Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

سلالة الاستشعار استنادا متعددة النطاقات المواد المركبة مسلح مع الجرافين Nanoplatelets

Published: November 7, 2016 doi: 10.3791/54512
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 1, 1
1Materials Science and Engineering Area, University Rey Juan Carlos

Summary

دمج الجسيمات النانوية موصلة، مثل nanoplatelets الجرافين، إلى مواد مركبة من ألياف الزجاج يخلق الشبكة الكهربائية الجوهرية عرضة للإجهاد. هنا، طرق مختلفة للحصول على أجهزة استشعار الضغط على أساس إضافة nanoplatelets الجرافين في مصفوفة الايبوكسي أو كما اقترح الطلاء على الأقمشة الزجاجية.

Abstract

رد الكهربائية من NH 2 -functionalized الجرافين nanoplatelets تم دراسة المواد المركبة تحت الضغط. واقترح طريقتين التصنيع المختلفة لإنشاء الشبكة الكهربائية في هذا العمل: (أ) إدماج nanoplatelets في مصفوفة الايبوكسي و (ب) طلاء النسيج الزجاج مع التحجيم مليئة نفس nanoplatelets. كلا النوعين من المواد المركبة المتعددة النطاقات، مع التوصيل الكهربائي لل~ 10 -3 S / م في الطائرة، أظهر النمو المتسارع للمقاومة الكهربائية كما يزيد الضغط بسبب تنأى بين المتاخمة nanoplatelets الجرافين functionalized وفقدان الاتصال بين تلك الفوقية. حساسية من المواد تحليلها خلال هذا البحث، وذلك باستخدام الإجراءات الموضحة، وقد تبين أن يكون أعلى من أجهزة قياس الضغط المتاحة تجاريا. إن الإجراءات المقترحة للاستشعار عن النفس من المواد المركبة الهيكلية تسهيل رصد صحة الهيكليجي المكونات في يصعب الوصول إليها مواضع مثل مزارع طاقة الرياح البحرية. على الرغم من أن حساسية المواد المركبة المتعددة النطاقات كانت أعلى بكثير من حساسية من رقائق معدنية تستخدم أجهزة قياس الضغط، والقيمة التي تم التوصل إليها مع NH 2 الأقمشة functionalized nanoplatelets الجرافين المغلفة كان ما يقرب من أمر من حجم متفوقة. توضيح هذه النتيجة قدرتها على أن تستخدم الأقمشة الذكية لمراقبة حركات الإنسان مثل الانحناء الأصابع أو الركبتين. باستخدام الطريقة المقترحة، يمكن أن النسيج الذكي كشف على الفور الانحناء واستعادة الفور. يسمح هذا حقيقة الرصد الدقيق للوقت الانحناء، وكذلك درجة الانحناء.

Introduction

أصبح المراقبة الصحية الهيكلي (SHM) أهمية متزايدة بسبب الحاجة إلى معرفة المدة المتبقية من الهياكل 1-3. في الوقت الحاضر، من الصعب للوصول إلى المواقع، مثل النباتات البحرية الرياح، تؤدي إلى ارتفاع المخاطر في عمليات الصيانة، فضلا عن زيادة تكاليف 2-4. تشكل مواد الاستشعار عن النفس واحدة من الفرص المتاحة في مجال SHM نظرا لقدرتها من سلالة الرصد الذاتي والضرر 5.

في حالة توربينات الرياح، ويتم تصنيع ريش عموما في الألياف الزجاجية / الايبوكسي المواد المركبة، والتي هي عوازل كهربائيا. من أجل إضفاء خصائص الاستشعار عن النفس لهذه المواد المركبة، وهي شبكة الكهربائية الجوهرية عرضة للتوتر والضرر يحتاج المراد إنشاؤه. خلال السنوات القليلة الماضية، وإدماج النانوية موصلة مثل أسلاك الفضة 6،7، أنابيب الكربون النانوية (الأنابيب النانوية الكربونية) 10/08، وnanoplatelets الجرافين (الناتج القومي الإجمالي) 11-13وقد درست لإنشاء هذه الشبكة الكهربائية. ويمكن إدراج هذه الجسيمات النانوية في النظام كمواد حشو في مصفوفة البوليمر أو طلاء النسيج الألياف الزجاجية (14). هذه المواد يمكن أن تطبق أيضا على غيرها من المجالات الصناعية، أي صناعة الطائرات والسيارات والمدنية الهندسة 5، والأقمشة المغلفة يمكن استخدام المواد والذكية في تطبيقات النشاط الحيوي 7،15.

ويتحقق Piezoresistivity من هذه المجسات ثلاث مساهمات مختلفة. المساهمة الأولى هي piezoresistivity جوهري من الجسيمات النانوية. سلالة من بنية يغير التوصيل الكهربائي من الجسيمات النانوية. ومع ذلك، فإن المساهمات الرئيسية هي التغيرات في نفق المقاومة الكهربائية، بسبب التعديلات في المسافات بين الجسيمات النانوية المجاورة، ومقاومة الاتصال الكهربائية، بسبب الاختلافات في منطقة الاتصال بين تلك الفوقية 9. هذا piezoresistivity أعلى عندما 2D نوتستخدم anoparticles باعتباره nanofiller مقارنة النانوية 1D لتقدم الشبكة الكهربائية القابلية العالية للتغيرات وانقطاعات هندسية، عادة واحد أمر من حجم متفوقة 16.

بسبب الطابع النووي 2D (17) والموصلية الكهربائية العالية 18،19، تم اختيارها nanoplatelets الجرافين في هذا العمل كما نانو معزز من المواد المركبة المتعددة النطاقات من أجل الحصول على أجهزة استشعار الذاتي مع زيادة في الحساسية. يتم دراسة طريقتين مختلفتين لدمج الناتج القومي الإجمالي في المواد المركبة من أجل توضيح الاختلافات المحتملة في آليات الاستشعار وحساسية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. إعداد الايبوكسي Functionalized الجرافين Nanoplatelet معبأ لمتعددة النطاقات المواد المركبة

  1. تفريق nanoplatelets الجرافين functionalized (و-الناتج القومي الإجمالي) في راتنجات الايبوكسي.
    1. تزن 24.00 غرام من F-الناتج القومي الإجمالي لتحقيق 12٪ بالوزن من المواد بمركب متناهي في الصغر النهائية داخل غطاء الصماء الدخان.
    2. إضافة 143،09 غرام من ثنائي الفينول أ الأثير diglycidyl (DGEBA) مونومر يدويا ومزجها لتحقيق التجانس.
    3. تفريق F-الناتج القومي الإجمالي في مونومر بطريقة twostep، الذي يجمع بين تحقيق صوتنة والصقل عمليات 20.
      1. يصوتن الخليط على 50٪ من السعة وحلقة من 0.5 ثانية لمدة 45 دقيقة.
      2. تطبيق 3 دورات الصقل باستخدام فجوة الأسطوانة من 5 ميكرون، وزيادة سرعة الأسطوانة في كل دورة: 250 دورة في الدقيقة، 300 دورة في الدقيقة و 350 دورة في الدقيقة.
      3. الموازنة بين خليط من F-الناتج القومي الإجمالي / مونومر بعد الانتهاء من التشتت.
    4. ديغا وو الناتج القومي الإجمالي / مونومر خليط undeفراغ ص والتحريك المغناطيسي على 80 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة.
    5. وزن وإضافة تصليب في نسبة وزن 100: 23 (مونومر: تصليب) ويحرك يدويا حتى تحقيق التجانس.

2. طلاء من نسيج الزجاج مع Functionalized الجرافين Nanoplatelet مليئة تحجيم (تعليق) لمتعددة النطاقات المواد المركبة

  1. تفريق nanoplatelets الجرافين functionalized في التحجيم.
    1. تزن 7.5 غرام من F-الناتج القومي الإجمالي، والكمية المطلوبة لتحقيق 5٪ بالوزن، إلى 142.5 غرام من المذيبات (الماء التحجيم / المقطر المحددة في 2.1.2) داخل غطاء الصماء الدخان.
    2. إعداد خليط من F-الناتج القومي الإجمالي والتحجيم المخفف بالماء المقطر (1: 1 بالوزن) داخل غطاء محرك السيارة الصماء الدخان. مرة واحدة تم إضافة الماء المقطر، أداء العمل خارج غطاء الدخان بلا مجرى.
    3. تفريق الناتج القومي الإجمالي صوتنة التحقيق لمدة 45 دقيقة في 50٪ السعة وحلقة من 0.5 ثانية.
  2. معطف زالنسيج معشوقة مع التحجيم شغل و الناتج القومي الإجمالي.
    1. مع مقص مناسبة لقطع قماش، وقطع 14 طبقات من القماش والزجاج مع أبعاد 120 х 120 مم 2 ثم معطف لهم مع خليط من F-الناتج القومي الإجمالي والتحجيم (2.1.3) من خلال طلاء تراجع (الغمر واحد) باستخدام المغطي تراجع في تحجيم شغل و الناتج القومي الإجمالي.
    2. تجفيف النسيج الزجاج المطلي و الناتج القومي الإجمالي في فرن فراغ في 150 درجة مئوية لمدة 24 ساعة كما هو مبين في الأوراق التقنية المقدمة من قبل الشركة المصنعة.

3. تصنيع المواد المركبة متعددة النطاقات

  1. تصنيع المواد اللازمة الناتج القومي الإجمالي / الايبوكسي مركب.
    1. بعد إفراغ الغاز المخلوط، والحفاظ على و الناتج القومي الإجمالي راتنجات الايبوكسي شغل تحت التحريك المغناطيسي في 80 درجة مئوية لجميع مراحل عملية التصنيع.
    2. وضع 14 طبقات من النسيج الزجاجي إلى فرن عند 80 درجة مئوية.
    3. بدلا من ذلك، ضع طبقة من الايبوكسي شغل و الناتج القومي الإجمالي وطبقة من القماش الألياف الزجاجية (14 طبقات) sequentially باليد على لوحة معدنية باستخدام الأسطوانة بث دي بعد وضع كل طبقة النسيج والزجاج.
      1. استخدام مقص لقطع ووضع مكافحة ملتصقة البوليمر فيلم (120 х 120 مم 2) على لوحة الصلب.
      2. ضع طبقة من الخليط و الناتج القومي الإجمالي / الايبوكسي على فيلم البوليمر مكافحة ملتصقة مع فرشاة. وضع طبقة من النسيج الألياف الزجاجية. لاحظ أهمية تغطي مساحة و الناتج القومي الإجمالي / المنطقة الايبوكسي والمواءمة بين طبقات النسيج المختلفة. إزالة الهواء والمدمجة الثنيات باستخدام الأسطوانة بث دي.
      3. كرر الخطوة 3.1.3.2 حتى الانتهاء من جميع طبقات من الرقائق.
      4. تطبيق طبقة النهائية للو الناتج القومي الإجمالي / خليط الايبوكسي مع فرشاة وتغطية صفح مع طبقة أخرى من فيلم البوليمر مكافحة ملتصقة.
    4. مرة واحدة وقد تم مكدسة جميع طبقات النسيج تصل، وعلاج صفح في الصحافة لوحة الساخن في 140 درجة مئوية لمدة 8 ساعات مع زيادة ضغط يصل إلى 6 القضبان.
    5. استخراج صفح الشفاء من بلات الساخنةالبريد الصحافة.
  2. تصنيع و الناتج القومي الإجمالي / زجاج مواد الألياف المركبة التي كتبها فراغ بمساعدة الراتنج ضخ صب (VARIM).
    1. إعداد لوحة معدنية حيث يجري VARIM التي يتعين الاضطلاع بها.
      1. تنظيف سطح لوحة الصلب مع الأسيتون.
      2. وضع فيلم البوليمر مكافحة ملتصقة على لوحة الصلب.
    2. وضع تسلسل و الناتج القومي الإجمالي النسيج الزجاج المطلي (14 طبقات مع أبعاد 120 х 120 مم 2) على طبق من ذهب. تأكد من أن طبقات من النسيج يتم محاذاة بصريا وعن طريق اللمس.
    3. ختم حقيبة فراغ مع الشريط تسرب لعملية VARIM وقبل تسخين النظام في 80 درجة مئوية في الفرن.
    4. ديغا مونومر DGEBA تحت فراغ والتحريك المغناطيسي على 80 درجة مئوية لمدة 15 دقيقة. إضافة تصليب في نسبة وزن 100: 23 (مونومر: تصليب) ويحرك حتى تحقيق التجانس.
    5. إضافة راتنجات الايبوكسي في 80 درجة مئوية مع مضخة فراغ متصلا حقيبة فراغ مع البوليمرشغل في أنبوب حتى كومة النسيج والزجاج تماما من راتنجات الايبوكسي وعلاج صفح في الفرن على 140 درجة مئوية لمدة 8 ساعات.
    6. استخراج صفح الشفاء من الفرن وإزالة كيس فراغ والمواد المساعدة.

4. إعداد عينات للمجسات الانفعال الاختبارات

  1. عينات الجهاز (التحكم العددي الكمبيوتر - CNC آلة الطحن) من شرائح المتعددة النطاقات إلى البعد اللازمة لاختبارات العاطفة بعد D790-02 ASTM 21 وقطع الزجاج النسيج العصابات 10 ملم في العرض من أجل دراسة حساسية سلالة و الناتج القومي الإجمالي المغلفة قماش.
    يتم إصلاح عينات على الطاولة بالقطع مع شريط لاصق وتشكيله باستخدام المعلمات التالية: ملاحظة سرعة تغذية من 500 مم / دقيقة، وسرعة الخمول من 5000 دقيقة -1 وعمق الخطوات من 0.1 مم.
  2. بعناية تنظيف سطح عينات تشكيله مع الأسيتون لإزالة الغبار.
  3. طلاء خطوط من الفضة (الاكريليك طلاء موصل) علىسطح المواد نأى 20 ملم على حدة لتقليل مقاومة الاتصال الكهربائية والالتزام الأسلاك النحاسية لخطوط الفضة الرطب كما الأقطاب الكهربائية لتسهيل قياس المقاومة الكهربائية خلال الاختبارات.
    ملاحظة: تقع الكهربائية والاتصالات على كل السطوح: السطوح الضغط والشد تعرض الأسطح.
  4. وبمجرد أن الطلاء الفضة الجاف، وإصلاح الاتصالات الكهربائية بمادة لاصقة تذوب الساخنة لتجنب الكهربائية مفرزة للإتصال به.

5. اختبار الاستشعار سلالة

  1. تحليل السلوك الكهربائي لأجهزة الاستشعار تحت الأحمال العاطفة (ثلاث نقاط الانحناء اختبار).
    1. قياس عرض عينة وسمك مع الفرجار.
    2. تعيين العينة في اختبار الآلة الميكانيكية مع التكوين اختبار العاطفة.
    3. تعيين اختبار سرعة (التي يسيطر عليها سلالة) إلى 1 مم / دقيقة وموقف البداية أن يحدد طول الأولي للعينة.
    4. ربطالاتصالات الكهربائية لالمتعدد. قياس المقاومة الكهربائية بين كل اثنين من الاتصالات الكهربائية المجاورة كما هو محدد في الشكل 1.
    5. تشغيل اختبار الثنيات ورصد المقاومة الكهربائية في وقت واحد، من أجل دراسة الاختلافات بسبب الإجهاد يتسبب في العينة.
    6. كرر جميع الخطوات لا يقل عن 3 عينات من F-الناتج القومي الإجمالي / الايبوكسي وو الناتج القومي الإجمالي / زجاج مواد الألياف المركبة لتأكيد السلوك الكهربائي من المواد المركبة.

شكل 1
الشكل الإعداد 1. الكهربائية والاتصالات في اختبارات العاطفة من المواد المركبة المتعددة النطاقات. مرفقة أقطاب النحاس على سطح المواد المركبة باستخدام خطوط الطلاء الفضي (باللون الرمادي) من أجل تقليل مقاومة الاتصال الكهربائية. الرجاء انقر هنالعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

  1. تحليل و الناتج القومي الإجمالي / النسيج والزجاج كمواد كشف عن سلالة من حركات الإنسان.
    1. مراقبة إصبع الانحناء.
      1. إرفاق العصابات النسيج والزجاج على كل من أصابع قفاز النتريل بمادة لاصقة تذوب الساخنة على السطح الداخلي كما هو مبين في الشكل 2.
      2. كرر الخطوة 5.1.4 ولكن قياس المقاومة الكهربائية للاتصالات وضعت في نفس الإصبع.
      3. بدء سلسلة من إصبع الانحناء لرصد وقياس المقاومة الكهربائية بينما الأصابع والانحناء. تسلسل إصبع الانحناء في هذه الحالة بالذات هو: (1) الإبهام، (2) مؤشر، (3) الاصبع الوسطى، (4) البنصر، (5) جميع أصابع في وقت واحد و (6) سلسلة من الانحناء (سرعة أعلى ): (1)، (2)، (3)، (4)، (4)، (3)، (2) و (1).

الشكل 2
الشكل2. الموقع من العصابات و الناتج القومي الإجمالي / الألياف الزجاجية على السطح الداخلي للأصابع قفاز النتريل لمراقبة أصابع الانحناء. وبمجرد المغلفة نسيج الألياف الزجاجية والمجففة، والعصابات يتم قطع 10 ملم في العرض وتعلق على مختلف أصابع القفازات بهدف رصد إصبع الانحناء وتثبت جدوى بروتوكول المذكورة أعلاه. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

وقد وصفت بروتوكول للحصول على اثنين من مواد مختلفة في الإجراء. والفرق هو في طريقة إدماج nanoreinforcement في المواد المركبة لتحقيق الشبكة الكهربائية التي يمكن استخدامها لسلالة الرصد. وتتكون الطريقة الأولى للطلاء من نسيج الألياف الزجاجية مع f-الناتج القومي الإجمالي التحجيم التي يمكن أن تستخدم النسيج الذكي (اسمه و الناتج القومي الإجمالي الألياف / الزجاج) أو كتعزيز من البوليمر مصفوفة المواد المركبة المتعددة النطاقات (اسمه و الناتج القومي الإجمالي / زجاج المواد من ألياف المركبة). الأسلوب الآخر هو nanoreinforcement مصفوفة الايبوكسي من المواد المركبة مع F-الناتج القومي الإجمالي (اسمه و الناتج القومي الإجمالي / الايبوكسي المواد المركبة) باستخدام الألياف الزجاجية كتعزيز المستمر. وجرى ضخ الراتنج من خلال استخدام VARIM لأنها واحدة من أكثر الوسائل شيوعا في هذه الصناعة، ولكن يمكن أن تستخدم وسائل أخرى. يمكن أن يكون طريقة التصنيع البديل الراتنج نقل صب (RTM).

ve_content "FO: المحافظة على together.within الصفحات =" 1 "> نظرا للطابع عازلة من الألياف الزجاجية، وإدماج و-الناتج القومي الإجمالي التالية المذكورة أعلاه البروتوكول يخلق الشبكة الكهربائية داخل المادة التي تسبب بزيادة قدرها الموصلية الكهربائية تصل إلى ~ 10 -3 S / م ويمكن تعديلها عن طريق حفز سلالة الشكل 3 يبين نتائج ممثلة من التباين المقاومة الكهربائية تطبيع التي تسببها سلالة المستحث خلال اختبار الثنيات (ثلاث نقاط الانحناء) في طائرة من طراز اف الناتج القومي الإجمالي / الألياف الزجاجية الفرقة، والمقاومة الكهربائية تطبيع ينمو بشكل كبير مع سلالة متزايدة بسبب آلية مقاومة نفق. وعندما يحدث فشل، ويقفز في ويمكن ملاحظة المقاومة الكهربائية تطبيع، والتي ترتبط إلى قطرة من الحمل.

الشكل (3)
الشكل 3. مثال على مراقبة سلالة من العصابات F-الناتج القومي الإجمالي / الألياف الزجاجية تحت الاختبار العاطفة. (ΔR / R س، ص: المقاومة الكهربائية لحظية وR س: المقاومة الكهربائية الأولي) والقوة (F) مقابل عمق شعاع خلال اختبار العاطفة. المقاومة الكهربائية تطبيع يزيد مع التوتر. تحدث هذه الظاهرة لأن القوات الشد تسبب تنأى بين الجسيمات النانوية وفقدان الاتصال من الناتج القومي الإجمالي المغطي. ويرجع ذلك إلى مساهمة كبيرة من التغييرات التي يسببها في مقاومة نفق الميل المتسارع لوحظ أثناء التحميل من العينة. المقاومة نفق تختلف بشكل كبير مع المسافة بين الجسيمات النانوية عندما تكون على مسافة في حدود 10 نانومتر 12،21. لهذا السبب عندما المسافات بين الناتج القومي الإجمالي المجاورة زيادة، ويزيد من المقاومة الكهربائية أيضا مع نزعة الأسي. وهذا التأثير هو المهيمن عندما يكون المحتوى الناتج القومي الإجمالي، على مقربة من عتبة الترشيح 23 ولمساهمتهيقلل على أعلى محتوى الناتج القومي الإجمالي 24،25. خلال الفشل، ويلاحظ التغييرات السلوك الكهربائية ويقفز في الاستجابة الكهربائية. يمكن ربط هذه القفزات إلى قطرات في الحمل الناجمة عن الكسر بالألياف، مما يشكل انقطاعات في الشبكة الكهربائية. هذه الانقطاعات بمثابة عقبات مما تسبب في زيادة المقاومة الكهربائية للعصابات الألياف الناتج القومي الإجمالي / زجاج. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

سلوك الكهربائية من المواد المركبة المتعددة النطاقات، و الناتج القومي الإجمالي / الايبوكسي (الشكل 4.A) و f-الناتج القومي الإجمالي الألياف الزجاجية / (الشكل 4.B) المواد المركبة، ويظهر بعض الخلافات مع المذكورة أعلاه لالأقمشة المغطاة. عندما يتم رصد سطح تعرض ضغط، المنطقتين يمكن أن يكون هناك تمييز. في قيم الضغط المنخفض، وايلى تطبيعالمقاومة ctrical يقلل تصل الى ~ 0.010 و ~ 0.015 مم / مم للو الناتج القومي الإجمالي / الايبوكسي وو الناتج القومي الإجمالي / زجاج مواد الألياف المركبة، على التوالي. في المقابل، في سلالات أعلى من عتبة المذكورة، والمقاومة الكهربائية تطبيع يزيد مع ميل الأسي. في حالة رصد الشد تعرض الأسطح، تقوي المقاومة الكهربائية طبيعية في كل من النظم. حساسية هو مبين في كافة تكوينات هي في حدود 10-40 (لكل وحدة). في قيم الضغط العالية، وكان العامل مقياس -1.4 و 7.8 (لكل وحدة) لضغط سطح يتعرض للو الناتج القومي الإجمالي / الايبوكسي وو الناتج القومي الإجمالي / زجاج مواد الألياف المركبة وبناء على أمر من 17 و 41 (لكل وحدة) ل الشد تعرض سطح و الناتج القومي الإجمالي / الايبوكسي وو الناتج القومي الإجمالي / زجاج مواد الألياف المركبة، على التوالي.

الشكل (4)
الرقم 4. مثال على مراقبة سلالة من (أ) و الناتج القومي الإجمالي / الايبوكسي و (ب) و الناتج القومي الإجمالي / الألياف الزجاجية المركبة. المواد تحت الاختبار الثنيات ويمثل هذا الرقم التغير في المقاومة الكهربائية تطبيع (ΔR / R س، ص: المقاومة الكهربائية لحظية وR س: المقاومة الكهربائية الأولية) والإجهاد (σ) مقابل (ε) سلالة خلال اختبار العاطفة. في هذه الحالة، والاتصالات الكهربائية هي مكان على ضغط يتعرض (الخط الأزرق) والشد تعرضت (خط أحمر) الحصول على السلوك الكهربائي مختلفة. وشملت اثنين من الرسوم البيانية المختلفة، والتي تتوافق مع اثنين من الطرق المقترحة في البروتوكول: (أ) و الناتج القومي الإجمالي / الايبوكسي و (ب) مواد الألياف و الناتج القومي الإجمالي / زجاج المركبة تظهر حيويتها الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وكمثال على تطبيق و الناتج القومي الإجمالي الألياف الزجاجية المغلفة الأقمشة، ويبين الشكل 5.أ رصد إصبع الانحناء. وتتميز كل اصبع والاستجابة الكهربائية من الفرقة الألياف الزجاجية جانب من ألوان مختلفة لجعلها مفهومة. تسلسل أول يتوافق مع الانحناء من الإبهام (الشكل 5.B)، ومؤشر (الشكل 5.C)، والاصبع الوسطى (الشكل 5.D) والبنصر (الشكل 5.E). يقلل المقاومة الكهربائية تطبيع عند الانحناءات الاصبع ذات الصلة، ويسترد القيمة الأولية عندما تتعافى إصبع الموقف المبدئي. يتضمن تسلسل الثاني من حركات الانحناء في وقت واحد من أربعة أصابع والثالثة، سلسلة من الحركات أسرع يبين استجابة فورية واسترداد المقاومة الكهربائية تطبيع. ويمكن استخدام هذه لمراقبة عن بعد تطور أمراض العظام أو العد خطى أثناء تشغيل وفي العلاج الطبيعي لتقييم الاستجمام.

والأنف والحنجرة "FO: المحافظة على together.within الصفحات =" 1 ">

الرقم 5
الشكل 5. مثال لمراقبة سلالة من أصابع الانحناء عن طريق اقتران F-الناتج القومي الإجمالي / زجاج العصابات الألياف على قفاز النتريل (أ) استجابة الكهربائية من أجهزة الاستشعار خلال 3 متواليات من أصابع الانحناء و. (ب - ه) تسلسل الأول من أصابع الانحناء . وبعد شرح البروتوكول في العمل الحالي، ورصد أصابع الانحناء القدرة الممكن ΔR / R س، ص: المقاومة الكهربائية لحظية وR س: المقاومة الكهربائية الأولية.نحيف "> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ومن المقرر أن الشبكة الكهربائية التي أنشأتها و-الناتج القومي الإجمالي من خلال مصفوفة الايبوكسي وعلى طول الألياف الزجاجية، والتي تم تعديلها عند الناجم عن سلالة خصائص أجهزة الاستشعار الذاتي من المواد المركبة nanoreinforced. تشتت و-الناتج القومي الإجمالي ومن ثم حاسما لأن السلوك الكهربائي للأجهزة استشعار تعتمد بقوة على البنية المجهرية للمادة. هنا، نقدم إجراء الأمثل لتحقيق تشتت جيدة من الناتج القومي الإجمالي في مصفوفة الايبوكسي ولتجنب التجاعيد من الجسيمات النانوية، والذي يسبب حساب التوصيل الكهربائي. الخطوات الحاسمة هي صوتنة (معلمات التشغيل) وعمليات الصقل (فجوة الأسطوانة والسرعة). هذه الخطوات تأثيرا قويا الميكانيكية 26، 27 الحرارية والكهربائية 28 منشأة من المواد المركبة المتعددة النطاقات. عادة، يتم تشتت nanoreinforcement للخروج الى المذيبات التي تحتاج إلى تبخيرها قبل علاج من nanocomposites 29،30 </ سوب>. في العملية المقترحة في هذا العمل، واستخدام المذيبات وتجنبت مما يجعلها أكثر ملاءمة للبيئة. خطوة أخرى للبروتوكول، والتي أيضا يؤثر بشدة المجهرية من المواد المركبة، وبالتالي فإن السلوك الكهربائي من أجهزة الاستشعار، هو الإجراء تصنيع المواد المركبة المتعددة النطاقات. خلال تصنيع هذه المواد، حتى لو حققت تشتت جيدة من الجسيمات النانوية في مصفوفة الايبوكسي في البداية، توزيع و الناتج القومي الإجمالي يمكن أن تتأثر بقوة من خلال تصفية الظواهر. بالإضافة إلى ذلك، التفريغ للمصفوفة الايبوكسي أمر ضروري من أجل الحفاظ على الخواص الميكانيكية للمواد المركبة المتعددة النطاقات، والتي تصبح أكثر صعوبة عندما يتم تعبئة مصفوفة مع الناتج القومي الإجمالي بسبب اللزوجة الرئيسية.

يحتاج إلى أن تنفذ بعناية من أجل ضمان أن المقاومة الاتصال الكهربائية منخفضة قدر الإمكان وضع الاتصال الكهربائية. لذلك، فمن المهم التأكد من أن السطحيتم تنظيف الصورة تماما قبل تطبيق طلاء الفضة لإصلاح الأقطاب النحاس. وعلاوة على ذلك، قبل تطبيق لاصقة تذوب الساخنة، يحتاج طلاء الفضة لتجف. إذا لم يكن كذلك، يتبخر المذيب ويثير ظهور فقاعات، وزيادة مقاومة الاتصال الكهربائية. واحدة من المزايا لتحديد المواقع الاتصالات الكهربائية على السطح من المواد، وعلى النقيض من الأقطاب الكهربائية الموجودة داخل العينة 31، هو أنه غير تدخلية وليس الإضرار أي الخواص الميكانيكية. خلال اختبارات مراقبة، يمكن للاتصالات الكهربائية فصل من سطح العينات. ونتيجة لذلك، وتحديد السليم ضروري لضمان أن الإشارة الكهربائية التي يجري تسجيلها يتوافق فقط للاستجابة الكهربائية الجوهرية للمادة.

بروتوكول المذكورة أعلاه يمكن تطبيقها أو تعديلها مع المالئة النانومترية مختلفة مثل أنابيب الكربون النانوية أو غيرها من الجسيمات النانوية موصلة أن يؤدي أيضا إلى التعاون كهربائياالمركبة nductive مع خصائص الاستشعار الذاتي 32،33. يمكن استقراء بروتوكول رصد لتكوينات اختبارات أخرى للكشف عن الأضرار وتقدير. واحد الحد من النظام المستخدم للاتصالات الكهربائية هو أن موقعها على السطوح عينة يقيد حجم المواد حيث يتم تحليل المقاومة الكهربائية. من خلال تصميم نظام آخر تنطوي على القياسات الحجمية، يمكن أن يتم الكشف عن الضرر الداخلي وكميا ولكن في هذه الحالة، الخواص الميكانيكية يمكن أن يتعرض للخطر. يمكن أن يكون بروتوكول مفيدة في التطبيقات النشاط الحيوي لمراقبة عن بعد تطور أمراض العظام أو العد خطى أثناء تشغيل أو في العلاج الطبيعي لتقييم عملية النقاهة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

فإن الكتاب أود أن أنوه MINISTERIO دي ECONOMIA ذ Competitividad اسبانيا الحكومة (مشروع MAT2013-46695-C3-1-R) وCOMUNIDAD دي حكومة مدريد (P2013 / معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا 2862).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Graphene Nanoplatelets XGScience M25 NA
Epoxy resin  Huntsman Araldite LY556 NA
XB3473 NA
Probe sonication Hielscher  UP400S  NA
Three roll mill Exakt Exakt 80E (Exakt GmbH) NA
Glass fiber fabric Hexcel HexForce ® 01031 1000 TF970 E UD 4H  NA
Hot plate press Fontijne  Fontijne LabEcon300 NA
Sizing Nanocyl SizicylTM NA
Multimeter Alava Ingenieros Agilent 34410A  NA
Strain Gauges Vishay Micro-Measurement (MM®) CEA-06-187UW-120  NA
Mechanical tests machine Zwick Zwick/Roell 100 kN NA
Conductive silver paint Monocomp 16062 – PELCO® Conductive Silver Paint NA

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Farrar, C. R., Worden, K. An introduction to structural health monitoring. Philos Trans Math Phys Eng Sci. 365, 303-315 (2007).
  2. Lorenzo, E. D., et al. Structural Health Monitoring challenges on the 10-MW offshore wind turbine model. J Phys Conf Ser. 628, 012081 (2015).
  3. Braga, D. F. O. O., et al. Advanced design for lightweight structures: Review and prospects. Prog Aerosp Sci. 69, 29-39 (2014).
  4. Garcìa Márquez, F. P., Tobias, A. M., PinarPérez, J. M., Papaelias, M. Condition monitoring of wind turbines: Techniques and methods. Renew Energy. 46, 169-178 (2012).
  5. Chung, D. D. L. Self-monitoring structural materials. Mater Sci Eng R Reports. 22, 57-78 (1998).
  6. Kandare, E., et al. Improving the through-thickness thermal and electrical conductivity of carbon fibre/epoxy laminates by exploiting synergy between graphene and silver nano-inclusions. Compos Part A Appl Sci Manuf. 69, 72-82 (2015).
  7. Amjadi, M., Pichitpajongkit, A., Lee, S., Ryu, S., Park, I. Highly stretchable and sensitive strain sensor based on silver nanowire-elastomer nanocomposite. ACS Nano. 8, 5154-5163 (2014).
  8. Alamusi, H. N., Fukunaga, H., Atobe, S., Liu, Y., Li, J. Piezoresistive strain sensors made from carbon nanotubes based polymer nanocomposites. Sensors. 11, 10691-10723 (2014).
  9. Njuguna, M. K. K., Yan, C., Hu, N., Bell, J. M. M., Yarlagadda, P. K. D. V. Sandwiched carbon nanotube film as strain sensor. Compos Part B Eng. 43, 2711-2717 (2012).
  10. Liu, Y., Rajadas, A., Chattopadhyay, A. A biomimetic structural health monitoring approach using carbon nanotubes. JOM. 64, 802-807 (2012).
  11. Eswaraiah, V., Balasubramaniam, K., Ramaprabhu, S. Functionalized graphene reinforced thermoplastic nanocomposites as strain sensors in structural health monitoring. J Mater Chem. 21, 12626-12628 (2011).
  12. Chiacchiarelli, L. M., et al. The role of irreversible and reversible phenomena in the piezoresistive behavior of graphene epoxy nanocomposites applied to structural health monitoring. Compos Sci Technol. 80, 73-79 (2013).
  13. Le, J., Du, H., Dai, S. Use of 2D Graphene Nanoplatelets (GNP) in cement composites for structural health evaluation. Compos Part B. 67, 555-563 (2014).
  14. Ren, X., Burton, J., Seidel, G. D., Lafdi, K. Computational multiscale modeling and characterization of piezoresistivity in fuzzy fiber reinforced polymer composites. Int J Solids Struct. 54, 121-134 (2015).
  15. Park, M., Park, J., Jeong, U. Design of conductive composite elastomers for stretchable electronics. Nano Today. 9, 244-260 (2014).
  16. Kim, Y. J., et al. Preparation of piezoresistive nano smart hybrid material based on graphene. Curr Appl Phys. 11, S350-S352 (2011).
  17. Sadeghi, M. M., Pettes, M. T., Shi, L. Thermal transport in graphene. Solid State Commun. 152, 1321-1330 (2012).
  18. Potts, J. R., Dreyer, D. R., Bielawski, C. W., Ruoff, R. S. Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer. 52, 5-25 (2011).
  19. Zaman, I., et al. A facile approach to chemically modified graphene and its polymer nanocomposites. Adv Funct Mater. 22, 2735-2743 (2012).
  20. Moriche, R., et al. Morphological changes on graphene nanoplatelets induced during dispersion into an epoxy resin by different methods. Compos Part B Eng. 72, 199-205 (2015).
  21. ASTM International. ASTM D790-15e2, Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials. , West Conshohocken, PA. http://www.astm.org/cgi-bin/resolver.cgi, D790 (2015).
  22. Gong, S., Zhu, Z. H., Meguid, S. A. Carbon nanotube agglomeration effect on piezoresistivity of polymer nanocomposites. Polymer. 55, 5488-5499 (2014).
  23. Zhao, J., et al. Ultra-sensitive strain sensors based on piezoresistive nanographene films. Appl Phys Lett. 101, 063112 (2012).
  24. Galpaya, D., et al. Recent advances in fabrication and characterization of graphene-polymer nanocomposites. Graphene. 1, 30-49 (2012).
  25. Kanoun, O., et al. Flexible Carbon Nanotube Films for High Performance Strain Sensors. Sensors. 14, 10042-10071 (2014).
  26. Zaman, I., et al. Epoxy/graphene platelets nanocomposites with two leves of interface strength. Polymer. 52, 1603-1611 (2011).
  27. Chu, K., Li, W. S., Dong, H. Role of graphene waviness on the thermal conductivity of graphene composites. Appl Phys A. 111, 221-225 (2013).
  28. Monti, M., et al. Morphology and electrical properties of graphene-epoxy nanocomposites obtained by different solvent assisted processing methods. Compos Part A. 46, 166-172 (2013).
  29. Moazzami Gudarzi, M., Sharif, F. Enhancement of dispersion and bonding of graphene-polymer through wet transfer of functionalized graphene oxide. Express Polym Lett. 6, 1017-1031 (2013).
  30. Fan, H., et al. Fabrication, mechanical properties and biocompatibility of graphene-reinforced chitosan composites. Biomacromolecules. 11, 2345-2351 (2010).
  31. Teomete, E. Transverse strain sensitivity of steel fiber reinforced cement composites tested by compression and split tensile tests. Constr Build Mater. 55, 136-145 (2014).
  32. Nauman, S., Cristian, I., Koncar, V. Simultaneous Application of Fibrous Piezoresistive Sensors. Sensors. 11, 9478-9498 (2011).
  33. Han, B., Ding, S., Yu, X. Intrinsic self-sensing concrete and structures A review. Measurement. 59, 110-128 (2015).

Tags

الهندسة، العدد 117، وأجهزة الاستشعار، nanoplatelets الجرافين، والمركبات، والمراقبة الصحية الهيكلي، المواد الذكية، البيولوجية والميكانيكية
سلالة الاستشعار استنادا متعددة النطاقات المواد المركبة مسلح مع الجرافين Nanoplatelets
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Moriche, R., Prolongo, S. G.,… More

Moriche, R., Prolongo, S. G., Sánchez, M., Jiménez-Suárez, A., Campo, M., Ureña, A. Strain Sensing Based on Multiscale Composite Materials Reinforced with Graphene Nanoplatelets. J. Vis. Exp. (117), e54512, doi:10.3791/54512 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter