Characterization and analysis of woven composite materials using non destructive testing techniques

The possibility to be able to check and determine a priori the evolution of damage of the structures under stress allows to improve the knowledge of the behaviour of the materials. All this with a double effect: it makes possible to develop new advanced materials and make substantial progress in all security aspect. The last one, in particular, has become very important than ever in the recent years. This work tries to analyse the main features of different techniques of non-destructive testing in order to determine the potential and the application in the field of the woven composite materials. In particular, this work can be divided into two parts. The first part deals with the study and characterization of some materials through the application of laser vibrometry. After a short, but fundamental, introduction to the theoretical aspects concerning the propagation of Lamb waves in solid media, it is demonstrated how, through a few experimental measurements, it is possible to characterize a new material. It is shown how it is possible to determine in a direct manner the stiffness matrix of materials and how it is able to estimate, in an indirect way, their mechanical properties. The second part, however, focuses more on the use of combined techniques to study the behaviour under stress of these materials. Different types of experimental tests have been carried out, in order to vary the nature of the damage introduced. It is demonstrated that the simultaneous application of different methods of non-destructive testing has multiple effects. Firstly, it is tried to understand how these techniques affect each other. Then, in second place, the study of the evolution of damage is done. The most important of these techniques is the infrared thermography (IRT), because it is the less intrusive. The others techniques, including acoustic emission and image correlation, have been used as a support to the IRT as additional tools for analysis and validation.

Il controllo non distruttivo (CND) è una branca della scienza di ultima generazione con enormi potenzialità. La possibilità di poter controllare e cercare di determinare a priori l’evoluzione del danneggiamento sotto sforzo delle strutture permette di migliorare la conoscenza del comportamento stesso dei materiali. Tutto questo con un duplice effetto : sia quello di poter sviluppare dei nuovi materiali tecnologicamente avanzati sia quello di progredire notevolmente in tutti gli aspetti legati alla sicurezza. Quest’ultimo, in particolare, è divenuto molto importante e di moda come non mai negli ultimi anni. Se poi si pensa all’applicazione di tali tecniche in campo aerospaziale e meccanico si capisce ulteriormente come sia fondamentale procedere con la ricerca in tale settore. Questo lavoro di tesi cerca di analizzare le caratteristiche principali di svariate tecniche di controllo non distruttivo in modo da poter determinarne il ramo di applicazione e le potenzialità di ciascuna nel campo dei materiali compositi di tipo tessuto. In particolare tale lavoro può essere suddiviso in due parti. La prima parte riguarda lo studio e la caratterizzazione di alcuni materiali tramite l’applicazione della vibrometria laser. Dopo una breve, ma fondamentale, introduzione agli aspetti teorici che riguardano la propagazione della onde di Lamb in mezzi solidi, si dimostra come, tramite poche misurazioni sperimentali, sia possibile caratterizzare un nuovo materiale di nuova concezione. Si dimostra quindi come sia possibile determinare in maniera diretta la matrice di rigidezza di tali materiali e poterne stimare, per via indiretta, le proprietà meccaniche. La seconda parte, invece, si concentra sull’utilizzo di più tecniche combinate per poter studiare il comportamento sotto sforzo degli stessi materiali. Diverse tipologie di prove sperimentali sono state effettuate, in modo da variare la natura del danneggiamento introdotto. Si dimostra come l’applicazione simultanea di differenti tecniche di controllo non distruttivo abbia molteplici effetti. In primis si cerca di capire come tali tecniche si influenzino reciprocamente, mentre, in secondo luogo, si studia l’evoluzione del danneggiamento cercando di unire i dati forniti da ciascuna tecnica per un controllo su ampio spettro. Regina indiscussa di tali tecniche risulta essere la termografia infrarossa, in quanto è la meno intrusiva e permette di studiare l’evoluzione del danneggiamento anche in tempo reale (per contro si vedrà che una dettagliata post-analisi numerica richiederà molto tempo e molte risorse). Le altre tecniche, fra cui emissione acustica e correlazione di immagine, sono state impiegate come supporto a quest’ultima come ulteriori strumenti di analisi e di validazione.