Nanofibre corte di nylon 6 elettrofilate per migliorare la resistenza ai danni dei compositi di carbonio

21 marzo 2023

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dall'Università di Newcastle a Singapore

I compositi in fibra di carbonio sono materiali strutturali preferiti grazie alla loro elevata resistenza specifica e modulo. La struttura laminata dei compositi di carbonio e la natura anisotropa, tuttavia, li rendono sensibili ai carichi esterni. Poiché una matrice fragile controlla le proprietà dentro e fuori la direzione del piano, le regioni interlaminari ricche di resina sono particolarmente suscettibili alla rottura della matrice. Tale danno incipiente alla fine evolve in fratture che limitano la vita, come la delaminazione sotto carico di Modo II.

Sono state impiegate diverse tecniche per arrestare la genesi e la propagazione delle cricche, migliorando così la resistenza al danno dei compositi. Uno degli approcci più promettenti è quello di modificare la resina epossidica con nanoparticelle a causa del loro elevato rapporto tra area superficiale e volume e della capacità di contrastare le crepe su scala micron. Tuttavia, le nanoparticelle sono strettamente associate all’agglomerazione nella microstruttura che può fungere da siti di inizio del danno indeboliti.

Le nanofibre corte di nylon 6 elettrofilate (figura a) sono state proposte come rinforzo epossidico alternativo poiché le loro proprietà meccaniche di massa erano paragonabili a quelle della resina epossidica. Ci si aspettava che le nanofibre ad elevata area superficiale e rapporto d'aspetto introducessero interfacce di assorbimento di energia e meccanismi di tenacità su scala nanometrica (figura b). La fabbricazione prevedeva la filatura e l'accorciamento delle nanofibre seguiti dalla modifica della resina epossidica per fabbricare un composito in fibra di carbonio utilizzando il sacco a vuoto. I campioni sono stati testati sotto carico di indentazione quasi statico in conformità con ASTM D6264/D6264M-17.

I risultati hanno mostrato un miglioramento dell’8,7, 8,8 e 53% nella forza di picco, nello spostamento e nella tenacità elastica a una concentrazione ottimale di nanofibre. La crescita del danno direzionale esterno è stata soppressa e l'area del danno è aumentata marginalmente. Alla concentrazione ottimale di nanofibre, l'area delaminata si riduce del 12,6%. È stato attribuito il merito alla soppressione del cedimento delle fibre compressive e al miglioramento del legame interlaminare per offrire prestazioni superiori.

Questi compositi di carbonio rinforzati con nanofibre elettrofilate di nuova concezione tentano di affrontare il classico problema della scarsa resistenza ai danni dei compositi comunemente riportato nelle applicazioni aerospaziali, marine e automobilistiche. È probabile che il miglioramento della resistenza ai danni riduca i costi delle ispezioni non distruttive e l'adozione di strutture composite con un basso fattore di sicurezza.

Il lavoro è stato guidato da Usaid Ahmed Shakil, presso il Center for Advanced Composite Materials (CACM), Universiti Teknologi Malaysia, supportato da sei membri del team, vale a dire i professori Shukur Bin Abu Hassan, Yazid Bin Yahya, Muhammad Asyraf Bin Muhammad Rizal, Ahmad Ilyas Bin Rushdan , Mat Uzir bin Wahit, dell'Universiti Teknologi Malaysia, e Mohd Ruzaimi Mat Rejab, dell'Universiti Malaysia Pahang. È stato pubblicato sulla rivista Polymer Composites.

Il professore associato Kheng Lim Goh dell'Università di Newcastle a Singapore, con esperienza nella tecnologia dei materiali, ha agito come consulente tecnico in questo progetto. Il Professore Associato Goh osserva: "I compositi in fibra di carbonio sono ora ben adottati nell'industria aeronautica e automobilistica grazie alla loro elevata resistenza specifica e rigidità, che consentono agli aerei e ai veicoli di essere più efficienti in termini di consumo di carburante ed economici. Tuttavia, gli incidenti sono destinati a verificarsi e quando ciò si verifica, la riparazione può essere costosa in termini di materiali e tempi di risposta. Modificare il composito in fibra di carbonio per renderlo più resistente agli urti è la chiave per mitigare il problema.

"Sono davvero lieto che il team abbia avuto molto successo nello sviluppo di questo metodo per migliorare le proprietà di impatto dei compositi in fibra di carbonio. Sono davvero lieto che il metodo e i risultati siano stati pubblicati."