Strain Sensing Gebaseerd op Multiscale Composite Materials versterkt met Grafeen Nanoplatelets
Summary
De integratie van geleidende nanodeeltjes, zoals grafeen nanoplatelets, in glasvezel composiet materialen zorgt voor een intrinsiek elektrisch netwerk gevoelig voor stam. Hier staan diverse methoden om spanning sensoren gebaseerd op de toevoeging van grafeen nanoplatelets in de epoxy matrix of bekleding op glasvezels voorgesteld verkrijgen.
Abstract
De elektrische respons van NH 2 -functionalized grafeen nanoplatelets composietmaterialen onder druk werd bestudeerd. Twee verschillende fabricagemethoden voorgesteld op het elektriciteitsnet in dit werk te maken: (a) opname van de nanoplatelets in de epoxy matrix en (b) de bekleding van het glasweefsel met een dimensionering gevuld met dezelfde nanoplatelets. Beide soorten meerschalige composietmaterialen met een in-vlak elektrische geleidbaarheid van ~ 10 -3 S / m, vertoonde een exponentiële groei van de elektrische weerstand van de rek stijgt vanwege afstand tussen aangrenzende gefunctionaliseerd grafeen nanoplatelets en contact verliezen tussen overliggende degenen. De gevoeligheid van het materiaal tijdens het onderzoek geanalyseerd met behulp van de beschreven procedures, is hoger dan was commercieel verkrijgbaar rekstrookjes zijn. De voorgestelde procedures voor self-sensing van het composiet materiaal zou de structurele gezondheid van de monitor te vergemakkelijkening van de componenten in moeilijk toegankelijke kampeerplaatsen zoals offshore windmolenparken. Hoewel de gevoeligheid van de meerschalige composietmaterialen aanzienlijk hoger is dan die van metaalfolies gebruikt rekstrookjes, de waarde bereikt NH 2 gefunctionaliseerde grafeen nanoplatelets gecoate weefsels was bijna een orde van grootte beter. Dit resultaat toegelicht hun potentieel gebruik als intelligente stoffen menselijke bewegingen zoals buigen van de vingers of knieën controleren. Door het gebruik van de voorgestelde methode, zou de slimme stof onmiddellijk op te sporen het buigen en te herstellen onmiddellijk. Dit feit maakt nauwkeurige controle van de tijd van het buigen en de mate van buiging.
Introduction
Structural health monitoring (SHM) is steeds belangrijker geworden vanwege de noodzaak om de resterende levensduur van constructies 1-3 kennen. Tegenwoordig moeilijk toegankelijke plaatsen, zoals offshore windturbines, leiden tot hogere risico's bij onderhoudswerkzaamheden, alsmede hogere kosten 2-4. Self-sensing materialen vormen een van de mogelijkheden op het gebied van SHM vanwege hun vermogen van zelf-controle stam en schade 5.
Bij windturbines worden blades algemeen vervaardigd in glasvezel / epoxy composiet materialen, die elektrisch isolatoren zijn. Om zelf-sensing eigenschappen verlenen tegen dit composietmateriaal een intrinsieke elektriciteitsnet gevoelig voor stam en beschadiging moet worden gemaakt. In de afgelopen jaren, de integratie van geleidende nanodeeltjes zoals zilver nanodraden 6,7, koolstof nanobuisjes (CNT) 8-10, en grafeen nanoplatelets (BNP) 11-13is bestudeerd om deze elektrische netwerk. Deze nanodeeltjes kunnen in het systeem als vulstof in de polymeermatrix of door bekleden van het glasvezelweefsel 14 worden opgenomen. Deze materialen kunnen ook worden toegepast op andere industriële gebieden, dat wil zeggen, luchtvaart, automobiel en openbare werken 5 en gecoate stoffen kan worden gebruikt als slimme materialen biomechanische toepassingen 7,15.
Piezoresistivity van deze sensoren wordt bereikt door drie verschillende geschreven. De eerste bijdrage is de intrinsieke piezoresistivity van de nanodeeltjes; een stam van de structuur verandert de elektrische geleidbaarheid van de nanodeeltjes. De belangrijkste bijdragen veranderingen in elektrische weerstand tunnel, door veranderingen in afstand tussen naburige nanodeeltjes en elektrische contactweerstand, door variaties in het contactvlak tussen overliggende degenen 9. Dit piezoresistivity is hoger wanneer 2D nanoparticles worden gebruikt als nanofiller opzichte 1D nanodeeltjes omdat het elektrische netwerk vormt een hogere gevoeligheid voor geometrische veranderingen en discontinuïteiten, gewoonlijk een orde van grootte hogere 16.
Door het 2D atomaire karakter 17 en de hoge elektrische geleidbaarheid 18,19 zijn grafeen nanoplatelets geselecteerd in dit werk de nano-bekrachtiger meerschalige samengestelde materialen om zelf sensoren te verkrijgen met verbeterde gevoeligheid. Twee verschillende manieren om de BNP nemen in het composietmateriaal bestudeerd om mogelijke verschillen in sensormechanismen en gevoeligheid helderen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Self-sensor eigenschappen van nanoreinforced composietmaterialen door het elektriciteitsnet door de f-BNP door de epoxy matrix en langs de glasvezels, die gemodificeerd wanneer spanning wordt geïnduceerd. Dispersie van het f-BNP, is het belangrijk omdat het elektrisch gedrag van de sensoren sterk afhankelijk van de microstructuur van het materiaal. Hier presenteren we een geoptimaliseerde procedure om een goede dispersie van het BNP in de epoxy matrix bereiken en rimpelen van de nanodeeltjes, die het nadeel van d…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag naar het Ministerio de Economía y Competitividad Spanje Government (Project MAT2013-46695-C3-1-R) en Comunidad de Madrid Overheid (P2013 / MIT-2862) te erkennen.
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).
