سلالة الاستشعار استنادا متعددة النطاقات المواد المركبة مسلح مع الجرافين Nanoplatelets
نوفمبر 7, 2016
دمج الجسيمات النانوية موصلة، مثل nanoplatelets الجرافين، إلى مواد مركبة من ألياف الزجاج يخلق الشبكة الكهربائية الجوهرية عرضة للإجهاد. هنا، طرق مختلفة للحصول على أجهزة استشعار الضغط على أساس إضافة nanoplatelets الجرافين في مصفوفة الايبوكسي أو كما اقترح الطلاء على الأقمشة الزجاجية.
الهدف العام من هذا الإجراء هو تحقيق خصائص الاستشعار الذاتي في المواد المركبة لمراقبة الصحة الهيكلية. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في فشل الكشف التلقائي عن البحر ، مثل القياس الكمي للسلالة والأضرار بدلا من مزارع الرياح البحرية والتنبؤ بعمر الخادم الخاص بها. الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنه يمكن اكتشاف الضرر بواسطة المكون الهيكلي نفسه.
على الرغم من أن هذه الطريقة يمكن أن توفر نظرة ثاقبة للأضرار الهيكلية للمواد المركبة ، إلا أنه يمكن تطبيقها أيضا على أنظمة أخرى مثل التحليل الميكانيكي الحيوي أثناء التعافي من الإصابة. لبدء التحضير ، في غطاء دخان بدون مجاري ، امزج يدويا 24 جراما من الصفائح النانوية للجرافين الوظيفية مع مونومر DGEBA. لتفريق f-GNPs في المونومر ، قم أولا بصوتنة الخليط باستخدام مسبار Sonicator لمدة 45 دقيقة.
ثم قم بتقويم الخليط ثلاث مرات ، مع زيادة سرعة الأسطوانة في كل مرة. بعد التشتت ، قم بوزن الخليط. سخني الخليط إلى 80 درجة مئوية مع التحريك ، ثم ضعي الخليط تحت الفراغ.
ينزع الخليط مع التحريك لمدة 15 دقيقة. قم بوزن المقسى بنسبة وزن 100 إلى 23 من مونومر DGEBA إلى المقسى. يرفع الخليط من الفراغ ويتوقف عن التحريك المغناطيسي.
أضيفي المقسى وقلبي باليد حتى يتجانس. بعد التفريغ والخلط اليدوي ، احتفظ بمادة الإيبوكسي f-GNP عند 80 درجة مئوية تحت التحريك المغناطيسي. ثم قم بتنظيف صفيحة فولاذية بالأسيتون.
باستخدام مقص القماش ، قم بقص 14 طبقة من قماش الألياف الزجاجية إلى الأبعاد المرغوبة. سخني القماش الزجاجي إلى 80 درجة مئوية في الفرن. قطع مربعين من فيلم البوليمر المضاد للالتصاق بنفس أبعاد القماش.
ضع الفيلم على الصفيحة الفولاذية النظيفة. باستخدام فرشاة ، ضع طبقة من الإيبوكسي المملوء ب f-GNP على مربع واحد من فيلم البوليمر. ضع بعناية مربعا واحدا من البلاستيك المصنوع من الألياف الزجاجية الدافئة على الفيلم المغطى بالإيبوكسي ، بحيث يتم تغطية الإيبوكسي والفيلم بالكامل.
استخدم أسطوانة إزالة التهوية لضغط المواد. استمر في تطبيق طبقات من الإيبوكسي والقماش ، وضغطها في كل مرة ، حتى يتم استخدام جميع الأقمشة المتبقية. ضع طبقة أخيرة من الايبوكسي ، وضع المربع المتبقي من فيلم البوليمر المضاد للالتصاق فوق الرقائق.
عالج الصفائح في مكبس لوح ساخن مع زيادة الضغط. في غطاء الدخان بدون مجاري الهواء ، قم بإعداد خليط واحد إلى واحد من عامل التحجيم إلى الماء المقطر. أضف إلى هذا 7.5 جرام من f-GNPs.
قم بإزالة الخليط من غطاء الدخان ، وتفريق الصفائح النانوية عن طريق صوتنة المسبار. قطع 14 مربعا من قماش الألياف الزجاجية. استخدم Dip Coater لطلاء القماش الزجاجي بالمقاس المملوء ب f-GNP.
ثم جفف القماش المطلي في فرن مفرغ من الهواء. نظف صفيحة فولاذية بالأسيتون. ضع مربعا من فيلم البوليمر المضاد للالتصاق بنفس أبعاد مربعات نسيج الألياف الزجاجية على الصفيحة الفولاذية.
ضع 14 مربعا من نسيج الألياف الزجاجية المطلي على فيلم البوليمر ، مع التأكد من محاذاة الحواف. ثم ضع اللوحة والقماش في كيس مفرغ من الهواء. باستخدام شريط مانع للتسرب ، أغلق كيس التفريغ.
سخني الكيس مسبقا في فرن على حرارة 80 درجة مئوية. قم بإزالة مونومر DGEBA تحت الفراغ أثناء التحريك. يضاف المقسى بنسبة 100 إلى 23 مونومر إلى وزن المقسى ويحرك حتى يتجانس.
قم بتوصيل مضخة تفريغ بكيس التفريغ وقم بإجراء فحوصات التسرب. قم بتوصيل طول أنبوب البوليمر بالكيس واغمر الطرف المفتوح في راتنجات الايبوكسي. قم بتشغيل مضخة التفريغ لسحب الراتنج إلى الكيس.
بمجرد نقع كومة القماش الزجاجي بالكامل براتنجات الايبوكسي ، قم بإيقاف تشغيل المضخة وأغلق الكيس. عالج الصفائح في الكيس في فرن على حرارة 140 درجة مئوية لمدة 8 ساعات. ثم قم بإزالة الصفائح المعالجة من كيس التفريغ.
لبدء التحضير لاختبار الإجهاد ، قم بتصنيع عينات الصفائح. ثم نظف أسطح العينة بالأسيتون. باستخدام طلاء موصل أكريليك فضي ، ارسم خطين ضيقين على بعد 20 ملم على كل عينة.
ضع أسلاك نحاسية دقيقة بشكل مسطح على طول الطلاء الفضي الرطب لتكون بمثابة أقطاب كهربائية. بمجرد أن يجف الطلاء ، قم بتثبيت الأسلاك في مكانها باستخدام مادة لاصقة تذوب على الساخن. قم بتكوين آلة اختبار ميكانيكية لاختبار الانحناء.
لكل عينة ، قم بقياس العرض والسمك باستخدام الفرجار ، قبل وضع العينة في الماكينة. اضبط سرعة الاختبار وموضع البدء بشكل مناسب لحجم العينة وموقعها. قم بتوصيل جهات الاتصال الكهربائية بمقياس متعدد وقم بقياس المقاومة الكهربائية الأولية بين جهات الاتصال.
قم بإجراء اختبار الانحناء ، ومراقبة المقاومة طوال الوقت. للتحضير لاختبار الإجهاد ، قم بقص نسيج الألياف الزجاجية f-GNP إلى شرائط بعرض 10 ملم. ولتثبيت الأسلاك النحاسية على القماش بطلاء موصل فضي ومادة لاصقة تذوب على الساخن.
بعد ذلك ، قم بإرفاق أشرطة نسيج الألياف الزجاجية f-GNP بالإبهام والأصابع الثلاثة الأولى من قفاز النتريل باستخدام مادة لاصقة تذوب على الساخن. قم بقياس المقاومة الكهربائية الأولية عبر القماش على كل إصبع. قم بإجراء سلسلة من ثني الإصبع أثناء تسجيل المقاومة الكهربائية.
ابدأ بثني الإبهام ، ثم السبابة ، ثم المنتصف ، ثم البنطج. ثني كل الأصابع في وقت واحد. ثم ، مع زيادة السرعة ، كرر التسلسل من الإبهام إلى البنصر والخلف.
يؤديدمج f-GNPs في الألياف الزجاجية إلى زيادة التوصيل الكهربائي للمادة ، والتي تتأثر بالإجهاد المستحث. تزداد المقاومة الكهربائية الطبيعية مع زيادة إجهاد الانحناء. يؤدي كسر الألياف الزجاجية عند نقطة الفشل إلى تعطيل الشبكة الكهربائية ، والتي ينظر إليها على أنها قفزة في المقاومة الطبيعية.
عندما يتم تطبيق نسيج الألياف الزجاجية f-GNP على أصابع قفاز النتريل ، يمكن تتبع ثني كل إصبع ومدة الحركة من خلال التغيرات في المقاومة. أدى تعريض المواد المركبة من الألياف الزجاجية f-GNP و f-GNP لإجهاد الانضغاط والشد إلى أنماط مختلفة قليلا من التغيير في المقاومة الكهربائية. تحت مستوى معين من الإجهاد الانضغاطي ، تنخفض المقاومة الكهربائية الطبيعية تدريجيا مع زيادة الإجهاد.
أبعد من ذلك ، تزداد المقاومة. ومع ذلك ، تزداد المقاومة الكهربائية الطبيعية مع إجهاد الشد في جميع الأنحاء. بعد تطويرها ، مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال الاستشعار ومراقبة المواد لاستكشاف الأضرار في المكونات الهيكلية.
بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تحضير المواد المركبة ذاتية الاستشعار ، وكيفية مراقبتها في الوقت الفعلي.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة دمج الجسيمات النانوية الموصلة، وخاصةً رقائق الجرافين النانوية، في المواد المركبة لتطوير خصائص الاستشعار الذاتي لمراقبة الصحة الهيكلية. تهدف الطرق المقترحة إلى تعزيز الكشف عن الضغط والتلف في المواد المركبة، مع تطبيقات محتملة في مزارع الرياح البحرية والتحليل الميكانيكي الحيوي.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علوم المواد
- النانوتكنولوجي
- مراقبة الصحة الهيكلية
الخلفية
- تُستخدم المواد المركبة على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الهيكلية.
- تستطيع قدرات الاستشعار الذاتي تحسين الكشف عن التلف والصيانة.
- تقدم رقائق الجرافين النانوية خصائص كهربائية فريدة عند دماجها في المركبات.
- فهم الضغط والتلف في المواد أمر بالغ الأهمية للعمر الافتراضي والسلامة.
هدف الدراسة
- تطوير مستشعرات الضغط باستخدام رقائق الجرافين النانوية في المواد المركبة.
- تمكين المراقبة في الوقت الحقيقي للسلامة الهيكلية.
- استكشاف التطبيقات في كل من مزارع الرياح البحرية والأنظمة الميكانيكية الحيوية.
الطرق المستخدمة
- الخلط اليدوي لرقائق الجرافين الوظيفية مع مونومر DGEBA.
- تشتت الخليط بالموجات الصوتية لضمان التوزيع المناسب.
- تطبيق الخليط في مصفوفات الإيبوكسي أو كطلاءات على الأقمشة الزجاجية.
- اختبار خصائص الاستشعار الذاتي للمواد المركبة الناتجة.
النتائج الرئيسية
- الدمج الناجح لرقائق الجرافين النانوية في المواد المركبة.
- القدرة المثبتة على الكشف عن الضغط والتلف بشكل مستقل.
- إمكانية التطبيق في مختلف سيناريوهات مراقبة الهيكل.
- الرؤى المكتسبة حول متانة وأداء المواد المركبة.
الاستنتاجات
- توفر الطريقة مقاربة قابلة للتطبيق للمواد المركبة ذات الاستشعار الذاتي.
- التحسينات في مراقبة الصحة الهيكلية يمكن أن تؤدي إلى سلامة محسنة.
- قد تمتد التطبيقات المستقبلية إلى ما وراء المواد المركبة إلى مجالات أخرى.
الأسئلة الشائعة
Executive Industry Relevance
This work demonstrates how graphene nanoplatelet-reinforced composites enable self-sensing capabilities for real-time strain detection, offering a pathway to reduce reliance on external sensors in structural health monitoring. The approach supports predictive maintenance in hard-to-access environments such as offshore wind farms by embedding sensing functionality directly into load-bearing materials. Its extension to biomechanical monitoring via smart fabrics highlights translational relevance for monitoring human movement in rehabilitation and wearable technology development.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of material-structure relationships under mechanical perturbation, supporting hypothesis testing in mechanobiology.
- Operational Value: Provides a label-free, real-time readout of mechanical strain through electrical resistance changes, reducing need for bulky external transducers.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, exponential resistance-strain relationships that can serve as calibration curves for strain quantification in dynamic systems.
- Operational Value: Facilitates standardization of strain-sensitive materials through reproducible fabrication protocols involving sonication, calendering, and vacuum-assisted curing.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant biomechanical modeling by enabling precise tracking of joint movement (e.g., finger bending) via resistance changes in wearable smart fabrics.
- Operational Value: Allows continuous monitoring of movement duration and degree, facilitating longitudinal assessment in injury recovery protocols.
Pipeline & Workflow Integration
The method positions self-sensing composites as an enabling technology across early discovery (mechanistic de-risking), screening (assay-ready strain readouts), and translational research (wearable biomechanical monitoring), with reuse potential in both material and biological systems.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing in mechanotransduction by correlating applied strain with measurable electrical outputs in cell-culture-compatible substrates.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative resistance changes under flexural strain, enabling comparison of material formulations for strain sensitivity.
- Analytics: Provides normalized electrical resistance as a ratiometric readout that compensates for baseline variability, enhancing data comparability across samples.
- Translational Research: Connects material strain response to human movement monitoring, supporting continuity from bench to wearable prototypes.
- Enterprise Reuse: Establishes a platform technology adaptable to multiple composite matrices and textile substrates, reducing revalidation burden across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in material behavior under load by providing direct, real-time strain feedback without signal latency.
- Operational Value: Enables standardization of strain-sensitive material production through defined dispersion, layering, and curing steps.
- Strategic Value: Reduces long-term monitoring costs by eliminating discrete sensor deployment and wiring in inaccessible structures.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted go/no-go decisions in material selection by quantifying strain tolerance and failure-induced network disruption.
Implementation Considerations
- Requires expertise in nanomaterial dispersion, composite fabrication, and electrical characterization.
- Depends on access to probe sonicators, vacuum ovens, hot presses, and precision mechanical testers.
- Necessitates cross-team alignment between materials scientists, electrical engineers, and biomechanists for data interpretation.
- Involves adaptation considerations when transferring from epoxy matrices to textile coatings for wearable applications.
- Practical limitations include sensitivity to environmental factors (e.g., humidity) that may affect baseline conductivity, requiring calibration in use conditions.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:44
Preparation of Functionalized Graphene Nanoplatelet (f-GNP)/Epoxy Composite Material
3:14
Preparation of f-GNP/Glass Fiber Fabric and f-GNP/Glass Fiber Composite Material
5:25
f-GNP/Epoxy and f-GNP/Glass Fiber Composite Material Strain Sensor Testing
6:36
f-GNP/Glass Fiber Fabric Strain Sensor Testing
7:37
Results: Strain Monitoring of f-GNP-containing Composite Materials
8:53
Conclusion
