Waiting
Login processing...

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

Engineering

חישה מבוססת עומס על מחוזק חומרים מרוכבים Multiscale עם גראפן 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

השילוב של חלקיקים מוליכים, כגון nanoplatelets גרפן, לתוך חומרים מרוכבים סיב זכוכית יוצר רשת חשמל פנימית למתח רגישה. כאן, שיטות שונות כדי להשיג חיישני זן מבוססים על התוספת של גרפן nanoplatelets לתוך המטריצה ​​אפוקסי או כציפוי על בד זכוכית מוצע.

Abstract

התגובה החשמלית של NH 2 -functionalized גרפן nanoplatelets חומרים מרוכבים תחת לחץ נחקרה. שתי שיטות ייצור שונות מוצעות ליצור רשת החשמל בעבודה זו: (א) ההתאגדות של nanoplatelets לתוך מטריצת אפוקסי (ב) הציפוי של בד הזכוכית עם אומדת מלאה באותו nanoplatelets. שני סוגי חומרים מרוכבים multiscale, עם מוליכות ב-מטוס חשמל של ~ 10 -3 S / M, הראו גידול אקספוננציאלי של ההתנגדות החשמלית ככל שעולה הזן בשל התרחקות בין nanoplatelets גרפן הפונקציונלי הסמוך ואובדן קשר בין אלה שמעליה. הרגישות של החומרים נתחו במהלך המחקר, באמצעות ההליכים המתוארים, הוכחה להיות גבוה יותר מאשר מודד זן זמין מסחרי. הנהלים המוצעים עבור חישה עצמית של החומר מרוכב המבני יקלו על צג הבריאות המבניing של רכיבים קשה עמדות לגשת כגון חוות אנרגיית רוח offshore. למרות הרגישות של החומרים מרוכבים multiscale הייתה גבוהה יותר הרגיש רדידי מתכת משמש מודד זן, הערך שהושג עם NH 2 nanoplatelets גרפן פונקציונלי בדים מצופים היה כמעט בסדר גודל מעולה. תוצאה זו הובהרה הפוטנציאל שלהם לשמש בדים חכמים כדי לפקח על תנועות אדם כגון כיפוף של אצבעות או ברכיים. באמצעות השיטה המוצעת, במרקם החכם יכול מייד לזהות את הכיפוף ולשחזר באופן מיידי. עובדה זו מאפשרת ניטור מדויק של הזמן של כיפוף וכן מידת כיפוף.

Introduction

ניטור בריאות מבני (SHM) הפך חשוב יותר ויותר בשל הצורך לדעת את אורך החיים הנותרים של מבני 1-3. כיום, קשה במקומות גישה, כגון צמחי רוח ימיים, להוביל סיכונים גבוהים יותר פעולות תחזוקה, כמו גם עלויות גדולות 2-4. חומרים עצמית חישה מהווים את אחת האפשרויות בתחום SHM בשל יכולתם של זן ניטור עצמי ונזק 5.

במקרה של טורבינות רוח, להבים מיוצרים בדרך כלל חומרים מרוכבים סיבי זכוכית / אפוקסי, אשר הם מבודדים חשמלית. על מנת להעניק נכסים עצמיים חישת חומר מרוכב זה, רשת חשמל פנימית רגישה למתח ניזק צריך להיוצר. במהלך השנים האחרונות, שילוב של חלקיקים מוליכים כגון nanowires כסף 6,7, צינורות פחמן (CNTs) 8-10, ו nanoplatelets גרפן (GNPs) 11-13נחקר ליצור רשת החשמל הזה. חלקיקים אלה יכולים להיות משולבים בתוך המערכת כחומר מילוי לתוך מטריצת הפולימר או על ידי ציפוי הבד הסיבי זכוכית 14. חומרים אלו יכולים להיות מיושמים גם בתחומי תעשייה אחרים, כלומר, תעופה וחלל, הנדסת רכב והאזרחית 5, וניתן להשתמש בדים מצופים כמו חומרים חכמים ביישומים ביומכנית 7,15.

Piezoresistivity של חיישנים אלה מושג על ידי שלוש תרומות שונות. התרומה הראשונה היא piezoresistivity הפנימית של החלקיקים; זן של המבנה משנה את מוליכות חשמלית של החלקיקים. עם זאת, התרומות העיקריות הם לשינויי התנגדות מנהרת חשמל, עקב שינויים במרחקים בין חלקיקים סמוכים והתנגדות מגע חשמלית, שעקב שונים באזור המגע בין שמעליה אלה 9. piezoresistivity זה גבוה כאשר 2D nanoparticles משמש nanofiller לעומת חלקיקי 1D בגלל רשת החשמל מציגה רגישות גבוהה לשינויי שיבושים הנדסיים, בדרך כלל אחד סדר גודל 16 מעולה.

בגלל אופיה 2D האטומה 17 ואת מוליכות חשמלית הגבוהות 18,19, nanoplatelets גרפן נבחר בעבודה זו כמו-חיזוק ננו חומרים מרוכבים multiscale כדי להשיג-חיישנים עצמיים עם רגישות משופרת. שתי דרכים שונות לשלב את GNPs לתוך החומר מרוכב נלמדות על מנת להבהיר הבדלים אפשריים מנגנוני חישה ורגישות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. הכנה של אפוקסי המלא הפונקציונלי גראפן Nanoplatelet עבור Multiscale חומרים מרוכבים

  1. לפזר nanoplatelets גרפן הפונקציונלי (f-GNPs) לתוך שרף אפוקסי.
    1. לשקול 24.00 גרם של f-GNPs להשיג 12% WT של החומר nanocomposite הסופי בתוך במנדף ductless.
    2. להוסיף 143.09 גרם של ביספנול A אתר diglycidyl (DGEBA) מונומר ידני לערבב את זה כדי להשיג הומוגניות.
    3. לפזר את f-GNPs לתוך מונומר ידי שיטה צַעֲדַיִם, המשלב לחקור sonication ומעבדת calendering 20.
      1. Sonicate את התערובת על 50% של משרעת מחזור של 0.5 שניות למשך 45 דקות.
      2. החל 3 מחזורים של calendering באמצעות פער רולר של 5 מיקרומטר והגדלת מהירות רולר בכל מחזור: 250 סל"ד, 300 סל"ד ו 350 סל"ד.
      3. לשקול את התערובת של f-תל"ג / מונומר לאחר השלמת פיזור.
    4. דג את תערובת f-התל"ג / מונומר under ואקום בחישה מגנטית על 80 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות.
    5. לשקול ולהוסיף המקשה על יחס משקל של 100: 23 (מונומר: hardener) באופן ידני ומערבבים עד להשגת הומוגניות.

ציפוי 2. בד זכוכית עם פונקציונליות גראפן Nanoplatelet מלא מדידות (השעיה) עבור חומרים מרוכבים Multiscale

  1. לפזר nanoplatelets גרפן הפונקציונלי לתוך האומדת.
    1. לשקול 7.5 גרם של f-GNPs, הכמות הדרושה להשגת 5% wt, לתוך 142.5 גרם של ממס (מים אומדת / מזוקקים המפורטים 2.1.2) בתוך במנדף ductless.
    2. מכין את התערובת של f-GNPs ואת האומדת מדוללת במים מזוקקים (1: WT 1) בתוך במנדף ductless. לאחר שהמים המזוקקים נוספו, לבצע את העבודה מחוץ במנדף ductless.
    3. לפזר את GNPs ידי sonication החללי במשך 45 דקות ב משרעת 50% ו מחזור של 0.5 שניות.
  2. מעיל gבד ילדה עם אומדת מולא f-התל"ג.
    1. עם מספריים מתאים לחיתוך בד, לחתוך 14 שכבות של בד זכוכית עם ממדים של 120 х 120 מ"מ 2 ולאחר מכן מעיל אותם עם תערובת של f-GNPs אומדת (2.1.3) על ידי ציפוי מטבל (טבילה אחת) באמצעות coater מטבל ב אומד מולא f-התל"ג.
    2. לייבש את בד זכוכית מצופית f-התל"ג בתנור ואקום ב 150 מעלות צלזיוס למשך 24 שעות כמצוין הסדינים הטכניים המסופקים על ידי היצרן.

3. ייצור של חומרים מרוכבים Multiscale

  1. ייצור חומרים מרוכבים f-תל"ג / אפוקסי.
    1. לאחר degassing את התערובת, לשמור על שרף אפוקסי מולא f-תל"ג תחת בחישה מגנטית על 80 מעלות צלזיוס במשך כל תהליך הייצור.
    2. מניחים את 14 שכבות של בד זכוכית לתנור על 80 מעלות צלזיוס.
    3. לחלופין, מניחים שכבה של אפוקסי מולא f-התל"ג ואת שכבת בד סיבי זכוכית (14 שכבות) sequentially ביד על צלחת מתכת באמצעות רולר משדרים-דה לאחר הצבת כל שכבה בד זכוכית.
      1. השתמש במספריים לחתוך ולמקם פולימר הסרט האנטי-חסיד (120 х 120 מ"מ 2) על צלחת פלדה.
      2. למרוח שכבה של תערובת F-התל"ג / אפוקסי על סרט הפולימר נגד חסיד עם מברשת. מניחים שכבה של בד סיבי זכוכית. הערת החשיבות של כיסוי השטח של אזור F-התל"ג / אפוקסי והיישור של שכבות בד השונות. סר באוויר והקומפקטי plies באמצעות מכבש משדרים-דה.
      3. חזור על שלב 3.1.3.2 עד השלמת כל השכבות של לרבד.
      4. למרוח שכבה סופית של תערובת F-התל"ג / אפוקסי עם מברשת ולכסות לרבד עם שכבה נוספת של פולימר סרט אנטי-חסיד.
    4. לאחר כל שכבות הבד נערמו, לרפא לרבד במכבש צלחת חם ב 140 מעלות צלזיוס במשך 8 שעות עם גברת לחץ עד 6 ברים.
    5. חלץ את לרבד נרפא מן plat החםעיתונות דואר.
  2. ייצור חומרים מרוכבים סיבי f-תל"ג / זכוכית על ידי דפוס עירוי שרף סייע ואקום (במדבר ודברים).
    1. מכין את צלחת המתכת שבו במדבר והדברים הולכים להתבצע.
      1. נקו את משטח פלדה עם אצטון.
      2. מניח פולימר סרט אנטי-חסיד לצלחת הפלדה.
    2. מניח את הרצף של בד זכוכית מצופה f-תל"ג (14 שכבות עם מידות 120 х 120 מ"מ 2) לצלחת. ודא כי שכבות של בד מיושרים חזותית על ידי מגע.
    3. חותם את התיק ואקום עם קלטת איטום לתהליך במדבר ודברים מראש לחמם את המערכת על 80 מעלות צלזיוס בתנור.
    4. דגת מונומר DGEBA תחת ואקום בחישה מגנטית על 80 מעלות צלזיוס למשך 15 דקות. מוסיפים את המקשה על יחס משקל של 100: 23 (מונומר: hardener) ומערבבים עד להשגת הומוגניות.
    5. מוסיף את שרף אפוקסי על 80 מעלות צלזיוס עם משאבת ואקום מחובר שקית הוואקום עם פולימריםצינור עד ערימת בד זכוכית מלא לחלוטין על ידי שרף אפוקסי ולרפא לרבד בתנור על 140 מעלות צלזיוס למשך 8 שעות.
    6. חלץ את לרבד נרפא מהתנור ולהסיר את שקית ואקום וחומר עזר.

4. הכנת של דוגמאות עבור בדיקות חיישני מד הזנים

  1. דגימות מכונית (בקרת ספרתית מחשב - מכונת כרסום CNC) של ציפויי multiscale לממד הנדרש לבדיקות לכפיפה בעקבות ASTM D790-02 21 ופצע להקות בד זכוכית 10 מ"מ רוחב כדי ללמוד את רגישות הזן של המצופה f-תל"ג בד.
    הערה: דוגמאות שתוקנו על שולחן העיבוד עם דבק במכונה באמצעות הפרמטרים הבאים: מהירות הזנה של 500 מ"מ / דקה, מהירות סרק של 5,000 דקות -1 ועומק מדרגות 0.1 מ"מ.
  2. בזהירות לנקות את פני השטח של דגימות במכונה עם אצטון לחסל אבק.
  3. קווי צבע כסף (אקריליק צבע מוליך) עלפני השטח של החומרים הרחיקו זה מזה 20 מ"מימ על מנת למזער את התנגדות המגע החשמלית לדבוק חוטי נחושת לקווי הכסף הרטובים כמו אלקטרודות כדי להקל על המדידה של ההתנגדות החשמלית במהלך הבדיקות.
    הערה: מגעים חשמליים ממוקמים רק על שני משטחים: משטחי דחיסה ומשטחים נתוני מתיחה.
  4. לאחר צבע הכסף הוא יבש, לתקן את המגעים החשמליים עם דבק חם להמיס להימנע ניתוק מגע חשמלי.

5. בדיקת חיישן הזנים

  1. לנתח את ההתנהגות החשמלית של חיישנים תחת עומסים לכפיפה (מבחן כיפוף שלוש נקודות).
    1. מדוד את הרוחב והעובי של הדגימה עם קליפר.
    2. הגדר את הדגימה במכונת המבחן המכאנית עם תצורת בדיקה לכפיפה.
    3. הגדר את מהירות הבדיקה (בשליטת זן) עד 1 מ"מ / דק ואת מיקום ההתחלה המגדיר את האורך הראשוני של הדגימה.
    4. חבר אתמגעים חשמליים המודד. מדוד את ההתנגדות החשמלית בין כל שני מגעים חשמליים סמוכים כפי מצוין איור 1.
    5. הפעלה של בדיקת לכפיפה ולנטר את ההתנגדות החשמלית בו זמנית על מנת ללמוד וריאציות בשל המתח המושרה את הדגימה.
    6. חזרה על כל השלבים לפחות 3 דגימות של f-תל"ג / אפוקסי וחומרים מרוכבים סיבים f-תל"ג / זכוכית כדי לאשר את ההתנהגות החשמלית של חומרים מרוכבים.

איור 1
איור 1. מגעים חשמליים התקנה בבדיקות לכפיפה של חומרים מרוכבים multiscale. אלקטרודות הנחושת מחוברת על פני השטח של חומרים מרוכבים באמצעות קווי צבע כסף (באפור) על מנת למזער את התנגדות המגע החשמלית. אנא לחץ כאןכדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

  1. לנתח f-תל"ג / זכוכית בד כמו חיישני זן של תנועות אדם.
    1. צג כיפוף אצבע.
      1. צרף להקות בד זכוכית לכל אחת האצבעות של כפפה ניטריל עם דבק חם להמיס על המשטח הפנימי כמצוין באיור 2.
      2. חזור על שלב 5.1.4 אבל למדוד את ההתנגדות החשמלית של קשר מוצב באותה האצבע.
      3. התחל הרצף של אצבע כיפוף לפקח ולמדוד את ההתנגדות החשמלית תוך אצבעות כיפוף. הרצף של אצבע הכיפוף במקרה המסוים הזה הוא: (1) אגודל, (2) מדד, (3) אצבע אמצעית, (4) קמיצה, (5) כל האצבעות בו זמנית (6) הרצף של כיפוף (מהירות גבוהה יותר ): (1), (2), (3), (4), (4), (3), (2) ו- (1).

איור 2
דמות2. מיקום של להקות סיבי f-תל"ג / זכוכית על פני השטח הפנימיים של אצבעות כפפת ניטריל לפקח אצבעות כיפוף. לאחר הבד סיבי זכוכית כבר מצופים מיובש, להקות 10 מ"מ רוחב נחתכים ומצורף על שונה אצבעות כפפה במטרה לפקח על אצבע כיפוף לאשש את הכדאיות של הפרוטוקול המתואר לעיל. נא ללחוץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

הפרוטוקול להשיג שני חומרים שונים תואר ההליך. ההבדל הוא באופן שבו nanoreinforcement המאוגדת חומר מרוכב להשיג רשת חשמל שיכול לשמש להתאמץ ניטור. השיטה הראשונה כוללת את הציפוי של בד סיבי זכוכית עם אומדת f-בתל"ג יכול לשמש בד חכם (בשם F-תל"ג / סיבי זכוכית) או חיזוק של חומרים מרוכבים multiscale מטריקס הפולימר (בשם F-התל"ג / זכוכית חומר מרוכב סיבי). השיטה האחרת היא nanoreinforcement של מטריקס אפוקסי של חומרים מרוכבים עם f-GNPs (בשם F-תל"ג / אפוקסי חומר מרוכב) באמצעות סיבי זכוכית כמו חיזוק מתמשך. החליטה של ​​השרף בוצעה באמצעות במדבר והדברים כי זה אחד מהשיטות הנפוצות ביותר בשימוש בתעשייה, אך שיטות אחרות יכולות לשמש. שיטת ייצור חלופית יכולה להיות דפוס העברת שרף (RTM).

ve_content "FO: keep-together.within-page =" 1 "> בשל אופיו בידוד של סיבי זכוכית, שילוב של-GNPs f בעקבות פרוטוקול שתוארו לעיל יוצר רשת החשמל בתוך החומר שגורם גידול של את המוליכות החשמליות ל ~ 10 -3 S / m והוא יכול להיות שונה על ידי גרימת זן. איור 3 מציגות תוצאות נציג של הווריאציה של התנגדות חשמלית מנורמלת הנגרמת על ידי המתח המושרה במהלך בדיקה לכפיפה (שלוש נקודות כיפוף) ב F-תל"ג / סיבי זכוכית להקה. את ההתנגדות החשמלית המנורמלת גדלה באופן אקספוננציאלי עם הזן גדל עקב מנגנון התנגדות מנהרה. כאשר מתרחש כשל, קופצת את ההתנגדות החשמלית המנורמלת ניתן לצפות, המתואמים לירידה של עומס.

איור 3
איור 3. דוגמא של ניטור זן של להקות סיבי f-תל"ג / זכוכית נבדקת לכפיפה. (ΔR / R o, R: התנגדות חשמלית מיידית ו- R o: התנגדות חשמלית ראשונית) וכוח (F) לעומת עומק קורה במהלך בדיקה לכפיפה. את ההתנגדות החשמלית המנורמלת מגדילה עם הזן. תופעה זו מתרחשת בגלל כוחות מתיחים לגרום התרחקות בין החלקיקים ואובדן הקשר של GNPs שמעליה. נטיית המעריכים שנצפתה במהלך הטעינה של מדגם הוא בשל תרומה גדולה של שינויים מושרים התנגדות מנהרה. התנגדות מנהרה משתנית אקספוננציאלית עם המרחק בין חלקיקים כאשר הם במרחק בסדר גודל של 10 ננומטר 12,21. מסיבה זו כאשר מרחקים בין GNPs סמוך להגדיל, את ההתנגדות החשמלית גם מעלה עם נטיית מעריכים. השפעה זו היא דומיננטית כשתוכן התל"ג הוא קרוב לסף חלחול 23 אבל תרומתהפוחת ב תוכן תל"ג גבוה 24,25. במהלך כישלון, שינויי קפיצות ההתנהגות החשמליים הם נצפו התגובה החשמלית. קפיצות אלה יכולים להיות מתואמות טיפות בעומס שעוררו שבירת הסיבים, המהווה שיבושים ברשת החשמל. שיבושים אלה פועלים כמכשולים בגרימת התוספת של ההתנגדות החשמלית של להקות סיבי תל"ג / זכוכית. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

ההתנהגות החשמלית של החומרים מרוכבים multiscale, F-תל"ג / אפוקסי (4 א איור) ו- F-תל"ג סיבים / זכוכית (4 ב איור) חומרים מרוכבים, מראה כמה הבדלים עם שתואר לעיל עבור בדים מצופים. כאשר פני שטח הדחיסה הנתונים מנוטר, שני אזורים יכולים להיות מופלים. בערכי זן נמוכים, ele מנורמלהתנגדות ctrical פוחתת עד ~ 0.010 ו ~ 0.015 מ"מ / מ"מ עבור חומרים מרוכבים f-תל"ג / אפוקסי ו-תל"ג / סיבי זכוכית, בהתאמה. לעומת זאת, על זנים גבוהים מהסף כאמור, את ההתנגדות החשמלית המנורמלת עולה עם נטיית מעריכים. במקרה של ניטור המשטחים נתוני המתיחה, את ההתנגדות החשמלית המנורמלת מרחיבה בשתי המערכות. הרגישות לראות בכל התצורות היא בסדר גודל של 10 עד 40 (ליחידה). בערכים גבוהים זן, הגורם מד היה -1.4 ו -7.8 (ליחידה) עבור משטח נתון דחיסה של f-תל"ג / אפוקסי ו-תל"ג / זכוכית חומרים מרוכבים סיבים בסדר גודל של 17 ו -41 (ליחידה) עבור המשטח נתון מתיחה של חומרים מרוכבים f-תל"ג / אפוקסי ו-תל"ג / סיבי זכוכית, בהתאמה.

איור 4
דוגמא איור 4. ניטור זן של (א) ו-תל"ג / אפוקסי (ב) ו-תל"ג / סיבי זכוכית מרוכבים. חומרים הנבדקים לכפיפת הנתון מייצג את השינויים של ההתנגדות החשמלית המנורמלת (ΔR / R o, R: התנגדות חשמלית מיידית ו- R o: התנגדות חשמלית ראשונית) מתח (σ) לעומת זן (ε) במהלך בדיקה לכפיפה. במקרה זה, את המגעים החשמליים הם מקום על דחיסת נתונים (קו כחול) ואת המתיחה הנתונה (קו אדום) קבלת התנהגות חשמלית שונה. שני גרפים שונים כלולים, אשר תואמים את שני המסלולים מוצעים בפרוטוקול:. (א) ו-תל"ג / אפוקסי (ב) ו-תל"ג / סיבי זכוכית חומרים מרוכבים מראים הכדאיות שלהם אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של נתון זה.

כדוגמה ליישום של סיבי זכוכית מצופה f-תל"ג בדים, 5.א איור מציג את הניטור של אצבע כיפוף. כל אצבע ואת התגובה החשמלית של הלהקה סיבי זכוכית בשילוב מאופיינים בצבע שונה כדי להפוך אותו מובן. הרצף הראשון מקביל כיפוף של האגודל (.5 ב איור), המדד (5.c האיור), האצבע האמצעית (5.d האיור) ואת הקמיצה (5.e איור). את ההתנגדות החשמלית המנורמלת פוחתת כאשר הקשורות האצבע מתכופפת משחזרת את הערך הראשוני כאשר האצבע recuperates העמדה הראשונית. הרצף השני של תנועות כולל כיפוף סימולטני של הארבע אצבעות ושלישיות, רצף של תנועות מהר מראות את התגובה המיידית והחלמה של ההתנגדות החשמלית המנורמלת. זה יכול לשמש מרחוק כדי לפקח על ההתפתחות של מחלות עצם או לספור צעדים במהלך הריצה בפיזיותרפיה להעריך את ההחלמה.

אף אוזן גרון "FO: keep-together.within-page =" 1 ">

איור 5
דוגמא איור 5. ניטור זן של אצבעות כיפוף ידי צימוד של f-תל"ג / להקות סיב זכוכית כפפת ניטריל (א) תגובה החשמלית של החיישן במהלך 3 רצפים של אצבעות כיפוף. (ב - ה) הרצף הראשון של אצבעות כיפוף . בעקבות הפרוטוקול סביר בעבודה הנוכחית, ניטור של אצבעות כיפוף היכולת התאפשר ΔR / R o, R:. התנגדות חשמלית מיידית ו- R o: התנגדות חשמלית ראשונית.כחוש וגבוה "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

נכסים עצמית חיישן של חומרים מרוכבים nanoreinforced נובעים לרשת החשמל נוצר על ידי f-GNPs באמצעות המטריקס אפוקסי לאורך סיבי זכוכית, אשר שונה כאשר זן מושרה. נפיצה של f-GNPs אז חיוני כי ההתנהגות החשמלית של חיישנים מאוד תלוי מיקרו של החומר. כאן, אנו מציגים הליך אופטימיזציה כדי להשיג פיזור טוב של GNPs לתוך המטריצה ​​אפוקסי וכדי למנוע התקמטות של החלקיקים, אשר גורם לרעה את המוליכות החשמליות. השלבים הקריטיים הם sonication (פרמטרי הפעלה) ותהליכי calendering (פער רולר ומהירות). צעדים אלה להשפיע חריפה על 26 מכני, 28 נכסים 27 וחשמליים תרמית של חומרים מרוכבים multiscale. בדרך כלל, פיזור של nanoreinforcement מתבצע לתוך ממס שצריך מתאדה לפני הריפוי של nanocomposites 29,30 </ Sup>. בתהליך המוצע בעבודה זו, שימוש בממיסים הוא נמנע מה שעושה אותו יותר ידידותי לסביבה. צעד נוסף של פרוטוקול, אשר גם השפעה חזקה על מיקרו של חומרים מרוכבים, ולכן ההתנהגות החשמלית של חיישנים, הוא הליך ייצור עבור חומרים מרוכבים multiscale. במהלך הייצור של חומרים אלה, גם אם פיזור טוב של החלקיקים לתוך המטריצה ​​אפוקסי מושגת בתחילה, הפצה ו-תל"ג יכולה להיות מושפעת במידה רבה על ידי סינון תופעות. בנוסף, degassing של מטריקס אפוקסי חיוני על מנת לשמור על תכונות מכאניות של החומרים מרוכבים multiscale, אשר הופכות להיות קשה יותר כאשר המטריצה ​​מתמלאת GNPs בגלל צמיגות גדולה.

מיקום מגע חשמלי צריכה להתבצע בזהירות על מנת להבטיח כי התנגדות המגע החשמלית היא נמוכה ככל האפשר. לשם כך, חשוב להבטיח כי שטחהים מנקה לחלוטין לפני יישום צבע הכסף כדי לתקן את האלקטרודות הנחושת. יתר על כן, לפני החלת הדבק החם להמס, צבע הכסף צריך להתייבש. אם לא, מתאדה הממס מעורר את המראה של בועות, הגדלת התנגדות המגע החשמלית. אחד היתרונות של מיצוב מגעים חשמליים על פני השטח של החומר, בניגוד אלקטרודות הממוקם בתוך המדגם 31, הוא שזה לא פולשנית אינו לרע כל תכונות מכאניות. במהלך בדיקות ניטור, את המגעים החשמליים יכולים לנתק מפני השטח של דגימות. כתוצאה מכך, תיקון ראוי הוא חיוני כדי להבטיח כי האות החשמלי כי הוא הולך להיות רשומים מתאים רק התגובה החשמלית הפנימית של החומר.

הפרוטוקול המתואר לעיל יכול להיות מיושם או שונה עם nanofillers השונה כגון צינורות פחמן או חלקיקים מוליכים אחרים כי גם להוביל שיתוף חשמלימרוכבים nductive עם מאפייני חישה עצמית 32,33. פרוטוקול ניטור ניתן להסיק על תצורות שאר הבדיקות לגילוי הנזק וכימות. מגבלה אחת של המערכת המשמשת את המגעים החשמליים היא שהמיקום שלו על משטחים מדגמים מגביל את היקף החומר שבו ההתנגדות החשמלית מנותחת. על ידי תכנון מערכת אחרת שסכומה מדידות נפח, נזק פנימי ניתן היה לזהות לכמת אבל במקרה הזה, תכונות מכניות יכול להיות בסכנה. הפרוטוקול יכול להיות שימושי ביישומים ביומכנית מרחוק כדי לפקח על ההתפתחות של מחלות עצם או לספור צעדים במהלך ריצה או פיזיותרפיה כדי להעריך את תהליך ההבראה.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

המחברים מבקשים להודות Ministerio דה Economía y Competitividad לממשל ספרד (פרויקט MAT2013-46695-C3-1-R) ו Comunidad de Madrid הממשלה (P2013 / MIT-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

הנדסה גיליון 117 חיישנים גרפן nanoplatelets מרוכבים ניטור בריאות מבני חומרים חכמים ביומכניקה
חישה מבוססת עומס על מחוזק חומרים מרוכבים Multiscale עם גראפן 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