Desenvolvimento de um dispositivo para monitoramento de saúde estrutural baseado em compósito piezoelétrico 1-3

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Data

2022-05-20

Autores

Rodrigues, Pedro Henrique Ferrarezi

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Editor

Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

O presente trabalho teve por objetivo realizar a obtenção de um compósito piezoelétrico 1-3 polímero/PZT com uma fase condutora dispersa, objetivando sua aplicação como sensor piezoelétrico. Foram obtidos compósito piezoelétrico com conectividade 1-3 formando por uma matriz polimérica baseada em uma resina poliéster (PO) e bastões de PZT, com ou sem uma fase condutora. Para a produção dos compósitos com conectividade 1-3, primeiro foram obtidos os bastões de PZT com diâmetro médio 1 mm e 3 mm. Todas as amostras piezoelétricas bifásica e trifásica foram caracterizadas por meio de análises elétricas e dielétricas em regime ac usando um analisador de impedância na faixa de frequência de 10-1 a 106 Hz e variando a temperatura de 10 °C a 110 °C (taxa de aquecimento de 1 °C/min); a avaliação da propriedade piezoelétrica dos compósitos foi realizada pelo resultado do coeficiente piezoelétrico longitudinal (d_33). As respostas elétrica e dielétrica de todas as amostras dos compósitos piezoelétricos mostraram serem dependentes da frequência, da temperatura e do diâmetro dos bastões de PZT. Quanto a avaliação do coeficiente d33, os resultados demostraram que as amostras do compósito piezoelétrico trifásico PO-NTC/PZT com 3 mm e 1 mm apresentaram maiores valores de d33 do que as amostras bifásicas PO/PZT. Esse comportamento demonstra que as nanopartículas de NTC exercem boa sinergia nos compósitos atuando em uma maior efetividade da polarização das partículas cerâmica. Por fim as amostras foram avaliadas por técnicas não destrutivas (ND) de emissão acústica para visando avaliar sua potencialidade como sensor de saúde estrutural. Foram usadas duas fontes simuladoras ND, tal como a queda de uma esfera massiva próximo ao sensor e a quebra da ponta de grafite, no qual geram ondas acústica em placa de fibra de carbono e captada pelo sensor compósito. Foi observado que as amostras com a fase MWCNT e usando bastões de 3 mm apresentaram maior sensibilidade e maior sinal elétrico em comparação as amostras sem MWCNT e usando bastões com diâmetro menor.
The present work aims to obtain a piezoelectric composite 1-3 polymer/PZT with a dispersed conductive phase, aiming for its application as a piezoelectric sensor. Piezoelectric composites with connectivity 1-3 had obtained using a polymer matrix based on a polyester resin (PO) and PZT rods, with or without a conductive phase. To produce the composites with connectivity 1-3, first it obtained the PZT rods with an average diameter of 1 mm and 3 mm. All the two- and three-phase piezoelectric samples were characterized by means of electrical and dielectric analysis in ac regime using an impedance analyzer in the frequency range from 10-1 to 106 Hz and varying the temperature from 10°C to 110°C (heating rate 1°C/min); the evaluation of the piezoelectric property of the composites was performed by the result of the longitudinal piezoelectric coefficient (d33). The electrical and dielectric responses of all samples of the piezoelectric composites showed to be dependent on the frequency, temperature, and diameter of the PZT rods. As for the evaluation of the d33 coefficient, the results showed that the samples of the three-phase PO-CNT/PZT piezoelectric composite with 3 mm and 1 mm presented higher values of d33 than the two-phase PO/PZT samples. This behavior demonstrates that the NTC nanoparticles exert good synergy in the composites acting in higher polarization effectiveness of the ceramic particles. Finally, the samples had been evaluating by non-destructive (ND) acoustic emission techniques to evaluate their potentiality as structural health sensors. Two ND simulant sources had been used such as the dropping of a massive sphere near the sensor and the breaking of a graphite tip, which generate acoustic waves on a carbon fiber plate and are captured by the composite sensor. It observed that the samples with the CNT phase and using 3 mm rods showed higher sensitivity and higher electrical signal compared to the samples without MWCNT and using smaller diameter rods.

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Palavras-chave

Resina poliéster, PZT, Nanotubo de carbono, Sensores, Compósito piezoelétrico, Piezoelectric composite, Polyester resin, Carbon nanotube, Sensors

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