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07/03/2017  
Un sensor en forma de hilo para materiales compuestos

No hay duda de que los materiales compuestos están en un momento de gran desarrollo mundial. Sólo en 2015 la demanda de productos fabricados con estos materiales ha alcanzado los 22,2 billones de dólares. La razón es que se trata de materiales ligeros capaces de soportar altos esfuerzos mecánicos, lo que permite desarrollar estructuras muy resistentes y muy ligeras a la vez.


J. Carlos Fernández-Toribio
Grupo de Nanocompuestos Multifuncionales del Instituto IMDEA Materiales



Este hecho tiene implicaciones inmediatas en sectores como el aeroespacial en el que el peso juega un factor clave. Así, se pueden fabricar aeronaves capaces de transportar mayor carga y consumir menos combustible simplemente cambiando los materiales clásicos por materiales compuestos. Es por eso que nuevos modelos de aviones como el Boeing 787 o el Airbus A350 incluyen un gran volumen de material compuesto en su fabricación como se puede observar en la Figura 1.

Un sensor en forma de hilo para materiales compuestos
Figura 1: Materiales usados en la fabricación del BOEING 787 (izquierda) y el AIRBUS 350


Sin embargo, los procesos de fabricación de estos materiales son aún bastante tradicionales y presentan una escasa automatización. Este hecho supone un fuerte impedimento para extender su uso a otros sectores fuertemente automatizados como por ejemplo la automoción. Además, estos materiales presentan complejos mecanismos de fallo, lo que dificulta su mantenimiento mediante el uso de costosos métodos de inspección como los ultrasonidos.

Es debido a estas y otras razones que el desarrollo de sensores multifuncionales en el área de los materiales compuestos es fundamental. Este tipo de sensores proveen información continuada de la 'salud' del material desde su fabricación hasta su posterior puesta en servicio. De esta manera se facilita tanto monitorizar el procesado, como detectar posibles fallos en la pieza. Estos requerimientos obligan a que los sensores deben formar parte del material en sí, lo que puede afectar negativamente a las propiedades de la estructura final. En este sentido, los sensores en forma de fibra se han posicionado como los mejores candidatos puesto que su pequeño tamaño hace que el efecto sobre las características finales de la pieza sea despreciable.

Se pueden fabricar aeronaves capaces de transportar mayor carga y consumir menos combustible simplemente cambiando los materiales clásicos por materiales compuestos

En este campo de investigación el grupo de Nanocompuestos Multifuncionales del Instituto IMDEA Materiales ha desarrollado un material novedoso que se ajusta perfectamente a las condiciones para ser considerado el sensor perfecto. A primera vista este material en forma de fibra se parece a un hilo (Figura 2), y de hecho, mecánicamente se podría asemejar a un hilo superresistente. De esta manera puede ser hilado y fácilmente integrado en materiales compuestos como parte del refuerzo. Pero además, esta fibra presenta una alta conductividad eléctrica, parámetro que se ha mostrado extremadamente sensible a posible deformaciones mecánicas o a la presencia de ciertos químicos a su alrededor. Estas características lo convierten en un potencial sensor con múltiples aplicaciones. Pero, ¿cuál es la razón de esta extraña combinación de propiedades? La respuesta a esta pregunta se encuentra en la nanoescala, allí se puede observar que esta fibra no es una estructura continua, sino que es una red gigantesca formada por la unión de millones de nanoconstituyentes: los nanotubos de carbono. Estas nanoestructuras en base carbono son extremadamente populares por sus extraordinarias propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas, y por su ampliamente reportado uso como sensores. Así, la fibra aquí presentada explota estas propiedades únicas del nanomundo para traerlos a la macroescala, lo que la convierte en un excelente sensor.

Un sensor en forma de hilo para materiales compuestos
Figura 2: Fibra de nanotubos de carbono


Desde el punto de vista de las aplicaciones, esta fibra ya se ha utilizado en procesos ampliamente extendidos en la industria como la infusión por vacío. Esta técnica consiste en la fabricación de materiales compuestos mediante la inyección de resina a lo largo de una preforma de fibra seca. En este caso la preforma se hace apilando laminas sobre un soporte rígido o premolde, el cual se cierra posteriormente mediante una bolsa de vacío. Finalmente, se aplica vacío sobre el sistema cerrado a través de una toma de salida mientras una toma de entrada lo conecta a una reserva de resina; de esta manera la resina es conducida por el vacío a través de la preforma impregnándola, tal y como se esquematiza en la Figura 3a. Cuando al final del proceso de polimerización la resina se solidifica, se obtiene la pieza final. Obviamente, el flujo de resina durante el proceso es un parámetro determinante para garantizar la buena calidad del proceso y, por tanto, debería ser monitorizado.

Un sensor en forma de hilo para materiales compuestos
Figura 3: a) Esquema del proceso de infusión de vacío; b) fotografía del proceso de infusión monitorizado por fibras de nanotubos; c) esquema y gráfica comparativa entre el flujo de resina superficial y el flujo medido por la fibra


De esta manera, de acuerdo a un modelo analítico, cambios en la resistencia eléctrica de la fibra de nanotubos de carbono permite determinar la posición del flujo de resina en cada momento durante un proceso de infusión de vacío [1]. Estos resultados se muestran junto con la evolución del flujo superficial en la figura 3c. De acuerdo con los datos obtenidos, se pudo detectar una diferencia entre el flujo superficial de resina y el flujo a través del laminado, medido mediante el uso de la fibra. Así, se concluye que la distribución del flujo a lo largo del espesor no es homogéneo, lo cual podría tener implicaciones en la calidad del producto final.

Esta fibra ha tenido aplicaciones reales ya que ha sido implementada de forma satisfactoria en los alerones de un coche de competición construido por los estudiantes de la Universidad Carlos III (Figura 4). La imagen de la izquierda de la figura 4 muestra el método de implementación de la fibra de nanotubos en tejidos de fibra de vidrio. Así, la fibra fue simplemente cosida a los tejidos, lo que no supuso ningún impedimento durante la fabricación. El propósito final buscaba aprovechar la piezoresistencia mostrada por la fibra. Esto es, que la fibra al verse sometida a deformaciones mecánicas cambie su resistencia eléctrica en respuesta. De esta manera, las cargas mecánicas a las que se ven sometidas los alerones durante la carrera serían fácilmente detectables mediante simples medidas eléctricas. Este sería el primer paso a seguir para determinar el potencial uso del sensor para aplicaciones de monitorización de deformaciones y daño en materiales compuestos.

Un sensor en forma de hilo para materiales compuestos
Figura 4: (izquierda) fotografía de la implementación de las fibras de nanotubos durante el proceso de fabricación de los alerones; (derecha) coche de carreras construido por estudiantes de la Universidad Carlos III


Parte de estas actividades de investigación se han desarrollado en el marco del proyecto MUDATCOM Compuestos multifuncionales y tolerantes al daño: integración de nanorefuerzos de carbono avanzados y laminados no-convencionales (Ref.: MAT2012-37552-C03-02). Este proyecto ha sido financiado por el Ministerio de Economía, Industria y Competitividad, dentro del Subprograma de Proyectos de Investigación Fundamental no Orientada.


[1] Referencia bibliográfica:
Fernández-Toribio, Juan C., et al. A Composite Fabrication Sensor Based on Electrochemical Doping of Carbon Nanotube Yarns Advanced Functional Materials 26.39 (2016):7139-7147


   Enlaces de interés
- IMDEA Materiales



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