Functionalization of carbon fibers with piezoelectric ZnO nanostructures for the realization of a deformation sensor embedded within carbon fiber composite

I compositi in fibra di carbonio (CFC) rappresentano una pietra miliare per applicazioni in cui siano richiesti peso contenuto e caratteristiche meccaniche di alto livello. Questi materiali sono sottoposti a sollecitazioni estreme e, a causa del processo produttivo, la modellazione delle rotture risulta complicata. È quindi necessario analizzare le deformazioni in tempo reale. I sensori di deformazione attualmente utilizzati presentano svantaggi come dimensioni, ingombro e presenza di materiali costosi e/o estrinseci rispetto al CFC. L'effetto piezoelettrico è un fenomeno adatto per questo tipo di sensoristica, avendo la caratteristica di lavorare "in entrambi i versi". Se un materiale composito ingloba un materiale piezoelettrico, questo può essere fatto deformare e la deformazione può essere trasferita al materiale circostante. Sarebbe quindi possibile misurare la deformazione ed ostacolarla contemporaneamente. Lo ZnO è un materiale economico e facile da sintetizzare tramite metodi a bassa temperatura. Le sue nanostrutture (NS) anisotrope vengono sfruttate per sensori di deformazione, energy harvesting e nanogeneratori. Le CF vengono funzionalizzate con NSs piezoelettriche ZnO mediante la deposizione di un seed layer di ZnO e successiva crescita di nanorod tramite deposizione da soluzione basica mediata da esametilentetrammina. Questo metodo è economico, ecologico e a bassa temperatura (le CFs subiscono ossidazione distruttiva a temperature elevate). È quindi idoneo all'industrializzazione. Si ha un ottimo controllo sulla funzionalizzazione, sia su singole CF che su fascetti, e su aspect ratio e densità superficiale. Il sensore viene costruito disponendo singole CF o fascetti in una struttura a croce. L’analisi piezoelettrica è effettuata mediante misure ferroelettriche (combinazione di DHM e misura di capacità (C), per l’effetto piezoelettrico diretto) e PFM (per l’effetto piezoelettrico inverso). Il primo mostra un’ottima proporzionalità lo sforzo e segnale piezoelettrico. Il valore di d33 ottenuto dal PFM è (4,5 ± 0,1) pm/V. Il sensore a fibra singola mostra una variazione di C del 715% con un carico di 50 g mentre il dispositivo a fascetti mostra un aumento del 508% con un carico di 30 g. Il passaggio finale per il raggiungimento di un CFC sensorizzato è quello di inglobare il sensore all'interno del composito. Questa è la fase più critica poiché il processo di fabbricazione è meccanicamente aggressivo per le NSs. Un dispositivo meccanicamente più stabile si realizza proteggendo il sensore con resina epossidica (ER) o inserendo una pasta di Al2O3 tra i fascetti. Per quest'ultimo campione, C aumenta del 44,9% con un carico di 50 g. Tuttavia l’Al2O3 risulta fragile e spessa, non risolvendo la questione della presenza di materiali estrinseci e spessi all'interno del CFC. Quando è presente la protezione di ER, invece, diventa importante l'effetto dello spessore può rendere difficile la misura piezoelettrica; infatti, la resistenza elettrica viene drasticamente ridotta quando lo spessore è basso (nm) e la morbidezza della resina diventa significativa quando è alto (μm). Nel primo caso, l'isolamento tra i fascetti è compromesso, nel secondo la deformazione elastica della resina nasconde l'effetto piezoelettrico. Lo studio si è recentemente concentrato sull'ottimizzazione dello spessore della resina, in modo che le proprietà elettriche e meccaniche del sistema epossidico siano equilibrate. Per un sensore a fascetti immerso in ER si ottiene una variazione del 24,3% in C con un carico di 50 g. Ciò deve essere confermato da ulteriori studi, ma nonostante gli sforzi per ottenere un'integrazione completa non abbiano ancora prodotto risultati, questo rappresenta un promettente passo avanti verso la completa integrazione. In vista del CFC sensorizzato, è importante sottolineare che le caratteristiche meccaniche del materiale non vengono compromesse dalla presenza di ZnO.