Detección y monitorización virtual del crecimiento de grietas en paneles de nanocompuestos reforzados con nanotubos de carbono usando XFEM

Abstract

En la actualidad, el uso de materiales compuestos está cada vez más extendido en la industria debido al gran interés tecnológico que presentan. Existen distintos tipos de materiales compuestos, y su clasificación se puede realizar atendiendo al tipo de matriz o a los refuerzos utilizados. Atendiendo al primer criterio, existen materiales compuestos de matriz metálica, cerámica y polimérica. En cuanto a los refuerzos existen distintos tipos, entre los que destacan la fibra de carbono, de vidrio, cerámicas, metálicas y naturales. Por otro lado, en los últimos años se ha ido extendiendo el concepto de materiales compuestos inteligentes o materiales multifuncionales. Existe una gran variedad de compuestos multifuncionales, entre los que destacan los nanocompuestos de carbono. Estos compuestos ven incrementadas sus propiedades y capacidades funcionales gracias a la adición de nanoaditivos como el grafeno o los nanotubos de carbono (CNT, por sus siglas en inglés). Estudios recientes han demostrado como la adición de CNT a una matriz epoxy no sólo la dota con capacidades conductoras, sino además, con comportamiento piezorresistivo (i.e, modifica su resistencia eléctrica en función de la deformación). El presente proyecto tiene por objeto principal desarrollar varias simulaciones numéricas aplicando el método XFEM (eXtended Finite Element Method, por sus siglas en inglés) que permita realizar un análisis del comportamiento piezorresistivo de nanocompuestos formados por una matriz epoxy y CNTs como refuerzos. La elección del proyecto da respuesta a la necesidad de ser capaces de detectar y monitorizar virtualmente el crecimiento de grietas en paneles de nanocompuestos. El contenido de este proyecto tiene aplicabilidad en una inmensa variedad de situaciones y problemas en el marco de la Mecánica de la Fractura, siendo el sector aeronáutico donde se puede experimentar su mayor potencial.

Currently the use of composites is getting widely increased in the industry due to the great technological interest they have. There are several kind of composites, and they can be classified according to the matrix or reinforcements. In relation to the first criteria, there are composites whose matrix can be metallic, ceramic or polymeric. In respect of reinforcements the most used fibers are carbon fiber, glass fiber, ceramic, metallic and organic fibers. On the other hand, in recent years the concept of smart composites or multifunctional materials has been extended. There are a huge variety of multifunctional materials, among them we can emphasize carbon nanotubes. This kind of composites have better properties and functional capacities due to the addition of nanoadditives like graphene or carbon nanotubes (CNT). Recent researches have demonstrated how the addition of CNT in an epoxy matrix does not only provide conduct capacities but also with piezoresistive behaviour (i.e, modify electrical resistance depending on the strain). The present project’s main goal is to perform several numerical simulations applying XFEM method, which allow us to analyse the piezoresistive behaviour of nano-composites composed by epoxy matrix and CNTs as reinforcements. This project has been chosen in order to answer the requirement of detect and monitor virtually the crack growing on plates made by this kind of nano-composites. This project’s contents have applicability in a huge variety of situations and problems in the context of Fracture Mechanics although aeronautical sector is where it has its great potential.