グラフェンナノプレートレットとマルチスケール複合材料強化に基づくひずみセンシング

本手順の全体的な目的は、構造ヘルスモニタリングのための複合材料に自己センシング特性を持たせることです。この手法は、洋上風力発電所における歪みや損傷の定量化、およびその耐用年数の予測など、自動故障検知における重要な課題の解決に寄与します。この技術の主な利点は、構造部材自体で損傷を検知できることです。

この手法は複合材料の構造的損傷に関する知見を得るために有効ですが、怪我からの回復過程におけるバイオメカニクス解析など、他の系にも適用可能です。準備を開始するために、ダクトレス煙霧除去装置内で、24 gの機能化グラフェンナノプレートレットをDGEBAモノマーに手動で混合します。f-GNPsをモノマー中に分散させるため、まずプローブ型超音波ホモジナイザーを用いて混合物を45分間超音波処理します。

次に、ローラー速度を段階的に上げながら、混合物を3回カレンダーに通します。分散後、混合物を計量します。攪拌しながら混合物を80 degrees Celsiusまで加熱し、その後、混合物を真空下に置きます。

撹拌しながら15分間、混合物を脱気します。DGEBAモノマーと硬化剤の重量比が100：23となるように、硬化剤を計量します。混合物を真空状態から取り出し、マグネチックスターラーによる撹拌を停止します。

硬化剤を加え、均一になるまで手で撹拌します。脱気および手動での混合後、f-GNPエポキシ材料を磁気撹拌しながら80 °Cで保持します。次に、鋼板をアセトンで洗浄します。

布切りバサミを使用し、ガラス繊維布を14層、任意の寸法に切り出します。オーブンを用いてガラス繊維布を80 °Cに加熱します。布と同じ寸法の非粘着性ポリマーフィルムを2枚、正方形に切り出します。

フィルムを清潔な鋼板の上に置きます。ブラシを使用して、ポリマーフィルムの1つの正方形領域にf-GNP充填エポキシの層を塗布します。温めたガラス繊維プラスチックの正方形を、エポキシを塗布したフィルムの上に、エポキシとフィルムが完全に覆われるように慎重に配置します。

脱気ローラーを使用して材料を圧縮します。エポキシと生地の積層を繰り返し、その都度圧縮しながら、残りの生地をすべて使い切るまで続けます。最後にエポキシを一層塗り、ラミネートの上に非粘着性ポリマーフィルムの残りの正方形を配置します。

圧力を高めながらホットプレートプレスで積層材を硬化させます。ダクトレス・ヒュームフード内で、サイジング剤と蒸留水を1対1の割合で混合して準備します。これに7.5 gramsのf-GNPsを加えます。

混合物をドラフトから出し、プローブ超音波処理によってナノプレートレットを分散させます。ガラス繊維布を14枚の正方形に切り出します。ディップコーターを用いて、f-GNP充填サイジング剤をガラス繊維布にコーティングします。

次に、コーティングした生地を真空乾燥機で乾燥させます。鋼板をアセトンで洗浄します。ガラス繊維生地の正方形と同じ寸法の非粘着性ポリマーフィルムを鋼板の上に配置します。

コーティングされた14枚のガラス繊維布の正方形をポリマーフィルムの上に置き、端が揃っていることを確認します。次に、プレートと布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。

オーブンを用いてバッグを80 °Cで予熱します。撹拌しながら、真空状態でDGEBAモノマーを脱気します。モノマーと硬化剤の重量比が100:23になるように硬化剤を加え、均一になるまで撹拌します。

真空ポンプを真空バッグに接続し、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、その開口端をエポキシ樹脂に浸します。真空ポンプを作動させ、樹脂をバッグ内に吸引します。

ガラス布の積層体がエポキシ樹脂で完全に浸透したら、ポンプを停止し、バッグを密封します。バッグに入れたままの積層体を、オーブンを用いて140 degrees Celsiusで8時間硬化させます。その後、硬化した積層体を真空バッグから取り出します。

歪み試験の準備を開始するため、積層サンプルを機械加工します。次に、サンプルの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20ミリメートルの間隔をあけて2本の細い線を引きます。

電極として機能させるため、湿った銀ペイントに沿って細い銅線を平らに配置します。ペイントが乾燥したら、ホットメルト接着剤でワイヤーを固定します。曲げ試験用に機械試験機を設定します。

各サンプルについて、装置にセットする前に、ノギスを用いて幅と厚さを測定します。サンプルのサイズと位置に応じて、試験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ーに接続し、接点間の初期電気抵抗を測定します。

曲げ試験を実施し、その間の抵抗値をモニタリングします。ひずみ試験の準備として、f-GNPガラス繊維布を幅10mmのストリップ状に切断します。そして、銀導電塗料とホットメルト接着剤を用いて、銅線を布に固定します。

次に、ホットメルト接着剤を用いて、f-GNPガラスファイバー布バンドをニトリル手袋の親指と最初の3本の指に貼り付けます。各指の布全体の初期電気抵抗を測定してください。指を曲げる動作を繰り返しながら、電気抵抗を記録します。

まず親指、次に人差し指、中指、薬指の順に曲げます。次に、すべての指を同時に曲げます。その後、速度を上げて、親指から薬指まで、そしてその逆の順でこの動作を繰り返します。

f-GNPをガラス繊維に導入することで材料の電気伝導性が向上し、これは誘起ひずみによって影響を受けます。正規化電気抵抗は、曲げひずみの増加に伴って上昇します。破断点でのガラス繊維の断裂は電気ネットワークを遮断し、それが正規化抵抗の急増として現れます。

f-GNPガラス繊維布をニトリル手袋の指部分に適用すると、各指の曲げ動作およびその動作時間が抵抗値の変化によって追跡可能になります。f-GNPエポキシおよびf-GNPガラス繊維複合材料に圧縮歪みおよび引張歪みを加えると、電気抵抗の変化にわずかに異なるパターンが誘導されました。ある一定レベルの圧縮歪み以下では、歪みの増加に伴い、正規化された電気抵抗は徐々に減少します。

それを超えると、抵抗が増加します。しかし、正規化された電気抵抗は、引張ひずみ全体を通じて増加します。この技術の開発により、センシングや材料モニタリングの分野の研究者が、構造部材の損傷を探索する道が開かれました。

このビデオを視聴することで、自己センシング複合材料の調製方法、およびそのリアルタイムモニタリングの方法について十分に理解することができます。