חישה מבוססת עומס על מחוזק חומרים מרוכבים Multiscale עם גראפן Nanoplatelets
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.
Protocol
Representative Results
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 פי…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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
| 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).
