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Mechanical and Piezoresistive Sensing of GFRP Modified with MWCNTs under Monotonic and Cyclic Loading for Structural Health Monitoring
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Autores
Resumo(s)
Fiber-reinforced composites, specifically polymer fiber-reinforced composites, have gained increased popularity among scientists and engineers. This results from their optimized properties, including mechanical strength, reduced weight, low density, chemical inertness, freedom in design, and good response to fatigue, among many others. This is reflected in many sectors, including the aeronautical and aerospace fields, where these composites have been replacing the more traditional materials, like metal. However, despite all the advantages of composites, due to their nature, some behavioral aspects, especially damage-wise, are not fully understood, hindering their use for certain functions. One of those functions is the structural health monitoring of components, which goal is to have components and structures be able of in situ monitor of their own condition, without the disadvantages of embedded sensors. With this in mind, this study analyzed the impact of the addition of varying carbon nanotube concentrations, 0.3 wt% and 0.4 wt% MWCNTs, to find an optimized concentration for better piezoresistive properties. Beyond that, the 0.3 wt% and 0.4 wt% MWCNT-reinforced laminates were subjected to multiple flexural tests, from monotonic to cyclic, and with increased deformation, to mimic possible in service conditions and preview their possible behavior under each situation. SEM imaging was done post testing, to link the mechanical and electrical data obtained with the damage suffered by the specimens. Overall, the results pointed to better mechanical properties for the samples with 0.3 wt% nanotubes, which can be a sign of poor interface properties for the higher nanoparticle concentration. On the other hand, the electrical data concluded the samples with 0.4 wt% MWCNT were the most sensitive and presented more stable results. In summary, by adding carbon nanotubes to the glass-fiber-reinforced laminates, it was possible to create a material with self-sensing capabilities, and real-time monitoring of the structure was achieved. The mechanical data reinforced the importance of manufacturing and dispersion processes, especially with increasing nanoparticle concentrations and the electrical resistance results concluded there is a relation between a material’s damage and electrical signal.
Compósitos reforçados por fibras, mais precisamente compósitos poliméricos reforçados por fibras, têm ganho popularidade entre cientistas e engenheiros. Isto deve-se à otimização das suas propriedades, o que leva a uma elevada resistência mecânica, baixo peso, densidade reduzida, inércia química, liberdade de design e boa resposta à fadiga, entre outras. Esta popularidade reflete-se em setores como o setor aeronáutico e aeroespacial, onde estes polímeros reforçados têm vindo a substituir os materiais mais tradicionais, como o metal. Contudo, e apesar de todas as vantagens apresentadas, devido à sua natureza, o comportamento destes compósitos, especialmente em termos de resposta ao dano, ainda não é totalmente conhecido, dificultando o seu uso para em determinadas funções. Uma dessas funções é monitorização da saúde estrutural dos componentes. cujo objetivo é ter componentes e estruturas capazes de monitorizar in situ a sua condição, sem as desvantagens agregadas aos sensores embutidos. Com isto em mente, este estudo analisou o impacto da adição de várias percentagens de nanotubos de carbono, 0,3 wt% e 0,4 wt% de nanotubos para encontrar uma concentração ótima de nanotubos para melhores propriedades piezorresistivas. Para além disso, os laminados reforçados com 0,3 wt% e 0,4 wt% foram sujeitos a vários testes à flexão, incluindo testes estáticos a cíclicos, com deformação constante e aumento gradual, com o objetivo de imitar possíveis condições in service e tentar prever possíveis cenários e respostas a cada situação. Através de técnicas de EDS, foram obtidas imagens, após a testagem dos laminados, com o objetivo de estabelecer uma relação entre o comportamento mecânico, elétrico e o dano que o laminado sofreu. De um modo geral, os resultados apontaram para melhores propriedades mecânicas nas amostras contendo 0,3 wt% de nanotubos, o que pode apontar para as fracas propriedades nas regiões de interface entre reforço e matriz, para concentrações de nanopartículas mais elevadas. Por outro lado, os dados elétricos concluem que as amostras que continham 0,4 wt% demonstraram uma maior sensibilidade às deformações, apresentando também os resultados mais estáveis. Em suma, ao adicionar nanotubos de carbono a polímeros reforçados com fibras de vidro, foi possível criar um material com capacidade de automonitorização. Os resultados mecânicos reforçaram a importância de aspectos como os processos de dispersão de partículas e de manufatura, especialmente com o aumento das concentrações de reforço e, os resultados elétricos, a variação da resistência elétrica, concluíram que existe uma relação entre o dano mecânico e a resposta elétrica.
Compósitos reforçados por fibras, mais precisamente compósitos poliméricos reforçados por fibras, têm ganho popularidade entre cientistas e engenheiros. Isto deve-se à otimização das suas propriedades, o que leva a uma elevada resistência mecânica, baixo peso, densidade reduzida, inércia química, liberdade de design e boa resposta à fadiga, entre outras. Esta popularidade reflete-se em setores como o setor aeronáutico e aeroespacial, onde estes polímeros reforçados têm vindo a substituir os materiais mais tradicionais, como o metal. Contudo, e apesar de todas as vantagens apresentadas, devido à sua natureza, o comportamento destes compósitos, especialmente em termos de resposta ao dano, ainda não é totalmente conhecido, dificultando o seu uso para em determinadas funções. Uma dessas funções é monitorização da saúde estrutural dos componentes. cujo objetivo é ter componentes e estruturas capazes de monitorizar in situ a sua condição, sem as desvantagens agregadas aos sensores embutidos. Com isto em mente, este estudo analisou o impacto da adição de várias percentagens de nanotubos de carbono, 0,3 wt% e 0,4 wt% de nanotubos para encontrar uma concentração ótima de nanotubos para melhores propriedades piezorresistivas. Para além disso, os laminados reforçados com 0,3 wt% e 0,4 wt% foram sujeitos a vários testes à flexão, incluindo testes estáticos a cíclicos, com deformação constante e aumento gradual, com o objetivo de imitar possíveis condições in service e tentar prever possíveis cenários e respostas a cada situação. Através de técnicas de EDS, foram obtidas imagens, após a testagem dos laminados, com o objetivo de estabelecer uma relação entre o comportamento mecânico, elétrico e o dano que o laminado sofreu. De um modo geral, os resultados apontaram para melhores propriedades mecânicas nas amostras contendo 0,3 wt% de nanotubos, o que pode apontar para as fracas propriedades nas regiões de interface entre reforço e matriz, para concentrações de nanopartículas mais elevadas. Por outro lado, os dados elétricos concluem que as amostras que continham 0,4 wt% demonstraram uma maior sensibilidade às deformações, apresentando também os resultados mais estáveis. Em suma, ao adicionar nanotubos de carbono a polímeros reforçados com fibras de vidro, foi possível criar um material com capacidade de automonitorização. Os resultados mecânicos reforçaram a importância de aspectos como os processos de dispersão de partículas e de manufatura, especialmente com o aumento das concentrações de reforço e, os resultados elétricos, a variação da resistência elétrica, concluíram que existe uma relação entre o dano mecânico e a resposta elétrica.
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Palavras-chave
Compósitos ReforçadosporFibras MonitorizaçãodaSaúdeEstrutural Nanotubosde Carbono Piezorresistividade PropriedadesdeAutomonitorização DanoCatastrófico Fadiga Fiber-reinforced Composites StructuralHealthMonitoring CarbonNanotubes Piezore- sistivity Self-sensingProperties FailureDamage