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Authors
Abstract(s)
Fiber-reinforced composites have firmly established themselves as the preferred choice
for designing and manufacturing high-performance structures, particularly in aeronautical and aerospace engineering. Despite the outstanding mechanical properties of these
materials, their vulnerability to in-service damages, mainly due to low-velocity impacts,
has driven the need for reliable structural health monitoring systems that can provide
early indications of damage, ensuring the safety and longevity of composite structures
in the aeronautical and aerospace industries. In this context, the core objective of this
study is to develop a self-sensing glass fiber-reinforced composite with real-time damage
detection capabilities tailored for low-velocity impact events. To achieve this, 0.5 wt%
of multi-walled carbon nanotubes were added to the epoxy matrix to serve as piezoresistive sensors. Initially, the mechanical properties of the composites were assessed both
before and after experiencing impacts of 3 J and 6 J energies, revealing a tangible enhancement in mechanical performance due to the incorporation of multi-walled carbon
nanotubes. Subsequently, the investigation extended to the impact response and damage
characterization of the specimens, uncovering notable distinctions in the degree of damage incurred under the two distinct impact energy levels. Afterward, the nano-enhanced
specimens underwent controlled flexural loading conditions, simulating real-world mechanical stresses. The changes in electrical resistance of the specimens were monitored
as a function of applied strain. The results obtained from monotonic and cyclic loading
tests demonstrated a remarkable correlation between the mechanical strain and the corresponding change in electrical resistance (gauge factor of -0.40 for the non-impacted
specimens), highlighting the inherent piezoresistive behavior of the material. Finally, the
piezoresistive response of the specimens under 3 J and 6 J impact events validated its
self-sensing capabilities for the real-time detection of low-velocity impacts. In summary,
by adding 0.5 wt% of multi-walled carbon nanotubes to the epoxy matrix, it was possible to obtain a glass-fiber composite material that could act as a structural component
and a strain sensor simultaneously, offering an effective and multifunctional solution for
structural health monitoring applications.
Os materiais compósitos reforçados com fibras estabeleceram-se firmemente como a escolha de eleição para o projeto e fabrico de estruturas de alto desempenho, nomeadamente na engenharia aeronáutica e aeroespacial. Apesar das excelentes propriedades mecânicas destes materiais, a sua vulnerabilidade a danos em serviço, principalmente devido a impactos de baixa velocidade, desencadeou a necessidade de desenvolver sistemas de monitorização da saúde estrutural com capacidade de fornecer indicações precoces da ocorrência de danos, garantindo a segurança e longevidade das estruturas compósitas nas indústrias aeronáutica e aeroespacial. Neste contexto, o objetivo central deste trabalho é criar um compósito polimérico auto-sensível, reforçado com fibras de vidro, com capacidades de deteção em tempo real de danos causados por impactos de baixa velocidade. Para o efeito, 0.5 wt% de nanotubos de carbono de parede múltipla foram adicionados à matriz epóxi de modo a atuarem como sensores piezoresistivos. Inicialmente, foram analisadas as propriedades mecânicas dos compósitos antes e depois dos impactos com energias de 3 J e 6 J, revelando uma melhoria significativa no desempenho mecânico devido à incorporação dos nanotubos de carbono. Posteriormente, a análise incidiu na resposta ao impacto e a caraterização dos danos nos provetes, revelando diferenças consideráveis no grau de danos sofridos sob os dois níveis distintos de energia de impacto. Seguidamente, os provetes nano-reforçados foram submetidos a condições controladas de cargas de flexão, simulando esforços mecânicos reais. Os resultados obtidos a partir de testes de carregamento monotónico e cíclico demonstraram uma correlação notável entre a tensão mecânica e a correspondente alteração na resistência eléctrica (fator de variação de -0.40 para os provetes não impactados), realçando o comportamento piezoresistivo caraterístico do material. Finalmente, a resposta piezoresistiva dos provetes durante os impactos de 3 J e 6 J validou as suas capacidades de auto-sensorização na deteção em tempo real de impactos de baixa velocidade. Em suma, ao adicionar 0.5 wt% de nanotubos de carbono de parede múltipla à matriz epóxi, foi possível obter um material compósito de fibra de vidro que pode atuar simultaneamente como componente estrutural e sensor de deformação, oferecendo uma solução eficaz e multifuncional para aplicações de monitorização da saúde estrutural.
Os materiais compósitos reforçados com fibras estabeleceram-se firmemente como a escolha de eleição para o projeto e fabrico de estruturas de alto desempenho, nomeadamente na engenharia aeronáutica e aeroespacial. Apesar das excelentes propriedades mecânicas destes materiais, a sua vulnerabilidade a danos em serviço, principalmente devido a impactos de baixa velocidade, desencadeou a necessidade de desenvolver sistemas de monitorização da saúde estrutural com capacidade de fornecer indicações precoces da ocorrência de danos, garantindo a segurança e longevidade das estruturas compósitas nas indústrias aeronáutica e aeroespacial. Neste contexto, o objetivo central deste trabalho é criar um compósito polimérico auto-sensível, reforçado com fibras de vidro, com capacidades de deteção em tempo real de danos causados por impactos de baixa velocidade. Para o efeito, 0.5 wt% de nanotubos de carbono de parede múltipla foram adicionados à matriz epóxi de modo a atuarem como sensores piezoresistivos. Inicialmente, foram analisadas as propriedades mecânicas dos compósitos antes e depois dos impactos com energias de 3 J e 6 J, revelando uma melhoria significativa no desempenho mecânico devido à incorporação dos nanotubos de carbono. Posteriormente, a análise incidiu na resposta ao impacto e a caraterização dos danos nos provetes, revelando diferenças consideráveis no grau de danos sofridos sob os dois níveis distintos de energia de impacto. Seguidamente, os provetes nano-reforçados foram submetidos a condições controladas de cargas de flexão, simulando esforços mecânicos reais. Os resultados obtidos a partir de testes de carregamento monotónico e cíclico demonstraram uma correlação notável entre a tensão mecânica e a correspondente alteração na resistência eléctrica (fator de variação de -0.40 para os provetes não impactados), realçando o comportamento piezoresistivo caraterístico do material. Finalmente, a resposta piezoresistiva dos provetes durante os impactos de 3 J e 6 J validou as suas capacidades de auto-sensorização na deteção em tempo real de impactos de baixa velocidade. Em suma, ao adicionar 0.5 wt% de nanotubos de carbono de parede múltipla à matriz epóxi, foi possível obter um material compósito de fibra de vidro que pode atuar simultaneamente como componente estrutural e sensor de deformação, oferecendo uma solução eficaz e multifuncional para aplicações de monitorização da saúde estrutural.
Description
Keywords
Compósito Polimérico Reforçado com
Fibra de Vidro Deformação à Flexão Impacto de Baixa Velocidade Monitorização da Saúde Estrutural Nanotubos de Carbono de Paredes Múltiplas Sensorização Piezoresistiva