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

Fibre reinforced polymers are outstanding materials for advanced applications, characterized by excellent lightness and mechanical properties, of which the performances are, however, affected by the intrinsic damage occurring during the in-service life. Indeed, in the design of composite products, it has to be considered that most of the structural parts produced from composites are subjected to high load levels and impacts, possibly leading to damage such as matrix cracking, delaminations and fibre breakage, which in turn lead to the degradation of the mechanical properties during the product life. Within this scenario, health monitoring for the detection of the intrinsic damage is essential to improve the in service reliability and lifetime of FRP-structures. This is the reason why many types of sensors and techniques for damage sensing have been developed in the very recent years. Among these, nanotechnology has recently emerged as a suitable tool to optimise properties of materials by designing their internal structure at the very nanoscale, thus assisting in the achievement of multifunctional materials with self-sensing properties. With the aim to investigate the possibility of monitor the health condition of composite structures through electrical methods, in the second chapter, the strain sensing capability of carbon nanotubes modified polymers was investigated by the theoretical and experimental point of view. A theoretical model was developed to predict the electrical resistance change of CNT modified polymers, resulting in a very good agreement with the results of an ad hoc experimental campaign, and with results taken from the literature. In the third chapter, a comprehensive analytical and numerical study was carried out to correlate the electrical resistance change to the decrease of the elastic properties of multidirectional laminates in the presence of cracks. The results showed that electrical resistance can be used, in a very effective way, to predict the damage state and the degradation of the mechanical properties of the material. The case of a laminate in the presence of a delamination, which is the typical damage scenario of laminates subjected to an impact, was studied in the fourth chapter. Analytical tools were developed to predict the delamination extension as a function of the increase of the electrical resistance of a multidirectional laminate, and the predictions of the models showed a very good agreement with experimental results on CNT modified laminates made of carbon fibres, CNT coated glass fibres, and with data taken from the literature. Analyses on the influence of impact induced damage on the variation of the electrical resistance of conductive laminates were carried out in chapter 5, where numerical simulations were initially done to small plates made of carbon fibres, and subsequently to a plate with greater dimensions. In parallel with the numerical analyses, an experimental campaign on CNT modified carbon fibre laminates showed that the presence of impact induced damage lead to the irreversible increase of the electrical resistance, which can therefore be used as a quantitative parameter to monitor the presence of damage. Eventually, in chapter 6, issues regarding the implementation of the health monitoring using electrical methods are addressed, such as the electrical characterization of the composite laminates and the influence of external factors on the electrical measurements. Later on, different demonstrators of the health monitoring capabilities of multifunctional laminates are presented, showing the potentialities of self sensing material and electrical methods to monitor the strain and damage condition of the part.

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.