Grafen Nanoplatelets ile Ölçekli Kompozit Malzemeler Güçlendirilmiş dayanarak suşu Algılama

Özet

cam elyaf kompozit malzemeler bu tür grafen nanoplatelets olarak iletken nanopartiküllerin, entegrasyon suşu duyarlı bir içsel elektrik ağı oluşturur. Burada, farklı yöntemler epoksi matris içine ya da cam kumaşlar üzerinde bir kaplama önerilmiştir olarak grafen nanoplatelets eklenmesi dayalı gerilme sensörleri elde etmek.

Özet

NH ₂ elektrik tepki grafen baskı altında kompozit malzemeler çalışıldı nanoplatelets işlevselleştirilmiş. Iki farklı imalat yöntemi Bu çalışma elektrik bir ağ oluşturmak için önerilmektedir: (a) Aynı nanoplatelets dolu bir boyutlandırma epoksi matriks ve cam kumaş (b) kaplama içine nanoplatelets dahil edilmesi. 10 ^-3 S / m ~ bir düzlem elektrik iletkenliği ile çok ölçekli kompozit malzemelerin her iki tip, bağlı bitişik işlevselleştirilmiş grafen nanoplatelets ve örten olanlar arasındaki temas kaybı arasında bir mesafe için gerilme arttıkça elektriksel direnç üstel büyüme gösterdi. tarif edilen prosedürler kullanılarak, bu araştırma sırasında analiz malzeme duyarlılığı, ticari olarak temin edilebilen gerinim ölçerler daha yüksek olduğu gösterilmiştir. yapısal kompozit malzemenin kendine algılama için önerilen prosedürler yapısal sağlık monitör kolaylaştıracakBöyle offshore rüzgar enerjisi çiftlikleri gibi zor erişim emplacements bileşenlerin ing. Çok ölçekli kompozit malzemelerin duyarlılığı gerilme ölçerler olarak kullanılan metalik folyolar hassasiyeti, NH ₂ fonksiyonlaşmış grafen nanoplatelets kaplanmış kumaşlar ile ulaştığı değerden oldukça yüksek olmasına rağmen üstün büyüklükte yaklaşık bir emirdi. Bu sonuç, potansiyel bu parmaklar veya diz bükülme insan hareketlerini izlemek için, akıllı kumaş olarak kullanılacak açıklanacaktır. Önerilen yöntem kullanılarak, akıllı kumaş hemen bükme algılar ve anında geri verebilir. Bu durum hassas eğilme zaman izlenmesi ve bükme derecesini verir.

Giriş

Yapısal sağlık izleme (SHM) nedeniyle yapıların ^1-3 kalan ömrünü bilmek ihtiyacı giderek daha önemli hale gelmiştir. Günümüzde, bu tür offshore rüzgar santralleri, bakım işlemlerinde yüksek risklere kurşun yanı sıra büyük maliyetler ^2-4 olarak erişim yerle zor. Kendini algılama malzemeler nedeniyle kendi kendini kontrol suşu ve hasar ⁵ kabiliyetlerine SHM alanındaki olanakları birini oluşturmaktadır.

Rüzgar türbinlerinin durumunda, bıçaklar genelde elektriksel izolasyonu olan cam elyaf / epoksi kompozit malzemeler, imal edilmektedir. Bu kompozit malzeme kendini algılama özellikler kazandırmak için, duyarlı bir içsel bir elektrik şebekesine zorlanma ve hasar oluşturulmalıdır. Son birkaç yılda, bu tür gümüş nanoteller ^6,7, karbon nanotüpler (CNT) ^8-10 ve grafen nanoplatelets (GNPs) ^11-13 gibi iletken nanopartiküllerin birleştirilmesiBu elektrik ağ oluşturmak için çalışılmıştır. Bu nanopartiküller, polimer matrisine dolgu maddesi olarak sisteme ya da cam elyaf kumaş ¹⁴ kaplanarak dahil edilebilir. Bu malzemeler, diğer endüstriyel örneğin alanlar, havacılık, otomotiv ve mühendislik ⁵ uygulanabilir ve kaplanmış kumaşlar biyomekanik uygulama ^7,15 olarak akıllı materyaller kullanılabilir.

Bu sensörlerin Piezoresistivity üç farklı katkıları ile elde edilir. İlk katkı nanopartiküllerinin iç piezoresistivity olduğu; yapısının bir soyu nanopartiküllerinin elektrik iletkenliği değiştirir. Ancak, ana katkıları nedeniyle örten olanlar ⁹ arasındaki temas alanının varyasyonlar nedeniyle komşu nanopartiküller ve elektriksel temas direnci arasındaki mesafelerde değişikliklere tünel elektriksel direnç değişiklikleri, vardır. Bu piezoresistivity yüksek olduğunda 2B nElektrik şebekesi geometrik değişiklikler ve süreksizliklerin, ¹⁶ superior büyüklük genellikle bir sipariş daha yüksek bir duyarlılık sunuyor çünkü anoparticles 1D nanopartiküller ile karşılaştırıldığında nano-dolgu olarak kullanılır.

Nedeniyle 2B atom karakteri ¹⁷ ve yüksek elektriksel iletkenlik ^18,19 ile grafen nanoplatelets gelişmiş hassasiyet ile kendini sensörleri elde etmek için çok ölçekli kompozit malzemelerin nano-pekiştirici olarak bu çalışmada seçilmiştir. Kompozit malzeme içine GNPs dahil iki farklı yolu algılama mekanizmaları ve duyarlılık olası farklılıkları aydınlatmak amacıyla incelenir.

Protokol

Ölçek Kompozit Malzemelerin için Fonksiyonlu Grafen Nanoplatelet Dolgulu Epoksi 1. Hazırlık

1. Epoksi reçine içine işlevselleştirilmiş grafen nanoplatelets (f-GNPs) Dağılın.
   1. Bir ductless davlumbaz içinde nihai nanokompozit materyalin 12 ağırlıkça% elde etmek için f-GNPs 24.00 gr tartılır.
   2. homojenlik elde etmek için karıştırın elle bisfenol 143,09 g A diglisidil eter (DGEBA) monomer ekleyin.
   3. Sonikasyon ve kalenderleme ²⁰ süreçleri prob birleştiren bir iki aşamalı yöntemi ile monomer içine f-GNPs Dağılın.
      1. genlik% 50 Karışımı 45 dakika için 0.5 saniye arasında bir döngü sonikasyon.
      2. 250 rpm, 300 rpm ve 350 rpm: 5 um'lik bir silindir boşluk ile perdahlama ve her bir çevrimde silindir hızının arttırılması, 3 döngülük uygulanır.
      3. dispersiyonu tamamlandıktan sonra F-GNP / monomer karışımının tartılır.
   4. unde f-GSMH / monomer karışımının degasR, vakum ve 15 dakika boyunca 80 ° C'de manyetik karıştırma.
   5. Tartılır ve 100 arasında bir ağırlık oranında sertleştirici: 23 (monomer: Sertleştirici) ve manuel homojenlik elde edilinceye kadar karıştırılır.

Ölçek Kompozit Malzemelerin için Fonksiyonlu Grafen Nanoplatelet Dolgulu Haşıl (Süspansiyon) Cam Kumaş 2. Kaplama

1. Boyutlandırma içine işlevselleştirilmiş grafen nanoplatelets dağılırlar.
   1. Bir ductless davlumbaz içine (2.1.2 belirtilen boyutlandırma / distile su) çözücü 142.5 g 'ı içerisine F-GNPs bir ağ% 5 elde etmek için gerekli miktar, 7.5 g tartılır.
   2. ductless davlumbaz içinde: (1 ağırlık 1) f-GNPs karışımı ve damıtılmış su ile seyreltilmiş, boyutlandırma hazırlayın. distile su ilave edildikten sonra, ductless davlumbaz dışında çalışma yapmak.
   3. 45% 50 genlik dakika ve 0.5 saniyelik bir döngü için prob sonikasyon ile GNPs dağıtılır.
2. g Coatf-GSMH dolu boyutlandırma ile lass kumaş.
   1. Kumaş kesim için uygun makas ile, bir daldırma kaplayıcı kullanılarak daha sonra 120 mm ² ve daldırma kaplama (tek daldırma) tarafından f-GNPs karışımı ve boyutlandırma (2.1.3) ile kat onları х 120 boyutları ile cam kumaşın 14 katmanları kesti f-GSMH dolu boyutlandırma.
   2. Üretici tarafından sağlanan teknik tablolarda belirtilen, 24 saat boyunca 150 ° C'de vakumlu bir fırın içinde F-GNP kaplı cam kumaş kurutulur.

Ölçek Kompozit Malzemelerin 3. Üretim

1. F-GSMH / epoksi kompozit malzemeler imalatı.
   1. karışımın gazı alındıktan sonra, tüm üretim süreci için, 80 ° C'de manyetik karıştırma altında ön-GNP dolgulu epoksi reçine tutun.
   2. 80 ° C de bir fırın içine cam kumaş 14 tabakaları yerleştirin.
   3. Alternatif olarak, K-GNP dolgulu epoksi tabakası ve cam elyaf kumaş, bir tabaka (14 katman) sequen yerçta her bir cam kumaş katmanı yerleştirdikten sonra bir de-havalandırma silindiri kullanarak bir metalik plaka üzerinde elle.
      1. Kesme ve çelik plaka üzerinde anti-yapışkan polimer film (120 х 120 ^mm2) yerleştirmek için makas kullanın.
      2. bir fırça ile anti-yapışkan polimer film f-GNP / epoksi karışımı tabakası uygulanır. Cam elyaf kumaş katmanı yerleştirin. f-GSMH / epoksi bölge ve farklı kumaş tabakalarının uyum alanı kapsayan önemini unutmayın. Bir de-havalandırma rulo ile hava ve kompakt katları çıkarın.
      3. laminatın tüm tabakaları tamamlanana kadar tekrar aşama 3.1.3.2.
      4. Fırça F-GNP / epoksi karışımının bir son tabaka uygulanır ve anti-yapışkan polimer, başka bir film tabakası ile lamine kapsamaktadır.
   4. Tüm kumaş tabakaları yığılı edildikten sonra, 6 bar'lık bir basınca kadar basıncını artan 8 saat 140 ° C'de bir sıcak levha presinde laminat tedavi.
   5. Sıcak plat gelen tedavi laminat Özüe basın.
2. Vakum destekli reçine infüzyon kalıplama (VARIM) tarafından f-GSMH / cam elyaf kompozit malzemeler imalatı.
   1. VARIM gerçekleştirilebilir olacak metalik plaka hazırlanması.
      1. aseton ile çelik levha yüzeyini temizleyin.
      2. çelik levhanın üzerine anti-yapışkan polimer film yerleştirin.
   2. F-GSMH kaplamalı cam kumaş dizisini plaka üzerine (boyutlar х 120 mm ² 120 ile 14 kat) yerleştirin. kumaş tabakaları görsel ve dokunma ile uyumlu olduğundan emin olun.
   3. VARIM işlemi için sızdırmazlık bandı ile vakum torbası kapatılır ve bir fırın içinde, 80 ° C de bir sistem önceden ısıtın.
   4. 15 dakika boyunca 80 ° C'de vakum ve manyetik çalkalama altına DGEBA monomer gaz çıkışına. 23: 100 arasında bir ağırlık oranında sertleştirici (monomer: sertleştirici) ve homojenlik elde edilinceye kadar karıştırılır.
   5. Bir polimerik vakum torbasına bağlı bir vakum pompası ile 80 ° C 'de epoksi reçine eklemecam elyaf yığınının kadar tüpü tamamen epoksi reçine ile doldurulur ve 8 saat 140 ° C'de bir fırında laminat tedavi edilir.
   6. Fırından tedavi laminat ayıklayın ve vakum çanta ve yardımcı malzeme çıkarmak.

Gerilme Sensörleri Testleri için Numune 4. hazırlanması

1. Makine örnekleri (Computer Numerical Control - CNC freze) ASTM D790-02 ²¹ aşağıdaki eğilme testler için gerekli boyuta multiscale laminat ve f-GSMH kaplı şekil değiştirme hassasiyetini incelemek için cam elyaf kumaş bantlarının genişliği 10 mm kesme kumaş.
   Not: Örnekler yapışkan bant ile işleme masanın üzerine sabit ve aşağıdaki parametreler kullanılarak işlenir: 500 mm / dakika, 0.1 mm 5.000 dk ^-1 ve derinlik adımları rölantide besleme hızı.
2. Dikkatle toz ortadan kaldırmak için aseton ile işlenmiş numunelerin yüzeyini temizlemek.
3. gümüş Boya hatları (akrilik iletken boya) üzerindemalzemelerin yüzey elektrotları testleri sırasında elektriksel direnç ölçümünü kolaylaştırmak için elektrik kontağı direncini en aza indirmek ve ıslak gümüş hatlarına bakır teller uymaları 20 mm aralıklı uzaklaştırdı.
   NOT: sıkıştırma yüzeyleri ve çekme tabi yüzeyler: Elektrik temas iki yüzeye yer almaktadır.
4. gümüş boya kuruduktan sonra, elektrik kontağı dekolmanı önlemek için sıcak eriyik yapıştırıcı ile elektrik temas düzeltmek.

5. Gerilme Sensörü Test

1. Eğilme yükleri (üç noktalı eğilme testi) kapsamında sensörlerin elektriksel davranışlarını analiz.
   1. Bir kumpas ile Numune genişliğini ve kalınlığını ölçün.
   2. eğilme testi yapılandırma ile mekanik test makinesinde numune ayarlayın.
   3. 1 mm / dak ve numunenin ilk uzunluğunu tanımlar başlangıç ​​pozisyonuna (suş tarafından kontrol edilen) test hızı ayarlayın.
   4. bağlamakmultimetre elektrik kontakları. Şekil 1 'de belirtildiği gibi, her iki bitişik elektrik temas noktaları arasındaki elektrik direncini ölçer.
   5. eğilme testi çalıştırın ve numune indüklenen gerginlik nedeniyle varyasyonlarını incelemek için aynı anda elektrik direnci izlemek.
   6. Kompozit malzemelerin elektrik davranışı doğrulamak için F-GNP / epoksi ve F-GNP / cam elyaf kompozit malzemelerden en az 3 örnek için tüm adımları tekrarlayın.

Çok ölçekli kompozit malzemelerin eğilme testleri Şekil 1. Elektrik kontak kurulumu. Bakır elektrotlar elektrik kontağı direncini en aza indirmek için (gri) gümüş boya hatları kullanılarak kompozit malzemelerin yüzeyinde bağlanır. TıklayınızBu rakamın büyük bir versiyonunu görmek için.

2. F-GSMH / insan hareketlerinin suşu sensörleri cam kumaş analiz edin.
   1. Parmak bükme izleyin.
      1. Şekil 2'de gösterildiği gibi, iç yüzeyi üzerinde, sıcak eriyen bir yapıştırıcı ile bir nitril eldivenin parmaklarının her cam elyaf kumaş bantları takın.
      2. adımı 5.1.4 tekrarlayın aynı parmağına yerleştirilen kişileri elektrik direncini ölçün.
      3. parmaklar bükme sırasında elektrik direncini izlemek ve ölçmek için bükme parmak dizisini başlatın. Bu özel durumda, bükülme parmak sekansıdır: (1) parmak, (2) göstergesi, (3), orta parmağı (4) yüzük parmağı (5) eş zamanlı parmak ve bükme (6) sekansı (yüksek hızlı ): (1), (2), (3), (4), (4), (3), (2) ve (1).

şekilBir nitril eldiven parmakların iç yüzeyi f-GNP / cam elyaf bantların 2. Yer cam elyaf kumaş kaplı ve kurutuldu, genişliği 10 mm kesilir bantları ve farklı takılı sonra parmak. Bükülme izlemek bükme ve yukarıda açıklanan protokol canlılığı teyit parmak izlenmesi amacıyla bir eldivenin parmak. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Sonuçlar

iki farklı malzeme elde etmek için protokol, prosedürü tarif edilmiştir. Fark nanoreinforcement izleme soy için kullanılabilecek bir elektrik ağ elde etmek için kompozit malzeme dahil edilen şekilde ise. İlk yöntem, bir akıllı kumaş olarak kullanılabilir F-GNP boyutlandırma bir cam fiber kumaş kaplama oluşur (F-GNP / cam elyaf olarak adlandırılır) ya da polimer matrisi ölçek bazlı kompozit malzemelerin takviye olarak (F-GNP / cam isimli fiber kompozit malze...

Tartışmalar

nanoreinforced kompozit malzemelerin öz-sensör özellikleri streyn indüklemeli zaman modifiye edilmiş epoksi matris boyunca ve cam lifleri boyunca ön-GNPs tarafından oluşturulan elektrik şebekesine, kaynaklanmaktadır. Sensörlerin elektriksel davranışı şiddetle malzemenin mikro bağlıdır çünkü f-GNPs dağılım sonra önemlidir. Burada, epoksi matrisine GNPs bir dağılım elde etmek için ve elektrik iletkenliği zararına neden nanopartiküllerinin kırışmasını önlemek için optimize edilmiş bi...

Malzemeler

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