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Projeto de investigação
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.
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.
Monitorização em tempo real de compósitos piezoresistivos: projeto de um sistema de aquisição de dados
Publication . Andrade, Luís Manuel Flores; Silva, Abílio Manuel Pereira da; Ribeiro, Bruno Jorge Ferreira; Pereira, João Pedro Nunes
Os compósitos têm vindo a desempenhar um papel cada vez mais relevante em diversas áreas da engenharia, desde as energias renováveis até às indústrias aeroespacial e aeronáutica. De entre os vários tipos de compósitos, aqueles com matrizes poliméricas são os mais empregues, principalmente pela sua facilidade de fabrico e elevada resistência específica. Neste contexto, a incorporação de materiais condutores em compósitos poliméricos tem-se revelado uma inovação relevante. Esta adição melhora as propriedades mecânicas, térmicas e elétricas do material, além de possibilitar a monitorização em tempo real da sua saúde estrutural do compósito. Neste trabalho fabricou-se e caracterizou-se as propriedades mecânicas, elétricas e eletromecânicas de compósitos laminados de matriz epóxi reforçados com fibra de carbono. Os compósitos laminados demonstraram uma boa resistência mecânica (tensão à flexão e módulo de elasticidade) e uma resposta piezoresistiva adequada para a monitorização da saúde estrutural sob deformação. Em simultâneo, foi projetado um sistema de aquisição de dados capaz de realizar a leitura dos sinais elétricos provenientes da variação de resistência dos compósitos sujeitos a deformação cíclica. Este sistema irá permitir obter medidas com maior precisão e com menos ruído, possibilitando a monitorização da estrutura, tanto em repouso quanto sob deformação periódica.
Piezoresistive Sensing for Structural Health Monitoring in Liquid Hydrogen Tanks: A Study on Composite Cryotank Technologies
Publication . Figueiredo, Matilde Rola; Pereira, João Pedro Nunes; Silva, Abílio Manuel Pereira da
Hydrogen has been emerging as a potential key energy carrier for sustainable aviation, yet its adoption is constrained by distinct engineering challenges, particularly its safe and lightweight storage. The present study investigates the feasibility of using the intrinsic piezoresistive properties of carbon-fibre reinforced prepreg composites, commonly employed in Type V cryogenic hydrogen tanks, for structural health monitoring. Given that matrix microcracking constitutes the predominant damage mechanism in these tanks and typically initiates at strain levels of 0.3%-0.5%, a preventive strain sensing approach was adopted based on these critical deformation thresholds. To achieve a proof of concept, 17-ply multidirectional carbon fibre/epoxy laminates based on Boeing’s cryotank from the Composite Cryotank Technologies and Demonstration program were produced and tested in their as-fabricated state and after controlled cryogenic cycling through five and ten cycles of immersion in liquid nitrogen (-196 ?) followed by reheating (52 ?). Unconditioned specimens showed a clear and repeatable piezoresistive response from surface measurements, with gauge factors ranging from -11.02 to -12.70, confirming their intrinsic self-sensing capability. Cryogenically cycled specimens exhibited moderate mechanical degradation and increased baseline electrical resistance, yet retained self-sensing performance, with gauge factor increases exceeding 85%. While volume (edge-to-edge) measurements were inconclusive, the consistent surface response demonstrates that unmodified carbon fibre/epoxy prepreg composites employed in Type V cryotanks can retain effective strain sensing functionality after cryogenic exposure and cycling, providing insights for the development of integrated structural health monitoring strategies in hydrogen storage applications.
Unidades organizacionais
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
Contribuidores
Financiadores
Entidade financiadora
European Commission