Strain Sensing Baseado em Multiscale Materiais Compósitos reforçados com grafeno Nanoplatelets

O objetivo geral deste procedimento é obter propriedades de autorreconhecimento em materiais compostos para monitoramento da integridade estrutural. Este método pode ajudar a responder questões fundamentais na detecção automática de falhas marítimas, como a quantificação de deformação e danos no local de parques eólicos offshore e a previsão de sua vida útil. A principal vantagem desta técnica é que os danos podem ser detectados pelo próprio componente estrutural.

Embora este método possa fornecer informações sobre danos estruturais em materiais compósitos, ele também pode ser aplicado a outros sistemas, como a análise biomecânica durante a recuperação de lesões. Para iniciar o preparo, em uma capela sem duto, misture manualmente 24 gramas de nanoplatas de grafeno funcionalizadas com o monômero DGEBA. Para dispersar os f-GNPs no monômero, sonique primeiro a mistura com um Sonicator de Prova por 45 minutos.

Em seguida, passe a mistura pelo calandrador três vezes, aumentando a velocidade dos rolos a cada vez. Após a dispersão, pese a mistura. Aqueça a mistura a 80 graus Celsius sob agitação e, em seguida, coloque a mistura sob vácuo.

Desgaseifique a mistura sob agitação durante 15 minutos. Pese o endurecedor numa proporção de peso de 100 para 23 de monômero DGEBA para endurecedor. Remova a mistura do vácuo e pare a agitação magnética.

Adicione o endurecedor e misture manualmente até ficar homogêneo. Após a dessonificação e mistura manual, mantenha o material epóxi com f-GNP a 80 graus Celsius sob agitação magnética. Em seguida, limpe uma placa de aço com acetona.

Usando tesoura de tecido, corte 14 camadas de tecido de fibra de vidro nas dimensões desejadas. Aqueça o tecido de vidro a 80 graus Celsius em uma estufa. Corte dois quadrados de filme polimérico antiaderente nas mesmas dimensões do tecido.

Coloque o filme sobre a placa de aço limpa. Usando um pincel, aplique uma camada de epóxi preenchido com f-GNP em um quadrado do filme polimérico. Coloque cuidadosamente um quadrado de plástico de fibra de vidro aquecido sobre o filme coberto com epóxi, de modo que o epóxi e o filme sejam completamente cobertos.

Use um rolo desaerador para comprimir os materiais. Continue aplicando camadas de epóxi e tecido, comprimindo cada vez, até que todo o tecido restante tenha sido utilizado. Aplique uma última camada de epóxi e coloque o quadrado restante de filme polimérico antiaderente sobre o laminado.

Cure o laminado em uma prensa com placa aquecida com aumento de pressão. Em uma cabine de exaustão sem dutos, prepare uma mistura um para um de agente nivelador com água destilada. Adicione a isso 7,5 gramas de f-GNPs.

Retire a mistura da cabine de exaustão e disperse as nanoplaquetas por sonicação com sonda. Recorte 14 quadrados de tecido de fibra de vidro. Utilize um Dip Coater para revestir o tecido de vidro com o sizing contendo f-GNP.

Em seguida, seque o tecido revestido em estufa a vácuo. Limpe uma placa de aço com acetona. Coloque um quadrado de filme polimérico antiaderente com as mesmas dimensões dos quadrados de tecido de fibra de vidro sobre a placa de aço.

Coloque os 14 quadrados de tecido de fibra de vidro revestido sobre o filme polimérico, garantindo que as bordas estejam alinhadas. Em seguida, coloque a placa e o tecido em uma bolsa a vácuo. Utilizando fita selante, feche a bolsa a vácuo.

Pré-aqueça o saco em uma estufa a 80 graus Celsius. Desgaseifique o monômero DGEBA sob vácuo com agitação. Adicione o endurecedor numa proporção de peso de 100 para 23 entre monômero e endurecedor e agite até homogeneização.

Conecte uma bomba de vácuo ao saco de vácuo e realize verificações de vazamento. Conecte um trecho de tubo de polímero ao saco e submerja a extremidade aberta na resina epóxi. Ligue a bomba de vácuo para puxar a resina para dentro do saco.

Uma vez que a pilha de tecido de vidro esteja completamente impregnada com a resina epóxi, desligue a bomba e feche o saco. Cure o laminado no saco em uma estufa a 140 graus Celsius por 8 horas. Em seguida, remova o laminado curado do saco a vácuo.

Para iniciar o preparo para o teste de deformação, usine as amostras de laminado. Em seguida, limpe as superfícies das amostras com acetona. Usando tinta condutiva acrílica prata, desenhe duas linhas estreitas separadas por 20 milímetros em cada amostra.

Coloque fios finos de cobre planos ao longo da tinta de prata úmida para atuar como eletrodos. Após a secagem da tinta, fixe os fios no lugar com adesivo de fusão térmica. Configure uma máquina de teste mecânico para um ensaio de flexão.

Para cada amostra, meça a largura e a espessura com paquímetro antes de colocar a amostra na máquina. Ajuste a velocidade do teste e a posição inicial adequadamente conforme o tamanho e a localização da amostra. Conecte os contatos elétricos a um multímetro e meça a resistência elétrica inicial entre os contatos.

Realize o ensaio de flexão, monitorando a resistência ao longo de todo o processo. Para preparar o ensaio de deformação, corte o tecido de fibra de vidro com f-GNP em tiras de 10 milímetros de largura. E fixe fios de cobre ao tecido utilizando tinta condutiva de prata e adesivo termofusível.

Em seguida, fixe as tiras de tecido de fibra de vidro com f-GNP ao polegar e aos três primeiros dedos de uma luva de nitrila utilizando adesivo de fusão quente. Meça a resistência elétrica inicial através do tecido em cada dedo. Realize uma sequência de flexões dos dedos enquanto registra a resistência elétrica.

Comece dobrando o polegar, depois o indicador, depois o médio e, em seguida, o anelar. Dobre todos os dedos simultaneamente. Em seguida, com velocidade aumentada, repita a sequência do polegar ao dedo anelar e volte.

A incorporação de f-GNPs em fibra de vidro aumenta a condutividade elétrica do material, a qual é afetada pela deformação induzida. A resistência elétrica normalizada aumenta com o aumento da deformação flexural. A ruptura das fibras de vidro no ponto de falha interrompe a rede elétrica, o que é observado como um salto na resistência normalizada.

Quando o tecido de fibra de vidro f-GNP é aplicado aos dedos de uma luva de nitrila, a flexão de cada dedo e a duração do movimento podem ser monitoradas por meio de alterações na resistência elétrica. Submeter os materiais compósitos de epóxi f-GNP e de fibra de vidro f-GNP a deformações compressivas e trativas induziu padrões ligeiramente diferentes de alteração na resistência elétrica. Abaixo de um determinado nível de deformação compressiva, a resistência elétrica normalizada diminui gradualmente com o aumento da deformação.

Além disso, a resistência aumenta. No entanto, a resistência elétrica normalizada aumenta com a deformação sob tração em toda a extensão. Após seu desenvolvimento, essa técnica abriu caminho para pesquisadores na área de sensores e monitoramento de materiais explorarem danos em componentes estruturais.

Após assistir a este vídeo, você deverá ter uma boa compreensão de como preparar um material compósito com autorreconhecimento e como monitorá-lo em tempo real.