Development of photonic smart veil for structural health monitoring

Excellent performance, great design versatility, and low weight compared to metals make composite materials the dominant elements in next-generation aircraft structures. The need to optimize the use of resources and materials, coupled with efforts to reduce maintenance costs in all industrial applications, has led to the development of structural monitoring systems. Fiber optic sensors prove particularly suitable for this purpose because they offer unique characteristics such as durability, stability, and immunity to radiation and electrical noise. In particular, Bragg grating sensors prove successful in aviation applications due to their small size, robust measurement at specific locations, and ability to perform real-time monitoring. The focus of this thesis is the development of techniques to integrate fiber optic sensors into composite structures using the Photonic Smart Veil (PSV), a sensor composed of a thin membrane that incorporates the optical fiber allowing it to be positioned on a path established during the design phase. The FBG transducer is affected only by axial deformations; therefore, this approach allows the fiber to be arranged in any orientation in the plane of the membrane, acquiring signals due to deformations in different directions. During this work, the PSV was improved to obtain a high-performance instrument with low invasiveness. Partial polymerizations of the constituent materials of the PSV were studied to improve its adhesion to the structure in which it is embedded. This thesis allowed the evaluation of different materials and testing of different configurations of the composite membrane. New manufacturing processes of the Quick Packs were proposed to minimize their invasiveness. The concluding part of the research focused on the evaluation of the adhesion of PSV to composite structures, achieved through partial cures. Peel tests followed, and the results highlight the great advantage of this new technique of embedding.

Le eccellenti prestazioni, la grande versatilità progettuale e il peso ridotto rispetto ai metalli, rendono i materiali compositi gli elementi dominanti nelle strutture aeronautiche di nuova generazione. Il bisogno di ottimizzare l'utilizzo delle risorse e dei materiali, unita all'impegno nel ridurre i costi di manutenzione in tutte le applicazioni industriali, ha posto le basi per lo sviluppo di sistemi di monitoraggio strutturale. I sensori in fibra ottica si rivelano particolarmente idonei a questo scopo poiché offrono caratteristiche uniche come durabilità, stabilità e immunità alle radiazioni e ai disturbi elettrici. In particolare, i sensori a griglia di Bragg risultano vincenti nelle applicazioni aeronautiche grazie alle loro dimensioni ridotte, alla misurazione robusta in punti specifici e alla possibilità di effettuare monitoraggi in tempo reale. Il focus di questa tesi è lo sviluppo di tecniche per integrare i sensori in fibra ottica nelle strutture in materiale composito utilizzando il Photonic Smart Veil (PSV), un sensore composto da una sottile membrana che incorpora la fibra ottica permettendone il posizionamento su un percorso stabilito in fase di progettazione. Il trasduttore FBG risente solo di deformazioni assiali, questo approccio consente, quindi, di disporre la fibra con qualunque orientazione sul piano della membrana, acquisendo segnali dovuti a deformazioni in diverse direzioni. Durante questo lavoro il PSV è stato migliorato per ottenere uno strumento ad alte prestazioni e con bassa invasività. Sono state studiate le polimerizzazioni parziali dei materiali costituenti del PSV per migliorarne l'adesione alla struttura in cui è inglobato. Questa tesi ha permesso di valutare diversi materiali e testare diverse configurazioni della membrana in composito. Sono stati proposte nuovi processi di produzione dei Quick Pack per minimizzarne l’invasività. La parte conclusiva della ricerca si è concentra con la valutazione dell’adesione del PSV alle strutture in composito, ottenuta attraverso le polimerizzazioni parziali. Sono stati seguiti test di peeling ed i risultati evidenziano il grande vantaggio di questa nuova tecnica di inglobamento.