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Aug 19, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 11226 (2022) Citare questo articolo

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Questo studio riporta la misurazione della deformazione ottica di nuova generazione con la “pelle intelligente con rilevamento della deformazione” (S4) e un confronto delle sue prestazioni rispetto al metodo consolidato di correlazione dell’immagine digitale (DIC). S4 misura gli spostamenti indotti dalla deformazione nelle lunghezze d'onda di emissione di nanotubi di carbonio a parete singola incorporati in una pellicola sottile sul campione. La nuova pellicola S4 migliora l'uniformità spettrale dei sensori di nanotubi, evita la necessità di ricottura a temperature elevate e consente misurazioni DIC parallele. Le mappe di deformazione senza contatto misurate con le pellicole S4 e la scansione puntuale sono state confrontate direttamente con quelle del DIC su campioni di prova in acrilico, cemento e alluminio, incluso uno con danni al sottosuolo. Le caratteristiche della deformazione sono state rivelate più chiaramente con S4 che con DIC. Anche le simulazioni del metodo degli elementi finiti hanno mostrato un accordo più stretto con i risultati S4 che con quelli DIC. Questi risultati evidenziano il potenziale della tecnologia di misurazione della deformazione S4 come promettente alternativa o complemento alle tecnologie esistenti, soprattutto quando le deformazioni accumulate devono essere rilevate in strutture che non sono sotto costante osservazione.

Una concentrazione di stress è un luogo in cui lo stress meccanico è significativamente più elevato rispetto all'area circostante. Può verificarsi quando sono presenti irregolarità nella geometria o nel materiale di un componente strutturale. I materiali fragili generalmente falliscono in punti di stress così elevati a causa di fratture e fessurazioni. Per i materiali duttili, la concentrazione degli sforzi potrebbe invece causare deformazioni plastiche e snervamenti localizzati. Inoltre, anche le crepe da fatica e da frattura dovute a carichi di basso livello ma ad alta frequenza crescerebbero nelle regioni di concentrazione delle tensioni e causerebbero danni. Molti casi di cedimenti strutturali in edifici, ponti, navi e aerei sono strettamente correlati alla concentrazione di sforzi e deformazioni. Come indicatore diretto degli effetti della concentrazione dello stress, la misurazione della deformazione gioca un ruolo importante nel monitoraggio della salute strutturale (SHM) e nei test non distruttivi. Per questo motivo, negli ultimi decenni sono stati condotti numerosi studi analitici, numerici1,2,3 e sperimentali per indagare le deformazioni strutturali e i danni indotti da varie condizioni di carico.

I metodi sperimentali di misurazione della deformazione possono essere suddivisi in due categorie principali: tecniche basate sul contatto e senza contatto. Nel rilevamento della deformazione a contatto, i sensori piezoresistivi e con reticolo in fibra di Bragg (FBG) sono i più utilizzati. I sensori di deformazione piezoresistivi includono l'estensimetro a lamina e altri sensori fabbricati con materiali con proprietà piezoresistive, come nanotubi di carbonio (CNT)4,5,6 e composti metallici 7,8,9. Nei materiali piezoresistivi, la conduttività cambia con la deformazione in una relazione lineare10. I sensori FBG, invece, sono ottici e offrono i vantaggi dell'insensibilità alle interferenze elettromagnetiche, delle dimensioni ridotte e della resistenza alla corrosione11,12,13. Tuttavia, sia per i sensori piezoresistivi che per quelli FBG, la deformazione viene misurata puntualmente in una direzione individuale, il che comporta costi elevati e una bassa risoluzione spaziale quando è necessaria la mappatura della deformazione a tutto campo. Questi sensori sono particolarmente utili quando gli utenti conoscono in anticipo i luoghi di concentrazione dello stress e possono utilizzarli di conseguenza.

Le tecniche di rilevamento della deformazione ottica senza contatto presentano due vantaggi principali. Il primo è evitare la necessità di collegamenti elettrici o in fibra ottica tra i sensori e il dispositivo di misurazione. L'altro mostra la distribuzione della deformazione su una regione bidimensionale di interesse, importante per il rilevamento dei danni e gli studi sul comportamento delle fratture. Attualmente, le tecniche di rilevamento della deformazione ottica senza contatto a campo pieno possono essere classificate come: (1) interferometriche14,15,16,17,18,19,20,21,22,23, (2) basate su immagini o ( 3) spettroscopico. Le tecniche interferometriche misurano gli spostamenti su scala micrometrica di un materiale sulla base di schemi di interferenza ottica. Possono essere altamente sensibili alla variazione del campo di deformazione, ma sono adatti solo per la misurazione di strutture di modelli su piccola scala in ambienti di laboratorio.