Wykrywanie odkształceń oparte na wieloskalowych materiałach kompozytowych wzmocnionych nanopłytkami grafenu

Ogólnym celem niniejszej procedury jest uzyskanie właściwości samoczujnych w materiałach kompozytowych na potrzeby monitorowania stanu technicznego konstrukcji. Metoda ta może pomóc w odpowiedzi na kluczowe pytania dotyczące automatycznego wykrywania awarii na morzu, takie jak ilościowe określenie odkształcenia i uszkodzeń w obrębie morskich farm wiatrowych oraz prognozowanie ich żywotności. Główną zaletą tej techniki jest możliwość wykrycia uszkodzeń przez sam element konstrukcyjny.

Choć metoda ta pozwala na analizę uszkodzeń strukturalnych materiałów kompozytowych, można ją zastosować również w innych systemach, takich jak analiza biomechaniczna podczas rekonwalescencji po urazie. Aby rozpocząć przygotowanie, w bezdymnej szafie z wyciągiem wymieszaj ręcznie 24 g funkcjonalizowanych nanopłytek grafenowych z monomerem DGEBA. W celu dyspersji f-GNPs w monomerze, najpierw poddaj mieszaninę sonikacji za pomocą sonikatora procesowego przez 45 minut.

Następnie poddaj mieszaninę kalandrowaniu trzykrotnie, zwiększając za każdym razem prędkość wałków. Po dyspersji zważ mieszaninę. Podgrzej mieszaninę do 80 °C przy jednoczesnym mieszaniu, a następnie poddaj ją działaniu próżni.

Odgazuj mieszaninę podczas mieszania przez 15 minut. Odważ utwardzacz w stosunku masowym monomeru DGEBA do utwardzacza wynoszącym 100:23. Usuń mieszaninę z próżni i zatrzymaj mieszanie magnetyczne.

Dodać utwardzacz i mieszać ręcznie do uzyskania jednorodnej konsystencji. Po odgazowaniu i ręcznym wymieszaniu, materiał epoksydowy f-GNP należy utrzymać w temperaturze 80 °C przy mieszaniu magnetycznym. Następnie oczyścić płytkę stalową acetonem.

Za pomocą nożyczek do tkanin wytnij 14 warstw tkaniny z włókna szklanego o pożądanych wymiarach. Podgrzej tkaninę szklaną do 80 °C w piekarniku. Wytnij dwa kwadraty z nieprzywierającej folii polimerowej o tych samych wymiarach co tkanina.

Umieść folię na czystej stalowej płytce. Za pomocą pędzla nałóż warstwę epoksydu wypełnionego f-GNP na jeden kwadrat foliowego polimeru. Ostrożnie połóż jeden kwadrat podgrzanego tworzywa z włókna szklanego na pokrytej epoksydem folii w taki sposób, aby epoksyd i folia zostały całkowicie przykryte.

Do skompresowania materiałów należy użyć wałka do usuwania pęcherzy powietrza. Należy kontynuować nakładanie warstw żywicy epoksydowej i tkaniny, każdorazowo je dociskając, aż do wykorzystania całej pozostałej tkaniny. Na koniec należy nałożyć ostatnią warstwę żywicy epoksydowej, a na wierzchu laminatu położyć pozostały kwadrat nieprzywierającej folii polimerowej.

Utwardź laminat w prasie z płytą grzewczą, stopniowo zwiększając nacisk. W dygestorium bezkanałowym przygotuj mieszaninę środka do sizingowania i wody destylowanej w stosunku jeden do jednego. Dodaj do niej 7,5 g f-GNPs.

Wyjmij mieszaninę z dygestorium i rozprosz nanoplasterki za pomocą sonikacji sondą. Wytnij 14 kwadratów tkaniny z włókna szklanego. Użyj urządzenia do powlekania metodą zanurzeniową (Dip Coater), aby pokryć tkaninę szklaną preparatem sizing wypełnionym f-GNP.

Następnie wysuszyć powlekaną tkaninę w piecu próżniowym. Oczyścić płytkę stalową acetonem. Umieścić kwadrat antyadhezyjnej folii polimerowej o tych samych wymiarach co kwadraty tkaniny z włókna szklanego na płytce stalowej.

Umieść 14 kwadratów powlekanej tkaniny z włókna szklanego na folii polimerowej, dbając o wyrównanie krawędzi. Następnie umieść płytkę i tkaninę w worku próżniowym. Za pomocą taśmy uszczelniającej zamknij worek próżniowy.

Podgrzej wstępnie worek w piekarniku w temperaturze 80 °C. Odgazuj monomer DGEBA pod próżnią podczas mieszania. Dodaj utwardzacz w stosunku wagowym monomeru do utwardzacza od 100 do 23 i mieszaj do uzyskania jednorodności.

Podłącz pompę próżniową do worka próżniowego i przeprowadź kontrolę szczelności. Podłącz odcinek rurki polimerowej do worka i zanurz otwarty koniec w żywicy epoksydowej. Włącz pompę próżniową, aby zassać żywicę do worka.

Gdy stos tkaniny szklanej zostanie całkowicie nasączony żywicą epoksydową, wyłącz pompę i zamknij worek. Utwardź laminat w worku w piecu w temperaturze 140 °C przez 8 godzin. Następnie wyjmij utwardzony laminat z worka próżniowego.

Aby rozpocząć przygotowania do testów odkształcenia, należy obrobić mechanicznie próbki laminatu. Następnie powierzchnie próbek należy oczyścić acetonem. Używając srebrnej akrylowej farby przewodzącej, należy narysować na każdej próbce dwie wąskie linie w odstępie 20 milimetrów.

Ułożyć cienkie miedziane druty płasko wzdłuż mokrej farby srebrowej, aby pełniły funkcję elektrod. Po wyschnięciu farby przymocować druty za pomocą kleju na gorąco. Skonfigurować maszynę do badań mechanicznych w celu przeprowadzenia testu zginania.

Dla każdej próbki należy zmierzyć szerokość i grubość za pomocą suwmiarki przed umieszczeniem próbki w urządzeniu. Prędkość testu oraz pozycję startową należy ustawić odpowiednio do rozmiaru i położenia próbki. Należy podłączyć styki elektryczne do multimetru i zmierzyć początkową rezystancję elektryczną między stykami.

Przeprowadź test zginania, monitorując rezystancję przez cały czas trwania badania. Aby przygotować próbki do testu odkształcenia, potnij tkaninę z włókna szklanego f-GNP na paski o szerokości 10 mm. Następnie przymocuj miedziane przewody do tkaniny za pomocą srebrnego lakieru przewodzącego i kleju na gorąco.

Następnie przymocuj pasma tkaniny z włókna szklanego f-GNP do kciuka oraz trzech pierwszych palców rękawiczki nitrylowej za pomocą kleju na gorąco. Zmierz początkową rezystancję elektryczną tkaniny na każdym palcu. Wykonaj sekwencję zginania palców, rejestrując jednocześnie rezystancję elektryczną.

Zacznij od zginania kciuka, następnie palca wskazującego, środkowego, a potem serdecznego. Zgnij wszystkie palce jednocześnie. Następnie, zwiększając prędkość, powtórz sekwencję od kciuka do palca serdecznego i z powrotem.

Wprowadzenie f-GNPs do włókna szklanego zwiększa przewodność elektryczną materiału, która jest modulowana przez indukowane odkształcenie. Znormalizowany opór elektryczny wzrasta wraz ze wzrostem odkształcenia zginającego. Przerwanie włókien szklanych w punkcie zniszczenia zakłóca sieć elektryczną, co objawia się skokowym wzrostem znormalizowanego oporu.

Kiedy tkanina z włókna szklanego f-GNP zostanie naniesiona na palce rękawicy nitrylowej, zgięcie każdego palca oraz czas trwania ruchu mogą być śledzone poprzez zmiany rezystancji. Poddanie kompozytów z epoksydu f-GNP i włókna szklanego f-GNP odkształceniu ściskającemu i rozciągającemu wywołało nieco inne wzorce zmian rezystancji elektrycznej. Poniżej pewnego poziomu odkształcenia ściskającego znormalizowana rezystancja elektryczna stopniowo maleje wraz ze wzrostem odkształcenia.

Powyżej tej wartości rezystancja wzrasta. Jednakże znormalizowana rezystancja elektryczna wzrasta wraz z odkształceniem rozciągającym w całym zakresie. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę badaczom w dziedzinie czujników i monitorowania materiałów do badania uszkodzeń w komponentach strukturalnych.

Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać gruntowną wiedzę na temat sposobu przygotowania samoczujnego materiału kompozytowego oraz metod monitorowania go w czasie rzeczywistym.