Repairing of woven glass fibre and vitrimer matrix composites fractured in mode I and II

The widespread use of composite has led to a concerning rise in composite waste, driving research into alternative material concepts that offer enhanced lifetimes through repairing strategies, aligning with the principles of the circular economy. The repairing options for traditional epoxy matrix composites are limited due to their irreversible chemical bonds. Vitrimer polymers —a new generation of self-healing thermosets with bond-exchangeable dynamic covalent bonds— offer a promising solution as they combine the strength and durability of thermosets with the reprocessability of thermoplastics, exhibiting repair and recycling capabilities. Interlaminar damage is one of the most critical reasons for discarding composite components. In this study, the repairing of imine-based vitrimer matrix composite after delamination is investigated. Specifically, the recovery of Mode I and II interlaminar fracture toughness —intrinsic material properties governing delamination— are studied. Laminates of woven glass reinforced composite were manufactured by manual impregnation and hot-press curing. Specimens were cut and tested in tensile, three-point bending, Double Cantilever Beam (DCB) and Three-Point End-Notched Flexure (3-ENF) tests, followed by a delamination repairing process, choosing repairing conditions compatible with real applications. Subsequently, specimens were retested. A remarkable recovery of flexural properties was observed in preliminary tests. Repairing efficiencies of approximately 91% and 98% were obtained for Mode I and II delamination fracture toughness, respectively. Visual inspections confirmed successful repair of damage across all cases. The fracture surface was evaluated for Mode I, showing that the original crack is a preferred path for the delamination post-repair. The repairing process was also proved to reduce porosity, wrinkles and cutting delaminations under visual inspection. Results demonstrate that imine-based vitrimer composites have significant potential as materials for repairing delamination damages, presenting a promising solution to reduce the discard of composite components due to such a critical and common issue.

L'ampio utilizzo dei materiali compositi ha portato a un preoccupante aumento dei rifiuti derivati, spingendo la ricerca verso concetti di materiali alternativi che permettano di prolungarne la vita utile attraverso strategie di riparazione. Le opzioni di riparazione per i tradizionali compositi a matrice epossidica sono limitate a causa dei loro legami chimici irreversibili. I polimeri vitrimerici, una nuova generazione di termoindurenti autoriparabili con legami covalenti dinamici interscambiabili, offrono una soluzione promettente poiché combinano la resistenza e la durabilità dei termoindurenti con la riprocessabilità dei termoplastici, mostrando capacità di riparazione e riciclaggio. I danni interlaminari sono uno dei motivi principali per la dismissione dei componenti in composito. In questo studio, viene investigata la riparazione dopo frattura interlaminare di tipo I e II di un composito a matrice vitrimerica a base di imine, proprietà del materiale che governano la delaminazione. Lamine di composito rinforzate con tessuto di vetro sono state prodotte. I campioni sono stati tagliati e testati in trazione, flessione a tre punti, test DCB e test 3-ENF, seguiti da un processo di riparazione, scegliendo condizioni di riparazione compatibili con applicazioni reali. Successivamente, i campioni sono stati ri-testati. Un notevole recupero delle proprietà di flessione, e efficienze di riparazione di circa il 91% e il 98% rispettivamente per la resilienza alla frattura per delaminazione di tipo I e II sono stati osservati. Le ispezioni visive hanno confermato la riuscita riparazione dei danni in tutti i casi. La superficie di frattura è stata valutata per il tipo I, mostrando che la crepa originale è un percorso preferenziale per la delaminazione post-riparazione. Il processo di riparazione ha dimostrato, con ispezione visiva, anche di ridurre la porosità, la rugosità superficiale e le delaminazioni di taglio. I risultati dimostrano che i compositi a base di vitrimeri a imine hanno un notevole potenziale come materiali per la riparazione dei danni da delaminazione, presentando una soluzione promettente per ridurre lo scarto dei componenti in materiale composito.