Tailoring Magnetic Properties of Co-Fe Thin Films by Topographical Modifications Using Thermal Annealing and Swift Heavy Ion Irradiation and Fabrication of Magnetoelectric Multilayers for Device Applications

Magnetism and magnetic materials have been playing a lead role in improving the quality of life. They are increasingly being used in a wide variety of applications ranging from compasses to modern technological devices. Metallic glasses occupy an important position among magnetic materials. They assume importance both from a scientific and an application point of view since they represent an amorphous form of condensed matter with significant deviation from thermodynamic equilibrium. Metallic glasses having good soft magnetic properties are widely used in tape recorder heads, cores of high-power transformers and metallic shields. Superconducting metallic glasses are being used to produce high magnetic fields and magnetic levitation effect. Upon heat treatment, they undergo structural relaxation leading to subtle rearrangements of constituent atoms. This leads to densification of amorphous phase and subsequent nanocrystallisation. The short-range structural relaxation phenomenon gives rise to significant variations in physical, mechanical and magnetic properties. Magnetic amorphous alloys of Co-Fe exhibit excellent soft magnetic properties which make them promising candidates for applications as transformer cores, sensors, and actuators. With the advent of microminiaturization and nanotechnology, thin film forms of these alloys are sought after for soft under layers for perpendicular recording media. The thin film forms of these alloys can also be used for fabrication of magnetic micro electro mechanical systems (magnetic MEMS). In bulk, they are drawn in the form of ribbons, often by melt spinning. The main constituents of these alloys are Co, Fe, Ni, Si, Mo and B. Mo acts as the grain growth inhibitor and Si and B facilitate the amorphous nature in the alloy structure. The ferromagnetic phases such as Co-Fe and Fe-Ni in the alloy composition determine the soft magnetic properties. The grain correlation length, a measure of the grain size, often determines the soft magnetic properties of these alloys. Amorphous alloys could be restructured in to their nanocrystalline counterparts by different techniques. The structure of nanocrystalline material consists of nanosized ferromagnetic crystallites embedded in an amorphous matrix. When the amorphous phase is ferromagnetic, they facilitate exchange coupling between nanocrystallites. This exchange coupling results in the vanishing of magnetocrystalline anisotropy which improves the soft magnetic properties. From a fundamental perspective, exchange correlation length and grain size are the deciding factors that determine the magnetic properties of these nanocrystalline materials. In thin films, surfaces and interfaces predominantly decides the bulk property and hence tailoring the surface roughness and morphology of the film could result in modified magnetic properties. Surface modifications can be achieved by thermal annealing at various temperatures. Ion irradiation is an alternative tool to modify the surface/structural properties. The surface evolution of a thin film under swift heavy ion (SHI) irradiation is an outcome of different competing mechanism. It could be sputtering induced by SHI followed by surface roughening process and the material transport induced smoothening process. The impingement of ions with different fluence on the alloy is bound to produce systematic microstructural changes and this could effectively be used for tailoring magnetic parameters namely coercivity, saturation magnetization, magnetic permeability and remanence of these materials. Swift heavy ion irradiation is a novel and an ingenious tool for surface modification which eventually will lead to changes in the bulk as well as surface magnetic property. SHI has been widely used as a method for the creation of latent tracks in thin films. The bombardment of SHI modifies the surfaces or interfaces or creates defects, which induces strain in the film. These changes will have profound influence on the magnetic anisotropy and the magnetisation of the specimen. Thus inducing structural and morphological changes by thermal annealing and swift heavy ion irradiation, which in turn induce changes in the magnetic properties of these alloys, is one of the motivation of this study. Multiferroic and magneto-electrics is a class of functional materials with wide application potential and are of great interest to material scientists and engineers. Magnetoelectric materials combine both magnetic as well as ferroelectric properties in a single specimen. The dielectric properties of such materials can be controlled by the application of an external magnetic field and the magnetic properties by an electric field. Composites with magnetic and piezo/ferroelectric individual phases are found to have strong magnetoelectric (ME) response at room temperature and hence are preferred to single phasic multiferroic materials. Currently research in this class of materials is towards optimization of the ME coupling by tailoring the piezoelectric and magnetostrictive properties of the two individual components of ME composites. The magnetoelectric coupling constant (MECC) (_ ME) is the parameter that decides the extent of interdependence of magnetic and electric response of the composite structure. Extensive investigates have been carried out in bulk composites possessing on giant ME coupling. These materials are fabricated by either gluing the individual components to each other or mixing the magnetic material to a piezoelectric matrix. The most extensively investigated material combinations are Lead Zirconate Titanate (PZT) or Lead Magnesium Niobate-Lead Titanate (PMNPT) as the piezoelectric, and Terfenol-D as the magnetostrictive phase and the coupling is measured in different configurations like transverse, longitudinal and inplane longitudinal. Fabrication of a lead free multiferroic composite with a strong ME response is the need of the hour from a device application point of view. The multilayer structure is expected to be far superior to bulk composites in terms of ME coupling since the piezoelectric (PE) layer can easily be poled electrically to enhance the piezoelectricity and hence the ME effect. The giant magnetostriction reported in the Co-Fe thin films makes it an ideal candidate for the ferromagnetic component and BaTiO3 which is a well known ferroelectric material with improved piezoelectric properties as the ferroelectric component. The multilayer structure of BaTiO3- CoFe- BaTiO3 is an ideal system to understand the underlying fundamental physics behind the ME coupling mechanism. Giant magnetoelectric coupling coefficient is anticipated for these multilayer structures of BaTiO3-CoFe-BaTiO3. This makes it an ideal candidate for cantilever applications in magnetic MEMS/NEMS devices. SrTiO3 is an incipient ferroelectric material which is paraelectric up to 0K in its pure unstressed form. Recently few studies showed that ferroelectricity can be induced by application of stress or by chemical / isotopic substitution. The search for room temperature magnetoelectric coupling in SrTiO3-CoFe-SrTiO3 multilayer structures is of fundamental interest. Yet another motivation of the present work is to fabricate multilayer structures consisting of CoFe/ BaTiO3 and CoFe/ SrTiO3 for possible giant ME coupling coefficient (MECC) values. These are lead free and hence promising candidates for MEMS applications. The elucidation of mechanism for the giant MECC also will be the part of the objective of this investigation.

Development of selected electro-active polymer-ceramic nanocomposites as pyroelectric thermal/infrared detector materials

The present work emphasises on the synthesis and characterization of electro-active polymer-ceramic nanocomposites which can be used for pyroelectric thermal/infrared detection applications. Two sets of samples belong to polymer-microcrystalline composites have also been investigated in the work. The polymers used in the work have been commercially available ones, but the nanoceramics have been synthesized following simple chemical routes and aqueous organic gel routes. After characterizing the nanoceramics for their structure by powder XRD, they have been dispersed in liquid polymer and sonicated for uniform dispersion. The viscous mixture so formed was cast in the form of films for experimentation. Samples with volume fraction of the ceramic phase varied from 0 to 0.25 have been prepared. Solution growth was followed to prepare microcrystalline samples for the polymer-microcrystalline composites. The physical properties that determine the pyroelectric sensitivity of a material are dielectric constant, dielectric loss, pyroelectric coefficient, thermal conductivity and specific heat capacity. These parameters have been determined for all the samples and compositions reported in this work.The pyroelectric figures of merit for all the samples were determined. The pyroelectric figures of merit that determine the pyroelectric sensitivity of a material are current sensitivity, voltage responsivity and detectivity. All these have been determined for each set of samples and reported in the thesis. In order to assess the flexibility and mouldability of the composites we have measured the Shore hardness of each of the composites by indentation technique and compared with the pyroelectric figures of merit. Some important factors considered during the material fabrication stages were maximum flexibility and maximum figures of merit for pyroelectric thermal/IR detection applications. In order to achieve these goals, all the samples are synthesized as composites of polymers and nano/microcrystalline particles and are prepared in the form of freestanding films. The selected polymer matrices and particle inclusions possess good pyroelectric coefficients, low thermal and dielectric properties, so that good pyroelectric figures of merit could be achieved. The salient features of the work include the particle size of the selected ceramic materials. Since they are in nanometer size it was possible to achieve high flexibility and moldability with high figures of merit for even low volume fractions of inclusions of the prepared nanocrystalline composites. In the case of microcrystalline TGS and DTGS, their composites in PU matrix protect them from fragility and humidity susceptibility and made them for environmental friendly applications.

Mikrostrukturierte Sensoren für die pH-Wert-Bestimung auf Basis von dünnen, intrinisch leitfähigen Polyanilinschichten

Der pH-Wert stellt in der Chemie, Physik, Biologie, Pharmazie und Medizin eine wichtige Meßgröße dar, da eine Vielzahl von Reaktionen durch den pH-Wert bestimmt wird. In der Regel werden zur pH-Wert-Messung Glaselektroden eingesetzt. Hierbei konnte der pH-sensitive Bereich zwar bis auf einige Mikrometer reduziert werden, aber die Gesamtab-messungen betragen immer noch 15-20 cm. Mit der Einführung miniaturisierter Reaktionsgefäße ist daher der Bedarf an miniaturisierten Sensoren enorm gestiegen. Um in solchen Gefäßen Reaktionsparameter wie z. B. den pH-Wert zu kontrollieren, müssen die Gesamtabmessungen der Sensoren verringert werden. Dies lässt sich mit Hilfe der Mikrostrukturtechnik von Silizium realisieren. Hiermit lassen sich Strukturen und ganze Systeme bis in den Nanometerbereich herstellen. Basierend auf Silizium und Gold als Elektrodenmaterial wurden im Rahmen dieser Arbeit verschiedene Interdigitalstrukturen hergestellt. Um diese Strukturen zur pH-Wert-Messungen einsetzen zu können, müssen sie mit einer pH-sensitiven Schicht versehen werden. Hierbei wurde Polyanilin, ein intrinsisch leitendes Polymer, aufgrund seine pH-abhängigen elektrischen und optischen Verhaltens eingesetzt. Die Beschichtung dieser Sensoren mit Polyanilin erfolgte vorwiegend elektrochemisch mit Hilfe der Zyklovoltammetrie. Neben der Herstellung reiner Polyanilinfilme wurden auch Kopolymerisationen von Anilin und seinen entsprechenden Aminobenzoesäure- bzw. Aminobenzensulfonsäurederivaten durchgeführt. Ergebnisse dazu werden vorgestellt und diskutiert. Zur Charakterisierung der resultierenden Polyanilin- und Kopolymerfilme auf den Inter-digitalstrukturen wurden mit Hilfe der ATR-FT-IR-Spektroskopie Spektren aufgenommen, die gezeigt und diskutiert werden. Eine elektrochemische Charakterisierung der Polymere erfolgte mittels der Zyklovoltammetrie. Die mit Polyanilin bzw. seinen Kopolymeren beschichteten Sensoren wurden dann für Widerstandsmessungen an den Polymerfilmen in wässrigen Medien eingesetzt. Polyanilin zeigt lediglich eine pH-Sensitivität in einem pH-Bereich von pH 2 bis pH 4. Durch den Einsatz der Kopolymere konnte dieser pH-sensitive Bereich jedoch bis zu einem pH-Wert von 10 ausgeweitet werden. Zur weiteren Miniaturisierung der Sensoren wurde das Konzept der interdigitalen Elektroden-paare auf Cantilever übertragen. Die pH-sensitive Zone konnte dabei auf 500 µm2 bei einer Gesamtlänge des Sensors (Halter mit integriertem Cantilever) von 4 mm reduziert werden. Neben den elektrischen pH-abhängigen Eigenschaften können auch die optischen Eigen-schaften des Polyanilins zur pH-Detektion herangezogen werden. Diese wurden zunächst mit Hilfe der UV-VIS-Spektroskopie untersucht. Die erhaltenen Spektren werden gezeigt und kurz diskutiert. Mit Hilfe eines Raster-Sonden-Mikroskops (a-SNOM, Firma WITec) wurden Reflexionsmessungen an Polyanilinschichten durchgeführt. Zur weiteren Miniaturisierung wurden Siliziumdioxidhohlpyramiden (Basisfläche 400 µm2) mit Spitzenöffnungen in einem Bereich von 50-150 nm mit Polyanilin beschichtet. Auch hier sollten die optischen Eigenschaften des Polyanilins zur pH-Wert-Sensorik ausgenutzt werden. Es werden erste Messungen an diesen Strukturen in Transmission diskutiert.

Elektrochemo- und mikromechanisches Verhalten elektronisch leitfähiger Polymere

Intrinsisch leitfähige Polymere sind durch eine Reihe materialspezifischer Eigenschaften gekennzeichnet. In Abhängigkeit des angelegten Potenzials und der chemischen Umgebung zeigen sie elektrochromes Verhalten, Veränderungen der Masse, des Volumens und der elektronischen Leitfähigkeit. Basierend auf diesen Eigenschaften eignen sich halbleitende organische Polymere als funktionales Material für Anwendungen in der Mikro- und Nanotechnologie, insbesondere für miniaturisierte chemische Sensoren und Aktoren. Im Gegensatz zu konventionellen Piezo-Aktoren operieren diese Aktoren z. B. bei Spannungen unterhalb 1 V. Diese Arbeit befasst sich mit den elektrochemomechanischen Eigenschaften der ausgewählten Polymere Polyanilin und Polypyrrol, d. h. mit den potenzialkontrollierten Veränderungen des Volumens, der Struktur und der mechanischen Eigenschaften. Bei diesem Prozess werden positive Ladungen innerhalb der Polymerphase generiert. Um die für den Ladungsausgleich benötigten Gegenionen bereitzustellen, werden alle Messungen in Anwesenheit eines wässrigen Elektrolyten durchgeführt. Der Ladungstransport und die Volumenänderungen werden mit den Methoden der zyklischen Voltammetrie, der elektrochemischen Quarzmikrowaage und der Rastersondenmikroskopie untersucht. Signifikante Ergebnisse können für dünne homogene Polymerschichten erhalten werden, wobei Schichtdicken oberhalb 150 nm aufgrund der insbesondere bei Polyanilin einsetzenden Bildung von Fadenstrukturen (Fibrillen) vermieden werden. Von besonderem Interesse im Rahmen dieser Arbeit ist die Kombination der funktionalen Polymere mit Strukturen auf Siliziumbasis, insbesondere mit mikrostrukturierten Cantilevern. Die zuvor erhaltenen Ergebnisse bilden die Grundlage für das Design und die Dimensionierung der Mikroaktoren. Diese bestehen aus Siliziumcantilevern, die eine Elektrodenschicht aus Gold oder Platin tragen. Auf der Elektrode wird mittels Elektrodeposition eine homogene Schicht Polymer mit Schichtdicken bis zu 150 nm aufgebracht. Die Aktorcharakteristik, die Biegung des Cantilevers aufgrund des angelegten Potenzials, wird mit dem aus der Rastersondenmikroskopie bekannten Lichtzeigerverfahren gemessen. Das Aktorsystem wird hinsichtlich des angelegten Potenzials, des Elektrolyten und der Redox-Kinetik charakterisiert. Die verschiedenen Beiträge zum Aktorverhalten werden in situ während des Schichtwachstums untersucht. Das beobachtete Verhalten kann als Superposition verschiedener Effekte beschrieben werden. Darunter sind die Elektrodenaufladung (Elektrokapillarität), die Veränderungen der Elektrodenoberfläche durch dünne Oxidschichten und die Elektrochemomechanik des Polymers.

VUV-Laserablation von Spinnenseide

Spinnenseide gehört zu den stabilsten bekannten Polymerverbindungen. Spinnfäden können bis auf das Dreifache ihrer ursprünglichen Länge gedehnt werden, bevor sie reißen, und dabei mit rund 160 MJ/m³ mehr als dreimal soviel Energie absorbieren wie die stärkste synthetisch hergestellte Faser Kevlar (50 MJ/m³). Dabei weisen Spinnfäden mit 2 bis 5 Mikrometer nur ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares auf. Das präzise, berührungslose Bearbeiten von Spinnenseide ist für verschiedene technische Anwendungen interessant, insbesondere wenn dabei ihre außergewöhnlichen Eigenschaften erhalten bleiben. Könnten die von Natur aus dünnen Seidenfäden gezielt in ihrem Durchmesser verringert werden, so wären sie unter anderem in der Mikroelektronik einzusetzen. Hier könnten sie als Trägermaterial für eine dünne, elektrisch leitfähige Schicht fungieren. Man erhielte Nanodrähte, die auch in mechanisch besonders belasteten Mikroelektronikbauteilen (MEMS) Verwendung finden könnten. In dieser Arbeit wird die Verwendung der laserinduzierten Ablation zur gezielten Bearbeitung von Haltefäden der Schwarzen Witwe (Latrodectus hesperus) beschrieben. Eingesetzt wurde ein VUV-Excimerlaser vom Typ LPF 205 (Lambda-Physik, Göttingen) mit einer Wellenlänge von 157 nm und einer Pulsdauer von 18 ns. Eine berührungslose Laserbearbeitung bei 157 nm erlaubt einen effizienten und präzisen Abtrag von Material durch Ablation aufgrund der geringen optischen Eindringtiefe von unter 100 nm oberhalb einer Schwellenfluenz (Energie/Fläche) von Φth=29 mJ/cm², ohne dabei das umgebende Material thermisch zu beeinträchtigen. Parallel zur Ablation setzt allerdings eine wellenförmige Oberflächenstrukturierung auf der Faseroberfläche ein, wodurch die mechanische Belastbarkeit der Faser entscheidend geschwächt wird. Die Ursache hierfür liegt im Abbau materialbedingter Spannungsfelder („stress release“) innerhalb einer durch das Laserlicht induzierten dünnen Schmelzschicht. Im Rahmen dieser Arbeit ist es nun gelungen, diese Strukturen durch einen anschließenden Glättungsprozeß zu entfernen. Dabei wird auf der bestrahlten Oberfläche mittels Laserlichts eine glatte Ablation erzielt. Mit feinerer Abstufung dieser Prozeßschritte konnte der Durchmesser des verwendeten Spinnenseidefadens zum Teil um 70 Prozent bis auf ca. 750 nm verringert werden. Durch Zugfestigkeitsexperimente wurde belegt, daß die mechanischen Eigenschaften der so bearbeiteten Spinnenseide weitgehend erhalten bleiben. Die im Rahmen dieser Arbeit angewandte Methode erlaubt somit eine präzise Laserablation von Spinnenseide und ähnlichen hochabsorbierenden Materialien, ohne deren Kernsubstanz in ihrer Beschaffenheit zu verändern.

Contact Sensing: A Sequential Decision Approach to Sensing Manipulation Contact

This paper describes a new statistical, model-based approach to building a contact state observer. The observer uses measurements of the contact force and position, and prior information about the task encoded in a graph, to determine the current location of the robot in the task configuration space. Each node represents what the measurements will look like in a small region of configuration space by storing a predictive, statistical, measurement model. This approach assumes that the measurements are statistically block independent conditioned on knowledge of the model, which is a fairly good model of the actual process. Arcs in the graph represent possible transitions between models. Beam Viterbi search is used to match measurement history against possible paths through the model graph in order to estimate the most likely path for the robot. The resulting approach provides a new decision process that can be use as an observer for event driven manipulation programming. The decision procedure is significantly more robust than simple threshold decisions because the measurement history is used to make decisions. The approach can be used to enhance the capabilities of autonomous assembly machines and in quality control applications.

Pose Determination of a Grasped Object Using Limited Sensing

This report explores methods for determining the pose of a grasped object using only limited sensor information. The problem of pose determination is to find the position of an object relative to the hand. The information is useful when grasped objects are being manipulated. The problem is hard because of the large space of grasp configurations and the large amount of uncertainty inherent in dexterous hand control. By studying limited sensing approaches, the problem's inherent constraints can be better understood. This understanding helps to show how additional sensor data can be used to make recognition methods more effective and robust.

Growth and Characterization of LiCoO₂ Thin Films for Microbatteries

LiCoO₂thin films have been grown by pulsed laser deposition on stainless steel and SiO₂/Si substrates. The film deposited at 600°C in an oxygen partial pressure of 100mTorr shows an excellent crystallinity, stoichiometry and no impurity phase present. Microstructure and surface morphology of thin films were examined using a scanning electron microscope. The electrochemical properties of the thin films were studied with cyclic voltammetry and galvanostatic charge-discharge techniques in the potential range 3.0-4.2 V. The initial discharge capacity of the LiCoO2 thin films deposited on the stainless steel and SiO₂/Si substrates reached 23 and 27 µAh/cm², respectively.

Apatite-Polymer Composites for the Controlled Dual Delivery of BMP-2 and BMP-6 for Bone Tissue Engineering

The release of growth factors from tissue engineering scaffolds provides signals that influence the migration, differentiation, and proliferation of cells. The incorporation of a drug delivery platform that is capable of tunable release will give tissue engineers greater versatility in the direction of tissue regeneration. We have prepared a novel composite of two biomaterials with proven track records - apatite and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) – as a drug delivery platform with promising controlled release properties. These composites have been tested in the delivery of a model protein, bovine serum albumin (BSA), as well as therapeutic proteins, recombinant human bone morphogenetic protein-2 (rhBMP-2) and rhBMP-6. The controlled release strategy is based on the use of a polymer with acidic degradation products to control the dissolution of the basic apatitic component, resulting in protein release. Therefore, any parameter that affects either polymer degradation or apatite dissolution can be used to control protein release. We have modified the protein release profile systematically by varying the polymer molecular weight, polymer hydrophobicity, apatite loading, apatite particle size, and other material and processing parameters. Biologically active rhBMP-2 was released from these composite microparticles over 100 days, in contrast to conventional collagen sponge carriers, which were depleted in approximately 2 weeks. The released rhBMP-2 was able to induce elevated alkaline phosphatase and osteocalcin expression in pluripotent murine embryonic fibroblasts. To augment tissue engineering scaffolds with tunable and sustained protein release capabilities, these composite microparticles can be dispersed in the scaffolds in different combinations to obtain a superposition of the release profiles. We have loaded rhBMP-2 into composite microparticles with a fast release profile, and rhBMP-6 into slow-releasing composite microparticles. An equi-mixture of these two sets of composite particles was then injected into a collagen sponge, allowing for dual release of the proteins from the collagenous scaffold. The ability of these BMP-loaded scaffolds to induce osteoblastic differentiation in vitro and ectopic bone formation in a rat model is being investigated. We anticipate that these apatite-polymer composite microparticles can be extended to the delivery of other signalling molecules, and can be incorporated into other types of tissue engineering scaffolds.

Apatite-Polymer Composite Particles for Controlled Delivery of BMP-2: In Vitro Release and Cellular Response

Bone morphogenetic protein-2 (BMP-2) has the ability to induce osteoblast differentiation of undifferentiated cells, resulting in the healing of skeletal defects when delivered with a suitable carrier. We have applied a versatile delivery platform comprising a novel composite of two biomaterials with proven track records – apatite and poly(lactic-co-glycolic acid) (PLGA) – to the delivery of BMP-2. Sustained release of this growth factor was tuned with variables that affect polymer degradation and/or apatite dissolution, such as polymer molecular weight, polymer composition, apatite loading, and apatite particle size. The effect of released BMP-2 on C3H10T1/2 murine pluripotent mesenchymal cells was assessed by tracking the expression of osteoblastic makers, alkaline phosphatase (ALP) and osteocalcin. Release media collected over 100 days induced elevated ALP activity in C3H10T1/2 cells. The expression of osteocalcin was also upregulated significantly. These results demonstrated the potential of apatite-PLGA composite particles for releasing protein in bioactive form over extended periods of time.

Corner Flows in Free Liquid Films

A lubrication-flow model for a free film in a corner is presented. The model, written in the hyperbolic coordinate system ξ = x² – y², η = 2xy, applies to films that are thin in the η direction. The lubrication approximation yields two coupled evolution equations for the film thickness and the velocity field which, to lowest order, describes plug flow in the hyperbolic coordinates. A free film in a corner evolving under surface tension and gravity is investigated. The rate of thinning of a free film is compared to that of a film evolving over a solid substrate. Viscous shear and normal stresses are both captured in the model and are computed for the entire flow domain. It is shown that normal stress dominates over shear stress in the far field, while shear stress dominates close to the corner.

COMP6043 Conducting Interviews

Slides which take students through the interview process, mediated through the presentation of published papers which use interview data

COMP6043 Conducting an Interview - a role play exercise

group exercise in three's

Serviceability behaviour of fibre reinforced polymer reinforced concrete beams

El uso de materiales compuestos de matriz polimérica (FRP) emerge como alternativa al hormigón convencionalmente armado con acero debido a la mayor resistencia a la corrosión de dichos materiales. El presente estudio investiga el comportamiento en servicio de vigas de hormigón armadas con barras de FRP mediante un análisis teórico y experimental. Se presentan los resultados experimentales de veintiséis vigas de hormigón armadas con barras de material compuesto de fibra de vidrio (GFRP) y una armada con acero, todas ellas ensayadas a flexión de cuatro puntos. Los resultados experimentales son analizados y comparados con algunos de los modelos de predicción más significativos de flechas y fisuración, observándose, en general, una predicción adecuada del comportamiento experimental hasta cargas de servicio. El análisis de sección fisurada (CSA) estima la carga última con precisión, aunque se registra un incremento de la flecha experimental para cargas superiores a las de servicio. Esta diferencia se atribuye a la influencia de las deformaciones por esfuerzo cortante y se calcula experimentalmente. Se presentan los aspectos principales que influyen en los estados límites de servicio: tensiones de los materiales, ancho máximo de fisura y flecha máxima permitida. Se presenta una metodología para el diseño de dichos elementos bajo las condiciones de servicio. El procedimiento presentado permite optimizar las dimensiones de la sección respecto a metodologías más generales.

Simulation of interlaminar and intralaminar damage in polymer-based composites for aeronautical applications under impact loading

La aplicación de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados mediante fibras largas (FRP, Fiber Reinforced Plastic), está en gradual crecimiento debido a las buenas propiedades específicas y a la flexibilidad en el diseño. Uno de los mayores consumidores es la industria aeroespacial, dado que la aplicación de estos materiales tiene claros beneficios económicos y medioambientales. Cuando los materiales compuestos se aplican en componentes estructurales, se inicia un programa de diseño donde se combinan ensayos reales y técnicas de análisis. El desarrollo de herramientas de análisis fiables que permiten comprender el comportamiento mecánico de la estructura, así como reemplazar muchos, pero no todos, los ensayos reales, es de claro interés. Susceptibilidad al daño debido a cargas de impacto fuera del plano es uno de los aspectos de más importancia que se tienen en cuenta durante el proceso de diseño de estructuras de material compuesto. La falta de conocimiento de los efectos del impacto en estas estructuras es un factor que limita el uso de estos materiales. Por lo tanto, el desarrollo de modelos de ensayo virtual mecánico para analizar la resistencia a impacto de una estructura es de gran interés, pero aún más, la predicción de la resistencia residual después del impacto. En este sentido, el presente trabajo abarca un amplio rango de análisis de eventos de impacto a baja velocidad en placas laminadas de material compuesto, monolíticas, planas, rectangulares, y con secuencias de apilamiento convencionales. Teniendo en cuenta que el principal objetivo del presente trabajo es la predicción de la resistencia residual a compresión, diferentes tareas se llevan a cabo para favorecer el adecuado análisis del problema. Los temas que se desarrollan son: la descripción analítica del impacto, el diseño y la realización de un plan de ensayos experimentales, la formulación e implementación de modelos constitutivos para la descripción del comportamiento del material, y el desarrollo de ensayos virtuales basados en modelos de elementos finitos en los que se usan los modelos constitutivos implementados.