Name: strain sensing based on multiscale composite materials reinforced with graphene nanoplatelets
Uploaded: 2016-11-07T13:00:00
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Los autores desean reconocer el Ministerio de Economía y Competitividad del Gobierno de España (Proyecto MAT2013-46695-C3-1-R) y Comunidad de Madrid Gobierno (P2013 / MIT-2862).

1. Preparación de la sustancia epoxídica rellena de grafeno funcionalizado Nanoplatelet de Materiales Compuestos Multiescala <ol><li> Dispersar nanoplatelets grafeno funcionalizados (F-PNB) en la resina epoxi. <ol><li> Pesar 24,00 g de F-PNB para lograr un 12% en peso del material nanocompuesto definitiva dentro de una campana de humos sin conductos. </li><li> Añadir 143.09 g del monómero bisfenol A diglicidiléter (DGEBA) y se mezcla manualmente para lograr homogeneidad. </li><li> Dispersar a los...

<ol>
	<li>Farrar, C. R., Worden, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+introduction+to+structural+health+monitoring.">An introduction to structural health monitoring.</a> Philos Trans Math Phys Eng Sci. 365, 303-315 (2007).</li><li>Lorenzo, E. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Structural+Health+Monitoring+challenges+on+the+10-MW+offshore+wind+turbine+model.">Structural Health Monitoring challenges on the 10-MW offshore wind turbine model.</a> J Phys Conf Ser. 628, 012081 (2015).</li><li>Braga, D. F. O. O., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+design+for+lightweight+structures:+Review+and+prospects.">Advanced design for lightweight structures: Review and prospects.</a> Prog Aerosp Sci. 69, 29-39 (2014).</li><li>Garc&#236;a M&#225;rquez, F. P., Tobias, A. M., PinarP&#233;rez, J. M., Papaelias, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Condition+monitoring+of+wind+turbines:+Techniques+and+methods.">Condition monitoring of wind turbines: Techniques and methods.</a> Renew Energy. 46, 169-178 (2012).</li><li>Chung, D. D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-monitoring+structural+materials.">Self-monitoring structural materials.</a> Mater Sci Eng R Reports. 22, 57-78 (1998).</li><li>Kandare, E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Improving+the+through-thickness+thermal+and+electrical+conductivity+of+carbon+fibre/epoxy+laminates+by+exploiting+synergy+between+graphene+and+silver+nano-inclusions.">Improving the through-thickness thermal and electrical conductivity of carbon fibre/epoxy laminates by exploiting synergy between graphene and silver nano-inclusions.</a> Compos Part A Appl Sci Manuf. 69, 72-82 (2015).</li><li>Amjadi, M., Pichitpajongkit, A., Lee, S., Ryu, S., Park, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Highly+stretchable+and+sensitive+strain+sensor+based+on+silver+nanowire-elastomer+nanocomposite.">Highly stretchable and sensitive strain sensor based on silver nanowire-elastomer nanocomposite.</a> ACS Nano. 8, 5154-5163 (2014).</li><li>Alamusi, H. N., Fukunaga, H., Atobe, S., Liu, Y., Li, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Piezoresistive+strain+sensors+made+from+carbon+nanotubes+based+polymer+nanocomposites.">Piezoresistive strain sensors made from carbon nanotubes based polymer nanocomposites.</a> Sensors. 11, 10691-10723 (2014).</li><li>Njuguna, M. K. K., Yan, C., Hu, N., Bell, J. M. M., Yarlagadda, P. K. D. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Sandwiched+carbon+nanotube+film+as+strain+sensor.">Sandwiched carbon nanotube film as strain sensor.</a> Compos Part B Eng. 43, 2711-2717 (2012).</li><li>Liu, Y., Rajadas, A., Chattopadhyay, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+biomimetic+structural+health+monitoring+approach+using+carbon+nanotubes.">A biomimetic structural health monitoring approach using carbon nanotubes.</a> JOM. 64, 802-807 (2012).</li><li>Eswaraiah, V., Balasubramaniam, K., Ramaprabhu, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Functionalized+graphene+reinforced+thermoplastic+nanocomposites+as+strain+sensors+in+structural+health+monitoring.">Functionalized graphene reinforced thermoplastic nanocomposites as strain sensors in structural health monitoring.</a> J Mater Chem. 21, 12626-12628 (2011).</li><li>Chiacchiarelli, L. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+role+of+irreversible+and+reversible+phenomena+in+the+piezoresistive+behavior+of+graphene+epoxy+nanocomposites+applied+to+structural+health+monitoring.">The role of irreversible and reversible phenomena in the piezoresistive behavior of graphene epoxy nanocomposites applied to structural health monitoring.</a> Compos Sci Technol. 80, 73-79 (2013).</li><li>Le, J., Du, H., Dai, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Use+of+2D+Graphene+Nanoplatelets+(GNP)+in+cement+composites+for+structural+health+evaluation.">Use of 2D Graphene Nanoplatelets (GNP) in cement composites for structural health evaluation.</a> Compos Part B. 67, 555-563 (2014).</li><li>Ren, X., Burton, J., Seidel, G. D., Lafdi, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computational+multiscale+modeling+and+characterization+of+piezoresistivity+in+fuzzy+fiber+reinforced+polymer+composites.">Computational multiscale modeling and characterization of piezoresistivity in fuzzy fiber reinforced polymer composites.</a> Int J Solids Struct. 54, 121-134 (2015).</li><li>Park, M., Park, J., Jeong, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+of+conductive+composite+elastomers+for+stretchable+electronics.">Design of conductive composite elastomers for stretchable electronics.</a> Nano Today. 9, 244-260 (2014).</li><li>Kim, Y. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+of+piezoresistive+nano+smart+hybrid+material+based+on+graphene.">Preparation of piezoresistive nano smart hybrid material based on graphene.</a> Curr Appl Phys. 11, S350-S352 (2011).</li><li>Sadeghi, M. M., Pettes, M. T., Shi, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Thermal+transport+in+graphene.">Thermal transport in graphene.</a> Solid State Commun. 152, 1321-1330 (2012).</li><li>Potts, J. R., Dreyer, D. R., Bielawski, C. W., Ruoff, R. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Graphene-based+polymer+nanocomposites.">Graphene-based polymer nanocomposites.</a> Polymer. 52, 5-25 (2011).</li><li>Zaman, I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+facile+approach+to+chemically+modified+graphene+and+its+polymer+nanocomposites.">A facile approach to chemically modified graphene and its polymer nanocomposites.</a> Adv Funct Mater. 22, 2735-2743 (2012).</li><li>Moriche, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphological+changes+on+graphene+nanoplatelets+induced+during+dispersion+into+an+epoxy+resin+by+different+methods.">Morphological changes on graphene nanoplatelets induced during dispersion into an epoxy resin by different methods.</a> Compos Part B Eng. 72, 199-205 (2015).</li><li>ASTM International. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> ASTM D790-15e2, Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials. , D790 (2015).</li><li>Gong, S., Zhu, Z. H., Meguid, S. 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S., Dong, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+graphene+waviness+on+the+thermal+conductivity+of+graphene+composites.">Role of graphene waviness on the thermal conductivity of graphene composites.</a> Appl Phys A. 111, 221-225 (2013).</li><li>Monti, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Morphology+and+electrical+properties+of+graphene-epoxy+nanocomposites+obtained+by+different+solvent+assisted+processing+methods.">Morphology and electrical properties of graphene-epoxy nanocomposites obtained by different solvent assisted processing methods.</a> Compos Part A. 46, 166-172 (2013).</li><li>Moazzami Gudarzi, M., Sharif, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Enhancement+of+dispersion+and+bonding+of+graphene-polymer+through+wet+transfer+of+functionalized+graphene+oxide.">Enhancement of dispersion and bonding of graphene-polymer through wet transfer of functionalized graphene oxide.</a> Express Polym Lett. 6, 1017-1031 (2013).</li><li>Fan, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fabrication,+mechanical+properties+and+biocompatibility+of+graphene-reinforced+chitosan+composites.">Fabrication, mechanical properties and biocompatibility of graphene-reinforced chitosan composites.</a> Biomacromolecules. 11, 2345-2351 (2010).</li><li>Teomete, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transverse+strain+sensitivity+of+steel+fiber+reinforced+cement+composites+tested+by+compression+and+split+tensile+tests.">Transverse strain sensitivity of steel fiber reinforced cement composites tested by compression and split tensile tests.</a> Constr Build Mater. 55, 136-145 (2014).</li><li>Nauman, S., Cristian, I., Koncar, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Simultaneous+Application+of+Fibrous+Piezoresistive+Sensors.">Simultaneous Application of Fibrous Piezoresistive Sensors.</a> Sensors. 11, 9478-9498 (2011).</li><li>Han, B., Ding, S., Yu, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intrinsic+self-sensing+concrete+and+structures+A+review.">Intrinsic self-sensing concrete and structures A review.</a> Measurement. 59, 110-128 (2015).</li></ol>

propiedades de auto-sensor de materiales compuestos nanoreinforced se deben a la red eléctrica creada por los F-PNB través de la matriz epoxi y a lo largo de las fibras de vidrio, que se modifica cuando se induce tensión. La dispersión de los F-PNB es entonces crucial porque el comportamiento eléctrico de los sensores depende en gran medida de la microestructura del material. A continuación, presentamos un procedimiento optimizado para lograr una buena dispersión de los PNB en la matriz epoxi y para evitar la for...

Vigilancia de la salud estructural (SHM) se ha convertido cada vez más importante debido a la necesidad de conocer la vida restante de las estructuras 1-3. Hoy en día, lugares de difícil acceso, tales como plantas eólicas en alta mar, conducen a mayores riesgos en las operaciones de mantenimiento, así como mayores costos de 2-4. Materiales de auto-detección constituyen una de las posibilidades en el campo de la SHM debido a su capacidad de esfuerzo de autocontrol y que el daño 5. En el caso de las turbinas de viento, las hojas se fabrican generalmente en materiales compuestos de fibra / epoxi de vidrio, que son aislantes eléctricamente. Con el fin de conferir propiedades de auto-detección para este material compuesto, una red eléctrica intrínseca susceptibles a la tensión y el daño tiene que ser creado. Durante los últimos años, la incorporación de nanopartículas conductoras tales como nanocables de plata 6,7, nanotubos de carbono (CNT), 8-10 y nanoplatelets grafeno (PNB) 11-13se ha estudiado para crear esta red eléctrica. Estas nanopartículas se pueden incorporar en el sistema como material de relleno en la matriz polimérica o mediante el recubrimiento de la tela de fibra de vidrio 14. Estos materiales también se pueden aplicar a otros campos de la industria, es decir, aeroespacial, ingeniería de automoción y civiles 5 y tejidos recubiertos se pueden utilizar como materiales inteligentes en aplicaciones biomecánicas 7,15. Piezoresistivity de estos sensores se logra mediante tres contribuciones diferentes. La primera contribución es la piezoresistivity intrínseca de las nanopartículas; una cepa de la estructura cambia la conductividad eléctrica de las nanopartículas. Sin embargo, las principales contribuciones son los cambios en la resistencia eléctrica del túnel, debido a modificaciones en las distancias entre las nanopartículas adyacentes, y la resistencia de contacto eléctrica, debido a las variaciones en el área de contacto entre las 9 superpuestas. Este piezoresistivity es mayor cuando 2D nanoparticles se utilizan como nanorelleno en comparación con las nanopartículas 1D porque la red eléctrica presenta una mayor susceptibilidad a los cambios y discontinuidades geométricas, por lo general de un orden de magnitud superiores 16. Debido al carácter atómica 2D 17 y la alta conductividad eléctrica 18,19, nanoplatelets grafeno se han seleccionado en este trabajo como la nano-reforzador de materiales compuestos de múltiples escalas con el fin de obtener la auto-sensores con una sensibilidad mejorada. Dos formas diferentes de incorporar los PNB en el material compuesto se estudian con el fin de dilucidar las posibles diferencias en los mecanismos de detección y sensibilidad.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="816">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:217px;">Graphene Nanoplatelets</td>
			<td style="width:113px;">XGScience</td>
			<td style="width:319px;">M25</td>
			<td style="width:167px;">NA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="42" rowspan="2" style="height:42px;width:217px;">Epoxy resin&#160;</td>
			<td rowspan="2" style="width:113px;">Huntsman</td>
			<td style="width:319px;">Araldite LY556</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:319px;">XB3473</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:217px;">Probe sonication</td>
			<td>Hielscher&#160;</td>
			<td>UP400S&#160;</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:217px;">Three roll mill</td>
			<td style="width:113px;">Exakt</td>
			<td>Exakt 80E (Exakt GmbH)</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:217px;">Glass fiber fabric</td>
			<td style="width:113px;">Hexcel</td>
			<td>HexForce &#174; 01031 1000 TF970 E UD 4H&#160;</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:217px;">Hot plate press</td>
			<td style="width:113px;">Fontijne&#160;</td>
			<td>Fontijne LabEcon300</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:217px;">Sizing</td>
			<td style="width:113px;">Nanocyl</td>
			<td>SizicylTM</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
		<tr height="22">
			<td height="22" style="height:22px;width:217px;">Multimeter</td>
			<td style="width:113px;">Alava Ingenieros</td>
			<td>Agilent 34410A&#160;</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:217px;">Strain Gauges</td>
			<td style="width:113px;">Vishay</td>
			<td>Micro-Measurement (MM&#174;) CEA-06-187UW-120&#160;</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:217px;">Mechanical tests machine</td>
			<td style="width:113px;">Zwick</td>
			<td>Zwick/Roell 100&#160;kN</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:217px;">Conductive silver paint</td>
			<td style="width:113px;">Monocomp</td>
			<td style="width:319px;">16062 &#8211; PELCO&#174; Conductive Silver Paint</td>
			<td>NA</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

strain sensing based on multiscale composite materials reinforced with graphene nanoplatelets

La respuesta eléctrica de NH 2 -functionalized grafeno nanoplatelets se estudió materiales compuestos bajo tensión. Se proponen dos métodos de fabricación diferentes para crear la red eléctrica en este trabajo: (a) la incorporación de los nanoplatelets en la matriz epoxi y (b) el recubrimiento de la tela de vidrio con un apresto lleno de los mismos nanoplatelets. Ambos tipos de materiales compuestos multiescala, con una conductividad eléctrica en el plano de ~ 10 -3 S / m, mostraron un crecimiento exponencial de la resistencia eléctrica medida que aumenta la deformación debido a distanciarse entre nanoplatelets grafeno funcionalizados adyacentes y la pérdida de contacto entre los recubre. La sensibilidad de los materiales analizados durante esta investigación, utilizando los procedimientos descritos, se ha demostrado que ser mayor que medidores de deformación disponibles comercialmente. Los procedimientos propuestos para la auto-detección del material compuesto estructural facilitarían el monitor de condición estructuralción de los componentes en los emplazamientos de difícil acceso, como los parques eólicos en alta mar. Aunque la sensibilidad de los materiales compuestos multiescala fue considerablemente mayor que la sensibilidad de láminas metálicas utilizado como medidores de deformación, el valor alcanzado con NH 2 telas nanoplatelets grafeno funcionalizados recubiertos fue casi un orden de magnitud superior. Este resultado dilucidado su potencial para ser utilizado como telas inteligentes para controlar los movimientos humanos, tales como la flexión de los dedos o las rodillas. Al utilizar el método propuesto, el tejido inteligente podría detectar inmediatamente la flexión y recuperar al instante. Este hecho permite la monitorización precisa de la hora de la flexión, así como el grado de flexión.

<html> El protocolo para obtener dos materiales diferentes se ha descrito en el procedimiento. La diferencia está en la manera en que el nanoreinforcement se incorpora en el material compuesto para lograr una red eléctrica que podría ser utilizado para tensar el monitoreo. El primer método consiste en el recubrimiento de un tejido de fibra de vidrio con f-GNP dimensionamiento que se puede utilizar como un tejido inteligente (nombrado f-GNP fibra / vidrio) o como refuerzo de materiales...

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Strain Sensing Based on Multiscale Composite Materials Reinforced with Graphene Nanoplatelets

La integración de nanopartículas conductoras, tales como nanoplatelets grafeno, en materiales compuestos de fibra de vidrio crea una red eléctrica intrínseca susceptible a la tensión. Aquí, diferentes métodos para obtener sensores de tensión en función de la adición de nanoplatelets grafeno en la matriz epoxi o como se propone un revestimiento sobre tejidos de vidrio.

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