Штамм зондирования на основе Многомасштабное композитных материалов, армированных с графеновых нанопластинок

Резюме

Интеграция проводящих наночастиц, таких как графеновых нанопластинок, в стеклянные волокна композитных материалов создает внутреннюю электрическую сеть восприимчивы к деформации. Здесь, различные методы для получения тензодатчиков, основанные на добавлении графеновыми нанопластинок в эпоксидной матрице, или в качестве покрытия на стеклоткани предложены.

Аннотация

Электрический отклик NH ₂ -functionalized графен нанопластинок Изучена композиционные материалы под напряжением. Существует два способа изготовления предлагается создать электрическую сеть в данной работе: (а) включение из нанопластинок в эпоксидной матрице, и (б) покрытие из стеклоткани с проклейки заполнены тем же нанопластинок. Оба типа многомасштабными композиционных материалов, с плоскостной электрической проводимости ~ 10 ^-3 / м, показали экспоненциальный рост электрического сопротивления при увеличении деформации из - за отдаления между соседними функционализованные графеновые нанопластинок и потери контакта между перекрывающими из них. Чувствительность материалов анализируемых в ходе этих исследований, с использованием описанных процедур, как было показано выше, чем коммерчески доступные тензодатчиков. Предлагаемые процедуры для самостоятельного зондирования структурного композитного материала будет способствовать структурной монитор здоровьяфлу- компонентов в труднодоступных ДОТ, таких как морских ферм энергии ветра. Хотя чувствительность многомасштабных композитных материалов была значительно выше , чем чувствительность металлической фольги , используемой в качестве тензорезисторов, значение достигнутой с NH ₂ функционализованные графеновые нанопластинок ткани с покрытием почти на порядок превосходящей. Этот результат выяснены их потенциал для использования в качестве смарт-тканей для мониторинга человеческих движений, таких как сгибание пальцев или колени. С помощью предложенного метода, смарт-ткань может сразу обнаружить изгиб и восстановить мгновенно. Это обстоятельство позволяет точно контролировать время изгибания, а также степень изгиба.

Введение

Структурный мониторинг состояния здоровья (ГИМ) приобретает все большее значение из - за необходимости знать оставшуюся жизнь структур ^1-3. В настоящее время, труднодоступных местах, таких как морских ветровых установок, приводят к более высокому риску в операциях по техническому обслуживанию, а также больших затрат на ^2-4. Self-зондирования материалы представляют собой одну из возможностей в области ТИМ из - за их способности самоконтроля деформации и повреждения ^5.

В случае ветровых турбин, лопатки, как правило, производятся в Стекловолокно / эпоксидных композиционных материалов, которые электрически изоляторы. Для придания автомодельных Чувствительный свойства этого композитного материала, внутренняя электрическая сеть восприимчива к процедите и повреждения должен быть создан. В течение последних нескольких лет, включение проводящих наночастиц , таких как серебро нанопроводов ^6,7, углеродных нанотрубок (УНТ) ^8-10 и графеновых нанопластинок (ГНПС) ^11-13было изучено, чтобы создать эту электрическую сеть. Эти наночастицы могут быть включены в систему в качестве наполнителя в полимерную матрицу , или путем нанесения на стеклоткань ^14. Эти материалы могут быть также применены к другим промышленным полей, т.е. аэрокосмической, автомобильной и гражданского строительства ^5, и ткани с покрытием могут быть использованы в качестве смарт - материалов в биомеханических приложений ^7,15.

Piezoresistivity этих датчиков достигается за счет трех различных взносов. Первый вклад является внутренней piezoresistivity наночастиц; деформация структуры изменяет электропроводность наночастиц. Тем не менее, основной вклад изменения в туннеле электрического сопротивления, в связи с изменениями в расстояний между соседними наночастицами, и электрическое сопротивление контакта, из - за изменений в зоне контакта между вышележащих из них ^9. Это piezoresistivity выше, когда 2D пanoparticles используются в качестве нанонаполнителя по сравнению с наночастицами 1D , так как электрическая сеть представляет собой более высокую восприимчивость к изменениям геометрических и разрывами, как правило , на порядок превосходящей ^16.

В связи с 2D атомным характером ¹⁷ и высокой электропроводности ^18,19, графено- нанопластинок были выбраны в этой работе в качестве нано-подкреплением многомасштабных композиционных материалов , с тем чтобы обеспечить самодостаточность датчики с повышенной чувствительностью. Два разных способа, чтобы включить ГНПС в композиционном материале изучаются с целью выяснения возможных различий в чувствительных механизмов и чувствительности.

протокол

1. Приготовление эпоксидного функционализированного Графен Nanoplatelet для Многомасштабное композитных материалов

1. Дисперсные функционализованные графеновые нанопластинок (F-ГНПС) в эпоксидной смоле.
   1. Взвесьте 24,00 г F-ВНП для достижения 12% вес конечного нанокомпозита материала внутри выводного протока вытяжкой.
   2. Добавьте 143.09 г бисфенола А диглицидилэфиры (ДГЭБА) мономера и вручную смешать его для достижения однородности.
   3. Дисперсные F-ГНПС в мономер с помощью метода TwoStep, который сочетает в себе зонд Озвучивание и каландрирования процессов ^20.
      1. Разрушать ультразвуком смесь при 50% амплитуды и цикл 0,5 сек в течение 45 мин.
      2. Применяют 3 цикла каландрирования с использованием валкового зазора 5 мкм и увеличение скорости роликов в каждом цикле: 250 оборотов в минуту, 300 оборотов в минуту и ​​350 оборотов в минуту.
      3. Взвесить смесь ф-ГНП / мономера после завершения дисперсии.
   4. Дегазировать / мономерной смеси F-ГНП недеформированнойR вакуума и перемешивания на магнитной мешалке при 80 ° С в течение 15 мин.
   5. Взвесить и добавить отвердитель в массовом соотношении 100: 23 (мономер: отвердитель) и вручную размешать до достижения гомогенности.

2. Покрытие стеклоткани с функционализированных графеновых Nanoplatelet Заполненный калибровочный (суспензия) для Многомасштабное композитных материалов

1. Дисперсные функционализованные графеновые нанопластинок в проклейки.
   1. Взвесить 7,5 г F-, ВНП в количестве, необходимом для достижения 5% масс, в 142,5 г растворителя (замасливающей / дистиллированной воды, указанных в пункте 2.1.2) внутри выводного протока вытяжкой.
   2. Готовят смесь диафрагменному и ВНП проклейки, разбавленного дистиллированной водой (1: 1 по массе) внутри внутренней секреции вытяжкой. После того, как дистиллированная вода была добавлена, выполнять работу за пределами выводного протока вытяжкой.
   3. Рассеивать ГНПС зондом обработки ультразвуком в течение 45 мин при 50% амплитуды и цикл 0,5 сек.
2. Покрыть гдеваха ткань с заполненной проклейки F-ГНП.
   1. С помощью ножниц подходят для резки ткани, вырезать 14 слоев стеклоткани с размерами 120 х 120 мм ² , а затем покрыть их смесью ф-и размеров ВНП (2.1.3) путем окунания (одно погружения) с использованием погружной для нанесения покрытий в заполненной проклейки F-ГНП.
   2. Высушить стекла с покрытием ткань F-GNP в вакуумной печи при температуре 150 ° С в течение 24 ч, как указано в технических листах, предоставленным производителем.

3. Производство многомасштабных композитных материалов

1. Производство F-ГНП / эпоксидной композитных материалов.
   1. После дегазации смеси, держать F-GNP заполненные эпоксидной смолы при перемешивании магнитной мешалкой при 80 ° С в течение всего процесса производства.
   2. Поместите 14 слоев стеклоткани в печи при 80 ° C.
   3. В качестве альтернативы, поместите слой эпоксидного F-ГНП и слой стеклоткани (14 слоев) sequenсуществу вручную на металлической пластине с помощью де-проветривание ролик после размещения каждого стекла слой ткани.
      1. Используйте ножницы , чтобы вырезать и поместить антиадгезив полимерную пленку (120 х 120 мм ²⁾ на стальную пластину.
      2. Нанесите слой F-ГНП / эпоксидной смеси на антиадгезив полимерной пленки с помощью кисти. Поместите слой стеклоткани. Обратите внимание на важность охвата площади F-ГНП / эпоксидного области и выравнивание различных слоев ткани. Удалите воздух и компактные слои, используя де-проветривание ролика.
      3. Повторите шаг 3.1.3.2 до завершения всех слоев ламината.
      4. Нанесите последний слой дзета-GNP / эпоксидной смеси с кистью и покрывают ламинат другим слоем антиадгезив полимерной пленки.
   4. После того, как все слои ткани были сложено, вылечить ламинат в горячей пластине пресса при 140 ° С в течение 8 ч при повышении давления до 6 бар.
   5. Извлеките отвержденного ламината из горячего Platэлектронной прессы.
2. Производство F-ГНП / Стекловолокно композиционных материалов методом вакуумной инфузии смолы помощь формования (VARIM).
   1. Подготовьте металлическую пластину, где VARIM будет проводиться.
      1. Очистите поверхность стального листа с ацетоном.
      2. Поместите антиадгезив полимерную пленку на стальную пластину.
   2. Поместите последовательность F-GNP покрытием стеклоткани (14 слоев с размерами 120 х 120 мм ²⁾ на пластину. Убедитесь, что слои ткани расположены визуально и на ощупь.
   3. Уплотнение вакуумный мешок с герметиком лентой для процесса VARIM и предварительного нагрева системы при 80 ° С в печи.
   4. Дегазировать мономер ДГЭБА под вакуумом и при перемешивании магнитной мешалкой при 80 ° С в течение 15 мин. Добавьте отвердитель в массовом соотношении 100: 23 (мономер: отвердитель) и перемешать до достижения гомогенности.
   5. Добавить эпоксидной смолы при 80 ° С с помощью вакуумного насоса, соединенного с вакуумным мешком с полимернымтруба до стеклоткани сваи полностью заполнена эпоксидной смолы и отвердителя ламинат в печи при температуре 140 ° С в течение 8 часов.
   6. Извлеките отвержденного ламината из духовки и снимите вакуумный мешок и вспомогательный материал.

4. Подготовка образцов для испытаний Штамм Датчики

1. Образцы машин (ЧПУ - фрезерный станок с ЧПУ) многомасштабных ламинатов до необходимого размера для испытаний на изгиб после ASTM D790-02 ²¹ и разрезают стеклоткань полос шириной 10 мм с целью изучения чувствительности штамма F-ГНП покрытием ткань.
   Примечание: Образцы устанавливаются на стол обработки с помощью клейкой ленты и обработаны с использованием следующих параметров: скорость подачи 500 мм / мин, число оборотов холостого хода 5000 мин ^-1 и глубине с шагом 0.1 мм.
2. Тщательно очистить поверхность механически обработанных образцов с ацетоном для удаления пыли.
3. Окрасочные линии серебра (акриловые краски) проводящая наповерхность материалов дистанцировался 20 мм друг от друга, чтобы свести к минимуму электрическое сопротивление контакта и придерживаться медных проводов к влажным серебряных линий в качестве электродов для облегчения измерения электрического сопротивления во время испытаний.
   Примечание: Электрические контакты расположены на обеих поверхностях: поверхностях сжатия и растяжения подвергаются поверхности.
4. После того, как серебряная краска высохнет, устанавливаются электрические контакты с клеем горячего расплава, чтобы избежать электрического контакта отряд.

5. Тестирование тензодатчик

1. Анализ электрического поведения датчиков при изгибных нагрузок (испытания на изгиб в трех точках).
   1. Измерьте ширину особи и толщину с суппортом.
   2. Установка образца в механической испытательной машины с изгибной тестовой конфигурации.
   3. Установите тест скорости (управляемый напряжением) до 1 мм / мин и начальной позиции, которая определяет начальную длину образца.
   4. Подключитеэлектрические контакты к мультиметра. Измерьте электрическое сопротивление между каждыми двумя смежными электрическими контактами , как указано на рисунке 1.
   5. Запуск изгибную испытание и контролировать электрическое сопротивление одновременно с целью изучения изменений вследствие индуцированного напряжения в образце.
   6. Повторите все шаги, по крайней мере, 3-х образцов ф-ГНП / эпоксидной смолы и F-ГНП / Стекловолокно композиционных материалов, чтобы подтвердить электрическое поведение композитных материалов.

Рисунок 1. Настройка Электрические контакты в изгибных испытаний многомасштабных композиционных материалов. Медные электроды крепятся на поверхности композитных материалов с использованием линий серебряной краской (серым цветом) , с тем чтобы свести к минимуму электрическое сопротивление контакта. Пожалуйста , нажмите здесьдля просмотра увеличенной версии этой фигуры.

2. Анализировать ф-ГНП / стеклоткани в качестве датчиков деформации человеческих движений.
   1. Монитор палец сгибание.
      1. Приложить стеклоткань полосы к каждому из пальцев нитриловые перчатки с термоплавкого клея на внутренней поверхности , как показано на рисунке 2.
      2. Повторите шаг 5.1.4, но измерить электрическое сопротивление контактов, размещенных на одном пальце.
      3. Запустить последовательность пальцев гибки для мониторинга и измерения электрического сопротивления в то время как пальцы сгибаются. Последовательность пальца изгиба в данном конкретном случае, это: (1) большой палец, (2) индекс, (3) средний палец, (4) кольцо палец, (5) все пальцы одновременно, и (6) последовательность изгиба (более высокая скорость ): (1), (2), (3), (4), (4), (3), (2) и (1).

фигура2. Расположение F-ГНП / стекловолоконных полос на внутренней поверхности пальцев нитрила перчатки , чтобы следить за пальцы гибки. После того, как ткань из стекловолокна имеет покрытие и сушат, полосы шириной 10 мм разрезаются и прикреплены на различной пальцы в перчатке с целью контроля за палец сгибания и подтверждают жизнеспособность протокола , описанного выше. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Результаты

Протокол для получения двух различных материалов описана в процедуре. Разница заключается в способе nanoreinforcement встроен в композитный материал для достижения электрической сети, которая может быть использована для мониторинга штамма. Первый способ состоит из покр?...

Обсуждение

Само-сенсорные свойства nanoreinforced композиционных материалов обусловлены электрической сети, созданной диафрагменное через ВНП эпоксидной матрицы и вдоль стекловолокна, который изменяется при деформации индуцируют. Дисперсия диафрагменное является то ВНП решающее значение, поскольк?...

Материалы

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