Development of a multifunctional composite structure with self-sensing properties

Fernández Sánchez-Romate, Xoan Xosé (2019). Development of a multifunctional composite structure with self-sensing properties. Thesis (Doctoral), E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.55043.

Description

Title: Development of a multifunctional composite structure with self-sensing properties
Author/s:
  • Fernández Sánchez-Romate, Xoan Xosé
Contributor/s:
  • Ureña Fernandez, Alejandro
  • Guemes Gordo, Jesus Alfredo
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2019
Subjects:
Faculty: E.T.S. de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio (UPM)
Department: Materiales y Producción Aeroespacial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

El amplio uso de los materiales compuestos junto con la creciente complejidad de las estructuras haces necesario el desarrollo de adecuadas técnicas de inspección. A día de hoy, hay muchos métodos diferentes como la fibra óptica o la emisión de ondas elásticas guiadas. Sin embargo, normalmente no ofrecen una visión global de la salud de la estructura y presentan limitaciones para la monitorización del crecimiento de grieta o desencolado. En este sentido, este trabajo presente explorar las capacidades para la monitorización de la salud estructural (SHM) de materiales compuestos reforzados con nanotubos de carbono (CNT). Para ello, primero se han analizado en detalle las propiedades electromecánicas de los nanocompuestos derivados mediante un nuevo modelo analítico que correlacione la dispersión de los CNT con sus propiedades eléctricas. La sensibilidad aumenta mejorando la técnica de dispersión debido a un efecto más pronunciado de los mecanismos de conducción tipo túnel frente a las propiedades intrínsecas de los CNT. A su vez, la geometría y ondulación de las nanopartículas juega un papel crucial aumentando el umbral de percolación, definido como el punto en el que el material aislante se convierte en conductor. Por otro lado, las capacidades de SHM de compuestos reforzados con CNT han sido ampliamente investigadas en uniones adhesivas, donde hay una falta de procesos de inspección adecuados que garanticen la fiabilidad de dichas uniones. Para ello, se ha propuesto un novedoso adhesivo film modificado con CNT y su capacidad de sensorización de deformaciones y crecimiento de grieta se han demostrado tanto a nivel probeta como subelemento. Se han ensayado uniones a solape simple, Modo I y Modo II de energía de fractura mientras se registraba su respuesta eléctrica probándose una gran sensibilidad y correspondencia entre la respuesta eléctrica y el crecimiento de grieta, sin afectar negativamente a las propiedades mecánicas, siendo posible distinguir entre propagación uniforme o inestable. Los subelementos rigidizados mostraron un comportamiento similar con una buena correlación entre respuesta eléctrica y mecánica. Por lo tanto, la técnica propuesta ha demostrado ser de gran aplicabilidad para aplicaciones de SHM. ----------ABSTRACT---------- The widely extended use of composite materials together with the increasing complexity of structures makes necessary the development of adequate inspection techniques. Nowadays, there are a lot of different methods addressing these concerns such as fiber optics or guided waves. However, they do not offer sometimes a global overview of the health of the structure and present some limitations for crack and debonding monitoring. In this regard, this work aims to explore structural health monitoring (SHM) capabilities of carbon nanotube (CNT) reinforced composites. First, electromechanical properties of CNT nanocomposites were deeply investigated by proposing a novel analytical model correlating CNT dispersion state to electrical properties of nanocomposites. The sensitivity was found to be higher by improving the dispersion technique because of a more prevalent effect of tunneling mechanisms over intrinsic properties which remain invariable. Moreover, CNT geometry and waviness plays a significant role by increasing the percolation threshold, that is, the volume fraction where the material becomes electrically conductive and, thus, affecting the inter-particle distance and tunneling mechanisms. On the other hand, SHM capabilities of CNT doped composites were also investigated in adhesive joints where there is a lack of proper inspection techniques ensuring their reliability. To achieve this purpose, a novel CNT reinforced adhesive film was proposed and its sensing and crack propagation monitoring capabilities were deeply analyzed at both coupon and skin-stringer sub-element level. Single Lap Shear, Mode-I and Mode-II tests were carried out while the electrical response was measured. It was found that there is a good agreement between the measured crack length and the corresponding electrical resistance without significant detriment on mechanical properties. It was possible to identify different crack propagation mechanisms such as a uniform crack growth or stick-slip behavior. Skin-stringer sub-element test showed a similar behavior with a proper correlation between electrical and mechanical performances. Therefore, the proposed technique showed a high applicability for SHM purposes.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Madrid Regional GovernmentP2013/MIT-2862Multimat ChallengeUnspecifiedUnspecified
Government of SpainMAT2013-46695-C3-1-RSensorgraphUnspecifiedMateriales multifuncionales con nanoestructuras de carbono (grafeno y nanotubos): uso como materiales compuestos, adhesivos y sensores estructurales
Government of SpainMAT2016-78825-C2-1-RMultiaditUnspecifiedFabricación aditiva de resinas termoestables nanorreforzadas. Aplicación como materiales multifuncionales

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Item ID: 55043
DC Identifier: http://oa.upm.es/55043/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:55043
DOI: 10.20868/UPM.thesis.55043
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 20 May 2019 06:36
Last Modified: 21 Nov 2019 23:30
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