Strain Sensing Basert på Multiscale komposittmaterialer forsterket med Graphene Nanoplatelets
Summary
Integreringen av ledende nanopartikler, så som graphene nanoplatelets, inn i glassfiberkomposittmaterialer danner et indre elektrisk nett utsatt for belastning. Hit, for å oppnå forskjellige metoder belastningssensorer basert på tilsetning av graphene nanoplatelets i epoksyen matriks eller som et belegg på glassfibre er foreslått.
Abstract
Den elektriske responsen NH2 -functionalized graphene nanoplatelets komposittmaterialer under press ble studert. To forskjellige fremstillingsmetoder er foreslått for å skape det elektriske nettverket i dette arbeidet: (a) inkorporering av de nanoplatelets inn i epoksymatrise og (b) belegget av glasset stoff med en dimensjonering fylt med de samme nanoplatelets. Begge typer Multiscale komposittmaterialer, med en in-plane elektrisk ledningsevne av ~ 10 -3 S / m, viste en eksponentiell vekst av den elektriske motstanden som belastningen øker på grunn distansere mellom tilstøtende funksjon graphene nanoplatelets og kontakt tap mellom overliggende seg. Følsomheten av de materialer som er analysert i løpet av denne forskning, ved hjelp av de beskrevne fremgangsmåtene, har vist seg å være høyere enn kommersielt tilgjengelige strekkmålere. De foreslåtte prosedyrer for selv sensing av den strukturelle komposittmateriale ville lette strukturelle helse monitoring av komponenter i vanskelig tilgjengelig stillinger som offshore vindkraft gårder. Selv om følsomheten av Multiscale komposittmaterialer var betydelig høyere enn følsomheten av metalliske folier anvendes som deformasjonsmålere, verdien oppnådd med NH 2 funksjon graphene nanoplatelets belagte tekstiler var nesten en størrelsesorden overlegen. Dette resultatet belyses deres potensiale til å bli brukt som smarte stoffer for å regulere menneskers bevegelser som bøying av fingre og knær. Ved å bruke den foreslåtte metoden, kan den smarte stoffet umiddelbart oppdage bøying og gjenopprette umiddelbart. Dette faktum muliggjør nøyaktig måling av tiden for bøying, så vel som graden av bøyning.
Introduction
Strukturelle helseovervåking (SHM) har blitt stadig viktigere på grunn av behovet for å vite gjenværende levetid av strukturer 1-3. I dag, vanskelig å få tilgang til steder, for eksempel offshore vindanlegg, fører til høyere risiko i vedlikeholdsoperasjoner, samt større kostnader 2-4. Selvføler materialer utgjør en av mulighetene innen SHM grunn av deres evne til selv-overvåking belastning og skade på 5.
I tilfelle av vindturbiner, er bladene vanligvis fremstilt i glass fiber / epoksy-komposittmaterialer, som er elektrisk isolatorer. For å gi selv sensing eiendommer i denne komposittmateriale, til en iboende elektrisk nettverk utsatt belastning og skader må opprettes. I løpet av de siste årene, inkorporering av ledende nanopartikler som sølv nanotråder 6,7, karbon nanorør (CNTs) 8-10, og graphene nanoplatelets (GNPs) 11-13har blitt studert for å skape denne elektriske nettverk. Disse nanopartikler kan innlemmes i systemet som fyllstoff i polymergrunnmassen eller ved belegging av glassfiberduk 14. Disse materialene kan også brukes til andre industrielle områder, det vil si, romfart, bilindustri og anlegg 5, og belagte tekstiler kan brukes som smarte materialer i biomekaniske anvendelser 7,15.
Piezoresistivity av disse sensorene er oppnådd ved tre forskjellige bidrag. Det første bidraget er den iboende piezoresistivity av nanopartikler; en stamme av strukturen forandrer den elektriske ledningsevne av nanopartiklene. Men de viktigste bidragene er endringer i tunnel elektrisk motstand, på grunn av endringer i avstander mellom tilstøtende nanopartikler, og kontakt motstand elektrisk, på grunn av variasjoner i kontaktflaten mellom overliggende seg 9. Dette piezoresistivity er høyere når 2D nanoparticles blir brukt som en nanofyllstoff forhold til 1D-nanopartikler, fordi det elektriske nettverket presenterer en høyere følsomhet for geometriske endringer og diskontinuiteter, vanligvis en størrelsesorden overlegen 16.
På grunn av den 2D-atom tegnet 17 og høy elektrisk ledningsevne 18,19, har graphene nanoplatelets er valgt i dette arbeidet som nano-forsterkeren av Multiscale komposittmaterialer for å oppnå selv-sensorer med øket følsomhet. To forskjellige måter å innlemme de GNPs inn i komposittmaterialet er studert for å belyse mulige forskjeller i følermekanismer og følsomhet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Self-sensor egenskaper nanoreinforced komposittmaterialer er på grunn av det elektriske nettverket som er opprettet av de f-GNPs gjennom epoksymatrise og langs glassfibrene, som er modifisert når belastningen blir indusert. Dispergering av f-GNPs er da viktig fordi den elektriske oppførsel av sensorene sterkt avhengig av mikrostrukturen av materialet. Her presenterer vi en optimalisert fremgangsmåte for å oppnå en god dispergering av GNPs i epoksyen matrise og for å unngå krølling av nanopartiklene, noe som fø…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne ønsker å erkjenne Ministerio de Economía y Competitividad Spanias regjering (Prosjekt MAT2013-46695-C3-1-R) og Comunidad de Madrid Government (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).
