weight polyethylene
(UHMWPE) for joint replacement.
59
6.
Immagini al SEM di un
composito poliuretano
espanso/Tricalciofosfato
200 m m
200 m m
alto peso molecolare (Ultra High Molecular Weight
Polyethylene, UHMWPE) per articolazioni ortopediche artificiali, in grado di limitare radicalmente,
se non di eliminare completamente, la patologia
indotta dai detriti di usura, responsabile nel lungo
termine del fallimento delle protesi d'anca e di
ginocchio. Oggi si ritiene che l'applicazione clinica
di questi nuovi trattamenti, realizzata modificando
un materiale d'uso già consolidato in ortopedia
quali il UHMWPE, potrà avere un grandissimo
impatto nel successo dell'implantologia ortopedica,
e di riflesso sulla nostra società. BioTech, è da diversi anni attivo nello sviluppo e caratterizzazione di
questa tipologia di trattamenti.
Oltre alle attrezzature chimiche ed elettrochimiche,
nel laboratorio BioTech sono presenti attrezzature
di diverso tipo per effettuare test meccanici e tribologici su materiali e dispositivi biomedicali. Inoltre,
per la stessa connotazione delle linee di ricerca del
laboratorio, è stata realizzata una notevole integrazione con gli altri laboratori operanti nel campo dei
biomateriali.
BioCell
Lo studio delle interazioni che si verificano in vivo
all’interfaccia fra i dispositivi biomedicali e la componente cellulare dei tessuti biologici in contatto è
un campo di altissimo interesse scientifico e tecnologico. I saggi condotti in vitro che utilizzano colture cellulari e tessutali permettono di ottenere preziose informazioni relative alla compatibilità biologica dei materiali in studio, indispensabili sia alla
comprensione dei meccanismi di interazione cellula-materiale sia, ove necessario, al conseguente
miglioramento della risposta biologica ottenuta
prima dell’indispensabile passaggio ai saggi in vivo.
Altamente sensibili e specifiche, le tecniche in vitro
permettono di valutare in modo diretto l’effetto
quali/quantitativo di parametri quali, ad esempio, la
morfologia superficiale, la porosità, la composizione
chimica dei materiali in esame sugli aspetti chiave
della specifica attività cellulare: adesione, morfologia, proliferazione, attività metabolica, espressione
del corretto fenotipo.
A tale scopo risponde il Laboratorio di
Biocompatibilità e Colture Cellulari (BioCell), allestito con apparecchiature diagnostiche di rilievo
presso i locali del Polo Mancinelli, adottando in
particolare modelli in vitro che utilizzano cellule
umane di diversa natura e metodi di analisi in linea
con quanto raccomandato dalla vigente normativa
60
7.
Immagini al microscopio
elettronico a scansione
di cellule stromali di midollo
osseo coltivate per 24 ore
su espanso poliuretanico
500 m m
europea EN30993 in materia.
Oltre ad un fine scientifico, il laboratorio BioCell
risponde anche ad un obiettivo di tipo didattico: al
fine di consentire agli studenti l’acquisizione delle
nozioni base e di introdurli in modo efficace alle
più comuni metodologie adottate nei laboratori di
colture cellulari, un sistema di videocamere permetterà il collegamento con le aule in tempo reale
dando la possibilità quindi di realizzare lezioni interattive di approfondimento teorico e pratico degli
argomenti trattati.
Esempi significativi di filoni di ricerca
I filoni di ricerca attinenti in modo diretto o indiretto ai biomateriali sono ovviamente molti e sarebbe arido ed inutile elencarli tutti. Si è scelto di parlare solo di pochi temi di ricerca, scegliendo in particolare quelli che hanno avuto significative ricadute
industriali.
Ingegneria dei tessuti biologici
L’ingegneria dei tessuti biologici consiste nella fabbricazione in laboratorio di tessuti viventi, prodotti
utilizzando materiali artificiali e cellule umane, e
finalizzati all’impiego come parti di ricambio nel-
100 m m
l’ambito della chirurgia ricostruttiva. Le cellule vengono isolate da biopsie di tessuto del paziente, fatte
proliferare e seminate su scaffold artificiali, i sostituti tessutali vengono poi fatti maturare in laboratorio
e trapiantati nel paziente. Esempi di biomateriali
impiegati sono polimeri biodegradabili, sia naturali
(fibrina, collagene, acido ialuronico) che sintetici
(derivati dall’acido polilattico, poliglicolico, oppure
poliuretani).
Esempi di tessuti ingegnerizzati sono i lembi di epidermide utilizzati in chirurgia plastica, i costrutti di
cartilagine utilizzati per il trattamento delle lesioni
cartilaginee, i sostituti ossei contenenti cellule dell’osso, le cellule derivate dal pancreas ed inserite in
capsule trapiantabili. Il progresso prodotto da queste nuove tecnologie non riveste solo il campo
medico. In questo settore le competenze ingegneristiche trovano un’applicazione diretta ed indispensabile, rivolta allo studio di biomateriali e di
micro/nano-strutture che favoriscano l’adesione e la
proliferazione cellulare, di bioreattori che stimolino
la maturazione degli impianti in laboratorio, ed
infine alla messa a punto di processi produttivi
industriali.
61
9.
Sintesi di un poliuretano
lineare a segmenti
contenente il nuovo
composto PIME
Presso il Politecnico di Milano sono attive una serie
di attività di ricerca volte all’ottimizzazione di tessuti biologici ingegnerizzati a partire da cellule
umane. Tali attività vengono condotte da un team
multidisciplinare di ingegneri, clinici e biologi, grazie a collaborazioni attive tra il Politecnico di
Milano ed altri enti ospedalieri e di ricerca.
Compositi porosi 3D per la rigenerazione guidata
dell'osso
Sono stati progettati e preparati compositi biointegrabili a matrice in poliuretano espanso caricata
con idrossiapatite o tricalciofosfati, in alternativa a
scaffold inorganici o di origine biologica per la rigenerazione guidata dell’osso. Tali scaffold possono
essere ottenuti con caratteristiche meccaniche soddisfacenti e densità, porosità interconnessa e dimensione dei pori variabili, in modo da offrire le proprietà ottimali per la colonizzazione da parte delle
cellule ossee (osteoblasti).
Le prove di biocompatibilità in vitro hanno dato
finora buoni risultati e hanno mostrato che questo
tipo di compositi porosi 3D presenta ottima compatibilità con diversi tipi e linee cellulari, tra cui
fibroblasti murini e umani, condrociti e cellule stro-
62
10.
Immagini al microscopio
elettronico a scansione
di fibroblasti di pelle umana
coltivati per 7 giorni su
un poliuretano contenente
l’estensore PIME
30 m m
10 m m
mali del midollo osseo.
Nuovi materiali polimerici con proprietà
emocompatibili ed anticoagulanti
È stato sviluppato un nuovo composto (un diammino-diammide-diolo denominato PIME) che,
inserito nella struttura di copolimeri, in particolare
poliuretani, impartisce al materiale capacità di trattenere in modo stabile l’anticoagulante eparina, con
conseguente aumento delle proprietà di biocompatibilità e emocompatibilità.
Sono stati depositati vari brevetti tra cui due americani (US Patent 6,143,893-2000, US Patent
5,955,560-1999) e uno europeo (EP0870766-1999)
realizzati nell’ambito di collaborazioni con
Tecnobiomedica SpA (Pomezia, Roma) e dati in
licenza nel 2001 alla Polymer Technology Group di
Berkeley (CA, USA).
Polietilene reticolato per protesi ortopediche
Negli ultimi anni sono stati sviluppati trattamenti
di reticolazione e stabilizzazione del polietilene a
ultra alto peso molecolare (UHMWPE) utilizzato
quale materiale di articolazione nelle protesi articolari ortopediche. Questi trattamenti hanno il fine di
11.
Coppa acetabolare
in UHMWPE per protesi
d’anca
migliorare la resistenza all’usura del materiale e
quindi di eliminare o limitare drasticamente l’osteolisi periprotesica imputata all'azione di questi
detriti di usura. Oggi si ritiene che i detriti di usura
costituiscono la prima causa di fallimento delle protesi d’anca nel medio-lungo termine. Il UHMWPE
può essere reticolato attraverso una opportuna dose
di radiazioni ionizzanti ad alta energia (raggi
gamma o elettroni accelerati), seguita da particolari
trattamenti termici, necessari ad eliminare i radicali
liberi formatisi durante l'irraggiamento e a stabilizzare il materiale. La comprensione delle relazioni
che legano la dose di irraggiamento, il tipo di trattamento di stabilizzazione alle caratteristiche e al
comportamento del materiale sono di primaria
importanza per l'utilizzo clinico del UHMWPE reticolato. Le metodologie sperimentali per caratterizzare approfonditamente i UHMWPE reticolati
comprendono sia tecniche tradizionali (ad esempio
prove standardizzate ISO o ASTM), che tecniche
innovative e appositamente sviluppate (simulatori,
analisi dei detriti di usura, ecc.).
Due trattamenti di reticolazione sviluppati presso il
Politecnico sono oggi utilizzati commercialmente da
parte di due aziende ortopediche, una italiana ed
63
1.B
Superficie
del titanio BioSpark
5mm
1.B
Formazione di idrossiapatite
sul titanio BioSpark dopo
14 giorni di immersione
in fluidi simulanti quelli
biologici
5mm
1.B
Proliferazione cellulare
(cellule MG63) sul titanio
tal quale e sul titanio
BioSpark
Numero medio di MG63
contate per campo ottico
160
140
120
24 ore
72 ore
100
80
60
40
20
0
Controllo
una straniera, rispettivamente con il nome
XXLPE™ e HighCross™.
Titanio biomimetico per favorire l’osteointegrazione di protesi ortopediche e impianti dentali
I trattamenti “biomimetici” del titanio hanno l’obiettivo di modificare la superficie del titanio (e sue
leghe) allo scopo di realizzare superfici dotate di
caratteristiche composizionali e morfologiche in
grado di essere riconosciute dagli osteoblasti come
superfici da colonizzare e pertanto di favorire i processi di osteointegrazione, cioè la ricrescita e il
rimodellamento dell'osso normale attorno a un
impianto (protesi ortopediche o impianti dentali)
senza interposizione di tessuto connettivo.
Il trattamento sviluppato e oggetto di studio si basa
sull’utilizzo di una tecnica di anodizzazione chiamata ASD: Anodic Spark Deposition.
La tecnica determina un accrescimento del film di
ossido di titanio sfruttando un processo di deposizione che avviene ad elevato voltaggio, fino a un
momento in cui, a seguito della rottura del film
elettricamente isolante, si innescano delle microscariche elettriche, che determinano fusione locale del
film superficiale, di parte del substrato di ossido di
64
titanio e degli elementi disciolti in soluzione.
Durante l’immediata risolidificazione si forma in
questo modo un film di spessore elevato (alcuni
micrometri), ricco di elementi presenti nei bagni
nei quali viene eseguita la ASD (nel caso specifico
Ca e P), microporoso e che, grazie a successivi trattamenti, viene ulteriormente funzionalizzato creando all’interno del film di ossido la presenza di legami -OH.
Si è verificato che film biomimetici così ottenuti
sono in grado di fungere, dopo immersione in fluidi
simulanti quelli biologici, da sito preferenziale per
la nucleazione di calcio-fosfati (OCP, TCP, HA), con
formazione di idrossiapatite, componente principale della fase mineralizzata della matrice extracellulare dell’osso.
È stato anche verificato che sul titanio così trattato
le cellule osteoblastiche hanno ottima capacità di
adesione e proliferazione, significativamente superiore rispetto a quella che si ha su normale titanio.
Il trattamento biomimetico sviluppato sembra pertanto in grado sia di favorire l’adesione e la proliferazione osteoblastica, sia la mineralizzazione della
matrice extracellulare, condizioni entrambe necessarie per garantire una ottimale osteointegrazione.
Titanio
Biomimic
Il trattamento, cui è stato dato il nome commerciale
BioSpark™, è stato oggetto di un Brevetto del
Politecnico di Milano. Su questo brevetto (domanda
di brevetto MI2002A001377 del giugno 2002) è in
fase di definizione finale uno spin-off industriale,
che porterà alla creazione della società
Nanosurfaces, cui il Politecnico di Milano parteciperà con una quota azionaria. Grazie ad un particolare contratto di cessione d’uso del brevetto,
Nanosurfaces attribuirà al Politecnico il compito di
svolgere tutta l’attività di ricerca e sviluppo di questo ed altri possibili trattamenti.
65
A systematic experimental approach and
probabilistic modelling
of masonry decay
The literature concerning
the chemical-physical
decay and processes of
natural building stones
subject to aggressive
environments is very wide
and deeply developed at
macro and micro structural level. On the contrary
the research carried out
on the durability of
masonry as a composite
material and on the
mutual influence of its
components (mortar,
brick/stone), is much less
rich. Nevertheless the
results of recent research
have shown that in order
to study and understand
the decay phenomena
due to salt crystallisation
and frost/defrost action
the experimental accelerated ageing tests should be
carried out on masonry
specimens and not on the
single components. Since
the end of the seventies
the (Research Unit) of
DIS, Politecnico has followed a systematic methodology for the study of
the damage caused to
masonry by salt crystallisation.
66
A synthetic report of this
methodology and of the
obtained results is given
below. The decay of
masonry is highly influenced by the environment
aggressivity and by the
combination of the
masonry constituents.
The different types of
decay were defined within
an EC Contract (EV5VCT92-0108) and collected
in a Damage Atlas. A product of the same Contract
was an expert system
(MDDS) on the decay and
diagnosis of brick
masonry prepared with
the aim of helping non
expert professionals in
the interpretation of the
decay mechanisms.
During a first phase of the
research on the basis of
the state diagrams of the
most diffused and harmful salts a cyclic ageing
crystallisation test has
been set up for the single
masonry components B. t1=
2h
t2= 94h [50% RH]
C. t1=
2h
t2= 166h [50% RH]
D. t1=
2h
t2= 46h [50% RH]
t3= 120h [60°C]
2h
t2= 46h [50% RH]
t3= 120h [100°C]
100
(A
)
(B
)
4
4
SO
SO
2
2
NaCl
MgSO4
Na2SO4
Na
%
Na
2h
t2= 46h [50% RH]
)
Mg
S
Na O4 (D,E
SO
2 SO
)
4 (C
)
4 (D)
A. t1=
2
Type of cycle
NaCl
MgSO
Na2SO4
Na
Salts
2.
danneggiamento (%)
della superficie esterna
di mattoni provocato
dai diversi cicli
di cristallizzazione
di diversi tipi di sale
Na S
2 O
4 (E
Approccio sperimentale sistematico
e modellazione probabilistica
del degrado delle murature
1.
condizioni
termoigrometriche
differenti per cicli
di cristallizazione
diversi
Damage percentage
Giulia Baronio
Luigia Binda
Giuliana Cardani
Elsa Garavaglia
Cristina Tedeschi
La letteratura relativa ai processi e alla misura dell’alterazione chimico-fisica dei materiali lapidei in
ambiente aggressivo è molto ampia ed approfondita
sia a livello di macro che di micro-struttura. Al contrario la ricerca sulla durabilità della muratura intesa come materiale composito e sulla mutua influenza che si verifica tra i suoi componenti (malta e
mattone/pietra) è molto meno ricca. Tuttavia è
ormai dimostrato come ai fini dello studio e della
comprensione dei fenomeni di degrado dovuti alla
cristallizzazione salina ed al gelo/disgelo sia più
attendibile condurre prove di invecchiamento accelerato su provini di muratura anziché sui singoli
componenti (mattoni, pietre, malte). Sin dalla fine
degli anni settanta l’Unità di Ricerca del
Dipartimento di Ingegneria Strutturale del
Politecnico di Milano ha seguito una metodologia
sistematica d’approccio allo studio del danno causato alla muratura dalla cristallizzazione salina; di tale
metodologia e dei risultati concreti raggiunti viene
offerta di seguito una breve sintesi.
Il degrado della muratura è fortemente influenzato
dall’ambiente aggressivo in cui si trova e dalla combinazione dei suoi elementi costituenti. I diversi tipi
di degrado sono stati definiti nell’ambito di un
Contratto CEE (EV5V-CT92-0108) nel 1992 e raccolti in un atlante del danno; contemporaneamente
si è realizzato un sistema esperto specifico sul
degrado delle murature in laterizio con la finalità di
aiutare i professionisti non esperti nel settore ad
interpretare tali meccanismi di alterazione [1].
In una prima fase della ricerca, sulla base dello studio dei diagrammi di stato dei diversi sali più diffusi
nelle murature (NaCl, MgSO4, Na2SO4), è stata
messa a punto in laboratorio una prova ciclica di
cristallizzazione salina sui singoli componenti
seguendo due modalità differenti: 1) per immersione totale in soluzione salina, più adeguata per studiare elementi isolati come colonne e decorazioni;
2) per risalita capillare di soluzione salina, più adatta per elementi strutturali di grandi dimensioni,
dove il degrado non può raggiungere la parte centrale dell’elemento. Dopo la contaminazione gli elementi sono stati esposti a temperature e U.R. prescelte [2] per tempi definiti in figura 1. I cicli sono
stati ripetuti fino al danneggiamento del campione.
In figura 2 si riporta il danno provocato da diversi
sali solubili in condizioni termoigrometriche differenti. Successivamente il Na2SO4 è stato scelto per la
conduzione di prove sia in sito che in laboratorio,
in quanto risulta essere il più aggressivo e quello
50
O 4(C)
MgS
MgSO4(A,B)
NaCl (C,D,E)
E. t1=
5
10
15
che cristallizza più facilmente in natura.
Il danno provocato dalla cristallizzazione è dovuto
all’affaticamento del materiale causato dal susseguirsi dei cicli di secco e umido, in presenza di sali
solubili all’interno del materiale stesso, che provocano una continua delaminazione dello strato più
esterno del materiale [3]. Si osservi però che anche
nel caso di superfici molto degradate, le caratteristiche del materiale restano invariate se non per qualche mm di profondità al di sotto dello strato interessato dall’alterazione [figura 3,4,5]. Pertanto una
misura non distruttiva del degrado può essere ottenuta in laboratorio attraverso la diminuzione di
altezza del provino a mano a mano che avviene la
delaminazione. Le prime misure e valutazioni del
danno sono state eseguite con comparatori fissati
sulla parte superiore del provino [4].
L’influenza reciproca dei componenti sul degrado
da cristallizzazione di sali viene studiata in una
prima ricerca svolta su prismi di muratura [5]. La
muratura è un composito, pertanto esiste un’interazione tra i componenti la muratura tale per cui i
meccanismi di degrado che si verificano in un singolo componente sono influenzati dalle caratteristiche rispettivamente dell’altro componente, in parti-
20
25
30
35
Number of cycles
40
45
following two different
aims: 1) total immersion
in salt solution, able to
study the decay of slender
elements like columns
and decorations, 2) capillary rise of salt solution,
more useful for structural
elements of large dimensions, when the decay
cannot reach the core of
the element. After the
contamination the specimens were exposed to
chosen temperature and
RH. The cycles were
repeated until the damage
of the specimen reached a
chosen level. The tests
were carried out with different types of salts and
different thermo-hygrometric conditions and different cycle duration.
Finally the sodium sulphate was chosen as the
most aggressive in the
shortest duration of the
test.
Since a non destructive
50
technique was required to
measure with continuity
the material decay, the
research allowed to notice
that the decay started
from the external surface
of the material and proceeded cycle by cycle
toward the interior, often
as a delamination.
Furthermore it was detected that the material characteristics below the
decayed surface remained
unaltered. The first measurements of the surface
decay were carried out
with gauges applied to
the external surface. Then
a laser profilometer was
adopted as the best tool
to measure the decay
over time.
The mutual influence of
the masonry components
in the surface damage
was first studied on
masonry prisms damaged
by salt crystallisation.
From these first results
the decision was taken to
67
3.
alterazione di una
muratura esposta
all’effetto sinergico
di differenti agenti
atmosferici
4.
fenomeni di affaticamento
del mattone nella zona
retrostante alla superficie
esterna
5.
penetrazione del degrado
in profondità sotto della
superficie deteriorata
6.
Profilografo a laser
usato in laboratorio
8.
curva area persa/tempo
di un campione
di muratura con
concentrazione di 2,5%
di Na2SO4.
7.
profili rilevati nel tempo
dal profilografo su
un campione di muratura
-230
-200
-170
-140
-110
-80
-50
-2
-6
0 month
1 month
2 months
6 months
8 months
3
2,5
[mm]
-10
profile
[mm]
-18
-22
loss area (%)
-14
th
i
2
1,5
1
build full scale models in
a polluted area of Milan.
In order to accelerate the
damage sodium sulphate
solution was inserted into
the building foundation so
that the ageing came by
capillary rise.
Since 1981 also a photographic survey has been
carried out every three to
six months on decayed
monuments in Milan. The
natural environment was
also studied evaluating
the results given for 10
years by the Brera
Observatory in Milan and
since 1990 the on site
microenvironment is also
controlled near the
models. The data compared with the equilibrium
curve of sodium sulphate
showed that the formation of its two phases
thenardite and mirabilite
can occur in Milan every
month of the year and
several times a month
68
with an average duration
of 48 hours.
By now the laboratory
crystallisation test is carried out on masonry
prisms according to Rilem
recommendation proposed by TNO-Delft and calibrated during three EC
contracts also with other
partners. A more sophisticated device is introduced
to measure the surface
decay: the laser sensor
which is able to evaluate
the surface variation of a
material with a laser
beam that runs along a
surface. Then a suitable
data acquisition system
transforms these measurements in surface roughness profiles, which
describe the decay in
function of time and
space.
The values of the chosen
parameter measured over
time can constitute the
input data for a deterministic or probabilistic colare dalla porosità.
Da tali ricerche nasce l’idea di costruire piccoli edifici in pietra ed in mattone come un laboratorio
all’aperto [6], da sottoporre a degrado causato da
Na2SO4 trasportato in soluzione nelle murature per
capillarità dal terreno di fondazione.
Contemporaneamente viene svolta un’intensa indagine fotografica per lo studio del degrado superficiale, su diversi monumenti milanesi. L’ambiente
naturale con le condizioni di temperatura e U.R.
che possono scatenare i meccanismi di degrado
vengono dapprima studiati dai dati relativi a 10
anni forniti dall’osservatorio di Brera di Milano e
dal 1990 in sito dove sono collocati i modelli fisici. I
dati sono stati confrontati con le curve di equilibrio
di diversi sali solubili, come i solfati di sodio e di
magnesio. Si è osservato che le condizioni che
determinano la formazione di tenardite e mirabilite
a Milano si realizzano in ogni mese dell’anno e più
volte al mese con una durata media di 48 ore.
In laboratorio la prova di cristallizzazione salina
viene ora condotta su campioni di muratura e non
più sui suoi singoli componenti. La prova è stata
proposta dal TNO di Delft [7] e calibrata nell’ambito
di 3 Contratti CEE anche con altri partner. Si utiliz-
za inoltre un sistema più sofisticato per quantificare
il danneggiamento superficiale, attraverso il profilografo a laser [figura 6]; si tratta di uno strumento
in grado di valutare la variazione della rugosità
superficiale di un materiale, senza entrare in contatto col materiale stesso, attraverso un raggio laser che
percorre la superficie e un sistema di acquisizione
computerizzato in grado di tramutare tali rilevamenti in profili di rugosità della superficie che ne
descrivono il degrado nello spazio e nel tempo
[figura 7]. La quantità di materiale superficiale
persa nel tempo può essere assunto come parametro di danno utilizzabile per un modello matematico deterministico o probabilistico che consenta di
studiare il comportamento del materiale e di valutare l’efficacia dei trattamenti superficiali in presenza
di sali diversi e in diverse quantità. Si riporta in
figura 8 un esempio di diagrammi di danneggiamento (percentuale di area persa nel tempo) ottenuti con le misurazioni del profilografo in laboratorio su diversi campioni di muratura in mattoni trattati e non [8]. Dal grafico di figura 8 risulta visibile
come in questo caso il trattamento consolidante è
inefficace poiché la % di materiale perso è simile a
quella del campione non trattato. Nel caso di idro-
0,5
1
2
3
4
5
months
6
7
8
Water Repellent-brick
Consolidant-brick
Reference-brick
Water Repellent-mortar
Consolidant-mortar
Reference-mortar
69
BIBLIOGRAFIA
11.
curve di fragilità per
diversi livelli di danno l
per il campione di muratura
trattato con consolidante
e con concentrazione 2,5%
di Na2SO4
10.
interpolazione della curva
area persa/tempo con la
modellazione del processo
di degrado L(t*,l) e la
probabilità di superamento
della soglia l (2%)
9.
muratura in mattoni
trattata con idrorepellente
con concentrazione 2,5%
di Na2SO4 dopo il taglio
4.0
1
2.5
l = 2%
2.0
0,7
1.5
1
70
2
3
4
5
6
t (months)
FT(t)
0.5
results can help in the
future in the choice of
appropriate repair and
protection techniques for
external surfaces of historic buildings.
[3]
Binda L., Baronio G.,
Mechanisms of masonry
decay due to salt crystallization, J. Durability of Buildings
Materials, N.4, Elsevier,
Amsterdam, pp. 227-240,
1987.
0,8
1.0
mathematical model to
study the material behaviour and the durability of
surface treatments in presence of different soluble
salts and in different
quantities.
The high randomness
connected with the material characteristics and
with the decay in a natural environment suggests
to assume the deterioration process L(t,l) as a stochastic process of the random variables land t
where lis the loss of
material at the surface in
a time t.
This approach was used
not only to model the
decay mechanisms, but
also to reduce the time
duration of the accelerated ageing tests and to
prevent in this way the
occurrence of decay particularly when using surface treatments and/or
material substitution. The
[2]
Binda L., Charola A.E.,
Baronio G., Deterioration of
porous materials due to salt
crystallization under different
thermohygrometric conditions, I Bricks, 5th Int. Conf. on
Deterioration and
Conservation of Stone,
Lausanne, Suisse, pp. 279288, 1985.
0,9
3.0
L (t*,l)
L (loss in %)
3.5
[1]
Van Balen K., Mateus, J.,
Binda L., Baronio G., Scientific
background of the Damage
Atlas and the Masonry
Damage Diagnostic System,
Expert System for the
Evaluation of the
Deterioration of Ancient Brick
Structures, EC Contract EV5VCT92-0108, Final Report, 1997.
7
8
9
0,6
0,5
[4]
Binda L., Baronio G.,
Squarcina T., Evaluation of the
durability of bricks and stones
and of preservation treatments, 7th Int. Congr. on Deter.
and Conserv. of Stone,
Lisbona, pp. 753-761, 1992.
0,4
0,3
repellente, il taglio del provino non danneggiato
[figura 9] ha mostrato una sottile linea di sali cristallizzati subito sotto lo strato trattato; il danno
avrà la probabilità di verificarsi ma in tempi più
lunghi.
L’incertezza e la casualità che caratterizzano il
degrado di un materiale sottoposto ad azione
aggressiva hanno suggerito di affrontare il problema
della previsione del danno nel tempo in termini
probabilistici, assumendo il processo di degrado
L(t,l) come un processo stocastico delle variabili le
t, dove lè la quantità di materiale superficiale perso
nel tempo t. Poiché i rilevamenti del danno avvengono in istanti discreti di t*, per ogni istante di t*
viene modellata la perdita l, misurata in mm2, con
un’appropriata funzione densità di probabilità
(p.d.f.) L(t*,l) che dipende soltanto da l (con t*
come costante). La modellazione è stata effettuata
con una Log-Normal p.d.f. [9]. Si affrontata in termini probabilistici anche la quantificazione del tempo
di superamento di una determinata soglia di danno,
di cui un esempio è riportato nella area tratteggiata
riportata in figura 10 per l=2%, attraverso la
costruzione di appropriate curve di fragilità sperimentali [figura 11]. Per modellare le curve di fra-
0,2
[8]
Cardani G., Tedeschi, C.,
Binda L., Baronio G.,
Crystallisation Test on Treated
Brick/Stone Masonry
Specimens for Damage
Evaluation, Proc. Int. Conf. 9th
Durability of Building
Materials, 17-20/03/2002,
Brisbane, (Australia), CDROM, paper 039, 2002.
[9]
Garavaglia E., Lubelli B.,
Binda L., Two Different
Stochastic Approaches
Modelling the Decay Process
of Masonry Surfaces Over
Time, Materials and
Structures, Vol. 35, n.248, pp.
246-256, 2002.
0,1
2
ı
ı
ı
ı
ı
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22 24
t (months)
= 0,8%
= 1,2%
= 1,6%
= 2,0%
= 2,4%
gilità sperimentali si è scelta una distribuzione
Weibull [9]. La procedura elaborata permette la riduzione dei tempi di prova in laboratorio pur garantendo una soddisfacente previsione di danneggiamento nel tempo. Essa è in grado di fare previsioni
anche sull’efficacia di eventuali trattamenti superficiali e/o sostituzione di materiali. Per tanto i risultati possono guidare nella scelta delle tecniche di
intervento e di protezione più appropriate per le
superfici murarie degli edifici storici.
[5]
Binda L., Baronio G.,
Alteration of the Mechanical
Properties of Masonry Prisms
due to Aging, 7th IBMaC,
Melbourne, Australia, Vol. 1,
pp. 605-616, 1985.
[6]
Baronio G., Binda L., Cantoni
F., Rocca P., Durability of stone
and brickwork protectives and
consolidants: experimental
research on full-scale models,
6th Int. Conf. on Durability of
Building, Materials and
Components, Omiya, Vol.2,
pp. 824-833, 1993.
[7]
RILEM MS. A.1, Determination
of the resistance of wallettes
against sulphate and chloride,
Materials and Structures, 31,
pp. 2-19, 1998.
71
Building Science, ricerca
didattica, formazione:
durabilità e patologia edilizia
Building science,
research, education:
durability and building
pathology
The paper will report
about the activities of two
BEST research groups
which are working with
CIB- International council
for research and innovation in bulding and construction in the commission and with “W86
Building Pathology” and
“W80/RILEM TC 175
Service Life
Methodologies”
One first working group is
the Building Pathology
Laboratory (BP Lab) that
gathered experiences,
know-how and resources
since the seventies, with
the aim to set up tools
and methods for audit
and diagnostics, and to
develop a data base of
documents on the most
relevant pathologies
regarding building technologies.
One second working
group, the Durability of
Building Components
Group, has been working
for years on durability
and is dealing with the apriori evaluation of building components’ service
life in different climate
and use conditions.
In particular two theoreti-
72
cal- experimental researches are presented.
The first one is regarding
the accelerated aging of
external finishing for brick
wall systems, evaluated
through the decay of
functional characteristics
and of protective degree.
The sites for natural aging
are located in Milano,
Lugano, Napoli and
Palermo, wile the accelerated aging test are developed through a special
ad hoc apparatus at the
Technical Experimental
Laboratory in Lugano and
the Universities of Napoli
and Palermo.
The second theoreticalexperimental research
sponsored by an industry
in the building sector, is
regarding the use of
Dynamic Mechanical
Analysis (DMA) to set up
new testing methods to
evaluate in the production
phase the service life of
water-tightness All’interno dell’ex DISET ora BEST si è quindi formata nel tempo una struttura operativa, il Building
Pathology Laboratory (BP Lab), in cui sono confluite esperienze, competenze e risorse attivatesi fin
dagli anni ‘70, con l’obiettivo di mettere a punto
strumenti e metodi di rilievo e di interpretazione
diagnostica, e di sviluppare una base di dati di
documentazione sui principali modi di guasto che
interessano i sistemi costruttivi dell’attuale edilizia.
Le attività di servizio verso l’esterno sono orientate
a fornire un supporto per la messa a punto di nuovi
prodotti e componenti edilizi, all’analisi del rischio
di degradi anticipati attraverso la revisione e validazione dei progetti, ad attività di supporto alla risoluzione di contenziosi e più in generale allo sviluppo di servizi diagnostici.
Per quanto riguarda gli aspetti formativi, l’attività
del gruppo si esplica attraverso l’organizzazione e il
patrocinio di incontri, seminari, convegni, congressi, corsi di aggiornamento, nonché nella introduzione della disciplina all’interno dei corsi di laurea di
Ingegneria e Architettura. A questo proposito il
primo insegnamento di Patologia edilizia e diagnostica è stato attivato quest’anno nel Corso di laurea
in Ingegneria Edile del nuovo ordinamento.
L’attività internazionale si muove in particolare
all’interno del CIB (International Council for
Research and Innovation in Building and
Construction) anche attraverso la funzione di coordinamento del working group W086-Building
Pathology iniziata nel 1997 [3].
Un altro settore non estraneo, ma sinergico con
quello della Patologia edilizia, sul quale si sono concentrate le attenzioni di ricerca fin dagli anni ‘80, è
quello della durabilità di componenti e sistemi, che
ha portato alla formazione appunto del gruppo
operativo Durabilità prima nel DISET ed ora all’interno del BEST.
È questa una disciplina che si occupa della stima a
priori della durata reale di componenti e sistemi
edilizi nei vari contesti tipologici e climatici.
L’obiettivo è quello di fornire ai progettisti degli elementi su cui impostare una corretta selezione di
sistemi costruttivi, in relazione alla loro capacità di
mantenere nel tempo livelli prestazionali superiori a
determinati standard.
All’interno delle attività del CIB WO80/RILEM TC
175-SLM Service life methodologies, in un quadro di
cooperazione internazionale con il Laboratorio
Tecnico Sperimentale della Scuola Universitaria
della Svizzera Italiana e nazionale con l’Università
1.
Prove di invecchiamento di
cicli protettivi applicati su
supporti murari: grafico
dell’andamento del
coefficiente di assorbimento
dell’acqua in funzione dei cicli
di invecchiamento
0.30
Assorbimento capillare
Sergio Croce
Giuseppe Turchini
Lo studio dei materiali nel settore dei componenti e
dei sistemi costruttivi per l’edilizia e in particolare
la loro attitudine a svolgere e a mantenere nel
tempo specifici carichi funzionali, richiede necessariamente una approfondita attenzione alle diversissime soluzioni costruttive in cui trovano applicazione. È infatti dalla loro messa a sistema che i fenomeni inevitabili collegati all’invecchiamento possono
trovare condizioni di accelerazione o di ritardo. Lo
studio della qualità intrinseca dei materiali per l’edilizia deve essere quindi accompagnato dallo studio
della qualità di relazione che si viene a istituire in
modo diversificato all’interno di ciascuna soluzione
costruttiva. Il confronto di un materiale con gli
agenti di alterazione e quindi l’affidablità di una
soluzione costruttiva è infatti condizionata da situazioni tecnologiche, ma anche e in modo molto consistente dal contesto ambientale che può rendere
affidabile o non affidabile l’adozione di un determinato materiale all’interno di una determinata soluzione costruttiva.
È questa la ragione per cui negli anni, all’interno del
settore delle costruzioni, si sono sviluppati nuovi
ambiti di ricerca che vanno sotto il nome di
Durabilità e Patologia edilizia. Tali discipline affrontano il tema dei processi interattivi di invecchiamento di sistemi e subsistemi edilizi, la prima nel
caso in cui essi siano intrinseci ad una determinata
soluzione la seconda nel caso in cui siano dipendenti da errori, quindi da fattori di disturbo e conseguenti stati morbosi.
La patologia edilizia [1] in particolare è una disciplina relativamente recente che si è sviluppata a partire
dagli anni ‘70[2], come conseguenza della notevole
diffusione di guasti derivanti da errori di progettazione e quindi da una anticipazione imprevista del
raggiungimento dello stato di guasto, non congruente con le logiche di invecchiamento naturale
convenzionalmente accettate.
L’importanza di tale disciplina è evidenziata dal
fatto che gli esiti infausti di una cattiva progettazione determinano attualmente non solo notevoli extra
costi, non marginali nei riguardi dell’economia
nazionale, ma anche un utilizzo improprio delle
risorse naturali e quindi impatti ambientali non più
sostenibili.
Come si può comprendere, si tratta di una disciplina che trae la propria linfa dall’analisi di casi reali: il
laboratorio è in questo caso costituito dal patrimonio edilizio nella sua realtà di dinamica trasformazione delle tecniche e tecnologie costruttive.
0.25
0.20
0.15
0.10
0.05
0
50
100 150 200
Numero di cicli
Acr. CVP40
Acr. CVP50
250
Vln. CVP40
300
350
400
Non protetti
Vln. CVP50
di Torino, Napoli, Salerno, si stanno conducendo
programmi di ricerca teorica e sperimentale per la
messa a punto di un metodo per la valutazione
della durabilità dei componenti edilizi [4].
Fulcro di questo programma è la validazione sperimentale del metodo attraverso analisi comparative
dei risultati sperimentali del degrado e del decadimento delle prestazioni e delle caratteristiche funzionali di componenti e dei materiali costituenti,
dopo cicli di invecchiamento accelerato in laboratorio e naturale in esterno. Le stazioni di invecchiamento naturale sono localizzate a Milano, a Lugano,
a Napoli e Palermo, mentre per le prove di invecchiamento accelerato ci si avvale di speciali strumentazioni messe a punto ad hoc e installate presso
il Laboratorio Tecnico Sperimentale di Lugano e
presso le Università di Napoli e Palermo. [fig. 1]
In particolare i componenti e sistemi presi in esame
sono costituiti da assemblaggi differenti che rappresentano le tipologie più diffuse di murature d’ambito esterno, di coperture continue e discontinue. Una
prima presentazione dei risultati della ricerca è
avvenuta in occasione del seminario internazionale
La valutazione della durabilità tenutosi a Milano nel
giugno 2001 che ha fatto seguito a quello organizza-
73
1,00
1,00E+09
Transition zone
0,80
1,00E+08
1,00E+07
1,00E+06
Glassy
behaviour
Softly
behaviour
0,60
1,00E+05
0,40
1,00E+04
1,00E+03
Cold Bending Softening point
Temp= -15°C Temp= 152°C
1,00E+02
0,20
1,00E+01
0,00
1,00E+00
-80 -60 -40 -20
0
20 40
60
80 100 120 140 160
Temperature (C°)
Storage
Shear
Module, G'
Loss Shear
Module, G'
Damping
G''/G'
bitumen-polymer membranes in different technological and environment
use conditions.
74
Dampling
G'&G'' Modules (Pa) Scale Log
1,00E+10
Un aspetto particolare dell’attività che si pone a
cavallo delle discipline della Patologia Edilizia e
della Durabilità, riguarda lo sviluppo di metodologie di analisi diagnostiche basate su esiti sperimentali e su modellazioni comportamentali tipiche della
Building Science.
Si tratta di aperture di nuovi fronti della ricerca che
coinvolgono le attività del Dottorato di ricerca in
Sistemi e processi edilizi, attraverso il quale si sono
sviluppati interessanti rapporti di collaborazione
con i laboratori sperimentali di alcuni dipartimenti
del Politecnico e con l’ICITE/CNR ora ITC.
Si veda ad esempio il contributo al decimo congresso IWA International Waterproofing Association
sull’utilizzo della Dynamic Mechanical Analysis
(DMA) per la messa a punto di modalità di prova
evolute per strumentare la previsione della durata
di vita di membrane impermeabili in bitume polimero [7].
Il Dynamic Mechanical Analysis consente di ottenere informazioni, non desumibili dai test convenzionalmente utilizzati, circa il comportamento termomeccanico e reologico delle membrane impermeabili e le sue variazioni nel tempo dovute alla esposizione termica.
Le informazioni ottenute attraverso il DMA, integrate dall’analisi dell’esposizione termica delle
membrane impermeabili durante un anno tipo,
quando inserite in differenti soluzioni costruttive e
in diversi siti climatici, consentono di supportare, in
fase di produzione, la messa a punto di nuove
miscele bitume-polimero, attraverso la previsione
della loro service life [fig. 3].
3.
Milano, irraggiamento
solare durante il solstizio
estivo: andamento giornaliero
della temperatura di una
membrana impermeabile
in relazione a diversi suoi
assemblaggi in copertura
[1]
Sergio Croce, Patologia edilizia in Manuale di progettazione edilizia, volume 3, Hoepli
editore 1994
[2]
In Italia il primo corso di
aggiornamento in Patologia
edilizia si è tenuto nell’anno
1979 a Bologna organizzato
dalla ICIE e coordinato dal
prof. Sergio Croce
[4]
Maggi P.N., Rejna M.G.,
Daniotti B., Re Cecconi F., Poli
T., Rigamonti G., Experimental
program to evaluate building
elements service life: first
results on brickwork on
Durability of Building
Materials and Components 8.
(1999) Edited by M.A. Lacasse
and D.J. Vanier. Institute for
Research in Construction,
Ottawa ON, K1A 0R6, Canada
100
100
90
900
80
800
70
700
60
600
50
500
40
400
30
300
20
200
Solar Rad.
10
0
0
[3]
Il WO86 Building Pathology è
coordinato da Sergio Croce
(BEST) e da Peter Trotman
(BRE) con il segretariato di
Enrico De Angelis, organizza
congressi, meeting annuali,
pubblicazioni, rapporti. In particolare si veda la pubblicazione Building Pathology: the
state of art, CIB Pubblication
n°155. Per il 2003 ha promosso il 2nd International
Symposium on Building
Pathology, durability and
Rehabilitation che si terrà a
Lisbona da 6 all’8 novembre.
[5]
Maggi et all., La qualità tecnologica dei componenti edilizi:
la valutazione della durabilità.
Risultati della prima fase sperimentale. Epitesto editore
(2001).
[6]
Il coordinamento è stato affidato al dott. B. Daniotti, ricercatore del BEST
[7]
S. Croce, A. Tiso, L.Di Landro,
M.R. Pagano, Evaluation of
polymer modified bituminous
membrane durability by
Dinamic mechanical analysis,
Xth IWA Congress, 10-12 June
1998.
La parte sperimentale della
ricerca è avvenuta sia nel
laboratorio di una azienda
produttrice, sia nel laboratorio
di Chimica industriale del
Politecnico di Milano
100
0
2
4
6
8
10
12
14 16
18
20
22
Solar Irradiance (W/m2)
2.
Utilizzo della Dynamic
Mechanical Analysis per
la previsione di durata
delle membrane impermeabili
bitume-polimero
Temperature (°C)
to, sempre a Milano, nel maggio 1999 [5]. In tale
occasione, sono stati presentati i risultati sperimentali relativi all’invecchiamento accelerato di rivestimenti esterni di sistemi di muratura in laterizio.
L’invecchiamento dei vari cicli protettivi con differenti concentrazioni di resina è stato evidenziato
attraverso il decadimento di caratteristiche funzionali significative e del grado protettivo. [fig. 2]
Lo sviluppo di questo programma di ricerca presenta interessanti risvolti prenormativi che hanno consentito di fornire contributi all’elaborazione di
norme tecniche sia in ambito UNI che in ambito
ISO (15686 Service Life Planning). In particolare, è
stato recentemente istituito in sede UNI il gruppo
di lavoro 15 della Commissione Processo edilizio
sulla Valutazione della durabilità di componenti
edilizi [6].
24
Solar Day Hours
1
2
4
3
5
75
Pietro Pedeferri
La durabilità delle strutture
in calcestruzzo armato
Durability of reinforced
concrete structures
The most prestigious
work in cement-based
materials that has been
handed down to us from
antiquity is without doubt
the Pantheon in Rome.
The fact that this temple
after 2000 years is in a
perfect state of conservation is the demonstration
that concrete can possess
the durability of a natural
stone. Why then, it may
be asked, are many reinforced concrete structures
built in the past decades such as bridges, motorways infrastructures,
marines structures, buildings - in a deplorable
state of deterioration, with
serious repercussions
even on their safety as
some recent lamentable
collapses have also
demonstrated?
The answer lies in the fact
that structures in reinforced concrete are not eternal or almost so, as
thought up to the 70s and
as the history of the
Pantheon might lead it to
be believed. Even when
correctly designed and
constructed - and this has
not always been the case
-, their service life is limited precisely by the corrosion of the steel reinforcement itself. If the
76
Pantheon had been built
with reinforced concrete it
would no longer exist.
In practice, in environments where chlorides
are absent there are not
intrinsic difficulties in
designing structures that
should remain free of corrosion for service life of
100 years, at least in temperate climates. However
in the case of structures
operating in chloride containing environments such as, for example, concrete slab on bridges
where salts are spread as
an anti-freeze or marine
structures especially in
tropical regions- corrosion
can show after few decades even in structures
correctly designed and
built.
Consequently, in the case
of important constructions such as monuments,
churches, public buildings
for which a service life
of more than 100 years La più prestigiosa opera in materiale cementizio che
l’antichità ci ha tramandato è certamente il
Pantheon. Il fatto che questo tempio di incomparabile bellezza dopo quasi duemila anni sia in condizioni di conservazione perfetta dimostra che il calcestruzzo può presentare la durabilità di una pietra
naturale. Perché allora, ci si chiede, molte costruzioni in calcestruzzo armato, ponti, infrastrutture
autostradali, opere marine, edifici, costruite nei
decenni scorsi si trovano in uno stato di degrado
deplorevole? Certamente i casi di degrado che si
manifestano in ambiente non aggressivo su strutture in calcestruzzo armato realizzate da solo venti o
trent’anni - e non si tratta affatto di casi rari - sono
dovuti a errori commessi in sede di progetto o di
costruzione: copriferri inadeguati, progettazione
errata della miscela del calcestruzzo, sua non corretta messa in opera, costipazione o maturazione.
Tuttavia anche le costruzioni perfettamente progettate e costruite non sono eterne, come si riteneva
fino agli anni ‘70: la loro vita di servizio è limitata
proprio dalla corrosione delle armature. Se il
Pantheon fosse stato costruito in calcestruzzo armato non esisterebbe più.
In pratica se l’ambiente non contiene cloruri non ci
sono difficoltà nel progettare strutture che resistano
alla corrosione per 100 anni e più, almeno in climi
temperati. Nel caso contrario, invece, non si è in
grado di evitare attacchi corrosivi per più di qualche decennio, anche se in sede di progetto e di
costruzione si prendono tutte le precauzioni necessarie per evitare che questi anioni penetrino all’interno del calcestruzzo.
Pertanto nel caso di costruzioni a cui è richiesto di
operare in ambiente non aggressivo per più di un
secolo, e soprattutto, nel caso di strutture il cui calcestruzzo si prevede possa venir inquinato da cloruri - come succede nelle solette di ponti su cui si
spargono sali antigelo, oppure nelle strutture marine, soprattutto in ambiente tropicale - può risultare
necessario il ricorso a protezioni contro la corrosione aggiuntive rispetto a quelle che già fornisce il
calcestruzzo.
Un gruppo di ricerca del dipartimento di Chimica,
Materiali ed Ingegneria Chimica “Giulio Natta”
negli ultimi dieci anni ha operato in questo settore.
All’inizio degli anni novanta ha teorizzato e proposto la prevenzione catodica (e ne ha inventato anche
il nome) e in quelli successivi ne ha studiato le condizioni operative e l’affidabilità. La tecnica si basa
sul fatto che la resistenza delle armature alla corro-
sione da cloruri cresce se il potenziale delle armature viene diminuito. Questo effetto si ottiene applicando bassissime correnti tra opportuni anodi piazzati sulla superficie del calcestruzzo e le armature
che quindi funzionano da catodo. Utilizzata dapprima in Italia su ponti e viadotti autostradali soggetti
all’azione di sali antigelo, nella seconda metà degli
anni novanta la prevenzione catodica si è diffusa in
tutto il mondo anche per opere marine o comunque per parti di strutture che si prevede possano
essere inquinate da cloruri. La tecnica, ad esempio, è
stata applicata alle fondazioni di importantissimi
edifici come la Sydney Opera House e le Twin
Towers di New York.
Sempre nel corso degli anni novanta il gruppo ha
studiato il comportamento delle armature in acciaio
inossidabile in calcestruzzo contenente cloruri. Ha
precisato l’influenza della composizione e della
struttura dell’acciaio, del grado di incrudimento,
delle condizioni di superficie; ha definito i campi di
applicabilità di acciai sia tradizionali che sperimentali per i vari tipi di calcestruzzo e per varie temperature, tenori di cloruri. In particolare ha mostrato
come le armature di acciaio inossidabile possano
essere utilizzate come ‘armature di pelle’ o solo nelle
zone più critiche delle strutture, come i giunti o le
zone degli spruzzi, senza che insorgano fenomeni di
corrosione galvanica a causa dell’accoppiamento
con le armature in acciaio al carbonio.
Attualmente il gruppo di ricerca studia nuove formulazioni di inibitori di corrosione da aggiungere
al calcestruzzo o a malte da ripristino per aumentarne le prestazioni. Si tratta di una ricerca che da
tempo vede impegnati molti laboratori in sede
nazionale e internazionale, ma che finora non ha
portato a prodotti del tutto soddisfacenti.
is requested and in any
case in which chloride
penetration is foreseen, it
can become necessary, in
order to extend the service life to resort to the so
called supplementary corrosion prevention measures.
In the last ten years the
'Durability and
Cementitious Materials
Laboratory' of our
Department has operated
in this sector.
At the beginning of the
90s it has proposed and
theorised the cathodic
prevention (also the name
has been invented by us)
and in following years it
has studied its operating
conditions and its reliability. This technique is
based on the fact that the
resistance of reinforcement increases, if its
potential is reduced. This
effect is obtained applying
very low currents bet-
the surface conditions; it
has defined the behaviour
of new experimental
steels and the fields of
applicability of the traditional ones. In particular it
has shown that the use of
reinforcement in stainless
steel can be limited to
skin reinforcements or to
the more critical part such
as joints or splash zone in
marine structures or to
replace old corroded carbon steel bars without
provoking the corrosion
of carbon steel rebars.
In this moment the attention in our laboratory is
drawn on another supplementary prevention measure: the corrosion inhibitors. New formulations of
inhibitors to add to fresh
concrete to increase their
performance.
ween suitable anodes
positioned on the surface
of the concrete and reinforcements which consequently behave as cathode. Utilised first in Italy on
bridges and viaducts subjected to the action of
antifreeze salts, in the
second half of the 90s,
cathodic prevention has
been used all around the
world also to protect
marine structures or other
constructions in which
chloride penetration can
be foreseen. The technique, for example has
been applied to parts of
very important buildings
such as the Sydney Opera
House and the Twin
Towers in New York.
During the 90s our group
has also studied the behaviour of stainless steel
reinforcement. It has defined the influence of the
composition and of the
structure of the steel, the
degree of cold drawing,
77
Luciano Lazzari
Materiali tradizionali
e nuove sfide
Traditional Materials
and New Challenges
A well known publication
edited mid Eighties “Sette
chiavi per il futuro.
Materiali e tecnologie per
il 2000”, “Il Sole 24 ore”
(Seven keys for the future.
Materials and technology
for the 2000), dedicated a
Chapter to the new materials forecasting: “the inexorable decline of the iron
age”; the spread use of
the new coming materials
such as composites and
ceramics, which” will lead
in short time to a revolution of the manufacturing
processes”; to the materials tailoring or “objects
will not be anymore designed on the basis of available materials, but conversely, new materials
will be designed”. After
about twenty years, only
some of such forecasts
have been proved, for
instance the large diffusion of ceramics and composites. About the third
point, we have to admit
that the age of iron has
not yet initiated its decline
and the list of industrial
applications where traditional metallic materials
are exclusively used is
still rather long. For
instance in oil&gas application, we can find both
confirmation and novel
78
applications: deep wells
for hydrocarbon production require for drilling
and production “robust”
metallic materials. To this
regard, research has
developed new low alloy
steels and new corrosion
resistant alloys with
improved resistance and
acceptable reliability,
especially in presence of
hydrogen sulphite. About
the new applications, in
offshore platforms many
metallic components in
contact with sea water
have been progressively
replaced by composites:
for instance piping for
seawater or brines, tension strings for cathodic
protection retrofitting
where Kevlar has replaced steel.
In our department, a section is dealing with traditional materials toward
two directions: material
selection from the engineering point of view
through the decision
analysis approach, by the
introduction of the expected risk of failure during
operating, and the material durability through the
experimental testing and
monitoring technique.
Fields of research on
metallic materials cover
the influence of alternating current Una nota pubblicazione della seconda metà degli
anni ottanta, “Sette chiavi per il futuro. Materiali e
tecnologie per il 2000”, edita da Il Sole 24 ore, dedicava un capitolo ai nuovi materiali prevedendo: “l’inesorabile declino dell’età siderurgica o età del ferro”;
l’impiego diffuso dei nuovi materiali in particolare
compositi e ceramici, che “porterà in tempi tutto
sommato non lunghissimi a rivoluzionare notevolmente fabbriche e processi produttivi”; il materials
tailoring cioè “gli oggetti non vengono progettati in
funzione dei materiali disponibili, ma al contrario si
progettano nuovi materiali”. A circa vent’anni di
distanza, solo una parte di queste previsioni si sono
avverate, in particolare la diffusione di nuovi materiali ceramici e compositi, il cui impiego nelle vetture per le gare di formula uno è ampiamente noto
anche ai non addetti ai lavori e anche i materiali su
misura sono diventati realizzabili, anche se forse in
misura inferiore alle aspettative. Sul terzo punto,
forse, bisogna ammettere che il declino dell’età del
ferro non è ancora decisamente iniziato e l’elenco
delle applicazioni industriali dove le leghe metalliche in generale trovano esclusivo impiego è ancora
piuttosto lungo. Per rimanere nel campo della
applicazione industriale a noi più familiare, quello
petrolifero, si trovano sia le conferme sia le novità.
Ad esempio, per le prime: i pozzi per l’estrazione
degli idrocarburi sono tuttora perforati e completati
con robuste leghe metalliche. A questo riguardo,
l’innovazione ha portato alla messa a punto di
nuovi acciai che offrono maggiore resistenza, e
quindi sicurezza, all’idrogeno solforato sempre più
presente nei nuovi giacimenti. L’idrogeno solforato,
oltre che essere un pericolosissimo gas venefico, è
anche responsabile della criccatura improvvisa e
catastrofica proprio degli acciai ad alta e altissima
resistenza richiesti nei pozzi petroliferi profondi.
Per le nuove applicazioni possiamo ricordare il tangibile e progressivo passaggio dalle leghe metalliche
ai compositi di matrice polimerica per molti componenti operanti a contatto con l’acqua di mare:
solo alcuni esempi, le tubazioni per acqua mare
sono in materiale composito mentre prima erano
solo metalliche; le funi tensionate per gli impianti
di protezione catodica a corrente impressa delle
piattaforme petrolifere da metalliche sono passate al
ben noto Kevlar.
Una parte cospicua della ricerca sui materiali della
nostra sezione riguarda ancora i materiali tradizionali, secondo due direzioni: la scelta ingegneristica
dei materiali secondo gli approcci della analisi deci-
sionale, con l’introduzione del rischio di rottura e
della previsione in termini probabilistici del comportamento in esercizio; la durabilità in servizio e la
verifica sperimentale del comportamento dei materiali esposti all’ambiente e l’approfondimento di
tecniche di monitoraggio.
I filoni di ricerca attualmente in corso riguardano le
problematiche legate alla interferenza elettrica da
corrente alternata sulle strutture metalliche interrate; l’efficacia della protezione dalla corrosione delle
strutture metalliche poste in acque di mare profonde; la messa a punto di modelli per la previsione in
termini probabilistici della corrosione localizzata di
acciai inossidabili.
Il problema della corrosione da corrente alternata, è
emerso in modo specifico sul territorio italiano con
l’avvento della cosiddetta alta velocità che utilizza il
nuovo sistema di trazione elettrico a corrente alternata (25 kV, 50 Hz) che si viene a trovare in moltissimi tratti in stretto parallelismo con la vecchia
linea ferroviaria operante in corrente continua. Si
apre un nuovo problema, non sufficientemente investigato, derivante dalla sovrapposizione dei due tipi
di corrente di interferenza, la corrente continua e
quella alternata. Gli obiettivi della ricerca sono la
definizione delle condizioni di insorgenza di fenomeni di degrado in questa nuova situazione e la
verifica dell’efficacia delle condizioni di protezione
sino a oggi impiegate e indicate dalla normativa.
Le applicazioni offshore in campo petrolifero sono
in continua crescita e proiettate verso condizioni via
via più severe con l’aumentare della profondità. La
soglia psicologica dei mille metri è già stata superata,
anche se non sono stati investigati tutti gli aspetti
riguardanti il comportamento dei materiali impiegati, in particolare quelli metallici, e l’efficacia dei
metodi di protezione. La sperimentazione riguarderà in particolare lo studio dei sistemi di protezione
catodica in condizioni simulanti le alte profondità.
In un campo più squisitamente ingegneristico, si sta
affrontando una problematica difficile, ma anche
per questo stimolante, per la previsione della velocità di corrosione localizzata di leghe inossidabili
nelle applicazioni di forte impatto economico, dove
affidabilità e sicurezza sono prioritarie. Lo scopo è
quello di mettere a punto un modello probabilistico
che possa integrarsi con i modelli di analisi decisionale. Questo problema è peculiare per le leghe inossidabili che seguono comportamenti con caratteristiche caotiche determinate da impercettibili variazioni operative, sia del materiale (esempio, il tipo di
ossido passivante) sia dell’ambiente (fluttuazioni di
temperatura o di concentrazione di specie aggressive, come i cloruri).
interference on buried
metallic structures; the
effectiveness of cathodic
protection in deep water
simulating conditions; the
preparation of probabilistic model for localised
corrosion prediction of
stainless steels. The corrosion induced by alternating stray current has
become actual specifically
here in Italy, because of
the new electric transit
system for high speed
train using alternating
current (25 kV, 50 Hz)
which run closely the old
track employing the direct
current. Then, a new problem takes place, not yet
enough investigated,
which is the overlapping
on buried pipelines of
both direct and alternating stray currents. Aims
of the research project are
the definition of interference threshold and the
effectiveness of cathodic
protection systems.
Offshore applications in
oil&gas are increasing in
number toward deep
waters. The “psychological” barrier of one thousand meter has been reached, although material
behaviour in such conditions needs investigations
as well as proved protection methods. Testing will
deal with cathodic protection conditions in simulating deep waters.
Within the engineering
approaches, a difficult
task is facing to forecast
the localised corrosion
occurrence for corrosion
resistance alloys which
show a tough economic
impact associated to a
mandatory requirement
on safety and reliability.
The scope of the project is
the proposal of a probabilistic model to be used in
decision analysis.
79
Marinella Levi
Maurizio Vedani
I Materiali polimerici
e metallici innovativi
Dai nanocompositi al soft-touch
passando per i metalli a struttura
ultrafine
Innovative polymeric
and metallic materials
The following short contribution on innovative
materials in the field of
polymers and metals was
prepared based on scientific projects recently
developed by research
groups at Politecnico.
A few issues were selected to illustrate several
topics where research in
our university, as well as
in the scientific world, is
particularly active. It is
also worth mentioning
that a large number of
examples dealing with
innovative materials were
already discussed in the
previous sections of this
journal issue.
Within the wide world of
nanomaterials, also
metals and polymers
found in recent years
important sectors of development and applications.
Research on nanostructured metals had a great
boost in the last years due
to their extremely high
properties and formability
achievable. These metals
and alloys are processed
to reach a grain size of
the order of tenth of
nanometers or at least
80
much less than a micrometer.
In recent times, several
processes were developed to produce massive
nanostructured metals
and alloys. Techniques
such as the Accumulative
Roll Bonding (ARB) or the
Equal Channel Angular
Pressing (ECAP) are based
on inducing a severe plastic deformation on the
materials to promote the
progressive fragmentation
of the original grains into
a equiaxed tiny grained
structure.
At the Department of
Mechanics of Politecnico,
some research programme are in progress on this
subject, both on aluminium alloys and on steels.
A well developed device
for ECAP processing is
working for the production of ultrafine metal billets. Investigations are
carried out in co-operation with other national Se nell’ambito di un singolo settore dei materiali è
molto difficile selezionare alcuni temi di spicco da
illustrare nell’arco di poche pagine, ancor più arduo
è il compito di due docenti, una polimerista ed un
metallurgista, che cerchino di estrarre dal bacino
delle loro attività di ricerca e delle più recenti innovazioni nei rispettivi settori alcuni spunti comuni
degni di essere riportati all’attenzione del lettore. Ci
accomuna il desiderio di presentare un breve frammento del mondo dei cosiddetti nuovi materiali,
attingendo però solo dal campo dell’innovazione
più matura; tralasceremo quindi i materiali poco
oltre lo stadio di pura idealizzazione intellettuale,
alcuni dei quali, fatalmente, non riusciranno a
oltrepassare la soglia di un laboratorio accademico,
e ci concentreremo invece su quelli che, superato il
selettivo vaglio dell’interesse industriale, vedono
ormai vicino il traguardo dell’utilizzazione finale, a
beneficio della vita di tutti i giorni.
Le brevi note che seguono sui materiali polimerici e
metallici innovativi traggono spunto da alcuni progetti scientifici sviluppati da gruppi di ricerca al
Politecnico. I pochi temi selezionati illustreranno
alcuni aspetti in cui la ricerca all’interno del nostro
Ateneo, così come in campo internazionale, è molto
vivace e quindi degna di essere evidenziata. Va inoltre aggiunto che molti dei materiali innovativi sono
già stati efficacemente descritti da altri colleghi in
relazione agli specifici settori di interesse quali quello dei metalli strutturali, dei polimeri, dei materiali
per l’elettronica, per l’aeronautica, per la bioingegneria… Non ci resta quindi che scrivere di alcuni
nuovi materiali che, per le loro caratteristiche e
peculiarietà, particolarmente ci appassionano.
All’interno del mondo sempre più vasto dei nanomateriali, anche i tradizionali metalli e i materiali
polimerici hanno trovato negli ultimi anni importanti linee di sviluppo e di applicazione. La ricerca
nei settore dei metalli ha fatto registrare un forte
incremento di interesse verso i cosiddetti metalli
puri e leghe con struttura ultrafine (o metalli nanostrutturati), avente grani cristallini di dimensioni
nel campo della decina di nanometri o comunque
abbondantemente inferiori al micrometro. Il forte
interesse verso tali materiali deriva da un duplice
motivo. In primo luogo è possibile ottenere un
marcato rafforzamento del materiale attraverso la
nota legge di Hall-Petch che lega la resistenza di un
metallo all’inverso della radice della dimensione del
grano. Inoltre, la possibilità di rendere stabili tali
1.
Schema del processo
ECAP nella versione
utilizzabile in laboratorio
(a sinistra): il campione viene
forzato a fluire a temperatura
ambiente tra due canali di
pari sezione che si
intersecano secondo un
angolo generalmente di 90°.
Il metallo trattato subisce forti
deformazioni di taglio tali da
indurre una progressiva
frammentazione dei grani
cristallini fino ad ottenere una
struttura costituita da grani
equiassici estremamente fini.
Nello schema sulla destra si
riporta invece la versione del
processo in continuo, applicata alla produzione di nastro
metallico.
plunger
Guide roll
sample
Upper die
Thin strip
1.45 mm
Z
X
Y
1.55 mm
Feeding roll
1.55 mm
pressed sample
die
strutture ultrafini anche a temperature moderatamente elevate, consente di sfruttare tecniche di formatura superplastica con elevate velocità di deformazione imposta e quindi apre possibilità di produrre componenti sfruttando l’elevata plasticità di
questi metalli in condizioni particolari di deformazione e di temperatura.
Ormai da diversi anni sono stati messi a punto svariati metodi per ottenere metalli a struttura ultrafine quali ad esempio i processi di condensazione da
fase vapore o la macinazione meccanica. Tuttavia, il
forte impeto alla ricerca nel settore dei metalli
nanostrutturati è nato con l’introduzione di alcuni
processi in grado di produrre anche campioni massivi, potenzialmente di elevate dimensioni, superando quella che precedentemente costituiva una
pesante barriera all’effettiva possibilità di applicazione pratica dei metalli ultrafini. Processi quali
l’Accumalative Roll Bonding (ARB) e soprattutto
l’Equal Channel Angular Pressing (ECAP), basati
sull’effetto di intensi tassi di deformazione plastica
impartiti a temperatura ambiente o a temperature
moderatamente elevate, consentono di indurre le
desiderate modificazioni nella microstruttura dei
metalli in modo molto efficace. Attualmente sono
Lower die
in corso in diversi centri di ricerca nel mondo sforzi
per l’industrializzazione di questi processi nel tentativo di inserirli nelle convenzionali linee di trasformazione senza soffrire significative penalizzazioni
sulla produttività.
La possibilità di sintesi di questi materiali nanostrutturati apre ora le porte ad un nuovo mondo,
quello dello studio del loro comportamento per
esempio alle diverse sollecitazioni statiche o dinamiche, ai trattamenti termici e termomeccanici: si
pensi ad esempio a come possano essere differenti
rispetto ai metalli tradizionali le trasformazioni di
fase, la stabilità della struttura stessa, le cinetiche di
ricristallizzazione e di crescita del grano cristallino.
Questo tipo di ricerca viene compiuto su diversi
metalli puri e leghe strutturali di uso anche comune
quali acciai a basso carbonio o microlegati, leghe di
alluminio, di magnesio o di rame.
Presso il Dipartimento di Meccanica del Politecnico
sono in corso programmi di ricerca su questo tema
sia nel campo delle leghe di alluminio sia nel settore
degli acciai. È ormai ben collaudata, tra le prime in
Italia, un’attrezzatura per la produzione di materiali
mediante tecnica ECAP; oltre alla fase di produzio-
81
academic centres to study
microstructure stability
and the effects of thermal
treatments on mechanical
response of the processed
alloys.
Regarding the developments in the field of polymeric materials, during
last years polymer-clay
hybrid nanocomposites
have attracted the interest
of many researchers
because of their remarkable property enhancements relative both to pristine polymers and to
conventional composites.
At the Department of
Chemistry, Materials, and
Chemical Engineering
‘Giulio Natta’, some lines
of research have been
recently developed about
the design, synthesis, processing and characterisation of polymeric nanocomposites and, in a
wider perspective, of
hybrid polymeric mate-
82
rials.
At end of this contribution, it is also worth noticing, the last but not the
least, the meaningful and
innovative process of real
collaboration between
Industrial Design and
Materials Engineering that
is probably one of the
most stimulating events
of the last years at
Politecnico.
Passando poi al campo dei polimeri, uno dei settori
più interessanti è certamente quello dei nanocompositi a matrice polimerica, intesi come materiali
costituiti da più fasi per le quali almeno una dimensione sia di scala nanometrica. Una classificazione
generale, in funzione dei materiali utilizzati, può
comprendere i nanocompositi metallo-polimero e
quelli ceramico-polimero. Anche se le due ultime
classi sono costituite da materiali già molto noti sia
per applicazioni strutturali che funzionali, le analoghe, quando le dimensioni delle particelle della fase
dispersa diventano nanometriche, sono in grado di
offrire proprietà e quindi prestazioni del tutto peculiari e sono oggi considerate degne di grande attenzione da parte di ricercatori accademici
e industriali.
All’interno della categoria dei nanocompositi ceramico-polimero, considerando quante delle tre
dimensioni spaziali possono raggiungere l’intervallo
nanometrico, è possibile distinguere differenti tipologie: le nanoparticelle isodimensionali (per esempio le particelle sferiche ottenibili con le tecniche
sol-gel); i nanotubi, quando due dimensioni sono in
scala nanometrica e la terza è maggiore; e infine la
famiglia per la quale solo una dimensione scende a
livello del nanometro, i cosiddetti nanocompositi
polimerici lamellari. Una grande varietà di precursori cristallini inorganici, sia naturali che sintetici
sono in grado di ‘interagire’ con fasi polimeriche:
tra i più studiati sicuramente alcuni fillosilicati,
quali la montmorillonite, l’ectorite e la saponite.
Come illustrato schematicamente in figura 4,
variando opportunamente la natura dei componenti è possibile passare dai microcompositi a fase separate quando il polimero non è in grado di frapporsi
tra gli strati di silicato, a strutture in cui polimero e
fase inorganica risultano più compatibili. In questo
3.
Modificazioni della cinetica
di invecchiamento misurate
tramite calorimetria
differenziale a scansione
sulla lega di alluminio 6082.
Le curve dei materiali trattati
ECAP si riferiscono, dall’alto
verso il basso, a campioni che
hanno subito 1, 4 e 6 passate.
Lo spostamento della
posizione dei diversi picchi,
corrispondenti alla formazione
o dissoluzione di particolari
precipitati, rende ben evidenti
le profonde modificazioni
indotte della severa deformazione plastica impartita per
affinare il grano cristallino.
0,5
4.
Variando opportunamente
la natura dei componenti
è possibile realizzare
strutture molto differenti
Nanocompostito
esfogliato
Microcomposito
a fasi separate
0,4
Flusso di calore (mW/mg)
ne dei materiali è in corso, finanziata da un recente
progetto MIUR in collaborazione con altri centri
universitari nazionali, l’attività di indagine sulla stabilità della struttura, sulla reazione ai trattamenti
termici e sul risultante comportamento meccanico.
Nelle illustrazioni si mostrano a titolo di esempio il
tipico aspetto di una lega di alluminio a struttura
ultrafine e alcuni tracciati DSC (calorimetria differenziale a scansione) che dimostrano le profonde
modificazioni indotte dall’affinamento della microstruttura sulla sequenza e sulla cinetica di formazione dei precipitati indurenti in una lega di alluminio
[fig. 3].
2.
Micrografia TEM di una lega
di alluminio 6082 prodotta
mediante tecnica ECAP
attraverso l’imposizione di
una deformazione plastica
complessiva a temperatura
ambiente del 400%.
Mentre la lega originaria possedeva un grano cristallino
con dimensione media di
6 m m, la stessa lega dopo
pressatura risultava possedere un grano con dimensione
media di 200 nm.
500 nm
stato solubizzato
0,3
0,2
trattati ECAP
0,1
0
200
250
300
350
400
450
500
550
600
Temperatura (°C)
caso è possibile distinguere tra nanocompositi esfogliati (con il silicato completamente disperso nella
fase polimerica), e nanocompositi intercalati quando il materiale presenta una morfologia multistrato
con le catene polimeriche intercalate nelle gallerie
di fillosilicato.
Presso il Dipartimento di Chimica, Materiali e
Ingegneria Chimica ‘Giulio Natta’ del Politecnico
(C.M.I.C.) negli ultimi anni sono state sviluppate
metodologie di progettazione, preparazione e caratterizzazione fisico-meccanica di nanocompositi sia
esfogliati che intercalati. Per entrambi, l’interazione
tra polimero e fase inorganica è in grado di offrire,
a parità di peso, un notevole miglioramento delle
proprietà termo-meccaniche (aumento del modulo
elastico, innalzamento della massima temperatura
d’uso, diminuzione del coefficiente di espansione),
una ridotta permeabilità ai gas, una migliorata resistenza ai solventi e importanti proprietà fire-retardant. La fortunata combinazione di tali vantaggiosi
effetti ha fatto confluire in questa direzione l’interesse di ampi settori del mercato (e di grandi produttori), con applicazioni che vanno dall’imballaggio (pellicole flessibili e rigide, bottiglie per i quali è
previsto di quadruplicare il mercato di nanocompo-
silicato
stratificato
polimero
Nanocomposto
intercalato
83
5.
Poltrona in polietilene
ottenuta per stampaggio
rotazionale
siti nel quinquennio 2000-2004), all’automobilistico,
dove la possibilità di ottenere pesi ridotti (e quindi
consumi contenuti) congiuntamente a proprietà
antifiamma (con conseguente miglioramento della
sicurezza) costituisce uno degli aspetti di punta
della ricerca nel settore.
In tempi più recenti, nei Laboratori del
Dipartimento C.M.I.C si sono aperte linee di ricerca che allargano la prospettiva fin qui descritta in
una direzione che potremmo dire costituita, in
generale, da materiali polimerici ibridi. Fra questi si
possono citare:
- studi sulla modificazione di interfase dei precursori inorganici per migliorarne la compatibilità con
matrici polimeriche specifiche, quali ad esempio
matrici fluorurate ad alta prestazione (elastomeri
per sistemi di tenuta in condizioni estreme);
- la progettazione di polimeri basati su oligomeri
silsesquiossanici, i cosiddetti POSS, in grado di
modificare la struttura del polimero a livello molecolare attraverso l’impiego di rinforzi poliedrici
(cubi di lato 0.5 nm) opportunamente funzionalizzati e quindi atti ad entrare nel processo di polimerizzazione;
- ultimo, ma non certo meno importante, l’impiego
di nanotubi di carbonio per l’ottenimento di nanocompositi a matrice polimerica. Questi ultimi sono
oggetto di grande interesse anche da parte di
importanti gruppi industriali, perché in grado di
conferire al polimero ospite, già a concentrazioni
estremamente basse, proprietà elettriche e meccaniche non accessibili con le tecnologie convenzionali.
Rimanendo nell’ambito dei materiali ibridi, è giusto
infine ricordare come presso il Dipartimento
C.M.I.C. siano in corso collaborazioni, sia all’interno del Politecnico che con il CNR.
Tra gli altri ci fa piacere segnalare gli studi sulla
progettazione di nuove strutture e morfologie per la
realizzazione di supporti polimerici (scaffold) bioriassorbibili da impiegare per la fabbricazione in
laboratorio di tessuti viventi (vedi capitolo sull’ingegneria dei tessuti biologici), e quelli sulla messa a
punto di nuove strutture polimeriche a migliorata
efficienza per la costruzione di matrici setaccianti o
bio-chip per l’analisi sequenziale del DNA.
Giunti alla fine di questa breve analisi che, comunque non esaustiva, ha affrontato temi di natura prevalentemente ingegneristica e tecnologica, sembra
importante ricordare come la cultura dei materiali
sia oggi al centro di un interessante processo di
84
avvicinamento tra il mondo dell’ingegneria e quello
del disegno industriale. Questo processo, iniziato al
Politecnico su un piano eminentemente didattico
una decina di anni fa, ha portato ad un sempre più
frequente scambio di punti di vista, scambio che in
questa sede sembra giusto considerare come un elemento reale di crescita e innovazione per la cultura
dei materiali, soprattutto in ambito accademico.
Da una parte, questi ultimi anni hanno visto, per
esempio nel caso delle materie plastiche, il definitivo consolidarsi di tendenze che portano le forme ad
essere non più necessariamente arrotondate, le tinte
non più vincolate ai colori primari, le superfici non
più unicamente lucide, ma sempre più spesso calde
e opache, realizzate per assecondare anche le più
estreme esigenze estetiche e funzionali. È il momento del techno-gel, del soft-touch e del tentativo sempre più in voga di personalizzare ogni dettaglio.
In realtà ciò avviene parallelamente alla diffusione
di una crescente consapevolezza da parte di ingegneri e designer che questo tipo di prestazioni è realizzabile più concretamente passando attraverso una
reale interdisciplinarità. Questa, per quanto attiene
ai materiali, significa non solo la profonda conoscenza delle relazioni tra struttura del materiale e
proprietà, fondamento per una corretta selezione
dei materiali esistenti e per lo sviluppo di altri ancora da pensare, ma anche, e soprattutto, la consapevolezza che le caratteristiche di un materiale, sia
esso un polimero o metallo, possono essere modificate attraverso il processo di lavorazione. Ed è da
questa crescente ricerca della relazione tra le proprietà finali e, in generale, l’intero ciclo di vita di un
materiale che nascono e si sviluppano nuove sensibilità. Particolarmente importanti ci sembrano da
ricordare il rilancio di temi legati allo sviluppo
sostenibile (inteso appunto come ridefinizione dei
criteri di progettazione in una logica di analisi del
ciclo di vita) e all’utilizzo di tecnologie e materiali
che l’ingegneria non considera più, per i suoi scopi,
così innovativi. È questo certamente il caso della
massiccia diffusione dello stampaggio rotazionale
(tecnologia complessivamente semplice e, di per sé,
non così innovativa) di materiali di larghissimo
consumo (il polietilene, primo fra gli altri) per la
costruzione di prodotti anche di design ‘firmato’ e
comunque di alto livello progettuale, allo scopo di
renderli fruibile, grazie all’abbassamento dei costi,
anche un pubblico più vasto.
Ci piace, così, concludere con quello che si vorrebbe
un auspicio per tutti, ideato dal fondatore, nel 1949,
di una delle più famose aziende italiane nel settore
delle materie plastiche per il design, illustre ingegnere chimico: “Noi ci lanciamo in quella sperimentazione sempre proiettata verso il futuro, che è il
nostro mestiere. Che è poi una sperimentazione di
design, nel suo significato più completo, e vuole arrivare a quella difficile sintesi tra tecnologia e disegno,
tra economicità e risposta ad una esigenza sociale”.
85
Materiali innovativi
Vastissimo è il settore di materiali innovativi che
vengono oggi offerti per le più svariate applicazioni.
Negli ultimi anni il Politecnico di Milano ha focalizzato la propria attenzione ed ha iniziato ad investire
nel settore dei nanomateriali. In questo capitolo
vengono presentate, in modo necessariamente sintetico, alcune delle attività oggi in fase di pieno svolgimento presso diversi gruppi di ricerca del
Politecnico stesso.
Giuseppe Zerbi
Nanomateriali
Nanomateriali organici
policoniugati
Polyconjugated organic
nanomaterials.
Innovative Materials,
within the Politecnico of
Milano several groups
have focused their attention at various kinds of
innovative materials
which may give a substancial contribution to
fronteer Science while
offering industries opportunities for new technologies.
Great attention has been
paid by a a few groups of
the Politecnico di Milano
to the theoretical and
experimental aspects of
nanoscience and nanotechnology. It is well
known that peculiar
physics and chemistry
develop from atoms or
molecules when they are
self-aggregated into nanosized objects. Electron
and phonon confinment
either in ordered or
strongly disordered selfaggregated materials play
the main role in generating and modulating peculiar properties which can
be exploited for new devices and new technologies.
Since 1980 the research
group coordinated by
G.Zerbi has contributed to
the field focusing at the
theoretical quantum chemical prediction of new
86
materials, later obtained
by synthesis and characterized in all the aspects
relevant to the field.
Structure-property (electrical and non linear optical) relations have been
derived for the class of
nanosized “one dimensional” polyconjugated
systems. Nanosized materials have been especially
invented for applications
in photonics, thus attracting the interest of industries mainly dealing with
the development of waveguides. A constructive collaboration with the laboratory CORECOM of the
Politecnico has been established.
The class of linear photochromic materials is at
present matter of active
studies within the group
opening the way to innovative materials for the
optical recording and
treatment of information:
a project is under way Il mondo della scienza e tecnologia dei materiali
deve affrontare oggi la sfida della scoperta di nuove
forme di aggregazione della materia che offrono
nuove proprietà fisiche e chimiche che, se opportunamente studiate, aprono vastissimi orizzonti innovativi alla tecnologia ed all’industria. I premi Nobel
assegnati nel 1987 a Cram-Pedersen e Lehn (per la
dimostrazione ed uso dell’autoassemblaggio delle
molecole), nel 1996 a Curl-Kroto e Smalley (per la
scoperta dei fullereni) a Shirakawa-HeegerMcDiarmid (2000, per i materiali organici policoniugati) hanno dimostrato ai ricercatori universitari
e dell’industria che su queste nuove forme della
materia, generalmente indicate come “nanomateriali” si svilupperà il futuro delle tecnologie innovative.
Gli Stati Uniti ed il Giappone hanno stanziato enormi fondi per sostenere le ricerche specificamente
nel settore dei nanomateriali; tra le sei tematiche
selezionate nel sesto programma quadro della
Unione Europea troviamo che notevoli stanziamenti sono stati riservati alle ricerche sui Nanomateriali
e nanotecnologie. I programmi del MIUR sostengono con rispettabili stanziamenti (COFIN, FIRB)
queste ricerche. Anche il Politecnico di Milano ha
deciso da tempo di fare alcuni investimenti nel settore dei Nanomateriali e Nanotecnologie come
verrà qui di seguito indicato.
Quanto all’industria, senza ricorrere alla mitizzata
industria americana, possiamo ricordare che in una
riunione (indetta dalla Scuola di Dottorato del
Politecnico di Milano) di rappresentanti delle più
rilevanti aziende italiane alcuni grandi gruppi industriali hanno chiaramente affermato che se le loro
aziende non si impegnassero a fondo nello studio,
sviluppo ed applicazione di nanomateriali fra dieci
anni si troverebbero fuori dal mercato. Essi quindi
richiedono al Politecnico ricerche innovative e trasmissione alle nuove generazioni di una cultura di
base ed applicata nel settore specifico.
È noto a tutti che le proprietà degli atomi (di
dimensione dell’ordine di frazioni di nanometri (1
nm ~10-9 m) cambiano drasticamente se sono organizzati in una specifica molecola (dimensione 1-5
nanometri) o in una struttura generalmente cristallina (metalli). Già Faraday aveva scoperto che
sospensioni nanometriche di particelle di oro si
presentano con brillanti colorazioni diverse a seconda delle dimensioni medie delle particelle. Vetri
variamente colorati basati su particelle d’oro erano
prodotti fin dal quindicesimo secolo. Oggi sappiamo che in particolari condizioni gli atomi o le
molecole si possono autoaggregare (o possono essere fatte aggregare) in strutture “supermolecolari” di
dimensione nanometrica generando nuove proprietà fisiche e chimiche mai prima realizzate dalla
scienza e tecnologia dei materiali tradizionali. La
ragione di queste proprietà straordinarie può essere
facilmente spiegata qualitativamente ricordando che
tutta la materia sta insieme perché le forze (in genere di carattere elettrostatico) che agiscono fra elettroni/nuclei, atomi/molecole e molecole/molecole
generalmente si estendono a lunghe distanze all’interno della materia portando il sistema in una specifica struttura di equilibrio che poi esplica le sue
proprietà dinamiche, elettriche, ottiche, magnetiche
ecc. Per i cristalli o le grandi molecole dei polimeri
possiamo parlare di fenomeni “collettivi”. Se la tecnologia è capace di avvicinare un numero limitato
di atomi o molecole il nuovo aggregato che si forma
dovrà trovare una nuova e diversa geometria di
equilibrio esplicando proprietà completamente
nuove associate alla “localizzazione” delle interazioni entro uno spazio ristretto.
Emerge così la fondamentale importanza di sviluppare nuove opportune tecnologie per la produzione
di questi nanomateriali che presenteranno proprietà
fisiche e chimiche diverse da applicare (e numerose
sono le applicazioni già sperimentate) nei più svariati settori della metallurgia, dei materiali ceramici,
delle plastiche, dei materiali per l’edilizia e in vasto
settore dei materiali organici. Questi materiali innovativi hanno dato origine a numerosi campi nuovi
come l’elettronica molecolare, la spintronica, la
fotonica, la sensoristica, la bioelettronica, la nanomeccanica; gli aggregati molecolari organici sono
alla base dei meccanismi biologici,del meccanismo
della visione, della fotocatilisi e della fotochimica.
Al Politecnico di Milano pochi sanno che il premio
Nobel Natta (1963) non ha solo dato un contributo
fondamentale nel settore della scienza e tecnologia
for the development of
nanomaterials which form
the basis of re-writable
and erasable optical
memories with non
destructive reading.
Recently the same photocromic materials have
attracted the interest of
astronomy and astrophysics (especially for space
research) for the possibility of producing rewritable optical masks and
holographic gratings.
Masks have been already
fabricated and are being
tested.
It is known that such polyconjugated nanomaterials
become good electrical
conductors if suitably
doped. A great synthetic
effort has been made
within the group for producing polyconjugated
mterials suitable for the
fabrication of “artificial
noses” and photovoltaic
cells. Moreover, recently
Siemens in Germany is
producing all plastic devices containing microtransistors made with the
polyconjugated plastic
materials developed also
in our group.
More recently our interest
has expanded from onedimensional to twodimensional nano objects
consisting of condensed
polyaromatic rings (PAH)
which can be considered
as chunks (with well
known shape and dimensions) of graphite. The
work is carried out in collaboration with the Max
Planck Institut of Mainz,
Germany. This study
opens a complementary
approach to the study of
nanotubes carried out by
the group of professor
Bottani at the Politecnico
(see below). More important, these nanomaterials
have openeded a second
line of research on their
properties for 87
delle “materie plastiche”, ma (nel 1958) ha anche
posto le basi e fornito gli strumenti chimici per la
creazione di materiali che solo dal 1975 sarebbero
diventati i prototipi dei nanomateriali organici
(polimeri organici come il poliacetilene, se drogati,
conducono corrente come il Rame e sono per questo classificati come “metalli” organici). Le proprietà
elettriche ed ottiche di questa classe di nanomateriali permettono la produzione ormai commerciale
di microdispositivi elettrici ed ottici.
Ricerche nel settore vengono svolte anche al
Politecnico di Milano. Le competenze presso il
Politecnico coprono, in parte o pienamente, i diversi
aspetti della scienza e tecnologia dei nanomateriali.
Si tratta di capire con metodi teorici e di calcolo la
fisica dei fenomeni associati alle nanodimensioni, di
sviluppare tecnologie e metodiche per la preparazione dei nanomateriali oggetti di studio, di sviluppare metodi di opportuna caratterizzazione significativi per lo sviluppo di dispositivi. Lo sviluppo dei
prototipi di dispositivo ed il successivo avvio verso
la produzione costituisce la terza fase di questa
ricerca dove scienza e tecnologia sono complementari e coprono un ampio arco di competenze interdisciplinari.
Nanomateriali Organici Policoniugati
Fin dal 1980 il gruppo coordinato da Giuseppe
Zerbi, con la collaborazione preziosa della prof.sa
Maria Cristina Gallazzi per la parte chimica, ha
contribuito al settore mirando a specifiche linee di
ricerca dove le proprie competenze interdisciplinari
potevano trovare ampio respiro innovativo e propositivo per eventuali sviluppi industriali. La comprensione dei fenomeni fisici tradotti in una modellistica quantistica ed elaborazione numerica ha permesso di razionalizzare le peculiari proprietà ottiche di nanostrutture dette “monodimensionali”
mettendo le basi per la progettazione di nuovi
materiali proponibili per la fotonica. Le competenze
chimiche derivate dalla Scuola di Natta hanno permesso la sintesi dei nuovi materiali progettati che
sono stati successivamente ampiamente caratterizzati. Un settore specifico di ricerca è quello dei nano
materiali per la fotonica; per questo campo di applicazioni l’industria ha mostrato particolare interesse
per alcuni dei materiali fotocromici, progettati,
ottenuti e caratterizzati nel gruppo. In collaborazione con il CORECOM sono stati caratterizzati nuovi
nanomateriali organici policoniugati prodotti dal
88
gruppo e proposti per la fabbricazione di guide
d’onda oggi richieste dalla fotonica. I nanomateriali
fotocromici lineari ottenuti, ed oggi ancora oggetto
di studio, presentano proprietà favorevoli allo sviluppo di dispositivi per la registrazione ed elaborazione dell’informazione e permettono la costruzione di “memorie ottiche riscrivibili e cancellabili con
lettura non distruttiva”. Lo sviluppo della tecnologia
di “near field” offre la possibilità di utilizzo di questi
materiali per nuovi dispositivi tipo DVD. Le particolari proprietà ottiche di alcuni dei nanomateriali
fotocromici preparati hanno suscitato l’interesse nel
mondo dell’astronomia (di particolare rilevanza per
ricerche spaziali) ed hanno portato alla fabbricazione di “maschere fotocromiche riscrivibili” e di “reticoli olografici riscrivibili”. Le maschere sono già
state montate su telescopi per le verifiche “in
campo”.
Una delle caratteristiche fondamentali dei nanomateriali policoniugati è la possibilità di renderli altamente elettroconduttori mediante drogaggio.
L’interesse del nostro gruppo (in collaborazione con
altri Atenei o gruppi industriali) si è rivolto all’ottenimento di materiali per la sensoristica per lo sviluppo di “nasi artificiali”, al settore del fotovoltaico
per lo studio di opportune celle e al settore dei
transistor. La Siemens in Germania ha ottenuto dispositivi interamente di plastica costituiti da un
insieme di micro transistor di plastica contenenti
come sostanze attive politiofeni sviluppati anche nel
nostro gruppo.
Più recentemente le competenze acquisite in anni su
nano-oggetti organici monodimensionali hanno
permesso di affrontare, su base molecolare e con un
approccio teorico diverso, le proprietà dinamiche ed
ottiche di nanomateriali “bidimensionali” quali la
grafite ed i materiali grafitici ordinati o disordinati
oggi al centro dell’interesse di ampi settori della tecnologia. Il lavoro (teorico e sperimentale) del gruppo è stato focalizzato alla comprensione delle relazioni fra proprietà e struttura al fine di poter ottenere nanomateriali grafitici con proprietà ottimali.
Di fondamentale importanza è la collaborazione
con l’Istituto Max Planck di Mainz, Germania, dove
vengono prodotti nanomodelli molecolari della grafite (PAH, idrocarburi poliaromatici).
Più recentemente i risultati ottenuti hanno ovviamente aperto la strada allo studio dei nanotubi di
carbonio offrendo un supporto complementare agli
studi già affrontati con successo presso il
Politecnico di Milano nel gruppo diretto dal prof.
Bottani (vedi articolo che segue). I lavori dei due
gruppi Bottani e Zerbi hanno ottenuto un riconoscimento da parte del MIUR con sostanziali finanziamenti FIRB.
La possibilità di “drogare” questi nanomateriali
bidimensionali “grafitici” e la disponibilità di strumenti teorici e sperimentali sviluppati in precedenza nel gruppo per i nanomateriali organici ha portato a studiare i fenomeni di fisiassorbimento e chemiassorbimento che possono avvenire sulle superfici nano-grafitiche. Con il finanziamento della
Unione Europea il Prof. Zerbi coordina un
Consorzio internazionale costituito dal proprio
gruppo e da partners di diverse nazioni europee che
lavora sul progetto MAC-MES (Molecular
Approach to novel Carbon based Functional
Materials) mirato all’utilizzo di questi materiali per
due specifici problemi di ovvia ed attuale rilevanza
tecnologica: a) storage di Idrogeno per applicazioni
automobilistiche, b) sviluppo di una nuova generazione di batterie al Litio per energy storage.
Fa particolarmente piacere rendere edotti i lettori di
questa rivista che uno dei giovani laureati in ingegneria dei Materiali nel nostro gruppo, dopo due
anni di post dottorato, è stato recentemente chiamato al MIT (Massachussets Institute of Tecnology,
USA) come professore per svolgere ricerche nel settore dei Nanomateriali e per tenere il primo corso al
MIT di Nanomateriali e Nanotecnologie.
physisorpion or chemisorption of molecular
hydrogen. Under EU contract Prof. Zerbi is a coordinator of a project MACMES (Molecular Approach
to Novel Carbon based
Functional Materials)
aimed at storage of
Hydrogen for automotive
needs and of Lithium for
“energy storage”.
Last, but not the least, it is
very pleasing to announce
that one of the students of
the Politecnico who
recently graduated in our
group is at present professor at MIT (USA) and
will teach the first course
on nanomaterials and
nanotechnology.
89
Materiali nanostrutturati
assemblati da cluster
Nanostructured
materials assembled
by cluster
The discovery of fullerenes (high symmetry carbon clusters, e.g. C60)
roughly twenty years ago
by R.E. Smalley and H.F.
Kroto opened a new era
for atomic and molecular
physics and for the materials science.
Atomic and molecular clusters possess new and
extraordinary properties
when compared to bulk
materials. Today clusters
of different atoms can be
produced with a variety of
techniques and assembled to form a new class
of nanostructured materials, usually in the form
of a thin film deposited on
a proper surface to be
functionalized. The peculiarity of these materials
stems from the unique
properties of the small
building blocks and from
the complex mesoscopic
structure resulting from
cluster-cluster and clustersurface interactions.
One of the most promising deposition techniques exploits a pulsed
cluster source (vaporization of the material via an
arc discharge), followed
by a supersonic expansion of an inert gas beam
which focuses (with a gas
90
dynamics effect) and
transports the clusters to
the substrate.
The laboratory LAMINA,
resulting from the integration of the Micro- and
Nano-structured Materials
Laboratory (Politecnico di
Milano) and the Molecular
Jets and Nanocrystalline
Materials Laboratory
(Università degli Studi di
Milano), has a consolidated experience in the production, deposition and
characterization (Raman
and Brillouin scattering,
atomic force microscopy)
of cluster-assembled carbon and transition metal
oxide nanostructured thin
films, grown by means of
a supersonic beam cluster
source.
Films produced with this
technique are characterized by a low density and
a high specific surface,
and promising applications of their properties
are being studied, in 1.
Raman spectra of
nanostructured carbon films
deposited by a supersonic
cluster beam, measured ex
situ (dotted) and in situ in
UHV conditions (continuous).
For the second spectra, we
have indicated the two fitting
curves identifying the
cumulene (left) and polyyne
(right) contributions.
La figura è tratta dal
riferimento 1. Il picco doppio
attorno a 2100 cm-1 è legato
alle carbine (vedi oltre)
Ex situ measurement
In situ measurement
D + G peak
Intensity (a.u.)
Carlo Enrico Bottani
Paolo Milani
Circa vent’anni fa R.E.Smalley e H.F.Kroto stavano
studiando la natura della materia interstellare, cercando di sintetizzare in un laboratorio terrestre
nuove strutture molecolari a base di carbonio con
caratteristiche spettroscopiche uguali a quelle trovate nei segnali provenienti dallo spazio interstellare e
non ancora identificate. Vaporizzando con un
impulso laser della grafite pura produssero un plasma caldo di carbonio. Gli ioni di carbonio eccitati
furono fatti collidere con quelli di un gas inerte per
diminuirne l’energia. In un intervallo di tempo di
30 – 200 ms gli atomi di carbonio, ora più freddi,
formavano nanostrutture complesse con un numero variabile di atomi, da poche unità sino a qualche
centinaio. Gli spettri di massa mostravano, al crescere del tempo di coalescenza, una progressiva prevalenza di cluster costituiti da 60 atomi di carbonio.
Qualche anno più tardi, per mezzo della risonanza
magnetica nucleare, fu possibile confermare l’ipotesi iniziale dei ricercatori e identificare con certezza
una nuova molecola ad altissima simmetria: il C60, il
più famoso dei fullereni (così vengono chiamati i
cluster di carbonio con struttura a gabbia chiusa).
La scoperta fruttò il premio Nobel a Smalley e a
Kroto (di quest’ultimo ricordiamo la bella conferenza di pochi anni fa nel nostro Ateneo) e aprì un
nuovo settore nella fisica atomica e molecolare e,
poi, nella scienza dei materiali. Oggi fasci di cluster,
monoatomici e non, vengono utilizzati per produrre nuovi materiali nanostrutturati, in genere sotto
forma di film sottili. Mediante l’assemblaggio di cluster si possono ottenere superfici che coniugano le
uniche proprietà dei singoli cluster (di cui il materiale finale conserva memoria) con quelle del film
mesoscopico risultante dalle interazioni tra cluster
diversi e dall’adesione al substrato da funzionalizzare. Una delle tecniche più promettenti sfrutta sorgenti pulsate di cluster che emettono un fascio
supersonico di atomi neutri che trasporta e
focalizza, sfruttando tecniche gasdinamiche, i cluster
prodotti sino alla superficie su cui si vuole deporre
il film nanostrutturato. Particolarmente studiati
sono i cluster di carbonio e quelli degli ossidi dei
metalli di transizione (per esempio l’ossido di titanio). I film prodotti con queste tecniche hanno una
bassa densità ed un’elevatissima area specifica. Le
applicazioni più promettenti sono nei settori della
tribologia, della catalisi, della fotocatalisi e dello storage di idrogeno ma, notevolissime, sono anche le
proprietà elettroniche di questi film: si pensa a
materiali per supercondensatori ad alta densità di
1000
C peack
cumulene
1250
1500
1750
2000
Raman shift (cm-1)
poyyne
2250
2500
potenza (immagazzinamento di energia a basso
impatto ambientale) e per pannelli ultrapiatti che
sfruttano l’emissione di elettroni per effetto di
campo. Nell’ambito di una specifica Convenzione
sulle Nanotecnologie tra il Politecnico di Milano e
l’Università degli Studi di Milano, siglata nel 2002,
opera in questo settore il laboratorio LAMINA
(LAboratorio Milanese NAnoaggregati). Il
Laboratorio è il risultato dell’integrazione tra il
Laboratorio Materiali Micro- e Nano-Strutturati del
Dipartimento Ingegneria Nucleare del Politecnico
di Milano, diretto dal Prof. C.E. Bottani, e il
Laboratorio Getti Molecolari e Materiali
Nanocristallini del Dipartimento di Fisica
dell’Università degli Studi di Milano, diretto dal
Prof. P. Milani. Tutti i ricercatori coinvolti appartengono anche all’Istituto Nazionale per la Fisica della
Materia – INFM. Il laboratorio LAMINA sta costituendo anche un nucleo di aggregazione per altri
laboratori milanesi operanti nel settore dei materiali
nanostrutturati.
Recentemente, nell’ambito delle attività di LAMINA, sono stati sintetizzati e identificati mediante
scattering Raman in situ (vedi figura) nuovi
nanoaggregati di carbonio metastabili filiformi
collaboration with different international research
and industrial groups, in
the field of tribology,
catalysis, photocatalysis,
hydrogen storage, field
emission for flat panel
displays, high power
supercapacitors, fuel cells,
gas sensors.
Among recent results we
here just recall the
synthesis and identification of new metastable
linear carbon aggregates
(carbines), and the measurement of acoustic phonons and elastic properties of single-walled carbon nanotubes.
91
2.
Scattering dinamico
di luce laser da nanotubi
di carbonio.
Il secondo inserto
in basso a destra è tratto
dal riferimento 2.
Giuseppe Allegra
Ordinario di Fondamenti
chimici delle tecnologie
Dipartimento di Chimica,
Materiali e Ingegneria
Chimica "Giulio Natta"
100000
Intensity (a.u.)
10000
Giulia Baronio
Associato fuori ruolo
di Restauro
Dipartimento di Ingegneria
Strutturale
1000
100
1000
2000
3000
Raman shift (cm-1)
Single wall carbon nanotube:
from light sattering
to nanoelastic properties
1200
Intensity (a.u.)
(carbine) e misurati i primi segnali di scattering di
luce laser da fononi acustici di singoli nanotubi di
carbonio. Questi nuovi risultati sono pubblicati su
Physical Review Letters e Physical Review B. Nel
secondo caso l’articolo vede, come coautore, il premio Nobel R.E.Smalley della Rice University USA.
Si tratta di una delle collaborazioni internazionali di
LAMINA. Tra le principali si cita anche quella con
l’Engineering Department della University of
Cambridge UK.
Luigia Binda
Ordinario di Restauro
Dipartimento di Ingegneria
Strutturale
Marco Virginio Boniardi
Straordinario di Metallurgia
Dipartimento di Meccanica
Carlo Enrico Bottani
Straordinario
di Fisica della Materia
Direttore Dipartimento
Ingegneria Nucleare "Cesnef"
Carlo Caprile
Ordinario di Costruzioni
e strutture aerospaziali
Dipartimento di Ingegneria
Aerospaziale
800
400
40
80
120
160
200
240
Giuliana Cardani
Dottoranda in Conservazione
dei beni architettonici
Brillouin shift (GHz)
[1]
L.Ravagnan, F.Siviero,
C.Lenardi, P.Milani, C.Casari,
A.Li Bassi and C.E.Bottani
Cluster Beam Deposition and
in situ Characterization of
Carbyne-rich Thin Films
Phys. Rev. Lett. 89, 285506
(2002)
92
[2]
C.E.Bottani, A.Li Bassi,
M.G.Beghi, A.Podestà,
P.Milani, A.Zakhidov,
R.Baughman,
D. A. Walters and R. E.
Smalley
Dynamic light scattering from
acoustic modes in single-walled carbon nanotubes
Phys. Rev. B, in press (2003)
Pietro Luigi Cavallotti
Ordinario di Metallurgia
Dipartimento di Chimica,
Materiali e Ingegneria
Chimica "Giulio Natta"
Alberto Cigada
Ordinario di Scienza
e tecnologia dei materiali
Direttore Dipartimento
di Chimica, Materiali
e Ingegneria Chimica
"Giulio Natta"
Alfredo Cigada
Straordinario di Misure
meccaniche e termiche
Dipartimento di Meccanica
Paolo Clerici
Ordinario di Progettazione
meccanica e Costruzione
di macchine
Dipartimento di Meccanica
Sergio Croce
Ordinario di Architettura
tecnica
Building Environment
sciences and technologies
Pietro Gambarova
Ordinario di Tecnica delle
costruzioni
Dipartimento di Ingegneria
Strutturale
Elsa Garavaglia
Ricercatore di ruolo
confermato di Scienza
delle costruzioni
Dipartimento di Ingegneria
Strutturale
Elisabetta Gariboldi
Associato confermato
di Metallurgia
Dipartimento di Meccanica
Vittorio Giavotto
Ordinario di Costruzioni
e strutture aerospaziali
Dipartimento di Ingegneria
Aerospaziale
Marinella Levi
Associato di Scienza
e tecnologia dei materiali
Dipartimento di Chimica,
Materiali e Ingegneria
Chimica "Giulio Natta"
Luciano Lazzari
Associato di Scienza
e tecnologia dei materiali
Dipartimento di Chimica,
Materiali e Ingegneria
Chimica "Giulio Natta"
Paolo Milani
Straordinario di Fisica della
Materia
Università degli Studi
di Milano
Laura Vergani
Straordinario di Progettazione
meccanica e costruzioni
di macchina,
Dipartimento di Meccanica
Walter Nicodemi
Ordinario di Metallurgia
Dipartimento di Meccanica
Giuseppe Zerbi
Ordinario di Scienze
e Tecnologie dei Materiali
Dipartimento di Chimica,
Materiali e Ingegneria
Chimica " Giulio Natta"
Pietro Pedeferri
Ordinario di Scienza
e tecnologia dei materiali
Dipartimento di Chimica,
Materiali e Ingegneria
Chimica "Giulio Natta"
Riccardo Pietrabissa
Straordinario
di Bioingegneria industriale
Dipartimento di Bioingegneria
Giuseppe Sala
Straordinario di Costruzioni
e strutture aerospaziali
Dipartimento di Ingegneria
Aerospaziale
Maria Cristina Tanzi
Associato di Bioingegneria
Industriale
Dipartimento di Bioingegneria
Cristina Tedeschi
Dottoranda in Conservazione
dei Beni architettonici
Giuseppe Turchini
Ordinario di Architettura
tecnica
Preside Facoltà di Ingegneria
Edile-Architettura
Carlo Urbano
Ordinario di Scienza
delle costruzioni
Dipartimento di Ingegneria
Strutturale
Maurizio Vedani
Straordinario di Metallurgia
Dipartimento di Meccanica
Eventi e manifestazioni
La Settimana del Design:
Lauree ad honorem e inaugurazione di nuovi laboratori nel
Campus Bovisa.
Nella cornice di un'area che
fino a pochi anni fa si caratterizzava come zona industriale
dismessa e che oggi sta
vivendo, grazie all'insediamento del Politecnico, una
fase di rinascita e sviluppo, si
è svolta dal 30 ottobre al 6
novembre 2002 la Settimana
del Design. Un'iniziativa di
richiamo internazionale che si
è aperta e conclusa con il conferimento delle lauree ad
honorem a cinque esponenti
di spicco del design italiano
Vico Magistretti, Angelo
Mangiarotti, Enzo Mari,
Giancarlo Iliprandi e Sergio
Pininfarina.
A testimoniare la sua crescente attenzione verso un settore
di grande richiamo come
quello del Design e all'area
della Bovisa, l'Ateneo ha inaugurato nel corso della
Settimana il nuovo edificio N
che ospiterà laboratori strumentali di supporto alla ricerca e alla didattica (modellazione fisica e prototipazione, virtual prototyping & reverse
modeling, allestimenti ed
exhibit design, immaginesezioni Foto e Video, ecc).
I nuovi spazi hanno ospitato
la mostra Prodotti e progetti
innovativi per la luce e una
rassegna di film-documentari
di architettura e design.
Lunedì 25 novembre 2002 il
Politecnico di Milano ha inaugurato il suo 140° anno accademico.
La cerimonia, che ha visto la
partecipazione dell'On. Guido
Possa, Viceministro
dell'Istruzione, dell'Università
e della Ricerca, si è tenuta
nell'Aula S01 della sede storica di Milano - Leonardo.
94
Dopo il saluto del Decano
Prof. Emanuele Biondi, il
Rettore Giulio Ballio ha tenuto
il discorso inaugurale cui è
seguito l'intervento
dell'On. Guido Possa.
La cerimonia è proseguita con
gli interventi del Direttore
amministrativo Dott. Piero
Zanello e del Presidente del
Consiglio degli Studenti
Tommaso Minola. La prolusione è stata affidata al Prof.
Flaviano Celaschi, docente di
Disegno industriale, che ha
illustrato Il contributo politecnico al sistema design.
Martedì 10 dicembre 2002
nell'Aula S01 dell'Ateneo si è
svolta la cerimonia di conferimento delle Lauree ad honorem in Ingegneria dei materiali a Steno Marcegaglia ed in
Ingegneria chimica a Giorgio
Squinzi.
Dopo i saluti del Rettore, il
Professor Walter Nicodemi ha
tenuto la Laudatio che ha
introdotto la Lectio di Steno
Marcegaglia Innovazioni nelle
tecnologie metallurgiche.
Il professor Sergio Carrà ha
tenuto in seguito la Laudatio
per Giorgio Squinzi autore
della Lectio La chimica
delle formulazioni: sfida e
opportunità della chimica
italiana per il nuovo secolo.
Nato il 9 agosto 1930 a San
Giovanni Ilarione (Vr), Steno
Marcegaglia avvia la sua attività nel 1959. Oggi il Gruppo
Marcegaglia è una realtà industriale e finanziaria leader in
Europa nella lavorazione dell'acciaio e conta 48 insediamenti produttivi in Italia e
all'estero, più di 5 mila dipendenti ed un fatturato aggregato di due miliardi di euro.
Giorgio Squinzi, nato il 18
maggio 1943 a Cisano
Bergamasco, dal 1984 è
Amministratore Unico della
Mapei, società fondata dal
padre nel 1937. Presidente di
Federchimica, da giugno 2002
riveste la carica di Presidente
di ABM (Assembly Business
Member).
Il 2002 è stato un anno importante per la ricerca del
Politecnico nel settore della
Fisica.
I ricercatori del National
Laboratory of Ultrafast and
Ultraintense Optical Science
(ULTRAS), centro di ricerca e
sviluppo dell’Istituto
Nazionale per la Fisica della
Materia (INFM) realizzato in
compartecipazione con il
Dipartimento di Fisica del
Politecnico di Milano, hanno
stabilito il nuovo record di
durata per impulsi di luce
laser nel visibile.
Si tratta dell’evento artificiale
più breve finora prodotto dall’uomo, pari a poco più di tre
femtosecondi, ovvero tre
milionesimi di miliardesimo di
secondo, ottenuto grazie ad
una tecnica messa a punto dal
centro ed ora utilizzata in vari
laboratori di ricerca in Europa,
negli Stati Uniti e in
Giappone. Questo risultato,
frutto anche della collaborazione con ricercatori del
Politecnico di Zurigo, pone il
nostro Paese all'avanguardia
mondiale nel campo dell'ottica ultrabreve. Questi studi,
pubblicati dalla prestigiosa
rivista internazionale Science
nel numero del 20 dicembre
2002 e condotti in collaborazione con ricercatori
dell’Università di Glasgow,
aprono nuovi scenari nella
comprensione del processo
iniziatore del fenomeno di
fotosintesi.
Martedì 18 febbraio 2003 è
stato inaugurato nella sede di
via Mancinelli del Politecnico
di Milano il laboratorio di
Biocompatibilità e Colture
Cellulari BioCell.
La nascita del nuovo laboratorio rappresenta un esempio
dell'interazione sinergica tra
due dipartimenti del
Politecnico: Chimica, Materiali
e Ingegneria Chimica "Giulio
Natta" e Bioingegneria.
Dotata di apparecchiature diagnostiche all'avanguardia, la
nuova struttura consentirà
non solo lo sviluppo delle attività di ricerca nel settore ma
anche l'acquisizione delle
nozioni di base sulle metodologie adottate nei laboratori di
colture cellulari.
hanno preso parte alla cerimonia di inaugurazione, oltre
al Rettore Ballio, il Direttore
del Dipartimento di Chimica,
Materiali e Ingegneria
Chimica "Giulio Natta" Alberto
Cigada, il Direttore del
Dipartimento di Bioingegneria
Sergio Cerutti, la
Responsabile del Laboratorio
BioCell Carmen Giordano, il
Decano del Politecnico di
Milano Emanuele Biondi e
Giulio Cossu di Dibit,
Ospedale San Raffaele di
Milano.
Mercoledì 29 gennaio 2003 il
Rettore del Politecnico Giulio
Ballio ha ricevuto nell'Aula
Magna dell'Ateneo Sua
Maestà Gustavo XVI di Svezia
accompagnato da una delegazione della Royal Swedish
Academy of Engineering
Sciences (IVA).
In Italia per un breve sopralluogo delle maggiori realtà
tecnologico - scientifiche con
cui avviare programmi di collaborazione futura, la massima autorità svedese ha potuto
conoscere la storia e sondare
le potenzialità dell'Ateneo grazie alle relazioni descrittive del
Rettore Prof. Giulio Ballio, Il
Politecnico di Milano dal 1863,
del Prof. Mario Martinelli,
Direttore del Corecom La collaborazione nel campo della
fotonica, della Prof.ssa Luisa
Collina della Facoltà del
Design, del Dr. Paolo Alli,
Direttore generale del settore
Ricerca e Innovazione tecnologica della Regione Lombardia
che ha illustrato la politica per
la ricerca e l'innovazione in
Lombardia.
Riportiamo di seguito parte
dell'intervento della
Professoressa Luisa Collina,
Il sistema di relazioni tra università PMI e sistemi produttivi locali nel campo del design.
"Dal 1993, anno in cui è stato
fondato il Corso di Laurea e
dal 2000, anno in cui è stata
istituita, al Politecnico, la
prima Facoltà di Design italiana, la disciplina del design ha
costituito una sorta di “ponte”
tra la vocazione culturale e
creativa della scuole di architettura e quella scientifica e
tecnologica dell’ingegneria,
assumendo un modello, formativo e di ricerca, caratterizzato da un approccio “politecnico” al progetto. Un progetto
di design che non si focalizza
sul singolo prodotto, ma che
assume una dimensione sistematica, intervenendo in differenti modi e con diversi livelli
di responsabilità lungo l’intero processo di creazione del
valore del prodotto: dall’individuazione, meglio dall’anticipazione dei bisogni, ai modi
con cui oggi si accompagna
l’approdo del prodotto al mercato.
In questa prospettiva agisce il
design strategico, che si fonda
sul dialogo creativo tra management, tecnici e designers
volto all’integrazione del sistema prodotto nelle strategie
imprenditoriali.
Il design può essere a tutti gli
effetti considerato come un
fattore competitivo per le
imprese e per i distretti, come
una forma peculiare d’innovazione, la così detta innovazione design driven (differente
dalla tradizionale technology
push e market pull innovation) oggi quantomai importante nell’attuale competizione internazionale.
Nel contesto competitivo contemporaneo un approccio
eminentemente tecnologico o
di mercato all’innovazione
non è infatti più sufficiente. In
queste situazioni la cultura del
design è oggi chiamata a contribuire al potenziamento
delle realtà locali e delle PMI
agendo sulle altre sfere dell’innovazione: quella della dif-
ferenziazione di prodotto
(attraverso il riavvicinamento
tra centri di produzione e
sfera del consumo), del potenziamento dei servizi legati alla
distribuzione e commercializzazione dei prodotti, della
valorizzazione del sistema
comunicativo.
Azioni fondamentali queste,
che non possono essere semplicemente demandate alla
capacità innovativa delle singole imprese.
A partire da tali riflessioni il
Politecnico di Milano ha dato
il via ad una serie di azioni
volte a individuare e sperimentare alcuni modi con cui è
possibile oggi potenziare e
consolidare le economie locali
attraverso l’azione del design.
La prima azione intrapresa
dall’università può essere
definita in termini di “istituzione” di un sistema di attori (il
Sistema Design del
Politecnico di Milano) in
grado di attivare, in forme
diverse, tali dinamiche d’innovazione: la Facoltà del Design,
il Dipartimento INDACO e il
Consorzio POLI.design agiscono in questi termini in modo
sinergico nei diversi ambiti,
dalla formazione istituzionale
(la Facoltà) alla ricerca (il
Dipartimento); dalla formazione permanente alla ricerca
applicata; dalla promozione
alla diffusione (il Consorzio).
Alla fase di “strutturazione”
del Sistema Design del
Politecnico di Milano hanno
fatto seguito numerose ricerche e progetti promossi, coordinati e sviluppati da questi
diversi attori, volti a costruire
e rafforzare la relazione tra
design e imprese attraverso
tre fasi fondamentali: la
comunicazione del valore del
design, l’organizzazione di
risposte di design e la creazione di una rete di ricerca nazionale.
Un secondo insieme di azioni
si rivolge a soggetti (imprese
così come realtà locali) più
maturi, capaci di esprimere
delle domande di design maggiormente strutturate a cui l’università è chiamata ad elaborare delle risposte mirate, che
possono prevedere, tra le
diverse attività:
_lo sviluppo di processi formativi, ai diversi livelli, mirati
a specifiche vocazioni locali;
_l’offerta di servizi di design
alle imprese;
_la creazione di imprese di
design attraverso progetti di
sviluppo dell’imprenditorialità
del design, la stimolazione del
ruolo imprenditoriale del designer, la creazione di incubatori per imprese di design.
La terza azione, infine, messa
a punto in tale ambito dal
Politecnico di Milano, risponde all’esigenza di ampliare il
raggio del proprio intervento,
da una dimensione prevalentemente locale ad una scala
nazionale. SDI_Sistema
Design Italia è una agenzia
per la ricerca, l’innovazione e
la promozione del design specificatamente orientata alle
PMI e ai sistemi produttivi
locali. L’agenzia, istituita all’interno del Dipartimento INDACO, costituisce il centro di
coordinamento di una rete di
ricerca che connette 12 differenti realtà universitarie di
design italiane.
L’intento, per il prossimo futuro, è di superare i limiti nazionali per costruire congiuntamente con altri poli universitari di design una rete internazionale in grado di attuare
sinergicamente progetti di
innovazione design driven per
le PMI e per i sistemi produttivi locali.”