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

Abstract

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.

Carbon fiber composites (CFC) represent a cornerstone for applications where both light weight and high-level mechanical features are requested. These materials usually undergo extreme mechanical stresses and due to the manufacturing process, modelling mechanical failures is a complicated challenge. It is necessary, therefore, to analyze deformations in real time. Deformation sensors that are employed nowadays display important drawbacks, such as size, obstruction and presence of expensive and/or materials which are extrinsic with respect to the CFC. Piezoelectric effect is a suitable phenomenon for this type of sensing, since it has the unique characteristic to work “in both directions”. If a composite includes a piezoelectric material, this can be forced to deform and the deformation can be transferred to the surrounding material. It would be possible, therefore, to sense the deformation and hinder it simultaneously. ZnO is a low-cost material and it is easy to synthesize by means of low temperature techniques. Its anisotropic nanostructures are exploited for deformation sensing, energy harvesting and nanogenerators. CFs are functionalized with ZnO piezoelectric nanostructures in order to give CFCs deformation sensing properties. The functionalization is fulfilled through deposition of ZnO seed layer and subsequent growth of nanorods by alkaline chemical bath deposition mediated by hexamethylenetetramine. This method is low-cost, ecologic and low-temperature (CFs undergo destructive oxidation at high temperatures). It is, hence, suitable for industrialization. Excellent control is achieved in functionalization on both single CFs and tows. Aspect ratio and surface density can be controlled as well. After functionalization, the sensor is built by arranging single CFs or CF tows in a cross-like structure. Piezoelectric characterization is carried out by means of ferroelectric analysis (combination of DHM and capacitance (C) measurement, for the direct piezoelectric effect) and PFM (for inverse piezoelectric effect). The former shows excellent proportionality between stress and piezoelectric output. By means of the latter, the obtained d33 value is (4.5±0.1) pm/V. The single-fiber sensor displays a C variation of 715% with a load of 50 g, while the tow device shows an increase of 508% with a 30 g load. The final step for the attainment of a sensing CFC is to embed the sensor within the composite. This is the most critical stage since the manufacturing process is mechanically aggressive for the nanostructures. A more mechanical stable device is realized by either protecting the sensor with epoxy resin (ER) or inserting a Al2O3 paste between the functionalized tows. For the latter, C peaks up by 44.9% with a 50 g load. Nevertheless, its thickness and fragility do not make it appropriate to solve the question of the presence of extrinsic and thick materials within the CFC. When ER protection is present, instead, the effect of its thickness is important and can make piezoelectric assessment difficult; indeed, the electrical resistance is dramatically reduced when thickness is low (nm scale) and resin softness becomes significant for high thickness (μm scale). In the former case, insulation between the two CFs is compromised, while in the latter the elastic deformation of resin can conceal the piezoelectric effect. The study recently focused on the optimization of the resin thickness, so that both the electrical and mechanical properties of the epoxy system are balanced. 24.3% variation in C is obtained with a load of 50 g for a CF tows sensor immersed in ER. This has to be confirmed by further studies, but despite the efforts to achieve complete integration did not produce the pursued results yet, it represents a promising preparatory step toward the complete integration. With the view of the sensing CFC, it is important to underline that the mechanical features of the material are not worsened by the presence of ZnO.