Publicação
Graphene-based composite laminates for structural applications
| 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.advisor | Pereira, João Pedro Nunes | |
| dc.contributor.author | Parente, João Miguel Nunes | |
| dc.date.accessioned | 2026-05-04T16:10:11Z | |
| dc.date.available | 2026-05-04T16:10:11Z | |
| dc.date.issued | 2026-03-27 | |
| dc.description.abstract | This thesis explores the synthesis, microstructure and properties of polymer-matrix composites reinforced with graphene nanoplatelets (GNP), carbon nanotubes (CNT) and carbon nanofibers (CNF), both as individual fillers and in hybrid combinations. The aim is to develop structural materials with high mechanical performance and integrated self-sensing capabilities. Nanocomposites were produced by dispersing nanoparticles in epoxy resin, followed by thermal curing. Mechanical and sensing behaviour were evaluated using three-point bending and cyclic fatigue tests under realistic loading conditions. Viscosity measurements show that GNP or CNF can increase resin viscosity by up to 74 %, which challenges processing at higher loadings. Curing at 5 °C yields the best flexural strength and surface hardness, with GNP-reinforced composites showing up to 24.8 % strength improvement. Volumetric shrinkage during cure varies with filler type: GNP increases shrinkage by 91 %, while CNF reduces it by 77 %, underscoring the role of nanoparticle–matrix interactions. In fibre-reinforced laminates, placing glass fibres on the compression side of hybrid carbon/glass layups enhances both load and deflection at peak, with a 3G/5C configuration achieving a 5.9 % higher peak force and 13.1 % greater deflection than the reverse. Incorporating 0.75 wt. % GNP into carbon-fibre laminates raises bending stiffness and extends fatigue life by 15.1 %, while increases of 10.6 % and 9.2 % are observed in hybrid and glass-fibre laminates. These enhancements show that even low graphene concentrations effectively delay fatigue damage. Combining CNT and GNP at equal loadings (0.375 wt. % each) yields synergistic gains in stiffness and strength. In carbon-fibre composites, strength and stiffness rise by 11 % and 18 %, respectively; glass-fibre composites show gains of 8 % and 55 %. Electrical resistance monitoring during fatigue reveals gauge factors up to three times those of commercial strain gauges, with stress-amplitude sensitivity improving by 20.1 % in carbon composites and 32.4 % in glass composites. This confirms high-sensitivity and stable self-sensing. The integration of hybrid nanofillers with mechanical and electrical performance validation forms a framework for designing multifunctional composites. Key challenges remain in scaling uniform nanoparticle dispersion, ensuring long-term network stability and standardizing sensor calibration. Addressing these issues is essential for translating laboratory results into practical Structural Health Monitoring (SHM) applications. | eng |
| dc.description.abstract | Esta tese explora a síntese, microestrutura e propriedades de compósitos com matriz polimérica reforçados com nanoplaquetas de grafeno (GNP), nanotubos de carbono (CNT) e nanofibras de carbono (CNF), quer como cargas individuais, quer em combinações híbridas. O objetivo é desenvolver materiais estruturais com elevado desempenho mecânico e capacidades integradas de auto-sensorização. Os nanocompósitos foram produzidos através da dispersão das nanopartículas em resina epóxi, seguida de cura térmica. O comportamento mecânico e de sensorização foi avaliado por ensaios de flexão em três pontos e fadiga cíclica sob condições de carga realistas. As medições de viscosidade mostram que o GNP ou a CNF podem aumentar a viscosidade da resina até 74 %, o que dificulta o processamento em teores mais elevados. A cura a 5 °C proporciona a melhor resistência à flexão e dureza superficial, com compósitos reforçados com GNP a apresentarem uma melhoria de resistência até 24,8 %. A retração volumétrica durante a cura varia consoante o tipo de carga: o GNP aumenta a retração em 91 %, enquanto a CNF a reduz em 77 %, evidenciando o papel das interações nanopartícula–matriz. Em laminados reforçados com fibras, a colocação de fibras de vidro no lado de compressão de configurações híbridas carbono/vidro melhora simultaneamente a carga e a deflexão máximas, sendo que a configuração 3G/5C atinge um aumento de 5,9 % na força máxima e de 13,1 % na deflexão, em comparação com a configuração inversa. A incorporação de 0,75 % em peso de GNP em laminados de fibras de carbono aumenta a rigidez à flexão e prolonga a vida em fadiga em 15,1 %, enquanto se observam aumentos de 10,6 % e 9,2 % em laminados híbridos e de fibras de vidro, respetivamente. Estes melhoramentos demonstram que mesmo baixas concentrações de grafeno atrasam eficazmente a evolução dos danos por fadiga. A combinação de CNT e GNP em teores iguais (0,375 % em peso cada) resulta em ganhos sinérgicos de rigidez e resistência. Em compósitos de fibras de carbono, a resistência e a rigidez aumentam 11 % e 18 %, respetivamente; em compósitos de fibras de vidro, registam-se aumentos de 8 % e 55 %. A monitorização da resistência elétrica durante a fadiga revela fatores de sensibilidade até três vezes superiores aos de extensómetros comerciais, com a sensibilidade à amplitude de tensão a melhorar 20,1 % nos compósitos de carbono e 32,4 % nos de vidro. Isto confirma uma auto-sensorização estável e de elevada sensibilidade. A integração de cargas nanométricas híbridas, validada por desempenho mecânico e elétrico, constitui uma base para o design de compósitos multifuncionais. Permanecem desafios importantes na escalabilidade da dispersão uniforme das nanopartículas, na garantia da estabilidade da rede a longo prazo e na normalização da calibração dos sensores. A resolução destas questões é essencial para traduzir os resultados laboratoriais em aplicações práticas de Monitorização da Integridade Estrutural (Structural Health Monitoring – SHM). | por |
| dc.identifier.tid | 101670346 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/10400.6/20094 | |
| dc.language.iso | eng | |
| dc.relation | Bolsa de Doutoramento FCT: Graphene-based composite laminates for structural applications [UI/BD/151477/2021] | |
| dc.relation | Materiais leves de alta performance para estruturas com auto-sensorização e auto-reparação recicláveis com aplicação no final do ciclo de vida [COMPETE2030-FEDER-00722200] | |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/ | |
| dc.subject | Grafeno | |
| dc.subject | Nanocompósitos | |
| dc.subject | Compósitos Laminados | |
| dc.subject | Fadiga | |
| dc.subject | Piezoresistividade | |
| dc.subject | Hibridização | |
| dc.subject | Graphene | |
| dc.subject | Composites | |
| dc.subject | Nanocomposites | |
| dc.subject | Laminates | |
| dc.subject | Fatigue | |
| dc.subject | Piezoresistivity | |
| dc.subject | SHM | |
| dc.subject | Hybridization | |
| dc.title | Graphene-based composite laminates for structural applications | por |
| dc.type | doctoral thesis | |
| dspace.entity.type | Publication | |
| oaire.awardNumber | UI/BD/151477/2021 | |
| oaire.awardNumber | COMPETE2030-FEDER-00722200 | |
| oaire.awardTitle | Bolsa de Doutoramento FCT: Graphene-based composite laminates for structural applications [UI/BD/151477/2021] | |
| oaire.awardTitle | Materiais leves de alta performance para estruturas com auto-sensorização e auto-reparação recicláveis com aplicação no final do ciclo de vida [COMPETE2030-FEDER-00722200] | |
| oaire.awardURI | info:eu-repo/grantAgreement/FCT/OE/UI%2FBD%2F151477%2F2021/PT | |
| oaire.awardURI | https://www.compete2030.gov.pt/operacoes/listagem/COMPETE2030-FEDER-00722200/ | |
| oaire.fundingStream | OE | |
| person.familyName | Parente | |
| person.givenName | João Miguel Nunes | |
| person.identifier.ciencia-id | D510-41BE-75BF | |
| person.identifier.orcid | 0000-0002-4875-5838 | |
| person.identifier.scopus-author-id | 57211944468 | |
| project.funder.identifier | http://doi.org/10.13039/501100001871 | |
| project.funder.identifier | http://doi.org/10.13039/501100008530 | |
| project.funder.name | Fundação para a Ciência e a Tecnologia | |
| project.funder.name | European Commission | |
| relation.isAuthorOfPublication | 7c92e270-c443-4a3f-9999-93740368fb5e | |
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| thesis.degree.name | Doutoramento em Engenharia Mecânica |
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