The incomplete ionization of substitutional dopants in Silicon Carbide

This thesis analyzes theoretically and computationally the phenomenon of partial ionization of the substitutional dopants in Silicon Carbide at thermal equilibrium. It is based on the solution of the charge neutrality equation and takes into account the following phenomena: several energy levels in the bandgap; Fermi-Dirac statistics for free carriers; screening effects on the dopant ionization energies; the formation of impurity bands. A self-consistent model and a corresponding simulation software have been realized. A preliminary comparison of our calculations with existing experimental results is carried out.

Design and Setup of a New HPGe Detector Based Body Counter Capable of Detecting Also Low Energy Photon Emitters

The present work describes the development of a new body-counter system based on HPGe detectors and installed at IVM of KIT. The goal, achieved, was the improvement of the ability to detect internal contaminations in the human body, especially the ones concerning low-energy emitters and multiple nuclides. The development of the system started with the characterisation of detectors purchased for this specific task, with the optimisation of the different desired measurement configurations following and ending with the installation and check of the results. A new software has been developed to handle the new detectors.

Rilevamento e modellazione tridimensionale per oggetti di piccole dimensioni

Oggigiorno  le  richieste  di  rilievi  tridimensionali  e  di  rappresentazioni  3D  ad  alta  qualità  i  sono  sempre  più  frequenti,  e  coinvolgono  un  numero  sempre  maggiore  di  discipline  e  ambiti  applicativi,  quali  quello  industriale,  medico,  archeologico,  forense,  museale, ecc., con ulteriori prospettive di allargamento per quanto riguarda la natura ed  il numero delle realizzazioni.  Il  lavoro  di  ricerca  svolto,  di  natura  prevalentemente  applicata,  vuole  andare  ad  investigare un settore, quello degli oggetti di medie, medio-piccole e soprattutto piccole  dimensioni, che, a parere dell’autore, non è stato ancora investigato a fondo;di questo  d’altra  parte  dà  riscontro  il  numero  relativamente  limitato  di  lavori  presenti  in  letteratura su questo tema.  Sebbene la metodologia di lavoro non sia concettualmente diversa da quella che si  adotta comunemente in ambito close range, le problematiche che sono state incontrate  nel corso dei diversi casi di studio analizzati nel periodo di dottorato hanno evidenziato  la  necessità  di  soluzioni  tecniche  e  metodologiche  specifiche,  anche  in  funzione  dei  requisiti di precisione che competono ad oggetti di piccole dimensioni.  Nel corso degli anni, si è visto  un allargamento della base di utenti che trovano nel  prodotto  3D  un  importante  strumento  di  lavoro;  si  pensi  alla  cinematografia,  alla  computer grafica, alle simulazioni virtuali a partire da modelli 3D realistici, ecc. Questo  trend sembra, al giorno d’oggi, non trovare ancora una battuta d’arresto. Considerando il  settore  dei  Beni  Culturali,  per  esempio,  si  tratta  di  un  campo  di  applicazione  delle  tecniche  geomatiche  abbastanza  ristretto  e  sostanzialmente  nuovo,  in  quanto  le  problematiche di documentazione e visualizzazione di beni mobili ed immobili sono in  genere indirizzate prevalentemente ad oggetti a scala di edificio, porzione di edificio o  elementi  quali  bassorilievi  e  statue,  comunque  con  un  ordine  di  grandezza  che  va  da  qualche  metro  alla  decina  di  metri.  Qualora,  come  detto  in  precedenza,  si  volesse  aumentare  ulteriormente  la  scala  di  indagine  e  di  rappresentazione,  devono  essere  adottate  delle  tecniche  di  rilievo  che  possano  fornire  un'adeguata  precisione,  con  strumenti e tecnologie che possano adattarsi alle diverse configurazioni e caratteristiche  geometriche. Nella  tesi  viene  dunque  affrontata  la  problematica  del  rilievo  e  della  modellazione  tridimensionale,  con  alto  livello  di  dettaglio,  di  oggetti  di  dimensioni  che  variano  da  qualche decina a pochi centimetri; una situazione di questo tipo può aversi in svariati  ambiti,  che  vanno  da  quello  industriale  e  del  design  a  quello  biologico  e  medico,  dall’archeologia ed alla musealizzazione virtuale alle indagini forensi, ecc.  Concentrando  l’analisi  al  campo  dei  Beni  Culturali,  oggi  oggetto  di  importanti  ricerche  applicative  che  trovano  impulso  anche  dallo  sviluppo  delle  nuove  tecnologie,  sono molto numerose e varie le occasioni in cui operare con oggetti di altissimo valore e  dimensioni molto ridotte: un esempio immediato è quello fornito dal rilievo di reperti  archeologici,  ma  nell’ambito  del  restauro,  dell’analisi  dei  materiali,  delle  indagini  non  distruttive, le potenzialità sono di grandissimo interesse..   Comunemente,  fino  a  poco  tempo  fa,  e  soprattutto  in  ambito  museale,  la  documentazione  geometrica  di  un  bene  culturale  mobile  di  piccole  dimensioni  si  è  limitata  ad  una  rappresentazione  fotografica,  riportante  magari  elementi  metrici  minimali,  come  un  righello  posto  di fianco  all’oggetto,  in  grado  di  fornire  una  scala  di  lettura.  Ciò  che  si  è  in  genere  tenuto  in  scarsa  considerazione,  ma  in  grado  invece    di  dare  al  contenuto  informativo  quel  qualcosa  in  più  rispetto  alla  semplice  fotografia,  è  l’adozione  di  metodologie  per  un  rilievo  rigoroso  e  metrico,  metodologie  che  possono  essere di grandissimo interesse non solo a fini di studio e divulgazione dell’oggetto (si  pensi alla problematica della virtualizzazione della fruizione di beni museali) ma anche  per  scopi  diversi  quali  la  duplicazione  e  riproduzione  di  copie  dell’oggetto  (a  scala  identica  al  vero  o  a  scala  diversa).  Di  frequente  infatti  ci  si  trova  di  fronte  a  problematiche  legate  alla  salvaguardia  e  conservazione  dell’oggetto,  in  termini  di  accesso  e  visione  da  parte  del  pubblico,  di  mantenimento  in  particolari  condizioni  microclimatiche, di difficoltà di manipolazione a fini di studio e misura, ecc.   Nella  tesi  sono  state  prese  in  considerazione  le  due  tecniche  geomatiche  che  si  prestano  a  soddisfare  nel  miglior  modo  possibile  i  requisiti  di  correttezza  metrica  e  radiometrica che un rilievo ad elevata precisione richiede. Tali tecniche, rappresentate  dalla fotogrammetria digitale con ottiche Macro e dal laser a scansione, in particolare del  tipo a triangolazione, sono state sperimentate sul campo , in modo da poter valutarne le  potenzialità,  non  solo  alla  luce  dei  risultati  finali  ottenuti,  ma  anche  considerando  i  problemi al contorno che esse comportano.   Nel  corso  di  numerose  sperimentazioni  in  laboratorio  e  sul  campo  sono  stati  analizzati problemi quali la calibrazione di obiettivi macro e la realizzazione di reticoli   speciali atti allo scopo, la qualità dei DSM di origine laser e fotogrammetrica, l’estrazione  di  caratteristiche  morfologiche di  microrilievo,  le  conseguenze  della  compressione  dei  dati  immagine,  la  calibrazione  radiometrica  ed  il  filtraggio  delle  immagini  digitali,  l’allineamento di nuvole di punti con algoritmi ICP. 

Sustainable inorganic Binders and Their Applications in Building Engineering: A Green Alternative to Ordinary Portland Cement

In the last decades, the building materials and construction industry has been contributing to a great extent to generate a high impact on our environment. As it has been considered one of the key areas in which to operate to significantly reduce our footprint on environment, there has been widespread belief that particular attention now has to be paid and specific measures have to be taken to limit the use of non-renewable resources.The aim of this thesis is therefore to study and evaluate sustainable alternatives to commonly used building materials, mainly based on ordinary Portland Cement, and find a supportable path to reduce CO2 emissions and promote the re-use of waste materials. More specifically, this research explores different solutions for replacing cementitious binders in distinct application fields, particularly where special and more restricting requirements are needed, such as restoration and conservation of architectural heritage. Emphasis was thus placed on aspects and implications more closely related to the concept of non-invasivity and environmental sustainability. A first part of the research was addressed to the study and development of sustainable inorganic matrices, based on lime putty, for the pre-impregnation and on-site binding of continuous carbon fiber fabrics for structural rehabilitation and heritage restoration. Moreover, with the aim to further limit the exploitation of non-renewable resources, the synthesis of chemically activated silico-aluminate materials, as metakaolin, ladle slag or fly ash, was thus successfully achieved. New sustainable binders were hence proposed as novel building materials, suitable to be used as primary component for construction and repair mortars, as bulk materials in high-temperature applications or as matrices for high-toughness fiber reinforced composites.

Ricerca di criteri analitico-progettuali per la riqualificazione paesaggistica di strutture e infrastrutture in aziende agricole multifunzionali.

Obiettivo generale dello studio è rivolto alla definizione di linee d’indirizzo volte alla riqualificazione paesaggistica, per l’integrazione ed il recupero delle corti e degli edifici moderni dei centri aziendali agricoli a carattere multifunzionale in territorio rurale, attraverso soluzioni appropriate sia sul piano tecnologico-formale che su quello economico-funzionale. Con riferimento ad un’area studio sovracomunale della provincia di Bologna (Regione Emilia-Romagna), si è determinato, quale obiettivo specifico, l’individuazione delle possibili soluzioni di riqualificazione, da realizzarsi in economia, cioè primariamente attraverso i mezzi e le competenze normalmente disponibili in un’azienda agricola di questo tipo. A seguito del riconoscimento dei caratteri specifici e dei tipi edilizi degli edifici rurali tradizionali nella pianura emiliano romagnola, dell’identificazione delle metodologie d’indagine dei caratteri degli edifici rurali in letteratura, nonché dell’analisi della normativa di riferimento in materia di aziende multifunzionali, sono state definite le aziende studio, appartenenti ad aree geografiche differenti. La metodologia d’indagine individuata è stata condotta per la determinazione delle tipologie costruttive, dei materiali utilizzati e dei requisiti delle aziende, in relazione alle diverse specificità, alla definizione funzionale degli spazi costruiti, degli spazi aperti e delle differenti relazioni fra essi e l’identificazione ed analisi dei percorsi delle diverse tipologie di fruitori. L’identificazione delle criticità dei caratteri architettonici riscontrate, sia negli edifici agricoli sia nella corte, ha condotto al riconoscimento degli ambiti di intervento per la progettazione delle soluzioni di riqualificazione funzionale e paesaggistica, attraverso lo studio delle possibili soluzioni per la schermatura o rivalorizzazione sia degli edifici moderni di servizio all’agricoltura (analizzando le potenzialità progettuali offerte dalle pareti verdi, dai brise soleil, dalle facciate ventilate o da intonaci e tinteggiature), sia per la riqualificazione dei percorsi e degli aspetti paesaggistici (intervenendo sulla proposta di materiali da pavimentazione, e delle essenze da utilizzare), da realizzarsi in economia, ma comparati con alternative proposte di tipo commerciale.

Hydroelastic impacts of deformable wedges

This work investigates the slamming phenomenon experienced during the water entry of deformable bodies. Wedges are chosen as reference geometry due to their similarity to a generic hull section. Hull slamming is a phenomenon occurring when a ship re-enters the water after having been partially or completely lifted out the water. While the analysis of rigid structures entering the water has been extensively studied in the past and there are analytical solutions capable of correctly predicting the hydrodynamic pressure distribution and the overall impact dynamics, the effect of the structural deformation on the structural force is still a challenging problem to be solved. In fact, in case of water impact of deformable bodies, the dynamic deflection could interact with the fluid flow, changing the hydrodynamic load. This work investigates the hull-slamming problem by experiments and numerical simulations of the water entry of elastic wedges impacting on an initially calm surface. The effect of asymmetry due to horizontal velocity component or initial tilt angle on the impact dynamics is also studied. The objective of this work is to determine an accurate model to predict the overall dynamics of the wedge and its deformations. More than 1200 experiments were conducted by varying wedge structural stiffness, deadrise angle, impact velocity and mass. On interest are the overall impact dynamics and the local structural deformation of the panels composing the wedge. Alongside with the experimental analysis, numerical simulations based on a coupled Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) and FEM method are developed. The experimental results provide evidence of the mutual interaction between hydrodynamic load and structural deformation. It is found a simple criterion for the onset of fluid structure interaction (FSI), giving reliable information on the cases where FSI should been taken into account.

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.

New eco-friendly polyesters from renewable resources

Nowadays the development of sustainable polymers, with convenient properties to substitute the traditional petroleum-based materials, is one of the major issues for material science. The utilization of renewable resources as feedstock for biopolyesters is a challenging target.The research work described in the present thesis is strictly connected to these urgent necessities and is focused mainly in finding new biopolymers, in particular biopolyesters, which are obtainable from biomass and characterized by a wide range of properties, in order to potentially substitute polyolefins and aromatic polyesters (for example, poly(ethylene terephthalate))

Problemi di consolidamento di matrici lapidee di differente microstruttura esposte a sollecitazioni ambientali e microclimatiche di varia origine

Questa ricerca presenta i risultati di una indagine volta a verificare la reale efficacia di rinforzo corticale su rocce carbonatiche di differenti caratteristiche mineralogiche, utilizzando consolidanti inorganici in soluzione acquosa quali l’Ossalato Ammonico (AmOX) e il Diammonio Fosfato Acido (DAHP). Le matrici carbonatiche scelte sono quelle del marmo invecchiato e una biomicrite. Sui campioni sono state effettuate indagini (SEM,MIP,XRD,MO,TG-DTA) di caratterizzazione prima e dopo i trattamenti volte a valutare eventuali effetti di rinforzo e misure fisiche di suscettività all’acqua. L’efficacia dei consolidanti inorganici è stata comparata con diversi consolidanti organici e ibridi presenti in commercio ed utilizzati in ambito conservativo. L'efficacia si è mostrata fortemente legata al fabric del materiale e alle modalità di strutturazione del prodotto di neomineralizzazione all’interno della compagine deteriorata. Nel caso del trattamento con AmOx il soluzione acquosa al 4%, la whewellite è l’unica fase di neoformazione riscontrata; la sua crescita avviene con un meccanismo essenzialmente topochimico. Nei materiali carbonatici compatti si possono ottenere solo modesti spessori di coating di neoformazione; per le rocce porose, contenenti difetti come lesioni, pori o micro-fratture, l’efficacia del trattamento può risultare più incisiva. Questo trattamento presenta lo svantaggio legato alla rapidissima formazione dei cristalli di whewellite che tendono a passivare le superfici impedendo la progressione della reazione; il vantaggio è connesso alla facile applicazione in cantiere. Nel caso del DAHP sulla matrice carbonatica trattata, si formano cluster cristallini contenenti specie più o meno stabili alcune riconducibili all’idrossiapatite. La quantità e qualità delle fasi, varia fortemente in funzione della temperatura, pH, pressione con conseguenze interferenza nelle modalità di accrescimento dei cristalli. Il trattamento alla stato attuale appare comunque di notevole interesse ma allo stesso tempo difficilmente applicabile e controllabile nelle reali condizioni operative di un cantiere di restauro.

Experimental analysis and FE Modeling of Aluminium alloys Microstructural Evolution in Extrusion

Extrusion is a process used to form long products of constant cross section, from simple billets, with a high variety of shapes. Aluminum alloys are the materials most processed in the extrusion industry due to their deformability and the wide field of applications that range from buildings to aerospace and from design to automotive industries. The diverse applications imply different requirements that can be fulfilled by the wide range of alloys and treatments, that is from critical structural application to high quality surface and aesthetical aspect. Whether one or the other is the critical aspect, they both depend directly from microstructure. The extrusion process is moreover marked by high deformations and complex strain gradients making difficult the control of microstructure evolution that is at present not yet fully achieved. Nevertheless the evolution of Finite Element modeling has reached a maturity and can therefore start to be used as a tool for investigation and prediction of microstructure evolution. This thesis will analyze and model the evolution of microstructure throughout the entire extrusion process for 6XXX series aluminum alloys. Core phase of the work was the development of specific tests to investigate the microstructure evolution and validate the model implemented in a commercial FE code. Along with it two essential activities were carried out for a correct calibration of the model beyond the simple research of contour parameters, thus leading to the understanding and control of both code and process. In this direction activities were also conducted on building critical knowhow on the interpretation of microstructure and extrusion phenomena. It is believed, in fact, that the sole analysis of the microstructure evolution regardless of its relevance in the technological aspects of the process would be of little use for the industry as well as ineffective for the interpretation of the results.

Electrospun nanofibrous interleaves in composite laminate materials

The present work aims for investigate the influence of electrospun Nylon 6,6 nanofibrous mat on the behavior of composite laminates. The main idea is that nanofibrous interleaved into particular ply-to-ply interfaces of a laminate can lead to significant improvements of mechanical properties and delamination/damage resistance. Experimental campaigns were performed to investigate how nanofibers affect both the static and dynamic behavior of the laminate in which they are interleaved. Fracture mechanics tests were initially performed on virgin and 8 different configuration of nanomodified specimens. The purposes of this first step of the work are to understand which geometrical parameters of the nanointerleave influence the behavior of the laminate and, to find the optimal architecture of the nanofibrous mat in order to obtain the best reinforcement. In particular, 3 morphological parameters are investigated: nanofibers diameter, nanofibers orientation and thickness of the reinforce. Two different values for each parameter have been used, and it leads to 8 different configurations of nanoreinforce. Acoustic Emission technique is also used to monitor the tests. Once the optimum configuration has been found, attention is focused on the mechanism of reinforce played by the nanofibers during static and dynamic tests. Low velocity impacts and free decay tests are performed to attest the effect of nanointerlayers and the reinforce mechanism during the dynamic loads. Bump tests are performed before and after the impact on virgin and two different nanomodified laminates configurations. The authors focused their attention on: vibrational behavior, low velocity impact response and post-impact vibration behavior of the nano-interleaved laminates with respect to the response of non-nanomodified ones. Experiments attest that nanofibers significantly strength the delamination resistance of the laminates and increase some mechanical properties. It is demonstrated that the nanofibers are capable to continue to carry on the loads even when the matrix around them is broken.

Sintesi, modifica e caratterizzazione di polimeri da fonti rinnovabili

Gli argomenti trattati all’interno di questa tesi di dottorato riguardano la sintesi e la modifica di polimeri ottenuti a partire da fonti rinnovabili. L’acido polilattico (PLA) è stato modificato per ottenere film estensibili per uso alimentare. La scelta del materiale si è basata sull’analisi del suo ciclo di vita e perché è riconosciuto come sicuro per l’utilizzo nel campo alimentare. Le formulazioni testate, a base di PLA, sono state preparate con l’aggiunta di una serie di additivi utilizzati per migliorare le proprietà meccaniche del materiale. La lavorazione è stata eseguita mediante estrusione, ottenendo dei pellet a composizione omogenea successivamente lavorati nell’estrusore a bolla, modalità industriale di produzione dei film estensibili. È stata poi effettuata la sintesi diretta di nuovi poliesteri insaturi a base di dimetil succinato e 1,6-esandiolo. L’insaturazione della catena è stata ottenuta mediante l’uso, durante la sintesi, di derivati dell’olio di ricino, l’acido ricinoleico e il suo derivato insaturo metil undecenoato. Un’altra molecola insatura utilizzata è stata il citronellolo, scelto tra i terpeni. I polimeri così ottenuti sono stati modificati tramite reazioni radicaliche indotte con radiazioni UV utilizzando sostanze antibatteriche (sale 3-esadecil-1-vinilimidazolo bromuro) al fine di ottenere materiali con attività biocida a lungo termine e senza rilascio. Si è proceduto inoltre alla polimerizzazione reversibile di monomeri furanici con oli vegetali utilizzando una strategia di tipo double click. Si è partiti dalla sintesi di monomeri derivanti da oli vegetali contenenti eterocicli furanici attaccati mediante addizione tiol-enica (prima reazione click chemistry) e si è proseguito con la loro successiva polimerizzazione attraverso una reazione di tipo Diels-Alder con molecole con gruppi maleimmidici (seconda reazione click chemistry). I polimeri così ottenuti sono materiali potenzialmente auto-riparanti, grazie alla possibilità di spostare l’equilibrio verso i prodotti o i reagenti semplicemente variando le condizioni di temperatura.