그래 핀 나노 판과 멀티 스케일 복합 재료 강화를 바탕으로 변형 감지

이 절차의 전반적인 목표는 구조 건강 모니터링을 위한 복합 재료에서 자가 감지 특성을 구현하는 것입니다. 이 방법은 해상 풍력 발전 단지의 변형률 및 손상 정량화와 더불어 그들의 서비스 수명 예측과 같이, 해상 자동 결함 탐지의 핵심적인 질문들에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 구조 부품 자체로 손상을 감지할 수 있다는 점입니다.

이 방법은 복합 재료의 구조적 손상에 대한 통찰을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 부상 회복 중의 생체역학적 분석과 같은 다른 시스템에도 적용될 수 있습니다. 준비를 시작하려면, 덕트리스 흄후드 내에서 24g의 기능화된 그래핀 나노플레이틀렛을 DGEBA 모노머와 손으로 혼합하십시오. f-GNPs를 모노머 내에 분산시키기 위해, 먼저 프로브 초음파 분쇄기(Probe Sonicator)로 혼합물을 45분 동안 초음파 처리하십시오.

그런 다음, 롤러 속도를 매번 높여가며 혼합물을 세 번 캘린더링합니다. 분산 후 혼합물의 무게를 잽니다. 교반하면서 혼합물을 80 °C로 가열한 다음, 혼합물을 진공 상태에 둡니다.

혼합물을 15분 동안 교반하며 탈기합니다. DGEBA 모노머와 경화제의 무게 비율을 100:23으로 하여 경화제를 정량합니다. 혼합물을 진공 상태에서 꺼내고 마그네틱 교반을 중단합니다.

경화제를 첨가하고 균일해질 때까지 손으로 저어 섞습니다. 탈기 및 수동 혼합 후, f-GNP 에폭시 재료를 자기 교반 상태에서 80 °C로 유지합니다. 그다음, 강철판을 아세톤으로 세척합니다.

천 가위를 사용하여 유리 섬유 직물 14층을 원하는 크기로 자릅니다. 오븐에서 유리 직물을 80 °C로 가열합니다. 직물과 동일한 크기로 비점착성 폴리머 필름 두 장을 정사각형으로 자릅니다.

필름을 깨끗한 강철판 위에 놓습니다. 브러시를 사용하여 폴리머 필름의 한 칸에 f-GNP가 충전된 에폭시 층을 도포합니다. 가열된 유리 섬유 플라스틱 한 칸을 에폭시가 도포된 필름 위에 조심스럽게 올려, 에폭시와 필름이 완전히 덮이도록 합니다.

탈기 롤러를 사용하여 재료를 압착합니다. 남은 패브릭을 모두 사용할 때까지 에폭시와 패브릭 층을 계속해서 쌓고 매번 압착합니다. 마지막으로 에폭시 층을 한 번 더 도포한 후, 라미네이트 위에 남은 사각형 모양의 비점착성 폴리머 필름을 올립니다.

압력을 점차 높여 핫플레이트 프레스에서 라미네이트를 경화시킵니다. 덕트리스 흄 후드 내에서 사이징제와 증류수를 1:1 비율로 혼합하여 준비합니다. 여기에 f-GNPs 7.5 g을 첨가합니다.

혼합물을 흄 후드에서 꺼내고, 프로브 초음파 처리를 통해 나노플레이틀릿을 분산시킵니다. 유리 섬유 직물을 14개의 정사각형 모양으로 자릅니다. 딥 코터를 사용하여 유리 직물에 f-GNP가 충전된 사이징제를 코팅합니다.

그런 다음, 코팅된 직물을 진공 오븐에서 건조하십시오. 아세톤으로 강철판을 세척합니다. 유리 섬유 직물 사각형과 동일한 크기의 비점착성 폴리머 필름 사각형을 강철판 위에 배치하십시오.

코팅된 유리 섬유 직물 정사각형 14개를 폴리머 필름 위에 놓고 가장자리가 정렬되었는지 확인하십시오. 그 다음, 플레이트와 직물을 진공 백에 넣으십시오. 실런트 테이프를 사용하여 진공 백을 밀봉하십시오.

오븐에서 백(bag)을 80 °C로 예열합니다. 교반하면서 진공 상태에서 DGEBA 단량체를 탈기합니다. 단량체 대 경화제 중량비를 100:23으로 하여 경화제를 첨가하고 균일해질 때까지 교반합니다.

진공 펌프를 진공 백에 연결하고 누설 점검을 수행합니다. 적절한 길이의 폴리머 튜브를 백에 연결하고 열린 끝부분을 에폭시 수지에 담급니다. 진공 펌프를 켜서 수지를 백 내부로 흡입합니다.

유리 섬유 적층물이 에폭시 수지에 완전히 적셔지면 펌프를 끄고 백을 밀봉합니다. 백에 담긴 적층물을 140 °C의 오븐에서 8시간 동안 경화시킵니다. 그 후, 진공 백에서 경화된 적층물을 꺼냅니다.

변형률 테스트 준비를 시작하려면, 적층판 시편을 가공하십시오. 그런 다음, 아세톤으로 시편 표면을 세척하십시오. 은색 아크릴 전도성 페인트를 사용하여 각 시편에 20 millimeters 간격으로 두 개의 좁은 선을 그리십시오.

전극 역할을 하도록 젖은 은 페인트 위에 가는 구리선을 평평하게 배치합니다. 페인트가 마르면 핫멜트 접착제로 와이어를 고정합니다. 기계적 시험기를 굽힘 시험에 맞게 설정합니다.

각 시료에 대해, 시료를 장비에 넣기 전 캘리퍼스를 사용하여 너비와 두께를 측정합니다. 시료의 크기와 위치에 맞게 테스트 속도와 시작 위치를 적절하게 설정하십시오. 전기 접점을 멀티미터에 연결하고 접점 간의 초기 전기 저항을 측정합니다.

저항을 지속적으로 모니터링하며 굽힘 시험을 실시합니다. 변형 시험을 준비하기 위해 f-GNP 유리 섬유 직물을 10 millimeter 너비의 스트립으로 절단합니다. 그리고 은 전도성 페인트와 핫멜트 접착제를 사용하여 구리선을 직물에 고정합니다.

다음으로, 핫멜트 접착제를 사용하여 f-GNP 유리 섬유 직물 밴드를 니트릴 장갑의 엄지와 첫 세 손가락에 부착합니다. 각 손가락에 부착된 직물의 초기 전기 저항을 측정합니다. 손가락을 굽히는 동작을 순차적으로 수행하면서 전기 저항을 기록합니다.

엄지손가락부터 시작하여 집게손가락, 가운데손가락, 약손가락 순으로 굽힙니다. 모든 손가락을 동시에 굽힙니다. 그 다음, 속도를 높여 엄지손가락부터 약손가락까지, 그리고 다시 역순으로 이 과정을 반복합니다.

f-GNP를 유리 섬유에 통합하면 재료의 전기 전도도가 증가하며, 이는 유도된 변형률에 의해 영향을 받습니다. 정규화된 전기 저항은 굴곡 변형률이 증가함에 따라 증가합니다. 파손 지점에서 유리 섬유가 끊어지면 전기 네트워크가 파괴되며, 이는 정규화된 저항의 급격한 상승으로 나타납니다.

f-GNP 유리 섬유 직물을 니트릴 장갑의 손가락 부분에 적용하면, 각 손가락의 굽힘 정도와 움직임의 지속 시간을 저항 변화를 통해 추적할 수 있습니다. f-GNP 에폭시 및 f-GNP 유리 섬유 복합 재료에 압축 및 인장 변형을 가했을 때, 전기 저항의 변화 패턴은 약간 다르게 나타났습니다. 특정 수준의 압축 변형 이하에서는 변형이 증가함에 따라 정규화된 전기 저항이 점진적으로 감소합니다.

그 지점을 넘어서면 저항이 증가합니다. 하지만 정규화된 전기 저항은 인장 변형률 전반에 걸쳐 증가합니다. 이 기술은 개발 이후, 센싱 및 재료 모니터링 분야의 연구자들이 구조 부품의 손상을 탐색할 수 있는 길을 열어주었습니다.

이 영상을 시청한 후에는 자기 감지 복합 재료를 준비하는 방법과 이를 실시간으로 모니터링하는 방법에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.