Spostamento della parete del dominio controllato dal campo elettromagnetico per l'adattamento della deformazione indotta nel BaTiO3

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7504 (2022) Citare questo articolo

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Il cedimento in un materiale composito polimerico epossidico tende ad avere inizio a causa della coalescenza di microfessure nella sua matrice polimerica. Pertanto, l'indurimento della matrice tramite l'aggiunta di una seconda fase sotto forma di nano/microparticelle di gomma rigide e/o è uno degli approcci più popolari per migliorare la tenacità alla frattura su più scale in un composito polimerico, che dissipa l'energia di frattura attraverso meccanismi di deformazione e arresto delle microfessure. Pochi studi si sono concentrati sull'indurimento personalizzabile e variabile, il cosiddetto "indurimento attivo", suggerendo principalmente deformazioni indotte termicamente che offrono un indurimento lento e irreversibile a causa della scarsa conduttività termica del polimero. La ricerca presentata nel presente articolo ha sviluppato un campo di deformazione estrinseco istantaneo e reversibile tramite radiazione elettromagnetica remota. La quantificazione della deformazione estrinseca che evolve nel composito con l'energia delle microonde è stata condotta utilizzando il rilevamento in fibra ottica in tempo reale in situ. È stata sviluppata un'equazione costitutiva teorica che correla l'energia di esposizione alle micro-deformazioni, la cui soluzione convalida i dati sperimentali e descrive la fisica sottostante. La ricerca ha utilizzato nanomateriali ferroelettrici dielettrici funzionalizzati, titanato di bario (BaTiO3), come seconda fase dispersa in una matrice epossidica, in grado di introdurre microscopiche elettrodeformazioni nella resina epossidica rigida circostante sottoposta a un campo elettrico esterno (microonde, in questo caso), come risultato degli spostamenti dei dipoli delle pareti dei domini. La resina epossidica Araldite LY1564, un diglicidil etere del bisfenolo A associato all'agente indurente Aradur 3487, è stata incorporata con le nanoparticelle di BaTiO3. L'agente di accoppiamento del silano per la funzionalizzazione della superficie delle nanoparticelle era il 3-glicidossipropil trimetossisilano (3-GPS). Perossido di idrogeno (H2O2, 30%) e acido acetico (C2H4O2, 99,9%) utilizzati come ausiliari di funzionalizzazione, e etanolo (C2H6O, 99,9%) utilizzato per la dispersione di BaTiO3. In primo luogo, sono state caratterizzate la microstruttura cristallina delle nanoparticelle funzionalizzate e le proprietà termiche e dielettriche dei materiali compositi epossidici ottenuti. È stato osservato che l'aggiunta delle nanoparticelle dielettriche ha un leggero impatto sul grado di indurimento della resina epossidica. In secondo luogo, i sensori con reticolo di Bragg in fibra legata alla superficie (FBG) sono stati impiegati per studiare la variazione in tempo reale della deformazione e della temperatura nei compositi epossidici esposti alle microonde a 2,45 GHz e a diverse energie di esposizione. Le deformazioni sviluppate a causa dell'esposizione in situ del composito, dell'adesivo e del relativo materiale di fissaggio sono state valutate utilizzando l'FBG. Le deformazioni estrinseche indotte dalla parete del dominio sono state distinte dalle deformazioni indotte termicamente e si è scoperto che l'aumento dell'energia di esposizione ha un effetto istantaneamente crescente sullo sviluppo di tali deformazioni. Gli spettri Raman post-esposizione non hanno mostrato alcun campo residuo nel composito, indicando l'assenza di campo di deformazione residuo esaminato con potenze di microonde < 1000 W, suggerendo così un meccanismo di introduzione della deformazione reversibile, ovvero il composito che mantiene le sue proprietà nominali dopo l'esposizione. Lo sviluppo e le quantificazioni dei compositi dielettrici presentati in questo articolo propongono una nuova tecnologia di tenacizzazione attiva per applicazioni composite ad alte prestazioni in numerosi settori.

Tra le loro applicazioni ingegneristiche ad alte prestazioni, i materiali compositi polimerici rinforzati con fibre (FRP) sono stati ampiamente utilizzati con i vantaggi di elevata resistenza e modulo specifico, facilità di fabbricazione, notevole resistenza termica ed efficienza economica1. I compositi FRP ad alte prestazioni hanno due principali modalità di inizio del danno quando esposti a eventi dinamici; danno intra-laminare (ad esempio, rottura della matrice, frattura delle fibre e distacco della matrice delle fibre) e danno inter-laminare (ad esempio, delaminazione)2,3,4. Il danno intra-laminare è principalmente dominato dalle proprietà della matrice, della fibra e dell'interfase fibra-matrice. Tuttavia, è difficile personalizzare le proprietà della fibra durante il processo di fabbricazione del composito.