Strain Sensing Basé sur Multiscale Composite Materials Renforcé avec graphène nanoplaquettes

Résumé

L'intégration des nanoparticules conductrices, telles que nanoplaquettes de graphène, dans des matériaux composites à base de fibres de verre crée un réseau électrique sensible à la contrainte intrinsèque. Ici, les différentes méthodes pour obtenir des capteurs de contrainte en fonction de l'addition de nanoplaquettes de graphène dans la matrice de résine époxy ou en tant que revêtement sur des tissus de verre sont proposées.

Résumé

La réponse électrique de NH ₂ -functionalized graphène nanoplaquettes matériaux composites sous contrainte a été étudiée. Deux procédés de fabrication différents sont proposées pour créer le réseau électrique dans ce travail: (a) l'incorporation des nanoplaquettes dans la matrice de résine époxy et (b) le revêtement de tissu de verre avec un encollage rempli avec les mêmes nanoplaquettes. Les deux types de matériaux composites multi - échelles, avec une conductivité électrique dans le plan d'environ 10 ^-3 S / m, a montré une croissance exponentielle de la résistance électrique que la déformation augmente du fait de la distanciation entre nanoplaquettes de graphène fonctionnalisés adjacents et la perte de contact entre celles - jacentes. La sensibilité des matériaux analysés au cours de ces recherches, en utilisant les procédures décrites, a été démontré être plus élevé que disponibles dans le commerce jauges de contrainte. Les procédures proposées pour l'auto-détection du matériau composite structurel faciliterait le moniteur de santé structuraletion des composants difficiles d'accès emplacements tels que les fermes éoliennes offshore. Bien que la sensibilité des matériaux composites multi - échelles était considérablement plus élevée que la sensibilité des feuilles métalliques utilisées comme jauges de contrainte, la valeur atteinte avec NH ₂ tissus nanoplaquettes de graphène fonctionnalisés revêtus était presque un ordre de grandeur supérieur. Ce résultat a élucidé leur potentiel d'être utilisé comme tissus intelligents pour surveiller les mouvements humains tels que la flexion des doigts ou des genoux. En utilisant la méthode proposée, le tissu intelligent pourrait détecter immédiatement la flexion et de récupérer instantanément. Ce fait permet un contrôle précis du temps de bombage, ainsi que le degré de courbure.

Introduction

Structural surveillance de la santé (SHM) est devenue de plus en plus important en raison de la nécessité de connaître la durée de vie restante des structures ^1-3. De nos jours, difficiles d'accès, tels que les plantes en mer de vent, conduisent à des risques plus élevés dans les opérations de maintenance, ainsi que des coûts plus élevés ^2-4. Matériaux auto-détection constituent l' une des possibilités dans le domaine de la SHM en raison de leur capacité de déformation et des dommages ⁵ auto-surveillance.

Dans le cas des turbines éoliennes, les lames sont généralement fabriquées en fibres / époxy, des matériaux composites de verre, qui sont des isolants électriques. Afin de conférer des propriétés d'auto-détection de ce matériau composite, un réseau électrique intrinsèque sensible à la souche et les dommages doit être créé. Au cours de ces dernières années, l'incorporation de nanoparticules conductrices telles que des nanofils d'argent ^6,7, les nanotubes de carbone (NTC) ^8-10, et nanoplaquettes de graphène (GNPS) ^11-13a été étudié pour créer ce réseau électrique. Ces nanoparticules peuvent être incorporées dans le système en tant que charge dans la matrice polymère ou en revêtant le tissu de fibres de verre ^14. Ces matériaux peuvent également être appliqués à d' autres domaines industriels, à savoir, de l' aérospatiale, de l' ingénierie automobile et civile ^5, et les tissus enduits peuvent être utilisés comme matériaux intelligents dans les applications biomécaniques ^7,15.

Piézorésistivité de ces capteurs est réalisé en trois contributions différentes. La première contribution est la piézorésistivité intrinsèque des nanoparticules; une déformation de la structure modifie la conductivité électrique des nanoparticules. Toutefois, les principales contributions sont des changements dans le tunnel résistance électrique, en raison de modifications dans les distances entre les nanoparticules adjacentes, et la résistance de contact électrique, en raison de variations dans la zone de contact entre les recouvrant ^9. Cette piézorésistivité est plus élevée lorsque 2D nanoparticles sont utilisés en tant que nanocharges par rapport aux nanoparticules 1D , car le réseau électrique présente une plus grande sensibilité aux changements et aux discontinuités géométriques, généralement un ordre de grandeur supérieur ^16.

En raison du caractère atomique 2D ¹⁷ et la conductivité électrique élevée ^18,19, nanoplaquettes de graphène ont été sélectionnés dans ce travail que le nano-renforçateur de matériaux composites multiéchelles afin d'obtenir l' auto-capteurs avec une sensibilité accrue. Deux façons d'incorporer les PNB dans le matériau composite sont étudiés afin d'élucider les différences possibles dans les mécanismes de détection et la sensibilité.

Protocole

1. Préparation de l'époxy Rempli fonctionnalisés graphène Nanoplatelet pour Multiscale Matériaux composites

1. Disperser nanoplaquettes de graphène fonctionnalisés (f-GNPS) dans la résine époxy.
   1. Peser 24,00 g de f-PNB pour atteindre un 12% en poids du nanocomposite finale à l'intérieur d'une hotte sans conduit de fumée.
   2. Ajouter 143.09 g du bisphénol A monomère éther diglycidylique (DGEBA) et manuellement mélanger pour obtenir une homogénéité.
   3. Disperser les f-PNB dans le monomère par un procédé en deux étapes, qui combine sonde sonication et calandrage traite ^20.
      1. Soniquer le mélange à 50% de l'amplitude et un cycle de 0,5 secondes pendant 45 min.
      2. Appliquer 3 cycles de calandrage en utilisant un intervalle de rouleau de 5 pm et en augmentant la vitesse du rouleau à chaque cycle: 250 rpm, 300 tours par minute et 350 tours par minute.
      3. Peser le mélange de f-PNB / monomère après avoir terminé la dispersion.
   4. Dégazer le mélange / monomère f-PNB under vide et agitation magnétique à 80 ° C pendant 15 min.
   5. Peser et ajouter le durcisseur dans un rapport pondéral de 100: 23 (monomère: durcisseur) et on agite manuellement jusqu'à l'obtention de l'homogénéité.

2. Le revêtement du tissu de verre avec fonctionnalisés graphène Nanoplatelet Rempli Sizing (Suspension) pour Multiscale Matériaux composites

1. Disperser nanoplaquettes de graphène fonctionnalisés dans le dimensionnement.
   1. Peser 7,5 g de f-PNB, la quantité nécessaire pour obtenir un 5% en poids, en 142,5 g de solvant (encollage / distillée eau spécifiée dans le 2.1.2) dans une hotte sans conduit de fumée.
   2. Préparer le mélange de f-PNB et le dimensionnement dilué avec de l'eau distillée (1: 1 en poids) à l'intérieur de la hotte sans conduit de fumée. Une fois l'eau distillée a été ajoutée, effectuer le travail en dehors de la hotte ductless.
   3. Disperser les PNB par sonde sonication pendant 45 min à 50% d'amplitude et un cycle de 0,5 sec.
2. Enduire la gtissu lass avec le dimensionnement rempli f-PNB.
   1. Avec des ciseaux adaptés pour la coupe de tissu, couper 14 couches de tissu de verre avec des dimensions de 120 х 120 mm ^2, puis les enrober avec le mélange de f-PNB et de calibrage (2.1.3) par trempage (une immersion) en utilisant une coucheuse dip dans le dimensionnement rempli f-PNB.
   2. Sécher le tissu de verre revêtu f-PNB dans un four à vide à 150 ° C pendant 24 heures comme indiqué dans les fiches techniques fournies par le fabricant.

3. Fabrication de matériaux composites Multiscale

1. Fabrication de matériaux f-PNB / époxy composites.
   1. Après dégazage du mélange, maintenir la résine époxy remplie f-PNB sous agitation magnétique à 80 ° C pendant tout le processus de fabrication.
   2. Placer les 14 couches de tissu de verre dans un four à 80 ° C.
   3. Vous pouvez également placer une couche de l'époxy chargée f-PNB et une couche de tissu de fibres de verre (14 couches) séquentiellement à la main sur une plaque métallique à l'aide d'un rouleau de désaération après avoir placé chaque couche de tissu de verre.
      1. Utilisez des ciseaux pour couper et placer le film de polymère anti-adhérent (120 х 120 mm ²⁾ sur une plaque d'acier.
      2. Appliquer une couche du mélange f-PNB / époxy sur le film de polymère anti-adhérent avec une brosse. Placer une couche de tissu de fibres de verre. Noter l'importance de couvrir la surface de la région f-PNB / époxy et l'alignement des différentes couches de tissu. Retirer l'air et les nappes compactes en utilisant un rouleau de débullage.
      3. Répétez l'étape 3.1.3.2 jusqu'à l'achèvement de toutes les couches du stratifié.
      4. Appliquer une couche finale du PNB f mélange / époxy avec un pinceau et couvrir le stratifié avec une autre couche de film de polymère anti-adhérent.
   4. Une fois que toutes les couches de tissu ont été empilés, guérir le stratifié dans une presse à plaque chaude à 140 ° C pendant 8 heures avec l'augmentation de la pression jusqu'à 6 bars.
   5. Extraire le stratifié durci du plat chaude presse.
2. Fabrication de matériaux composites à fibres f-PNB / verre sous vide assisté par moulage par infusion de résine (Varim).
   1. Préparer la plaque métallique où Varim va être effectuée.
      1. Nettoyer la surface de la plaque d'acier avec de l'acétone.
      2. Placer un film de polymère anti-adhérent sur la plaque d'acier.
   2. Placer la séquence de f-PNB tissu de verre enduit (14 couches ayant des dimensions de 120 mm ² х 120) sur la plaque. Veiller à ce que les couches de tissu sont alignés visuellement et au toucher.
   3. Sceller le sac à vide avec du ruban d'étanchéité pour le processus Varim et préchauffer le système à 80 ° C dans un four.
   4. Dégazer le monomère DGEBA sous vide et sous agitation magnétique à 80 ° C pendant 15 min. Ajouter le durcisseur dans un rapport en poids de 100: 23 (monomère: durcisseur) et agiter jusqu'à obtenir l'homogénéité.
   5. Ajouter la résine époxy à 80 ° C avec une pompe à vide reliée au sac à vide avec un polymèretube jusqu'à ce que la pile de tissu de verre est totalement remplie par la résine époxyde et de durcissement du stratifié dans un four à 140 ° C pendant 8 heures.
   6. Extraire le stratifié durci du four et retirer le sac de l'aspirateur et du matériel auxiliaire.

4. Préparation des échantillons pour les capteurs de contrainte Tests

1. Échantillons de machines (commande numérique par ordinateur - fraiseuse CNC) de stratifiés multiéchelles à la dimension requise pour les essais de flexion suivant la D790-02 ASTM ²¹ et couper des bandes de tissu de verre de 10 mm de largeur afin d'étudier la sensibilité de la souche de l'enduit f-PNB en tissu.
   NOTE: Les échantillons sont fixés sur la table d'usinage avec du ruban adhésif et usinés en utilisant les paramètres suivants: vitesse d'alimentation de 500 mm / min, vitesse de ralenti de 5.000 min ^-1 et profondeur pas de 0,1 mm.
2. Nettoyer soigneusement la surface des échantillons usinés avec de l'acétone pour éliminer la poussière.
3. lignes de peinture d'argent (acrylique de peinture conductrice) surla surface des matériaux distancé 20 mm de distance pour minimiser la résistance de contact électrique et des fils de cuivre adhérer aux lignes d'argent humides comme des électrodes pour faciliter la mesure de la résistance électrique pendant les essais.
   REMARQUE: Les contacts électriques sont situés sur les deux surfaces: surfaces de compression et des surfaces de traction soumis.
4. Une fois que la peinture argentée est sèche, fixer les contacts électriques avec un adhésif thermofusible pour éviter le détachement de contact électrique.

5. Test du capteur de contrainte

1. Analyser le comportement électrique des capteurs sous des charges de flexion (essai de flexion à trois points).
   1. Mesurer la largeur et l'épaisseur'S spécimen avec un étrier.
   2. Mettre l'échantillon dans la machine d'essai mécanique avec la configuration de test de flexion.
   3. Réglez la vitesse d'essai (contrôlé par la souche) à 1 mm / min et la position de départ qui définit la longueur initiale de l'échantillon.
   4. Connectez leles contacts électriques du multimètre. Mesurer la résistance électrique entre deux contacts électriques adjacents comme il est indiqué sur la figure 1.
   5. Exécute le test de flexion et de surveiller la résistance électrique en même temps afin d'étudier les variations dues à la contrainte induite dans l'échantillon.
   6. Répétez toutes les étapes pour au moins 3 échantillons de f-PNB / époxy et des matériaux composites en fibres f-PNB / verre pour confirmer le comportement électrique des matériaux composites.

Figure 1. Les contacts électriques dans la configuration des tests de flexion de matériaux composites multi - échelles. Électrodes en cuivre sont fixés sur la surface des matériaux composites en utilisant des lignes de peinture d'argent (en gris) afin de minimiser la résistance de contact électrique. S'il vous plaît , cliquez icipour voir une version plus grande de cette figure.

2. Analyser f-PNB / tissu de verre en tant que capteurs de déformation des mouvements humains.
   1. Surveiller doigt flexion.
      1. Fixer des bandes de tissu de verre à chacun des doigts d'un gant en nitrile avec de l' adhésif thermofusible sur la surface intérieure , comme indiqué sur la figure 2.
      2. Répétez l'étape 5.1.4, mais mesurer la résistance électrique des contacts placés sur le même doigt.
      3. Démarrez la séquence du doigt de pliage pour surveiller et mesurer la résistance électrique tandis que les doigts se plient. La séquence du doigt de flexion dans ce cas particulier est: (1) pouce, (2) l'indice, (3) doigt du milieu, (4) annulaire, (5) tous les doigts simultanément et (6) séquence de cintrage (vitesse supérieure ): (1), (2), (3), (4), (4), (3), (2) et (1).

Figure2. Localisation des bandes f-PNB / fibres de verre sur la surface interne des doigts d'un gant nitrile pour surveiller les doigts de pliage. Une fois que le tissu de fibres de verre a été appliquée et séchée, des bandes de 10 mm de largeur sont découpées et fixées sur les différents doigts d'un gant dans le but de surveiller le doigt de pliage et de corroborer la viabilité du protocole décrit ci - dessus. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Résultats

Le protocole d'obtenir deux matières différentes a été décrite dans la procédure. La différence réside dans la façon dont le nanoreinforcement est incorporé dans le matériau composite à réaliser un réseau électrique qui pourrait être utilisé pour forcer la surveillance. La première méthode consiste en l'enduction d'un tissu de fibres de verre f-PNB encollage qui peut être utilisé comme un tissu à puce (appelé F-PNB / fibre de verre) ou comme renfo...

Discussion

propriétés d'auto-détection de matériaux composites nanoreinforced sont dues au réseau électrique créé par les f-PNB à travers la matrice d'époxy et le long des fibres de verre, qui est modifié lorsque la souche est induite. Dispersion des f-PNB est alors crucial parce que le comportement électrique des capteurs dépend fortement de la microstructure du matériau. Ici, nous présentons une procédure optimisée pour obtenir une bonne dispersion des PNB dans la matrice d'époxy et d'éviter le...

matériels

Name	Company	Catalog Number	Comments
Graphene Nanoplatelets	XGScience	M25	NA
Epoxy resin	Huntsman	Araldite LY556	NA
XB3473	NA
Probe sonication	Hielscher	UP400S	NA
Three roll mill	Exakt	Exakt 80E (Exakt GmbH)	NA
Glass fiber fabric	Hexcel	HexForce ® 01031 1000 TF970 E UD 4H	NA
Hot plate press	Fontijne	Fontijne LabEcon300	NA
Sizing	Nanocyl	SizicylTM	NA
Multimeter	Alava Ingenieros	Agilent 34410A	NA
Strain Gauges	Vishay	Micro-Measurement (MM®) CEA-06-187UW-120	NA
Mechanical tests machine	Zwick	Zwick/Roell 100 kN	NA
Conductive silver paint	Monocomp	16062 – PELCO® Conductive Silver Paint	NA