חישה מבוססת עומס על מחוזק חומרים מרוכבים Multiscale עם גראפן Nanoplatelets

סיכום

השילוב של חלקיקים מוליכים, כגון nanoplatelets גרפן, לתוך חומרים מרוכבים סיב זכוכית יוצר רשת חשמל פנימית למתח רגישה. כאן, שיטות שונות כדי להשיג חיישני זן מבוססים על התוספת של גרפן nanoplatelets לתוך המטריצה ​​אפוקסי או כציפוי על בד זכוכית מוצע.

תקציר

התגובה החשמלית של NH ₂ -functionalized גרפן nanoplatelets חומרים מרוכבים תחת לחץ נחקרה. שתי שיטות ייצור שונות מוצעות ליצור רשת החשמל בעבודה זו: (א) ההתאגדות של nanoplatelets לתוך מטריצת אפוקסי (ב) הציפוי של בד הזכוכית עם אומדת מלאה באותו nanoplatelets. שני סוגי חומרים מרוכבים multiscale, עם מוליכות ב-מטוס חשמל של ~ 10 ^-3 S / M, הראו גידול אקספוננציאלי של ההתנגדות החשמלית ככל שעולה הזן בשל התרחקות בין nanoplatelets גרפן הפונקציונלי הסמוך ואובדן קשר בין אלה שמעליה. הרגישות של החומרים נתחו במהלך המחקר, באמצעות ההליכים המתוארים, הוכחה להיות גבוה יותר מאשר מודד זן זמין מסחרי. הנהלים המוצעים עבור חישה עצמית של החומר מרוכב המבני יקלו על צג הבריאות המבניing של רכיבים קשה עמדות לגשת כגון חוות אנרגיית רוח offshore. למרות הרגישות של החומרים מרוכבים multiscale הייתה גבוהה יותר הרגיש רדידי מתכת משמש מודד זן, הערך שהושג עם NH ₂ nanoplatelets גרפן פונקציונלי בדים מצופים היה כמעט בסדר גודל מעולה. תוצאה זו הובהרה הפוטנציאל שלהם לשמש בדים חכמים כדי לפקח על תנועות אדם כגון כיפוף של אצבעות או ברכיים. באמצעות השיטה המוצעת, במרקם החכם יכול מייד לזהות את הכיפוף ולשחזר באופן מיידי. עובדה זו מאפשרת ניטור מדויק של הזמן של כיפוף וכן מידת כיפוף.

מבוא

ניטור בריאות מבני (SHM) הפך חשוב יותר ויותר בשל הצורך לדעת את אורך החיים הנותרים של מבני ^1-3. כיום, קשה במקומות גישה, כגון צמחי רוח ימיים, להוביל סיכונים גבוהים יותר פעולות תחזוקה, כמו גם עלויות גדולות ^2-4. חומרים עצמית חישה מהווים את אחת האפשרויות בתחום SHM בשל יכולתם של זן ניטור עצמי ונזק ^5.

במקרה של טורבינות רוח, להבים מיוצרים בדרך כלל חומרים מרוכבים סיבי זכוכית / אפוקסי, אשר הם מבודדים חשמלית. על מנת להעניק נכסים עצמיים חישת חומר מרוכב זה, רשת חשמל פנימית רגישה למתח ניזק צריך להיוצר. במהלך השנים האחרונות, שילוב של חלקיקים מוליכים כגון nanowires כסף ^6,7, צינורות פחמן (CNTs) ^8-10, ו nanoplatelets גרפן (GNPs) ^11-13נחקר ליצור רשת החשמל הזה. חלקיקים אלה יכולים להיות משולבים בתוך המערכת כחומר מילוי לתוך מטריצת הפולימר או על ידי ציפוי הבד הסיבי זכוכית ^14. חומרים אלו יכולים להיות מיושמים גם בתחומי תעשייה אחרים, כלומר, תעופה וחלל, הנדסת רכב והאזרחית ^5, וניתן להשתמש בדים מצופים כמו חומרים חכמים ביישומים ביומכנית ^7,15.

Piezoresistivity של חיישנים אלה מושג על ידי שלוש תרומות שונות. התרומה הראשונה היא piezoresistivity הפנימית של החלקיקים; זן של המבנה משנה את מוליכות חשמלית של החלקיקים. עם זאת, התרומות העיקריות הם לשינויי התנגדות מנהרת חשמל, עקב שינויים במרחקים בין חלקיקים סמוכים והתנגדות מגע חשמלית, שעקב שונים באזור המגע בין שמעליה אלה ^9. piezoresistivity זה גבוה כאשר 2D nanoparticles משמש nanofiller לעומת חלקיקי 1D בגלל רשת החשמל מציגה רגישות גבוהה לשינויי שיבושים הנדסיים, בדרך כלל אחד סדר גודל ¹⁶ מעולה.

בגלל אופיה 2D האטומה ¹⁷ ואת מוליכות חשמלית הגבוהות ^18,19, nanoplatelets גרפן נבחר בעבודה זו כמו-חיזוק ננו חומרים מרוכבים multiscale כדי להשיג-חיישנים עצמיים עם רגישות משופרת. שתי דרכים שונות לשלב את GNPs לתוך החומר מרוכב נלמדות על מנת להבהיר הבדלים אפשריים מנגנוני חישה ורגישות.

פרוטוקול

1. הכנה של אפוקסי המלא הפונקציונלי גראפן Nanoplatelet עבור Multiscale חומרים מרוכבים

1. לפזר nanoplatelets גרפן הפונקציונלי (f-GNPs) לתוך שרף אפוקסי.
   1. לשקול 24.00 גרם של f-GNPs להשיג 12% WT של החומר nanocomposite הסופי בתוך במנדף ductless.
   2. להוסיף 143.09 גרם של ביספנול A אתר diglycidyl (DGEBA) מונומר ידני לערבב את זה כדי להשיג הומוגניות.
   3. לפזר את f-GNPs לתוך מונומר ידי שיטה צַעֲדַיִם, המשלב לחקור sonication ומעבדת calendering ^20.
      1. Sonicate את התערובת על 50% של משרעת מחזור של 0.5 שניות למשך 45 דקות.
      2. החל 3 מחזורים של calendering באמצעות פער רולר של 5 מיקרומטר והגדלת מהירות רולר בכל מחזור: 250 סל"ד, 300 סל"ד ו 350 סל"ד.
      3. לשקול את התערובת של f-תל"ג / מונומר לאחר השלמת פיזור.
   4. דג את תערובת f-התל"ג / מונומר under ואקום בחישה מגנטית על 80 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות.
   5. לשקול ולהוסיף המקשה על יחס משקל של 100: 23 (מונומר: hardener) באופן ידני ומערבבים עד להשגת הומוגניות.

ציפוי 2. בד זכוכית עם פונקציונליות גראפן Nanoplatelet מלא מדידות (השעיה) עבור חומרים מרוכבים Multiscale

1. לפזר nanoplatelets גרפן הפונקציונלי לתוך האומדת.
   1. לשקול 7.5 גרם של f-GNPs, הכמות הדרושה להשגת 5% wt, לתוך 142.5 גרם של ממס (מים אומדת / מזוקקים המפורטים 2.1.2) בתוך במנדף ductless.
   2. מכין את התערובת של f-GNPs ואת האומדת מדוללת במים מזוקקים (1: WT 1) בתוך במנדף ductless. לאחר שהמים המזוקקים נוספו, לבצע את העבודה מחוץ במנדף ductless.
   3. לפזר את GNPs ידי sonication החללי במשך 45 דקות ב משרעת 50% ו מחזור של 0.5 שניות.
2. מעיל gבד ילדה עם אומדת מולא f-התל"ג.
   1. עם מספריים מתאים לחיתוך בד, לחתוך 14 שכבות של בד זכוכית עם ממדים של 120 х 120 מ"מ ² ולאחר מכן מעיל אותם עם תערובת של f-GNPs אומדת (2.1.3) על ידי ציפוי מטבל (טבילה אחת) באמצעות coater מטבל ב אומד מולא f-התל"ג.
   2. לייבש את בד זכוכית מצופית f-התל"ג בתנור ואקום ב 150 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות כמצוין הסדינים הטכניים המסופקים על ידי היצרן.

3. ייצור של חומרים מרוכבים Multiscale

1. ייצור חומרים מרוכבים f-תל"ג / אפוקסי.
   1. לאחר degassing את התערובת, לשמור על שרף אפוקסי מולא f-תל"ג תחת בחישה מגנטית על 80 מעלות צלזיוס במשך כל תהליך הייצור.
   2. מניחים את 14 שכבות של בד זכוכית לתנור על 80 מעלות צלזיוס.
   3. לחלופין, מניחים שכבה של אפוקסי מולא f-התל"ג ואת שכבת בד סיבי זכוכית (14 שכבות) sequentially ביד על צלחת מתכת באמצעות רולר משדרים-דה לאחר הצבת כל שכבה בד זכוכית.
      1. השתמש במספריים לחתוך ולמקם פולימר הסרט האנטי-חסיד (120 х 120 מ"מ ²⁾ על צלחת פלדה.
      2. למרוח שכבה של תערובת F-התל"ג / אפוקסי על סרט הפולימר נגד חסיד עם מברשת. מניחים שכבה של בד סיבי זכוכית. הערת החשיבות של כיסוי השטח של אזור F-התל"ג / אפוקסי והיישור של שכבות בד השונות. סר באוויר והקומפקטי plies באמצעות מכבש משדרים-דה.
      3. חזור על שלב 3.1.3.2 עד השלמת כל השכבות של לרבד.
      4. למרוח שכבה סופית של תערובת F-התל"ג / אפוקסי עם מברשת ולכסות לרבד עם שכבה נוספת של פולימר סרט אנטי-חסיד.
   4. לאחר כל שכבות הבד נערמו, לרפא לרבד במכבש צלחת חם ב 140 מעלות צלזיוס במשך 8 שעות עם גברת לחץ עד 6 ברים.
   5. חלץ את לרבד נרפא מן plat החםעיתונות דואר.
2. ייצור חומרים מרוכבים סיבי f-תל"ג / זכוכית על ידי דפוס עירוי שרף סייע ואקום (במדבר ודברים).
   1. מכין את צלחת המתכת שבו במדבר והדברים הולכים להתבצע.
      1. נקו את משטח פלדה עם אצטון.
      2. מניח פולימר סרט אנטי-חסיד לצלחת הפלדה.
   2. מניח את הרצף של בד זכוכית מצופה f-תל"ג (14 שכבות עם מידות 120 х 120 מ"מ ²⁾ לצלחת. ודא כי שכבות של בד מיושרים חזותית על ידי מגע.
   3. חותם את התיק ואקום עם קלטת איטום לתהליך במדבר ודברים מראש לחמם את המערכת על 80 מעלות צלזיוס בתנור.
   4. דגת מונומר DGEBA תחת ואקום בחישה מגנטית על 80 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות. מוסיפים את המקשה על יחס משקל של 100: 23 (מונומר: hardener) ומערבבים עד להשגת הומוגניות.
   5. מוסיף את שרף אפוקסי על 80 מעלות צלזיוס עם משאבת ואקום מחובר שקית הוואקום עם פולימריםצינור עד ערימת בד זכוכית מלא לחלוטין על ידי שרף אפוקסי ולרפא לרבד בתנור על 140 מעלות צלזיוס למשך 8 שעות.
   6. חלץ את לרבד נרפא מהתנור ולהסיר את שקית ואקום וחומר עזר.

4. הכנת של דוגמאות עבור בדיקות חיישני מד הזנים

1. דגימות מכונית (בקרת ספרתית מחשב - מכונת כרסום CNC) של ציפויי multiscale לממד הנדרש לבדיקות לכפיפה בעקבות ASTM D790-02 ²¹ ופצע להקות בד זכוכית 10 מ"מ רוחב כדי ללמוד את רגישות הזן של המצופה f-תל"ג בד.
   הערה: דוגמאות שתוקנו על שולחן העיבוד עם דבק במכונה באמצעות הפרמטרים הבאים: מהירות הזנה של 500 מ"מ / דקה, מהירות סרק של 5,000 דקות ^-1 ועומק מדרגות 0.1 מ"מ.
2. בזהירות לנקות את פני השטח של דגימות במכונה עם אצטון לחסל אבק.
3. קווי צבע כסף (אקריליק צבע מוליך) עלפני השטח של החומרים הרחיקו זה מזה 20 מ"מימ על מנת למזער את התנגדות המגע החשמלית לדבוק חוטי נחושת לקווי הכסף הרטובים כמו אלקטרודות כדי להקל על המדידה של ההתנגדות החשמלית במהלך הבדיקות.
   הערה: מגעים חשמליים ממוקמים רק על שני משטחים: משטחי דחיסה ומשטחים נתוני מתיחה.
4. לאחר צבע הכסף הוא יבש, לתקן את המגעים החשמליים עם דבק חם להמיס להימנע ניתוק מגע חשמלי.

5. בדיקת חיישן הזנים

1. לנתח את ההתנהגות החשמלית של חיישנים תחת עומסים לכפיפה (מבחן כיפוף שלוש נקודות).
   1. מדוד את הרוחב והעובי של הדגימה עם קליפר.
   2. הגדר את הדגימה במכונת המבחן המכאנית עם תצורת בדיקה לכפיפה.
   3. הגדר את מהירות הבדיקה (בשליטת זן) עד 1 מ"מ / דק ואת מיקום ההתחלה המגדיר את האורך הראשוני של הדגימה.
   4. חבר אתמגעים חשמליים המודד. מדוד את ההתנגדות החשמלית בין כל שני מגעים חשמליים סמוכים כפי מצוין איור 1.
   5. הפעלה של בדיקת לכפיפה ולנטר את ההתנגדות החשמלית בו זמנית על מנת ללמוד וריאציות בשל המתח המושרה את הדגימה.
   6. חזרה על כל השלבים לפחות 3 דגימות של f-תל"ג / אפוקסי וחומרים מרוכבים סיבים f-תל"ג / זכוכית כדי לאשר את ההתנהגות החשמלית של חומרים מרוכבים.

איור 1. מגעים חשמליים התקנה בבדיקות לכפיפה של חומרים מרוכבים multiscale. אלקטרודות הנחושת מחוברת על פני השטח של חומרים מרוכבים באמצעות קווי צבע כסף (באפור) על מנת למזער את התנגדות המגע החשמלית. אנא לחץ כאןכדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

2. לנתח f-תל"ג / זכוכית בד כמו חיישני זן של תנועות אדם.
   1. צג כיפוף אצבע.
      1. צרף להקות בד זכוכית לכל אחת האצבעות של כפפה ניטריל עם דבק חם להמיס על המשטח הפנימי כמצוין באיור 2.
      2. חזור על שלב 5.1.4 אבל למדוד את ההתנגדות החשמלית של קשר מוצב באותה האצבע.
      3. התחל הרצף של אצבע כיפוף לפקח ולמדוד את ההתנגדות החשמלית תוך אצבעות כיפוף. הרצף של אצבע הכיפוף במקרה המסוים הזה הוא: (1) אגודל, (2) מדד, (3) אצבע אמצעית, (4) קמיצה, (5) כל האצבעות בו זמנית (6) הרצף של כיפוף (מהירות גבוהה יותר ): (1), (2), (3), (4), (4), (3), (2) ו- (1).

דמות2. מיקום של להקות סיבי f-תל"ג / זכוכית על פני השטח הפנימיים של אצבעות כפפת ניטריל לפקח אצבעות כיפוף. לאחר הבד סיבי זכוכית כבר מצופים מיובש, להקות 10 מ"מ רוחב נחתכים ומצורף על שונה אצבעות כפפה במטרה לפקח על אצבע כיפוף לאשש את הכדאיות של הפרוטוקול המתואר לעיל. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

תוצאות

הפרוטוקול להשיג שני חומרים שונים תואר ההליך. ההבדל הוא באופן שבו nanoreinforcement המאוגדת חומר מרוכב להשיג רשת חשמל שיכול לשמש להתאמץ ניטור. השיטה הראשונה כוללת את הציפוי של בד סיבי זכוכית עם אומדת f-בתל"ג יכול לשמש בד חכם (בשם F-תל"ג / סיבי זכוכית) או חיזוק של חומרים מרוכבים multiscale מטריקס הפולימר (בשם F-התל"ג / זכוכית חומר מרוכב סיבי). השיטה האחרת היא nanoreinforcement של מטריקס אפוקסי של חומרים מרוכבים עם f-GNPs (בשם F-תל"ג / אפוקסי חומר מרו...

דיון

נכסים עצמית חיישן של חומרים מרוכבים nanoreinforced נובעים לרשת החשמל נוצר על ידי f-GNPs באמצעות המטריקס אפוקסי לאורך סיבי זכוכית, אשר שונה כאשר זן מושרה. נפיצה של f-GNPs אז חיוני כי ההתנהגות החשמלית של חיישנים מאוד תלוי מיקרו של החומר. כאן, אנו מציגים הליך אופטימיזציה כדי להשיג פיזור טוב של GNPs לתוך המטריצה ​​אפוקסי וכדי למנוע התקמטות של החלקיקים, אשר גורם לרעה את המוליכות החשמליות. השלבים הקריטיים הם sonication (פרמטרי הפעלה) ותהליכי calendering (פער רולר ומהירות). צעדים אלה להש...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
ננו-טסיות גרפן	XGScience	M25	NA
שרף אפוקסי	צייד	ארלדיט LY556	NA
XB3473	NA
סוניקציה בדיקה	Hielscher	UP400S	נה
שלושה גלילים טחנת	Exakt Exakt	80E (Exakt GmbH)	NA
בד סיבי זכוכית	Hexcel	HexForce ® 01031 1000 TF970 E UD 4H	נה
לחץ על פלטה חמה	Fontijne	Fontijne LabEcon300	NA
גודל	ננו-צילינדר	SizicylTM	NA
מולטימטר	Alava Ingenieros	Agilent 34410A	נה
מדי מתח	Vishay	מיקרו-מדידה (MM®) CEA-06-187UW-120	נה
מכונת בדיקות מכניות		Zwick Zwick/Roell 100  kN	NA
צבע כסף מוליך	Monocomp	16062 – PELCO® צבע כסף מוליך	NA