2.1 Materiales

Para este estudio se emplearon nanotubos de carbono (NTC) de paredes múltiples. Los NTC fueron comprados de la compañía Sun Nanotech (China). De acuerdo al proveedor, los NTC cuentan con un diámetro exterior promedio, longitud y pureza de 10-35 nm, 1-10 µm y >90 %, respectivamente. El material utilizado como matriz fue una resina epóxica (Epolam 5015). El material de refuerzo fue fibra de vidrio unidireccional con un peso específico de 2.59 g/cm³. Tanto la fibra como la resina epoxi fueron comprados en Axon (EUA). Para la técnica de recubrimiento por aspersión se utilizó etanol y para el pegado de los electrodos a las muestras se usó pintura de plata de la marca Ted Pella (EUA).

2.2 Fabricación de laminados multiescala

El compuesto laminado multiescala fue manufacturado usando el proceso de infusión de resina asistida por vacío, ver Figura 1. Antes de la infusión de la resina, las capas de fibra de vidrio fueron recubiertas con 0.5 % en peso de NTC usando la técnica de recubrimiento por aspersión. Como primer paso, los NTC fueron pesados en una balanza analítica y luego mezclados en etanol.

Figura 1 Proceso de manufactura de laminados multiescala. 

Posteriormente, la mezcla NTC/etanol fue ultrasonicada durante 90 min. Después de ello, la mezcla fue rociada en ambos lados de la capa de fibra de vidrio y luego secada a temperatura ambiente por 24 h. La resina epoxi fue preparada mezclándola con el endurecedor a una razón en peso de 100:30. Luego de realizar la inyección de la resina, el laminado fue curado a temperatura ambiente (24 °C) manteniendo una presión de vacío contante durante 24 h. El laminado curado fue cortado en especímenes de prueba usando corte por chorro de agua. Los especímenes para prueba de flexión fueron preparados de acuerdo a la norma ASTM D7264 ^[10]. Las dimensiones del espécimen de prueba a flexión en tres puntos fueron una longitud de 85 mm por 13 mm de ancho y 3.5 mm de espesor, como se muestra en la Figura 2.

Figura 2 Esquema del espécimen de prueba a flexión. 

Para las mediciones de resistencia eléctrica, dos pares de alambres de cobre fueron adheridos en las superficies superior e inferior del espécimen usando pintura de plata eléctricamente conductora, ver Figura 2.

2.3 Ensayo electromecánico

Las pruebas electromecánicas se llevaron a cabo ensayando especímenes tipo viga a flexión en tres puntos y registrando mediciones de resistencia eléctrica simultáneamente, como se muestra en la Figura 3. El ensayo mecánico fue realizado en una máquina de pruebas mecánicas Instron (8872). La longitud entre apoyos fue de 54 mm y al menos tres especímenes fueron ensayados. El espécimen fue colocado en la fijación de prueba y luego se aplicó carga a una velocidad de desplazamiento de cabezal de un 1 mm/min.

Figura 3 Fotografía del ensayo electromecánico. 

Los valores de resistencia eléctrica fueron medidos en la superficie sometida a tensión (lado inferior) y en la superficie sometida a compresión (lado superior) de la viga usando un multímetro digital (Agilent 34401A). La medición simultánea de la resistencia eléctrica en los dos lados de la viga se obtuvo a través de un dispositivo multiplexor conectado al multímetro digital. Los valores de deformación a flexión fueron calculados por la siguiente ecuación ^[10].

Donde δ es la deflexión (obtenida del desplazamiento del cabezal de la máquina) en el centro de la viga, h es el espesor y L es la longitud entre apoyos del espécimen.

3.1 Depósito de NTC en las fibras de vidrio

La Figura 4 muestra fotografías e imágenes tomadas en un microscopio electrónico de barrido (MEB) en capas de fibras de vidrio antes (Figura 4a) y después (Figura 4b) de llevar a cabo el depósito de NTC por aspersión. En la Figura 4a se puede observar la capa de fibra de vidrio sin NTC, la cual tiene un aspecto claro. En contraste, la capa de fibra de vidrio con NTC revela un aspecto obscuro debido a la presencia de los NTC. Comparando las imágenes MEB de la fibra de vidrio con y sin NTC tomadas a una magnificación de 2500x se puede observar una superficie relativamente lisa en la fibra sin NTC, mientras que en el caso de la fibra con NTC se puede observar una distribución de los NTC relativamente homogénea con la presencia de aglomeraciones en ciertas regiones de la superficie de las fibras. De acuerdo a estas observaciones se puede decir que el recubrimiento por aspersión es una técnica efectiva y versátil para la incorporación de NTC sobre fibras de vidrio, la cual tiene la ventaja de ser escalado a nivel industrial.

Figura 4 Fotografía e imagen MEB de capas de fibras de vidrio. a) Sin NTC, b) con NTC. 

3.2 Monitoreo y detección de movimiento

Con el fin de demostrar la capacidad piezorresistiva de las fibras de vidrio con NTC antes de la manufactura del laminado, una tira cortada de la capa de fibras de vidrio previamente rociada con NTC fue adherida sobre la superficie del dedo índice de una mano cubierta con un guante de nitrilo como se muestra en la Figura 5. La Figura 5a muestra la tira adherida en la parte superior del dedo índice de la mano para inducir un movimiento a flexión en el cual la superficie es sometida a tensión y la Figura 5b muestra la tira adherida a la parte inferior del dedo de la mano para inducir un movimiento a flexión en el cual la superficie es sometida a compresión. Los resultados de la prueba se presentan en la Figura 6. En esta figura se muestra el comportamiento de la resistencia eléctrica normalizada en función del tiempo registrada para 5 ciclos de flexión en cada condición.

Figura 5 Fotografías mostrando el sensor piezorresistivo adherido a un guante de nitrilo para el registro de señal eléctrica inducido por el movimiento del dedo índice. 

Figura 6 Respuesta de la resistencia eléctrica en función del tiempo generada por el estímulo de flexión de un dedo. 

Cuando el dedo índice de la mano es flexionado, ΔR/R ₀ aumenta para el lado de tensión y disminuye para el lado de compresión, debido al cambio que se produce en las redes eléctricas de los NTC formadas sobre las superficies de las fibras. Éste cambio puede atribuirse al mecanismo de resistencia por contacto entre las redes eléctricas formadas por los nanotubos de carbono. Si ΔR/R ₀ es positivo significa que las redes eléctricas se separan y si ΔR/R ₀ es negativo significa que las redes se juntan, confirmando la habilidad de detectar el movimiento del dedo de la mano por medio de la señal eléctrica del material.

3.3 Respuesta piezorresistiva ante carga a flexión monotónica

En la Figura 7 se presenta los resultados de esfuerzo (eje vertical izquierdo) contra deformación de un espécimen tipo viga ensayado ante carga a flexión y el cambio de resistencia eléctrica (eje vertical derecho) medido en la superficie sometida a tensión (Figura 7a) y compresión (Figura 7b) de la viga.

Figura 7 Respuesta piezorresistiva de un espécimen ante carga a flexión. a) Lado a tensión, b) lado a compresión. 

El esfuerzo presenta una relación lineal con la deformación hasta alcanzar un valor crítico donde cae instantáneamente debido a la falla del espécimen. En cambio, ΔR/R ₀ tanto para lado de tensión como el de compresión presenta un comportamiento global (lineal y no-lineal) en el cual ΔR va incrementando positiva y negativamente en función de la deformación del material, ver Figura 7a y b. Asimismo, se puede observar que la resistencia eléctrica del material aumenta a medida que el material se deforma evidenciando el comportamiento piezorresistivo del compuesto. Para deformaciones pequeñas (ε < 1 %), ΔR/R ₀ incrementa de manera lineal a medida que ε incrementa. Para deformaciones mayores a 1 %, ΔR/R ₀ muestra un comportamiento no lineal debido muy probablemente al inicio de daño producido en la matriz y las fibras del compuesto. Finalmente, se observa que al momento de la falla del espécimen (σ = 425 MPa, ε = 2.25 %) el cambio de la resistencia eléctrica es considerable debido a la interrupción en las redes eléctricas formadas por la presencia de los NTC en el compuesto, indicando la falla final del compuesto como se muestra en la fotografía adjunta de la Figura 7b. Esto concuerda con resultados experimentales de Pinto y colaboradores, quienes investigaron las capacidades de monitoreo de deformación en compuestos de fibra de vidrio/epoxi sometidos a carga de flexión empleando una película polimérica con NTC.

3.4 Respuesta piezorresistiva ante carga a flexión cíclica

La Figura 8 presenta los resultados del ensayo electromecánico de un espécimen ante ciclos incrementales a flexión tanto en la superficie sometida a tensión (Figura 8a) como la sometida a compresión (Figura 8b). El nivel de carga (300 N) en los ciclos 1 y 2 está por debajo de la región donde se producen micro-grietas en la matriz, y se puede observar como ∆R/R0 sigue la forma de la carga aplicada. Un comportamiento similar es observado en los ciclos 4 y 5 correspondientes a nivel de carga de 600 N. Sin embargo, en los ciclos 6 y 7 donde el nivel de carga es de 900 N, se observa claramente como los valores del cambio de resistencia eléctrica no retornan al valor inicial, lo cual implica la presencia de daño en el material debido muy probablemente al inicio de micro-grietas en la matriz y delaminación. Resultados similares fueron observados por Gao y colaboradores ^[11] en compuestos fabricados de fibra de vidrio/resina viniléster con NTC sometidos a cargas de tensión cíclicas incrementales.

Figura 8 Respuesta piezorresistiva de un espécimen ante ciclos incrementales de carga a flexión. a) Superficie sometida a tensión, b) superficie sometida a compresión. 

Para el caso de los ciclos 7 y 8, se puede notar aún más el efecto anterior. Lo cual es esperado ya que a este nivel de carga (1200 N), la falla del material se encuentra muy cercana a este valor de carga. La respuesta piezorresistiva de la superficie sometida a compresión presenta un comportamiento ligeramente distinto al de tensión, los ciclos 1-5 siguen la forma de la carga, pero los ciclos 6 y 8 no retornan al valor inicial, lo cual implica que el material ha sufrido daño por la formación de grietas internas.