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

Triana Camacho, Daniel Andrés

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

dc.contributor.advisor	Quintero Orozco, Jorge Hernán
dc.contributor.author	Triana Camacho, Daniel Andrés
dc.contributor.evaluator	García Sánchez, Felipe
dc.contributor.evaluator	Restrepo Parra, Elisabeth
dc.contributor.evaluator	Delvasto Angarita, Pedro Luis
dc.contributor.evaluator	Cruz Hernández, Ricardo Alfredo
dc.contributor.evaluator	Beltrán Ríos, Carlos Leonardo
dc.date.accessioned	2023-07-19T16:32:35Z
dc.date.available	2023-07-19T16:32:35Z
dc.date.created	2023-07-14
dc.date.issued	2023-07-14
dc.description.abstract	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.
dc.description.abstractenglish	Piezoresistivity is the most commonly used sensing principle in cement-based composites for strain-sensing applications. Nonetheless, the need for electric power to conduct electrical resistivity measurements restricts the scalability of this technology, specially when implemented in remote structures. To address this issue, this thesis thoroughly analyzes the electrical properties in alternate current, piezoresistivity, and piezoelectricity of cement composites doped with gold nanoparticles (Au NPs), multi-walled carbon nanotubes (CNTs), and reduced graphene oxide (rGO) and evaluates their potential as self-powered strain sensors. To characterize the piezoelectric coefficients, a comprehensive methodology involving electrical impedance spectroscopy, open circuit potential determination, cyclic voltammetry, and stress-strain measurements are proposed and applied to laboratory samples manufactured following different fabrication methods according to the type of inclusion. Furthermore, novel models for signal processing of the electromechanical and electrical impedance response are developed and experimentally validated. The results demonstrate the Au NPs/cement composite has a profitable piezoelectric response (57 times with respect to reference samples) instead of a piezoresistive response (it ratios or the hydration reaction, which disables the implementation of this composite in civil engineering applications. On the other hand, the results of cement/CNTs composites demonstrate the efficiency of the model based on effective medium, describing its alternating current response irrespective of the dispersant agent used to elaborate the samples. And, regarding cement/rGO composites, the presented results evidence that samples prepared by ultrasonic cleaner dispersion achieve optimal properties, with piezoelectric charge coefficients about 47 times greater than previously reported composites in the literature. was less at 10 %). What is more, the experimental results show a decrease of 91% for this cement compound. Nevertheless, the reduction of their mechanical properties is similar to those produced by changes in water/cement ratios or the hydration reaction, which disables the implementation of this composite in civil engineering applications. On the other hand, the results of cement/CNTs composites demonstrate the efficiency of the model based on effective medium, describing its alternating current response irrespective of the dispersant agent used to elaborate the samples. And, regarding cement/rGO composites, the presented results evidence that samples prepared by ultrasonic cleaner dispersion achieve optimal properties, with piezoelectric charge coefficients about 47 times greater than previously reported composites in the literature.
dc.description.cvlac	https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001407654
dc.description.degreelevel	Doctorado
dc.description.degreename	Doctor en Física
dc.description.googlescholar	https://scholar.google.com/citations?user=HmujQioAAAAJ&hl=es
dc.description.orcid	https://orcid.org/0000-0001-6852-6277
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.identifier.instname	Universidad Industrial de Santander
dc.identifier.reponame	Universidad Industrial de Santander
dc.identifier.repourl	https://noesis.uis.edu.co
dc.identifier.uri	https://noesis.uis.edu.co/handle/20.500.14071/14604
dc.language.iso	spa
dc.publisher	Universidad Industrial de Santander
dc.publisher.faculty	Facultad de Ciencias
dc.publisher.program	Doctorado en Física
dc.publisher.school	Escuela de Física
dc.rights	info:eu-repo/semantics/openAccess
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dc.rights.coar	http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.creativecommons	Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
dc.rights.license	Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject	Piezoelectricidad
dc.subject	Nanopartículas de oro
dc.subject	Nanotubos de carbono
dc.subject	Óxido de grafeno
dc.subject	Espectroscopia de impedancia eléctrica
dc.subject	Cement Based Composites
dc.subject	Lenguaje Python
dc.subject.keyword	Piezoelectricity
dc.subject.keyword	Gold Nanoparticles
dc.subject.keyword	Carbon Nanotubes
dc.subject.keyword	Graphene Oxide
dc.subject.keyword	Electrical Impedance Spectroscopy
dc.subject.keyword	Cement Based Composites
dc.subject.keyword	Python Programming Language
dc.title	Piezoelectricidad en pasta de cemento con adición de nanopartículas de oro y materiales carbonosos: Posible aplicación en electrónica de baja potencia
dc.title.english	Piezoelectricity in Cement-Based Composites of Gold Nanoparticles and Carbonaceous Materials: Possible Application in Low-Power Electronics
dc.type.coar	http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
dc.type.hasversion	http://purl.org/coar/version/c_b1a7d7d4d402bcce
dc.type.local	Tesis/Trabajo de grado - Monografía - Doctorado