Desarrollo de sensores estructurales de resinas epoxi basados en nanopartículas de grafeno

Abstract

La necesidad de detectar, localizar y cuantificar daño en componentes estructurales de forma remota ha cobrado una mayor importancia en los últimos años debido a que en algunos sectores, como la energía eólica, la búsqueda de nuevos emplazamientos, alta mar en el caso de las plantas eólicas, el coste que conllevan las operaciones de inspección junto con el riesgo que supone para los operarios es muy elevado. Este es el motivo de que se estén investigando sistemas para la monitorización de salud estructural en componentes estructurales de un amplio rango de industrias. La presente tesis está centrada en el desarrollo de materiales compuestos de fibra de vidrio y matriz polimérica con capacidad de auto-monitorización, de forma que permitan la detección, localización y cuantificación de daño en sí mismos mediante la medida de la variación de la resistencia eléctrica del propio material. La capacidad de auto-monitorización se consigue con la adición de nanopartículas de grafeno en la matriz polimérica del material compuesto o mediante la disposición de un recubrimiento en el tejido de fibra, incorporando dichas nanopartículas en el ensimaje, como alternativa. Las nanopartículas de grafeno crean una red eléctrica, a lo largo de la matriz o el recubrimiento, que es susceptible a deformaciones y discontinuidades que puedan aparecer en el material por variaciones en la resistencia túnel o de contacto entre nanopartículas, haciendo posible la monitorización de salud estructural. Los valores de sensibilidad de los sensores obtenidos, tanto en la matriz nanorreforzada, material nanocompuesto, como en el material compuesto multiescalar son superiores a aquéllos de las galgas extensiométricas comerciales y permiten la localización y cuantificación del daño. Asimismo, el comportamiento eléctrico del sensor difiere según la naturaleza de las deformaciones lo que permite el análisis del estado de cargas de forma remota, siempre que se conozca el histórico de la señal eléctrica. Junto con la capacidad de auto-monitorización que le confiere al material la adición de nanopartículas de grafeno, se consigue un aumento de la conductividad térmica del material así como de la rigidez y el módulo de almacenamiento. La resistencia mecánica del material, en cambio, se ve reducida en el caso de que las nanopartículas no estén funcionalizadas y aumenta en materiales nanocompuestos reforzados con nanopartículas de grafeno funcionalizadas con grupos NH2. Sin embargo, en los materiales compuestos multiescalares no se observa este incremento al añadir nanopartículas de grafeno funcionalizadas.