Characterization of interlaminar damage in self-healing epoxy smart structures

The aim of this thesis work is to introduce a mechanochromic self-healing epoxy resin, fully characterized in previous studies, as a matrix in multi-functional composite materials with glass reinforcing fibres, for future developments and applications in aerospace and biomedical fields. The examined resin embeds dynamic covalent disulphide bridges which provide intrinsic self-healing behaviour, whereas colour variation is directly attributed to mechanical stress. These properties allow for the combination of superior characteristics typical of thermosetting polymers and the possibility to perform re-processing, which is only suitable for thermoplastics. For this reason, the main part of the work is focused on the study of compatibility of resin with fibres and more in general on the entire laminate manufacturing process. Great emphasis is given to curing and post-curing cycles, as cross-linking has a major role on resin final properties, so on the whole composite. From the mechanical point of view, the study is focused on the material behaviour in response to delamination and on repairing efficiency. This will necessarily impact critical parameters found by mechanical tests. Future developments on the repair cycle and on composite integrity will allow the implementation of optical fibres with sensors as an internal system for direct monitoring of delamination crack growth and consequent dynamic repair. This thesis work is part of a collaboration project between Politecnico di Milano and Agenzia Spaziale Italiana (ASI), which aspires to design multi-functional materials for aerospace applications.

L’elaborato di tesi in esame mira a inserire una resina epossidica auto-riparante e meccanocromica, precedentemente caratterizzata, come matrice per la realizzazione di materiali compositi multifunzionali con fibre di vetro, per futuri utilizzi in ambito aerospaziale. La resina sfrutta legami covalenti dinamici zolfo-zolfo che permettono la riparazione intrinseca del materiale, mentre l’effetto di variazione di colore è una diretta conseguenza delle sollecitazioni meccaniche. Queste proprietà permettono di combinare le superiori caratteristiche della resina, in qualità di polimero termoindurente, alla possibilità di riprocessare il materiale, tecnica solitamente esclusiva dei polimeri termoplastici. A fronte di ciò, il corpo dell’elaborato si fonda sullo studio delle caratteristiche di compatibilità della resina con le fibre di vetro e sull’intero processo di manufacturing del laminato. Particolare attenzione è stata posta sul ciclo di curing e post-curing, data l’enorme influenza della reticolazione sulle proprietà finali della resina, e di conseguenza del materiale composito nel complesso. Dal punto di vista meccanico, lo studio si concentra sul comportamento del materiale in risposta alla delaminazione e sulla efficienza della riparazione, che inevitabilmente impatterà sui parametri critici trovati. Studi successivi sulla riparazione e sulla integrità dei compositi porteranno ad implementare fibre ottiche dotate di sensori all’interno del materiale composito al fine di monitorare il processo di delaminazione e la conseguente riparazione dinamica. Questo elaborato di tesi rientra nel progetto di collaborazione tra Politecnico di Milano ed Agenzia Spaziale Italiana, che mira alla progettazione di materiali multifunzionali per applicazioni in ambito aerospaziale.