Evolution of residual strains due to manufacturing and hygrothermal effects on an aeronautical epoxy resin

This thesis work focuses on the analysis of the evolution of residual strains that characterize a specific epoxy resin, used for applications in the automotive and aeronautical fields, both during the manufacturing process of the components, and during and following the permanence of the material in hostile environment, characterized by high humidity values. This condition, in the aeronautical field, represents a concrete influence factor on the mechanical properties of the material and its deterioration: the absorption of humidity from the environment, for example by the blades of a helicopter, typically made of composite material, a phenomenon still little explored, occurs with some ease. The techniques for analyzing the effects of this phenomenon are, nowadays, rather intrusive and, often, destructive on the material. The possibility of carrying out this investigation, on the other hand, through new and less intrusive technologies therefore represents an element of considerable potential, capable of allowing the monitoring of residual strains directly from inside the component, offering new and innovative approaches to maintenance. In the present thesis, this investigation is carried out using different types of sensors. Among these, extensive use has been made of optical fibers, equipped with Fiber Bragg Gratings. Initially, the strains values were monitored during the production phase of the epoxy resin specimens, considering both the curing cycle and the subsequent cooling cycle, by means of an FBG sensor directly incorporated into the material. The mechanical properties of the dry material were evaluated through tensile tests with extensometer and FBG sensor; after that, a conditioning test of the material was carried out by immersion in water, to reproduce an environment with a very high humidity content, monitoring the same values through optical fibers and subsequently evaluating the new mechanical properties of the conditioned material, using an extensometer and FBG sensor. The same conditioning test was then carried out on the optical fibers only, in order to be able to isolate the effects due to the absorption of moisture from what was recorded on the resin samples. Finally, strain values were monitored during the drying process of a conditioned specimen. It was also possible to evaluate the Coefficient of Thermal Expansion and Swelling Coefficient of the epoxy resin used. These activities, in addition to making it possible to compare the mechanical properties typical of the same material before and after conditioning, made it possible to constantly monitor the values of microstrains recorded on the specimens, making it possible to trace a history curve, useful as a Structural Health Monitoring tool and offering the possibility to keep track of the residual deformations of the material "from the cradle to the crave".

Il presente lavoro di tesi si concentra sull’analisi dell’evoluzione delle deformazioni residue che caratterizzano una specifica resina epossidica, utilizzata per applicazioni in ambito automotive ed aeronautico, sia durante il processo di manufacturing dei componenti, sia durante e a seguito della permanenza del materiale in ambiente ostile, caratterizzato da elevati valori di umidità. Tale condizione, in campo aeronautico, rappresenta un fattore di influenza concreto nei confronti delle proprietà meccaniche del materiale e del suo deterioramento: l’assorbimento di umidità dall’ambiente, ad esempio da parte delle pale di un elicottero, tipicamente in materiale composito, fenomeno tuttora poco esplorato, si verifica con una certa facilità. Le tecniche di analisi degli effetti di questo fenomeno sono, al giorno d’oggi, piuttosto invadenti e, spesso, distruttive sul materiale. La possibilità di effettuare tale indagine, invece, tramite nuove e meno invadenti tecnologie rappresenta, pertanto, un elemento di notevole potenzialità, in grado di permettere un monitoraggio delle deformazioni residue direttamente dall’interno del componente, offrendo nuovi ed innovativi approcci alla manutenzione. Nella presente tesi, tale indagine viene effettuata tramite diverse tipologie di sensori. Tra questi, è stato fatto un uso estensivo delle fibre ottiche, dotate di Fiber Bragg Gratings. Inizialmente, sono stati monitorati i valori di strains durante la fase di produzione dei provini in resina epossidica, considerando sia il ciclo di cura che quello di raffreddamento successivo, tramite sensore FBG direttamente inglobato nel materiale. Sono state valutate le proprietà meccaniche del materiale asciutto, tramite prove a trazione con estensometro e sensore FBG; dopodiché, è stato effettuato un test di condizionamento del materiale tramite immersione in acqua, per riprodurre un ambiente ad altissimo contenuto di umidità, monitorando gli stessi valori tramite fibre ottiche e valutando successivamente le nuove proprietà meccaniche del materiale condizionato, tramite estensometro e sensore FBG. Il medesimo test di condizionamento è stato poi effettuato sulle sole fibre ottiche, in modo da essere in grado di isolarne gli effetti dovuti all’assorbimento di umidità da quanto registrato sui provini in resina. Infine, sono stati monitorati i valori di strains durante il processo di essiccazione di un provino condizionato. È stato altresì possibile valutare i valori di Coefficient of Thermal Expansion e Swelling Coefficient della resina epossidica utilizzata. Queste attività, oltre a rendere possibile il confronto tra le proprietà meccaniche tipiche del medesimo materiale prima e dopo il condizionamento, hanno permesso di tenere costantemente monitorati i valori di microdeformazioni registrate sui provini, rendendo possibile tracciarne uno storico utile come strumento di Structural Health Monitoring e offrendo la possibilità di tenere traccia delle deformazioni residue del materiale “from the cradle to the crave”.