Methodenartikel

Dehnungsmess Basierend auf Multiskalige Composite Materials Verstärkt durch Graphene Nanoplättchen

DOI:

10.3791/54512

⸱

7. November 2016

 ,  ,  ,  ,  , 
1Materials Science and Engineering Area, University Rey Juan Carlos

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Die Integration von leitfähigen Nanopartikel, wie Graphen Nanoplättchen, in Glasfaser-Verbundmaterialien erzeugt eine intrinsische elektrische Netzwerk anfällig für Belastung. Hier sind verschiedene Verfahren zu erhalten, Dehnungssensoren auf der Basis der Zugabe von Graphen Nanoplättchen in die Epoxidmatrix oder als Beschichtung auf Glasgewebe vorgeschlagen.

Zusammenfassung

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Die elektrische Reaktion von NH 2 -funktionalisierten Graphennanoplättchen Verbundmaterialien unter Belastung untersucht. Zwei verschiedene Herstellungsverfahren vorgeschlagen, das elektrische Netz in dieser Arbeit zu erstellen: (a) der Einbau der Nanoplättchen in die Epoxidmatrix und (b) die Beschichtung des Glasgewebes mit einer Schlichte mit denselben Nanoplättchen gefüllt. Beide Arten von Multimaßstabsverbundwerkstoffe mit einer in der Ebene liegenden elektrischen Leitfähigkeit von ~ 10 -3 S / m zeigte ein exponentielles Wachstum des elektrischen Widerstandes als die Stamm erhöht sich durch zwischen benachbarten funktionalisierten Graphen Nanoplättchen und Kontaktverlust zwischen überlagernden diejenigen distanziert. Die Empfindlichkeit der Materialien, die während dieser Untersuchung analysiert, um die beschriebenen Verfahren verwenden, wurde als handelsübliche Dehnmessstreifen höher erwiesen. Die vorgeschlagenen Verfahren für die Selbsterkundung des strukturellen Verbundmaterial würde die strukturelle Gesundheit Monitor erleichterning von Komponenten in schwer zugänglichen emplacements wie Offshore-Windkraftanlagen. Obwohl die Empfindlichkeit der Multiskalen - Verbundwerkstoffe wesentlich höher als die Empfindlichkeit von Metallfolien als Dehnmessstreifen, der Wert verwendet wurde , mit NH 2 funktionalisierte Graphen Nanoplättchen beschichtete Gewebe erreicht war fast eine Größenordnung überlegen. Dieses Ergebnis verdeutlicht ihr Potenzial als intelligente Stoffe verwendet werden, um menschliche Bewegungen zu beobachten, wie der Finger oder Knie zu beugen. Durch die Verwendung des vorgeschlagenen Verfahrens könnte das intelligente Gewebe sofort das Biegen erkennen und sofort zu erholen. Diese Tatsache ermöglicht eine genaue Überwachung der Zeit sowie den Grad der Biegung des Biege.

Einleitung

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Structural Health Monitoring (SHM) immer wichtiger geworden wegen der Notwendigkeit , 1-3 die verbleibende Lebensdauer von Strukturen zu kennen. Heutzutage schwer zugänglichen Stellen, wie Offshore - Windanlagen, führen zu höheren Risiken in Instandhaltungsmaßnahmen sowie höhere Kosten 2-4. Selbsterkundung Materialien bilden eine der Möglichkeiten auf dem Gebiet der SHM aufgrund ihrer Fähigkeit zur Selbstüberwachung Belastung und Schaden 5.

Im Fall von Windkraftanlagen, Schaufeln sind in Glasfaser / Epoxid-Verbundwerkstoffe, die elektrisch Isolatoren im allgemeinen hergestellt. Um braucht zu verleihen Selbsterkundung Eigenschaften dieser Verbundwerkstoff, ein intrinsischer elektrisches Netzwerk anfällig für Belastung und Schäden entstehen. In den letzten Jahren hat sich die Einarbeitung von leitfähigen Nanopartikel wie Silber - Nanodrähten 6,7, Kohlenstoff - Nanoröhren (CNTs) 8-10 und Graphennanoplättchen (GNPs) 11-13wurde untersucht, um dieses elektrische Netz zu schaffen. Diese Nanopartikel können in das System als Füllstoff in die Polymermatrix oder durch Beschichten des Glasfasergewebe 14 eingearbeitet werden. Diese Materialien können auch zu anderen industriellen Bereichen eingesetzt werden, das heißt, Luftfahrt-, Automobil- und Tiefbau 5 und beschichtete Stoffe können als intelligente Materialien in biomechanischen Anwendungen 7,15 verwendet werden.

Piezoresistivität dieser Sensoren wird durch drei unterschiedliche Beiträge erreicht. Der erste Beitrag ist die intrinsische Piezoresistivität der Nanopartikel; ein Stamm der Struktur ändert sich die elektrische Leitfähigkeit der Nanopartikel. Die wichtigsten Beiträge sind Änderungen im Tunnel elektrischen Widerstand, aufgrund von Änderungen in Abständen zwischen benachbarten Nanopartikel und elektrischen Kontaktwiderstand, aufgrund von Schwankungen im Kontaktbereich zwischen überlagernden diejenigen jedoch, 9. Diese Piezoresistivität ist höher, wenn 2D-nanoparticles werden als Nanofüllstoff Vergleich zu 1D Nanopartikel eingesetzt , da das elektrische Netz eine höhere Empfindlichkeit gegenüber geometrischen Veränderungen und Diskontinuitäten zeigt, in der Regel eine Größenordnung überlegen 16.

Aufgrund der 2D - Atom Zeichen 17 und die hohe elektrische Leitfähigkeit 18,19, Graphennanoplättchen wurden in dieser Arbeit als Nano Bestärkung von mehreren Maßstäben Verbundmaterialien zu erhalten , um Selbst Sensoren mit erhöhter Empfindlichkeit gewählt wurde. Zwei verschiedene Wege, um die GNPs in das Verbundmaterial zu integrieren sind untersucht, um mögliche Unterschiede in der Sensorik Mechanismen und Empfindlichkeit aufzuklären.

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Protokoll

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1. Herstellung des Funktionalisierte Graphene Nanoplatelet gefülltes Epoxid für Multiskalige Composite Materials

  1. Disperse funktionalisierte Graphennanoplättchen (f-GNPs) in das Epoxidharz.
    1. Wiegen 24.00 g f-GNPs eine 12 Gew% des endgültigen Nanokompositmaterial innerhalb eines Filterabzug zu erreichen.
    2. Hinzufügen 143,09 g des Bisphenol-A-diglycidylether (DGEBA) monomer und manuell mischen Homogenität zu erreichen.
    3. Disperse die f-GNPs in das Monomer durch eine twostep Methode, die Beschallung und Kalandrieren 20 verarbeitet Sonde kombiniert.
      1. Beschallen der Mischung bei 50% der Amplitude und einen Zyklus von 0,5 sec für 45 min.
      2. Bewerben 3 Zyklen Kalandrieren eines Walzenspalt von 5 & mgr; m unter Verwendung und bei jedem Zyklus Walzengeschwindigkeit zu erhöhen: 250 min, 300 Umdrehungen pro Minute und 350 Umdrehungen pro Minute.
      3. Wiegen Sie die Mischung aus f-BSP / Monomer nach der Dispergierung abgeschlossen.
    4. Entgasen Sie den f-BSP / Monomergemisch under Vakuum und magnetischem Rühren bei 80 ° C für 15 min.
    5. Wiegen und den Härter in einem Gewichtsverhältnis von 100 hinzu: 23 (Monomer: Härter) und manuell gerührt, bis Homogenität erreicht wird.

2. Beschichtung des Glasgewebes mit funktionalisierter Graphene Nanoplatelet Gefüllt Sizing (Suspension) für Multiskalige Composite Materials

  1. Disperse funktionalisierte Graphen Nanoplättchen in die Dimensionierung.
    1. Man wiegt 7,5 g f-GNPs, die Menge benötigt, um eine 5 Gew%, in 142,5 g Lösungsmittel zu erreichen, in einer Filterabzug (Sizing / destilliertes Wasser in 2.1.2 angegeben).
    2. Bereiten Sie die Mischung der f-GNPs und der Anlagendimensionierung mit destilliertem Wasser verdünnt (1: 1 wt) innerhalb der Filterabzug. Sobald die destilliertes Wasser hinzugefügt wurde, führen Sie die Arbeit außerhalb des Filterabzug.
    3. Disperse die GNPs durch Sondenbeschallung für 45 min bei 50% Amplitude und einem Zyklus von 0,5 Sek.
  2. Bestreichen Sie die glass Stoff mit dem f-BSP gefüllt Sizing.
    1. Mit einer Schere für Stoffzuschnitt geeignet, schneiden 14 Schichten aus Glasgewebe mit den Abmessungen von 120 х 120 mm 2 und dann überziehen sie mit der Mischung aus f-GNPs und Dimensionierung (2.1.3) durch Tauchbeschichtung (ein Untertauchen) ein Tauchbeschichtungsvorrichtung in der f-BSP gefüllt Sizing.
    2. Trocknen Sie die f-BSP beschichtetes Glasgewebe in einem Vakuumofen bei 150 ° C für 24 h, wie in den technischen Datenblättern angegeben durch den Hersteller zur Verfügung gestellt.

3. Herstellung von Multiskalige Composite Materials

  1. Herstellung f-BSP / Epoxy - Verbundwerkstoffen.
    1. Nachdem die Mischung entgast, halten Sie die f-BSP gefüllt Epoxidharz unter magnetischem Rühren bei 80 ° C für die ganze Herstellungsprozess.
    2. Platzieren Sie die 14 Lagen des Glasgewebes in einen Ofen bei 80 ° C.
    3. Alternativ legen Sie eine Schicht des f-BSP gefülltes Epoxid und eine Schicht aus Glasfasergewebe (14 Schichten) SequenWesentlichen mit der Hand auf einer metallischen Platte, die eine Entlüftungsroller nach jeder Glasgewebeschicht platzieren.
      1. Mit einer Schere zu schneiden und legen Sie die Antihaftpolymerfilm (120 х 120 mm 2) auf einer Stahlplatte.
      2. Tragen Sie eine Schicht des f-BSP / Epoxid-Mischung auf dem Antihaftpolymerfilm mit einer Bürste. Eine Schicht aus Glasfasergewebe. Beachten Sie die Bedeutung für das Gebiet der f-BSP / Epoxy-Region und die Ausrichtung der verschiedenen Gewebelagen. Entfernen Sie die Luft und kompakt die Lagen durch eine Entlüftungs Walze.
      3. Wiederholen Sie Schritt 3.1.3.2, bis alle Schichten des Laminats vervollständigt.
      4. Tragen Sie eine letzte Schicht des f-BSP / Epoxid-Mischung mit Pinsel und bedecken das Laminat mit einer weiteren Schicht aus Antihaftpolymerfilm.
    4. Sobald alle Gewebeschichten aufgehäuft worden sind, zu heilen, das Laminat in einer heißen Platte Presse bei 140 ° C für 8 h mit Druckerhöhung bis 6 bar auf.
    5. Extrahieren Sie das gehärtete Laminat aus dem heißen plate drücken.
  2. Herstellung f-BSP / Glasfaser - Verbundmaterialien durch Vakuum unterstützte Harzinfusions Moulding (varım).
    1. Bereiten Sie die Metallplatte, wo varım wird durchgeführt werden.
      1. Reinigen Sie die Stahlplattenoberfläche mit Aceton.
      2. Legen Antihaftpolymerfilm auf der Stahlplatte.
    2. Legen Sie die Reihenfolge der f-BSP beschichtetes Glasgewebe (14 Schichten mit den Abmessungen 120 х 120 mm 2) auf die Platte. Stellen Sie sicher, dass die Schichten des Gewebes werden visuell und durch Berührung ausgerichtet sind.
    3. Verschließen Sie den Vakuumbeutel mit Dichtband für den varım Prozess und vorheizen das System bei 80 ° C in einem Ofen.
    4. Entgasen DGEBA Monomer unter Vakuum und magnetischem Rühren bei 80 ° C für 15 min. Fügen Sie den Härter in einem Gewichtsverhältnis von 100: 23 (Monomer: Härter) und rühren, bis Homogenität erreicht wird.
    5. Füge das Epoxyharz bei 80 ° C mit einer Vakuumpumpe mit dem Vakuumbeutel verbunden mit einem polymerenRohr, bis das Glasgewebe pile wird vollständig von dem Epoxyharz und Härten des Laminats in einem Ofen bei 140 ° C für 8 h befüllt.
    6. Extrahieren Sie das gehärtete Laminat aus dem Ofen und entfernen Sie den Vakuumbeutel und Hilfsmaterial.

4. Vorbereitung der Proben für die Tests Dehnungssensoren

  1. Maschinenproben (Computer Numerical Control - CNC - Fräsmaschine) von mehreren Maßstäben Laminate auf das gewünschte Maß für Biegeversuche nach der ASTM D790-02 21 und schneiden Glasgewebebänder 10 mm in der Breite, um die Dehnungsempfindlichkeit des f-BSP beschichteten studieren Stoff.
    HINWEIS: Die Proben werden auf dem Bearbeitungstisch mit Klebeband fixiert und bearbeitet mit den folgenden Parametern: Vorschubgeschwindigkeit von 500 mm / min, Leerlaufdrehzahl von 5.000 min -1 und Tiefe Schritten von 0,1 mm.
  2. Reinigen Sie vorsichtig die Oberfläche der bearbeiteten Proben mit Aceton Staub zu beseitigen.
  3. Lackierstraßen aus Silber (Acryl leitfähigen Farbe) aufdie Oberfläche der Materialien distanzierte 20 mm auseinander, um die elektrischen Kontaktwiderstand zu minimieren und die Kupferdrähte mit den nassen Silberlinien haften als Elektroden die Messung des elektrischen Widerstandes während des Tests zu erleichtern.
    HINWEIS: Elektrische Kontakte werden auf beiden Oberflächen angeordnet: Kompressionsflächen und Zug ausgesetzt Oberflächen.
  4. Sobald die silberne Farbe trocken ist, fixieren Sie die elektrischen Kontakte mit Schmelzkleber elektrischen Kontakt Ablösung zu vermeiden.

5. Testen der Dehnungssensor

  1. Analysieren Sie das elektrische Verhalten von Sensoren unter Biegelasten (Dreipunkt - Biegetest).
    1. Messen Sie die Breite der Probe und der Dicke mit einem Sattel.
    2. Stellen Sie die Probe in der mechanischen Testmaschine mit der Biegetestkonfiguration.
    3. Stellen Sie die Testgeschwindigkeit (gesteuert durch Dehnung) bis 1 mm / min und die Startposition, die die Anfangslänge der Probe definiert.
    4. Schließen Sie dieelektrische Kontakte an das Multimeter. Messung des elektrischen Widerstandes zwischen zwei benachbarten elektrischen Kontakten , wie es in Abbildung 1 angegeben ist.
    5. Biegetest auszuführen und zu überwachen, den elektrischen Widerstand gleichzeitig, um Schwankungen zu untersuchen aufgrund der induzierten Spannung in der Probe.
    6. Wiederholen aller Schritte für mindestens 3 Proben von f-BSP / Epoxy- und f-BSP / Glasfaser-Verbundwerkstoffe das elektrische Verhalten der Verbundmaterialien zu bestätigen.

figure-protocol-1
Abbildung 1. Elektrische Kontakte Aufbau in Biegetests von mehreren Maßstäben Verbundmaterialien. Kupferelektroden werden auf der Oberfläche von Verbundmaterialien angebracht , indem Linien von Silberfarbe (grau), um mit dem elektrischen Kontaktwiderstand zu minimieren. Bitte klicken Sie hiereine größere Version dieser Figur zu sehen.

  1. Analysieren f-BSP / Glasgewebe als Dehnungssensoren von menschlichen Bewegungen.
    1. Überwachen Finger Biegen.
      1. Befestigen Glasgewebebänder zu jedem der Finger eines Nitrils Handschuh mit Schmelzkleber auf der inneren Oberfläche , wie in Figur 2 angedeutet ist .
      2. Wiederholen Sie Schritt 5.1.4 sondern messen den elektrischen Widerstand der Kontakte auf dem gleichen Finger gelegt.
      3. Starten Sie die Reihenfolge der Finger Biegen des elektrischen Widerstandes zu überwachen und zu messen, während die Finger biegen sind. Die Abfolge der Finger in diesem speziellen Fall Biege ist: (1) dem Daumen, (2) Index, (3) den Mittelfinger, (4) Ringfinger (5) alle Finger gleichzeitig und (6) Folge von Biege (höhere Geschwindigkeit ): (1), (2), (3), (4), (4), (3), (2) und (1).

figure-protocol-2
Zahl2. Lage des f-BSP / Glasfaserbändern auf der inneren Oberfläche der Finger eines Nitrilhandschuh überwachen Finger gebogen wird . Sobald das Glasfasergewebe wurde beschichtet und getrocknet worden ist , Bänder von 10 mm Breite geschnitten und befestigt auf der unterschiedlichen Finger eines Handschuhs mit dem Ziel , den Finger zu überwachen Biegen und untermauern die Lebensfähigkeit des oben beschriebenen Protokoll. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Ergebnisse

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Das Protokoll zum Erhalt zweier verschiedener Materialien wurde in dem Verfahren beschrieben. Der Unterschied liegt in der Art und Weise der nanoreinforcement in dem Verbundwerkstoff eingearbeitet wird ein elektrisches Netzwerk zu erreichen, die verwendet werden könnten Überwachung belasten. Die erste Methode besteht aus der Beschichtung aus einem Glasfasergewebe mit f-BSP Dimensionierung, die als intelligente Gewebe verwendet werden können oder als Verstärkung der Polymermatrix mehreren...

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Diskussion

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Selbstsensoreigenschaften von nanoreinforced Verbundmaterialien sind aufgrund des elektrischen Netzes durch die f-GNPs durch die Epoxidmatrix und entlang der Glasfasern erzeugt, die modifiziert wird, wenn Stamm induziert wird. Dispersion der f-GNPs ist dann entscheidend, weil das elektrische Verhalten der Sensoren hängt stark von der Mikrostruktur des Materials. Hier stellen wir ein optimiertes Verfahren, um eine gute Dispersion der GNPs in die Epoxidmatrix zu erreichen und Knittern der Nanoteilchen zu vermeiden, die di...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

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Die Autoren möchten die Ministerio de Economía y Competitividad Spaniens Regierung (Projekt MAT2013-46695-C3-1-R) und Comunidad de Madrid Regierung (P2013 / MIT-2862) zu bestätigen.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Graphen-NanoplättchenXGScienceM25NA
Epoxidharz HuntsmanAraldite LY556NA
XB3473NA
Sonde BeschallungHielscher UP400S Na
DreiwalzwerkExaktExakt 80E (Exakt GmbH)NA
GlasfasergewebeHexcelHexForce ® 01031 1000 TF970 E UD 4H Na
WarmhaltepressenFontijne Fontijne LabEcon300NA
SizingNanocylSizicylTMNA
MultimeterAlava IngenierosAgilent 34410A Na
DehnungsmessstreifenVishayMicro-Measurement (MM®) CEA-06-187UW-120 Na
Mechanische PrüfmaschineZwickZwick/Roell 100  kNNA
Leitfähiger SilberlackMonocomp16062 – PELCO® Leitfähige SilberfarbeNA

Referenzen

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