Grafen Nanoplatelets ile Ölçekli Kompozit Malzemeler Güçlendirilmiş dayanarak suşu Algılama
7 Kasım 2016
cam elyaf kompozit malzemeler bu tür grafen nanoplatelets olarak iletken nanopartiküllerin, entegrasyon suşu duyarlı bir içsel elektrik ağı oluşturur. Burada, farklı yöntemler epoksi matris içine ya da cam kumaşlar üzerinde bir kaplama önerilmiştir olarak grafen nanoplatelets eklenmesi dayalı gerilme sensörleri elde etmek.
Bu prosedürün genel amacı, yapısal sağlığın izlenmesi için kompozit malzemelerde kendi kendini algılama özellikleri elde etmektir. Bu yöntem, açık deniz rüzgar çiftlikleri yerine bir suş ve hasarın ölçülmesi ve sunucu ömürlerinin tahmini gibi deniz otomatik algılama başarısızlığındaki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir. Bu tekniğin temel avantajı, hasarın yapısal bileşenin kendisi tarafından tespit edilebilmesidir.
Bu yöntem, kompozit malzemelerin yapısal hasarı hakkında bilgi sağlayabilse de, yaralanma iyileşmesi sırasında biyomekanik analiz gibi diğer sistemlere de uygulanabilir. Hazırlığa başlamak için, kanalsız bir çeker ocakta, 24 gram işlevselleştirilmiş grafen nanoplateletleri DGEBA monomeri ile elle karıştırın. F-GNP'leri monomere dağıtmak için, önce karışımı 45 dakika boyunca bir Prob Sonikatörü ile sonikleştirin.
Ardından, karışımı üç kez kalperin yapın ve her seferinde silindir hızını artırın. Dağıldıktan sonra karışımı tartın. Karışımı karıştırırken 80 santigrat dereceye ısıtın ve ardından karışımı vakum altına koyun.
15 dakika karıştırarak karışımın gazını alın. Sertleştiriciyi 100 ila 23 ağırlık DGEBA monomer-sertleştirici oranında tartın. Karışımı vakumdan çıkarın ve manyetik karıştırmayı durdurun.
Sertleştiriciyi ekleyin ve homojen olana kadar elinizle karıştırın. Gazdan arındırma ve elle karıştırma işleminden sonra, f-GNP epoksi malzemeyi manyetik karıştırma altında 80 santigrat derecede tutun. Ardından, çelik bir plakayı asetonla temizleyin.
Kumaş makası kullanarak 14 kat cam elyaf kumaşı istenilen ölçülerde kesin. Cam kumaşı bir fırında 80 santigrat dereceye ısıtın. Kumaşla aynı boyutlarda iki kare yapışmaz polimer film kesin.
Filmi temiz çelik plakanın üzerine yerleştirin. Bir fırça kullanarak, polimer filmin bir karesine f-GNP dolgulu bir epoksi tabakası uygulayın. Epoksi kaplı filmin üzerine bir kare ısıtılmış cam elyaf plastiği dikkatlice yerleştirin, böylece epoksi ve film tamamen kaplanır.
Malzemeleri sıkıştırmak için bir hava alma silindiri kullanın. Kalan tüm kumaş kullanılana kadar her seferinde sıkıştırarak epoksi ve kumaş katmanlarını uygulamaya devam edin. Son bir epoksi tabakası uygulayın ve kalan yapışma önleyici polimer film karesini laminatın üzerine yerleştirin.
Laminatı sıcak bir plaka içinde artan basınçla presleyin. Kanalsız bir davlumbazda, damıtılmış suya bire bir boyutlandırma maddesi karışımı hazırlayın. Buna 7.5 gram f-GNP ekleyin.
Karışımı davlumbazdan çıkarın ve nanoplateletleri prob sonikasyonu ile dağıtın. 14 kare cam elyaf kumaştan kesin. Cam kumaşı f-GNP dolgulu boyutlandırma ile kaplamak için bir Daldırma Kaplayıcı kullanın.
Ardından, kaplanmış kumaşı vakumlu bir fırında kurutun. Çelik bir plakayı asetonla temizleyin. Çelik plaka üzerine cam elyaf kumaş karelerle aynı boyutlarda bir kare yapışmaz polimer film yerleştirin.
14 kare kaplamalı cam elyaf kumaşı, kenarların hizalandığından emin olarak polimer filmin üzerine yerleştirin. Ardından plakayı ve kumaşı bir vakumlu torbaya koyun. Sızdırmazlık bandı kullanarak vakum torbasını kapatın.
Torbayı 80 santigrat derecelik bir fırında önceden ısıtın. Karıştırırken DGEBA monomerinin gazını vakum altında alın. Sertleştiriciyi 100 ila 23 monomer / sertleştirici ağırlık oranında ekleyin ve homojen olana kadar karıştırın.
Vakum torbasına bir vakum pompası bağlayın ve sızıntı kontrolleri yapın. Torbaya uzun bir polimer boru bağlayın ve açık ucu epoksi reçineye batırın. Reçineyi torbaya çekmek için vakum pompasını açın.
Cam kumaş yığını epoksi reçine ile tamamen ıslatıldığında, pompayı kapatın ve torbayı kapatın. Torbadaki laminatı 8 saat boyunca 140 santigrat derecede bir fırında kürleyin. Ardından, kürlenmiş laminatı vakum torbasından çıkarın.
Gerinim testine hazırlanmaya başlamak için laminat numunelerini işleyin. Daha sonra numune yüzeylerini aseton ile temizleyin. Gümüş akrilik iletken boya kullanarak, her numuneye 20 milimetre aralıklarla iki dar çizgi çizin.
Elektrot görevi görmesi için ince bakır telleri ıslak gümüş boya boyunca düz bir şekilde döşeyin. Boya kuruduktan sonra, telleri sıcakta eriyen yapıştırıcı ile yerine sabitleyin. Eğilme testi için mekanik bir test cihazı yapılandırın.
Her numune için, numuneyi makineye yerleştirmeden önce kaliperlerle genişlik ve kalınlığı ölçün. Test hızını ve başlangıç konumunu numunenin boyutuna ve konumuna uygun şekilde ayarlayın. Elektrik kontaklarını bir multimetreye bağlayın ve kontaklar arasındaki ilk elektrik direncini ölçün.
Direnci baştan sona izleyerek eğilme testini çalıştırın. Gerinim testine hazırlanmak için f-GNP cam elyaf kumaşı 10 milimetre genişliğinde şeritler halinde kesin. Ve bakır telleri gümüş iletken boya ve sıcakta eriyen yapıştırıcı ile kumaşa sabitlemek için.
Ardından, f-GNP cam elyaf kumaş bantları sıcakta eriyen yapıştırıcı kullanarak nitril eldivenin başparmağına ve ilk üç parmağına takın. Her parmağınızdaki kumaş boyunca ilk elektrik direncini ölçün. Elektrik direncini kaydederken bir dizi parmak bükme işlemi gerçekleştirin.
Başparmağınızı bükerek başlayın, sonra indeksi, sonra ortayı, sonra yüzük parmaklarını bükün. Tüm parmakları aynı anda bükün. Ardından, artan hızla, diziyi başparmaktan yüzük parmağına ve geriye doğru tekrarlayın.
F-GNP'lerin cam elyafına dahil edilmesi, indüklenen gerilmeden etkilenen malzemenin elektriksel iletkenliğini arttırır. Normalleştirilmiş elektrik direnci, artan eğilme gerilimi ile artar. Arıza noktasında cam elyafların kırılması, normalleştirilmiş dirençte bir sıçrama olarak görülen elektrik şebekesini bozar.
f-GNP cam elyaf kumaş bir nitril eldivenin parmaklarına uygulandığında, her parmağın bükülmesi ve hareketin süresi dirençteki değişikliklerle takip edilebilir. f-GNP epoksi ve f-GNP cam elyaf kompozit malzemelerin basınç ve çekme gerilimine tabi tutulması, elektrik direncinde biraz farklı değişiklik modellerine neden oldu. Belirli bir basınç gerinim seviyesinin altında, normalleştirilmiş elektrik direnci, artan gerinim ile kademeli olarak azalır.
Bunun ötesinde direnç artar. Bununla birlikte, normalleştirilmiş elektrik direnci, çekme gerilimi boyunca artar. Geliştirilmesinden sonra, bu teknik, yapısal bileşenlerdeki hasarı araştırmak için malzemeyi algılama, izleme alanındaki araştırmacıların yolunu açtı.
Bu videoyu izledikten sonra, nasıl olduğunu iyi anlamalısınız kendinden algılamalı kompozit malzeme hazırlamak, ve gerçek zamanlı olarak nasıl izlemek.
Tam transkripti görüntüleyin ve binlerce bilimsel videoya erişin
Genel Bakış
Bu çalışma, yapısal sağlık izleme için kendi kendini algılayan özellikler geliştirmek amacıyla kompozit malzemelerde iletken nanopartiküllerin, özellikle grafen nanopullerin entegrasyonunu incelemektedir. Önerilen yöntemler, kompozit malzemelerde gerginlik ve hasarın tespitini geliştirmeyi amaçlamaktadır ve açık deniz rüzgar çiftlikleri ve biyomekanik analizde potansiyel uygulamalara sahiptir.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Malzeme Bilimi
- Nanoteknoloji
- Yapısal Sağlık İzleme
Arka Plan
- Kompozit malzemeler çeşitli yapısal uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
- Kendi kendini algılama yetenekleri, hasar tespiti ve bakımı iyileştirebilir.
- Grafen nanopulleri, kompozitlere entegre edildiğinde benzersiz elektriksel özellikler sunar.
- Malzemelerdeki gerilme ve hasarı anlamak, uzun ömürlülük ve güvenlik için kritik öneme sahiptir.
Çalışmanın Amacı
- Kompozit malzemelerde grafen nanopulleri kullanarak gerilim sensörleri geliştirmek.
- Yapısal bütünlüğün gerçek zamanlı izlenmesini sağlamak.
- Hem açık deniz rüzgar çiftliklerinde hem de biyomekanik sistemlerde uygulamaları araştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- İşlevselleştirilmiş grafen nanopullerinin DGEBA monomeri ile elle karıştırılması.
- Uygun dağılımı sağlamak için karışımın sonikasyonu.
- Karışımın epoksi matrislere uygulanması veya cam kumaşlar üzerine kaplama olarak uygulanması.
- Elde edilen kompozit malzemelerin kendi kendini algılama özelliklerinin test edilmesi.
Ana Sonuçlar
- Grafen nanopullerinin kompozit malzemelerde başarılı bir şekilde entegrasyonu.
- Gerilim ve hasarı otonom olarak tespit etme yeteneğinin gösterilmesi.
- Çeşitli yapısal izleme senaryolarında uygulama potansiyeli.
- Kompozit malzemelerin dayanıklılığı ve performansı hakkında elde edilen bilgiler.
Sonuçlar
- Yöntem, kendi kendini algılayan kompozit malzemeler için uygun bir yaklaşım sunar.
- Yapısal sağlık izlemesindeki gelişmeler, güvenliğin artırılmasına yol açabilir.
- Gelecekteki uygulamalar, kompozitlerin ötesinde başka alanlara da yayılabilir.
Sıkça Sorulan Sorular
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
