Τα σύνθετα υλικά έχουν αποκτήσει μεγάλη σημασία για την αεροδιαστημική βιομηχανία, λόγω της υψηλής ειδικής αντοχής και ακαμψίας τους, και γενικότερα των ανώτερων και μοναδικών μηχανικών και φυσικών ιδιοτήτων τους. Ωστόσο, η πολυπλοκότητά τους, όσον αφορά την εκκίνηση και εξέλιξη των μηχανισμών αστοχίας τους, καθιστά δύσκολη την εκτίμηση της δοκιμής τους υγείας. Επομένως, ενσωματωμένοι αισθητήρες παρακολούθησης μηχανικών φορτίσεων και ανίχνευσης βλαβών κρίνονται απαραίτητοι, προκειμένου να διασφαλιστεί η δομική ακεραιότητα των σύνθετων υλικών. Όλοι οι ενσωματωμένοι αισθητήρες τεευταίας τεχνολογίας επιδεικνύουν διάφορους περιορισμούς, όπως το υψιλό κόστος κατασκευής, εφαρμογής και συντήρησης, την ανάλυση ή/και καθαρότητα των μετρημένων δεδομένων, και τη μείωση των ιδιοτήτων του υλικού. Οι ίνες πολυβινυλικής αλκοόλης-νανοσωλήνων άνθρακα (PVA-CNT) μπορούν να χρησιμοποιηθούν επιτυχώς ως αισθητήρες μηχανικής καταπόνησης, μετρώντας την μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης (ERC) της ίνας στο υπό μηχανική καταπόνιση δοκίμιο. Στην παρούσα μελέτη, οι ίνες προ-εντάθηκαν σε διαφορετικές αναλογίες (pre-stretch ratios) και ενσωματώθηκαν σε πολυμερές ενσωματωμένο με ίνες υάλου (GFRP), προκειμένου να μετρήσουν in-service την μεταβολή της ηλεκτρικής τους αντίστασης, κατά την διάρκεια δοκιμών ημι-στατικού προοδευτικού εφελκυσμού και κυκλικής φόρτισης. Τα αποτελέσματα και των δύο δοκιμών έδειξαν άμεση συσχέτηση μεταξύ της μηχανικής φόρτισης και της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης, για τα εξεταζόμενα δοκίμια. Παράλληλα, η ηλεκτρική απόκριση κατά τις μηχανικές δοκιμές βαθμονομήθηκε και συσχετίστηκε με μετρήσεις από εσωτερικά και εξωτερικά ηλεκτρο-μηκυνσιόμετρα. Επίσης, παραμένουσα ηλεκτρική αντίσταση (residual electrical resistance), καθώς και βρόχοι υστέρησης (hysteresis loops) έπειτα από κάθε βήμα/κύκλο αποφόρτισης, παρατηρήθηκαν για την ίνα, οι οποίες συσχετήστηκαν με τη συσσωρευμένη βλάβη στο υλικό. Επιπλέον, αποδείχθηκε ότι μπορεί να επιτευχθεί μια σημαντική βελτίωση της ηλεκτρικής απόκρισης της ίνας, με την αύξηση του λόγου προ-έντασής της. Τέλος, η συσχέτιση μεταξύ των παραπάνω παραμέτρων παρατηρήθηκε πως μεταβάλλεται, ανάλογα με το ιστορικό φόρτισης-αποφόρτισης των δοκιμίων.
Composite materials have grown to be of great importance to the aerospace industry, owing to their high specific strength and stiffness, and generally superior and unique mechanical and physical properties. Nevertheless, their complexity regarding damage initiation and evolution makes it difficult to assess their structural health, and as a result safety concerns arise. Therefore, in-service load monitoring and damage detecting sensors are required, in order to ensure structural integrity and thus maintain safety. All state-of-the-art embedded sensors exhibit their individual limitations concerning high costs of fabrication, application and maintenance, resolution or clearness of the measured data, and reduction of the material’s properties.
Polyvinyl alcohol–carbon nanotube (PVA-CNT) fibers can be successfully used as strain sensors for damage monitoring, by measuring their electrical resistance change (ERC), while mechanically loaded. In the present study, PVA-CNT fibers, pre-stretched at different ratios, were embedded into glass fiber reinforced polymer (GFRP) specimens in order to in-situ measure their ERC during quasi-static incremental tensile and cyclic loading tests. Both tensile and cyclic test results showed a direct correlation between the mechanical loading and the ERC, for the investigated specimens. Additionally, the electrical response from both tests was calibrated and correlated to measurements using both internal and external strain gauges. Residual resistance measurements as well as hysteresis loops after each unloading step/cycle were observed for the PVA-CNT fiber, which were correlated to accumulated damage within the composite. Furthermore, it was demonstrated that a significant increase in the fiber’s electrical resistance response can be achieved, by increasing its pre-stretch ratio. The established correlation between the above parameters changed according to the specimens’ loading history.
University of the Aegena
