Nanocompositi “self-sensing” per il monitoraggio dell’integrità strutturale di componenti in composito


Se le soluzioni oggi disponibili sono poco economiche ed efficienti, una valida risposta potrebbe arrivare dalle nanotecnologie. Nello sviluppo di prodotti industriali è necessario considerare che molti dei componenti strutturali in composito, come le ali degli aerei, o le pale delle turbine eoliche, sono soggetti a carichi di esercizio molto elevati. Questo provoca un danneggiamento del materiale ed un conseguente degrado delle proprietà meccaniche durante la vita di progetto del prodotto. Il monitoraggio continuo dello stato di integrità del componente e dell’evoluzione del danno intrinseco è di fondamentale importanza per migliorare l’affidabilità in esercizio e la durata delle strutture in composito. Per questo negli ultimi anni sono state sviluppate numerose soluzioni sensoristiche per il self-sensing, prevalentemente basate sull’uso di fibre ottiche [1, 2]. Il loro impiego per il monitoraggio del danno non è tuttavia una metodologia efficiente, data la complessità di implementazione e la limitata affidabilità della misura che può essere ottenuta. Inoltre, per motivi tecnici e di costo, non è possibile realizzare un network particolarmente denso di fibre ottiche, non permettendo quindi di rilevare la nucleazione del danneggiamento a livello microscopico o di un danneggiamento che evolve in zone povere di fibre ottiche.
Inoltre, essendo dotate di un diametro circa 10 volte maggiore di quello delle fibre di rinforzo, possono esse stesse contribuire al danneggiamento del materiale agendo da concentratori di tensione [3,4].

Health monitoring grazie ai nanotubi di carbonio
Nella recente letteratura scientifica è emersa la possibilità di sviluppare una soluzione innovativa per l’health monitoring di parti in composito, sfruttando i recenti progressi nel settore delle nanotecnologie, che consentono di realizzare materiali con proprietà fisiche eccezionali, derivanti dalla manipolazione della materia alla nanoscala [4-6]. Caricando la matrice polimerica con una quantità limitata di nanotubi di carbonio è possibile ottenere una rete di conduttori che viene localmente interrotta in presenza di danneggiamento. Il concetto è qualitativamente descritto dalla figura 1.
In particolare, i dati disponibili fino ad ora in letteratura mostrano un sensibile aumento della conduttività specifica del polimero (fino a 8 ordini di grandezza) con una soglia di percolazione molto bassa e pari a qualche punto percentuale di frazione in peso di nanorinforzo [4]. Misurando quindi la variazione della risposta elettrica del componente è possibile utilizzare il materiale stesso come sensore per monitorare l’innesco e l’evoluzione del danneggiamento (materiali self sensing) [7-9]. Con riferimento alla figura 2 è possibile notare che a seguito dell’applicazione del carico al componente si manifesta un modesto e pressoché lineare aumento della resistenza elettrica nel primo tratto. L’innesco del danno (delaminazione) è invece associato a un picco di resistenza, mentre a seguito della successiva estensione della delaminazione è possibile notare un aumento molto significativo della resistenza elettrica, che subisce una variazione facilmente misurabile.
Un altro aspetto interessante da tenere in considerazione è che come ulteriore effetto benefico della nanomodificazione l’aggiunta di una limitata quantità di nantotubi di carbonio permette di migliorare la tenacità a frattura del polimero e quindi la resistenza alla delaminazione in laminati nanomodificati, dando potenzialmente origine a una nuova classe di materiali multifunzionali da usare come soluzione efficiente in diverse applicazioni industriali.
Per raggiungere questo obbiettivo molto ambizioso presso il Dipartimento di Tecnica e Gestione dei sistemi industriali dell’Università di Padova si sta conducendo un’estesa attività di ricerca volta all’ottimizzazione dei benefici della nanomodificazione. Tale attività, basata su un’accurata analisi sperimentale dell’innesco e della propagazione del danneggiamento nei laminati nanocaricati, ha come obbiettivo la formulazione di leggi affidabili in grado di correlare le variazioni di resistenza del materiale con l’evoluzione del danneggiamento. Particolare attenzione viene anche rivolta al superamento di una serie di barriere tecnologiche che potrebbero limitare il trasferimento dei risultati ottenuti sui provini di laboratorio ai prodotti industriali, legate per esempio alla gestione di volumi di materiale molto maggiori, o a problematiche di wiring e di data logging.

Marino Quaresimin, Michele Zappalorto – Dipartimento di Tecnica e Gestione dei sistemi industriali – Università di Padova

Bibliografia
[1] Kuang KSC, Cantwell WJ. Use of conventional optical fibers and fiber Bragg gratings for damage detection in advanced composite structures: A review. Appl Mech Rev 2003, 56, 493-513.
[2] Park JM, Lee SI, Kwon OY, Choi HS, Lee JH. Comparison of nondestructive microfailure evaluation of fibre-optic Bragg grating and acoustic emission piezoelectric sensors using fragmentation test. Compos Part A 2003, 34, 203–16.
[3] Leng J, Asundi A. Structural health monitoring of smart composite materials by using EFPI and FBG sensors. Sens Actuators A 2003, 103, 330–40.
[4] Gojny FH, Wichmann MHG, Fiedler B, Kinloch IA, Bauhofer W, Windle AH, Schulte K. Evaluation and identification of electrical and thermal conduction mechanisms in carbon nanotube/epoxy composites. Polymer 2006, 47, 2036–2045.
[5] Wichmann, MHG, Sumfleth, J, Gojny, FH, Quaresimin, M, Fiedler, B, Schulte, K. Glass-fibre-reinforced composites with enhanced mechanical and electrical properties – Benefits and limitations of a nanoparticle modified matrix. Eng Fract Mech, 2006, 73, 2346–2359.
[6] Quaresimin M, Salviato M, Zappalorto M. Strategies for the assessment of nanocomposite mechanical properties. Compos part B-Eng 2012, 43, 2290-2297.
[7] Chou TW, Gao L, Thostenson ET, Zhang Z, Byun J-H. An assessment of the science and technology of carbon nanotube-based fibers and composites. Compos Sci Technol 2010, 70, 1–19.
[8] Böger L, Wichmann MHG, Meyer LO, Schulte K. Load and health monitoring in glass fibre reinforced composites with an electrically conductive nanocomposite epoxy matrix. Compos Sci Technol 2008, 68, 1886–94.
[9] Thostenson ET, Chou TW. Glass Fibers with Carbon Nanotube Networks as Multifunctional Sensors. Adv Mater 2010, 20, 1885–1893.


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