Strain Sensing Baseado em Multiscale Materiais Compósitos reforçados com grafeno Nanoplatelets
Summary
A integração de nanopartículas condutoras, tais como nanoplatelets grafeno, em materiais compósitos de fibra de vidro cria uma rede elétrica intrínseca suscetíveis à tensão. Aqui, diferentes métodos para obtenção de sensores de tensão baseado na adição de nanoplatelets grafeno na matriz de epoxi ou como um revestimento sobre tecidos de vidro são propostas.
Abstract
A resposta elétrica do NH 2 -functionalized grafeno nanoplatelets materiais compósitos sob pressão foi estudado. Dois métodos de fabrico diferentes, são propostas para criar a rede eléctrica neste trabalho: (a) a incorporação dos nanoplatelets na matriz de epoxi e (b) o revestimento do tecido de vidro com um dimensionamento cheias com o mesmo nanoplatelets. Ambos os tipos de materiais compósitos de multi-escala, com uma condutividade eléctrica no plano de ~ 10 -3 S / m, mostrou um crescimento exponencial da resistência eléctrica como a estirpe aumenta devido ao distanciamento entre nanoplatelets grafeno funcionalizados adjacentes e perda de contacto entre os sobrejacente. A sensibilidade dos materiais analisados durante esta pesquisa, utilizando os procedimentos descritos, tem sido demonstrado ser mais elevada do que os medidores de tensão comercialmente disponíveis. Os procedimentos propostos para a auto-detecção do material compósito estrutural que facilitaria o monitor de saúde estruturalção de componentes em locais de difícil acesso, tais como plataformas de fazendas de energia eólica offshore. Embora a sensibilidade dos materiais compósitos multiscale foi consideravelmente mais elevada do que a sensibilidade de folhas metálicas usadas como medidores de tensão, o valor alcançado com NH 2 tecidos nanoplatelets grafeno funcionalizados revestido foi quase uma ordem de magnitude superior. Este resultado elucidado o seu potencial para serem utilizados como tecidos inteligentes para monitorar os movimentos humanos, tais como flexão dos dedos ou joelhos. Ao usar o método proposto, o tecido inteligente pode detectar imediatamente a flexão e recuperar instantaneamente. Este facto permite a monitorização precisa do tempo de flexão, bem como o grau de flexão.
Introduction
Monitoramento de integridade estrutural (SHM) tornou-se cada vez mais importante devido à necessidade de saber a vida útil restante das estruturas 1-3. Hoje em dia, locais de difícil acesso, como plantas de energia eólica offshore, levam a riscos mais elevados de operações de manutenção, bem como maiores custos 2-4. Materiais de auto-detecção constituem uma das possibilidades no campo da SHM devido à sua capacidade de tensão de auto-monitoramento e 5 de dano.
No caso de turbinas de vento, as lâminas são geralmente fabricadas em materiais compósitos de fibra / epoxi de vidro, que são isoladas electricamente. A fim de conferir propriedades de auto-sensor para este material compósito, uma rede eléctrica intrínseca susceptível de esticar e dano tem de ser criado. Durante os últimos anos, a incorporação de nanopartículas condutoras, como nanofios de prata 6,7, nanotubos de carbono (CNT) 8-10 e nanoplatelets grafeno (PNB) 11-13foi estudado para criar esta rede elétrica. Estas nanopartículas podem ser incorporados no sistema como material de enchimento na matriz do polímero ou por revestimento do tecido de fibra de vidro 14. Estes materiais podem também ser aplicado a outros campos industriais, ou seja, aeroespacial, automotivo e engenharia civil, 5, tecidos revestidos e pode ser usado como materiais inteligentes em aplicações biomecânicas 7,15.
Piezoresistivity destes sensores é conseguido por três diferentes contribuições. A primeira contribuição é a piezoresistivity intrínseca das nanopartículas; uma estirpe da estrutura muda a condutividade eléctrica das nanopartículas. No entanto, as principais contribuições são mudanças na resistência elétrica do túnel, devido a modificações nas distâncias entre as nanopartículas adjacentes, e resistência de contato elétrico, por causa de variações na área de contato entre os sobrepostas 9. Este piezoresistivity é maior quando n 2Danoparticles são utilizados como uma nanopartícula comparação com nanopartículas 1D porque a rede eléctrica apresenta uma maior susceptibilidade às variações e descontinuidades geométricas, usualmente uma ordem de grandeza superior de 16.
Devido ao caráter atômica 2D 17 e a alta condutividade elétrica 18,19, nanoplatelets grafeno foram selecionados neste trabalho como a nano-reforçador de materiais compósitos multiscale a fim de obter auto-sensores com maior sensibilidade. Duas maneiras diferentes de incorporar as PNB no material compósito são estudados a fim de elucidar possíveis diferenças nos mecanismos de detecção e sensibilidade.
Protocol
Representative Results
Discussion
propriedades de auto-sensor de materiais compósitos nanoreinforced são devidos à rede eléctrica criada pelos f-PNB através da matriz de epoxi e ao longo das fibras de vidro, que é modificado quando a tensão é induzida. A dispersão do f-PNB é crucial porque então o comportamento eléctrico dos sensores depende fortemente da microestrutura do material. Aqui, nós apresentamos um procedimento otimizado para alcançar uma boa dispersão dos PNB na matriz de epoxi e para evitar o enrugamento das nanopartículas, o…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores gostariam de reconhecer o Ministerio de Economía y Competitividad do Governo de Espanha (Project MAT2013-46695-C3-1-R) e Comunidad de Madrid Governo (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 |
Referências
- 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).
