I materiali compositi sono nuovi materiali creati attraverso tecniche avanzate di preparazione dei materiali che combinano componenti con proprietà diverse in modo ottimizzato. Negli anni '40, a causa delle esigenze dell'industria aeronautica, furono sviluppate le plastiche rinforzate con fibra di vetro (comunemente note come fibra di vetro), segnando l'inizio del termine "materiali compositi". Dopo gli anni '50, furono successivamente sviluppate fibre ad alta resistenza e ad alto modulo come la fibra di carbonio, la fibra di grafite e la fibra di boro. Negli anni '70 emersero anche le fibre aramidiche e le fibre di carburo di silicio. Con la crescente applicazione dei materiali compositi in vari campi, in particolare nei settori aerospaziale, automobilistico, edile, elettronico e delle nuove energie, l'industria globale dei materiali compositi ha mostrato un trend di crescita continua.

Poiché in diversi settori vengono utilizzati sempre più materiali e strutture compositi, capire come ispezionarli per rilevare eventuali danni è diventato un argomento importante. Questo articolo esamina diversi metodi comuni di test non distruttivi (NDT) per i materiali compositi.

I test non distruttivi, o NDT, sono un metodo di prova standard nel settore dei materiali compositi che non richiede il taglio o l'alterazione del materiale in altri modi. È anche essenziale produrre prodotti di alta qualità. Esistono diversi metodi NDT tra cui scegliere e talvolta è necessario utilizzare più metodi contemporaneamente per comprendere appieno i tipi, le dimensioni, le posizioni e la profondità dei difetti nei laminati compositi.

(2) Il test di impatto è un altro metodo di ispezione fondamentale. Ciò comporta picchiettare delicatamente la superficie della parte con un martello o una moneta. Un suono metallico brillante indica che la struttura è sana, mentre un "tonfo" sordo suggerisce la presenza di difetti, come delaminazione o distacco. I martelli digitali possono misurare la risposta all'impatto e visualizzare il tempo necessario al laminato per rispondere in millisecondi. Un tempo di risposta più breve indica che la struttura assorbe meno impatto, suggerendo che è solida. Al contrario, quando sono presenti difetti, il tempo di risposta è più lungo, con conseguenti letture più elevate sul display.

Questo metodo è più efficace per laminati sottili con spessore inferiore a 3,05 mm, mentre potrebbe non fornire risultati affidabili per laminati molto spessi. Un altro svantaggio è che a volte può fornire letture errate, soprattutto quando il retro del laminato è incollato ad un'altra struttura.

(3) Il test a ultrasuoni (UT) è attualmente il metodo di test non distruttivo più utilizzato. Il principio del test a ultrasuoni prevede l'invio di onde di energia ad alta frequenza (da 0,5 a 25 MHz) in un laminato, catturando e quantificando l'ampiezza e il tempo di volo di queste forme d'onda per analizzare le proprietà del materiale e i cambiamenti strutturali. I principali metodi utilizzati nei test ad ultrasuoni sono:

Test ultrasonico pulsato-eco: questo metodo può essere eseguito con una sonda ultrasonica unilaterale che funziona sia come trasmettitore che come ricevitore. Funziona utilizzando l'eccitazione a impulsi ad alta pressione, in cui ciascun impulso elettrico attiva l'elemento trasduttore. Questo elemento converte l'energia elettrica in energia meccanica sotto forma di onde ultrasoniche. L'energia dell'onda entra nella parte da testare attraverso una punta di contatto in Teflon® o metacrilato. Le forme d'onda vengono generate all'interno della parte da testare e vengono captate dall'elemento trasduttore. Eventuali variazioni nell'ampiezza del segnale ricevuto o nel tempo impiegato dall'eco per ritornare al trasduttore indicano la presenza di difetti. Il test eco-impulso viene utilizzato per rilevare delaminazioni, crepe, vuoti, acqua e distacco di componenti adesivi, ma è più difficile identificare delaminazioni o difetti tra il nucleo e la pelle delle strutture sandwich.

Test a ultrasuoni a trasmissione passante: questo metodo utilizza due trasduttori, uno su ciascun lato dell'area da ispezionare. Il segnale ultrasonico viene trasmesso da un trasduttore all'altro. La perdita di intensità del segnale viene quindi misurata utilizzando una strumentazione, che rappresenta questa perdita come percentuale della potenza del segnale originale o in decibel. Le aree in cui la perdita di segnale supera gli standard di riferimento sono identificate come aree difettose.

Tester di bonding a bassa e alta frequenza: questi tester di bonding utilizzano sonde di ispezione dotate di uno o due trasduttori. I tester di incollaggio ad alta frequenza sono progettati per rilevare delaminazioni e vuoti, in grado di identificare difetti fino a 0,5 pollici di diametro. Tuttavia, non sono in grado di rilevare distacchi o vuoti dalla superficie al nucleo del nido d'ape. I tester di incollaggio a bassa frequenza utilizzano due sensori per rilevare delaminazioni, vuoti e distacco dei nuclei a nido d'ape, ma non sono in grado di determinare quale lato della parte è danneggiato e non sono in grado di rilevare difetti inferiori a 1,0 pollici.

Test a ultrasuoni Phased Array: il test Phased Array è uno dei metodi ultrasonici più recenti per rilevare difetti nelle strutture composite. Funziona secondo lo stesso principio dei metodi impulso-eco ma impiega dozzine o anche più sensori contemporaneamente, accelerando notevolmente il processo di ispezione.

(4)Test di imaging termico Il principio di funzionamento dell'imaging termico a infrarossi pulsati prevede l'uso di tecniche di riscaldamento attivo per registrare automaticamente i difetti superficiali nei campioni di prova. Misura le differenze di temperatura nel materiale della matrice causate dalle diverse proprietà termiche, consentendo l'identificazione di danni sia sulla superficie che internamente. Questo metodo è caratterizzato dalla sua natura senza contatto, in tempo reale, efficiente e intuitiva, che lo rende particolarmente adatto per rilevare delaminazioni, porosità, desquamazione, stratificazione e difetti di tipo area nelle strutture incollate tra materiali compositi e metalli.

La termografia è particolarmente utile quando parti o componenti non possono essere immersi in acqua per i test C-scan a ultrasuoni o quando la forma della superficie delle parti rende difficile l'ispezione a ultrasuoni. Questa tecnica fornisce una valida alternativa per valutare l'integrità di strutture complesse.

(5) Il test radiografico (RT), tipicamente riferito all'ispezione a raggi X, è un metodo di test non distruttivo (NDT) prezioso in quanto consente una visione interna di un componente senza smontaggio. Questo metodo funziona facendo passare i raggi X attraverso la parte da testare, catturando le variazioni di assorbimento su una pellicola sensibile ai raggi X. Dopo aver sviluppato la pellicola esposta, gli ispettori analizzano le differenze di opacità, creando di fatto una rappresentazione visiva dei dettagli interni.

Sebbene non siano ideali per rilevare difetti come delaminazioni su piani perpendicolari alla direzione dei raggi X, i test a raggi X eccellono nell'identificare difetti paralleli al fascio di raggi X. Anomalie interne come delaminazioni degli angoli, nuclei schiacciati, nuclei fratturati, acqua nelle celle del nucleo, vuoti nei giunti adesivi in ​​schiuma e il posizionamento relativo dei dettagli interni sono facilmente visibili con l'imaging a raggi X.

Poiché la maggior parte dei materiali compositi sono quasi trasparenti ai raggi X, sono necessari raggi X a bassa energia. Per motivi di sicurezza, la RT intorno agli aerei è generalmente poco pratica e gli operatori devono utilizzare schermature in piombo e mantenere una distanza di sicurezza dalle fonti di raggi X.

Esistono molteplici tecniche di test radiografici, ciascuna adatta ad applicazioni specifiche:

La radiografia standard è adatta per parti di spessore moderato.
La radiografia a bassa tensione viene utilizzata per le parti sottili (1â5 mm).
La radiografia a raggi gamma viene applicata per componenti spessi.
La radiografia neutronica, un metodo complementare all'imaging a raggi X, visualizza le caratteristiche interne basate sull'attenuazione attraverso diversi mezzi. La trasmissione dei neutroni è influenzata dalla sezione trasversale dei neutroni dei nuclei atomici all'interno del materiale, consentendo la visualizzazione di caratteristiche come elementi leggeri (ad esempio, idrogeno nella corrosione o acqua), che i raggi X da soli non possono rivelare.

(6) Test di shearografia: La shearografia è un metodo ottico basato sul laser che utilizza un interferometro shearografia per rilevare e misurare le deformazioni fuori piano nei componenti. Inizialmente, la parte viene misurata in condizioni di assenza di carico. Quindi, il test viene ripetuto sotto carichi applicati, che possono includere sollecitazioni termiche, meccaniche, acustiche, di pressione, di vuoto, elettriche, magnetiche, a microonde o meccaniche. Questo processo consente a una fotocamera di catturare modelli di frange di deformazione sulla superficie del laminato dove sono presenti difetti nel sottosuolo.

Un software per computer specializzato estrapola le immagini della mappa di fase avvolta per creare una mappa di fase non imballata, convertendola in un'immagine visiva integrata per la visualizzazione e la valutazione. In particolare, questa tecnica può rivelare rapidamente le posizioni dei difetti ma richiede ulteriori test ultrasonici per determinare la profondità del difetto.

Test sulle emissioni acustiche (AE): i test sulle emissioni acustiche rilevano e analizzano i segnali di emissione sonora prodotti da materiali compositi o strutture sotto carico, valutando la qualità complessiva dei componenti compositi. Questa tecnica è efficace per l'analisi dei difetti, riflettendo la progressione del danno e i modelli di cedimento all'interno dei compositi, prevedendo la resistenza portante finale e identificando le aree deboli nella qualità dei componenti.

La tecnologia AE è pratica e facile da usare e fornisce preziose informazioni sulla deformazione dei materiali e sui processi di danneggiamento durante le prove meccaniche. I metodi AE includono principalmente:

Analisi dei parametri: Registrando e analizzando parametri del segnale quali ampiezza, energia, durata, conteggio degli squilli e numero di eventi, valuta le caratteristiche del danno come gravità, posizione e meccanismi di guasto. Tuttavia, uno dei principali svantaggi è che le informazioni sulla fonte degli eventi avversi possono essere oscurate dai sensori risonanti, con conseguente scarsa riproducibilità dei risultati sperimentali.

Analisi della forma d'onda: questo approccio registra e analizza le forme d'onda del segnale AE per ottenere spettri e funzioni di correlazione. Aiuta a identificare le caratteristiche di frequenza associate alle fasi e ai meccanismi del danno, offrendo approfondimenti sul profilo del danno del materiale.

Analisi spettrale: questa tecnica, che include l'analisi spettrale sia classica che moderna, trasforma i segnali AE dal dominio del tempo al dominio della frequenza. Consente l'identificazione delle informazioni sulla sorgente AE intrinseca studiando varie caratteristiche del segnale nel dominio della frequenza. Tuttavia, l'analisi spettrale presuppone che il segnale sia stazionario e periodico, il che limita la sua capacità di acquisire variazioni di informazioni localizzate.