Capacidad de monitoreo de estrés de Fe magnetostrictivo

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 22421 (2022) Citar este artículo

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Se han investigado muchas técnicas de monitoreo de salud estructural (SHM) para la detección de daños en laminados de polímero reforzado con fibra de vidrio tejido (GFRP). Recientemente, los compuestos GFRP integrados con sensores han recibido atención porque el material compuesto puede transmitir información sobre la condición estructural durante la operación. Los materiales magnetoestrictivos se consideran candidatos factibles para realizar las técnicas SHM sin contacto mediante la explotación del efecto Villari, pero el modelado teórico para correlacionar una respuesta magnetoestrictiva con las condiciones estructurales es un tema crítico. En este estudio se propuso el procedimiento analítico considerando la mecánica de materiales y el electromagnetismo para modelar la inducción magnética por el efecto Villari de laminados de PRFV magnetoestrictivos bajo flexión. Luego se desarrollaron los compuestos magnetoestrictivos de fibra de Fe-Co/GFRP y se llevaron a cabo pruebas de flexión de cuatro puntos para evaluar la capacidad de control de tensión de los compuestos fabricados. El comportamiento de la densidad de flujo magnético correspondió a la fluctuación del esfuerzo de flexión. El cambio de densidad de flujo magnético máximo fue de 70,7 mT sujeto a la tensión de flexión máxima de 158 MPa. Las soluciones analíticas mostraron un acuerdo razonable con los resultados experimentales. La tensión aplicada y la densidad de flujo magnético medida se correlacionaron con los modelos teóricos. Por lo tanto, estos resultados sugieren un paso importante en la realización de la nueva técnica SHM sin contacto que utiliza materiales magnetoestrictivos.

Los laminados de polímero reforzado con fibra de vidrio tejido (GFRP) exhiben las características de aislamiento térmico, aislamiento eléctrico y excelentes propiedades mecánicas, y son buenos materiales para dispositivos superconductores para su uso en el reactor de fusión, como el Reactor Termonuclear Experimental Internacional (ITER)1. Sin embargo, la aplicación de los laminados de FRP tiende a verse limitada debido a sus complejas morfologías de daño y falla, por ejemplo, falla interlaminar2,3. Por lo tanto, se ha requerido evaluar el estado del daño y predecir la vida útil restante para una operación segura4.

Se requiere monitoreo de salud estructural (SHM) para mantener los protocolos de seguridad para estos componentes estructurales durante el servicio5. Muchos investigadores han estudiado varias técnicas SHM, por ejemplo, el método de frecuencia6, las ondas Lamb7 y la emisión acústica8. Sin embargo, no se ha creado una técnica versátil para todas las condiciones, situaciones y aplicaciones porque cada técnica desarrollada tiene sus propias ventajas, limitaciones y ámbito de aplicación9. Actualmente, los compuestos integrados con sensores han sido ampliamente reconocidos como una de las tecnologías SHM ya que el material compuesto puede informar la salud estructural por sí mismo. Los sensores de fibra óptica en estructuras compuestas han recibido atención debido a sus ventajas distintivas10. Sánchez et al.11 monitorearon el proceso completo de fabricación de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP) integrado con sensores de fibra óptica y evaluaron el perfil de deformación residual distribuida. Se ha explorado la viabilidad de GFRP con un reflectómetro óptico de retrodispersión basado en la dispersión de Rayleigh12. Okabe et al.13 han demostrado que la capacidad de detección de la rejilla de Bragg de fibra chirriada para identificar ubicaciones de grietas en laminados de CFRP. La medición de la resistencia eléctrica se ha investigado ya que el daño y la resistencia eléctrica en compuestos CFRP pueden acoplarse14. El daño por impacto en laminados compuestos continuos de fibra de carbono/epoxi se evaluó mediante la medición de la resistencia eléctrica, y la sensibilidad de la técnica fue más efectiva que la de los métodos ultrasónicos15. La correlación entre el comportamiento de corte interlaminar y las respuestas de resistencia eléctrica de los laminados compuestos de CFRP tejidos en un entorno criogénico se ha discutido numérica y experimentalmente16,17. Takeda y Narita18 informaron sobre el monitoreo de la propagación de grietas en juntas compuestas de CFRP adheridas con nanotubos de carbono/capa de adhesivo epoxi bajo carga de Modo I. Los materiales piezoeléctricos se pueden utilizar como sensores pasivos y activos unidos a una estructura compuesta19. Los compuestos de CFRP incrustados con cerámica piezoeléctrica se han caracterizado para analizar la capacidad SHM en tiempo real20,21. Hwang et al.22 han caracterizado un laminado compuesto de GFRP piezoeléctrico que incluye una mezcla de polvo piezoeléctrico y resina epoxi para un sensor de impacto. Los laminados compuestos de polímero reforzado con fibra (FRP) inteligente compuestos por tela piezoeléctrica tejida, que actúa como un sensor y un refuerzo, han mostrado una relación directa entre la carga aplicada y la señal del sensor23. Wang et al.24 sugirieron el nuevo proceso de polarización de los compuestos piezoeléctricos de CFRP y caracterizaron la propiedad piezoeléctrica.

Se han empleado materiales magnetoestrictivos para aplicaciones de recolección de energía o sensores mediante la explotación del efecto Villari, que generalmente se describe como el cambio en la magnetización de los materiales ferromagnéticos cuando se someten a tensión aplicada25. Por lo tanto, a diferencia de otros compuestos integrados con un sensor SHM, se espera que los compuestos de FRP magnetoestrictivos realicen el monitoreo sin contacto de las estructuras de FRP porque el cambio del campo magnético causado por los materiales magnetoestrictivos puede detectarse como un cambio de voltaje usando una bobina o una sonda Hall. El terfenol-D (Tb1−xDyxFe2) se conoce como un material magnetostrictivo gigante. Kubicka et al.26,27 han informado sobre la preparación y caracterización de CFRP embebido con partículas de Terfenol-D. Además, otros investigadores han estudiado compuestos de polímeros magnetoestrictivos para aplicaciones SHM28,29,30,31. La aleación Fe-Co (Fe29Co71) exhibe ductilidad y buena trabajabilidad; por lo tanto, se han implantado alambres de Fe-Co en resina epoxi para inventar materiales compuestos de epoxi magnetoestrictivos originales utilizando la alta relación de aspecto de los alambres de Fe-Co32,33,34,35. Los estudios han investigado principalmente la respuesta magnetoestrictiva a la tensión de compresión. Recientemente, Katabira et al.36,37 desarrollaron compuestos de FRP incrustados con alambres de Fe-Co e investigaron los efectos del diseño del compuesto en la capacidad de autodetección bajo carga de flexión. El diseño compuesto que usa alambre Fe-Co es fácil de controlar la dirección de magnetización debido a los fuertes cristales columnares, y esta característica tiene la posibilidad de eliminar la necesidad de aplicar un campo magnético polarizado. La Figura 1 muestra el comportamiento magnetoestrictivo y el procedimiento de monitoreo de tensión del compuesto GFRP incrustado con fibras de Fe-Co (compuesto de fibra Fe-Co/GFRP) bajo una carga de flexión P. Tensión de flexión \(\sigma_{{\text{f}}}\) genera un tensor de tensión \(\sigma_{ij}^{{\text{f}}}\) en las fibras de Fe-Co, lo que induce una densidad de flujo magnético \({\varvec{B}}^{{\text{f} }}\) por el efecto Villari. Luego se induce un campo magnético alrededor del compuesto, que se expresa como densidad de flujo magnético \({\varvec{B}}^{{\text{e}}}\) en el aire en la Fig. 1. Los superíndices f y e representan las cantidades dentro y fuera de las fibras de Fe-Co, respectivamente. Uno de los temas críticos de la evaluación sin contacto es estimar la densidad de flujo magnético en fibras de Fe-Co a partir de la densidad de flujo magnético monitoreada alrededor de compuestos de FRP magnetostrictivos. La correlación entre las respuestas magnéticas y las condiciones estructurales también debe considerarse en base a un modelo teórico de la estructura compuesta. Sin embargo, los estudios bibliográficos sobre estos temas son escasos y poco concluyentes.

Comportamiento magnetoestrictivo y procedimiento de monitoreo de tensión del compuesto de fibra Fe-Co/GFRP bajo carga de flexión.

En este estudio, se propuso un procedimiento analítico basado en la mecánica de los materiales y el electromagnetismo para idear un enfoque para comprender la correlación entre las respuestas magnetostrictivas y las condiciones estructurales bajo flexión. Luego, se fabricaron los compuestos de fibra Fe-Co/GFRP. Se realizaron pruebas de flexión de cuatro puntos para investigar la capacidad de autodetección de tensión, utilizando el efecto Villari de los compuestos magnetoestrictivos de GFRP. Se introdujeron tres sondas Hall para evaluar el cambio de distribución del campo magnético alrededor de las muestras durante las pruebas de flexión de cuatro puntos.

Las ecuaciones básicas para el material magnetoestrictivo se describen aquí. Considere el sistema de coordenadas o-xyz. El eje z coincide con el eje fácil de la magnetización. Las ecuaciones constitutivas están dadas por

donde \(\varepsilon_{xx}^{{\text{f}}}\), \(\varepsilon_{yy}^{{\text{f}}}\), \(\varepsilon_{zz}^{ {\text{f}}}\), \(\varepsilon_{yz}^{{\text{f}}} = \varepsilon_{zy}^{{\text{f}}}\), \(\ varepsilon_{zx}^{{\text{f}}} = \varepsilon_{xz}^{{\text{f}}}\), \(\varepsilon_{xy}^{{\text{f}}} = \varepsilon_{yx}^{{\text{f}}}\) son las componentes del tensor de deformación, \(\sigma_{xx}^{{\text{f}}}\), \(\sigma_ {yy}^{{\text{f}}}\), \(\sigma_{zz}^{{\text{f}}}\), \(\sigma_{yz}^{{\text{f }}} = \sigma_{zy}^{{\text{f}}}\), \(\sigma_{zx}^{{\text{f}}} = \sigma_{xz}^{{\text {f}}}\), \(\sigma_{xy}^{{\text{f}}} = \sigma_{yx}^{{\text{f}}}\) son las componentes del tensor de tensión , \(H_{x}^{{\text{f}}}\), \(H_{y}^{{\text{f}}}\), y \(H_{z}^{{\ text{f}}}\) son los componentes del vector de intensidad del campo magnético, \(B_{x}^{{\text{f}}}\), \(B_{y}^{{\text{f }}}\), y \(B_{z}^{{\text{f}}}\) son las componentes del vector de densidad de flujo magnético, \(s_{11}^{{\text{f}} }\), \(s_{33}^{{\text{f}}}\), \(s_{44}^{{\text{f}}}\), \(s_{66}^{ {\text{f}}}\), \(s_{12}^{{\text{f}}}\), \(s_{13}^{{\text{f}}}\) son los Cumplimiento elástico en un campo magnético constante, \(d_{15}^{{\prime}{\text{f}}}\), \(d_{31}^{{\prime}{\text{f}}} \), y \(d_{33}^{{\prime}{\text{f}}}\) son las constantes magnetoelásticas, y \(\mu_{11}^{{\text{f}}}\ ) y \(\mu_{33}^{{\text{f}}}\) son las permeabilidades magnéticas a tensión constante, respectivamente. Por lo general, la fibra de Fe-Co se fabrica por estirado. Se supone que el eje fácil de la magnetización está a lo largo de la dirección longitudinal y que el modo de deformación magnetoestrictiva longitudinal (33) es dominante. Por lo tanto, las constantes \(d_{15}^{{\prime}{\text{f}}}\), \(d_{31}^{{\prime}{\text{f}}}\), y \(d_{33}^{{\prime}{\text{f}}}\) son

donde \(d_{15}^{{\text{f}}}\), \(d_{31}^{{\text{f}}}\), y \(d_{33}^{{\ text{f}}}\) son las constantes piezomagnéticas, y \(m_{33}^{{\text{f}}}\) es la constante magnetoelástica de segundo orden. Aquí, nos enfocamos en la fibra Fe-Co y consideramos un modelo unidimensional porque el comportamiento magnetoestrictivo en la dirección z es dominante. Las ecuaciones constitutivas. (1) y (2) de fibra Fe-Co se convierten en

Aquí, se supone que se omite el componente del vector de intensidad del campo magnético porque no se aplicó un campo magnético polarizado en la muestra38.

La figura 2a muestra la fibra de Fe-Co de longitud L y diámetro d. La densidad de flujo magnético se induce debido a la tensión normal a lo largo de la dirección de la longitud (z-) (eje fácil). Luego, se supone que la fibra Fe-Co (Fig. 2a) tiene dos cargas magnéticas, ± q, en ambos extremos (Fig. 2b). Se supone que la carga magnética debida al efecto Villari es igual a la cantidad del flujo magnético en la dirección z \({\phi_{z}^{\text{f}}}\) a través del cruce de la fibra magnetoestrictiva. sección, es decir,

donde S = πd2/4 es el área de la sección transversal de la fibra Fe-Co. Consideremos ahora el sistema de coordenadas, o-xyz, como se muestra en la Fig. 2c, cuyo origen está ubicado en el centro de las cargas magnéticas. Las densidades de flujo magnético en el punto arbitrario A(0, y, 0) en el espacio inducidas por la carga magnética + q y − q están dadas, respectivamente, por:

donde r es la distancia entre la carga magnética y el punto arbitrario A. Aquí, el componente z de la densidad de flujo magnético en el punto arbitrario A(0, y, 0), que se muestra en la Fig. 2d, se puede expresar como:

dónde

(a) La fibra de Fe-Co y la densidad de flujo magnético, (b) las cargas magnéticas, (c) la densidad de flujo magnético inducida por dos cargas magnéticas en el punto A y (d) la componente z de la densidad de flujo magnético inducida por cargas magnéticas en el punto A.

Por lo tanto, tenemos

De la ecuación. (10), la densidad de flujo magnético \(B_{z}^{{\text{f}}}\) en la fibra Fe-Co se estimará mediante la medición de la densidad de flujo magnético \(B_{z}^{ {\text{e}}} \left( {0,y,0} \right)\). Aquí, se supone que la densidad de flujo magnético estimada se distribuye uniformemente entre las cargas magnéticas. El valor de \(B_{z}^{{\text{e}}}\) cambia con una carga externa. Por lo tanto, a partir del análisis anterior, podemos predecir la tensión en la fibra de Fe-Co al monitorear la variación de la inducción magnética a través de la fibra magnetoestrictiva.

A continuación, consideramos una viga compuesta de cinco capas simplemente apoyada de espesor h, ancho b con cuatro capas de GFRP y una capa magnetoestrictiva bajo el momento de flexión M (Z) como se muestra en la Fig. 3a. El origen del sistema de coordenadas global, O-XYZ, está en el centro de la superficie superior de la viga compuesta, el eje X está en la dirección del ancho y los ejes Y y Z están en la dirección del grosor y la longitud. , respectivamente. El momento de flexión M(Z) es inducido por la carga de flexión, P. Para simplificar, se supuso que la capa magnetostrictiva consta de n fibras de Fe-Co y matriz epoxi; donde n es el número de fibras de Fe-Co. La capa magnetostrictiva es la segunda capa del haz compuesto. La posición del plano neutro YN no es el centro de la viga compuesta debido a la estructura asimétrica, que se puede expresar como:

donde (E33)i y Ai = bhi son el módulo de Young y el área de la sección transversal de la i-ésima capa, respectivamente, y hi es el espesor de la i-ésima capa. Los módulos de Young de la capa magnetostrictiva y la capa de GFRP son (E33)2 = 1/\(s_{33}^{{\text{M}}}\) y (E33)1 = (E33)3 = (E33) 4 = (E33)5 = 1/\(s_{33}^{{\text{G}}}\), respectivamente. Los superíndices M y G denotan la capa magnetostrictiva y la capa GFRP, respectivamente. Si la distancia entre el plano neutro y el plano central de la j-ésima capa es Y′ = Yj − YN, la tensión normal en la j-ésima capa se puede expresar como:

donde el momento de inercia del área de la sección transversal de la i-ésima capa viene dado por:

Imagen de una viga compuesta de cinco capas con cuatro capas de GFRP y una capa magnetostrictiva; (a) vista general, vista de borde y vista transversal, y (b) capa magnetostrictiva.

Especialmente, la tensión en la capa magnetostrictiva se obtiene como:

Nos enfocamos en la capa magnetostrictiva como se muestra en la Fig. 3b. El componente del tensor de deformación \(\varepsilon_{ZZ}^{{\text{m}}}\) para la matriz epoxi viene dado por

donde \(\sigma_{ZZ}^{{\text{m}}}\) es el componente del tensor de tensión, y \(s_{33}^{{\text{m}}}\) es el cumplimiento elástico de la matriz epoxi. El superíndice m denota la matriz epoxi. Cuando la fibra Fe-Co y la matriz epoxi están perfectamente unidas, la tensión de la fibra magnetoestrictiva es:

Por lo tanto, la tensión promedio \(\sigma_{ZZ}^{0}\) que actúa sobre el área de la sección transversal de la capa magnetostrictiva puede estar dada por

donde vf = nπd/4b es la fracción de volumen de la fibra Fe-Co. En esta condición, el módulo de Young de la capa magnetostrictiva es \(\left( {E_{33} } \right)_{2} = v^{{\text{f}}} /s_{33}^{{ \text{f}}} + \left( {1 - v^{{\text{f}}} } \right)/s_{33}^{{\text{m}}}\). En el sistema de coordenadas global, O-XYZ, el origen del sistema de coordenadas o-xyz es (0, Y2, 0), y los ejes x, y y z son paralelos a los ejes X, Y, y ejes Z, respectivamente. Cuando la tensión promedio \(\sigma_{ZZ}^{0}\) en la Ec. (17) es igual a la tensión normal \(\left( {\sigma_{ZZ} } \right)_{2}\) en la ecuación. (14) utilizando las ecuaciones. (4), (15), y considerando la condición (16), el esfuerzo que actúa sobre las fibras de Fe-Co se puede obtener como:

Por sustitución de la Ec. (18) en la ecuación. (5), se puede calcular la densidad de flujo magnético \(B_{Z}^{{\text{f}}}\) en la fibra Fe-Co de la viga compuesta bajo momento de flexión, lo que nos permite correlacionar la tensión externa carga a la respuesta magnetostrictiva inversa. La Tabla 1 enumera las propiedades de los materiales utilizados en este estudio.

Finalmente, se discutió la densidad de flujo magnético de la fibra de Fe-Co bajo tensión de flexión máxima. La Figura 4a muestra el diagrama de momento de flexión de la prueba de flexión de cuatro puntos, en el que la línea azul indica el diagrama de momento de flexión general. El momento flector está dado por:

( a ) Diagrama de momento de flexión de la prueba de flexión de cuatro puntos, y ( b ) Vista esquemática de la prueba de flexión de cuatro puntos y magnetización de fibra Fe-Co.

La tensión normal de las fibras de Fe-Co depende del momento de flexión. Por lo tanto, la cantidad de magnetización de las fibras de Fe-Co en la muestra es diferente en la coordenada Z, como se muestra en la Fig. 4b. Para simplificar el cálculo, se introdujo la longitud corregida, L′, de modo que la cantidad total de magnetización no cambie y el momento de flexión sea constante. En otras palabras, en la Fig. 4a, el área rodeada por la línea roja es igual al área rodeada por la línea azul. Por lo tanto, la longitud corregida se obtuvo como

Sustituyendo L′ por L en la ecuación. (10), la densidad de flujo magnético de la fibra de Fe-Co, \(B_{Z}^{{\text{f}}}\), se calculó utilizando los valores experimentales, |Y|, \(B_{Z} ^{{\text{e}}} \left( {0, Y,0} \right)\), y YA = Y2 – Y.

Los especímenes se fabricaron utilizando preimpregnados de GFRP (EGP-87 LA18BR, SPIC Corporation, Japón) con ligamento tafetán y fibras magnetostrictivas de Fe-Co (K-MP70, Tohoku Steel Co. Ltd., Japón) con diámetros de 100 μm, y la composición de las fibras Fe-Co fue Fe29Co71. La figura 5 muestra la microestructura de la fibra de Fe-Co. La magnetización de saturación de la fibra Fe-Co, Ms, la magnetización residual, Mr y la coercitividad, Hc, fueron 1,44 MA/m, 0,31 MA/m y 6,24 kA/m, respectivamente. La figura 6 muestra el esquema de preparación de la muestra. El sistema de coordenadas cartesianas rectangulares O-XYZ se introduce de tal manera que el origen del sistema está en el centro de la superficie superior y los ejes X, Y y Z están a lo largo de la dirección del ancho, el espesor y la longitud de la muestra. longitud, respectivamente. Se laminaron cuatro preimpregnados de GFRP y fibras de Fe-Co y luego se curaron durante 2 h a 130 ºC. Las fibras de Fe-Co se ubicaron en la segunda capa del laminado y la distancia desde la superficie superior, Y2, fue de 0.1875 mm. El número de fibras de Fe-Co, n, fue 5, 10, 20 y 37. Las fibras de Fe-Co estaban muy juntas en el centro del ancho del laminado, ya que la densidad de flujo magnético medida disminuirá si las fibras de Fe-Co se igualmente espaciados. Después del curado, se cortó y pulió un laminado de modo que la longitud, l, el ancho, b, y el espesor, h, de la muestra fueran 40, 7,5 y 0,65 mm, respectivamente. La dirección de urdimbre del preimpregnado de GFRP y la dirección longitudinal de las fibras de Fe-Co son paralelas al eje Z, y la dirección de relleno es paralela al eje X. Por lo tanto, se puede suponer que las muestras preparadas son un material compuesto de cinco capas en el que la capa magnetoestrictiva se encuentra en la segunda capa.

Microestructura de fibra de Fe-Co con diámetros de 100 μm.

Esquema de preparación de muestras.

Las pruebas de flexión en cuatro puntos se llevaron a cabo utilizando Autograph (AG-50kNXD, Shimadzu Corporation, Japón). La figura 7a muestra la configuración experimental de la prueba de flexión de cuatro puntos. Los vanos de carga y apoyo fueron L1 = 12 y L2 = 34 mm, respectivamente. Se colocaron tres sondas Hall (HG-302C, Asahi Kasei Microdevices Corporation, Japón) sobre las muestras para medir el cambio de densidad de flujo magnético \(B_{Z}^{{\text{e}}}\) en la longitud (Z -)dirección como se muestra en la Fig. 7b. La distancia entre la superficie de la muestra y el centro de la sonda Hall, |Y|, fue de 5, 9 y 13 mm, respectivamente (se muestra en la Fig. 7c). La Figura 7d muestra un programa de prueba de flexión de cuatro puntos. Los especímenes se cargaron bajo control de tensión a una velocidad de 5 MPa/s, y la carga máxima fue de aproximadamente 150 MPa. Se llevaron a cabo pruebas de flexión de cuatro puntos para evaluar la reproducibilidad de las respuestas magnetoestrictivas inversas correspondientes a la carga de flexión sin un campo magnético polarizado. El registrador de datos (serie NR-500, KEYENCE Corporation, Japón) recopiló simultáneamente todas las señales analógicas, que son carga, P y desplazamiento del punto de carga, δ, de Autograph, y voltaje, V, de sondas Hall. La densidad de flujo magnético, \(B_{Z}^{{\text{e}}}\), se calculó multiplicando el voltaje medido de una sonda Hall con el coeficiente, 0,8 mT/mV, obtenido de la hoja de datos de la sonda Hall.

(a) Configuración experimental de la prueba de flexión de cuatro puntos, (b) esquema de la distribución de densidad de flujo magnético causada por la carga de flexión externa, (c) la posición de las sondas Hall para medir la distribución de densidad de flujo magnético y (d) cuatro puntos programa de ensayo de flexión.

El esfuerzo de flexión en la superficie inferior σf = σZZ(0, h, 0) y el cambio de densidad de flujo magnético \(B_{Z}^{{\text{e}}} \left( {0, Y,0} \ derecha)\) se trazan en la Fig. 8 en función del tiempo t para la muestra con 37 fibras de Fe-Co. El comportamiento de la densidad de flujo magnético correspondió a la fluctuación del esfuerzo de flexión. Como era de esperar, la variación del cambio de densidad de flujo magnético disminuyó con un aumento en la distancia entre la superficie de la muestra y el centro de la sonda Hall. Al final de un ciclo, el esfuerzo de flexión casi llega a 0 MPa; sin embargo, la densidad de flujo magnético no volvió al valor inicial. Este resultado se puede entender ya que la magnetización residual de la fibra Fe-Co afecta el comportamiento. La magnetización residual será un problema importante para las aplicaciones de sensores; sin embargo, el comportamiento reproducible del cambio de densidad de flujo magnético se observó bajo la tensión de flexión. Se obtuvieron resultados similares para las muestras con 5, 10 y 20 fibras de Fe-Co. Estos resultados indican que los compuestos de fibra de Fe-Co/GFRP pueden controlar la tensión de flexión. La Tabla 2 muestra el cambio máximo de la densidad de flujo magnético \(B_{{Z,{\text{max}}}}^{{\text{e}}}\) de todas las muestras. Aquí, el cambio máximo de la densidad de flujo magnético se calculó tomando la diferencia entre el valor máximo y el valor del final del ciclo. El resultado del espécimen con 37 fibras Fe-Co fue el más grande de todos los especímenes.

Tensión de flexión y cambio de densidad de flujo magnético en función del tiempo para la muestra con 37 fibras de Fe-Co.

La Tabla 3 enumera los valores calculados de la densidad de flujo magnético de la fibra Fe-Co \(B_{Z}^{{\text{f}}} \left( {0,Y_{2} ,0} \right) = B_ {z}^{{\text{f}}} \left( {0,0,0} \right)\) por la ecuación. (10) y carga magnética q por Eq. (6) bajo tensión máxima de flexión. Aquí, n fibras de Fe-Co espaciadas muy de cerca en el centro del ancho de la capa magnetoestrictiva se supusieron como una fibra de Fe-Co con longitud, L′ y área de sección transversal, S = πnd2/4, y la fibra individual estaba ubicada en el centro de la capa magnetostrictiva (modelo de barra magnética única). Las cargas magnéticas, + q y − q, se ubican en (0, Y2, L′/2) y (0, Y2, − L′/2), respectivamente. La Figura 9 muestra el esquema de una sola fibra de Fe-Co modelada y el punto arbitrario A. La Figura 10 ofrece un gráfico del cambio de densidad de flujo magnético en el aire con la distancia entre la superficie de la muestra y el centro de la sonda Hall que muestra los valores calculados y el datos experimentales para todos los especímenes. Los puntos son los valores medios obtenidos por los datos experimentales en |Y|= 5, 9 y 13 mm. Las líneas discontinuas se representaron sustituyendo los valores de la Tabla 3 por la ecuación. (10). La tendencia es suficientemente similar entre el cálculo y el experimento. Este resultado implica que el modelo sugerido es útil y que la densidad de flujo magnético de la fibra de Fe-Co se puede predecir durante la prueba de flexión de cuatro puntos al monitorear la variación de la inducción magnética alrededor de los compuestos de fibra de Fe-Co/GFRP con un Hall Investigacion. Las cargas magnéticas q en la Tabla 3 se discutirán más adelante.

Esquema de fibra Fe-Co modelada y punto arbitrario A.

Cambio de densidad de flujo magnético frente a la distancia entre la superficie de la muestra y el centro de la sonda Hall.

La figura 11a ilustra el esquema de estimación de la respuesta magnetoestrictiva de las fibras de Fe-Co bajo el momento de flexión de la carga de flexión (cálculo 1) y la densidad de flujo magnético medida (cálculo 2). La figura 11b muestra el flujo magnético frente al número de fibras de Fe-Co. La línea discontinua indica los datos calculados \({\phi_{z}^{\text{f}}}\) basados ​​en el modelo de haz compuesto que consta de una capa magnetostrictiva y cuatro capas de GFRP. El flujo magnético aumenta con el aumento del número de fibras de Fe-Co. La línea representa el buen acuerdo con los puntos q de la Tabla 3 cuando se supone que la constante magnetoelástica \(d^{\prime\rm{f}}_{33}\) es 900 × 10−12 m/A. Cuando la tensión de flexión aplicada se evalúa utilizando una bobina o una sonda Hall, la cantidad de flujo magnético es importante porque afecta la dificultad de monitorear la densidad del flujo magnético en el espacio. Este resultado implica la validez del modelo de viga compuesta y el modelo de varilla magnética simple para correlacionar la carga de flexión externa en relación con la respuesta magnetoestrictiva. En otras palabras, se propuso el procedimiento analítico para monitorear la tensión de flexión σf a partir de la densidad de flujo magnético Be en el espacio, como se muestra en la Fig. 1.

( a ) Esquema de estimación del flujo magnético en fibras Fe-Co, y ( b ) flujo magnético versus el número de fibras Fe-Co.

Este estudio se centró en establecer nuevos modelos para correlacionar una respuesta magnetostrictiva inversa y una tensión de flexión. Se supuso que la fibra Fe-Co tenía dos cargas magnéticas en ambos extremos, y las cargas magnéticas inducían virtualmente el campo magnético en el aire. La viga compuesta de cinco capas con cuatro capas de GFRP y una capa magnetostrictiva se consideró bajo flexión. La capa magnetostrictiva constaba de fibras de n Fe-Co y una matriz epoxi. Para diseñar el procedimiento analítico utilizando los modelos propuestos, fabricamos los compuestos de fibra de Fe-Co/GFRP y realizamos pruebas de flexión de cuatro puntos. También se investigó la capacidad de monitoreo del estrés. La respuesta magnetoestrictiva de los materiales compuestos de fibra Fe-Co/GFRP se calculó utilizando los modelos de viga compuesta y barra magnética única, que tienen en cuenta el efecto Villari. Durante las pruebas de flexión de cuatro puntos, se controló la densidad del flujo magnético fuera de la muestra compuesta de fibra de Fe-Co/GFRP, utilizando tres sondas Hall a diferentes distancias de la superficie de la muestra. El comportamiento de la densidad de flujo magnético correspondió a la fluctuación del esfuerzo de flexión. El cambio de densidad de flujo magnético máximo fue de 70,7 mT sujeto a la tensión de flexión máxima de 158 MPa. Los modelos de haz compuesto y barra magnética única también predijeron las distribuciones de la densidad de flujo magnético alrededor de los diversos compuestos magnetoestrictivos con diferentes cantidades de fibras de Fe-Co, que estaban en buen acuerdo con los resultados experimentales. Además, se predijo la constante magnetoelástica y se obtuvo con éxito la relación entre el esfuerzo de flexión (o carga) y el flujo magnético. Este estudio puede aprovecharse para realizar la técnica SHM sin contacto utilizando materiales magnetoestrictivos porque el procedimiento teórico permite predecir una tensión de flexión en una estructura mediante el control de la densidad de flujo magnético en el espacio libre.

El método de monitoreo de estrés es un paso importante para la realización de la detección de daños/fracturas. En el trabajo futuro, se discutirá en detalle la relación entre una respuesta magnetoestrictiva inversa y el comportamiento de fractura de los compuestos de fibra de Fe-Co/GFRP.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Los autores desean agradecer a Tohoku Steel Co. Ltd. por proporcionar las fibras de Fe-Co.

El trabajo fue apoyado por las Becas de Investigación de la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS) para Jóvenes Científicos bajo la Subvención No. 20J21413. Los autores quisieran agradecer el apoyo de este trabajo por JSPS, Grant-in-Aid for Scientific Research (A) bajo Grant No. 22H00183.

Departamento de Procesamiento de Materiales, Escuela de Posgrado en Ingeniería, Universidad de Tohoku, Aoba-Yama 6-6-02, Sendai, 980-8579, Japón

Kenichi Katabira

Departamento de Ciencias Fronterizas para el Medio Ambiente Avanzado, Escuela de Graduados de Estudios Ambientales, Universidad de Tohoku, Aoba-Yama 6-6-02, Sendai, 980-8579, Japón

Tomoki Miyashita y Fumio Narita

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KK: Investigación, Validación, Análisis formal, Redacción – Borrador original, Adquisición de fondos; TM: Investigación, Visualización; FN: Conceptualización, Redacción – Revisión y Edición, Supervisión, Administración de proyectos, Adquisición de fondos.

Correspondencia a Kenichi Katabira o Fumio Narita.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Katabira, K., Miyashita, T. & Narita, F. Capacidad de monitoreo de estrés de compuestos de polímero reforzados con fibra de Fe-Co/fibra de vidrio magnetostrictivos bajo flexión de cuatro puntos. Informe científico 12, 22421 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25792-0

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Recibido: 17 Agosto 2022

Aceptado: 05 diciembre 2022

Publicado: 27 diciembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25792-0

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