سلالة الاستشعار استنادا متعددة النطاقات المواد المركبة مسلح مع الجرافين Nanoplatelets
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.
Protocol
Representative Results
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 ال?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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 |
References
- Farrar, C. R., Worden, K. An introduction to structural health monitoring. Philos Trans Math Phys Eng Sci. 365, 303-315 (2007).
- Lorenzo, E. D., et al. Structural Health Monitoring challenges on the 10-MW offshore wind turbine model. J Phys Conf Ser. 628, 012081 (2015).
- Braga, D. F. O. O., et al. Advanced design for lightweight structures: Review and prospects. Prog Aerosp Sci. 69, 29-39 (2014).
- 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).
- Chung, D. D. L. Self-monitoring structural materials. Mater Sci Eng R Reports. 22, 57-78 (1998).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Liu, Y., Rajadas, A., Chattopadhyay, A. A biomimetic structural health monitoring approach using carbon nanotubes. JOM. 64, 802-807 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Park, M., Park, J., Jeong, U. Design of conductive composite elastomers for stretchable electronics. Nano Today. 9, 244-260 (2014).
- Kim, Y. J., et al. Preparation of piezoresistive nano smart hybrid material based on graphene. Curr Appl Phys. 11, S350-S352 (2011).
- Sadeghi, M. M., Pettes, M. T., Shi, L. Thermal transport in graphene. Solid State Commun. 152, 1321-1330 (2012).
- Potts, J. R., Dreyer, D. R., Bielawski, C. W., Ruoff, R. S. Graphene-based polymer nanocomposites. Polymer. 52, 5-25 (2011).
- Zaman, I., et al. A facile approach to chemically modified graphene and its polymer nanocomposites. Adv Funct Mater. 22, 2735-2743 (2012).
- 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).
- ASTM International. . ASTM D790-15e2, Standard Test Methods for Flexural Properties of Unreinforced and Reinforced Plastics and Electrical Insulating Materials. , D790 (2015).
- Gong, S., Zhu, Z. H., Meguid, S. A. Carbon nanotube agglomeration effect on piezoresistivity of polymer nanocomposites. Polymer. 55, 5488-5499 (2014).
- Zhao, J., et al. Ultra-sensitive strain sensors based on piezoresistive nanographene films. Appl Phys Lett. 101, 063112 (2012).
- Galpaya, D., et al. Recent advances in fabrication and characterization of graphene-polymer nanocomposites. Graphene. 1, 30-49 (2012).
- Kanoun, O., et al. Flexible Carbon Nanotube Films for High Performance Strain Sensors. Sensors. 14, 10042-10071 (2014).
- Zaman, I., et al. Epoxy/graphene platelets nanocomposites with two leves of interface strength. Polymer. 52, 1603-1611 (2011).
- 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).
- 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).
- 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).
- Fan, H., et al. Fabrication, mechanical properties and biocompatibility of graphene-reinforced chitosan composites. Biomacromolecules. 11, 2345-2351 (2010).
- 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).
- Nauman, S., Cristian, I., Koncar, V. Simultaneous Application of Fibrous Piezoresistive Sensors. Sensors. 11, 9478-9498 (2011).
- Han, B., Ding, S., Yu, X. Intrinsic self-sensing concrete and structures A review. Measurement. 59, 110-128 (2015).
