Impact localization and enhanced fracture toughness for CFRP laminate by piezoelectric nanofibers interleaving

Scopo: Il monitoraggio strutturale (SHM) dei laminati compositi richiede l'integrazione di sensori, che compromettono le proprietà meccaniche del materiale ospitante. In questo studio è sviluppato un laminato piezoelettrico nanostrutturato in CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic), che consente la localizzazione di impatti, senza modificarne l’integrità strutturale. Metodi: Nanofibre di fluoruro di polivinilidene-trifluoroetilene (P(VdF-TrFE)) sono integrate nei vertici di una piastra in CFRP, cross-ply, di 25×25 cm. A seguito di un impatto, onde elastiche si propagano nel laminato e le nanofibre di P(VdF-TrFE) generano un segnale piezoelettrico, che viene elaborato da un algoritmo di machine learning che combina il criterio d’informazione di Akaike (AIC) con un processo di regressione gaussiana (GPR) per determinare la posizione d'impatto. Quando si verifica un’emissione acustica (AE) di origine ignota, l'algoritmo restituisce una mappa di probabilità di posizionamento della sorgente sulla struttura. Risultati: I sensori nano-piezoelettrici possiedono una sensibilità di 6327 mV/kN. La radice dell’errore quadratico medio (RMSE) di localizzazione di impatti nel laminato nano-modificato, utilizzando tre sensori, è 4.64 cm, leggermente superiore rispetto a quello ottenuto con un laminato analogo dotato di sensori commerciali in piombo-zirconato di titanio (PZT), pari a 2.32 cm. Tuttavia, aumentando il numero di sensori del primo laminato a quattro, l'RMSE si riduce a 3.37 cm. Inoltre, i test di impatto a bassa velocità (LVI) dimostrano una maggiore resistenza meccanica del laminato nano-modificato sia rispetto a quello con i sensori di PZT, che ad uno in CFRP privo di sensori. Conclusioni: Il laminato senziente proposto mostra un'accuratezza di localizzazione degli impatti paragonabile ai dischi di PZT, preservando al contempo le prestazioni meccaniche. L'algoritmo sviluppato rappresenta un approccio promettente per la localizzazione delle AE nei materiali compositi.