Crashworthiness and composite materials: development of an experimental test method for the energy absorption determination and implementation of the relative numerical model

In this PhD thesis the crashworthiness topic is studied with the perspective of the development of a small-scale experimental test able to characterize a material in terms of energy absorption. The material properties obtained are then used to validate a nu- merical model of the experimental test itself. Consequently, the numerical model, calibrated on the specific ma- terial, can be extended to more complex structures and used to simulate their energy absorption behavior. The experimental activity started at University of Washington in Seattle, WA (USA) and continued at Second Faculty of Engi- neering, University of Bologna, Forl`ı (Italy), where the numerical model for the simulation of the experimental test was implemented and optimized.

Studio di metodi di preparazione e caratterizzazione di nanostrutture per la funzionalizzazione di materiali ceramici

This thesis was carried out in the context of a co-tutoring program between Centro Ceramico Bologna (Italy) and Instituto di Tecnologia Ceramica, Castellón de la Plana (Spain). The subject of the thesis is the synthesis of silver nanoparticles and at their likely decorative application in the productive process of porcelain ceramic tiles. Silver nanoparticles were chosen as a case study, because metal nanoparticles are thermally stable, and they have non-linear optical properties when nano-structured, and therefore they develop saturated colours. The nanoparticles were synthesized by chemical reduction in aqueous solution, a method chosen because of its reduced working steps and energy costs. Besides such a synthesis method uses non-expensive and non-toxic raw material. By adopting this synthesis technique, it was also possible to control the dimension and the final shape of the nanoparticles. Several syntheses were carried out during the research work, modifying the molecular weight of the reducing agent and/or the firing temperature, in order to evaluate the influence such parameters have on the Ag-nanoparticles formation. The syntheses were monitored with the use of UV-Vis spectroscopy and the average dimension as well as the morphology of the nanoparticles was analysed by SEM. From the spectroscopic data obtained from each synthesis, a kinetic study was completed, relating the progress of the reaction to the two variables (ie temperature and molecular weight of the reducing agent). The aim was finding equations that allow the establishing of a relationship between the operating conditions during the synthesis and the characteristics of the final product. The next step was finding the best method of synthesis for the decorative application. For such a purpose the amount of nanoparticles, their average particle size, the shape and the agglomeration are considered. An aqueous suspension containing the nanoparticles is then sprayed over the fired ceramic tiles and they are subsequently thermally treated in conditions similar to the industrial one. The colorimetric parameters of the obtained ceramic tiles were studied and the method proved successful, giving the ceramic tiles stable and intense colours.

Campionamento e determinazione di sostanze rilevanti per la valutazione della capacità ossidante dell’atmosfera e studio del loro effetto sui materiali ceramici

Carbonyl compounds are very important volatil organic compounds receiving increasing attention due to their critical role in tropospheric organic chemistry and to their effects on human health. They are first photo-oxidation stage of almost all organic compounds and originators of free radicals (OH, O3...). Therfore, continuous determination of their atmospheric concentrations is essential. Currently, field measurements are very limited mainly because of the analytical challenges posed by trace concentrations and interferences arising from atmospheric co-pollutants. Additionally, hydroxyl radical (OH) plays a central role in atmospheric chemistry processes. The measurement of atmospheric OH concentrations is essential for the comprehension of atmospheric chemical and photochemical processes. In this context, objectives of this work were: To perform a continuous survey of atmospheric concentrations of carbonyl compounds on different sites around the area of Bologna. For this purpose, an automatic instrument for the continuous measurement (one hour of time resolution) was developed and used. Additionally, the development of a complete and original analytical method was realised. To develop an original OH generation system in order to evaluate the effect of OH and the reactivity of solid and/or liquid materials of interest. This included the validation of an analytical method for the quantification of OH concentrations generated. Effect of OH on ceramic materials and reactivity of snow surface samples, involved as sink of OH in atmospheric chemistry, were evaluated.

I materiali ceramici trasparenti: preparazione, caratterizzazione e correlazione microstruttura-proprietà

This thesis focuses on the ceramic process for the production of optical grade transparent materials to be used as laser hosts. In order to be transparent a ceramic material must exhibit a very low concentration of defects. Defects are mainly represented by secondary or grain boundary phases and by residual pores. The strict control of the stoichiometry is mandatory to avoid the formation of secondary phases, whereas residual pores need to be below 150 ppm. In order to fulfill these requirements specific experimental conditions must be combined together. In addition powders need to be nanometric or at least sub-micrometric and extremely pure. On the other hand, nanometric powders aggregate easily and this leads to a poor, not homogeneous packing during shaping by pressing and to the formation of residual pores during sintering. Very fine powders are also difficult to handle and tend to absorb water on the surface. Finally, the powder manipulation (weighting operations, solvent removal, spray drying, shaping, etc), easily introduces impurities. All these features must be fully controlled in order to avoid the formation of defects that work as scattering sources thus decreasing the transparency of the material. The important role played by the processing on the transparency of ceramic materials is often underestimated. In the literature a high level of transparency has been reported by many authors but the description of the experimental process, in particular of the powder treatment and shaping, is seldom extensively described and important information that are necessary to reproduce the described results are often missing. The main goal of the present study therefore is to give additional information on the way the experimental features affect the microstructural evolution of YAG-based ceramics and thus the final properties, in particular transparency. Commercial powders are used to prepare YAG materials doped with Nd or Yb by reactive sintering under high vacuum. These dopants have been selected as the more appropriate for high energy and high peak power lasers. As far as it concerns the powder treatment, the thesis focuses on the influence of the solvent removal technique (rotavapor versus spray drying of suspensions in ethanol), the ball milling duration and speed, suspension concentration, solvent ratio, type and amount of dispersant. The influence of the powder type and process on the powder packing as well as the pressure conditions during shaping by pressing are also described. Finally calcination, sintering under high vacuum and in clean atmosphere, and post sintering cycles are studied and related to the final microstructure analyzed by SEM-EDS and HR-TEM, and to the optical and laser properties.

Studio del processo CVI/CVD per lo sviluppo di compositi ceramici rinforzati a fibra lunga

The most relevant thermo-mechanical properties of SiC or C based CFCCs are high strength, high toughness, low weight, high reliability, thermal shock and fatigue resistance. Thanks to these special characteristics, the CFCCs are the best candidates to substitute metals and monolithic ceramics, traditionally employed to realize components in energy, aeronautic and nuclear fields. Among the commonly techniques for the CFCCs production, CVI still represents the most significant one. Its main advantages are the versatility, the high quality deposits and the fact that it is conducted under mild temperature conditions. On the other hand, this technique is quite complex, therefore the set up of all process parameters needs long development time. The main purpose of the present study was to analyze the parameters controlling the CVD and CVI processes. Specifically, deposition and infiltration of SiC and Py-C tests were conducted on non-porous and porous substrates. The experiments were performed with a pilot size Isothermal/Isobaric CVI plant, designed and developed by ENEA. To guarantee the control of the process parameters, a previously optimization of the plant was needed. Changing temperature, pressure, flow rates and methane/hydrogen ratio, the Py-C deposition rate value, for an optimal fibre/matrix interphase thickness, was determined. It was also underlined the hydrogen inhibiting effect over the Py-C deposition rate. Regarding SiC morphologies, a difference between the inner and outer substrate surfaces was observed, as a consequence of a flow rate non-uniformity. In the case of the Cf/C composites development, the key parameter of the CVI process was the gas residence time. In fact, the hydrogen inhibiting effect was evident only with high value of residence time. Furthermore, lower the residence time more homogeneous the Py-C deposition rate was obtained along the reaction chamber axis. Finally, a CVD and CVI theoretical modelling was performed.

Caratterizzazione meccanica multiscala di materiali rocciosi strutturalmente complessi

The research work was aimed at studying, with a deterministic approach, the relationships between the rock’s texture and its mechanical properties determined at the laboratory scale. The experimentation was performed on a monomineralic crystalline rock, varying in texture, i.e. grains shape. Multi-scale analysis has been adopted to determine the elasto-mechanical properties of the crystals composing the rock and its strength and deformability at the macro-scale. This let us to understand how the structural variability of the investigated rock affects its macromechanical behaviour. Investigations have been performed on three different scales: nano-scale (order of nm), micro-scale (tens of m) and macro-scale (cm). Innovative techniques for rock mechanics, i.e. Depth Sensing Indentation (DSI), have been applied, in order to determine the elasto-mechanical properties of the calcite grains. These techniques have also allowed to study the influence of grain boundaries on the mechanical response of calcite grains by varying the indents’ sizes and to quantify the effect of the applied load on the hardness and elastic modulus of the grain (indentation size effect, ISE). The secondary effects of static indentation Berkovich, Vickers and Knoop were analyzed by SEM, and some considerations on the rock’s brittle behaviour and the effect of microcracks can be made.

Design and optimization of components and processes for plasma sources in advanced material treatments

The research activities described in the present thesis have been oriented to the design and development of components and technological processes aimed at optimizing the performance of plasma sources in advanced in material treatments. Consumables components for high definition plasma arc cutting (PAC) torches were studied and developed. Experimental activities have in particular focussed on the modifications of the emissive insert with respect to the standard electrode configuration, which comprises a press fit hafnium insert in a copper body holder, to improve its durability. Based on a deep analysis of both the scientific and patent literature, different solutions were proposed and tested. First, the behaviour of Hf cathodes when operating at high current levels (250A) in oxidizing atmosphere has been experimentally investigated optimizing, with respect to expected service life, the initial shape of the electrode emissive surface. Moreover, the microstructural modifications of the Hf insert in PAC electrodes were experimentally investigated during first cycles, in order to understand those phenomena occurring on and under the Hf emissive surface and involved in the electrode erosion process. Thereafter, the research activity focussed on producing, characterizing and testing prototypes of composite inserts, combining powders of a high thermal conductibility (Cu, Ag) and high thermionic emissivity (Hf, Zr) materials The complexity of the thermal plasma torch environment required and integrated approach also involving physical modelling. Accordingly, a detailed line-by-line method was developed to compute the net emission coefficient of Ar plasmas at temperatures ranging from 3000 K to 25000 K and pressure ranging from 50 kPa to 200 kPa, for optically thin and partially autoabsorbed plasmas. Finally, prototypal electrodes were studied and realized for a newly developed plasma source, based on the plasma needle concept and devoted to the generation of atmospheric pressure non-thermal plasmas for biomedical applications.

I materiali dell'assenza nella poesia della fine secolo portoghese

Il presente studio ha come obiettivo quello di chiarire le dinamiche culturali iscritte nella fine secolo portoghese a partire dall’analisi di alcune opere letterarie -in particolar modo poetiche - tra cui spicca il Só di António Nobre. L’Ultimatum inglese del 1890 mandando in frantumi il progetto imperiale in Africa, scatena un conflitto che si manifesta non solo a livello di un confronto con l’Altro, ma soprattutto, per le sue implicazioni simboliche, nei termini di un confronto interno proprio con l’immaginario nazionale. L’Ultimatum mette in crisi l’iperidentità descritta da Eduardo Lourenço come il frutto di una storia marcata da una deriva atlantica rispetto al resto d’Europa ed elaborata durante secoli di letteratura come il volto più autentico del Portogallo. Contemporaneamente segna inesorabilmente la distanza da quell’immaginario europeo e moderno che in stretto legame con il progetto imperiale ne costituiva le fondamenta. La poesia dell’epoca segue il paradigma apocalittico che associa al pianto e all’invettiva gli elementi di un’aspettativa messianica di riscatto: alla rabbia segue l’invito di riporre l’attenzione nelle glorie di un tempo in modo da rafforzare il Portogallo decaduto. La rivisitazione in chiave rigeneratrice del passato e dello spazio nazionale è una costante della letterautra neoromantica, l’opera di Antonio Nobre tuttavia non può essere affrontata secondo questa lettura: non si tratta qui di nessun recupero dell’età dell’oro, al contrario, la modernità dell’autore sta nel dichiarare l’impraticabilità di un immaginario che più che perduto non è mai esistito e si rivela dunque nella sua natura di feticcio.

Sviluppo dei materiali innovativi e studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici

Nell’ambito della Chimica Sostenibile e dell’applicazione dei suoi principi per la salvaguardia dell’ambiente, il progetto di dottorato ha riguardato lo sviluppo di materiali innovativi e lo studio della loro interazione con sistemi biologici e biomimetici. In particolare l’attività si è focalizzata sulla sintesi di liquidi ionici ed indagini delle interazioni con membrane cellulari e sull’utilizzo ed isolamento di molecole da fonti rinnovabili. I liquidi ionici sono sali organici liquidi a temperature inferiori ai 100 °C; sono considerati promettenti solventi a ridotta tossicità, ma vanno chiarite a pieno le modalità di interazione con i sistemi biologici ed i meccanismi di tossicità. A questo scopo è stata impiegata una batteria di test bio-chimici, con saggi di fluorescenza e colorimetrici, che hanno permesso di discriminare le diverse tipologie di interazioni con varie strutture di membrana. Le informazioni raccolte sono servite per progettare sostanze meno dannose per le strutture cellulari, al fine di scegliere le funzionalità molecolari che consentano ai liquidi ionici di mantenere la loro attività ma di essere meno dannosi per l’ambiente. Per quanto riguarda l’utilizzo ed isolamento di molecole da fonte rinnovabili, si è utilizzata la tecnica della pirolisi per l’ottenimento di starting materials ed il loro impiego nella sintesi di chemicals in alternativa a composti derivanti da fonti fossili. La pirolisi tradizionale della cellulosa fornisce una molecola interessante, per semplicità denominata LAC, in quantità insufficienti ad un uso applicativo. Nell’ambito delle ricerche svolte è stato scoperto che la pirolisi condotta in presenza di catalizzatori meso-strutturati (MCM-41) drogati con metalli di transizione, fornisce buone quantità di LAC. LAC si è dimostrato promettente sia per la produzione di nuove molecole con possibili applicazioni nella chimica fine e farmaceutica, che come monomero per nuovi polimeri (copolimero ed omopolimero).

Problemi di diagnostica e restauro dei materiali decorativi nell'architettura Liberty in Emilia-Romagna

Le pietre artificiali ed i cementi artistici utilizzati durante la stagione Liberty rappresentano tutt’oggi un patrimonio artistico non ancora sufficientemente studiato. In seguito ad una ricerca bibliografica su testi e riviste dei primi anni del Novecento, è stata eseguita una ricognizione del patrimonio architettonico emiliano-romagnolo, al fine di valutarne i materiali e le tipologie di degrado più diffuse. Le città e le zone oggetto di studio sono state: Bologna, Ferrara, Modena e provincia, Reggio Emilia, Parma, Firenze, la Romagna e le Marche settentrionali. Tra gli edifici individuati sono state analizzate le decorazioni e gli intonaci di tre edifici ritenuti particolarmente significativi: il villino Pennazzi (noto anche come Villa Gina) a Borgo Panigale (Bologna), villa Verde a Bologna e l’ex-albergo Dorando Pietri a Carpi. Da tali edifici sono stati selezionati campioni rappresentativi delle diverse tipologie di decorazioni in pietra artificiale e successivamente sono stati caratterizzati in laboratorio tramite diffrattometria a raggi x (XRD), termogravimetria (TGA), microscopio ottico in sezioni lucide, microscopio elettronico a scansione (SEM) e porosimetria ad intrusione di mercurio (MIP). In particolare per Villa Verde sono state formulate e caratterizzate diverse tipologie di malte variando il tipo di legante ed il rapporto acqua/cemento, al fine di garantire la compatibilità fisico-meccanica con il supporto negli interventi di risarcimento delle lacune previsti nel restauro. L’attività sperimentale svolta ha permesso di mettere a punto un vero e proprio protocollo diagnostico per il restauro di questo tipo di decorazioni che potrà essere utilizzato sia nei casi di studio analizzati che per ogni futuro intervento.

Studio e sperimentazione di leghe ad elevata deformazione per applicazioni nel settore della prima lavorazione di materiali lapidei

Studio del componente di supporto del cavo utensile per taglio di materiali lapidei. Analisi delle applicazioni di leghe superelastiche e delle modalità di realizzazione del cavo utensile complessivo in relazione a specifiche esigenze poste a livello industriale.

Determinazione di radicali OH: sintesi di materiali per la modifica di elettrodi di platino e carbone vetroso

Questa tesi descrive lo sviluppo di un elettrodo modificato con un polimero isolante per la determinazione indiretta del radicale OH. I polimeri testati sono stati polifenolo, polipirrolo e polipirrolo sovraoossidato ed il primo è risultato quello con le migliori prestazioni. Il film di modificante è stato depositato per elettropolimerizzazione del fenolo in ambiente acido, su un elettrodo di carbone vetroso (GC) ed è risultato isolante e perfettamente adeso al GC, impedendo il trasferimento di carica alle più comuni sonde redox. L’attacco dei radicali OH, generati dalla reazione di Fenton o dalla fotolisi di H2O2, rimuove parzialmente il polimero dal GC, ripristinando parzialmente il comportamento conduttore dell’elettrodo. L’entità della degradazione del film polifenolico è stata valutata sfruttando la corrente relativa alla sonda redox Ru(NH3)63+, che rappresenta il segnale analitico per la determinazione del radicale OH. L’elettrodo è stato impiegato per stimare le prestazioni di foto catalizzatori a base di nanoparticelle di TiO2, ottenendo risultati correlati a quelli ricavati da un metodo HPLC. Inoltre esso è stato usato per sviluppare una nuova procedura per la determinazione della capacità di scavenging verso i radicali OH, che è stata applicata all’analisi di composti puri e campioni reali. I risultati erano confrontabili con quelli determinati con metodiche standardizzate, comunemente impiegate per la determinazione della capacità antiossidante. Inoltre è stato condotto uno studio riguardante la modifica di un elettrodo di platino con un idrossido misto a strati a base di cobalto e alluminio (LDH). In particolare si sono valutati gli effetti di diversi pretrattamenti del Pt sulle caratteristiche e prestazioni elettrocatalitiche del film di LDH nei confronti dell’ossidazione di anilina, fenolo e acido salicilico. Questi composti possono essere impiegati come molecole sonda per la determinazione del radicale OH e rivestono interesse da un punto di vista elettroanalitico perché portano facilmente alla passivazione della superficie di Pt.

Valutazione della sostenibilità ambientale tramite metodologia LCA di sistemi per lo sfruttamento di fonti alternative di energia e materiali

La dissertazione ha riguardato l’analisi di sostenibilità di un sistema agronomico per la produzione di olio vegetale a fini energetici in terreni resi marginali dall’infestazione di nematodi. Il processo indagato ha previsto il sovescio di una coltura con proprietà biofumiganti (brassicacea) coltivata in precessione alla specie oleosa (soia e tabacco) al fine di contrastare il proliferare dell’infestazione nel terreno. Tale sistema agronomico è stato confrontato attraverso una analisi di ciclo di vita (LCA) ad uno scenario di coltivazione della stessa specie oleosa senza precessione di brassica ma con l’utilizzo di 1-3-dicloropropene come sistema di lotta ai nematodi. Allo scopo di completare l’analisi LCA con una valutazione dell’impatto sull’uso del suolo (Land use Impact) generato dai due scenari a confronto, sono stati costruiti due modelli nel software per il calcolo del Soil Conditioning Index (SCI), un indicatore quali-quantitativo della qualità del terreno definito dal Dipartimento per l’Agricoltura degli Stati Uniti d’America (USDA).