Materiais leves de alta performance para estruturas com auto-sensorização e auto-reparação recicláveis com aplicação no final do ciclo de vida

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Piezoresistive Sensing for Structural Health Monitoring: A Temperature Dependence Characterisation

Publication . Pinto, Daniel Fernando Moreira; Pereira, João Pedro Nunes; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Parente, João Miguel Nunes

The aeronautical industry holds safety as its core and its main drive for innovation, with sensors, materials science and self-governance to ensure safe travel through the skies. However, operational costs and maintenance requirements increase proportionally with the increase of number of sensors, which is a growing concern and makes cost-effective solutions desirable. This dissertation aims to advance the knowledge and viability of a promising candidate to resolve this issue, studying a type of what are called self-sensing materials as an alternative to the conventional structural health monitoring (SHM) sensors. This material is a type of piezoresistive nanocomposite (PNC) that, in theory, could replace an airplanes’ complicated arrays of sensors while providing even better performance. However, PNCs have a glaring fault that is hindering their commercial availability, namely their perceptual conditioning of operational temperature. Current state of the art has mostly neglected this correlation, especially in the SHM sector, an oversight that this dissertation aims to rectify. For this reason, electromechanical properties of a PNC specimen made of glass-fibre epoxy resin with 0.5%𝑤𝑡 multiwalled carbon nanotubes (MWCNT) as filler were thoroughly tested at three different test temperatures: 30°𝐶, 50°𝐶 and 70°𝐶. The experimental analysis, static and cyclical tests, revealed that temperature has a profound effect on sensing performance, outlining key factors of response change with temperature variation. Three gauge factors (GF) were calculated, one for each temperature, with values ranging from a maximum of 2.42 to a minimum of 0.83. For a broader scope on this effect, multiple variations of the basic three-point bending (3PB) tests were performed to determine which factors were application-specific and which were constant.

2025-11-27Dissertação de mestrado

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Análise de propagação de dano e da resposta piezoresistiva em laminados de CFRP

Publication . Pereira, Duarte Amaro; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Pereira, João Pedro Nunes

Os laminados de polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP) são amplamente utilizados em estruturas aeronáuticas devido à sua elevada resistência específica, rigidez e durabilidade. Contudo, a sua suscetibilidade a defeitos internos e externos, como a rutura frágil da matriz, delaminação e rutura de fibras, pode comprometer significativamente o desempenho estrutural e a segurança em serviço. Neste trabalho estudou-se experimentalmente a propagação de fissuras em laminados de CFRP através de ensaios de flexão em três pontos e a monitorização piezoresistiva em condições de carga cíclicas. Foram fabricados laminados em fibra de carbono em autoclave com diferentes configurações de empilhamento: unidirecional [0]10, [0]16 e [0]22, cruzada [0/90]5 e simétrica [0/45/90/-45/0]S e realizaram-se ensaios mecânicos de flexão em três pontos e ensaios cíclicos com monitorização em tempo real da resposta elétrica e observação microscópica da evolução dos danos. Os ensaios de flexão em três pontos evidenciaram comportamentos distintos à fratura para cada tipologia de empilhamento. O laminado unidirecional de 10 camadas apresentou a maior resistência máxima à flexão (1469 MPa) e o módulo de elasticidade mais elevado (136 GPa), enquanto os laminados de 16 e 22 camadas exibiram resistências 26 % e 29 % inferiores, respetivamente. O laminado simétrico revelou a maior deformação máxima (1,35 %) e flecha a meio do vão (8,16 mm), evidenciando maior capacidade de absorção de energia, ao passo que o laminado cruzado apresentou resistência de 588 MPa e deformação de 1,27 %, associadas à redistribuição de tensões entre camadas ortogonais. Nos ensaios cíclicos com monitorização piezoresistiva, todos os laminados mostraram correlação direta entre o carregamento e a variação relativa de resistência (?R/R0). O laminado simétrico apresentou a maior sensibilidade eletromecânica, com Gauge Factor (GF) médio de 247,9, aproximadamente 1,56 vezes superior ao do laminado unidirecional de 16 camadas (GF= 158,8) e 2,63 vezes superior ao do laminado unidirecional de 10 camadas (GF= 94,4). O laminado cruzado apresentou o valor mais baixo (GF= 36,4), correspondendo a uma redução de cerca de 85 % face ao laminado simétrico. Estes resultados confirmam que os laminados unidirecionais apresentam o melhor desempenho mecânico, enquanto os laminados simétricos evidenciam maior sensibilidade piezoresistiva, demonstrando o potencial dos CFRP como materiais multifuncionais self-sensing aplicáveis em sistemas de Structural Health Monitoring (SHM) aeronáuticos.

2025-12-09Dissertação de mestrado

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Descrição

O objetivo principal é desenvolver compósitos estruturais com capacidade de auto-sensorização e auto-reparação. Os compósitos serão reciclados/reutilizados no fim de vida em misturas betuminosas de asfalto para melhorar propriedades mecânicas e de auto-reparação. O projeto tem uma equipa multidisciplinar com CVs e experiência em todas as áreas. É uma operação inovadora com expectável impacto científico, tenológico, económico, social e ambiental. Atividades de investigação e de inovação em centros de investigação públicos, estabelecimentos de ensino superior e centros de competências, incluindo trabalho em rede (investigação industrial, desenvolvimento experimental e estudos de viabilidade)

Palavras-chave

Promover a investigação e a inovação

Entidade financiadora

European Commission