Deslocamento de parede de domínio controlado por campo eletromagnético para adaptação de tensão induzida em BaTiO3

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 7504 (2022) Citar este artigo

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A falha em um material compósito de polímero epóxi é propensa a iniciar pela coalescência de microfissuras em sua matriz polimérica. Como tal, o endurecimento da matriz por meio da adição de uma segunda fase como nano/micropartículas rígidas e/ou de borracha é uma das abordagens mais populares para melhorar a tenacidade à fratura em várias escalas em um compósito polimérico, que dissipa a energia de fratura por meio de mecanismos de deformação e prisão de microfissuras. Poucos estudos têm focado no endurecimento variável e sob medida, o chamado 'endurecimento ativo', sugerindo principalmente deformações induzidas termicamente que oferecem endurecimento lento e irreversível devido à baixa condutividade térmica do polímero. A pesquisa apresentada no presente artigo desenvolveu um campo de tensão extrínseco reversível instantâneo via radiação eletromagnética remota. A quantificação da tensão extrínseca que evolui no compósito com a energia de micro-ondas foi realizada usando detecção de fibra óptica em tempo real in situ. Uma equação constitutiva teórica correlacionando a energia de exposição a micro-deformações foi desenvolvida, com sua solução validando os dados experimentais e descrevendo sua física subjacente. A pesquisa utilizou nanomateriais ferroelétricos dielétricos funcionalizados, titanato de bário (BaTiO3), como uma segunda fase dispersa em uma matriz epóxi, capaz de introduzir eletrodeformações microscópicas em seu epóxi rígido circundante submetido a um campo elétrico externo (microondas, aqui), como resultado de seus deslocamentos dipolo paredes de domínio. O epóxi Araldite LY1564, um éter diglicidílico do bisfenol A associado ao agente de cura Aradur 3487, foi incorporado às nanopartículas de BaTiO3. O agente de acoplamento silano para a funcionalização da superfície das nanopartículas foi o 3-glicidoxipropiltrimetoxisilano (3-GPS). Peróxido de hidrogênio (H2O2, 30%) e ácido acético (C2H4O2, 99,9%) usados ​​como auxiliares de funcionalização, e o etanol (C2H6O, 99,9%) usado para dispersão de BaTiO3. Em primeiro lugar, a microestrutura cristalina das nanopartículas funcionalizadas e as propriedades térmicas e dielétricas dos materiais compósitos epóxi obtidos foram caracterizadas. Observou-se que a adição das nanopartículas dielétricas tem um leve impacto no grau de cura do epóxi. Em segundo lugar, os sensores da grade de Bragg (FBG) de fibra ligada à superfície foram empregados para investigar a variação em tempo real de deformação e temperatura nos compósitos epóxi expostos a microondas em 2,45 GHz e em diferentes energias de exposição. As deformações desenvolvidas devido à exposição in situ no compósito, adesivo e seu material de fixação foram avaliadas usando o FBG. As deformações extrínsecas induzidas pela parede de domínio foram distinguidas das deformações induzidas termicamente e descobriram que o aumento da energia de exposição tem um efeito instantaneamente crescente no desenvolvimento de tais deformações. Os espectros Raman pós-exposição não mostraram nenhum campo residual no compósito, indicando nenhum campo de deformação remanescente examinado sob potências de micro-ondas < 1000 W, sugerindo assim um mecanismo de introdução de deformação reversível, ou seja, o compósito retendo suas propriedades nominais após a exposição. O desenvolvimento e as quantificações de compósitos dielétricos apresentados neste artigo propõem uma nova tecnologia de endurecimento ativo para aplicações de compósitos de alto desempenho em vários setores.

Entre suas aplicações de engenharia de alto desempenho, os materiais compósitos de polímero reforçado com fibra (FRP) têm sido extensivamente usados ​​com vantagens de alta resistência específica e módulo, fabricação fácil, resistência térmica considerável e eficiência econômica1. Compósitos FRP de alto desempenho têm dois modos principais de iniciação de danos quando expostos a eventos dinâmicos; dano intra-laminar (por exemplo, rachaduras na matriz, fratura de fibra e descolamento de fibra-matriz) e dano inter-laminar (por exemplo, delaminação)2,3,4. O dano intra-laminar é dominado principalmente pelas propriedades da matriz, fibra e interfase fibra-matriz. No entanto, é um desafio adaptar as propriedades da fibra durante o processo de fabricação do compósito.