Studio ed analisi delle proprietà meccaniche ed elettriche di un materiale self-sensing per applicazioni di monitoraggio strutturale = Study and analysis of the mechanical and electrical properties of a self-sensing material for structural monitoring applications

Il seguente lavoro di tesi ha lo scopo di caratterizzare elettro-meccanicamente un materiale composito self-sensing per applicazioni di monitoraggio strutturale (Structural Health Monitoring - SHM). Il materiale è composto da una matrice di poliammide PA 6.6 rinforzata con fibre corte di vetro e carbonio. La presenza di fibre corte di carbonio rende il materiale elettricamente conduttivo, ciò permette di correlare la risposta meccanica alla variazione delle caratteristiche elettriche. L’obiettivo è studiare questa correlazione ed avere un’indicazione sul tipo e l’entità dei danni individuabili, eseguendo due tipi differenti di studio, uno di strain-sensing ed uno di damage-sensing. La fase preliminare riguardante la caratterizzazione elettro-meccanica del materiale è stata eseguita utilizzando delle piastre, da cui sono stati ricavati i provini, prodotte mediante la tecnica dello stampaggio ad iniezione. In primo luogo, al fine di indagare un’eventuale disomogeneità nelle caratteristiche elettro-meccaniche, è stato necessario creare un modello CAE con il software Moldex3D per la simulazione del processo di stampaggio ad iniezione, eseguendo contestualmente una simulazione per lo studio dell’orientazione delle fibre all’interno della piastra, i cui risultati sono stati validati al microscopio. Tali risultati hanno evidenziato una disomogeneità nella distribuzione ed orientazione delle fibre all’interno della piastra. Pertanto, è stato necessario studiarne la correlazione con la risposta elettro-meccanica del materiale. Durante lo studio della risposta elettrica in corrente continua del materiale è stata determinata la conduttività elettrica σ. È stato condotto in seguito uno studio di sensibilità al variare dei principali parametri geometrici del sistema, quali distanza tra gli elettrodi, sezione del provino e degli elettrodi, orientazione delle fibre e posizione degli elettrodi nel provino. Successivamente il materiale è stato caratterizzato meccanicamente, eseguendo dei test di trazione e compressione. Eseguita la caratterizzazione elettro-meccanica del materiale, è stato possibile effettuare lo studio di strain-sensing correlando le deformazioni ottenute durante i test meccanici, con la variazione delle caratteristiche elettriche dei provini. In particolare, è stato determinato il Gauge Factor (GF) del materiale sia in funzione delle condizioni di carico ed orientazione dei provini, che in funzione della frequenza di alimentazione, adottando le frequenze di 0 Hz (DC), 316.3 Hz e 100 kHz (AC), in modo da poter prevedere le deformazioni al variare di resistenza ed impedenza elettrica. L’analisi delle proprietà di damage-sensing è stata effettuata su un campione sottoposto ad indentazione, sviluppando una metodologia per la mappatura bidimensionale delle resistenze elettriche nel provino (2D electrical resistance mapping). Tale tecnica ha permesso di individuare la posizione del danno meccanico e di stimare il grado di danneggiamento del provino. Il materiale caratterizzato è stato utilizzato per la produzione di un componente strutturale di una sospensione automobilistica, progettato in collaborazione con Marelli Ride Dynamics. Sulla base delle analisi condotte sui campioni, il componente è stato strumentato per effettuarne il monitoraggio strutturale. Il sistema è stato validato con dei test di cedimento condotti con condizioni di carico che replicano la manovra di frenata, confermando le capacità del sistema sviluppato di identificare il danneggiamento del materiale.