Development of materials and methods for the structural health monitoring of multifunctional composites

I compositi a matrice polimerica sono materiali eccellenti per l’utilizzo in applicazioni avanzate, essendo caratterizzati da elevate proprietà meccaniche in combinazione con una bassa densità. Le prestazioni di questi materiali sono tuttavia influenzate dalla progressiva evoluzione del danneggiamento durante la loro vita in esercizio. Nella progettazione con questi materiali si deve infatti tenere in considerazione che la maggioranza delle parti realizzate in composito sono soggette ad elevati livelli di carico e ad impatti, che hanno come conseguenza la formazione di cricche nella matrice, delaminazioni tra gli strati e rottura delle fibre. In questo scenario, il monitoraggio del danneggiamento strutturale è essenziale per migliorare l’affidabilità in esercizio e la durata delle strutture in composito. Per tale ragione, gli sforzi nella messa a punto di tecniche per il monitoraggio del danneggiamento sono gradualmente aumentati negli ultimi anni. Tra queste, un metodo innovativo ed estremamente promettente, reso possibile dall’avanzamento delle nanotecnologie, consiste nella misura della resistenza elettrica di laminati modificati con nanotubi di carbonio (CNT), in modo da ottenere conducibilità elettrica anche nel caso in cui le fibre siano elettricamente isolanti. Nel secondo capitolo è stato inizialmente indirizzato il fenomeno piezoresistivo che caratterizza i materiali polimerici rinforzati con CNT. Inizialmente è stato sviluppato un modello analitico per la previsione della variazione di resistenza elettrica in funzione dello stato di deformazione del materiale, il quale, confrontato con i risultati di una estesa campagna sperimentale realizzata ad hoc, e con dati da letteratura, è risultato in buon accordo. Nel terzo capitolo, è stato realizzato un esteso studio analitico e numerico al fine di correlare la variazione di resistenza elettrica alla degradazione delle proprietà elastiche dei laminati multidirezionali in presenza di cricche nella matrice. Le previsioni dei modelli analitici sviluppati, validati mediante confronto con i risultati di simulazioni numeriche su elementi rappresentativi con condizioni al contorno periodiche, mostrano che la variazione di resistenza elettrica può essere efficacemente usata per la previsione dello stato di danneggiamento e della diminuzione di rigidezza dei laminati. Il danneggiamento dovuto ad impatto comporta normalmente la formazione di estese delaminazioni tra gli strati, e può compromettere la capacità di sopportare carichi della struttura in composito. Nel quarto capitolo è stato pertanto sviluppato uno strumento analitico per la previsione dell’estensione di una delaminazione in un laminato, in funzione dell’aumento di resistenza elettrica. Anche in questo caso le previsioni analitiche, confrontate con i risultati di simulazioni numeriche, con dati da letteratura, e con dati sperimentali su laminati multidirezionali in fibra di carbonio e fibra di vetro modificati con l’aggiunta di CNT mostrano un accordo più che soddisfacente. Nel quinto capitolo sono state realizzate delle analisi sull’influenza dei danneggiamenti provocati da impatto sulla resistenza elettrica di laminati elettricamente conduttivi, realizzando inizialmente delle simulazioni numeriche su piastre in composito di piccole dimensioni, e successivamente su piastre di dimensioni maggiori. In parallelo alle analisi numeriche, è stata condotta una campagna sperimentale su laminati in fibra di carbonio modificati con l’aggiunta di CNT, mostrando come la presenza di danneggiamenti dovuti ad impatto provochi un aumento irreversibile della resistenza elettrica, la quale può quindi essere utilizzata come parametro quantitativo per il monitoraggio dello stato di danneggiamento. Infine, nel sesto capitolo, sono state affrontate diverse problematiche relative all’implementazione su componenti reali dei metodi sviluppati in precedenza. Inizialmente è stata definita una procedura standard per la caratterizzazione delle proprietà elettriche dei laminati in composito. È stata poi studiata l’influenza di fattori esterni sulla resistenza elettrica del laminato, come la temperatura e la resistenza di contatto. Sono stati successivamente sviluppati dei dimostratori in grado di mostrare le potenzialità dei metodi basati sulle misure elettriche per il monitoraggio dello stato di deformazione e di danneggiamento del materiale.