Hybrid FRP/CNT veil hierarchical composites with enhanced interlaminar properties and integrated multifunctionalities

Ou, Yunfu (2020). Hybrid FRP/CNT veil hierarchical composites with enhanced interlaminar properties and integrated multifunctionalities. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65573.

Description

Title: Hybrid FRP/CNT veil hierarchical composites with enhanced interlaminar properties and integrated multifunctionalities
Author/s:
  • Ou, Yunfu
Contributor/s:
  • Vilatela García, Juan José
  • González Martínez, Carlos Daniel
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Caminos, Canales y Puertos (UPM)
Department: Ciencia de los Materiales
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Los materiales compuestos poliméricos reforzados con fibras (FRP) se utilizan ampliamente en componentes estructurales debido a sus notables propiedades mecánicas y su bajo peso. Sin embargo, uno de los más importantes inconvenientes que presentan es la pérdida de prestaciones de aquellas propiedades relacionadas con la dirección de su espesor, lo que les hace especialmente sensibles a solicitaciones con cargas fuera de plano, impactos dinámicos, etc. Los nanotubos de carbono (CNT) son materiales candidatos a compensar dicha falta de propiedades fuera del plano, aunque su integración en laminados estructurales ha sido un desafío. Uno de los principales objetivos de esta tesis es el desarrollo de estrategias de integración de estos refuerzos en compuestos laminados estructurales para mejorar su resistencia y tenacidad interlaminar. En la tesis, se han explorado dos rutas diferentes de fabricación, el moldeo por transferencia de resina asistida por vacío (VARTM) y la consolidación de materiales preimpregnados mediante compresión en caliente. El procedimiento consiste en el intercalado de los velos de nanotubos en laminados mediante un proceso sencillo y escalable industrialmente. La tenacidad a la fractura interlaminar en Modo I y Modo II, así como la resistencia a la cortadura interlaminar se han evaluado mediante los correspondientes ensayos mecánicos, permitiendo posteriormente un análisis detallado de los mecanismos de rotura y progresión del daño. Los resultados mostraron que el velo de CNT es un candidato prometedor para su intercalado en materiales compuestos laminados. Los efectos del refuerzo mediante velos de CNT dependen en gran medida de su grosor, del grado de compactación, de las arquitecturas de preformas textiles utilizadas y de las condiciones de carga. El proceso por el cual la grieta salta entre las láminas del material compuesto y los velos de CNT juega un papel predominante en los mecanismos de fractura interlaminar. El frente de la grieta se propaga alternativamente entre las interfaces del laminado y los velos, lo que activa la formación de puentes a distintas escalas mejorando significativamente la tenacidad a la fractura del laminado. Además, los velos de CNT presentan una porosidad cercana a la de un carbono activado con unas propiedades en tracción en el rango alto de estos materiales, junto con una notable conductividad eléctrica, por lo que podrían ser utilizados como electrodos y colectores de corriente en aplicaciones de almacenamiento de energía. En esta tesis, los velos de CNT se utilizan como electrodos en supercondensadores que se integran en laminados con el objeto de aunar, en el mismo material, capacidad de almacenamiento de energía y soporte de cargas estructurales. En la tesis, se ha desarrollado un método de fabricación simple y efectivo que consiste en la incorporación de condensadores eléctricos de doble capa (EDLC) basados en velos de CNT con un polímero electrolítico en medio. Estos dispositivos de almacenamiento de energía se intercalan entre láminas de fibras de vidrio/carbono que posteriormente se impregnan en resina mediante el método de VARTM. Se llevaron a cabo ensayos de carga y descarga del dispositivo de almacenamiento de energía durante la fase de impregnación, del curado de la resina y durante ensayos mecánicos de flexión en cuatro puntos. Los mecanismos de degradación estructural se analizaron mediante microscopía electrónica de barrido y tomografía computarizada de rayos X 3D. Durante la impregnación de resina, los dispositivos mantienen una alta estabilidad Clombiana. Sin embargo, en las primeras muestras sujetas a ensayos mecánicos, el dispositivo actúa a modo de defecto interno debido a la presencia del polímero electrolítico colectores de corriente en forma de láminas delgadas de aluminio. Las propiedades mecánicas mejoraron sensiblemente al utilizar velos de nanotubos como colectores de corriente. Además, las propiedades interlaminares de los materiales que contienen dispositivos de almacenamiento de energía mejoraron notablemente al permitir la transferencia de carga de cortadura mediante la incorporación de conectores de resina. Estos conectores se crean durante el propio proceso de infusión de resina al estar el dispositivo de almacenamiento de energía taladrado en su espesor y siguiendo una retícula regular. Este esquema de conectores de resina permite transferir cargas de forma eficiente entre dos láminas de material compuesto que contienen, entre ambas, un dispositivo de almacenamiento de energía. Se desarrolló un modelo de elementos finitos que permite diseñar dicha unión y compatibilizar la capacidad de almacenamiento de energía y la estructural, abriendo un amplio espectro de utilización de los materiales. ----------ABSTRACT---------- While FRP composites are extensively used in structural components due to their remarkable mechanical properties, a major weakness of these materials is their low through-the-thickness properties which permits the easy formation of impact-induced delamination, limiting their more widespread applications in structural engineering. CNTs carry the promise of enhancing this poor out-of-plane performance, although their integration has been challenging. One of the main objective of this thesis is the development of strategies to integrate CNTs into structural laminate composites for interlaminar toughening. Two different routes, vacuum assisted resin transfer moulding and prepreg consolidation by compression moulding, are explored to interleave different CNT fiber veils into FRP laminates in a facile and scalable way. The interlaminar fracture toughness under Mode I and Mode II loading cases are investigated and discussed comparatively, followed by a systematic analysis of failure and toughening mechanisms. Results showed that CNT veil is a promising candidate for interleaving application. The toughening effects of CNT veils depend highly on their thickness, degree of compaction, host fabric architectures as well as loading conditions etc. Interlaminar crossing plays a dominant role amongst toughening mechanisms. The crack front propagates alternatingly between interfaces of the laminate, triggering multi-level fiber bridging and significantly improving the fracture toughness of the laminate. In addition, CNT fiber veils, with a porosity close to that of an activated carbon and tensile properties in the high-performance range as well as the remarkable electrical conductivity, could be ideal electrodes and current collectors for structural power application. In this thesis, CNT veils as essential part of supercapacitor were integrated into FRP composites to achieve simultaneously both load-carrying and electrochemical energy storage capabilities. A simple fabrication method was demonstrated through embedding CNT veils-based EDLC interleaves between carbon/glass fabrics, followed by resin infusion via vacuum bagging process. Coupled mechanical and electrochemical tests were carried out to realize the efficacy of the resultant structural supercapacitors under the application of mechanical forces. Possible degradation mechanisms in the samples were analysed through scanning electron microscopy and 3D X-ray computed tomography. It was found that a high coulombic efficiency and stability of EDLCs can be maintained during resin infusion. However, further studies on coupled mechanical and electrochemical properties were hampered by the large presence of defects in the structure, most notably those arising from the presence of thick metallic current collectors, which essentially act as severe delaminations. By using CNT veils not only as active material but also as current collectors, a true multifunctional composite material was produced, which can sustain mechanical deformations without degradation of electrochemical properties. Furthermore, grid-shaped EDLC interleaves were found to be effective to improve interlaminar properties of the composite and offer a wide range of design parameters to obtain desired composite performance. A finite element model approach was employed to explore the effect of rivet structures on the lap shear behaviour of laminated materials containing EDLC devices. In parallel, experimental tests were performed to validate the proposed simulation model. The resulting model is particularly useful to design structural power composites with tailored balance between the energy/power densities and structural properties, thus opening the multifunctional spectrum.

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Item ID: 65573
DC Identifier: http://oa.upm.es/65573/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65573
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65573
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 27 Nov 2020 05:55
Last Modified: 27 Nov 2020 05:55
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