I materiali compositi stanno progressivamente sostituendo i più tradizionali materiali metallici, anche in applicazioni safety-critical, grazie alle eccellenti proprietà meccaniche, quali un miglior rapporto forza-peso e rigidezza-peso, nonché ad una maggiore resistenza alla corrosione, alle proprietà ignifughe ed ai costi ridotti del ciclo-vita. Tuttavia, in presenza di impatti e carichi di compressione, i materiali compositi sono soggetti a complessi meccanismi di cedimento, tra cui l’insorgere di cricche nella matrice e delaminazioni. Tali fenomeni sono peraltro strettamente legati alla configurazione del materiale e alla sua condizione di utilizzo, fattori che rendono la previsione dell’integrità strutturale particolarmente aleatoria, traducendosi in un possibile aumento dei costi operativi, nello specifico di manutenzione.

Ad oggi, molteplici studi si sono dedicati all'implementazione di sistemi di monitoraggio strutturale, tipicamente basati sull'installazione di sensori permanenti in grado di fornire un flusso continuo di informazioni circa l’integrità della struttura monitorata. Tali dati sono processati da algoritmi di elaborazione del segnale e intelligenza artificiale per il rilevamento, la valutazione e la prognosi del danno durante la vita operativa di un componente o di una parte strutturale. Tuttavia, nella maggior parte dei casi riportati in letteratura scientifica, la diagnosi e prognosi strutturale è basata sulla misura di variabili esclusivamente locali (per esempio, di deformazione) correlabili alle caratteristiche del danno ma richiedono un numero elevato di sensori per sopperire alla natura locale della misura. Ciò comporterebbe un significativo aumento del peso, annullando il vantaggio dell’utilizzo di materiali compositi.

Per superare questi limiti, il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del Politecnico di Milano ha avviato il progetto di ricerca MISTICO (Monitoring of composite material structures with carbon nanotubes - 2016-2019), inserito nel quadro del programma Giovani Ricercatori. Il team, guidato dal Prof. Claudio Sbarufatti nel ruolo di principal investigator, raccoglie un background di esperienze da diverse sezioni del Dipartimento: la sezione di Costruzione di Macchine e Veicoli (Prof. Claudio Sbarufatti e Flavia Libonati) per le tecniche di monitoraggio strutturale, il degrado dei materiali e lo studio di materiali nanocompositi; la sezione di Misure (Dr. Diego Scaccabarozzi) per la progettazione dei sensori e l’ottimizzazione dell’analisi dei segnali; la sezione di Meccanica dei Sistemi (Prof. Simone Cinquemani) per lo sviluppo di materiali intelligenti e tecniche di controllo strutturale.

L’idea alla base di MISTICO è quella di sfruttare le proprietà multifunzionali dei materiali nanocompositi epossidici rinforzati con nanoparticelle di carbonio al fine di creare una struttura self-sensing. Questa è in grado di percepire potenziali meccanismi di deterioramento all’interno del materiale stesso attraverso la misurazione della sua piezoresistenza, rinnovando il concetto di sensor network. L’aggiunta di nanotubi di carbonio (CNTs) nella matrice del materiale composito ha un duplice effetto. In primo luogo, si nota un aumento della resistenza a fatica poiché i nanotubi, a livello microstrutturale, tendono a connettere le superfici di frattura nella matrice, limitandone la propagazione, come mostrato in fig.1.
In secondo luogo, aggiungendo una quantità limitata di nanotubi di carbonio nella resina di un materiale composito, quest’ultima di per sé non conduttiva, il materiale assume proprietà piezo-resistive che possono appunto essere utilizzate per il rilevamento di anomalie, tramutando il materiale stesso in un sensore ed eliminando la necessità di doverne installare di esterni. La fig. 2 mostra come l’effetto tunnel e il contatto tra i nanotubi di carbonio favoriscono il passaggio di corrente nella struttura. In caso di danno, per esempio a seguito di un impatto, la distribuzione dei nanotubi vicino all’area danneggiata cambia, così come la distanza relativa tra di essi. Ciò si tradurrà in una variazione di impedenza elettrica e, quindi, di tensione misurata mentre una corrente costante attraversa il materiale.

L’approccio è stato inizialmente verificato su provini in materiale composito rinforzati con fibra di vetro e soggetti a carichi di rottura (fig. 3), identificando la presenza di micro-danneggiamenti validati per mezzo di misurazioni effettuate con termocamera [1]. In seguito, i nanotubi di carbonio sono stati distribuiti su una pellicola adesiva e usati per monitorare lo scollamento di un giunto strutturale soggetto a carichi di fatica (Fig. 3b), dimostrando come il metodo sia applicabile non solo per individuare il danno ma anche per identificare la variazione di carico su tutto il provino [2]. Infine, sono stati realizzati test d’impatto a bassa velocità su provini in materiale composito rinforzato con fibra di vetro e nanotubi di carbonio, correlando i segnali acquisiti direttamente dal materiale durante l’impatto con la forza e lo spostamento misurati (fig. 4). Ciò ha permesso di verificare la possibilità di poter allo stesso tempo identificare l’insorgere di delaminazioni durante l’impatto e monitorare le vibrazioni post-impatto subite dal provino stesso.
Grazie ai promettenti risultati ottenuti, il team dedicherà la ricerca futura a migliorare la solidità dell’approccio, facendo leva sull’ottimizzazione del processo tecnologico di realizzazione al fine di ottenere misure ripetibili ed aprire la strada ad una potenziale applicazione nell’ambito del controllo strutturale.
 

[1] Park, K., Scaccabarozzi, D., Sbarufatti, C., Jimenez-Suarez, A., Ureña, A., Ryu, S., Libonati, F., Coupled health monitoring system for CNT-doped self-sensing composites (2020) Carbon, 166, pp. 193-204

[2] Sánchez-Romate, X.F., Sbarufatti, C., Sánchez, M., Bernasconi, A., Scaccabarozzi, D., Libonati, F., Cinquemani, S., Güemes, A., Ureña, A., Fatigue crack growth identification in bonded joints by using carbon nanotube doped adhesive films (2020) Smart Materials and Structures, 29 (3), art. no. 035032

[3] Sbarufatti, C., Sánchez-Romate, X.F., Scaccabarozzi, D., Cinquemani, S., Libonati, F., Güemes, A., Ureña, A. On the dynamic acquisition of electrical signals for structural health monitoring of carbon nanotube doped composites (2017) Proceedings of the 11th International Workshop on Structural Health Monitoring, IWSHM 2017, 2, pp. 1921-1928.

[4] Sbarufatti, C., Simón, P., Cinquemani, S., Scaccabarozzi, D., Impact analysis of fiber-reinforced composites by means of carbon nanotubes (2018) Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 10595, art. no. 1059538.

[5] X.F. Sánchez-Romate, C. Sbarufatti, D. Scaccabarozzi, S. Cinquemani, A. Jiménez-Suárez, A. Güemes and A. Ureña, Monitoring of impact dynamics on carbon nanotube multiscale glass fiber composites by means of electrical measurements, Proc. SPIE 10170, Health Monitoring of Structural and Biological Systems 2017, 101703A (April 5, 2017).

[6] Scaccabarozzi, D., Cinquemani, S., Sbarufatti, C., Jimenez-Suarez, A., Sanchez, M., Urena, A. A preliminary study on self sensing composite structures with carbon nanotubes (2017) 4th IEEE International Workshop on Metrology for AeroSpace, MetroAeroSpace 2017 - Proceedings, art. no. 7999613, pp. 434-438.

[7] Esmaeili, A., Sbarufatti, C., Jiménez-Suárez, A., Hamouda, A.M.S., Rovatti, L., Ureña, A., Synergistic effects of double-walled carbon nanotubes and nanoclays on mechanical, electrical and piezoresistive properties of epoxy based nanocomposites (2020) Composites Science and Technology, 200, art. no. 108459

[8] Cinquemani, S., Simón, P., Scaccabarozzi, D., Sbarufatti, C., Cazzulani, G., Exploiting self sensing features of carbon nanotubes composite structures for active vibration control (2018) Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 10595, art. no. 105952A.