Strain Sensing Gebaseerd op Multiscale Composite Materials versterkt met Grafeen Nanoplatelets
7 november 2016
De integratie van geleidende nanodeeltjes, zoals grafeen nanoplatelets, in glasvezel composiet materialen zorgt voor een intrinsiek elektrisch netwerk gevoelig voor stam. Hier staan diverse methoden om spanning sensoren gebaseerd op de toevoeging van grafeen nanoplatelets in de epoxy matrix of bekleding op glasvezels voorgesteld verkrijgen.
Het algemene doel van deze procedure is om zelfdetecterende eigenschappen te bereiken in composietmaterialen voor structureel gezondheidsonderzoek. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen in de automatische detectie van storingen op zee, zoals kwantificering van spanning en schade in plaats van off-shore windparken en voorspelling van hun levensduur. Het grote voordeel van deze techniek is dat schade kan worden gedetecteerd door het structurele onderdeel zelf.
Hoewel deze methode inzicht kan geven in structurele schade van composietmaterialen, kan deze ook worden toegepast op andere systemen, zoals biomechanische analyse tijdens herstel van verwondingen. Om te beginnen met de voorbereiding, meng in een dampkap 24 gram functioneel gemaakte grafen-nanoplaatjes met DGEBA-monomeer. Om de f-GNP's in het monomeer te verspreiden, soniceer eerst het mengsel gedurende 45 minuten met een sonde-sonicator.
Vervolgens moet het mengsel drie keer worden gewalst, waarbij de rollensnelheid elke keer wordt verhoogd. Na dispersieweig het mengsel. Verwarm het mengsel tot 80 graden Celsius onder roeren en plaats het mengsel vervolgens onder vacuüm.
Ontgas het mengsel onder roeren gedurende 15 minuten. Weeg de verharder af in een gewichtsverhouding van 100 tot 23 van DGEBA-monomeer tot verharder. Haal het mengsel uit het vacuüm en stop het magnetisch roeren.
Voeg de verharder toe en roer met de hand tot een homogeen geheel. Na ontgassing en handmatig mengen, houdt u het f-GNP-epoxymateriaal gedurende 80 graden Celsius onder magnetisch roeren. Reinig vervolgens een stalen plaat met aceton.
Snij met een stoffen schaar 14 lagen glasvezelweefsel in de gewenste afmetingen. Verwarm het glasweefsel tot 80 graden Celsius in een oven. Snijd twee vierkanten antiaanhechtende polymeerfolie in dezelfde afmetingen als het weefsel.
Plaats de folie op de schone stalen plaat. Breng met een kwast een laag f-GNP-gevuld epoxy aan op een vierkant van de polymeerfolie. Plaats voorzichtig een vierkant van verwarmd glasvezelplastic op de epoxybedekte folie, zodat het epoxy en de folie volledig bedekt zijn.
Gebruik een ontluchtwals om de materialen te comprimeren. Breng lagen epoxy en weefsel aan, elk tijds comprimerend, totdat al het resterende weefsel is gebruikt. Breng een laatste laag epoxy aan en plaats het resterende vierkant van antiaanhechtende polymeerfolie bovenop het laminaat.
Harden het laminaat in een heet plaatpers met toenemende druk. Bereid in een dampkap een mengsel van verhouding 1 op 1 van slijpmiddel en gedistilleerd water. Voeg hieraan 7,5 gram f-GNP's toe.
Verwijder het mengsel uit de dampkap en verspreid de nanoplaatjes door middel van sonische behandeling met een sondesonde. Snijd 14 vierkanten van glasvezelweefsel uit. Gebruik een dipcoater om het glasweefsel te coaten met het f-GNP-gevulde slijpmiddel.
Vervolgens droogt u het gecoate weefsel in een vacuümoven. Reinig een stalen plaat met aceton. Plaats een vierkant antiaanhechtende polymeerfolie van dezelfde afmetingen als de glasvezelweefselvierkanten op de stalen plaat.
Plaats de 14 vierkanten van gecoat glasvezelweefsel op de polymeerfolie, zorg ervoor dat de randen uitgelijnd zijn. Plaats vervolgens de plaat en het weefsel in een vacuümzak. Verzegeld de vacuümzak met afdichttape.
Verwarm de zak voor in een oven op 80 graden Celsius. Ontgas het DGEBA-monomeer onder vacuüm terwijl u roert. Voeg verharder toe in een verhouding van 100 tot 23 monomeer tot verharder gewicht en roer tot homogeen.
Verbind een vacuümpomp aan de vacuümzak en voer lekverschijnselen uit. Verbind een stuk polymeerbuis aan de zak en dompel het opene uiteinde in de epoxyhars. Schakel de vacuümpomp in om de hars in de zak te trekken.
Zodra het glasweefselpakket volledig is doordrenkt met epoxyhars, schakelt u de pomp uit en verzegelt u de zak. Harden het laminaat in de zak in een oven gedurende 8 uur bij 140 graden Celsius. Vervolgens verwijdert u het uitgeharde laminaat uit de vacuümzak.
Om te beginnen met de voorbereiding voor spanningstests, bewerkt u de laminaatmonsters. Reinig vervolgens de monsteroppervlakken met aceton. Teken met zilveren acrylgeleidende verf twee smalle lijnen op 20 millimeter afstand op elk monster.
Leg fijne koperdraden plat langs de natte zilververf om als elektroden te fungeren. Zodra de verf is opgedroogd, bevestigt u de draden met heet-meltlijm. Configureer een mechanische testmachine voor een buigtest.
Voor elk monster meet u de breedte en dikte met een schuifmaat, voordat u het monster in de machine plaatst. Stel de testsnelheid en startpositie geschikt in voor de grootte en locatie van het monster. Verbind de elektrische contacten met een multimeter en meet u de initiële elektrische weerstand tussen de contacten.
Voer de buigtest uit en bewaakt u de weerstand gedurende de hele test. Om voor te bereiden op de spanningstest, snijdt u f-GNP-glasvezelweefsel in stroken van 10 millimeter breed. En om koperdraden aan het weefsel te bevestigen met zilveren geleidende verf en heet-meltlijm.
Bevestig vervolgens de f-GNP-glasvezelweefselbanden aan de duim en de eerste drie vingers van een nitrilhandschoen met behulp van heet-meltlijm. Meet de initiële elektrische weerstand over het weefsel op elke vinger. Voer een reeks vingerbuigingen uit terwijl u de elektrische weerstand registreert.
Begin met de duim, dan wijsvinger, dan middelste, dan ringvinger. Buig alle vingers tegelijk. Herhaal vervolgens met toenemende snelheid de sequentie van duim naar ringvinger en terug.
De opname van f-GNP's in glasvezel verhoogt de elektrische geleidbaarheid van het materiaal, die wordt beïnvloed door geïnduceerde spanning. De genormaliseerde elektrische weerstand neemt toe met
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie onderzoekt de integratie van geleidende nanodeeltjes, specifiek grafeennanodeplaten, in composietmaterialen om zelfdetecterende eigenschappen te ontwikkelen voor structureel gezondheidsmonitoring. De voorgestelde methoden zijn gericht op het verbeteren van de detectie van spanning en schade in composietmaterialen, met mogelijke toepassingen in offshore windparken en biomechanische analyse.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Materiaalkunde
- Nanotechnologie
- Structureel gezondheidsmonitoring
Achtergrond
- Composietmaterialen worden veel gebruikt in verschillende structurele toepassingen.
- Zelfdetecterende mogelijkheden kunnen de detectie van schade en onderhoud verbeteren.
- Grafeennanodeplaten bieden unieke elektrische eigenschappen wanneer ze in composieten worden geïntegreerd.
- Het begrijpen van spanning en schade in materialen is cruciaal voor duurzaamheid en veiligheid.
Doel van studie
- Om spanningssensoren te ontwikkelen met behulp van grafeennanodeplaten in composietmaterialen.
- Om real-time monitoring van structurele integriteit mogelijk te maken.
- Om toepassingen in zowel offshore windparken als biomechanische systemen te verkennen.
Gebruikte methoden
- Handmatig mengen van gefunctionaliseerde grafeennanodeplaten met DGEBA-monomeer.
- Sonicatie van het mengsel om een goede dispersiewaarborggen.
- Toepassing van het mengsel in epoxymatrices of als coatings op glasweefsels.
- Testen van de zelfdetecterende eigenschappen van de resulterende composietmaterialen.
Belangrijkste resultaten
- Succesvolle integratie van grafeennanodeplaten in composietmaterialen.
- Aangetoonde mogelijkheid om spanning en schade autonoom te detecteren.
- Mogelijkheden voor toepassing in verschillende structurele bewakingsscenario's.
- Inzichten verkregen in de duurzaamheid en prestaties van composietmaterialen.
Conclusies
- De methode biedt een haalbare benadering voor zelfdetecterende composietmaterialen.
- Verbeteringen in structureel gezondheidsmonitoring kunnen leiden tot verbeterde veiligheid.
- Toekomstige toepassingen kunnen zich uitstrekken tot andere gebieden dan alleen composieten.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
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.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of material-structure relationships under mechanical perturbation, supporting hypothesis testing in mechanobiology.
- Operational Value: Provides a label-free, real-time readout of mechanical strain through electrical resistance changes, reducing need for bulky external transducers.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative, exponential resistance-strain relationships that can serve as calibration curves for strain quantification in dynamic systems.
- Operational Value: Facilitates standardization of strain-sensitive materials through reproducible fabrication protocols involving sonication, calendering, and vacuum-assisted curing.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant biomechanical modeling by enabling precise tracking of joint movement (e.g., finger bending) via resistance changes in wearable smart fabrics.
- Operational Value: Allows continuous monitoring of movement duration and degree, facilitating longitudinal assessment in injury recovery protocols.
Pipeline & Workflow Integration
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.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing in mechanotransduction by correlating applied strain with measurable electrical outputs in cell-culture-compatible substrates.
- Screening: Delivers reproducible, quantitative resistance changes under flexural strain, enabling comparison of material formulations for strain sensitivity.
- Analytics: Provides normalized electrical resistance as a ratiometric readout that compensates for baseline variability, enhancing data comparability across samples.
- Translational Research: Connects material strain response to human movement monitoring, supporting continuity from bench to wearable prototypes.
- Enterprise Reuse: Establishes a platform technology adaptable to multiple composite matrices and textile substrates, reducing revalidation burden across projects.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in material behavior under load by providing direct, real-time strain feedback without signal latency.
- Operational Value: Enables standardization of strain-sensitive material production through defined dispersion, layering, and curing steps.
- Strategic Value: Reduces long-term monitoring costs by eliminating discrete sensor deployment and wiring in inaccessible structures.
- Portfolio Impact: Informs risk-adjusted go/no-go decisions in material selection by quantifying strain tolerance and failure-induced network disruption.
Implementation Considerations
- Requires expertise in nanomaterial dispersion, composite fabrication, and electrical characterization.
- Depends on access to probe sonicators, vacuum ovens, hot presses, and precision mechanical testers.
- Necessitates cross-team alignment between materials scientists, electrical engineers, and biomechanists for data interpretation.
- Involves adaptation considerations when transferring from epoxy matrices to textile coatings for wearable applications.
- Practical limitations include sensitivity to environmental factors (e.g., humidity) that may affect baseline conductivity, requiring calibration in use conditions.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
0:44
Preparation of Functionalized Graphene Nanoplatelet (f-GNP)/Epoxy Composite Material
3:14
Preparation of f-GNP/Glass Fiber Fabric and f-GNP/Glass Fiber Composite Material
5:25
f-GNP/Epoxy and f-GNP/Glass Fiber Composite Material Strain Sensor Testing
6:36
f-GNP/Glass Fiber Fabric Strain Sensor Testing
7:37
Results: Strain Monitoring of f-GNP-containing Composite Materials
8:53
Conclusion
