Coupled electrical resistance measurement and IR thermography monitoring for analysis of damage development and fatigue strength of composite materials

Rooted from its heterogeneous microstructure, composite materials possess high strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios, which made them used for a wide range of industrial applications. However, their complicated microstructure makes it difficult to predict the failure mechanism and residual material life. The in-situ health monitoring system has received much attention in recent years as one of the promising solutions for the aforementioned limitations of composite material. In this research, electrical resistance measurement and IR thermography are utilized simultaneously during mechanical testing to verify their damage assessment capabilities. Through the experiment where we combined our coupled NDT system and a uniaxial tensile test of GFRP, the deformation and failure timeline of GFRP under tensile test could be subdivided into three different levels and finally enabled us to identify a characteristic stress value called ‘Damage stress(σD)’. In this research, we suggest that the Damage stress value, characterized by our coupled NDT system, can be a precise estimation of the fatigue strength of the studied material. In contrast with the conventional fatigue tests that requires tens of thousands of loading cycles, application of our coupled NDT system can effectively characterize the fatigue strength of composite materials in a single uniaxial tensile test. Series of analysis on the experiment result were carried out to understand how the damage stress value can be equivalent to the actual fatigue strength of the studied material. Furthermore, the correlation between the thermal, electrical and mechanical behavior of composite materials was thoroughly understood through multiphysics modeling study.

I materiali compositi sono largamente utilizzati per svariate applicazioni industriali, grazie alle loro proprietà specifiche particolarmente vantaggiose (e.g. resistenza/densità e rigidezza/densità). Tuttavia, presentano una struttura eterogenea e complessa che rende difficile fare previsioni sui meccanismi di cedimento e stime sulla vita residua. Negli ultimi anni i sistemi di monitoraggio strutturale in situ hanno ricevuto una grande attenzione poiché rappresentano delle soluzioni promettenti e di ausilio per effettuare previsioni strutturali. In questo studio sono state utilizzate misure di resistenza elettrica di nanotubi di carbonio e misure di termografia a infrarossi, acquisite simultaneamente durante test meccanici quasi-statici, ed è stata verificata la loro attendibilità per effettuare una valutazione dello stato di danneggiamento di un materiale composito. Sono state eseguite delle prove meccaniche di trazione e delle prove quasi-statiche di trazione interrotte a diversi livelli di carico. Il segnale termico, acquisito durante le prove di trazione, ha mostrato una certa ripetibilità per tutti i campioni analizzati. In particolare, sono state identificate tre regioni, corrispondenti a tre diversi livelli di danneggiamento. E’ stato inoltre possibile identificare, in corrispondenza della fine del tratto termoelastico, uno sforzo caratteristico, definito “Damage stress”, σD, e correlato in studi precendenti, alla resistenza a fatica (per 5 milioni di cicli). La ripetibilità osservata nell’identificazione fa supporre che esso stesso sia indice di un inizio di danneggiamento a livello microscopico, che non altera le proprietà elastiche del materiale, ma che può risultare pericoloso se il materiale è soggetto a carichi ciclici. Il segnale elettrico ha confermato questa ipotesi, mostrando un aumento improvviso della resistenza elettrica, indotto dalla formazione di micro-danneggiamenti. I test meccanici interrotti a diversi livelli di carico hanno permesso di identificare con più accuratezza questo livello di danneggiamento, corroborati anche da analisi di microscopia. Infine, è stato messo a punto un modello numerico multifisico, basato sulla tecnica di modellazione phase field, che ha consentito di modellare il comportamento termo-elettro-meccanico in un sistema semplificato fibra-matrice e di correlare il danneggiamento ai segnali termici ed elettrici.