Smart micro- and nano-composites: non destructive evaluation of production and/or response to various loadings

Abstract

Advanced composite materials nowadays possess a leading position in the aeronautics industry for primary aircraft components. Despite their exceptional properties, a major disadvantage of composite materials is that they are sensitive to impact damage, e.g., hail damage. Structural Health Monitoring (SHM) is vital in providing information about the structural integrity of a component. A traditional approach for applying SHM is the usage of sensors attached or incorporated inside the structure. Another approach for applying SHM is the manufacturing of composites with self-sensing functionality. Self-sensing is defined as the ability of the material to provide information about its structural integrity without the usage of external sensors. The self-sensing functionality for structural components presents significant advantages compared to the inclusion of non-structural elements, such as a sensor inside the structure of the composite. Since the sensing element is an integral part of its structure, structural aggravation is minimised.This thesis aimed at the transformation of a conventional composite material into a multifunctional structure able to provide information about its structural integrity. A purposely positioned grid of conductive phases of materials widely used in the composites industry, located within the glass fibre laminate combined with a nanomodified epoxy matrix, imparted SHM topographic capabilities to the composite using the Impedance Spectroscopy (IS) technique. Further development of the capability mentioned above was its fusion with the self-healing technology. Among the capabilities of the developed composite were the assessment and localisation of damage, evaluation of the healing that occurred by using urea-formaldehyde micro-capsules, and finally, the restoration of the initial physical properties of the structure tendering to a life extension of the self-sensing function.

Τα προηγμένα σύνθετα υλικά κατέχουν ηγετική θέση στην αεροναυπηγική βιομηχανία βρίσκοντας εφαρμογή σε ένα πλήθος δομικών στοιχείων των αεροσκαφών. Παρά τις εξαιρετικές τους ιδιότητες, ένα σημαντικό μειονέκτημα των σύνθετων υλικών είναι ότι είναι ευαίσθητα σε ζημιές λόγω κρούσης, π.χ. ζημιές από χαλάζι. Η παρακολούθηση της δομικής υγείας είναι ζωτικής σημασίας καθώς παρέχει πληροφορίες σχετικά με την δομική ακεραιότητα ενός υλικού/κατασκευής. Μια προσέγγιση για την εφαρμογή της παρακολούθησης της υγείας είναι η χρήση αισθητήρων προσαρτημένων ή ενσωματωμένων μέσα στη δομή. Μια άλλη προσέγγιση είναι η κατασκευή σύνθετων υλικών η οποία διαθέτει την ικανότητα της αυτο-ανίχνευσης βλάβης. Η αυτο-ανίχνευση ορίζεται ως η ικανότητα του υλικού να παρέχει πληροφορίες σχετικά με τη δομική του ακεραιότητα αποφεύγοντας τη χρήση αισθητήρων χρησιμοποιώντας κάποιες από τις φυσικές του ιδιότητες. Η αυτο-ανίχνευση παρουσιάζει σημαντικά πλεονεκτήματα σε σύγκριση με την ενσωμάτωση μη δομικών στοιχείων, όπως ενός αισθητήρα, μέσα στη δομή του σύνθετου υλικού. Δεδομένου ότι το αισθητήριο στοιχείο είναι αναπόσπαστο μέρος της δομής του, η δομική υποβάθμιση ελαχιστοποιείται.Η παρούσα διατριβή έχει ως στόχο τη μετατροπή ενός συμβατικού σύνθετου υλικού σε μια πολυ-λειτουργική δομή ικανή να παρέχει πληροφορίες για τη δομική του ακεραιότητα. Μια διάταξη από αγώγιμα υλικά, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία των σύνθετων υλικών, ενσωματώθηκε μέσα σε ένα σύνθετο υλικό με ίνες γυαλιού και σε συνδυασμό με την χρήση μιας νανο-τροποποιημένης εποξικής μήτρας, έδωσε στο σύνθετο δυνατότητες τοπογραφίας βλάβης, χρησιμοποιώντας την τεχνική της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας. Μια περαιτέρω ανάπτυξη της ικανότητας που αναφέρθηκε παραπάνω ήταν ο συνδυασμός της με την τεχνολογία της αυτο-ίασης. Μεταξύ των δυνατοτήτων του σύνθετου υλικού που αναπτύχθηκε ήταν η εκτίμηση και ο εντοπισμός βλάβης, η αξιολόγηση της επούλωσης που προέκυψε με τη χρήση μικροκαψουλών ουρίας-φορμαλδεΰδης και τέλος, η αποκατάσταση των αρχικών ιδιοτήτων της δομής οι οποίες μπορούν να επεκτείνουν τη διάρκεια ζωής της αυτο-ανίχνευσης.