Stam Sensing Baserat på Multiscale Composite Materials förstärkt med Graphene Nanoplatelets
Summary
Integrering av ledande nanopartiklar, såsom grafen nanoplatelets, in glasfiberkompositmaterial skapar en inneboende elektriskt nätverk mottagliga för påfrestningar. Här, att olika metoder erhålla töjningsgivare baserade på tillsats av grafen nanoplatelets in i epoxi matris eller som en beläggning på glastyger föreslås.
Abstract
Den elektriska responsen hos NH 2 -functionalized grafen nanoplatelets kompositmaterial enligt stam studerades. föreslås två olika tillverkningsmetoder för att skapa elnätet i detta arbete: (a) införande av nanoplatelets i epoxi matris och (b) beläggning av glastyget med en dimensionering fylld med samma nanoplatelets. Båda typerna av multiskalkompositmaterial, med en i planet elektriska ledningsförmåga ~ 10 -3 S / m, visade en exponentiell tillväxt av det elektriska motståndet som stammen ökar på grund av avstånd mellan intilliggande funktion grafen nanoplatelets och kontaktförlust mellan överliggande dem. Känsligheten hos de material som analyserats under denna forskning, med användning av de beskrivna förfarandena, har visat sig vara högre än kommersiellt tillgängliga trådtöjningsgivare. De föreslagna förfarandena för självanalys av den strukturella kompositmaterialet skulle underlätta strukturTillståndsÖvervakarening av komponenter i svåråtkomliga emplacements såsom offshorevindkraftsparker. Även om känsligheten hos de multiskalkompositmaterial var betydligt högre än känsligheten hos metallfolier som trådtöjningsgivare, värdet nåtts med NH 2 funktion grafen nanoplatelets belagda tyger var nästan en storleksordning högre. Detta resultat klar deras potential att användas som smarta tyger för att övervaka de mänskliga rörelser som att böja fingrarna eller knän. Genom att använda den föreslagna metoden, kunde den smarta tyget omedelbart detektera böjning och återhämta sig ögonblickligen. Detta faktum medger noggrann övervakning av tiden för böjning liksom graden av böjning.
Introduction
Strukturella hälsoövervakning (SHM) har blivit allt viktigare på grund av behovet att veta återstående livslängd strukturer 1-3. Numera svåråtkomliga platser, såsom havsbaserade vindkraftverk, leda till högre risker i underhållsarbete, samt högre kostnader 2-4. Självanalys material utgör en av möjligheterna inom SHM grund av deras förmåga till självövervaknings stam och skada 5.
När det gäller vindkraftverk är bladen i allmänhet tillverkas i glasfiber / epoxi kompositmaterial, som är elektriskt isolatorer. För att ge självanalys i denna kompositmaterial, till en inneboende elnät mottaglig stam och skador måste skapas. Under de senaste åren, införlivandet av ledande nanopartiklar, såsom silver nanotrådar 6,7, kolnanorör (cnts) 8-10, och grafen nanoplatelets (BNI) 11-13har studerats för att skapa denna elektriska nätverk. Dessa nanopartiklar kan införlivas i systemet som fyllmedel i polymermatrisen eller genom beläggning av glasfiberväv 14. Dessa material kan även appliceras på andra industriella områden, det vill säga, flyg-, bil- och anläggnings 5, och belagda vävar kan användas som smarta material i biomekaniska tillämpningar 7,15.
Piezoresistivity av dessa givare uppnås genom tre olika bidrag. Det första bidraget är den inneboende piezoresistivity av nanopartiklar; en stam av strukturen ändrar den elektriska konduktiviteten hos de nanopartiklar. De viktigaste bidragen är förändringar i tunnel elektrisk resistans, på grund av ändringar i avstånd mellan intilliggande nanopartiklar och elektriskt kontaktmotstånd, på grund av variationer i kontaktytan mellan överliggande de 9. Denna piezoresistivity är högre när 2D nanoparticles används som nanofillern jämfört med 1D nanopartiklar eftersom det elektriska nätverket presenterar en högre känslighet för geometriska förändringar och diskontinuiteter, vanligen en storleksordning överlägsen 16.
På grund av 2D atom karaktär 17 och hög elektrisk ledningsförmåga 18,19, har grafén nanoplatelets valts ut i detta arbete nano förstärkare av multiskalkompositmaterial för att erhålla själv sensorer med ökad känslighet. Två olika sätt att införliva de BNI i kompositmaterialet studeras för att belysa eventuella skillnader i avkännande mekanismer och känslighet.
Protocol
Representative Results
Discussion
Självsensoregenskaperna hos nanoreinforced kompositmaterial beror på det elektriska nätverk som skapats av de f-BNI genom epoximatris och längs glasfibrerna, som är modifierad när stammen induceras. Dispersion av f-BNI är då av avgörande betydelse, eftersom den elektriska beteendet hos sensorerna är starkt beroende av mikrostrukturen av materialet. Här presenterar vi en optimerad procedur för att uppnå en god dispersion av de BNI in i epoximatrisen och för att undvika skrynkling av nanopartiklarna, vilket …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill tacka för Ministerio de Economía y Competitividad Spanien Government (Project MAT2013-46695-C3-1-R) och 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).
