Self-sensing features of fibre reinforced composites analysis by means of carbon nanotubes

Carbon nanotubes (CNT) can be pro tably embedded into the matrix of compos- ite structure to obtain a distributed sensor able to estimate deformations due to vibrations, impacts or high load applied. In this master thesis electrical measure- ments of carbon nanotube multiscale GFRPs have been carried out to monitor low velocity impacts and to estimate the severity of corresponding damages. The work has been developed experimentally, by monitoring the variation of the struc- ture electrical impedance as a consequence of impacts. Electrical measurements show that there is an initial decrease of electrical resistance due to plate compres- sion, followed by an increase due to tunneling e ect of carbon nanotubes. Criteria based on the dynamic variation of electrical impedance were proposed and their correlation with the impact energy was studied. Severity of damages has been estimated with di erent approaches, by measuring the damage extension through the microscope. The analysis shows that CNT can properly describe the dynam- ics of impact. Synthetic indexes proposed in this work to estimate the severity of damages from CNTs electrical measurements have some limitations, which is the reason why, at this point, they only t partially with experimental data. The master thesis investigates also the opportunity of exploiting self-sensing properties of carbon nanotubes to generate a feedback signal, representative of the vibratory state of the structure, to actively suppress vibrations. Due to the so called \tunneling e ect", carbon nanotubes (CNT) embedded in the matrix of a composite structure play the role of distributed sensors. This means there is no more a sensor, but, in fact, it is the structure itself that is able to provide information on its state on vibration. The master thesis demonstrates it is possible to exploit electrical signal related to the deformation of the structures to estimate vibration and to design suitable control forces to suppress them.

I nanotubi di carbonio possono essere inseriti nella matrice di una struttura composita per ottenere un sensore continuo distribuito in grado di stimare le deformazioni dovute a vibrazioni, impatti o altri alti carichi applicati. In questa tesi, le misure elettriche sui nanotubi GFRP sono state portate avanti per monitorare gli impatti a bassa velocità e stimare l'importanza dei danni ad esse corrispondenti. Il lavoro è stato portato avanti sperimentalmente monitorando la variazione dell’impedenza della struttura. Come conseguenza degli impatti, misure del livello elettrico mostrano che c’è un iniziale calo della resistenza elettrica dovuto alla compressione della lastra seguita da un incremento dovuto all’aumento del tunneling effect. Sono stati proposti criteri basati sulla variazione dinamica dell'impedenza elettrica ed è stata studiata la loro correlazione con l'energia d'impatto. L’importanza dei danni è stata stimata con approci diversi misurando l’estensione del danno attraverso un microscopio. L’analisi mostra che i CNT possono descrivere le dinamiche dell’impatto in modo corretto. Indici sintetici proposti in questo lavoro per stimare l’importanza del danno con la misura dei CNT hanno alcune limitazioni che è il motivo per cui solo si correlazionano parzialmente coi dati sperimentali. La tesi magistrale controlla anche l'opportunità di descrivere le self-sensing properties di nanotubi di carbonio per generare un segnale di feedback che rappresenta lo stato vibrazionale della struttura per sopprimere attivamente le vibrazioni. A causa del cosiddetto tunneling CNT i nanotubi di carbonio inclusi nella matrice dei materiali compositi giocano il ruolo di sensori distribuiti sulla lunghezza della struttura. Questo vuol dire che non c’è più un unico sensore ma che la struttura stessa è in grado di fornire informazioni sul suo stato vibrazionale. Questa tesi dimostra che è anche possibile ricavare segnali elettrici correlati alla deformazione della struttura per stimare la vibrazione e progettare forze di controllo per sopprimere o smorzare questa vibrazione.