WO2008135606A1 - Sensor de nanocomposite para monitorización del daño en estructuras - Google Patents
Sensor de nanocomposite para monitorización del daño en estructuras Download PDFInfo
- Publication number
- WO2008135606A1 WO2008135606A1 PCT/ES2007/000564 ES2007000564W WO2008135606A1 WO 2008135606 A1 WO2008135606 A1 WO 2008135606A1 ES 2007000564 W ES2007000564 W ES 2007000564W WO 2008135606 A1 WO2008135606 A1 WO 2008135606A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- resin
- damage
- structures
- nanocomposite
- conductive
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B7/00—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques
- G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
- G01M5/0041—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by determining deflection or stress
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01M5/00—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings
- G01M5/0083—Investigating the elasticity of structures, e.g. deflection of bridges or air-craft wings by measuring variation of impedance, e.g. resistance, capacitance, induction
Definitions
- Object of the invention Method of monitoring damage in any structure by means of nanocomposite sensors, thanks to which it is possible to determine the state of damage and deformation in any structure thanks to the variation in electrical properties of a nanocomposite upon deformation. It is a valid non-destructive method for structures subject to static loads and fatigue. Applicable to large surfaces with a simple and low cost measurement.
- WO 2006/004733 specifically describes a monitoring system comprising a sensor with a conductive ink containing carbon nanofilaments and, at least, a polymeric resin and a data acquisition system.
- the ink is applied on a composite structure under a grid pattern.
- the method object of the present invention is based on the use of a monitoring system comprising a sensor with a resin loaded, at least with: nanostructures or nanomaterials, comprising at least one selected from: carbon nanotubes, nanofibers of carbon, carbon black, and conductive nanostructures or nanomaterials;
- the resin will be placed on the area of the structure where the damage is to be measured.
- a resin layer is coated in order to isolate it from moisture, or for any other reason such as the aesthetics of the structure.
- Figure 1 shows the damage monitoring system where the method object of the invention is implemented.
- Figure 2 shows an embodiment of the system for four regions of the structure.
- Figure 3 shows the tensile behavior of glass fiber specimens and 1% by weight of the resin (figure 3A) and 2% by weight of the resin (figure 3B) of nanofilaments.
- Figure 4 shows the fatigue behavior of specimens with 1% by weight of NF in the resin (figure 4A) and 2% by weight of NF in the resin (figure 4B). The cycling is at 80% and 10% of the breaking load.
- Figure 5 shows the fatigue behavior of glass fiber specimens and 1% NF weight in the resin, where the graph of strength (figure 5A) and displacement (figure 5B) is observed. The cycling is at 80% and 10% of the breaking load.
- the damage monitoring method is applied in a system comprising at least:
- the conductive resin [1] in addition, is loaded with nanostructures or nanomaterials, at least one selected from: carbon nanotubes, carbon nanofibers, carbon black, nanostructures or conductive nanomaterials, and a combination of the above;
- the resin [1] is applied on the surface [4] to be monitored, at least, in one of the following ways:
- Figure 2 shows a second practical embodiment of the invention, where damage is monitored in four regions of the structure, and where it can be seen how the resistance meter [3] is connected to both the contacts [2] and the interzonal regions.
- connection between the contacts [2] and the resistance meter [3] is at least one of the following types:
- the resin [1] is coated with an insulating layer in order to isolate it from the material, by conductivity of the surface to be monitored [4], for moisture, or for aesthetic reasons.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Sensor de nanocomposite para monitorizar el daño de una estructura que comprende una resina (1) conductora cargada de nanoestructuras o nanomateriales, dos contactos (2) colocados en dos extremos opuestos de la resina conectados y un medidor de resistencia (3). Gracias al cual es posible determinar el estado del daño y la deformación en una estructura cualquiera según la variación en propiedades eléctricas de un nanocomposite al sufrir una deformación.
Description
Sensor de nanocomposite para monitorización del daño en estructuras
Objeto de la invención Método 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 método 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.
Antecedentes de la invención
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 polim erica y un sistema de adquisición de datos. La tinta se aplica sobre una estructura de composite bajo un patrón de rejilla.
Descripción de la invención
El método 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 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.
Breve descripción de los dibujos
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.
La figura 1 muestra el sistema de monitorización del daño donde se implementa el método 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.
Realización preferente de la invención Como es posible apreciar en la figura 1, el método 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 cuatro regiones de la estructura, 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] . 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
1.- Método de monitorización del daño en estructuras mediante sensores de nanocomposite, caracterizado porque se aplica sobre 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].
2.- Método de monitorización del daño en estructuras mediante sensores de nanocomposite, según reivindicación primera, caracterizado porque la resina conductora [1], además, está cargada de nanoestructuras o nanomateriales conductores, al menos una seleccionada entre: nanotubos de carbono, nanofibras de carbono, negro de humo, nanoestructuras conductoras, y una combinación de las anteriores;
3.- Método de monitorización del daño en estructuras mediante sensores de nanocomposite, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque 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.
4.- Método 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;
5.- Método de monitorización del daño en estructuras mediante sensores de nanocomposite, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la resina [1] se recubre con una capa aislante.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ESP200701193 | 2007-05-04 | ||
| ES200701193A ES2307423B1 (es) | 2007-05-04 | 2007-05-04 | Sistema de monitorizacion del daño en estructuras mediante sensores denanocomposite. |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2008135606A1 true WO2008135606A1 (es) | 2008-11-13 |
Family
ID=39926849
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/ES2007/000564 WO2008135606A1 (es) | 2007-05-04 | 2007-10-05 | Sensor de nanocomposite para monitorización del daño en estructuras |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| ES (1) | ES2307423B1 (es) |
| WO (1) | WO2008135606A1 (es) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011024539A1 (ja) * | 2009-08-25 | 2011-03-03 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | カーボンナノチューブを用いた伸縮装置とその製造方法 |
| WO2012041646A1 (de) * | 2010-09-29 | 2012-04-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Band für die erfassung von vitaldaten einer person |
| US8684595B2 (en) | 2008-05-20 | 2014-04-01 | Massachusetts Institute Of Technology | Systems and methods for structural sensing |
| CN104142118A (zh) * | 2013-05-10 | 2014-11-12 | 雅马哈株式会社 | 应变传感器 |
| US9091657B2 (en) | 2010-01-26 | 2015-07-28 | Metis Design Corporation | Multifunctional CNT-engineered structures |
| EP3128202A1 (en) * | 2015-08-04 | 2017-02-08 | Istanbul Universitesi Teknoloji Transfer Uygulama ve Arastirma Merkezi | Damage assessment in composite leaf springs having electrical conductivity |
| US10801827B1 (en) | 2019-05-03 | 2020-10-13 | At&T Intellectual Property I, L.P. | Sensor based on smart response of two-dimensional nanomaterial and associated method |
| US11706848B2 (en) | 2014-04-10 | 2023-07-18 | Metis Design Corporation | Multifunctional assemblies |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3779071A (en) * | 1971-09-13 | 1973-12-18 | Tracor | Fatigue strain gauges |
| GB2258732A (en) * | 1991-08-15 | 1993-02-17 | Shimizu Construction Co Ltd | Strain or stress gauge |
| US20050284232A1 (en) * | 2004-06-25 | 2005-12-29 | Rice Brian P | Sensing system for monitoring the structural health of composite structures |
-
2007
- 2007-05-04 ES ES200701193A patent/ES2307423B1/es not_active Withdrawn - After Issue
- 2007-10-05 WO PCT/ES2007/000564 patent/WO2008135606A1/es active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US3779071A (en) * | 1971-09-13 | 1973-12-18 | Tracor | Fatigue strain gauges |
| GB2258732A (en) * | 1991-08-15 | 1993-02-17 | Shimizu Construction Co Ltd | Strain or stress gauge |
| US20050284232A1 (en) * | 2004-06-25 | 2005-12-29 | Rice Brian P | Sensing system for monitoring the structural health of composite structures |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| GUZMAN OF VILLORIA R. ET AL.: "Mechanical properties of SWNT/epoxy composites using two different curing cycles", COMPOSITES PART B, vol. 37, June 2006 (2006-06-01) - July 2006 (2006-07-01), pages 273 - 277 * |
| LABORDE-LAHOZ P. ET AL.: "Mechanical characterization of carbon nanotubes composite materials", MECHANICS OF ADVANCE MATERIALS AND STRUCTURES, vol. 12, 2005, pages 13 - 19 * |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8684595B2 (en) | 2008-05-20 | 2014-04-01 | Massachusetts Institute Of Technology | Systems and methods for structural sensing |
| WO2011024539A1 (ja) * | 2009-08-25 | 2011-03-03 | 独立行政法人産業技術総合研究所 | カーボンナノチューブを用いた伸縮装置とその製造方法 |
| US9091657B2 (en) | 2010-01-26 | 2015-07-28 | Metis Design Corporation | Multifunctional CNT-engineered structures |
| US9839073B2 (en) | 2010-01-26 | 2017-12-05 | Metis Design Corporation | Multifunctional CNT-engineered structures |
| WO2012041646A1 (de) * | 2010-09-29 | 2012-04-05 | Siemens Aktiengesellschaft | Band für die erfassung von vitaldaten einer person |
| CN104142118A (zh) * | 2013-05-10 | 2014-11-12 | 雅马哈株式会社 | 应变传感器 |
| US9476782B2 (en) | 2013-05-10 | 2016-10-25 | Yamaha Corporation | Strain sensor |
| US11706848B2 (en) | 2014-04-10 | 2023-07-18 | Metis Design Corporation | Multifunctional assemblies |
| EP3128202A1 (en) * | 2015-08-04 | 2017-02-08 | Istanbul Universitesi Teknoloji Transfer Uygulama ve Arastirma Merkezi | Damage assessment in composite leaf springs having electrical conductivity |
| US10801827B1 (en) | 2019-05-03 | 2020-10-13 | At&T Intellectual Property I, L.P. | Sensor based on smart response of two-dimensional nanomaterial and associated method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES2307423B1 (es) | 2009-09-22 |
| ES2307423A1 (es) | 2008-11-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| ES2307423B1 (es) | Sistema de monitorizacion del daño en estructuras mediante sensores denanocomposite. | |
| Nag-Chowdhury et al. | Non-intrusive health monitoring of infused composites with embedded carbon quantum piezo-resistive sensors | |
| Parmar et al. | Effect of CNT alignment on the strain sensing capability of carbon nanotube composites | |
| Loyola et al. | The electrical response of carbon nanotube-based thin film sensors subjected to mechanical and environmental effects | |
| Abot et al. | Novel distributed strain sensing in polymeric materials | |
| Li et al. | Aligned carbon nanotube sheet piezoresistive strain sensors | |
| Grammatikos et al. | On the electrical properties of multi scale reinforced composites for damage accumulation monitoring | |
| Grammatikos et al. | Impedance spectroscopy as a tool for moisture uptake monitoring in construction composites during service | |
| AU2011306728B2 (en) | Structural health monitoring using sprayable paint formulations | |
| Park et al. | Review of self-sensing of damage and interfacial evaluation using electrical resistance measurements in nano/micro carbon materials-reinforced composites | |
| US20170167932A1 (en) | Integrated sensors for structural health monitoring | |
| CN111351597B (zh) | 纤维复合材料部件、部件系统、飞行器和锂化碳纤维使用 | |
| Lee et al. | Novel structural health monitoring method for CFRPs using electrical resistance based probabilistic sensing cloud | |
| Loh et al. | Conformable single-walled carbon nanotube thin film strain sensors for structural monitoring | |
| CA2689196A1 (en) | Water detector | |
| JP5605559B2 (ja) | 金属表面処理を施したナノフィラーからなる高感度ひずみセンサ | |
| BR102017023377A2 (pt) | Estrutura de compósito, e, sistema e método para medir tensão em uma estrutura de compósito | |
| Wang et al. | Through-thickness stress sensing of a carbon fiber polymer–matrix composite by electrical resistance measurement | |
| EP2431412A1 (en) | Structural health monitoring using sprayable paint formulations | |
| Michelis et al. | Wireless flexible strain sensor based on carbon nanotube piezoresistive networks for embedded measurement of strain in concrete | |
| Chadda et al. | 3D-Printed Strain Gauges Based on Conductive Filament for Experimental Stress Analysis | |
| ES2567527B2 (es) | Método de fabricación de materiales compuestos con capacidad de monitorización y material obtenible | |
| KR101577801B1 (ko) | 피에조 섬유를 이용한 3차원 스트레인 측정장치 및 이를 설치한 구조물 | |
| Górski et al. | The effect of humidity on the electrical resistance of smart sensor based on carbon fibers | |
| Wang et al. | Monitoring CNT-Based Composite Laminates under Monotonic and Cyclic Flexural Loading |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 07822971 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 07822971 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |