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Engineering

तनाव सेंसिंग ग्राफीन nanoplatelets साथ Multiscale कम्पोजिट सामग्री प्रबलित के आधार पर

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

ऐसे graphene nanoplatelets के रूप में प्रवाहकीय नैनोकणों, ग्लास फाइबर कम्पोजिट सामग्री में, के एकीकरण के लिए एक आंतरिक विद्युत नेटवर्क के तनाव के लिए अतिसंवेदनशील बनाता है। इधर, विभिन्न तरीकों epoxy मैट्रिक्स में या के रूप में कांच के कपड़े पर एक कोटिंग का प्रस्ताव है graphene nanoplatelets के अलावा के आधार पर तनाव सेंसर प्राप्त करने के लिए।

Abstract

राष्ट्रीय राजमार्ग 2 के बिजली प्रतिक्रिया -functionalized graphene nanoplatelets दबाव के तहत मिश्रित सामग्री का अध्ययन किया गया था। दो अलग अलग तरीकों निर्माण इस काम में बिजली नेटवर्क बनाने के लिए प्रस्तावित कर रहे हैं: (क) epoxy मैट्रिक्स और (ख) कांच कपड़े की कोटिंग एक ही nanoplatelets से भरा एक नौकरशाही का आकार घटाने के साथ में nanoplatelets का समावेश। Multiscale मिश्रित सामग्री के दोनों प्रकार के, एक में विमान ~ का 10 -3 एस / एम विद्युत चालकता के साथ, कारण आसन्न क्रियाशील graphene nanoplatelets और overlying लोगों के बीच संपर्क नुकसान के बीच दूर करने के लिए तनाव बढ़ने के कारण बिजली के प्रतिरोध का एक घातीय वृद्धि देखी गई। सामग्री इस शोध के दौरान विश्लेषण किया है, वर्णित प्रक्रियाओं का उपयोग करने की संवेदनशीलता, व्यावसायिक रूप से उपलब्ध तनाव गेज से अधिक होना दिखाया गया है। संरचनात्मक समग्र सामग्री का आत्म-संवेदन के लिए प्रस्तावित प्रक्रियाओं संरचनात्मक स्वास्थ्य की निगरानी की सुविधा होगीइस तरह के अपतटीय पवन ऊर्जा फार्मों के रूप में उपयोग करने के लिए मुश्किल emplacements में घटकों के हैैं। हालांकि multiscale मिश्रित सामग्री की संवेदनशीलता तनाव गेज के रूप में इस्तेमाल धातु पन्नी की संवेदनशीलता, मूल्य राष्ट्रीय राजमार्ग 2 क्रियाशील graphene nanoplatelets लेपित कपड़े के साथ पहुँच की तुलना में काफी अधिक था लगभग बेहतर परिमाण के एक आदेश था। यह परिणाम elucidated अपनी क्षमता स्मार्ट कपड़े ऐसे उंगलियों या घुटनों के झुकने के रूप में मानव गतिविधियों पर नजर रखने के लिए के रूप में इस्तेमाल किया जाएगा। प्रस्तावित पद्धति का उपयोग करके, स्मार्ट कपड़े तुरंत झुकने का पता लगाने और तुरन्त ठीक हो सकता है। इस तथ्य को झुकने के समय की सटीक निगरानी के रूप में अच्छी तरह से झुकने की डिग्री परमिट।

Introduction

संरचनात्मक स्वास्थ्य की निगरानी (SHM) की जरूरत संरचनाओं 1-3 के शेष जीवन को पता है की वजह से तेजी से महत्वपूर्ण बन गया है। आजकल, इस तरह के अपतटीय हवा पौधों, रखरखाव कार्यों में उच्च जोखिम के लिए नेतृत्व के साथ-साथ अधिक से अधिक लागत 2-4 के रूप में उपयोग के स्थानों, के लिए मुश्किल। स्व-संवेदन सामग्री स्वयं निगरानी तनाव और नुकसान 5 की उनकी क्षमता के कारण SHM के क्षेत्र में संभावनाओं का गठन।

पवन टर्बाइन के मामले में, ब्लेड आम तौर पर फाइबर ग्लास / Epoxy मिश्रित सामग्री, जो विद्युत इंसुलेटर कर रहे हैं में निर्मित कर रहे हैं। आदेश में इस मिश्रित सामग्री के लिए आत्म-संवेदन गुण प्रदान करने के लिए, एक आंतरिक बिजली के नेटवर्क अतिसंवेदनशील तनाव और नुकसान पैदा किए जाने की जरूरत है। पिछले कुछ वर्षों के दौरान, इस तरह चांदी nanowires 6.7, कार्बन नैनोट्यूब (CNTs) 8-10, और ग्राफीन nanoplatelets (GNPs) 11-13 के रूप में प्रवाहकीय नैनोकणों के समावेशइस बिजली के नेटवर्क बनाने के लिए अध्ययन किया गया है। ये नैनोकणों बहुलक मैट्रिक्स में पूरक के रूप में इस प्रणाली में या कोटिंग ग्लास फाइबर कपड़ा 14 से शामिल किया जा सकता है। इन सामग्रियों को भी अन्य औद्योगिक क्षेत्रों, यानी, एयरोस्पेस, ऑटोमोटिव और सिविल इंजीनियरिंग 5 के लिए लागू किया जा सकता है, और लेपित कपड़े बायोमैकेनिकल अनुप्रयोगों 7,15 में के रूप में स्मार्ट सामग्री का इस्तेमाल किया जा सकता है।

इन सेंसरों के Piezoresistivity तीन अलग-अलग योगदान करके हासिल की है। पहली योगदान नैनोकणों के आंतरिक piezoresistivity है; संरचना के एक तनाव नैनोकणों की विद्युत चालकता बदल जाता है। हालांकि, मुख्य योगदान है क्योंकि overlying वाले 9 के बीच संपर्क क्षेत्र में बदलाव की सुरंग बिजली के प्रतिरोध में परिवर्तन, आसन्न नैनोकणों, और बिजली के संपर्क प्रतिरोध के बीच दूरी में संशोधनों की वजह से कर रहे हैं। इस piezoresistivity अधिक है जब 2 डी nanoparticles क्योंकि बिजली के नेटवर्क ज्यामितीय परिवर्तन और discontinuities, बेहतर 16 परिमाण के आदेश आमतौर पर एक करने के लिए एक उच्च संवेदनशीलता प्रस्तुत -1 डी नैनोकणों की तुलना में एक nanofiller के रूप में इस्तेमाल कर रहे हैं।

2 डी परमाणु चरित्र 17 और उच्च विद्युत चालकता 18,19 के कारण, graphene nanoplatelets आदेश बढ़ाया संवेदनशीलता के साथ आत्म-सेंसर प्राप्त करने के लिए multiscale मिश्रित सामग्री की नैनो सुदृढ़कर्ता के रूप में इस काम में चुना गया है। दो अलग अलग तरीकों से मिश्रित सामग्री में GNPs को शामिल करने के आदेश संवेदन तंत्र और संवेदनशीलता में संभव मतभेद स्पष्ट करने में अध्ययन कर रहे हैं।

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Protocol

1. Multiscale मिश्रित सामग्री के लिए Functionalized ग्राफीन Nanoplatelet भरा epoxy की तैयारी

  1. क्रियाशील graphene nanoplatelets (एफ GNPs) epoxy राल में फैलाने।
    1. F-GNPs के 24.00 ग्राम वजन एक ductless धूआं हुड के अंदर अंतिम nanocomposite सामग्री की एक 12% wt प्राप्त करने के लिए।
    2. Bisphenol के 143.09 जी एक diglycidyl ईथर (DGEBA) मोनोमर जोड़ें और स्वयं इसे मिश्रण एकरूपता प्राप्त करने के लिए।
    3. एक twostep विधि है, जो जांच sonication और calendering प्रक्रियाओं 20 जोड़ती द्वारा मोनोमर में एफ GNPs फैलाने।
      1. आयाम के 50% से कम मिश्रण और 45 मिनट के लिए 0.5 सेकंड का एक चक्र Sonicate।
      2. 250 आरपीएम, 300 आरपीएम और 350 आरपीएम: 5 माइक्रोन का एक रोलर के अंतर का उपयोग कर calendering और प्रत्येक चक्र में रोलर गति बढ़ाने के 3 चक्र को लागू करें।
      3. फैलाव पूरा करने के बाद एफ जीएनपी / मोनोमर के मिश्रण वजन।
    4. unde एफ जीएनपी / मोनोमर मिश्रण देगासआर निर्वात और 15 मिनट के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर चुंबकीय क्रियाशीलता।
    5. वजन और 100 के एक वजन के अनुपात में hardener जोड़ें: 23 (मोनोमर: hardener) और मैन्युअल एकरूपता को प्राप्त जब तक हलचल।

2. Multiscale मिश्रित सामग्री के लिए Functionalized ग्राफीन Nanoplatelet भरा आकार (निलंबन) के साथ गिलास कपड़ा की कोटिंग

  1. नौकरशाही का आकार घटाने में क्रियाशील graphene nanoplatelets फैलाने।
    1. F-GNPs, मात्रा 5% wt को प्राप्त करने की जरूरत है, के 7.5 ग्राम वजन विलायक का 142.5 ग्राम (नौकरशाही का आकार घटाने / आसुत जल 2.1.2 में निर्दिष्ट) एक ductless धूआं हुड के अंदर में।
    2. (: 1 WT 1) ductless धूआं हुड के अंदर एफ GNPs का मिश्रण है और नौकरशाही का आकार घटाने आसुत जल से पतला तैयार करें। एक बार आसुत जल जोड़ दिया गया है, ductless धूआं हुड के बाहर काम करते हैं।
    3. 50% आयाम पर 45 मिनट और 0.5 सेकंड का एक चक्र के लिए जांच sonication द्वारा GNPs फैलाने।
  2. कोट जीF-जीएनपी भरा नौकरशाही का आकार घटाने के साथ लड़की के कपड़े।
    1. कैंची कपड़े काटने के लिए अनुकूल के साथ, एक डुबकी coater का उपयोग कर 120 मिमी 2 और फिर उन्हें डुबकी कोटिंग (एक विसर्जन) द्वारा एफ GNPs का मिश्रण है और नौकरशाही का आकार घटाने (2.1.3) के साथ कोट х 120 के आयामों के साथ कांच कपड़े की 14 परतों में कटौती F-जीएनपी भरा नौकरशाही का आकार घटाने में।
    2. के रूप में निर्माता द्वारा प्रदान की तकनीकी शीट में संकेत दिया 24 घंटे के लिए 150 डिग्री सेल्सियस पर एक वैक्यूम ओवन में एफ जीएनपी लेपित गिलास कपड़े सूखा।

3. Multiscale कम्पोजिट सामग्री के विनिर्माण

  1. निर्माण एफ जीएनपी / Epoxy मिश्रित सामग्री।
    1. मिश्रण degassing के बाद, सभी विनिर्माण प्रक्रिया के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर चुंबकीय सरगर्मी के तहत एफ-जीएनपी भरा epoxy राल रहते हैं।
    2. कांच कपड़े की 14 परतों 80 डिग्री सेल्सियस पर एक ओवन में रखें।
    3. वैकल्पिक रूप से, एफ जीएनपी भरा epoxy की एक परत और ग्लास फाइबर कपड़े की एक परत (14 परतों) sequen जगहtially एक धातु की थाली प्रत्येक गिलास कपड़े परत रखने के बाद एक डे-प्रसारण रोलर का उपयोग करने पर हाथ से।
      1. कटौती और एक स्टील प्लेट पर विरोधी पक्षपाती बहुलक फिल्म (120 х 120 मिमी 2) जगह के लिए कैंची का प्रयोग करें।
      2. एक ब्रश के साथ विरोधी पक्षपाती बहुलक फिल्म पर एफ जीएनपी / Epoxy मिश्रण की एक परत लागू करें। ग्लास फाइबर कपड़ा की एक परत रखें। F-सकल घरेलू उत्पाद / Epoxy क्षेत्र और अलग कपड़े परतों के संरेखण के क्षेत्र को कवर करने के महत्व पर ध्यान दें। एक डे-प्रसारण रोलर का उपयोग करके हवा और कॉम्पैक्ट Plies निकालें।
      3. टुकड़े टुकड़े की परतों के सभी को पूरा करने तक दोहराएँ कदम 3.1.3.2।
      4. F-सकल घरेलू उत्पाद / Epoxy ब्रश के साथ मिश्रण के अंतिम परत लागू करें और विरोधी पक्षपाती बहुलक फिल्म की एक और परत के साथ टुकड़े टुकड़े को कवर किया।
    4. एक बार सभी कपड़े परतों ढेर कर दिया गया है, टुकड़े टुकड़े एक गर्म थाली प्रेस में 140 डिग्री सेल्सियस पर 8 घंटे के लिए 6 सलाखों के लिए दबाव बढ़ाने के साथ इलाज।
    5. गर्म बेनी से ठीक टुकड़े टुकड़े निकालेंई प्रेस।
  2. सहायता वैक्यूम राल अर्क मोल्डिंग (VARIM) द्वारा एफ जीएनपी / ग्लास फाइबर कम्पोजिट सामग्री निर्माण।
    1. धातु की थाली जहां VARIM बाहर किया जा रहा है तैयार करें।
      1. एसीटोन के साथ स्टील प्लेट की सतह को साफ करें।
      2. स्टील प्लेट पर विरोधी पक्षपाती बहुलक फिल्म रखें।
    2. F-जीएनपी लेपित गिलास कपड़े के अनुक्रम थाली पर (आयाम 120 х 120 मिमी 2 के साथ 14 परतों) रखें। सुनिश्चित करें कि कपड़े की परतों नेत्रहीन और स्पर्श से जुड़ रहे हैं।
    3. VARIM प्रक्रिया के लिए सीलेंट टेप के साथ वैक्यूम बैग सील और एक ओवन में 80 डिग्री सेल्सियस पर सिस्टम पूर्व गर्मी।
    4. DGEBA 15 मिनट के लिए 80 डिग्री सेल्सियस पर निर्वात और चुंबकीय सरगर्मी के तहत मोनोमर देगास। 23: 100 के एक वजन के अनुपात में hardener जोड़ें (मोनोमर: hardener) और एकरूपता को प्राप्त जब तक हलचल।
    5. एक निर्वात एक बहुलक के साथ वैक्यूम बैग से जुड़े पंप के साथ 80 डिग्री सेल्सियस पर epoxy राल जोड़ेकांच के कपड़े ढेर जब तक पूरी तरह से ट्यूब epoxy राल से भरा है और 8 घंटे के लिए 140 डिग्री सेल्सियस पर एक ओवन में टुकड़े टुकड़े में इलाज नहीं है।
    6. ओवन से ठीक टुकड़े टुकड़े निकालें और वैक्यूम बैग और सहायक सामग्री को हटा दें।

तनाव सेंसर टेस्ट के लिए नमूने की तैयारी 4.

  1. मशीन नमूने (कम्प्यूटर संख्यात्मक नियंत्रण - सीएनसी मिलिंग मशीन) एएसटीएम D790-02 21 निम्नलिखित flexural परीक्षण के लिए आवश्यक आयाम करने के लिए multiscale laminates की और कट ग्लास कपड़े बैंड चौड़ाई में 10 मिमी एफ जीएनपी लेपित के तनाव संवेदनशीलता का अध्ययन करने के क्रम में कपड़े।
    नोट: नमूने चिपकने वाला टेप के साथ मशीनिंग मेज पर तय की और निम्नलिखित मानकों का उपयोग कर machined हैं: 500 मिमी / मिनट, 0.1 मिमी के 5,000 मिनट -1 और गहराई कदम के निष्क्रिय गति की गति फ़ीड।
  2. ध्यान से धूल को खत्म करने के लिए एसीटोन के साथ machined नमूनों की सतह को साफ।
  3. पर चांदी के रंग लाइनों (एक्रिलिक प्रवाहकीय रंग)सामग्री की सतह बिजली के संपर्क प्रतिरोध को कम करने और के रूप में इलेक्ट्रोड परीक्षण के दौरान बिजली के प्रतिरोध की माप की सुविधा के लिए गीला चांदी लाइनों के लिए तांबे के तारों का पालन करने के लिए 20 मिमी के अलावा दूर रखा।
    नोट: संपीड़न सतहों और तन्य अधीन सतहों: बिजली के संपर्क दोनों सतहों पर स्थित हैं।
  4. एक बार चांदी के रंग से सूखा है, बिजली के संपर्क टुकड़ी से बचने के लिए गर्म पिघल चिपकने के साथ बिजली के संपर्क तय कर लो।

5. तनाव सेंसर का परीक्षण

  1. Flexural भार (तीन सूत्री झुकने परीक्षण) के तहत सेंसर के बिजली के व्यवहार का विश्लेषण।
    1. नमूना की चौड़ाई और एक नली का व्यास के साथ मोटाई मापने।
    2. flexural परीक्षण विन्यास के साथ यांत्रिक परीक्षण मशीन में नमूना सेट करें।
    3. 1 मिमी / मिनट और शुरू की स्थिति यह है कि नमूना की प्रारंभिक लंबाई को परिभाषित करने के लिए परीक्षण गति (तनाव द्वारा नियंत्रित) सेट करें।
    4. कनेक्टमल्टीमीटर करने के लिए बिजली के संपर्क। प्रत्येक दो आसन्न बिजली के संपर्क के बीच बिजली के प्रतिरोध को मापने के रूप में यह चित्र 1 में निर्दिष्ट किया जाता है।
    5. flexural परीक्षण चलाने के लिए और नमूना में प्रेरित तनाव के कारण रूपों का अध्ययन करने के क्रम में एक साथ बिजली के प्रतिरोध की निगरानी।
    6. मिश्रित सामग्री के बिजली के व्यवहार की पुष्टि करने के लिए एफ-सकल घरेलू उत्पाद / Epoxy और एफ जीएनपी / ग्लास फाइबर कम्पोजिट सामग्री के कम से कम 3 नमूनों के लिए सभी चरणों को दोहराएँ।

आकृति 1
चित्रा multiscale मिश्रित सामग्री की flexural परीक्षण में 1. बिजली के संपर्क सेटअप। कॉपर इलेक्ट्रोड आदेश बिजली के संपर्क प्रतिरोध कम करने के लिए (ग्रे) में चांदी के रंग की लाइनों का उपयोग करके मिश्रित सामग्री की सतह पर जुड़े होते हैं। यहां क्लिक करेंयह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए।

  1. विश्लेषण एफ जीएनपी / मानव आंदोलनों के दबाव सेंसर के रूप में कांच के कपड़े।
    1. उंगली झुकने की निगरानी।
      1. के रूप में चित्रा 2 में संकेत आंतरिक सतह पर गर्म पिघल चिपकने के साथ एक nitrile दस्ताने की उंगलियों से प्रत्येक के लिए कांच के कपड़े बैंड संलग्न।
      2. कदम 5.1.4 दोहराएँ, लेकिन एक ही उंगली पर रखा संपर्कों के बिजली के प्रतिरोध को मापने।
      3. उंगली पर नजर रखने और मापने के लिए विद्युत प्रतिरोध जबकि उंगलियों झुका कर रहे हैं झुकने का क्रम शुरू। इस विशेष मामले में झुकने उंगली के अनुक्रम है: (1) अंगूठे, (2) सूचकांक (3) मध्यम उंगली, (4) अनामिका, (5) एक साथ सभी उंगलियों और (6) झुकने के अनुक्रम (उच्च गति ): (1), (2), (3), (4), (4), (3), (2) और (1)।

चित्र 2
आकृति2. एक nitrile दस्ताने की उंगलियों की आंतरिक सतह पर एफ जीएनपी / ग्लास फाइबर बैंड के स्थान उंगलियों झुकने। एक बार जब ग्लास फाइबर कपड़ा लेपित किया गया है और सूखे, बैंड चौड़ाई में 10 मिमी काट रहे हैं और विभिन्न पर नजर रखने के लिए संलग्न झुकने और प्रोटोकॉल ऊपर वर्णित की व्यवहार्यता की पुष्टि उंगली की निगरानी करने के उद्देश्य से एक दस्ताना की उंगलियों। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Representative Results

प्रोटोकॉल दो अलग अलग सामग्री प्राप्त करने के लिए प्रक्रिया में वर्णित किया गया है। अंतर तरह nanoreinforcement मिश्रित सामग्री में शामिल किया है एक बिजली नेटवर्क है कि निगरानी तनाव के लिए इस्तेमाल किया जा सकता प्राप्त करने के लिए है। पहला तरीका है कि एक स्मार्ट कपड़े के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता एफ जीएनपी नौकरशाही का आकार घटाने के साथ एक ग्लास फाइबर कपड़े की कोटिंग के होते हैं (एफ जीएनपी / ग्लास फाइबर नाम) या बहुलक मैट्रिक्स multiscale मिश्रित सामग्री के सुदृढीकरण के रूप में (एफ जीएनपी / ग्लास नामित फाइबर कम्पोजिट सामग्री)। अन्य विधि एफ GNPs साथ मिश्रित सामग्री की epoxy मैट्रिक्स के nanoreinforcement है (नाम एफ जीएनपी / Epoxy मिश्रित सामग्री) एक सतत सुदृढीकरण के रूप में फाइबर ग्लास का उपयोग कर। राल के अर्क VARIM उपयोग कर, क्योंकि यह सबसे आम उद्योग में इस्तेमाल किया तरीकों में से एक है से बाहर किया गया था, लेकिन अन्य तरीकों का इस्तेमाल किया जा सकता है। एक वैकल्पिक निर्माण विधि रेसिन ट्रांस्फर मोल्डिंग (RTM) हो सकता है।

ve_content "fo: रख-together.within-पेज =" 1 "> ग्लास फाइबर के इन्सुलेट चरित्र, प्रोटोकॉल ऊपर वर्णित निम्नलिखित एफ GNPs के समावेश के कारण सामग्री के अंदर एक बिजली नेटवर्क है कि की वृद्धि का कारण बनता है बनाता है विद्युत चालकता ~ 10 -3 एस / मी और तनाव उत्प्रेरण द्वारा संशोधित किया जा सकता करने के लिए। चित्रा 3 flexural टेस्ट (तीन सूत्री झुकने) एक एफ सकल घरेलू उत्पाद में दौरान प्रेरित तनाव की वजह से सामान्यीकृत विद्युत प्रतिरोध की भिन्नता के प्रतिनिधि परिणाम से पता चलता है / ग्लास फाइबर बैंड। सामान्यीकृत विद्युत प्रतिरोध तेजी से सुरंग प्रतिरोध की व्यवस्था की वजह से बढ़ तनाव के साथ बढ़ता है। जब विफलता होता है, सामान्यीकृत विद्युत प्रतिरोध देखा जा सकता है, जो लोड की एक बूंद के लिए सहसंबद्ध होते हैं में कूदता है।

चित्र तीन
चित्रा 3. flexural परीक्षण के तहत एफ-सकल घरेलू उत्पाद / ग्लास फाइबर बैंड के तनाव निगरानी का उदाहरण है। (एफ) (प्रारंभिक विद्युत प्रतिरोध: तात्कालिक विद्युत प्रतिरोध और आर ओ ΔR / आर ओ, आर) G> आंकड़ा सामान्यीकृत विद्युत प्रतिरोध की भिन्नता का प्रतिनिधित्व करता है। सामान्यीकृत विद्युत प्रतिरोध तनाव के साथ बढ़ जाती है। यह घटना होती है क्योंकि तन्य बलों नैनोकणों और overlying GNPs के संपर्क के नुकसान के बीच दूरी का कारण। घातीय नमूना की लोडिंग के दौरान मनाया प्रवृत्ति सुरंग प्रतिरोध में प्रेरित परिवर्तन का एक प्रमुख योगदान की वजह से है। सुरंग प्रतिरोध नैनोकणों के बीच की दूरी के साथ तेजी से बदलता है, जब वे 10 एनएम 12,21 के क्रम में एक दूरी पर हैं। कि कारण जब आसन्न GNPs के बीच दूरी बढ़ाने के लिए, बिजली के प्रतिरोध भी एक घातीय प्रवृत्ति के साथ बढ़ जाती है। इस आशय प्रमुख है जब सकल घरेलू उत्पाद सामग्री टपकन सीमा 23 परन्तु अपने योगदान के करीब हैउच्च सकल घरेलू उत्पाद सामग्री 24,25 पर घटता है। विफलता के दौरान, बिजली के व्यवहार में परिवर्तन और कूदता बिजली के जवाब में मनाया जाता है। इन कूदता फाइबर टूटना है, जो बिजली के नेटवर्क में discontinuities गठन के द्वारा उत्तेजित लोड में बूंदों को सहसंबद्ध किया जा सकता है। ये discontinuities जीएनपी / ग्लास फाइबर बैंड की विद्युत प्रतिरोध की वेतन वृद्धि के कारण बाधाओं के रूप में काम करते हैं। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

Multiscale मिश्रित सामग्री के बिजली के व्यवहार, एफ जीएनपी / Epoxy (चित्रा 4.) और एफ-सकल घरेलू उत्पाद / ग्लास फाइबर (चित्रा 4.b) मिश्रित सामग्री, लेपित कपड़े के लिए ऊपर वर्णित के साथ कुछ मतभेद से पता चलता है। जब संपीड़न अधीन सतह पर नजर रखी है, दोनों क्षेत्रों के साथ भेदभाव किया जा सकता है। कम तनाव मूल्यों पर, सामान्यीकृत हाथीctrical प्रतिरोध घटता करने के लिए ~ 0.010 और ~ एफ जीएनपी / Epoxy और एफ जीएनपी / ग्लास फाइबर कम्पोजिट सामग्री के लिए क्रमश: 0.015 मिमी / मिमी। इसके विपरीत, उल्लेख सीमा से अधिक उपभेदों पर, सामान्यीकृत विद्युत प्रतिरोध एक घातीय प्रवृत्ति के साथ बढ़ जाती है। निगरानी के अधीन तन्यता सतहों के मामले में, सामान्यीकृत विद्युत प्रतिरोध प्रणालियों के दोनों में augments। संवेदनशीलता सभी विन्यास में दिखाया गया 10 (प्रति यूनिट) से 40 के क्रम में है। उच्च तनाव मूल्यों पर, गेज कारक था -1.4 और एफ जीएनपी / Epoxy और एफ जीएनपी / ग्लास फाइबर कम्पोजिट सामग्री के संपीड़न अधीन सतह के लिए और 17 के आदेश पर 7.8 (प्रति यूनिट) और 41 (प्रति यूनिट) के लिए F-सकल घरेलू उत्पाद / epoxy और एफ जीएनपी / ग्लास फाइबर कम्पोजिट सामग्री, क्रमशः की तन्यता अधीन सतह।

चित्रा 4
चित्रा 4. (क) च जीएनपी / Epoxy और (ख) एफ जीएनपी / ग्लास फाइबर कम्पोजिट के तनाव निगरानी का उदाहरण। और तनाव (σ) तनाव (ε) बनाम flexural परीक्षण के दौरान (प्रारंभिक विद्युत प्रतिरोध: तात्कालिक विद्युत प्रतिरोध और आर ओ ΔR / आर ओ, आर) flexural परीक्षण के तहत सामग्री आंकड़ा सामान्यीकृत विद्युत प्रतिरोध की भिन्नता का प्रतिनिधित्व करता है। इस मामले में, बिजली के संपर्क संपीड़न अधीन (नीली रेखा) और तन्य अधीन (लाल रेखा) विभिन्न बिजली के व्यवहार प्राप्त करने पर जगह है। दो अलग अलग रेखांकन शामिल किए गए हैं, जो प्रोटोकॉल में प्रस्तावित दो मार्गों के अनुरूप:। (क) च जीएनपी / Epoxy और (ख) एफ जीएनपी / ग्लास फाइबर कम्पोजिट सामग्री उनकी व्यवहार्यता दिखा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें यह आंकड़ा।

F-जीएनपी लेपित ग्लास फाइबर के आवेदन का एक उदाहरण के रूप में कपड़े, चित्रा 5. एक उंगली झुकने की निगरानी से पता चलता है। प्रत्येक उंगली और युग्मित ग्लास फाइबर बैंड के बिजली प्रतिक्रिया एक अलग रंग द्वारा प्रतिष्ठित हैं यह समझ बनाने के लिए। पहले क्रम अंगूठे (चित्रा 5.b), सूचकांक (चित्रा 5.c), मध्यम उंगली (चित्रा 5.d) और अनामिका (चित्रा 5.e) के झुकने से मेल खाती है। सामान्यीकृत विद्युत प्रतिरोध घटता है जब संबंधित उंगली झुकता है और जब उंगली प्रारंभिक स्थिति recuperates प्रारंभिक मूल्य ठीक हो जाए। आंदोलनों के दूसरे अनुक्रम चार उंगलियों के एक साथ झुकने और तीसरा, तेजी से आंदोलनों तात्कालिक प्रतिक्रिया और सामान्यीकृत विद्युत प्रतिरोध की वसूली दिखाने का एक दृश्य भी शामिल है। यह दूर से हड्डी रोगों के विकास पर नजर रखने या चलाने के दौरान और स्वस्थ हो जाना मूल्यांकन करने के लिए भौतिक चिकित्सा में नक्शेकदम पर गिनती करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है।

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चित्रा 5
चित्रा 5. उंगलियों एफ जीएनपी / एक nitrile दस्ताने पर फाइबर ग्लास बैंड के युग्मन द्वारा झुकने के तनाव निगरानी का उदाहरण उंगलियों झुकने के 3 दृश्यों के दौरान सेंसर के (एक) विद्युत प्रतिक्रिया। (ख - ई) उंगलियों के पहले अनुक्रम झुकने । प्रोटोकॉल वर्तमान कार्य में समझाया के बाद, उंगलियों क्षमता झुकने की निगरानी संभव हो गया था ΔR / आर ओ, आर:। तात्कालिक विद्युत प्रतिरोध और आर ओ: प्रारंभिक विद्युत प्रतिरोध।दुबला "> यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

nanoreinforced मिश्रित सामग्री के स्व-सेंसर गुण epoxy मैट्रिक्स के माध्यम से और ग्लास फाइबर साथ एफ GNPs द्वारा बनाई गई बिजली के नेटवर्क है, जो जब तनाव प्रेरित है संशोधित किया गया है के कारण हैं। F-GNPs का फैलाव तो महत्वपूर्ण है क्योंकि सेंसर के बिजली के व्यवहार दृढ़ता से सामग्री के microstructure पर निर्भर करता है। यहाँ, हम epoxy मैट्रिक्स में GNPs का एक अच्छा फैलाव को प्राप्त करने और नैनोकणों, जो विद्युत चालकता की हानि का कारण बनता है के wrinkling से बचने के लिए एक अनुकूलित प्रक्रिया प्रस्तुत करते हैं। महत्वपूर्ण कदम sonication (ऑपरेटिंग पैरामीटर) और calendering प्रक्रियाओं (रोलर खाई को और गति) कर रहे हैं। ये कदम मजबूती से multiscale मिश्रित सामग्री के यांत्रिक 26, थर्मल 27 और बिजली के 28 गुणों को प्रभावित। आमतौर पर, nanoreinforcement के फैलाव विलायक nanocomposites 29,30 के इलाज से पहले सुखाया जा करने की जरूरत है कि में किया जाता है </ Sup>। प्रक्रिया इस काम में प्रस्तावित में, सॉल्वैंट्स के उपयोग के लिए इसे और अधिक पर्यावरण के अनुकूल बनाने से बचा है। प्रोटोकॉल है, जो भी दृढ़ता से मिश्रित सामग्री के microstructure प्रभावित करती है और इसलिए की एक और कदम है, सेंसर के बिजली के व्यवहार, multiscale मिश्रित सामग्री के लिए विनिर्माण प्रक्रिया है। इन सामग्रियों के निर्माण के दौरान भले ही epoxy मैट्रिक्स में नैनोकणों अच्छा फैलाव शुरू में हासिल की है, F-सकल घरेलू उत्पाद वितरण जोरदार घटना को छानने से प्रभावित हो सकते हैं। इसके अतिरिक्त, epoxy मैट्रिक्स की degassing आदेश multiscale मिश्रित सामग्री के यांत्रिक गुण है, जो और अधिक कठिन हो जाता है जब मैट्रिक्स एक प्रमुख चिपचिपाहट की वजह से GNPs से भर जाता है बनाए रखने के लिए आवश्यक है।

बिजली के संपर्क प्लेसमेंट के क्रम में विश्वास दिलाता हूं कि बिजली के संपर्क प्रतिरोध के रूप में संभव के रूप में कम है में ध्यान से बाहर ले जाने की जरूरत है। इस के लिए, यह है कि सतह सुनिश्चित करने के लिए महत्वपूर्ण हैपूरी तरह चांदी रंग लागू करने तांबा इलेक्ट्रोड को ठीक करने से पहले साफ कर रहे हैं। इसके अलावा, गर्म पिघल चिपकने वाला लागू करने से पहले, चांदी के रंग सूखे की जरूरत है। यदि नहीं, तो विलायक उड और, बुलबुले की उपस्थिति भड़काती बिजली के संपर्क प्रतिरोध बढ़ रही है। सामग्री की सतह पर बिजली के संपर्क स्थिति, नमूना 31 के अंदर स्थित इलेक्ट्रोड के विपरीत के लाभ में से एक यह है कि यह गैर दखल है और किसी भी यांत्रिक गुणों के लिए एक हानि नहीं है। परीक्षण निगरानी के दौरान, बिजली के संपर्क नमूनों की सतह से अलग कर सकते हैं। नतीजतन, उचित फिक्सिंग सुनिश्चित करने के लिए कि बिजली के संकेत है कि पंजीकृत किया जा रहा है केवल सामग्री के आंतरिक विद्युत प्रतिक्रिया से मेल खाती आवश्यक है।

प्रोटोकॉल ऊपर वर्णित आवेदन किया है या इस तरह के कार्बन नैनोट्यूब या अन्य प्रवाहकीय नैनोकणों के रूप में विभिन्न nanofillers के साथ संशोधित किया जा सकता है कि यह भी विद्युत सह करने के लिए नेतृत्वआत्म-संवेदन गुण 32,33 साथ nductive कंपोजिट। निगरानी प्रोटोकॉल नुकसान का पता लगाने और मात्रा का ठहराव के लिए अन्य परीक्षण विन्यास लिए extrapolated किया जा सकता है। बिजली के संपर्क के लिए इस्तेमाल किया प्रणाली की एक सीमा है कि नमूना सतहों पर उनके स्थान सामग्री की मात्रा जहां बिजली के प्रतिरोध का विश्लेषण किया जाता है प्रतिबंधित है। बड़ा माप से जुड़े एक और सिस्टम डिजाइन करके, आंतरिक नुकसान का पता लगाया जा सकता है और मात्रा निर्धारित है, लेकिन इस मामले में, यांत्रिक गुणों से समझौता किया जा सकता है। प्रोटोकॉल दूर से हड्डी रोगों के विकास पर नजर रखने या चलाने के दौरान या स्वस्थ हो जाना प्रक्रिया का मूल्यांकन करने के लिए भौतिक चिकित्सा में नक्शेकदम पर गिनती करने के लिए बायोमैकेनिकल अनुप्रयोगों में उपयोगी हो सकता है।

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Acknowledgments

लेखकों स्पेन सरकार के Ministerio de Economía y Competitividad (परियोजना MAT2013-46695-C3-1-आर) और Comunidad डे मैड्रिड सरकार (P2013 / एमआईटी-2862) को स्वीकार करना होगा।

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

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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).

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