Multiscale modeling, experimental investigation and structural applications of Carbon NanoTube Fibers

Questa dissertazione di dottorato indaga il comportamento meccanico multi-scala delle Fibre di Nanotubi di Carbonio (CNTF), adottando un approccio bottom-up, dal micro al macro, che integra modellazione teorica, validazione sperimentale e innovazione nella produzione. La ricerca sviluppa un quadro coerente che spazia dalle proprietà fondamentali dei singoli Nanotubi di Carbonio (CNT) alla loro aggregazione in fibre per formare elementi strutturali come filati e corde, e alla loro integrazione in laminati compositi ibridi avanzati. Questo lavoro inizia con una panoramica della storia, delle proprietà e delle applicazioni dei CNT, evidenziando le sfide nel trasferire le loro straordinarie prestazioni su scala nanometrica in assemblaggi macroscopici. Viene quindi introdotto un modello micromeccanico per valutare la rigidezza a trazione delle CNTF, tenendo conto del modulo dei CNT, del disallineamento, delle interazioni di van der Waals e degli effetti di cross-linking. Partendo da queste basi, la dissertazione prosegue con la geometria e la meccanica dei filati ritorti, dove formulazioni analitiche basate sulla geometria differenziale sono validate attraverso esperimenti su filamenti di gomma, utilizzati come analogo macroscopico per strutture a base di CNT. Il lavoro successivo si concentra sulla modellazione e produzione dei filati di CNTF, dove previsioni analitiche e campagne sperimentali sono combinate per ottimizzare la geometria e le prestazioni del filato. È stato progettato un meccanismo dedicato per la realizzazione del filato, che consente la produzione di filati di CNTF con proprietà su misura. L'effetto del carico torsionale sia sulle singole CNTF che sui filati multifibra viene ulteriormente esaminato, fornendo nuove intuizioni sul ruolo della torsione nel modulare la rigidezza, la deformazione a rottura e il comportamento strutturale complessivo. Infine, lo studio affronta l'integrazione delle CNTF nei laminati compositi in fibra di carbonio, mirando a migliorare la tolleranza al danno e l'assorbimento di energia in scenari di intrusione. I laminati ibridi con interlayer in CNTF sono stati testati sperimentalmente e un approccio basato sui dati è stato impiegato per ottenere la configurazione ottimale del provino in funzione della geometria e dei parametri del materiale. Nel complesso, questa ricerca stabilisce una comprensione sistematica delle CNTF e dei filati prodotti a partire da esse su diverse scale, dalla meccanica dei singoli assemblaggi alla loro applicazione nei compositi strutturali. Collegando la modellazione, l'indagine sperimentale e la progettazione di compositi, la dissertazione fornisce sia intuizioni fondamentali che strategie pratiche per lo sfruttamento delle CNTF nei materiali leggeri e ad alte prestazioni di prossima generazione per applicazioni aerospaziali, automobilistiche e di difesa.