Publication
The Effect of Carbon Nanofibers on the Mechanical Performance of Composite Laminates
| datacite.subject.fos | Engenharia e Tecnologia::Engenharia Mecânica | |
| dc.contributor.advisor | Reis, Paulo Nobre Balbis dos | |
| dc.contributor.advisor | Silva, Abílio Manuel Pereira da | |
| dc.contributor.author | Santos, Paulo Sérgio Pina dos | |
| dc.date.accessioned | 2026-01-08T11:43:01Z | |
| dc.date.available | 2026-01-08T11:43:01Z | |
| dc.date.issued | 2025-11-11 | |
| dc.description.abstract | Carbon fibre reinforced polymer composites are now widely used in various industries/sectors of activity, replacing traditional materials due to their ease of processing, excellent specific resistance, excellent fatigue behaviour, durability and low specific weight. However, the development and optimisation of these materials is faced with new challenges every day, either by optimising their properties or by changing the paradigm in terms of energy consumption. The incorporation of nanofillers significantly improves the mechanical response by reinforcing the polymer matrices and the fibre/matrix interface. This improvement is due to several synergistic mechanisms operating at the nanoscale. In addition, the dispersion of these nanoscale reinforcements within the matrix can inhibit crack propagation and increase the resistance of the material to deformation and fracture. At the fibre/matrix interface, nanofillers can bridge gaps and promote stronger adhesion, resulting in more effective load transfer between the reinforcing fibres and the surrounding polymer. The use of carbon nanofibres (CNFs) offers advantages over other nanofillers such as graphene and carbon nanotubes (CNTs), primarily due to their comparatively lower specific surface area, which facilitates the implementation of accessible and cost-effective manufacturing processes. The lower specific surface area of CNFs, in contrast to the high surface areas of graphene and CNTs, results in reduced interparticle interactions and a lower tendency to agglomerate. In this work, the manufacturing process and the fraction of CNFs that maximises mechanical response, viscoelastic behaviour and impact and fracture resistance were optimised for two commercial epoxy matrices. To assess the improvements, an extensive static mechanical characterisation was carried out, studied the viscoelastic behaviour in bending, interlaminar fracture, low-velocity impact, multiimpact and residual strength and viscoelastic behaviour after impact. The results obtained show that even with small amounts by weight of CNFs (0.5 and 0.75) added to the epoxy resins, significant benefits were obtained, for example: improvements of more than 10% in bending stress and bending stiffness of the matrices and laminates. As a result, the resistance under different strain rates and the interlaminar shear strength were higher in the additive matrices and laminates. In terms of multiple impacts and for an impact energy of 3 J, approximately 66 - 89 impacts are required to achieve full perforation for the nano-enhanced laminate with CNFs, whereas only 17 - 20 impacts are required for the control laminates. | eng |
| dc.description.abstract | Os compósitos poliméricos reforçados com fibras de carbono são hoje amplamente utilizados em diversas indústrias/sectores de atividade, substituindo os materiais tradicionais devido à sua facilidade de processamento, excelente resistência específica, excelente comportamento à fadiga, durabilidade e baixo peso específico. No entanto, o desenvolvimento e otimização destes materiais depara-se todos os dias com novos desafios, quer pela otimização das suas propriedades, quer pela alteração do paradigma em termos de consumo energético. A incorporação de nano cargas melhora significativamente a resposta mecânica através do reforço das matrizes poliméricas e da interface fibra/matriz. Esta melhoria deve-se a vários mecanismos sinérgicos que operam à nanoescala. Além disso, a dispersão destes reforços à nanoescala na matriz pode inibir a propagação de fissuras e aumentar a resistência do material à deformação e à fratura. Na interface fibra/matriz, as nano cargas podem colmatar lacunas e promover uma adesão mais forte, resultando numa transferência de carga mais eficaz entre as fibras de reforço e o polímero circundante. A utilização de nanofibras de carbono (CNFs) oferece vantagens em relação a outras nanocargas, como o grafeno e os nanotubos de carbono (CNTs), principalmente devido à sua área superficial específica comparativamente mais baixa, o que facilita a implementação de processos de fabrico acessíveis e económicos. A menor área de superfície específica das CNFs, em contraste com as elevadas áreas de superfície do grafeno e dos CNTs, resulta em interações interpartículas reduzidas e numa menor tendência para a aglomeração. Neste trabalho, o processo de fabrico e a fração de CNFs que maximiza a resposta mecânica, o comportamento viscoelástico e a resistência ao impacto e à fratura foram otimizados para duas matrizes epoxídicas comerciais. Para avaliar as melhorias, foi realizada uma extensa caraterização mecânica estática, estudado o comportamento viscoelástico em flexão, fratura interlaminar, impacto a baixa velocidade, multi-impacto e resistência residual e comportamento viscoelástico após impacto. Os resultados obtidos mostram que, mesmo com pequenas quantidades em peso de CNFs (0,5 e 0,75) adicionadas às resinas epoxídicas, foram obtidos benefícios significativos, por exemplo: melhorias de mais de 10% na tensão de flexão e rigidez à flexão das matrizes e laminados. Como resultado, a resistência a diferentes taxas de deformação e a resistência ao corte interlaminar foram maiores nas matrizes e laminados aditivados. Em termos de multiimpacto e para uma energia de impacto de 3 J, são necessários cerca de 66 - 89 impactos para obter a perfuração total do laminado nano-reforçado com CNFs, ao passo que são necessários apenas 17 - 20 impactos para os laminados de controlo. | por |
| dc.identifier.tid | 101681739 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.6/19648 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.relation | Centre for Mechanical and Aerospace Science and Technologies | |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ | |
| dc.subject | Epóxi nano-reforçado | |
| dc.subject | Nanofibras de carbono | |
| dc.subject | Laminados de fibra de carbono nanoreforçados | |
| dc.subject | Taxa de deformação por flexão | |
| dc.subject | Relaxamento de tensões e fluência | |
| dc.subject | Fratura interlaminar | |
| dc.subject | Impacto de baixa velocidade | |
| dc.subject | Mecanismo de dano | |
| dc.subject | Nano-reinforced epoxy | |
| dc.subject | Carbon nanofibres | |
| dc.subject | Nano-reinforced carbon fibre laminates | |
| dc.subject | Bending strain rate | |
| dc.subject | Stress relaxation and creep | |
| dc.subject | Interlaminar fracture | |
| dc.subject | Low-velocity impact | |
| dc.subject | Damage mechanism | |
| dc.title | The Effect of Carbon Nanofibers on the Mechanical Performance of Composite Laminates | por |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| oaire.awardTitle | Centre for Mechanical and Aerospace Science and Technologies | |
| oaire.awardURI | info:eu-repo/grantAgreement/FCT/6817 - DCRRNI ID/UIDP%2F00151%2F2020/PT | |
| oaire.fundingStream | 6817 - DCRRNI ID | |
| person.familyName | Santos | |
| person.givenName | Paulo Sérgio Pina dos | |
| person.identifier.ciencia-id | 4C17-06ED-C00B | |
| person.identifier.orcid | 0000-0001-9026-5966 | |
| project.funder.identifier | http://doi.org/10.13039/501100001871 | |
| project.funder.name | Fundação para a Ciência e a Tecnologia | |
| relation.isAuthorOfPublication | 976aee70-dbb9-4fe7-9686-f93666df3f25 | |
| relation.isAuthorOfPublication.latestForDiscovery | 976aee70-dbb9-4fe7-9686-f93666df3f25 | |
| relation.isProjectOfPublication | 6b626f2a-2035-496c-9d04-521b1367db5c | |
| relation.isProjectOfPublication.latestForDiscovery | 6b626f2a-2035-496c-9d04-521b1367db5c | |
| thesis.degree.name | Doutoramento em Engenharia Mecânica |