Development of lightweight recycled carbon fiber panels for noise reduction applications

In recent years, the increasing use of carbon fiber composites in the aerospace, automotive, and energy sectors has raised concerns regarding their end-of-life management. Although recycling methods exist, the recovered material typically consists of short, discontinuous fibers that cannot match the performance of virgin fibers. It is therefore necessary to explore new functional applications to incentivize the adoption of recycled alternatives. On this matter, the following thesis focuses on the development and characterization of innovative, lightweight sandwich panels made from recycled carbon fiber, designed for interior acoustic insulation. The primary objective of the research was to determine the optimal layering configuration capable of achieving a Sound Transmission Loss (TL) of 45 dB within the speech frequency range (500–1000 Hz), while maintaining reduced thickness and weight. The development, carried out using an industrial double-belt press, involved the integration of viscoelastic damping layers within various core configurations, including honeycomb (aluminum and cardboard) and rigid foam, which simulated, in some cases, the behavior of membrane-type acoustic metamaterials. Among the initial set of configurations inspired by the literature, only a subset proved compatible with the production process. A crucial aspect of the study concerned the optimization of the manufacturing process: to overcome thermodynamic issues with the insulating materials that prevented interlayer bonding, an EVA film was introduced as a low-temperature bonding agent. Its crosslinking kinetics were subsequently validated through Differential Scanning Calorimetry (DSC). The experimental results obtained via impedance tube testing allowed for the identification of the most effective solutions. In particular, among the successful configurations produced, the combination of recycled carbon fiber skins with two cardboard honeycomb cores and a central viscoelastic membrane proved to be the best compromise between performance, lightness, and cost, successfully meeting the project targets. The study confirms that recycled composite materials can serve as sustainable, high-performance acoustic retrofitting solutions.

Negli ultimi anni, l’uso crescente di compositi in fibra di carbonio nei settori aerospaziale, automobilistico ed energetico sta sollevando preoccupazioni sulla gestione del loro fine vita. Sebbene esistano metodi di riciclo, il materiale recuperato è solitamente costituito da fibre corte e discontinue che non riescono a competere con le prestazioni delle fibre vergine. È quindi necessario esplorare nuovi campi di applicazione per incentivare l’adozione di alternative riciclate. La presente tesi riguarda lo sviluppo e la caratterizzazione di pannelli sandwich innovativi e leggeri realizzati in fibra di carbonio riciclata, progettati per l’isolamento acustico di interni. L’obiettivo principale della ricerca è stato determinare la stratifica ideale capace di ottenere una riduzione sonora (TL) di 45 dB nel range di frequenze del parlato (500–1000 Hz), mantenendo al contempo spessori e pesi ridotti. Lo sviluppo, condotto mediante l’uso di una pressa industriale a doppio nastro, ha previsto l’integrazione di strati viscoelastici smorzanti in diverse configurazioni di core a nido d’ape (alluminio e cartone) e di schiuma rigida, simulando, in alcuni casi, il comportamento di metamateriali acustici a membrana. Del set iniziale di configurazioni, prese dalla letteratura, solo una parte si è rivelata compatibile con il processo produttivo. Un aspetto cruciale ha riguardato l’ottimizzazione del processo produttivo: per superare le problematiche termodinamiche dei materiali isolanti che impedivano l’adesione tra gli strati, è stato introdotto un film EVA come agente legante a bassa temperatura, la cui cinetica di reticolazione è stata validata mediante calorimetria differenziale a scansione (DSC). I risultati sperimentali, ottenuti tramite test in tubo di impedenza, hanno consentito di definire le soluzioni migliori. In particolare, la combinazione della pelle in fibra di carbonio riciclata con due core in cartone nido d’ape e una membrana viscoelastica centrale è risultata il compromesso migliore tra prestazioni, leggerezza e costi, soddisfacendo i target del progetto. Lo studio conferma che i materiali compositi riciclati possono costituire soluzioni di retrofitting acustico sostenibili e ad alte prestazioni.