Studio del comportamento elettromeccanico di nanocompositi polimerici prodotti mediante manifattura additiva per applicazioni di self-sensing

Abstract

Negli ultimi anni i nanocompositi polimerici conduttivi prodotti mediante manifattura additiva hanno suscitato un interesse crescente per applicazioni di self-sensing, ossia monitoraggio strutturale integrato, grazie alla possibilità di combinare funzioni strutturali e di sensore di deformazione o danno nello stesso componente. Sebbene la letteratura abbia ampiamente dimostrato l'impiego di tali materiali per il monitoraggio della deformazione, l’identificazione del danneggiamento mediante l’analisi della resistenza elettrica rimane un aspetto solo parzialmente esplorato. Il presente lavoro analizza il comportamento elettromeccanico di nanocompositi a matrice polilattide (PLA) caricati con nerofumo (CB), prodotti mediante Fused Filament Fabrication (FFF), con l'obiettivo di valutarne le capacità di rilevazione del danno. A tal fine, sono state eseguite prove elettromeccaniche di trazione monotona e test di strain recovery, acquisendo simultaneamente risposta meccanica e variazione di resistenza elettrica. I risultati mostrano una marcata risposta piezoresistiva dei campioni di PLA/CB correlata alla deformazione applicata. I test di strain recovery hanno permesso di individuare la transizione tra regime elastico e plastico, ossia lo snervamento, associato all’evoluzione del danno. Le prove elettromeccaniche a rottura hanno inoltre evidenziato punti di flesso nel segnale elettrico, uno dei quali risulta correlato al punto di snervamento. Le prove di strain recovery elettromeccaniche hanno, infine, evidenziato una variazione permanente della resistenza elettrica dopo lo scarico, correlabile alla deformazione residua e all'accumulo di danno irreversibile. I risultati del lavoro di tesi confermano il potenziale dei compositi PLA/CB, prodotti mediante FFF, come materiali multifunzionali per il monitoraggio strutturale distribuito e delineano prospettive per lo sviluppo di componenti self-sensing in grado di fornire informazioni sullo stato di danneggiamento del materiale

In recent years, conductive polymer nanocomposites produced by additive manufacturing have attracted growing interest for self-sensing applications, i.e., integrated structural monitoring, thanks to the possibility of combining structural and strain or damage sensing functions in the same component. Although the literature has extensively demonstrated the use of these materials for strain monitoring, damage identification through electrical resistance analysis remains only partially explored. This work analyzes the electromechanical behavior of carbon black (CB)-filled polylactide (PLA) matrix nanocomposites, produced by Fused Filament Fabrication (FFF), with the aim of evaluating their damage detection capabilities. To this end, monotonic tensile and strain recovery electromechanical tests were performed, simultaneously acquiring mechanical response and electrical resistance variation. The results show a marked piezoresistive response of the PLA/CB samples related to the applied strain. Strain recovery tests identified the transition between the elastic and plastic regimes, i.e., yield, associated with damage progression. Electromechanical failure tests also revealed inflection points in the electrical signal, one of which correlates with the yield point. Finally, electromechanical strain recovery tests revealed a permanent variation in electrical resistance after unloading, correlated with residual deformation and the accumulation of irreversible damage. The results of this thesis confirm the potential of PLA/CB composites, produced by FFF, as multifunctional materials for distributed structural monitoring and outline prospects for the development of self-sensing components capable of providing information on the material's damage status through electromechanical response.