Carbon Nano Tubes (CNTS) for the development of high-performance and smart composites

Resumen

Los nanotubos de carbono han atraído una enorme atención en los últimos años debido a sus propiedades multifuncionales sobresalientes. Un número cada vez mayor de trabajos de investigación de primera línea centran su interés en la búsqueda de aplicaciones prácticas que den uso de las notables propiedades de los nanotubos de carbono, incluyendo una elevada resistencia mecánica, propiedades piezorestivas, alta conductividad eléctrica, ligereza, excelente estabilidad química y térmica. En concreto, los estudios más recientes plantean dos grandes ramas de aplicación: fabricación de estructuras aligeradas de alta resistencia, y desarrollo de estructuras inteligentes. Con respecto a la primera línea de aplicación, el desarrollo de materiales compuestos ligeros de alta resistencia conecta con la creciente tendencia de la ingeniería estructural a incorporar materiales compuestos innovadores. Ejemplos recientes como el avión comercial Boeing 787, en el que la mitad del peso fue diseñado con materiales compuestos, predicen un futuro auspicioso para los nanotubos de carbono en la ingeniería aeronáutica. Sin embargo, aún resulta más interesante el comportamiento piezorresistivo de los compuestos reforzados con nanotubos de carbono, ya que posibilita la creación de estructuras que no sólo presentan altas capacidades portantes y reducido peso específico, sino que también ofrecen capacidades de auto-detección de deformaciones. Cuando el material se ve sometido a una deformación externa, en virtud de dicha propiedad piezoresistiva, la conductividad eléctrica varía de modo que es posible correlacionar su respuesta eléctrica con el campo deformacional aplicado. Estas propiedades multifuncionales entroncan con el nuevo paradigma de la Vigilancia de la Salud Estructural el cual aboga por el uso de materiales/estructuras inteligentes para resolver el problema de escalabilidad. En este contexto, la estructura o parte de ella presenta capacidades de auto-detección de tal manera que el mantenimiento basado en la condición puede llevarse a cabo sin necesidad de incluir sensores externos. En ambas líneas, la mayoría de las investigaciones han centrado el estudio en la experimentación, siendo mucho menor el número de trabajos que plantean modelos teóricos capaces de simular las propiedades mecánicas, eléctricas y electromecánicas de estos compuestos. Desde un punto de vista mecánico, existen estudios experimentales que informan acerca de los efectos perjudiciales sobre la respuesta macroscópica de aspectos micromecánicos tales como la tendencia a formar aglomerados, así como la curvatura de los nanotubos de carbono. Es por ello esencial desarrollar modelos teóricos que incorporen estos efectos y asistan al diseño de elementos estructurales reforzados con nanotubos de carbono. Respecto al estudio de las propiedades de conductividad y piezoresistividad, es esencial desarrollar formulaciones teóricas capaces de abordar la optimización de las propiedades de autodetección de deformaciones. Asimismo, es crucial comprender los diferentes mecanismos físicos que rigen la conductividad eléctrica de estos compuestos, de modo que sea posible incorporar su efecto diferencial dentro de un marco teórico. Por último, también es fundamental avanzar hacia el dominio del tiempo con el fin de desarrollar aplicaciones de vigilancia de la salud estructural basada en vibraciones. Con todo ello, los esfuerzos de esta tesis se han centrado en el modelado de las propiedades mecánicas, conductivas y electromecánicas de los compuestos reforzados con nanotubos de carbono para el desarrollo de estructuras inteligentes y de alta resistencia. Estas dos aplicaciones, a saber, compuestos de alta resistencia e inteligentes, han sido enmarcadas en el ámbito de los materiales poliméricos y de cemento, respectivamente. La razón de esta distinción se debe a la presunción de que los compuestos poliméricos pueden encontrar aplicaciones directas como paneles de fuselaje para estructuras de aeronaves, así como refuerzos mecánicos sobre estructuras pre-existentes. En cuanto al uso de nanotubos de carbono como inclusiones multifuncionales para compuestos inteligentes, tanto los materiales poliméricos como los de base cemento ofrecen una amplia gama de aplicaciones potenciales. Sin embargo, la similitud entre los compuestos de base cemento y el hormigón estructural convencional sugiere la idea de desarrollar sensores embebidos que ofrezcan una monitorización continua integrada sin comprometer a priori la durabilidad de la estructura huésped. Tanto las propiedades mecánicas como las conductivas han sido estudiadas mediante métodos de homogeneización de campo medio. Aspectos micromecánicos tales como la relación de aspecto, el contenido, la distribución de la orientación, la ondulación o la aglomeración de los nanotubos se han estudiado en detalle e incorporado al análisis de diferentes elementos estructurales. De manera similar, se han estudiado las propiedades de conductividad eléctrica y auto-detección de deformaciones bajo cargas cuasi-estáticas mediante modelos mixtos de homogenización micromecánica de Mori-Tanaka. Los principales mecanismos que gobiernan las propiedades de transporte eléctrico de estos compuestos, a saber, los efectos de túnel cuántico y la formación de canales conductores, se han incorporado por separado en las simulaciones a través de la teoría de percolación de fibras conductoras. Los resultados teóricos han sido validados con éxito mediante experimentos en condiciones de laboratorio. Finalmente, se ha desarrollado un nuevo circuito equivalente piezorresistivo/piezoeléctrico para el modelado electromecánico de materiales de base cemento reforzado con nanotubos de carbono en el dominio del tiempo. Con los experimentos como base de validación, se ha demostrado que el enfoque propuesto proporciona resultados precisos y ofrece un marco teórico apto para aplicaciones de procesamiento de señales y monitorización de la salud estructural. Se espera que el trabajo desarrollado en esta tesis pueda proporcionar herramientas valiosas que permitan profundizar en la comprensión de los principales aspectos físicos que controlan las propiedades mecánicas, eléctricas y electromecánicas de los compuestos reforzados con nanotubos de carbono. Además, se espera que los resultados presentados en esta tesis impulsen el desarrollo de materiales compuestos auto-sensibles embebidos para aplicaciones de vigilancia de la salud estructural.