Interlaminar Shear Degradation and Cohesive Zone Modelling of Thermally Aged CFRP Laminates
Questo studio stabilisce un quadro quantitativo che collega la storia dell'invecchiamento termico alla degradazione del taglio interlaminare in laminati CFRP T700/epossidica, combinando test sperimentali di short beam shear con parametri di zona coesiva inferiti tramite l'approccio bayesiano e modelli di evoluzione dipendenti dalla temperatura per prevedere accuratamente il comportamento dell'interfaccia a lungo termine e la risposta meccanica.
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Gli aeromobili moderni, le turbine eoliche e le auto ad alte prestazioni si affidano sempre più a un materiale che è forte come l'acciaio ma leggero come una piuma: il polimero rinforzato con fibra di carbonio. Questo materiale viene realizzato sovrapponendo sottili fogli di fibre di carbonio immerse in una resina plastica appiccicosa, proprio come un sandwich. Mentre le fibre forniscono la resistenza, la resina le tiene insieme e trasferisce il carico da uno strato all'altro. Tuttavia, queste strutture affrontano spesso un nemico silenzioso: il calore. Nel corso di anni di stoccaggio o di servizio, l'esposizione all'aria calda può cambiare lentamente la chimica della resina, rendendola fragile o causando l'indebolimento del legame tra le fibre e la plastica. Questo danno è spesso invisibile a occhio nudo, eppure può portare alla separazione degli strati, un cedimento noto come delaminazione, che può compromettere l'intera struttura. Comprendere esattamente come il calore invecchia questo materiale è fondamentale per prevedere quanto a lungo queste macchine possano volare o operare in sicurezza.
Un team di ricercatori della Nanjing University of Science and Technology si è posto l'obiettivo di mappare questo decadimento invisibile. Si sono concentrati su un tipo specifico di composito in fibra di carbonio, utilizzando un test standard in cui un blocco corto e spesso del materiale viene piegato fino a rompersi. Riscaldando i campioni a temperature di 150, 180 e 200 gradi Celsius per periodi che vanno da un giorno a oltre un anno, hanno osservato come cambiava la capacità del materiale di resistere alle forze di taglio. Non si sono limitati a misurare quanto peso i campioni potessero sostenere prima di rompersi; hanno anche esaminato le superfici di rottura sotto un potente microscopio e hanno utilizzato simulazioni informatiche avanzate per l'ingegneria inversa delle proprietà nascoste degli strati interni del materiale. L'obiettivo era creare un modello matematico che potesse prevedere come il materiale si sarebbe comportato dopo anni di invecchiamento, basandosi su solo poche settimane di test.
I risultati hanno rivelato che il calore non indebolisce semplicemente il materiale in modo lineare. Alla temperatura più bassa di 150 gradi Celsius, il materiale ha effettivamente sostenuto un peso leggermente maggiore dopo alcuni mesi di invecchiamento, suggerendo che il calore potrebbe aver aiutato la resina ad indurirsi o a stabilizzarsi ulteriormente, un processo noto come post-curing. Tuttavia, man mano che la temperatura saliva a 180 e 200 gradi, o mentre il tempo di esposizione si protraeva verso le 1.000 ore, il materiale iniziava a degradarsi. Dopo un anno intero a 200 gradi, il materiale manteneva circa il 91 percento della sua forza originale, un calo significativo che segnalava l'inizio di un serio danno interno.
Osservando da vicino i pezzi rotti, i ricercatori hanno visto un netto cambiamento nel modo in cui il materiale cedeva. I campioni freschi si rompevano in un mix disordinato di resina crepata e fibre separate. Ma i campioni che erano stati "cotti" ad alte temperature per lunghi periodi mostravano una storia diversa: le fibre erano state private della resina e gli strati si erano separati pulitamente lungo l'interfaccia. Ciò indicava che il calore aveva indebolito il legame simile a una colla tra la fibra e la plastica, facendo sì che gli strati scivolassero via l'uno dall'altro invece di far frantumare la resina stessa.
Per comprendere la meccanica dietro questo fenomeno, il team ha costruito un modello informatico dettagliato del test di flessione. Hanno utilizzato un approccio matematico sofisticato, simile a un sistema di tentativi ed errori altamente efficiente, per indovinare le proprietà nascoste dell'interfaccia tra gli strati. Hanno regolato tre numeri chiave nella loro simulazione: quanto fosse rigido il legame prima di rompersi, quanto fosse forte il legame al momento del cedimento e quanta energia fosse necessaria per separare gli strati una volta iniziato il danno. Facendo corrispondere l'output del computer ai dati dei test reali, hanno identificato esattamente come queste tre proprietà cambiassero con il tempo e la temperatura.
Lo studio ha scoperto che la forza del legame era il fattore primario che controllava quanto peso il materiale potesse sostenere, mentre la rigidità del legame determinava come il materiale si comportava prima di iniziare a cedere. L'energia necessaria per separare gli strati governava la diffusione del danno dopo il carico massimo. Utilizzando i dati dei periodi di invecchiamento più brevi, i ricercatori hanno creato un insieme di equazioni che descrivevano come queste proprietà evolvessero nel tempo. Quando hanno usato queste equazioni per prevedere il comportamento del materiale dopo 1.000 ore di invecchiamento, le loro previsioni sono state straordinariamente accurate, mancando i risultati sperimentali reali di solo circa l'1,5 percento in media.
Questo lavoro fornisce un nuovo modo di guardare all'invecchiamento dei materiali compositi. Invece di misurare solo quanto peso un campione possa sostenere, i ricercatori hanno collegato la prestazione visibile ai cambiamenti invisibili che avvengono a livello microscopico. Hanno dimostrato che, comprendendo il modo specifico in cui il calore altera il legame tra gli strati, gli ingegneri possono costruire modelli che prevedono accuratamente la vita residua di una struttura. Ciò significa che in futuro la sicurezza e la longevità di velivoli e altri componenti critici potrebbero essere valutate non solo in base al loro aspetto, ma attraverso un calcolo preciso di come i loro legami interni siano cambiati nel tempo.
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