Research | Caratterizzazione Elettromagnetica dei Materiali

Mission

L’attività del LCEM è finalizzata allo sviluppo di materiali e componenti innovativi a partire dalla comprensione dei meccanismi fisici responsabili delle loro proprietà elettromagnetiche.

Le aree di attività del LCEM riguardano i modelli e le tecniche per la progettazione e l’ottimizzazione di componenti e sistemi elettrici ed elettronici impiegati in diversi settori produttivi ed in particolare in quelli con elevato contenuto tecnologico. In particolare, il gruppo di ricerca del LCEM ha sviluppato le proprie competenze sulle seguenti tematiche:

1. Caratterizzazione e trattamento elettromagnetica di materiali e compositi innovativi
2. Sviluppo di componenti e metodi per la diagnostica di materiali e componenti
3. Sviluppo di metodi analitici e numerici per la progettazione robusta di sistemi elettromagnetici
4. Sviluppo di metodi e diagnostiche basati su nanotecnologie ad applicazioni di biomedicina e biotecnologie

Inoltre il gruppo LCEM ha la possibilità di progettare ed eseguire prove su materiali e componenti, sia in accordo con norme internazionali, sia su specifiche definite ad hoc.

Il Laboratorio è certificato UNI-EN ISO 9001-2000 (Cert. N. 297-G “Progettazione e realizzazione di attività di ricerca nel settore della caratterizzazione elettromagnetica dei materiali”).

Attività

1. Caratterizzazione e trattamento elettromagnetico di materiali

L’attività in tale ambito è stata recentemente concentrata sullo studio delle prestazioni di sistemi di isolamento innovativi per gli avvolgimenti di motori asincroni, alimentati da inverter di nuova generazione, impiegati in applicazioni ad elevata potenza, quali quelli utilizzati nella trazione elettrica. I vincoli progettuali relativi a tali sistemi di isolamento prevedono una elevata classe termica e la capacità di resistere a intense sollecitazioni elettriche, caratterizzate da forme d'onda distorte e contenenti impulsi a fronte ripido. La ricerca, condotta anche in collaborazione con AnsaldoBreda (ora Hitachi Rail), è focalizzata sullo studio dei meccanismi di degradazione e sulla valutazione delle prestazioni dei sistemi di isolamento degli avvolgimenti dei motori, nonché sulla proposta di opportune metodiche diagnostiche per il monitoraggio del livello di invecchiamento. A tal fine è stata effettuata una approfondita caratterizzazione di diversi sistemi di isolamento di interesse industriale, al variare dei parametri della sollecitazione elettrica.

Un ulteriore tema riguarda lo sviluppo di compositi polimerici nanostrutturati basati su differenti nanoparticelle di carbonio, quali nanotubi (CNT), nanofibre (CNF), nanolamelle di grafene (GNL). Tali nanoparticelle possono essere incorporate in materiali polimerici al fine di migliorarne le proprietà termiche, meccaniche, chimiche e soprattutto elettriche per applicazioni quali schermature elettromagnetiche (EMI o RFI), materiali antistatici e per componenti strutturali nei settori automobilistico, aeronautico ed aerospaziale. Tale tema è stato sviluppato anche nell’ambito del progetto UE 7th FP “Improving the Aircraft Safety by Self Healing Stucture and Protecting Nanofillers (IASS)” ed ha riguardato sia la caratterizzazione elettromagnetica, sia lo sviluppo di modelli numerici in grado di valutare le proprietà elettriche dei nanocompositi. Su tali aspetti i ricercatori del LCEM sono titolari di un brevetto europeo. Inoltre sono responsabili di ateneo di una attività di ricerca nell’ambito della “Graphene Flagship” una iniziativa europea che vede coinvolti i più importanti Centri di Ricerca e aziende impegnate nello sfruttamento delle proprietà del grafene.

1. Sviluppo di componenti e metodi per la diagnostica di materiali e componenti

Nell’ambito delle attività tese all’analisi di sistemi di isolamento innovativi per motori asincroni di trazione, sono state sviluppate opportune metodiche diagnostiche per il monitoraggio del livello di invecchiamento. In particolare, vengono analizzati e correlati gli andamenti nel tempo, al variare delle sollecitazioni applicate, di alcune grandezze di natura elettrica, quali gli andamenti dei pattern di scariche parziali e di natura fisica, quali l’angolo di contatto,

Un’ulteriore attività riguarda lo sviluppo di sensori incorporati in strutture composite a base polimerica caratterizzate da capacità di auto-sensing per il monitoraggio di parti strutturali di aerei di nuova generazione. In particolare, sono state studiate le proprietà piezo-resistive di nanocompositi a base epossidica caricate con nanostrutture di carbonio per la realizzazione di materiali smart aventi capacità sensoristiche. I risultati sperimentali ottenuti in test con sollecitazione a trazione ed a flessione sui nanocompositi sono stati correlati con quelli ottenuti dal modello elettrico del materiale. Si è anche valutata la sensitività dei materiali che è risultata più alta in ac che in dc a causa della struttura del materiale che si riflette nel modello equivalente elettrico.

1. Sviluppo di metodi analitici e numerici per la progettazione robusta di sistemi elettromagnetici

L'attività riguarda lo sviluppo di metodi numerici per la tolerance analysis, il tolerance design ed il progetto robusto di circuiti e sistemi elettromagnetici. In particolare, si è studiata la possibilità di applicare i Metodi di Range Analysis e gli Algoritmi Evolutivi allo studio di sistemi non lineari in presenza di incertezze parametriche. Successivamente, si sono applicate le suddette tecniche al tolerance design di circuiti e sistemi elettromagnetici non lineari. Sulla base dei risultati conseguiti, si è affrontato in tempi più recenti il problema del progetto robusto di sistemi non lineari. I metodi sviluppati sono stati anche applicati a numerosi problemi di interesse industriale, nell'ambito di convenzioni di ricerca con aziende quali, ad esempio, Magnetek ed Ansaldo. Su tali aspetti i ricercatori del LCEM sono responsabili di ateneo di attività di ricerca (Graphene 3D) nell’ambito della “Graphene Flagship” una iniziativa europea che vede coinvolti i più importanti Centri di Ricerca e aziende impegnate nello sfruttamento delle proprietà del grafene.

1. Sviluppo di metodi e diagnostiche basati su nanotecnologie ad applicazioni di biomedicina e biotecnologie

Un ulteriore aspetto riguarda l’analisi del comportamento di cellule biologiche soggette a campi elettrici di tipo impulsivo che si rivelano particolarmente interessanti in diversi settori della medicina e delle biotecnologie a causa della possibilità di introdurre opportuni agenti all'interno della cellula. Il parametro elettrico che controlla le proprietà di trasporto attraverso la membrana cellulare è la tensione di transmembrana. Lo studio riguarda i modelli che descrivono i meccanismi di permeabilizzazione reversibile o irreversibile della membrana in presenza di sollecitazioni elettriche, al fine di pervenire alla individuazione dei valori più idonei della sollecitazione elettrica da applicare per ottenere specifici effetti di trattamento. Sono inoltre stati studiati e realizzati sensori per l’acquisizione di parametri biomedici basati su transistor a effetto di campo (FET) che utilizzano quale materiale attivo strati sottili di nanotubi di carbonio.

Su tali tematiche i ricercatori del LCEM sono impegnati nell’ambito del progetto europeo COST TD114 EP4BIO2MED Electroporation.

Didattica

(Riportare eventuali attività esercitative o progettuali connesse agli insegnamenti (specificare nomi e corso di studio), eventuali attività di tirocinio, di tesi e post-laurea con 1000 caratteri spazi inclusi).

Nel LCEM si sviluppano tesi di laurea magistrale, elaborati di laurea, attività di tirocinio e si tengono esercitazioni sperimentali per piccoli gruppi di studenti. In particolare:

• Esercitazioni per Tecnologie Elettriche per l’Informatica Industriale (CdL Ing. Informatica – 3° anno):
  • Realizzazione e caratterizzazione di circuiti con Amplificatori Operazionali: sommatore, comparatore (con e senza isteresi); integratore; derivatore, multivibratore.
  • Realizzazione e caratterizzazione di sistemi di controllo/attuazione basati su microprocessori (Arduino, Raspberry)
• Tesi di Laurea Magistrale (in collaborazione con ENSICAEN Francia) (CdLM Ing. Informatica/Elettronica): Sviluppo e caratterizzazione di sistemi per l’acquisizione ed elaborazione di dati biometrici.
• Tirocini internazionali (Belgio U-MONS, Francia Rennes 2) Caratterizzazione di nanocompositi innovativi.
• Elaborati di Laurea e tirocini (CdL Ing. Elettronica/Chimica): Modellistica e caratterizzazione di nanocompositi innovativi. Elettrochemioterapia e applicazioni dei campi elettrici ai sistemi biologici.

Strumentazione

La strumentazione più rilevante disponibile presso il LCEM è composta da:

• Generatori di alta tensione ad onda quadra in grado di operare con ampiezze 6 kV, frequenze da 10 a 20 kHz e slew rates 1, 2 o 3 kV/µs;
• Generatore alta tensione dc di ampiezza fino a 6kV e corrente fino a 5mA;
• Amplificatore HV TREK mod. 20-20C, tensione fino a 20kV, corrente fino a 20mA, frequenza fino a 20kHz;
• Impedenzimetro Quadtech modello 7600 operante nel campo di frequenze (10Hz-2MHz);
• Dielectric Analyzer per campioni solidi e fluidi, frequenze da 0.003Hz a 100kHz e temperatura fra -150 e 500°C, con controllo di spessore e pressione;
• Multimetri Keithley modelli 6514 e 6517 in grado di misurare correnti da ±100aA a ±21mA, resistenze fra 10mOhm e 210GOhm e cariche elettriche comprese fra 10fC e 21µC;
• Sistema di rilievo di scariche parziali prodotto da Techimp;
• Oscilloscopio digitale 4 canali, 500 MHz, 5 GS/s;
• Oscilloscopio digitale 4 canali, 1 GHz, 10 GS/s;
• Sonde alta tensione (sonde 1000x, fino a 40kV e banda passante 75MHz);
• Stufa Galli mod. G35 per trattamento operante nell'intervallo da +10 °C a +260 °C, con uniformità < 2 °C e volume di trattamento 35 l;
• Stufa BINDER mod. FP53 per trattamento operante nell'intervallo da +10 °C a +300 °C ;
• Analizzatore di impedenza Agilent mod. E4991A operante da 10Hz a 3GHz, equipaggiato per la caratterizzazione dielettrica (di materiali solidi e liquidi), e magnetica (di materiali solidi).