I materiali intelligenti offrono la possibilità di integrare funzioni attive nella struttura primaria in materiale composito. Questo progetto mira a indagare l'influenza dell'inserimento di materiali intelligenti all'interno della sequenza di laminazione di un composito convenzionale. Tra i possibili materiali, quelli che offrono i maggiori vantaggi in termini di sensibilità e di processo tecnologico sono i piezoceramici. La ricerca si propone di studiare il comportamento di questi compositi avanzati sotto l'influenza di sollecitazioni flesso-torsionali e di taglio. Dopo una fase di manifattura, una campagna di test meccanici permetterà di investigare, insieme ai parametri meccanici classici, il comportamento del sensore piezo la cui operatività verrà monitorata in termini di capacità e resistenza elettriche. Parallelamente, modelli numerici delle configurazioni e dei test sperimentali, realizzati con un approccio agli elementi finiti, permetteranno di esplorare i meccanismi di danno dei campioni sensorizzati.
Se da un lato c'è molto interesse nello sviluppare la tecnologia dei materiali piezoelettrici in sinergia con i compositi, soprattutto ai fini del monitoraggio dell'integrità strutturale ma non solo, citiamo la riduzione delle vibrazioni, il morphing strutturale, l'energy harvesting, dall'altro lo stato dell'arte presente nella letteratura scientifica è fortemente limitato a sviluppi teorici [1]. La componente sperimentale della ricerca sui piezoelettrici inglobati nei compositi è carente in letteratura; possiamo citare un lavoro [2] in cui vengono effettuate delle prove comparative unicamente a trazione su provini in cui si è variata la modalità di inglobamento del sensore e mirati esclusivamente a valutare la resistenza del composito.
La ricerca che si propone prevede uno stato di sollecitazione più generale, non limitato alla sola trazione, in modo da fornire un risultato completo che possa servire da riferimento per sviluppi futuri e realizzare un avanzamento delle conoscenze rispetto allo stato dell'arte.
Un ulteriore contributo che rende innovativa la ricerca è quello di entrare nel merito del comportamento del piezo. L'operatività del piezo viene rilevata attraverso la misura continua della sua capacità e resistenza elettriche durante le prove mediante un capacimetro ed un ohmetro di precisione con funzionalità di data logger e correlate alla misura estensimetrica della deformazione. In tal modo è possibile stabilire la variazione di impedenza in funzione della deformazione stessa, parametro determinante per l'ottimizzazione dei circuiti elettrici a valle del sensore.
In aggiunta a questo, uno sviluppo numerico, con approccio agli elementi finiti, fornisce un quadro più dettagliato di quali possono essere le modalità di rottura del composito e dell'interfaccia piezo-composito al fine di fornire ulteriori elementi nella comprensione dei limiti di impiego del materiale e nel miglioramento dei processi produttivi.
[1] T.H. Brockmann: Theory of Adaptive Fiber Composites, From Piezoelectric Material Behavior to Dynamics of Rotating Structures. Springer, 2009
[2] M. Wiedermann and M. Sinapius: Adaptive, tolerant and efficient composite structures. Springer, 2013