Exploiting non-linear geometries in the fabrication of Ni-Ti-based polymer-metal composites with functionally graded damping factor

In modern structural design, as well as other engineering fields, there is a diffuse interest in understanding and imitating the complex relationships and interplays between material structure, properties, and shape, as they are commonly found in nature. This thesis, adopting a similar viewpoint, seeks to investigate whether it is possible, in suitable systems, to combine non-linearities in geometry and mechanical properties in order to design new Functionally Graded composites and make them tunable. In the case of the present study, the function that we set out to grade and tune is the damping factor of nearly-equiatomic NiTi, pseudoelastic at room temperature. NiTi is a Shape Memory Alloy (SMA), already appreciated for its dissipative properties which depend, among other effects, on the energy losses connected with the imperfect thermodynamic reversibility of the martensitic transformation, whose sign is a marked transformation hysteresis. In order to describe and enhance its dissipative response, the alloy was first characterised by quasi-static and dynamic mechanical testing, calorimetry, metallography, X-ray powder diffraction and Finite Element modelling. Several dependencies of the damping factor were assessed and described, such as on frequency, temperature, amplitude and, most crucially, pre-strain. The microstructural phenomena underlying these effects were analysed and discussed. Subsequently, a novel heat treatment was designed in order to maximise the transformation hysteresis, without compromising the material stiffness and the stress plateaux levels. The treatment involves a high-temperature and short-duration step applied before the conventional ageing (shape setting), to promote stress recovery in the material microstructure without affecting precipitation and grain growth. Based on the results of the mechanical testing of the NiTi wire, and in particular the identified dependence of the damping factor on the pre-strain level, it was possible to devise a strategy, which primarily makes use of geometrical non-linearity to obtain a functional grading in the material. By shape setting the wires into curved shapes (so that they are curved in a stress-free configuration), and then straightening them, their pre-strain distribution along their length will be non-homogeneous, and controllable by choosing the initial curvatures. The curved wires thus fabricated are then held straight, by embedding in a polymeric matrix. Epoxy resin was selected for the purpose. Its compatibility with the alloy was tested through pull-out tests, confirming a stable adhesion between the two constituents of the composite. This characteristic ensures that the wires can be held straight and the pre-strain modulation can be maintained. Thus, a Functionally Graded SMA-polymer composite was obtained. This novel fabrication technique was dubbed Curvilinear Prestraining (CPS). Several different curved wires were fabricated and their effects on the response of the corresponding composites were evaluated with quasi-static and dynamic mechanical analysis, highlighting the difference in their mechanical behaviour, and the influence of shape on the functional properties of the hybrid multimaterial. It was therefore ultimately possible to demonstrate that CPS is effective in producing Functionally Graded Materials with variable and tunable damping properties.

Nella progettazione strutturale moderna, così come in diversi campi dell'ingegneria, c'è un diffuso interesse a comprendere e imitare le complesse relazioni e interazioni tra forma, struttura e proprietà meccaniche dei materiali, ispirandosi alle soluzioni comunemente trovate in natura. Questa tesi ricerca un’applicazione di questi principi generali, al fine di indagare se sia possibile sfruttare geometrie e proprietà meccaniche non lineari per regolare la risposta meccanica di un composito polimero-metallo con proprietà funzionali graduate. Nel caso del presente studio, la funzione che si vuole graduare è lo smorzamento (damping), generato da una lega a memoria di forma (Shape Memory Alloy, SMA): NiTi equiatomico e pseudoelastico; un materiale noto per le sue proprietà dissipative che dipendono, tra vari fattori, anche dal suo comportamento isteretico nel campo tenso-deformativo. Per descrivere e migliorare la sua risposta dissipativa, la lega è stata prima caratterizzata tramite test meccanici quasi statici e dinamici, misure calorimetriche, metallografia, misure di diffrazione con raggi X e modellazione agli elementi finiti. Vengono evidenziate diverse dipendenze del fattore di smorzamento, tra cui la frequenza, la temperatura, l'ampiezza e, soprattutto, il livello di pre-carico (o pre-deformazione: pre-strain). I fenomeni microstrutturali alla base di questi effetti sono stati analizzati e discussi. È stato inoltre sviluppato un nuovo processo di lavorazione per massimizzare l'area di isteresi, senza compromettere la rigidezza del materiale ed i livelli dei plateaux. Questo processo prevede l'introduzione di un trattamento termico ad alta temperatura e di breve durata, seguito dall’invecchiamento convenzionale (memorizzazione della forma o shape setting), per favorire il recupero degli sforzi residui nella microstruttura del materiale, senza influire sulla formazione di precipitati e sulla crescita dei grani. La compatibilità tra la lega e la resina epossidica scelta per la matrice viene quindi verificata tramite test di pull-out, verificando la buona adesione tra i due costituenti del composito. Sulla base dei risultati delle prove meccaniche del filo in NiTi, e in particolare della dipendenza del fattore di smorzamento dal livello di pre-strain, è stato possibile ideare una strategia che coinvolge geometrie non lineari per ottenere una gradazione funzionale nel materiale. Effettuando lo shape-setting dei fili in forme curve (in modo quindi che siano curvati nella loro configurazione scarica), e poi raddrizzandoli tramite l’applicazione di un carico, la distribuzione di pre-strain lungo la loro lunghezza non è costante, ed è controllabile tenendo conto della sua dipendenza dal raggio di curvatura iniziale (in condizioni scariche). I fili curvi così fabbricati sono stati quindi raddrizzati ed incorporati in una matrice epossidica. La matrice è stata in grado, una volta terminata la sua reticolazione, di mantenere i fili dritti grazie alla sua buona adesione con l’ossido di titanio superficiale. Pertanto, è stato ottenuto un composito di polimero SMA di grado funzionale. Questa nuova tecnica di fabbricazione è stata denominata Curvilinear Prestraining (CPS). Sono stati fabbricate diverse geometrie curve per i fili, ed i loro diversi effetti sulla risposta dei compositi sono stati valutati tramite analisi meccanica, sia quasi-statica che dinamica, evidenziando le differenze nelle varie risposte dissipative, e l'influenza della forma sulle proprietà funzionali del multimateriale ibrido. In conclusione è stato quindi possibile dimostrare che il CPS è efficace nella produzione di Functionally Graded Materials (FGMs) con proprietà di smorzamento variabili.