Strain Sensing Basé sur Multiscale Composite Materials Renforcé avec graphène nanoplaquettes
Summary
L'intégration des nanoparticules conductrices, telles que nanoplaquettes de graphène, dans des matériaux composites à base de fibres de verre crée un réseau électrique sensible à la contrainte intrinsèque. Ici, les différentes méthodes pour obtenir des capteurs de contrainte en fonction de l'addition de nanoplaquettes de graphène dans la matrice de résine époxy ou en tant que revêtement sur des tissus de verre sont proposées.
Abstract
La réponse électrique de NH 2 -functionalized graphène nanoplaquettes matériaux composites sous contrainte a été étudiée. Deux procédés de fabrication différents sont proposées pour créer le réseau électrique dans ce travail: (a) l'incorporation des nanoplaquettes dans la matrice de résine époxy et (b) le revêtement de tissu de verre avec un encollage rempli avec les mêmes nanoplaquettes. Les deux types de matériaux composites multi – échelles, avec une conductivité électrique dans le plan d'environ 10 -3 S / m, a montré une croissance exponentielle de la résistance électrique que la déformation augmente du fait de la distanciation entre nanoplaquettes de graphène fonctionnalisés adjacents et la perte de contact entre celles – jacentes. La sensibilité des matériaux analysés au cours de ces recherches, en utilisant les procédures décrites, a été démontré être plus élevé que disponibles dans le commerce jauges de contrainte. Les procédures proposées pour l'auto-détection du matériau composite structurel faciliterait le moniteur de santé structuraletion des composants difficiles d'accès emplacements tels que les fermes éoliennes offshore. Bien que la sensibilité des matériaux composites multi – échelles était considérablement plus élevée que la sensibilité des feuilles métalliques utilisées comme jauges de contrainte, la valeur atteinte avec NH 2 tissus nanoplaquettes de graphène fonctionnalisés revêtus était presque un ordre de grandeur supérieur. Ce résultat a élucidé leur potentiel d'être utilisé comme tissus intelligents pour surveiller les mouvements humains tels que la flexion des doigts ou des genoux. En utilisant la méthode proposée, le tissu intelligent pourrait détecter immédiatement la flexion et de récupérer instantanément. Ce fait permet un contrôle précis du temps de bombage, ainsi que le degré de courbure.
Introduction
Structural surveillance de la santé (SHM) est devenue de plus en plus important en raison de la nécessité de connaître la durée de vie restante des structures 1-3. De nos jours, difficiles d'accès, tels que les plantes en mer de vent, conduisent à des risques plus élevés dans les opérations de maintenance, ainsi que des coûts plus élevés 2-4. Matériaux auto-détection constituent l' une des possibilités dans le domaine de la SHM en raison de leur capacité de déformation et des dommages 5 auto-surveillance.
Dans le cas des turbines éoliennes, les lames sont généralement fabriquées en fibres / époxy, des matériaux composites de verre, qui sont des isolants électriques. Afin de conférer des propriétés d'auto-détection de ce matériau composite, un réseau électrique intrinsèque sensible à la souche et les dommages doit être créé. Au cours de ces dernières années, l'incorporation de nanoparticules conductrices telles que des nanofils d'argent 6,7, les nanotubes de carbone (NTC) 8-10, et nanoplaquettes de graphène (GNPS) 11-13a été étudié pour créer ce réseau électrique. Ces nanoparticules peuvent être incorporées dans le système en tant que charge dans la matrice polymère ou en revêtant le tissu de fibres de verre 14. Ces matériaux peuvent également être appliqués à d' autres domaines industriels, à savoir, de l' aérospatiale, de l' ingénierie automobile et civile 5, et les tissus enduits peuvent être utilisés comme matériaux intelligents dans les applications biomécaniques 7,15.
Piézorésistivité de ces capteurs est réalisé en trois contributions différentes. La première contribution est la piézorésistivité intrinsèque des nanoparticules; une déformation de la structure modifie la conductivité électrique des nanoparticules. Toutefois, les principales contributions sont des changements dans le tunnel résistance électrique, en raison de modifications dans les distances entre les nanoparticules adjacentes, et la résistance de contact électrique, en raison de variations dans la zone de contact entre les recouvrant 9. Cette piézorésistivité est plus élevée lorsque 2D nanoparticles sont utilisés en tant que nanocharges par rapport aux nanoparticules 1D , car le réseau électrique présente une plus grande sensibilité aux changements et aux discontinuités géométriques, généralement un ordre de grandeur supérieur 16.
En raison du caractère atomique 2D 17 et la conductivité électrique élevée 18,19, nanoplaquettes de graphène ont été sélectionnés dans ce travail que le nano-renforçateur de matériaux composites multiéchelles afin d'obtenir l' auto-capteurs avec une sensibilité accrue. Deux façons d'incorporer les PNB dans le matériau composite sont étudiés afin d'élucider les différences possibles dans les mécanismes de détection et la sensibilité.
Protocol
Representative Results
Discussion
propriétés d'auto-détection de matériaux composites nanoreinforced sont dues au réseau électrique créé par les f-PNB à travers la matrice d'époxy et le long des fibres de verre, qui est modifié lorsque la souche est induite. Dispersion des f-PNB est alors crucial parce que le comportement électrique des capteurs dépend fortement de la microstructure du matériau. Ici, nous présentons une procédure optimisée pour obtenir une bonne dispersion des PNB dans la matrice d'époxy et d'éviter le…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs tiennent à remercier le Ministerio de Economía y Competitividad de l'Espagne Gouvernement (Projet MAT2013-46695-C3-1-R) et Comunidad de gouvernement de Madrid (P2013 / MIT-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 |
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