Wykrywanie odkształceń oparte na wieloskalowych materiałach kompozytowych wzmocnionych nanopłytkami grafenu
7 listopada 2016
Integracja przewodzących nanocząstek, takich jak nanopłytki grafenu, z materiałami kompozytowymi z włókna szklanego tworzy wewnętrzną sieć elektryczną podatną na obciążenia. W tym miejscu proponuje się różne metody otrzymywania czujników tensometrycznych oparte na dodaniu nanopłytek grafenu do matrycy epoksydowej lub jako powłoki na tkaninach szklanych.
Ogólnym celem tej procedury jest uzyskanie właściwości samowykrywania w materiałach kompozytowych do monitorowania stanu konstrukcji. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania dotyczące awarii automatycznego wykrywania na morzu, takie jak kwantyfikacja odkształcenia i uszkodzeń w miejscu morskich farm wiatrowych oraz przewidywanie ich żywotności serwerów. Główną zaletą tej techniki jest to, że uszkodzenie można wykryć przez sam element konstrukcyjny.
Chociaż metoda ta może zapewnić wgląd w uszkodzenia strukturalne materiałów kompozytowych, może być również stosowana do innych systemów, takich jak analiza biomechaniczna podczas rekonwalescencji po urazach. Aby rozpocząć przygotowanie, w bezkanałowym dygestorio, należy ręcznie wymieszać 24 gramy funkcjonalizowanych nanopłytek grafenu z monomerem DGEBA. Aby rozproszyć f-GNP w monomerze, najpierw poddaj mieszaninę sonikatorowi sondy przez 45 minut.
Następnie trzykrotnie kalandruj mieszankę, za każdym razem zwiększając prędkość wałka. Po rozproszeniu odważyć mieszaninę. Podgrzej mieszaninę do 80 stopni Celsjusza, mieszając, a następnie umieść mieszaninę w próżni
.Odgazuj mieszaninę, mieszając przez 15 minut. Odważyć utwardzacz w stosunku wagowym monomeru DGEBA do utwardzacza w stosunku 100 do 23. Usuń mieszaninę z próżni i przestań mieszać magnetycznie.
Dodaj utwardzacz i mieszaj ręcznie, aż będzie jednorodny. Po odgazowaniu i ręcznym wymieszaniu materiał epoksydowy f-GNP należy utrzymywać w temperaturze 80 stopni Celsjusza pod mieszaniem magnetycznym. Następnie wyczyść stalową płytkę acetonem.
Za pomocą nożyczek do tkanin przytnij 14 warstw tkaniny z włókna szklanego do żądanych wymiarów. Podgrzej tkaninę szklaną do 80 stopni Celsjusza w piekarniku. Wytnij dwa kwadraty antyadhezyjnej folii polimerowej o tych samych wymiarach co tkanina.
Umieść folię na czystej stalowej płycie. Za pomocą pędzla nałóż warstwę żywicy epoksydowej wypełnionej f-GNP na jeden kwadrat folii polimerowej. Ostrożnie umieść jeden kwadrat podgrzanego tworzywa sztucznego z włókna szklanego na folii pokrytej żywicą epoksydową, tak aby żywica epoksydowa i folia były całkowicie pokryte.
Użyj wałka odpowietrzającego, aby ścisnąć materiały. Kontynuuj nakładanie warstw żywicy epoksydowej i tkaniny, za każdym razem kompresując, aż cała pozostała tkanina zostanie zużyta. Nałóż ostatnią warstwę żywicy epoksydowej i umieść pozostały kwadrat antyadhezyjnej folii polimerowej na wierzchu laminatu.
Utwardź laminat w prasie do płyt grzejnych ze zwiększonym ciśnieniem. W bezkanałowym dygestoria przygotuj mieszaninę jeden do jednego środka zaklejającego z wodą destylowaną. Dodaj do tego 7,5 grama f-GNP.
Usunąć mieszaninę z dygestorium i rozproszyć nanopłytki krwi za pomocą sonizacji sondy. Wytnij 14 kwadratów tkaniny z włókna szklanego. Użyj powlekarki zanurzeniowej, aby pokryć tkaninę szklaną klejonką wypełnioną f-GNP.
Następnie wysusz powlekaną tkaninę w piecu próżniowym. Wyczyść stalową płytę acetonem. Umieść kwadrat antyadhezyjnej folii polimerowej o tych samych wymiarach co kwadraty z tkaniny z włókna szklanego na stalowej płycie.
Umieść 14 kwadratów powlekanej tkaniny z włókna szklanego na folii polimerowej, upewniając się, że krawędzie są wyrównane. Następnie umieść talerz i tkaninę w worku próżniowym. Za pomocą taśmy uszczelniającej uszczelnij worek próżniowy.
Rozgrzej torebkę w piekarniku w temperaturze 80 stopni Celsjusza. Odgazować monomer DGEBA w próżni podczas mieszania. Dodaj utwardzacz w stosunku monomeru do 23 monomeru do masy utwardzacza i mieszaj do uzyskania jednorodnej konsystencji.
Podłącz pompę próżniową do worka próżniowego i przeprowadź kontrolę szczelności. Podłącz rurkę polimerową do worka i zanurz otwarty koniec w żywicy epoksydowej. Włącz pompę próżniową, aby wciągnąć żywicę do worka.
Gdy stos tkaniny szklanej zostanie całkowicie nasączony żywicą epoksydową, wyłącz pompę i zamknij worek. Utwardź laminat w torbie w piekarniku w temperaturze 140 stopni Celsjusza przez 8 godzin. Następnie wyjmij utwardzony laminat z worka próżniowego.
Aby rozpocząć przygotowania do badania odkształceń, należy obrobić maszynowo próbki laminatu. Następnie oczyść powierzchnie próbki acetonem. Za pomocą srebrnej akrylowej farby przewodzącej narysuj dwie wąskie linie w odległości 20 milimetrów od siebie na każdej próbce.
Połóż cienkie druty miedziane płasko wzdłuż mokrej srebrnej farby, aby działały jak elektrody. Po wyschnięciu farby przymocuj druty na miejscu za pomocą kleju topliwego. Skonfiguruj mechaniczną maszynę testową do testu zginania.
Dla każdej próbki należy zmierzyć szerokość i grubość za pomocą suwmiarki przed umieszczeniem próbki w maszynie. Ustawić prędkość testową i pozycję początkową odpowiednio do wielkości i lokalizacji próbki. Podłącz styki elektryczne do multimetru i zmierz początkową rezystancję elektryczną między stykami.
Przeprowadź próbę zginania, monitorując opór przez cały czas. Aby przygotować się do testu odkształcenia, przytnij tkaninę z włókna szklanego f-GNP do pasków o szerokości 10 milimetrów. I przymocować druty miedziane do tkaniny za pomocą srebrnej farby przewodzącej i kleju topliwego.
Następnie przymocuj opaski z włókna szklanego f-GNP do kciuka i pierwszych trzech palców rękawicy nitrylowej za pomocą kleju topliwego. Zmierz początkowy opór elektryczny na tkaninie na każdym palcu. Wykonaj sekwencję zginania palców podczas rejestrowania oporu elektrycznego.
Zacznij od zgięcia kciuka, następnie palca wskazującego, następnie środkowego, a następnie serdecznego. Zegnij wszystkie palce jednocześnie. Następnie, ze zwiększoną prędkością, powtórz sekwencję od kciuka do palca serdecznego iz powrotem.
Włączenie f-GNP do włókna szklanego zwiększa przewodność elektryczną materiału, na którą wpływa indukowane odkształcenie. Znormalizowany opór elektryczny wzrasta wraz ze wzrostem odkształcenia zginania. Pęknięcie włókien szklanych w miejscu awarii powoduje zakłócenie sieci elektrycznej, co jest postrzegane jako skok znormalizowanej rezystancji.
Gdy tkanina z włókna szklanego f-GNP jest nakładana na palce rękawicy nitrylowej, zgięcie każdego palca i czas trwania ruchu można śledzić za pomocą zmian oporu. Poddanie materiałów kompozytowych z żywicy epoksydowej f-GNP i włókna szklanego f-GNP odkształceniom ściskającym i rozciągającym wywołało nieco inne wzorce zmian oporu elektrycznego. Poniżej pewnego poziomu odkształcenia ściskającego, znormalizowany opór elektryczny stopniowo maleje wraz ze wzrostem odkształcenia.
Poza tym opór wzrasta. Jednak znormalizowany opór elektryczny wzrasta wraz z odkształceniem rozciągającym przez cały czas. Po opracowaniu technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się wykrywaniem i monitorowaniem materiału w celu zbadania uszkodzeń elementów konstrukcyjnych.
Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak przygotować samowykrywający się materiał kompozytowy i jak monitorować go w czasie rzeczywistym.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie eksploruje integrację przewodzących nanocząstek, a konkretnie płatków grafitu, w materiały kompozytowe w celu opracowania właściwości samoczujnych do monitorowania stanu technicznego konstrukcji. Proponowane metody mają na celu poprawę wykrywania odkształceń i uszkodzeń w materiałach kompozytowych, z potencjalnymi zastosowaniami w farmach wiatrowych na morzu i analizie biomechanicznej.
Kluczowe Elementy Badania
Dziedzina Nauki
- Nauka o materiałach
- Nanotechnologia
- Monitorowanie Stanu Technicznego
Tło
- Materiały kompozytowe są szeroko stosowane w różnych zastosowaniach konstrukcyjnych.
- Możliwości samoczujne mogą poprawić wykrywanie uszkodzeń i konserwację.
- Płatki grafitu oferują unikalne właściwości elektryczne, gdy są zintegrowane z kompozytami.
- Zrozumienie odkształceń i uszkodzeń w materiałach jest kluczowe dla ich trwałości i bezpieczeństwa.
Cel Badania
- Opracowanie czujników odkształceń z wykorzystaniem płatków grafitu w materiałach kompozytowych.
- Umożliwienie monitorowania w czasie rzeczywistym integralności strukturalnej.
- Zbadanie zastosowań zarówno w farmach wiatrowych na morzu, jak i systemach biomechanicznych.
Wykorzystane Metody
- Ręczne mieszanie funkcjonalizowanych płatków grafitu z monomerem DGEBA.
- Sonifikacja mieszaniny w celu zapewnienia prawidłowego rozproszenia.
- Zastosowanie mieszaniny do macierzy epoksydowych lub jako powłok na tkaninach szklanych.
- Testowanie właściwości samoczujnych otrzymanych materiałów kompozytowych.
Główne Wyniki
- Pomyślna integracja płatków grafitu w materiały kompozytowe.
- Wykazano zdolność do autonomicznego wykrywania odkształceń i uszkodzeń.
- Potencjał zastosowania w różnych scenariuszach monitorowania strukturalnego.
- Uzyskano informacje na temat trwałości i wydajności materiałów kompozytowych.
Wnioski
- Metoda zapewnia wykonalne podejście do materiałów kompozytowych samoczujnych.
- Poprawy w monitorowaniu stanu technicznego mogą prowadzić do zwiększenia bezpieczeństwa.
- Przyszłe zastosowania mogą wykraczać poza kompozyty do innych dziedzin.
Często zadawane pytania
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
