Штамм зондирования на основе Многомасштабное композитных материалов, армированных с графеновых нанопластинок
Summary
Интеграция проводящих наночастиц, таких как графеновых нанопластинок, в стеклянные волокна композитных материалов создает внутреннюю электрическую сеть восприимчивы к деформации. Здесь, различные методы для получения тензодатчиков, основанные на добавлении графеновыми нанопластинок в эпоксидной матрице, или в качестве покрытия на стеклоткани предложены.
Abstract
Электрический отклик NH 2 -functionalized графен нанопластинок Изучена композиционные материалы под напряжением. Существует два способа изготовления предлагается создать электрическую сеть в данной работе: (а) включение из нанопластинок в эпоксидной матрице, и (б) покрытие из стеклоткани с проклейки заполнены тем же нанопластинок. Оба типа многомасштабными композиционных материалов, с плоскостной электрической проводимости ~ 10 -3 / м, показали экспоненциальный рост электрического сопротивления при увеличении деформации из – за отдаления между соседними функционализованные графеновые нанопластинок и потери контакта между перекрывающими из них. Чувствительность материалов анализируемых в ходе этих исследований, с использованием описанных процедур, как было показано выше, чем коммерчески доступные тензодатчиков. Предлагаемые процедуры для самостоятельного зондирования структурного композитного материала будет способствовать структурной монитор здоровьяфлу- компонентов в труднодоступных ДОТ, таких как морских ферм энергии ветра. Хотя чувствительность многомасштабных композитных материалов была значительно выше , чем чувствительность металлической фольги , используемой в качестве тензорезисторов, значение достигнутой с NH 2 функционализованные графеновые нанопластинок ткани с покрытием почти на порядок превосходящей. Этот результат выяснены их потенциал для использования в качестве смарт-тканей для мониторинга человеческих движений, таких как сгибание пальцев или колени. С помощью предложенного метода, смарт-ткань может сразу обнаружить изгиб и восстановить мгновенно. Это обстоятельство позволяет точно контролировать время изгибания, а также степень изгиба.
Introduction
Структурный мониторинг состояния здоровья (ГИМ) приобретает все большее значение из – за необходимости знать оставшуюся жизнь структур 1-3. В настоящее время, труднодоступных местах, таких как морских ветровых установок, приводят к более высокому риску в операциях по техническому обслуживанию, а также больших затрат на 2-4. Self-зондирования материалы представляют собой одну из возможностей в области ТИМ из – за их способности самоконтроля деформации и повреждения 5.
В случае ветровых турбин, лопатки, как правило, производятся в Стекловолокно / эпоксидных композиционных материалов, которые электрически изоляторы. Для придания автомодельных Чувствительный свойства этого композитного материала, внутренняя электрическая сеть восприимчива к процедите и повреждения должен быть создан. В течение последних нескольких лет, включение проводящих наночастиц , таких как серебро нанопроводов 6,7, углеродных нанотрубок (УНТ) 8-10 и графеновых нанопластинок (ГНПС) 11-13было изучено, чтобы создать эту электрическую сеть. Эти наночастицы могут быть включены в систему в качестве наполнителя в полимерную матрицу , или путем нанесения на стеклоткань 14. Эти материалы могут быть также применены к другим промышленным полей, т.е. аэрокосмической, автомобильной и гражданского строительства 5, и ткани с покрытием могут быть использованы в качестве смарт – материалов в биомеханических приложений 7,15.
Piezoresistivity этих датчиков достигается за счет трех различных взносов. Первый вклад является внутренней piezoresistivity наночастиц; деформация структуры изменяет электропроводность наночастиц. Тем не менее, основной вклад изменения в туннеле электрического сопротивления, в связи с изменениями в расстояний между соседними наночастицами, и электрическое сопротивление контакта, из – за изменений в зоне контакта между вышележащих из них 9. Это piezoresistivity выше, когда 2D пanoparticles используются в качестве нанонаполнителя по сравнению с наночастицами 1D , так как электрическая сеть представляет собой более высокую восприимчивость к изменениям геометрических и разрывами, как правило , на порядок превосходящей 16.
В связи с 2D атомным характером 17 и высокой электропроводности 18,19, графено- нанопластинок были выбраны в этой работе в качестве нано-подкреплением многомасштабных композиционных материалов , с тем чтобы обеспечить самодостаточность датчики с повышенной чувствительностью. Два разных способа, чтобы включить ГНПС в композиционном материале изучаются с целью выяснения возможных различий в чувствительных механизмов и чувствительности.
Protocol
Representative Results
Discussion
Само-сенсорные свойства nanoreinforced композиционных материалов обусловлены электрической сети, созданной диафрагменное через ВНП эпоксидной матрицы и вдоль стекловолокна, который изменяется при деформации индуцируют. Дисперсия диафрагменное является то ВНП решающее значение, поскольк?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы хотели бы отметить Ministerio де Economia у Competitividad Испании правительства (проект MAT2013-46695-C3-1-R) и Comunidad де Мадрид Правительство (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).
