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Piezoelectricidad en pasta de cemento con adición de nanopartículas de oro y materiales carbonosos: Posible aplicación en electrónica de baja potencia

Resumen

La piezorresistividad es el principio de detección más utilizado en compuestos a base de cemento para aplicaciones de monitoreo estructural. No obstante, la necesidad de alimentación eléctrica para realizar mediciones de resistividad eléctrica restringe la escalabilidad de esta tecnología, especialmente cuando se implementa en estructuras remotas. Para abordar este problema, esta tesis analiza minuciosamente las propiedades eléctricas en corriente alterna, piezorresistividad y piezoelectricidad de compuestos de cemento dopados con nanopartículas de oro, nanotubos de carbono (NTC) multicapa y óxido de grafeno reducido (rGO), y evalúa su potencial uso como sensor de deformación autoalimentado. Aquí, se propone y aplica una metodología integral que involucra espectroscopia de impedancia eléctrica, determinación de potencial de circuito abierto, voltamperometría cíclica y mediciones de esfuerzo-deformación a muestras de laboratorio fabricadas siguiendo diferentes métodos de fabricación según el tipo de inclusión. Además, se desarrollan y validan experimentalmente nuevos modelos para el procesamiento de señales de las respuestas de impedancia eléctrica y electromecánica. Los resultados demuestran que el compuesto de nanopartículas de oro-cemento tiene una importante respuesta piezoeléctrica (57 veces con respecto a las muestras de referencia) en lugar de una respuesta piezoresistiva (su cambio fraccional de la resistencia (FCR) fue inferior al 10 %). Además, los resultados muestran una disminución del 91% en sus propiedades mecánicas para este compuesto de cemento. No obstante, la reducción de sus propiedades mecánicas es similar a la que se produce por cambios en la relación agua/cemento o por la reacción de hidratación, inhabilitando este tipo de compuesto cementicio en la fabricación de estructuras de ingeniería civil. Por otro lado, los resultados de los compuestos basados en cemento-NTC demuestran la eficiencia del modelo en base a medio efectivo, describiendo su respuesta en corriente alterna independientemente del agente dispersante utilizado para elaborar las muestras. Y, con respecto a los compuestos de cemento-rGO, los resultados presentados evidencian que las muestras preparadas por dispersión en una limpiadora ultrasónica logran propiedades óptimas, con coeficientes de carga piezoeléctrica aproximadamente 47 veces mayores que los compuestos previamente reportados en la literatura.