Piezorresistividad y daño en materiales compuestos de nanotubos de carbono y resina viniléster / José de Jesús Ku Herrera

Tesis (Maestría en Ciencias en Materiales Poliméricos) .-- Centro de Investigación Científica de Yucatán, 2011.

El presente trabajo investigó la capacidad de un material compuesto a base de nanotubos de carbono de paredes múltiples (MWCNTs) y resina viniléster para monitorear su propia deformación y daño, lo cual es posible gracias a que la deformación del material genera cambios en su resistencia eléctrica. Se determinó el límite de percolación midiendo la conductividad eléctrica en corriente directa a los materiales compuestos con contenidos en peso (w/w) de MWCNTs menores al 1 por ciento. Se estudió comportamiento piezorresistivo, el comportamiento elasto-plástico y la generación de micro-fisuras en materiales compuestos con 0.3, 0.5 y 1 por ciento wlw de MWCNTs. Los materiales fueron ensayados a tensión y compresión tanto a carga monotónica (cuasi-estática) como cíclica, ya cortante a carga monotónica. La respuesta piezorresistiva ante carga a tensión mostró una relación lineal con la deformación del material hasta fractura; el mayor factor de galga (-2.8) a tensión fue obtenido para 0.3 por ciento w/w de MWCNTs, mientras que mayores porcentajes de MWCNTs dieron lugar a una disminución del factor de galga. Por otro lado, a compresión se registró un comportamiento piezorresistivo no lineal y no monotónico, donde fueron identificadas tres zonas: la primera zona comprendida entre 0 por ciento y 1.8 por ciento de deformación unitaria donde se observó un cambio negativo en la resistencia eléctrica (AR menor que O, disminución de la resistencia eléctrica con respecto a su valor original) y una respuesta piezorresistiva aproximadamente lineal que coincide con la zona lineal elástica del comportamiento mecánico del nano material compuesto a compresión. En la segunda zona comprendida entre 1.8 por ciento y 4 por ciento de la cual coincide con la zona de fluencia del material se observó una transición de negativo a positivo; en la tercera zona (E mayor que 4 por ciento) se observó un segundo comportamiento aproximadamente lineal pero con AR mayor que O y que corresponde a la zona donde el material sufre deformación plástica significativa y daño irreversible. En la zona elástica se obtuvieron factores de galga positivos, correspondiendo el mayor (-5.0) a 1 por ciento w/w de MWCNTs; menores contenidos de MWCNTs generaron una disminución en las magnitudes de los factores de galga. En contraste, en la zona plástica los factores de galga fueron negativos y el de mayor magnitud (-10.6) fue registrado para 0.3 por ciento w/w de MWCNTs; a mayor concentración de MWCNTs se observó una reducción en las magnitudes de los factores de galga en la zona plástica. A cortante, se observó poca sensibilidad en la respuesta piezorresistiva a niveles bajos de deformación (y menor que 0.4 por ciento); sin embargo, a niveles mayores de deformación los nanomateriales compuestos presentaron una zona piezorresistiva razonablemente lineal en la que el mayor factor de galga (-3.3) fue obtenido para 0.3 por ciento w/w de MWCNTs. En términos generales, se puede decir que la sensibilidad de los nanomateriales compuestos para monitorear su deformación disminuye a medida el contenido de MWCNTs aumenta, por lo que se recomienda trabajar con contenidos de MWCNTs ligeramente por encima del límite de percolación eléctrica. Adicionalmente, se demostró que la generación de daño y fenómenos mecánicos irreversibles en la matriz (como fluencia) están relacionados con un cambio de resistencia eléctrica permanente en el nanomaterial compuesto, y que esta relación puede ser cuantificada.