Small angle X-ray scattering to investigate fibre-reinforced composites

Novel fibre-reinforced composites are becoming increasingly important as stable and lightweight materials. For example, carbon fibre reinforced polymers (CFRP), are used in aircraft construction or in the construction of Formula 1 racing cars and sports bicycles. The properties of these materials depend mostly on how the tiny fibres are aligned and how they are arranged and embedded in the surrounding material, influencing the mechanical, optical, or electromagnetic behaviour of the composites.

To investigate the fibre’s orientation in such composites, researchers must look inside them. One could use small angle X-ray scattering (SAXS), exploiting the fact that X-rays are scattered when they penetrate matter. The resulting scattering pattern can then be used to obtain information about the interior of a sample and potentially the orientation of the fibres. However, the common SAXS methods have the disadvantage of being quite slow: it can take up to several hours to scan centimeter-sized specimens with the required resolution.

Observing the knotting of a carbon fibre ribbon

Researchers at the Paul Scherrer Institute (PSI) and ETH Zürich, together with colleagues from EPF Lausanne and the Danish spin-off company Xnovo Technology, have now succeeded in further developing the technology for practical applications. “The decisive factor was that we installed an array of X-ray lenses behind the sample. This makes it possible to detect multiple local scattering patterns that reflect the spatial inner structure of a sample with only one X-ray shot, enabling us to take a large number of consecutive images,” says Matias Kagias, the inventor of the method and a postdoctoral researcher in the PSI X-ray tomography group headed by Marco Stampanoni. As a proof of principle, the researchers used the new method to display fibres’ orientation in a carbon fibre ribbon during the knotting process. They acquired time-resolved X-ray projections at a rate of 25 images per second over a period of 11 seconds.

Applications in medicine and security are conceivable

The new method works not only with X-rays from synchrotron facilities such as the Swiss Light Source (SLS), but also with beams from conventional X-ray tubes. Therefore, says Prof. Marco Stampanoni, “it is expected that this novel approach will find practical applications in medical devices and non-destructive testing as well as the area of homeland security.”

The researchers have published their results in the journal Nature Communications.

Matias Kagias (left) and Marco Stampanoni in front of the apparatus with which they examined the composites using the newly developed X-ray method. Both hold one of the workpieces that have been X-rayed

Source: Paul Scherrer Institute


Leggi anche

Tra gli strumenti per caratterizzare la qualità di materiali bidimensionali come il grafene una tecnica standard è la spettroscopia Raman, che ha però un grosso svantaggio: la bassa velocità. Inoltre, la luce laser impiegata può danneggiare alcuni dei materiali analizzati. I ricercatori dell’Università di Twente hanno migliorato il sistema con un algoritmo intelligente per il rilevamento, che consente di renderlo almeno 50 volte più veloce e meno aggressivo sui materiali sensibili…

Leggi tutto…

Una nuova ricerca condotta da ingegneri dell’Università dell’Illinois combina la sperimentazione su scala atomica con la modellizzazione computerizzata per determinare quanta energia è necessaria per piegare il grafene multistrato, una domanda che ha interpellato gli scienziati da quando il grafene è stato isolato per la prima volta…

Leggi tutto…

Dalla partnership tra l’Università di Tor Vergata, Regione Lazio (Italia) e ISIS Pulsed Neutron and Muon Source (Oxfordshire-Gran Bretagna) nasce ISIS@MACH (MAterials Characterization Hub), una nuova infrastruttura di ricerca con sede nella Regione Lazio con l’obiettivo di approfondire lo studio della proprietà dei materiali compositi su scala nanometrica…

Leggi tutto…

Il Centro tomografico di TEC Eurolab si dota di un acceleratore lineare dieci volte più potente rispetto ai due già posseduti. Permette di effettuare analisi di componenti di grande spessore e di materiali e leghe ad altissima densità, inclusi i materiali per l’additive manufacturing e dei materiali compositi. Questa tecnica di indagine non distruttiva avanzata consente all’azienda di offrire un range di applicazioni unico nel panorama europeo e risponde alle esigenze del settore aeronautico e automotive…

Leggi tutto…

Composite UK, l’associazione di riferimento per l’industria britannica dei materiali compositi, ha diffuso una guida per le buone pratiche in materia di resistenza al fuoco dei compositi in polimeri fibroriforzati (Fire Performance of Composites Good Practice Guide). Data la complessità del comportamento dei materiali compositi in relazione al fuoco, la guida punta a rispondere all’esigenza del mercato e del mondo della ricerca di approfondire la conoscenza di questo parametro….

Leggi tutto…