Carbon nanotubes : a novel technique for real-time structural health monitoring of composite materials

Composite materials are developing fast, particularly carbon fiber and glass fiber reinforced epoxies are very widespread in aerospace and automotive structures due to their high specific properties like high stiffness or strength to weight ratios and good fatigue tolerance. Due to the brittle properties of the epoxy and lack of a mechanism of plastic strain, carbon/glass-reinforced composites are more susceptible to impact damage in comparison with metals. To cope with this low damage tolerance, composite structures are usually over-designed with a high safety factor. One more problem of fiber reinforced polymers is damage detection: since more plies are usually employed, failures of the core fibers are impossible to be spotted with visual inspection and dedicated instrumentation is needed. This work tries to overcome these two drawbacks with the introduction of carbon nanotubes in the epoxy matrix. Starting from a literature research, nature and properties of these nano-fillers are investigated to understand their behaviour in composite materials. Subsequently, CNTs-filled specimens are manufactured and tested with low velocity impacts and indentation tests to highlight mechanical properties enhancement. CNTs relevance in the structural health monitoring is deepened with postprocessing tools to understand how the damage develops and how nano-fillers react.

I materiali compositi si stanno sviluppando molto rapidamente, in particolare i laminati di fibra di carbonio e fibra di vetro con una matrice di resina epossidica sono molto diffusi nelle strutture aerospaziali e automobilistiche grazie alle loro straordinarie proprietà meccaniche come l’elevata rigidità, l’ottimo rapporto resistenza/peso e una buona tolleranza alla fatica. A causa delle caratteristiche fragili della resina epossidica e della mancanza di un meccanismo di deformazione plastica, i laminati in fibra di carbonio/vetro sono più sensibili ai danni da impatto rispetto ai metalli. Per far fronte a questa bassa tolleranza, le strutture in composito sono spesso progettate con un alto fattore di sicurezza. Un altro problema dei materiali compositi riguarda il rilevamento e monitoraggio dei danneggiamenti: dato che solitamente vengono impiegate più pelli sovrapposte, i guasti delle fibre del nucleo sono impossibili da individuare con un’ispezione visiva ed è necessaria una strumentazione dedicata. L’obbiettivo di questo lavoro consiste nel superamento dei due principali svantaggi dei materiali compositi con l’introduzione di nanotubi al carbonio. Partendo da una ricerca bibliografica, la natura e le proprietà di questo nano-materiale vengono studiate per comprendere al meglio il suo comportamento durante i futuri esperimenti. Successivamente, i processi di fabbricazione dei provini e i setup per impatti a bassa velocità e test di indentazione vengono illustrati. Le prove sperimentali serviranno per evidenziare un eventuale miglioramento delle proprietà meccaniche dei laminati e per studiare il comportamento dei nanotubi al carbonio come strumento di monitoraggio strutturale. I dati raccolti verrano studiati e analizzati approfonditamente con strumenti di post-elaborazione, cercando di correlare la risposta del nano-filler alla propagazione del danno.