ETAPA II (01.01.2018- 31.12.2018)

   3.1. Obiective etapa:
   Obiectivul general celei de-a doua etape a proiectului, este acela de a demonstra aplicabilitatea conceptului propus in cadrul proiectului, materializat prin dezvoltarea de noi structuri/ repere spatiale mutifunctionale care integreaza sisteme de auto-reparare in situ. Obiectivele specifice derivate din obiectivul general sunt legate de definirea design-ului geometric al reperului/componentei spatiale, stabilirea configuratiei structurale optime de materiale care integreaza elementele sistemului de auto-reparare (validata pe baza rezultatelor simularilor numerice, evaluarii prin teste experimentale de laborator), furnizarea de solutii de integrare viabile ale elementelor de auto-reparare in structura tip CFRP (material compozit polimeric ranforsat cu fibre de carbon), realizarea unei analize SWOT privind sistemele autogene dezvoltate, solutiilor optime, definirea protocolului tehnologic si fabricarea structurii componentei spatiale. Pentru atingerea obiectivului principal si a celor specifice, in cadrul acestei etape au fost derulate sapte activitati de cercetare :
Activitate II.1 Design-ul structurilor spatiale
Activitate II.2 Dezvoltarea sistemului de auto-reparare
Activitate II.3 Simulari numerice FEM si validarea prin teste de laborator
Activitate II.4 Evaluarea solutiilor finale de design structural
Activitatea II.5 Solutii de integrare a microcapsulelor/retelei sistemului de auto-reparare in structura tip CFRP din compozit si de optimizare a procesului tehnologic
Activitatea II.6 Dezvoltarea protocolului tehnologic si definirea solutiilor structurale finale
Activitatea II.7 Realizarea unei analize SWOT privind sistemele autogene dezvoltate si solutiile de integrare in structura tip CFRP. Definirea binomului de solutii optime.
Activitatea II.8 Fabricarea structurii

3.3. Rezultate Etapa I
Activitate II.1 Design-ul structurilor spatiale
A fost definit design-ul geometric al structurii vizate, reflector parabolic de antena. Figura 5 prezinta design-ul geometric al reflectorului de antena parabolica, parte integranta a unui satelit, care va fi dezvoltata in cadrul proiectului din materiale tip CFRP (materiale compozite polimerice ranforsate cu fibre de carbon) care integreaza sisteme polimerice autogene, cu proprietati regenerative.

Figura 3: Modelul CAD reflector antena parabolica a) suprafata activa (reflectivă) ; b) retea de nervuri de rigidizare ; c) vedere lateral

Activitate II.2 Dezvoltarea sistemului de autoreparare
In cadrul studiului au fost elaborate patru metode de sinteza a microcapsulelor care alcătuiesc sistemul polimeric cu proprietati regenerative. In cadrul celor patru metode au fost identificate diferite directii. O directie în care ambele componente agent SH şi catalizator (+ întăritor, în stare lichidă) sunt încapsulate în microcapsule separate, o alta în care doar agentul SH este încapsulat, iar catalizatorul, în stare solidă, este dispersat în matricea polimerică-gazdă. Au fost obtinute rezultate viabile, utilizand urmatoarele metode:
a) generarea unei pelicule polimerice pe suprafaţa particulelor de răşină dispersate într-un nesolvent (apă) al răşinii prin sinteză (polimerizare sau policondensare);
b) depunerea unei pelicule de polimer presintetizat, cvasi-solubil în mediul de dispersie al răşinii şi reticularea simultană (în cursul depunerii sau ulterioară) a acestei pelicule;
c) adaptarea unei tehnologii avansate de electrofilare. În vederea realizării de micro/nanofibre electrofilate de tip core-shell depuse pe diferite substraturi s-a utilizat o soluţie polimerica de poliacrilonitril (PAN) pentru invelisul fibrei şi rasina epoxidica LH 288, respectiv întăritor TETA H 283 pentru miezul fibrei.
Sistemul polimeric cu proprietati regenerative dezvoltat a fost ulterior integrat in structuri polimerice si respectiv structuri din materiale compozite avansate tip CFRP (compozite polimerice ranforsate cu fibre de carbon), in vederea obtinerii structurii/componentei reflector parabolic de antena (parte componenta a unui satelit) cu caracteristici structurale multifunctionale, de autoreparare in-situ. Microcapsulele obtinute au dimensiuni cuprinse in intervalul 100-400μm. S-a putut observa ca majoritatea microcapsulelor cuprinse in intervalul 300-400μm sunt deteriorate in timpul procesului, cele mai stabile, rezistente fiind microcapsulele cu dimensiuni cuprinse in intervalul 150-300μm.

Activitate II.3 Simulari numerice FEM si validarea prin teste de laborator

Figura 4: Distributia tensiunii Von Mises - sfera cu lichid reparator a) sectiune matrice si sfera; c) sfera cu lichid

Figura 5: Modelul cu elemente finite - sector de 720 a) Modelul cu elemente finite şi condiţiile de fixare pe direcţia OZ ; b) Distribuţia grosimii pliurilor

Distributia tensiunii Von Mises la momentul t=0.0152 ms, când valoarea în elementul unde este aplicată încărcarea este maximă, este prezentată în figura următoare:

Figura6: Tensiunea la t=0.0152 ms [Pa]

Se observă ca valoarea maximă a tensiunii Von Mises cauzată de aplicarea presiunii de 2986 Mpa pe un element comparabil cu dimensiunea particulei de impact cu diametrul de 0.0001 este de 23.3 MPa şi este localizată în vecinatatea nodurilor unde sunt impuse condiţiile de fixare pe directia axială OZ. Tensiunea maximă are valoare de 12400 MPa mult mai mare decât limita de rupere în regim static 800 MPA. Ruperea se produce, iar la momentul t=0.015 ms valoarea tensiunii este maximă. Distributiile tensiunii pentru cele două momente sunt prezentate în figura urmatoare.

Figura 7: Tensiunea Von Mises [Pa] a) a) tensiunea Von Mises la t=0.0104 ms ; b) Tensiunea Von Mises la t=0.015 ms

Activitate II.4 Evaluarea solutiilor finale de design structural

Figura 8: Imagini SEM ale a) unei microcapsule inglobata in rasina si b) a unei cavitati in matrice, datorata procesului de pregatire a probei metoda I

Figura 9: Microcapsula degradata in procesul de inglobare in sistemul polimeric ; b) amestec agent de reparare (polimer-catalizator) metoda II

Figura 10: a) Imagine la stereomicroscop (marire x30); imagine SEM (marire x5000) ale capsulelor obţinute experimentul prin metoda III

Figura 11: Micrografii SEM ale micro/nanofibrelor electrofilate din soluţie PAN 12% şi întăritor depuse pe a) c) ţesătură de carbon; b),d) depuse pe suport prepreg (tesatura bidirectionala din fibre de carbon preimpregnata cu polimer epoxidic partial polimerizat), metoda IV

Activitatea II.5 Solutii de integrare a microcapsulelor/retelei sistemului de auto-reparare in structura tip CFRP din compozit si de optimizare a procesului tehnologic
In ceea ce priveste integrarea microcapsulelor in matricea polimerica au fost luate in considerare dispersia microcapsulelor in rasina utilizand un agitator magnetic si dispersia microcapsulelor in rasina prin ultrasonare. In cazul utilizarii ultrasunetelor s-a observat ca dispersia microcapsulelor in matricea polimerica a fost ingreunata din cauza vascozitatii mari a rasinei utilizate. Se are in vedere pentru dispersia microcapsulelor prin ultrasonare, utilizarea unei rasini ce polimerizeaza la temperatura inalta si cu vascozitate scazuta, de preferat rasinile utilizate pentru injectare si/sau utilizarea unui component usor volatil care sa scada vascozitatea rasinii in etapa de integrare a microcapsulelor. Cazul integrarii microcapsulelor in matricea polimerica prin agitare mecanica utilizand un agitator magnetic ramane optim in momentul de fata, motiv pentru care a fost utilizat in vederea obtinerii ulterioare a epruvetelor.

Activitatea II.6 Dezvoltarea protocolului tehnologic si definirea solutiilor structurale finale
In cazul epruvetelor de referinta, sarcina maxima de incovoiere inregistrata, in medie, a fost de 500 MPa cu o alungire medie de 3,20 mm. Dupa aparitia primelor sarcini de rupere, epruvetele au fost indepartate si lasate 24 de ore la 35-40oC, testele fiind reluate ulterior. Pentru epruvetele care integreaza in structura capsule cu proprietati de regenerare, auto-reparare, a fost obtinuta o sarcina maxima la incovoiere in medie de 479,58 MPa cu o alungire medie de 2,72 mm, fapt ce indica o recuperare a performantelor mecanice in proportie de 95%.

Figura 12: Epruveta in care se observa catalizatorul Grubbs (mov) si aparitia unei fisuri in epruveta

Activitatea II.7 Realizarea unei analize SWOT privind sistemele autogene dezvoltate si solutiile de integrare in structura tip CFRP. Definirea binomului de solutii optime.
Puncte tari: Dezvoltarea unui sistem autogen de reparare a compozitelor tip CFRP; Dezvoltarea unui sistem de autoreparare care pe plan national nu a fost inca studiat;
Puncte slabe: Stabilitatea termica redusa a microcapsulelor; Dificultati intampinate in procesul de dispersie omogena a capsulelor in rasina epoxidica
Oportunitati: Competivitatea redusa intrucat astfel de materiale nu au fost inca obtinute cu succes ; Cresterea vizibilitatii Institutului National de Cercetare Dezvoltare Turbomotoare Comoti pe plan mondial in ceea ce priveste modulul inovativ
Amenintari: Tinand cont de trendul in crestere de utilizare a materialelor prietenoase mediului inconjurator, aceasta poate fi una din amenintarile conceptului intrucat materialele utilizate prezinta un nivel ridicat de toxicitate. O amenintare o reprezinta randamentul auto-regenerativ care poate fi influentat de o serie mult prea larga de variabile ce nu pot fi controlate. Totodata, durata de viata a microcapsulelor deja integrate reprezinta iarasi o amenintare intrucat daca aceasta nu este mai mare decat durata de viata a materialelor conventionale, intregul concept nu este unul fezabil

Activitatea II.8 Fabricarea structurii
Componenta, reflectorul parabolic de antena, a fost fabricata din materiale compozite polimerice ranforsate cu fibre de carbon care integreaza sisteme polimerice cu proprietati regenerative (microcapsule de autoreparare), utilizand tehnologia autoclavei. Ulterior fabricarii, pe suprafata activa a structurii s-a masurat o rugozitate medie Ra de 0.3mm. Totodata, masuratorile dimensionale 3D realizate au indicat tolerante de maxim 0.2mm comparativ cu modelul CAD proiectat.

Figura 13: Structura reflectorului parabolic de antena realizat din materiale compozite care integreaza sisteme polimerice cu proprietati regenerative (microcapsule de autoreparare)

ETAPA I (08.09.2017 - 15.12.2017)

3.1. Obiective etapa:

   Obiectivul primei etape a proiectului, "Documentare si cerinte specifice" este identificarea conditiilor din mediul cosmic, cu precadere LEO, a cerintelor la care trebuie sa raspunda structurile compozite lansate in spatiu, realizarea unui design preliminar al structurii din compozit cat si o identificare si evaluare a sistemelor de auto-reparare si posibilitatile integrarii acestora in structurile compozite. Etapa I contine trei activitati:
   Activitatea 1.1. Structuri spatiale si evaluarea conditiilor de operare
   Activitatea 1.2. Stabilirea cerintelor specifice
   Activitatea 1.3. Design-ul, abordarea si dezvoltarea conceptului de auto-reparare.

3.2. Rezultate planificate etapa:

   Rezultatele planificate pentru aceasta etapa sunt legate de stabilirea cerintelor la care structura din material compozit ce va contine elementele de auto-reparare va trebui sa raspunda, cerinte identificate in urma unui studiu de literature. Un alt rezultat preconizat pentru aceasta etapa este realizarea unui model CAD preliminar al structurii si identificarea unor precursori ce pot fi utilizati in dezvoltarea sistemului de auto-reparare si care sa raspunda cerintelor generale.

3.3. Rezultate Etapa I

   In cadrul Etapei I a proiectului, au fost realizat un studiu bibliografic unde au fost identificate o serie de structuri spatiale asupra carora se poate propune integrarea si utilizarea unui sistem de auto-reparare si de asemenea au fost evaluate conditiile de operare ale acestor structuri in mediul cosmic. In urma acestui studiu au fost stabilite o serie de cerinte la care structura din materiale compozite avansate va trebui sa raspunda in timpul functionarii acesteia pe orbita si la care precursorii sistemului de auto-reparare vor trebui sa reziste.
   A fost propus un model conceptual al unei structuri ce va fi fabricate integral din materiale compozite polimerice avansate. Astfel, a fost realizat un model CAD al unei oglinzi parabolice, structura aflata in modulul de echipamente speciale pentru focalizarea radiatiilor solare (Special Equipment for Focusing of Solar Radiation - SEFSR). De asemenea, a fost efectuat un studiu bibliografic asupra conceptului de auto-reparare si dezvoltarea unui astfel de sistem pentru structurile spatiale. Au fost identificati in literatura de specialitate o serie de precursori si modalitati de integrare a acestora in structura din compozit. In etapa urmatoare se vor definitiva design-ul structurii ce va fi realizata din materiale compozite polimerice si care va integra sistemul de auto-reparare, se va stabili si se va incepe dezvoltarea sistemului de auto-reparare, se vor realiza o serie de simulari FEA asupra structurii din compozit si care vor fi validate prin teste de laborator iar in final se vor evalua solutiile de design structural propuse pentru indeplinirea obiectivelor proiectului.

Figura 1. Calapodul preliminar pentru fabricarea oglinzii din material compozit

Figura 2. Oglinda din material compozit (negru) cu benzile pentru rigidizare (galben)

Figura 3.a) Modelele de reparare sintetic si biologic; b) Schema ciclului de monitorizare pentru un sistem activ, inteligent cu proprietatea de auto-reparare

Figura 4. Reprezentarea schematica a conceptului de "self-healing" utilizand microcapsule: a) initierea fisurii; b) eliberarea agentului de reparare (monomer); c) repararea fisurii