Capacità di monitoraggio dello stress del Fe magnetostrittivo

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 22421 (2022) Citare questo articolo

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Molte tecniche di monitoraggio della salute strutturale (SHM) sono state studiate per il rilevamento dei danni nei laminati polimerici rinforzati con fibra di vetro (GFRP). Recentemente, i compositi GFRP integrati con sensori hanno ricevuto attenzione perché il materiale composito può trasmettere informazioni sulle condizioni strutturali durante il funzionamento. I materiali magnetostrittivi sono considerati candidati possibili per realizzare le tecniche SHM senza contatto sfruttando l'effetto Villari, ma la modellazione teorica per correlare una risposta magnetostrittiva con le condizioni strutturali è una questione critica. In questo studio, la procedura analitica che considera la meccanica dei materiali e l'elettromagnetismo è stata proposta per modellare l'induzione magnetica mediante l'effetto Villari di laminati magnetostrittivi GFRP sottoposti a flessione. Sono stati quindi sviluppati i compositi magnetostrittivi Fe-Co fibra/GFRP e sono stati eseguiti test di flessione a quattro punti per valutare la capacità di monitoraggio delle sollecitazioni dei compositi fabbricati. Il comportamento della densità del flusso magnetico corrispondeva alla fluttuazione dello stress di flessione. La variazione massima della densità del flusso magnetico è stata di 70,7 mT sottoposta al picco di sollecitazione di flessione di 158 MPa. Le soluzioni analitiche hanno mostrato un ragionevole accordo con i risultati sperimentali. Lo stress applicato e la densità del flusso magnetico misurata sono stati correlati dai modelli teorici. Pertanto, questi risultati suggeriscono un passo importante nella realizzazione della nuova tecnica SHM senza contatto che utilizza materiali magnetostrittivi.

I laminati polimerici rinforzati con fibra di vetro (GFRP) presentano caratteristiche di isolamento termico, isolamento elettrico ed eccellenti proprietà meccaniche e sono buoni materiali per dispositivi superconduttori da utilizzare nel reattore a fusione, come il reattore sperimentale termonucleare internazionale (ITER)1. Tuttavia, l’applicazione dei laminati FRP tende ad essere limitata a causa delle complesse morfologie dei danni e dei cedimenti, ad esempio il cedimento interlaminare2,3. Pertanto, è stato necessario valutare lo stato del danno e prevedere la vita utile rimanente per un funzionamento sicuro4.

Il monitoraggio della salute strutturale (SHM) è necessario per mantenere i protocolli di sicurezza per questi componenti strutturali durante il servizio5. Molti ricercatori hanno studiato varie tecniche SHM, ad esempio il metodo della frequenza6, le onde di Lamb7 e l'emissione acustica8. Tuttavia, non è stata creata una tecnica versatile per tutte le condizioni, situazioni e applicazioni perché ogni tecnica sviluppata presenta i propri vantaggi, limiti e ambito di applicazione9. Attualmente, i compositi incorporati con sensori sono stati ampiamente riconosciuti come una delle tecnologie SHM poiché il materiale composito può informare da solo sulla salute strutturale. I sensori a fibra ottica in strutture composite hanno ricevuto attenzione per i loro vantaggi distintivi10. Sánchez et al.11 hanno monitorato l'intero processo di produzione del polimero rinforzato con fibra di carbonio (CFRP) incorporato con sensori in fibra ottica e valutato il profilo di deformazione residua distribuita. È stata esplorata la fattibilità del GFRP con riflettometro ottico a retrodiffusione basato sulla diffusione di Rayleigh12. Okabe et al.13 hanno dimostrato che la capacità di rilevamento del reticolo di Bragg in fibra criptata consente di identificare le posizioni delle crepe nei laminati CFRP. La misurazione della resistenza elettrica è stata studiata poiché il danno e la resistenza elettrica nei compositi CFRP possono essere accoppiati14. Il danno da impatto sui laminati compositi continui in fibra di carbonio/epossidico è stato valutato mediante misurazione della resistenza elettrica e la sensibilità della tecnica è risultata più efficace di quella dei metodi a ultrasuoni15. La correlazione tra il comportamento al taglio interlaminare e le risposte di resistenza elettrica dei laminati compositi in CFRP intrecciati in un ambiente criogenico è stata discussa numericamente e sperimentalmente16,17. Takeda e Narita18 hanno riportato il monitoraggio della propagazione delle cricche di giunti compositi CFRP incollati con nanotubi di carbonio/strato adesivo epossidico sotto carico in Modalità I. I materiali piezoelettrici possono essere utilizzati come sensori sia passivi che attivi legati a una struttura composita19. I compositi CFRP incorporati con ceramiche piezoelettriche sono stati caratterizzati per discutere la capacità SHM in tempo reale20,21. Hwang et al.22 hanno caratterizzato un laminato composito GFRP piezoelettrico comprendente una miscela di polvere piezoelettrica e resina epossidica per un sensore di impatto. I laminati compositi intelligenti in polimero rinforzato con fibra (FRP) composti da tessuto piezoelettrico intrecciato, che funge da sensore e rinforzo, hanno mostrato una relazione diretta tra il carico applicato e il segnale del sensore23. Wang et al.24 hanno suggerito il nuovo processo di polarizzazione dei compositi piezoelettrici CFRP e ne hanno caratterizzato le proprietà piezoelettriche.