Dehnungsmess Basierend auf Multiskalige Composite Materials Verstärkt durch Graphene Nanoplättchen

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens besteht darin, Selbsterkennungseigenschaften in Verbundwerkstoffen zur Überwachung der strukturellen Integrität zu erreichen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen im Zusammenhang mit der automatischen Erkennung von Ausfällen auf See zu beantworten, beispielsweise die Quantifizierung von Dehnung und Schäden vor Ort an Offshore-Windparks sowie die Vorhersage ihrer Nutzungsdauer. Der Hauptvorteil dieser Technik liegt darin, dass Schäden vom strukturellen Bauteil selbst erkannt werden können.

Obwohl diese Methode Einblicke in strukturelle Schäden von Verbundwerkstoffen ermöglichen kann, ist sie auch auf andere Systeme anwendbar, beispielsweise auf die biomechanische Analyse während der Verletzungserholung. Zur Vorbereitung mischen Sie in einer absaugfreien Abzugshaube 24 Gramm funktionalisierter Graphen-Nanoplättchen manuell mit DGEBA-Monomer. Um die f-GNPs im Monomer zu dispergieren, beschallen Sie die Mischung zunächst 45 Minuten lang mit einem Stabsonotroden-Gerät.

Anschließend die Mischung dreimal kalendern, wobei die Walzengeschwindigkeit jedes Mal erhöht wird. Nach der Dispergierung das Gemisch wiegen. Das Gemisch unter Rühren auf 80 Grad Celsius erhitzen und anschließend unter Vakuum stellen.

Entgasen Sie das Gemisch unter Rühren während 15 Minuten. Wiegen Sie den Härter im Gewichtsverhältnis von 100 zu 23 von DGEBA-Monomer zu Härter ab. Entfernen Sie die Mischung aus dem Vakuum und stellen Sie das magnetische Rühren ein.

Geben Sie den Härter hinzu und rühren Sie von Hand, bis die Mischung homogen ist. Nach dem Entgasen und manuellem Mischen lagern Sie das f-GNP-Epoxidmaterial bei 80 Grad Celsius unter magnetischem Rühren. Reinigen Sie anschließend eine Stahlplatte mit Aceton.

Unter Verwendung von Stoffscheren schneiden Sie 14 Lagen Glasfasergewebe auf die gewünschten Maße zu. Erwärmen Sie das Glasgewebe in einem Ofen auf 80 Grad Celsius. Schneiden Sie zwei Quadrate aus antiadhärenter Polymerfolie in denselben Abmessungen wie das Gewebe zu.

Legen Sie den Film auf die saubere Stahlplatte. Tragen Sie mit einem Pinsel eine Schicht Epoxidharz, das mit f-GNP gefüllt ist, auf ein Quadrat des Polymerfilms auf. Platzieren Sie vorsichtig ein Quadrat des erwärmten glasfaserverstärkten Kunststoffs auf dem mit Epoxidharz bedeckten Film, sodass das Epoxidharz und der Film vollständig bedeckt sind.

Verwenden Sie eine Entlüftungsrolle, um die Materialien zu verdichten. Tragen Sie weiterhin Schichten aus Epoxidharz und Gewebe auf und verdichten Sie jedes Mal, bis das gesamte verbleibende Gewebe verbraucht ist. Tragen Sie eine letzte Schicht Epoxidharz auf und legen Sie das verbleibende Quadrat aus antiadhäsivem Polymerschichtfolie auf die Laminatschicht.

Die Laminatverbindung in einer Heizplattenpresse unter zunehmendem Druck aushärten. In einer absaugfreien Abzugshaube eine 1:1-Mischung aus Größmittel und destilliertem Wasser herstellen. 7,5 Gramm f-GNPs hinzufügen.

Entfernen Sie die Mischung aus dem Abzug und dispergieren Sie die Nanoplättchen durch Ultraschallsondierung. Schneiden Sie 14 Quadrate aus Glasfasergewebe aus. Beschichten Sie das Glasgewebe mit einer Tauchbeschichtungsanlage mit der f-GNP-haltigen Sizing.

Anschließend das beschichtete Gewebe in einem Vakuumofen trocknen. Eine Stahlplatte mit Aceton reinigen. Ein Quadrat aus antiadhärenter Polymerfolie mit denselben Abmessungen wie die Glasfasergewebequadrate auf die Stahlplatte legen.

Platzieren Sie die 14 Quadrate aus beschichtetem Glasfasergewebe auf der Polymerfolie, wobei darauf zu achten ist, dass die Kanten ausgerichtet sind. Anschließend platzieren Sie die Platte und das Gewebe in einen Vakuumbeutel. Versiegeln Sie den Vakuumbeutel mit Dichtungsklebeband.

Den Beutel im Ofen auf 80 Grad Celsius vorwärmen. Das DGEBA-Monomer unter Vakuum entgasen, während es gerührt wird. Härter im Gewichtsverhältnis von 100 zu 23 (Monomer zu Härter) hinzufügen und so lange rühren, bis eine homogene Mischung entsteht.

Schließen Sie eine Vakuumpumpe an den Vakuumbeutel an und führen Sie Dichtheitsprüfungen durch. Schließen Sie ein Stück Polymerrohr an den Beutel an und tauchen Sie das offene Ende in das Epoxidharz ein. Schalten Sie die Vakuumpumpe ein, um das Harz in den Beutel zu ziehen.

Sobald der Glasgewebe-Verbund vollständig mit Epoxidharz durchtränkt ist, schalten Sie die Pumpe aus und verschließen Sie den Beutel. Härten Sie das Laminat im Beutel 8 Stunden lang bei 140 Grad Celsius im Ofen aus. Entfernen Sie anschließend das ausgehärtete Laminat aus der Vakuumverpackung.

Um mit der Vorbereitung für die Dehnversuche zu beginnen, bearbeiten Sie die Laminatproben maschinell. Anschließend reinigen Sie die Probenoberflächen mit Aceton. Zeichnen Sie mit leitfähiger silberner Acrylfarbe zwei schmale Linien im Abstand von 20 Millimetern auf jede Probe.

Legen Sie dünne Kupferdrähte flach entlang der feuchten Silberlackschicht an, um als Elektroden zu dienen. Sobald der Lack getrocknet ist, befestigen Sie die Drähte mit Heißschmelzklebstoff. Richten Sie eine mechanische Prüfmaschine für einen Biegeversuch ein.

Messen Sie für jede Probe die Breite und Dicke mit einem Messschieber, bevor Sie die Probe in die Maschine einlegen. Stellen Sie die Prüfgeschwindigkeit und die Startposition entsprechend der Größe und Position der Probe ein. Schließen Sie die elektrischen Kontakte an ein Multimeter an und messen Sie den anfänglichen elektrischen Widerstand zwischen den Kontakten.

Führen Sie den Biegeversuch durch und überwachen Sie dabei den Widerstand kontinuierlich. Zur Vorbereitung des Dehnungstests schneiden Sie f-GNP-Glasfasergewebe in 10 Millimeter breite Streifen. Befestigen Sie Kupferdrähte mit silberner leitfähiger Farbe und Heißschmelzkleber am Gewebe.

Befestigen Sie anschließend die f-GNP-Glasfasergewebestreifen mit Heißschmelzkleber am Daumen und den ersten drei Fingern eines Nitrilhandschuhs. Messen Sie den anfänglichen elektrischen Widerstand über das Gewebe an jedem Finger. Führen Sie eine Abfolge von Fingerbeugungen durch, während Sie den elektrischen Widerstand aufzeichnen.

Biegen Sie zuerst den Daumen, dann den Zeige-, Mittel- und Ringfinger. Biegen Sie alle Finger gleichzeitig. Wiederholen Sie dann mit zunehmender Geschwindigkeit die Abfolge vom Daumen bis zum Ringfinger und zurück.

Die Einbindung von f-GNPs in Glasfasern erhöht die elektrische Leitfähigkeit des Materials, die durch induzierte Dehnung beeinflusst wird. Der normalisierte elektrische Widerstand steigt mit zunehmender Biegedehnung. Das Brechen der Glasfasern an der Bruchstelle stört das elektrische Netzwerk, was als Sprung im normalisierten Widerstand sichtbar wird.

Wenn ein f-GNP-Glasfasergewebe auf die Finger eines Nitrilhandschuhs aufgebracht wird, können die Beugung jedes Fingers sowie die Dauer der Bewegung durch Änderungen des elektrischen Widerstands verfolgt werden. Die Belastung der f-GNP-Epoxid- und f-GNP-Glasfaser-Verbundwerkstoffe mit Druck- und Zugdehnung führte zu leicht unterschiedlichen Mustern der Änderung des elektrischen Widerstands. Unterhalb eines bestimmten Niveaus der Druckdehnung nimmt der normierte elektrische Widerstand mit zunehmender Dehnung allmählich ab.

Darüber hinaus steigt der Widerstand an. Allerdings nimmt der normierte elektrische Widerstand währenddessen mit zunehmender Zugdehnung kontinuierlich zu. Nach seiner Entwicklung ebnete dieses Verfahren Forschern auf dem Gebiet der Sensorik und Überwachung von Materialien den Weg, Schäden an strukturellen Bauteilen zu untersuchen.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie man selbstsensitiven Verbundwerkstoff herstellt und in Echtzeit überwacht.