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Publicação

Piezoresistive Sensing for Structural Health Monitoring in Liquid Hydrogen Tanks: A Study on Composite Cryotank Technologies

2025-12-11Dissertação de mestrado Acesso embargado
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datacite.subject.fosEngenharia e Tecnologia::Engenharia Aeronáutica
dc.contributor.advisorPereira, João Pedro Nunes
dc.contributor.advisorSilva, Abílio Manuel Pereira da
dc.contributor.authorFigueiredo, Matilde Rola
dc.date.accessioned2026-01-28T11:45:08Z
dc.date.available2026-01-28T11:45:08Z
dc.date.issued2025-12-11
dc.description.abstractHydrogen 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.eng
dc.description.abstractO hidrogénio tem emergido como um potencial vetor energético chave para a aviação sustentável, mas a sua adoção é limitada por desafios de engenharia distintos, em particular o seu armazenamento seguro e de baixo peso. O presente estudo investiga a viabilidade de utilizar as propriedades piezoresistivas intrínsecas de compósitos reforçados com fibra de carbono pré-impregnados, comumente utilizados em tanques de hidrogénio criogénico de Tipo V, para monitorização da saúde estrutural. Considerando que o desenvolvimento de microfissuras na matriz constitui o principal mecanismo de dano nestes tanques e tipicamente se inicia em níveis de deformação de 0,3%-0,5%, adotou-se uma abordagem preventiva de monitorização de deformação baseada nestes limiares críticos. Para validar o conceito, laminados multidirecionais de 17 camadas de fibra de carbono/epóxi pré-impregnados, baseados no tanque criogénico desenvolvido pela Boeing no programa Composite Cryotank Technologies and Demonstration, foram produzidos e testados na condição pós-fabrico e após ciclos criogénicos controlados, consistindo em cinco e dez imersões em azoto líquido (-196 ?) seguidas de reaquecimento (52 ?). Os laminados não condicionados apresentaram uma resposta piezoresistiva clara e repetível, com fatores de sensibilidade de -11,02 a -12,70, confirmando a capacidade intrínseca de auto-sensorização. Os laminados sujeitos a ciclos criogénicos demonstraram degradação mecânica moderada e um aumento da resistência elétrica de base, porém, mantiveram a funcionalidade de autossensorização, com aumento dos fatores de sensibilidade superior a 85%. Embora as medições de volume (topo-a-topo) tenham sido inconclusivas, a consistência de resposta observada em superfície demonstrou que os compósitos de fibra de carbono/epóxi préimpregnados não modificados conseguem manter uma funcionalidade de monitorização de deformação eficaz após exposição e ciclos criogénicos, providenciando bases para o desenvolvimento de estratégias integradas de monitorização da saúde estrutural em aplicações de armazenamento de hidrogénio.por
dc.identifier.tid204162475
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10400.6/19849
dc.language.isoeng
dc.relationMateriais leves de alta performance para estruturas com auto-sensorização e auto-reparação recicláveis com aplicação no final do ciclo de vida
dc.relationCentre for Mechanical and Aerospace Science and Technologies
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/
dc.subjectMonitorização da saúde estrutural
dc.subjectSensorização piezoresistiva
dc.subjectMonitorização da deformação
dc.subjectTanque de hidrogénio criogénico
dc.subjectCFRP
dc.subjectStructural health monitoring
dc.subjectPiezoresistive sensing
dc.subjectStrain sensing
dc.subjectCryogenic hydrogen tank
dc.titlePiezoresistive Sensing for Structural Health Monitoring in Liquid Hydrogen Tanks: A Study on Composite Cryotank Technologiespor
dc.typemaster thesis
dspace.entity.typePublication
oaire.awardTitleMateriais leves de alta performance para estruturas com auto-sensorização e auto-reparação recicláveis com aplicação no final do ciclo de vida
oaire.awardTitleCentre for Mechanical and Aerospace Science and Technologies
oaire.awardURIhttps://www.compete2030.gov.pt/operacoes/listagem/COMPETE2030-FEDER-00722200/
oaire.awardURIinfo:eu-repo/grantAgreement/FCT/6817 - DCRRNI ID/UIDB%2F00151%2F2020/PT
oaire.fundingStream6817 - DCRRNI ID
person.familyNameFigueiredo
person.givenNameMatilde Rola
person.identifier.orcid0000-0003-0882-2511
project.funder.identifierhttp://doi.org/10.13039/501100001871
project.funder.nameFundação para a Ciência e a Tecnologia
relation.isAuthorOfPublication21e3b3b0-cf98-4947-a57b-028a40481c67
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relation.isProjectOfPublication81130bdb-1c8c-46c0-9cd6-dc53b2f79d27
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thesis.degree.nameMestrado Integrado em Engenharia Aeronáutica

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