2016年11月7日
ガラス繊維複合材料に、このようなグラフェンナノプレートレットなどの導電性ナノ粒子、の統合は、歪みの影響を受けやすい固有の電気ネットワークを作成します。ここでは、エポキシマトリックス中に又はガラス織物上のコーティングとしてグラフェンナノプレートレットの添加に基づいて、歪センサを得るための異なる方法が提案されています。
この手順の全体的な目標は、構造ヘルスモニタリングのための複合材料で自己検出特性を達成することです。この方法は、オフショア風力発電所の代わりに発生するひずみや損傷の定量化、サーバー寿命の予測など、海上自動検出の失敗における重要な質問に答えるのに役立ちます。この手法の主な利点は、構造部品自体によって損傷を検出できることです。
この手法は、複合材料の構造的損傷に関する洞察を提供するだけでなく、損傷回復中の生体力学的分析などの他のシステムにも適用できます。調製を開始するには、ダクトレスヒュームフードで、24グラムの官能基化グラフェンナノプレートレットをDGEBAモノマーと手で混合します。f-GNPをモノマーに分散させるためには、まず混合物をプローブソニケーターで45分間超音波処理します。
次に、混合物を3回カレンダーにかけ、そのたびにローラーの速度を上げます。分散後、混合物を秤量します。攪拌しながら80°Cに加熱し、真空下に置きます。
15分間攪拌しながら混合物を脱気します。DGEBAモノマーと硬化剤の100対23の重量比で硬化剤を計量します。混合物を真空から取り出し、磁気攪拌を停止します。
硬化剤を加え、均一になるまで手でかき混ぜます。脱気して手作業で混合した後、f-GNPエポキシ材料を磁気攪拌下で摂氏80度に保ちます。次に、鋼板をアセトンで洗浄します。
布はさみを使用して、14層のガラス繊維生地を希望の寸法にカットします。ガラス生地をオーブンで摂氏80度に温めます。布地と同じ寸法に2つの正方形の抗粘着性ポリマーフィルムをカットします。
きれいな鋼板にフィルムを置きます。ブラシを使用して、ポリマーフィルムの1つの正方形にf-GNP充填エポキシの層を塗布します。エポキシで覆われたフィルムの上に、温めたガラス繊維プラスチックの1つの正方形を慎重に配置して、エポキシとフィルムが完全に覆われるようにします。
脱気ローラーを使用して材料を圧縮します。エポキシと布の層を塗り続け、残りのすべての布が使用されるまで、毎回圧縮します。エポキシの最後の1層を塗布し、ラミネートの上に残りの正方形の抗付着性ポリマーフィルムを配置します。
ホットプレートプレスで圧力を上げながらラミネートを硬化させます。ダクトレスヒュームフードで、蒸留水にサイジング剤を1対1で混合します。これに7.5グラムのf-GNPを追加します。
フュームフードから混合物を取り出し、プローブ超音波処理によりナノプレートレットを分散させる。ガラス繊維生地を14マス切り取ります。ディップコーターを使用して、f-GNP充填サイジングでガラス生地をコーティングします。
その後、コーティングされた生地を真空オーブンで乾かします。鋼板をアセトンで清掃します。鋼板の上にガラス繊維生地の正方形と同じ寸法の抗付着性ポリマーフィルムの正方形を置きます。
コーティングされたガラス繊維生地の14正方形をポリマーフィルムに置き、エッジが揃っていることを確認します。次に、プレートと生地を真空バッグに入れます。シーラントテープを使用して、真空バッグを密封します。
バッグを80°Cのオーブンで予熱します。DGEBAモノマーを攪拌しながら真空下で脱気します。100〜23モノマーで硬化剤を添加し、硬化剤の重量比を均一になるまで攪拌します。
真空パックに真空ポンプを接続し、リークチェックを行います。ポリマーチューブをバッグに接続し、開放端をエポキシ樹脂に沈めます。バキュームポンプを回して、レジンを袋に引き込みます。
ガラス生地のパイルがエポキシ樹脂で完全に浸されたら、ポンプをオフにし、バッグを密封します。バッグ内のラミネートを140°Cのオーブンで8時間硬化させます。次に、硬化したラミネートを真空バッグから取り出します。
ひずみ試験の準備を開始するには、ラミネートサンプルを機械加工します。次に、サンプル表面をアセトンで洗浄します。銀アクリル導電性塗料を使用して、各サンプルに20mm間隔で2本の細い線を引きます。
細い銅線を濡れた銀色の塗料に沿って平らに敷き詰め、電極として機能します。塗料が乾いたら、ホットメルト接着剤でワイヤーを所定の位置に固定します。曲げ試験用の機械試験機を構成します。
各サンプルについて、サンプルを機械に入れる前に、キャリパーで幅と厚さを測定します。サンプルのサイズと位置に合わせて、テスト速度と開始位置を適切に設定してください。電気接点をマルチメータに接続し、接点間の初期電気抵抗を測定します。
曲げ試験を実行し、全体の抵抗を監視します。ひずみ試験の準備として、f-GNPガラス繊維生地を10mm幅にカットします。また、銅線を銀導電性塗料とホットメルト接着剤で生地に固定します。
次に、f-GNPグラスファイバーファブリックバンドをホットメルト接着剤を使用してニトリル手袋の親指と最初の3本の指に取り付けます。各指の生地全体の初期電気抵抗を測定します。電気抵抗を記録しながら指を曲げるシーケンスを実行します。
親指を曲げることから始め、次に人差し指、次に中指、次に薬指を曲げます。すべての指を同時に曲げます。次に、速度を上げて、親指から薬指までシーケンスを繰り返し、その逆を繰り返します。
ガラス繊維にf-GNPを組み込むと、誘導ひずみによる材料の電気伝導率が向上します。正規化された電気抵抗は、曲げひずみの増加とともに増加します。故障点でガラス繊維が破損すると、電気回路網が混乱し、正規化された抵抗が急増すると考えられています。
ニトリル手袋の指にf-GNPガラス繊維生地を塗布すると、抵抗の変化により、指一本一本の曲がりや動きの持続時間を追跡できます。f-GNPエポキシ材料とf-GNPガラス繊維複合材料に圧縮ひずみと引張ひずみをさらすと、電気抵抗の変化パターンがわずかに異なりました。一定レベルの圧縮ひずみを下回ると、正規化された電気抵抗はひずみの増加とともに徐々に減少します。
それを超えると、抵抗が増加します。ただし、正規化された電気抵抗は、全体にわたる引張ひずみとともに増加します。その開発後、この技術は、センシング、モニタリング材料、構造コンポーネントの損傷を調査する分野の研究者への道を開きました。
このビデオを見れば、自己検出複合材料をどのように準備し、リアルタイムで監視するかについて十分に理解できるはずです。
完全なトランスクリプトを表示し、数千本の科学動画にアクセス
この研究は、構造物の健全性モニタリングのための自己感知特性を開発するために、導電性ナノ粒子、特にグラフェンナノプレートを複合材料に統合することを探求します。提案された方法は、複合材料のひずみと損傷の検出を強化することを目指しており、海上風力発電所や生体力学的分析への潜在的な応用があります。
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.
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.