Estudio y monitorización de uniones multimaterial (metal-composite) mediante nanoestructuras de carbono

Abstract

La apuesta por soluciones ligeras en el transporte de cara al menor consumo de combustible ha llevado en los últimos años al estudio y desarrollo de nuevos materiales de alta resistencia y más ligeros. Además, se ha ampliado el uso del concepto multimaterial o poner “el material adecuado en el lugar adecuado” combinando el uso de diferentes materiales metálicos y poliméricos, consiguiendo una simbiosis de ambos en cuanto a características. Para el desarrollo de este concepto o técnica de aligeramiento, es especialmente importante el estudio de las uniones adhesivas, que son ligeras y presentan concentraciones de tensiones inferiores a las fijaciones mecánicas. Brindan mayor flexibilidad de diseño, lo que aumenta la oportunidad de consolidación de piezas y de unión de materiales diferentes. Algunos de los obstáculos en la introducción de las uniones adhesivas es la escasa capacidad de monitorización de su comportamiento, el desconocimiento de su durabilidad en ciertas condiciones ambientales y la incorporación de una etapa en el proceso productivo de gran sensibilidad en cuanto a la aplicación. La implementación de uniones co-curadas en sectores como el aeronáutico o automoción es ya un hecho en piezas de altas prestaciones. La búsqueda de mejoras en las propiedades mecánicas, así como la incorporación de nuevas prestaciones, como la disipación de carga electrostática, el apantallamiento magnético o la capacidad de monitorización de salud estructural (SHM) hacen de los nanorrefuerzos de carbono un componente de gran interés para uniones adhesivas en piezas y estructuras de altas prestaciones. El presente trabajo, evalúa la posibilidad de emplear nanorrefuerzos de carbono, en concreto, nanotubos de carbono, en uniones co-curadas entre materiales de altas prestaciones como son el titanio grado V y el material compuesto de fibra de carbono, para mejora de propiedades mecánicas y a su vez su uso para monitorización de la unión en servicio. La incorporación de nanotubos de carbono a las uniones multimaterial en concentraciones de 0.1% en peso ha demostrado actuar de refuerzo obteniéndose mejoras de hasta el 140% en su resistencia a fractura cuando se combina con un tratamiento superficial óptimo del material. Por otro lado, en todo momento la incorporación de este porcentaje de nanotubos ha permitido la monitorización de salud estructural de las uniones, permitiendo relacionar los resultados mecánicos con la variación en las medidas eléctricas. Además, la naturaleza piezoeléctrica que se le confiere a las uniones al añadir los nanotubos de carbono permite la monitorización de la propagación de fallos, y a nivel local permite la monitorización de esfuerzos locales previos al fallo de la unión.