ES2307423A1 - Metodo de monitorizacion del daño en estructuras mediante sensores de nanocomposite. - Google Patents
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Abstract
Método de monitorización del daño en estructuras mediante sensores de nanocomposite, aplicable sobre un sistema que comprende, al menos: - una resina [1] conductora; - dos contactos [2]; - un medidor de resistencia [3]. Gracias al cual es posible determinar el estado del daño y la deformación en una estructura cualquiera gracias a la variación en propiedades eléctricas de un nanocomposite al sufrir una deformación.
Description
Sistema de monitorización del daño en
estructuras mediante sensores de nanocomposite.
\global\parskip0.930000\baselineskip
Sistema de monitorización del daño en una
estructura cualquiera mediante sensores de nanocomposite, gracias
al cual es posible determinar el estado del daño y la deformación
en una estructura cualquiera gracias a la variación en propiedades
eléctricas de un nanocomposite al sufrir una deformación. Se trata
de un sistema no destructivo válido para estructuras sometidas a
cargas estáticas y a fatiga. Aplicable a superficies de gran tamaño
con una medición sencilla y de bajo coste.
Son conocidos en el actual estado de la técnica
diversos sistemas de medición del daño en una estructura. Los más
habituales son los basados en galgas y/o fibra óptica que, en
general, sólo pueden ser aplicados en regiones muy concretas y no
en toda clase de estructuras.
Por otro lado, el documento WO 2006/004733
describe específicamente un sistema de monitorización que comprende
un sensor con una tinta conductora contenedora de nanofilamentos de
carbono y, por lo menos, una resina polimérica y un sistema de
adquisición de datos. La tinta se aplica sobre una estructura de
composite bajo un patrón de rejilla.
El sistema objeto de la presente invención está
basado en el uso de un sistema de monitorización que comprende un
sensor con una resina cargada, al menos con:
nanoestructuras o nanomateriales, que
comprenden, al menos, una seleccionada entre:
- nanotubos de carbono, nanofibras de carbono, negro de humo, y nanoestructuras o nanomateriales conductoras;
De tal forma que los nanofilamentos (NF) hacen
que la resina sea conductora, de forma que al sufrir una
deformación, se produce una variación en la resistividad de la
resina cargada. En función del grado de deformación, y si no se
produce daño en la resina, la variación en resistividad es
reversible, sin embargo, si esta deformación produce roturas o
despegues de las nanofilamentos en el interior de la resina, se
produce un incremento de la resistividad, lo que viene asociado con
el daño de la estructura debido a fisuras en la resina cargada. Se
ha comprobado como con este procedimiento se puede determinar la
deformación por cualquier tipo de cargas, bien sean estáticas o
cíclicas, pudiéndose determinar el daño producido en el material
midiendo las variaciones en la resistencia eléctrica.
Para aplicar este sistema hay que emplear dicha
resina conductora, que se puede emplear con, al menos, una de las
siguientes formas:
- -
- recubrimiento de cualquier tipo de material;
- -
- resina de preimpregnado;
- -
- matriz de un laminado de material compuesto;
Posteriormente, se situará la resina sobre la
zona de la estructura donde se quiera medir el daño.
En los extremos de esta zona, se situarán dos
contactos, a los que irán unidos los bornes de un medidor de
resistencia. Según se desee monitorizar en una o varias zonas de la
estructura, se podrán situar tantos de estos sistemas como se
deseen en la posición seleccionada, bien en serie, bien en
paralelo, bien acoplando varios sistemas de este tipo con distintas
resistencias para desacoplar la señal con sistemas electrónicos.
Para medir el fallo de una estructura de
material compuesto es posible el uso de la resina, o una capa de
pre-impregnado con esta resina en alguna capa
interna del material compuesto, o bien utilizar esta resina como
matriz del material compuesto.
Opcionalmente, una capa de resina se recubre con
el fin de aislarla de la humedad, o por cualquier otro motivo como
la estética de la estructura.
A continuación se pasa a describir de manera muy
breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la
invención y que se relacionan expresamente con una realización de
dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de
ésta.
\global\parskip1.000000\baselineskip
La figura 1 muestra el sistema de monitorización
del daño objeto de la invención.
La figura 2 muestra una realización del sistema
para cuatro regiones de la estructura.
La figura 3 muestra el comportamiento a tracción
de probetas con fibra de vidrio y 1% en peso de la resina (figura
3A) y 2% en peso de la resina (figura 3B) de nanofilamentos.
La figura 4 muestra el comportamiento a fatiga
de probetas con 1% en peso de NF en la resina (figura 4A) y 2% en
peso de NF en la resina (figura 4B). El ciclado es a 80% y 10% de
la carga de rotura.
La figura 5 muestra el comportamiento a fatiga
de probetas con fibra de vidrio y 1% de peso de NF en la resina,
donde se observa la gráfica de fuerza (figura 5A) y desplazamiento
(figura 5B). El ciclado es a 80% y 10% de la carga de rotura.
Como es posible apreciar en la figura 1, el
sistema de monitorización de daño se aplica en un sistema que
comprende, al menos:
- -
- una resina [1] conductora;
- -
- dos contactos [2];
- -
- un medidor de resistencia [3];
y donde dicha resina [1] se aplica
sobre una superficie [4] a monitorizar; y donde dichos contactos
[2] se colocan en dos extremos opuestos de la resina [1],
físicamente conectados a los bornes del medidor de resistencia
[3].
La resina conductora [1], además, está cargada
de nanoestructuras o nanomateriales, al menos una seleccionado
entre:
- nanotubos de carbono,
- nanofibras de carbono,
- negro de humo,
- nanoestructuras o nanomateriales conductores,
- y una combinación de las anteriores;
La resina [1] se aplica sobre la superficie [4]
a monitorizar, al menos, una de las siguientes formas:
- -
- recubrimiento de cualquier tipo de material;
- -
- resina de preimpregnado;
- -
- matriz de un laminado de material compuesto;
En la figura 2 se aprecia una segunda
realización práctica de la invención, donde se monitoriza el daño
en tres regiones de la estructura [A, B, C], y donde se aprecia
como el medidor de resistencia [3] se conecta tanto a los contactos
[2] como a las regiones interzonales.
La conexión entre los contactos [2] y el medidor
de resistencia [3] es, al menos una de los siguientes tipos:
- -
- serie;
- -
- paralelo;
- -
- por acoplamiento de distintas señales de distintos sistemas con diferentes resistencias;
En todos los casos, y de forma opcional, la
resina [1] se recubre con una capa aislante con el fin de aislarla
del material, por conductividad de la superficie a monitorizar [4],
de la humedad, o por motivos estéticos.
Se han realizado distintos ensayos sobre
probetas de fibra de vidrio inyectadas con resina cargada con 1% y
2% de peso de nanofilamentos de carbono sobre la resina conductora
[1].
\newpage
Se inyectaron cuatro tejidos de fibra de vidrio
con resina cargada con nanofilamentos de carbono mediante moldeo
por transferencia de resina (RTM) de los que se extrajeron probetas
según la norma ASTM D3039 y se ensayaron a tracción y fatiga. Se
pintaron dos regiones con pintura de plata, separadas a 3 cm y con
2,5 cm de longitud, donde se colocaron los electrodos de un
multímetro digital para medir su resistencia. Con un ordenador se
obtiene la lectura de la resistencia eléctrica con el tiempo, y con
el registro de la máquina de ensayos el desplazamiento y la carga
aplicada. No se ha empleado ningún sistema o programa de filtrado
de la señal del voltímetro.
Como se puede ver en las figura 3, 4 y 5, existe
una correlación entre la carga aplicada y la resistencia eléctrica
medida entre los bornes. Cuando la probeta rompe, la resistencia
sube bruscamente a infinito. Sin embargo, en el caso de que la
probeta no rompa en la región monitorizada o cese la carga, se
puede ver que en el caso de haberse producido un daño en la probeta
por fisuras internas en la resina cargada con nanofilamentos, la
resistencia no vuelve a su valor inicial, sino que se produce un
aumento, según el daño producido (figura 3).
En el caso de aplicar una carga de fatiga, en
este caso de 80% de la carga máxima al 10% de la carga máxima, la
resistencia eléctrica sigue el mismo ciclado que la carga (figura
4), con la misma frecuencia y mostrando un comportamiento
reversible con los ciclos iniciales. Al aumentar el número de
ciclos, se produce un daño en el material, que se ve reflejado en el
aumento de su deformación ante la misma carga. Este aumento en
deformación se ve reflejado en el aumento de resistencia promedio,
como se puede ver en la figura 5.
Además, dependiendo de la cantidad de
nanofilamentos empleadas, en estos ejemplos 1% y 2%, se tiene un
valor de resistividad distinto y por tanto, un comportamiento
distinto frente a la deformación del material, por lo que se podría
calibrar el contenido de nanofilamentos deseado.
Claims (4)
1. Sistema de monitorización del daño en
estructuras mediante sensores de nanocomposite,
caracterizado porque se aplica sobre un sistema que
comprende, al menos:
(a) una resina [1] conductora cargada de
nanoestructuras o nanomateriales conductores, al menos una
seleccionada entre:
- nanotubos de carbono,
- nanofibras de carbono,
- negro de humo,
- nanoestructuras conductoras,
- o una combinación de las anteriores;
(b) dos contactos [2];
(c) un medidor de resistencia [3];
y donde dicha resina [1] se aplica
sobre una superficie [4] a monitorizar; y donde dichos contactos
[2] se colocan en dos extremos opuestos de la resina [1],
físicamente conectados a los bornes del medidor de resistencia
[3].
2. Sistema de monitorización del daño en
estructuras mediante sensores de nanocomposite, según
reivindicación 1, caracterizado porque la resina [1] se
aplica sobre la superficie [4] a monitorizar en, al menos, una de
las siguientes formas:
- -
- recubrimiento de cualquier tipo de material;
- -
- resina de preimpregnado;
- -
- matriz de un laminado de material compuesto.
3. Sistema de monitorización del daño en
estructuras mediante sensores de nanocomposite, según
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la
conexión entre los contactos [2] y el medidor de resistencia [3] es,
al menos una de los siguientes tipos:
- -
- serie;
- -
- paralelo;
- -
- por acoplamiento de distintas señales de distintos sistemas con diferentes resistencias.
4. Sistema de monitorización del daño en
estructuras mediante sensores de nanocomposite, según
reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la resina
[1] se recubre con una capa aislante.
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Also Published As
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