מבוא ל Graphene in Structural Monitoring

מאז בידודו בשנת 2004, גרפן תפס את תשומת הלב של חומרים מדענים ומהנדסים ברחבי העולם.שכבה אחת של אטומי פחמן, מסודרים בלחיצת hexagonal, מציג שילוב נדיר של תכונות: מוליכות חשמלית יוצאת דופן (כ -100 פעמים של נחושת), כוח מכני בערך 200 פעמים חזק יותר מאשר פלדה על ידי משקל, גמישות יוצאת דופן, ו מוליכות תרמית גבוהה להפוך את גרפן מועמד ראשוני עבור טכנולוגיות הדור הבא, במיוחד של ניטור שדה ניטור.

ניטור בריאותי סטרקטיטורי (SHM) הוא תהליך של כל הזמן או מעת לעת הערכה של מצב של תשתית אזרחית, מכנית ואווירה חללית.חיישנים מסורתיים כגון מדדי זנים, מדמטרים, ומכשירים אדזואלקטריים שירתו היטב במשך עשרות שנים, אבל הם סובלים לעתים קרובות רגישות מוגבלת, עמידות ירודה בסביבה קשה, ואינטגרציה מורכבת של חיישנים רבים, אשר נמצאים על ידי ביקוש נמוך, כמו גם חומרים איטיים, כמו גם על ידי ירידה מהירה של חומרים איטיים, כמו גם על ידי גרפים, כמו גם על ידי ירידה מהירה, כמו גם על ידי ירידה מהירה, כמו גם על ידי מגבלות מהירות נמוכה, כמו גם על ידי מגבלות מהירות גבוהה יותר, כמו גם על ידי ירידה מהירה, כמו גם על ידי ירידה מהירה, כמו גם על ידי ירידה מהירה של זמן קצר לחץ דם, כמו גם על ידי לחץ דם, כמו גם על ידי זמן קצר, כמו גם על ידי ירידה מהירה, כמו גם על ידי ירידה מהירה, כמו גם על ידי ירידה מהירה, כמו גם על ידי ירידה מהירה, כמו, כמו גם על ידי ירידה מהירה, על ידי לחץ דם, כמו, כמו, כמו, כמו, כמו, כמו, כמו, כמו גרפים, כמו גם על ידי ירידה מהירה, על ידי ירידה מהירה, כמו גרפים

מה הם חיישנים מבוססי Graphene?

חיישנים מבוססי Graphene ממנפים את המאפיינים החשמליים והמכניים הייחודיים של גרפן כדי להעביר שינויים פיזיים (כגון זן, לחץ, טמפרטורה או רטט) לתוך אותות חשמליים מדידה.המנגנון הבסיסי מבוסס על העובדה שאפילו עיוותים זעירים של הגרף לקטייה לשנות את המבנה האלקטרוני שלה, מה שגורם לשינוי משמעותי בהתנגדות חשמלית או כחילוץ.

ישנם מספר עיצובים משותפים:

  • (FLT:0 חיישנים מתחים משמעותיים:FLT:1 A גרפן סרט או דפוס מודפס מופקד על תת-קרקעי גמישה.כאשר תת-החלים מתוחים או דחוסים, שכבת הגרפן מתנוונים, משנה את ההתנגדות שלה באופן יחסי לזן החל.
  • (FLT:0) חיישנים קפטיביים: 1FLT:1 Graphene משמש כאחד אלקטרודות ב capacitor מקביל-plate.שינויים במרחק או דיאלקטרי של החומר שמסביב לשנות את הכניעה, המאפשר זיהוי של עיוות או לחות בתוקפנות.
  • (FLT:0) חיישנים פילוריסטיים: FLT:1 אפקט הגוזלת הטמאים הטמאים של גראפן (שינוי בהתנגדות חשמלית תחת לחץ מכני) מנוצל.
  • (FLT:0) חומרים טרנסיסטאור (FET) חיישנים:FLT:1 ערוץ גרפן בין מקור לניקוז אלקטרודות הוא ממונע על ידי מתח השער. Binding of Purposeמולקולות או שינויים במתח מכני משפיע על ההתנהגות, המאפשר זיהוי של כימיקלים (למשל, קורוזיה על ידי תוצרים) כמו גם עיוות פיזי.

Graphene יכול להיות מסונתז באמצעות פיזור כימי (CVD), הפחתת תחמוצת גרפן (rGO), או exfoliation מגרף.כל שיטה מציעה הפסקות סחר בין איכות, עלות וסקאלה. עבור ניטור מבני, דיוקים מבוססי rGO הם אטרקטיביים במיוחד כי הם יכולים להיות מודפסים על סרטים גמישים גדולים או על פני משטחים ישירות על פני השטח מבניים באמצעות הדפסה או מסך Ckjet.

יתרונות ב- Conventional Sensors

אימוץ חיישני הגרפן מונע על ידי מספר יתרונות שונים אשר מתייחסים ישירות למגבלות של טכנולוגיות SHM מסורתיות.

רגישות ללא מקבילים

חיישני זן Graphene מציגים גורמי מד (GF) מעל 100 בתצורה מסוימת, בהשוואה ל-2 עבור מדדי זנים של סייר מתכתי.זה אומר שהם יכולים לזהות שינויים בזנים קטנים כמו 0.01% או פחות, המאפשרים זיהוי מוקדם של מיקרו-קליפים, עייפות, ועיוות פלסטי לפני שהם הופכים קריטיים.

גמישות והתאמה

Graphene ניתן להפקיד על פולימרים גמישים מאוד (למשל, פולימאיד, PET, PDMS) ללא רגישות, בניגוד חיישנים מבוססי סיליקון מבוסס סיליקון.זה מאפשר חיישנים להיות עטוף סביב משטחים מעוקלים, מוטבעת במפרקים מעוקלים, או משולבים לתוך כתמים לבישים עבור ניטור חשיפה של אנשי צוות לרטטים.

יציבות והתנגדות סביבתית

Graphene הוא אינרציה כימית ועמיד בפני חמצון, לחות, וקרינת UV, מה שהופך אותו מתאים לטווח ארוך פריסה חיצונית. בעוד כמה חומרי חיישן מחלחלים תחת רכיבה רציפה או חשיפה למים מלוחים (למשל, סביבות ימיות), גרפן שומר על המאפיינים החשמליים שלו.בנוסף, ציפוי גרפן יכול לשרת תפקידים כפולים כמו חיישן ומכשול קורוזי מגן, על מבנה המתכת הבסיסית.

משקל קל ומינימום

מכיוון ששכבה גרפן היא דקה מבחינה אטומית, המסה שלה היא רשלנית.הוספת מערך של חיישני גרפן למבנה מטיל כמעט שום משקל נוסף או גרור אווירודינמיקה, שהוא קריטי עבור מבנים וגשרים, משקל מינימלי פירושו שרשת החיישן אינה משנה את ההתנהגות הדינמית של המבנה - דרישה מרכזית לניתוח מודולאלי מדויק.

פוטנציאל ייצור נמוך-Cost

ניתן לייצר סרטים גדולים של גרפן באמצעות קורות חיים רול-to-roll, ו- גרפן דיונים תואמים עם תהליכי הדפסה בנפח גבוה. קיבולת זו מבטיחה לנהוג למטה עלות לחישה, מה שהופך רשתות חיישן צפופה קיימא מבחינה כלכלית.

יישומים ב- Structural Integrity Monitoring

חיישני Graphene נחקרים, ובמקרים מסוימים הם מוצבים, על פני מגוון רחב של סוגי תשתיות. להלן אזורי יישום מרכזיים עם ההקשר הטכני מורחב.

גשר ועיבוד תשתיות אזרחיות

גשרים חשופים עומסי תנועה קבועים, רכיבה על אופניים תרמיים סביבתיים, רוח, ואירועים סיסמיים מדי פעם הם בדיקות חזותיות מסורתיות הם עומסי עבודה אינטנסיביים ורק לתפוס נזק גלוי. Graphene זנים מוטבעים בסיפון הגשר או המצורפים למפרקים קריטיים יכולים לספק מפות מתוחים בזמן אמת, אשר חושף ריכוזים דקים.לדוגמה, רשת של חיי גרפין מודפסים על גשרים מרכזיים של גשרים יכולים לזהות את השחיקה או ללקות של כלי רכב לטווח ארוך.

ניטור בריאותי של מערכת תעופה

במטוס, משקל הוא רב ערך.כל קילוגרם הציל להפחית את צריכת הדלק. Graphene חיישנים, במשקל שבריר של גרם, ניתן להיות מוטבע בתוך עורי ממזג מורכב במהלך הייצור.הם לפקח על נזק, דלמנט, ועייפות סדקים צמיחה סדקים פונקציונלית של בואינג סגסוגת משולבת לתוך השקע המורכב ללא הוספת חולשות מבניות תחת טעינה מחזורית הראו כי גרפן מזהה חיישנים בטווח הארוך ביותר כמו גרף הגנה גרף גדול יותר מאשר גרף חזק יותר מאשר גרף הגנה גרף חזק יותר מאשר גרף הגנה גרף.

מבנים ימיים ומחופים

Offshore פלטפורמות שמן, אוניות, טורבינות רוח לפעול בסביבות מלח קורוזי שבו כלורד מושרה הלחץ קורוזיה סדקים הוא מצב כישלון עיקרי. Graphene חיישנים, או כמו ציפוי או מוטבעת בשכבות צבע מגן, יכול לזהות קורוזיה incipient באמצעות שינויים ב capacitance או פוטנציאל אלקטרוכימי.

בנייה של Seismic Monitoring

לאחר רעידת אדמה, הערכה מהירה של שלמות הבנייה חיונית לפעילות הצלה ומניעת קריסות לאחר הושוק. Graphene accelerometers וחיישנים מותקנים קירות הרהר קריטי, עמודות, ומפרקים beam-column יכולים לספק נתונים בזמן אמת חיישנים מסגרת זמן גבוהה יותר מאפשר זיהוי של trede-ampudeds כי מוקדם בנייה נזק. כאשר משולב עם חיישנים אלחוטיים, לעומת זאת, 000 דיוק, גרף של אבטחה, לעומת זאת, לעומת זאת, תכונות אבטחה של 2D של אבטחה, אך ורק לאחר מכן, לעומת 3D ירידה מדויקת של בדיקות אבטחה, לעומת 3D-D.

תשתיות אנרגיה: קווי צינור ו Turbines

צינורות תחבורה שמן, גז או מים הם לעתים קרובות קבורים או במקומות מרוחקים, מה שהופך חיישנים בדיקה סדירה מחובר משטחים צינורות יכול לזהות מתח מתנועה אדמה, לחץ על גורד, או דקינג מושרה קורוזיה מושרה.הם רגישים גם לדלקת מימן צינורות פלדה המשמשים עבור תחבורה מימן, יישום גדל עבור אנרגיה נקייה.

אתגרים מול Graphene Sensor אימוץ

למרות ההבטחה, יש להתגבר על כמה מכשולים טכניים וכלכליים לפני שחיישנים גרפן הופכים לסטנדרט ב-SHM.

ייצור סקאביה ויציבות

הפחתת גרפן באיכות גבוהה, ללא פגם בקנה מידה נשאר קשה. גרף בגודל CVD על סיפונה נחושת הוא באיכות גבוהה אבל דורש העברה למצע substrates, אשר מציג קמטים וזיהום פוטנציאלי.הקטנת תחמוצת גרפן גרף (rGO) ניתן לייצר בכמויות גדולות, אבל תכונות החשמל שלה משתנות עם תנאים, המוביל חיישן-tosensor inconsconsconsconistency in cy-inated חיישנים.

שילוב עם מערכות ניטור קיימות

מערכות ניטור מבניות הנוכחיות מתוכננות לעתים קרובות סביב ממשקי חיישן מורשת (למשל, 4-20 mA לולאות, גשרים חיטה, או מתפצלי מתח) חיישנים Graphene, עם גורמי המד הגבוה שלהם צריכת חשמל נמוכה, עשויים לדרוש אלקטרוניקה מותאם אישית עבור מיזוג אותות.בנוסף, רשתות חיישן אלחוטי (WS) עם חיישנים גרפין חייב לטפל באספקת חשמל ולוח רוחב פס של נתונים.

יציבות וגמישות לטווח ארוך

הביצועים ארוכי הטווח של חיישני גרפן בסביבות העולם האמיתי עדיין בחקירה.שאלות נשארות על דבקות של סרטי גרפן כדי substrates תחת רכיבה תרמיים חוזרים על עצמם על חיישנים משובצים, העיוות ב coefficient של התרחבות תרמית בין גרפן לבין חומרים מבניים משותפים (steel, בטון) עלול לגרום לדיכאון במשך עשרות שנים.

עלויות וחזרות על השקעות

למרות עלויות חומרי גרפן גולמיות צנחו באופן משמעותי (מאלפי גרם לדולר לגרם עבור צורות אבקה), העלות הכוללת של המערכת - כולל מחיקה, אריזה, חיפוש, חומרה של רכישת נתונים ועבודה ההתקנה - עדיין עולה על זה של חיישנים קונבנציונליים עבור יישומים רבים.במקרה העסקי תלוי בערך הנוסף של גילוי מוקדם.

שיקולים סביבתיים ובריאות

הרעילות הפוטנציאלית של גליונות גרפן (במיוחד כאשר נשפים כחלקים חשמליים) היא דאגה לעובדים בייצור ובמהלך סוף החיים או באש. מחקרים מצביעים על כך שגליונות גרפן גדולים, בעלי נטייה גבוהה, עשויים לגרום ללחץ חמצון בתאי ריאות, אם כי הסיכון אינו מובן לחלוטין ומשתנה עם גודל, התאמה פני השטח, ותיקון בטוח של טיפול בפרוטוקולים מבניים ולפתח את החומרים המשתנים באופן מלא, אך ורק כדי להתמקד בחומרים של חומרים רגולטוריים.

אפשרויות לעתיד ודרכים מחקר

מחקר מתמשך נועד להתמודד עם אתגרים אלה תוך דחיפה נוספת של המעטפה של הביצועים.

חיישן היברידי ורב-תפקודי

שילוב גרפן עם ננו-חומרים אחרים (למשל, צינורות פחמן, molybdenum disulfide, פולימרים מוליכים) יכול להניב חיישנים להגיב גירויים מרובים בו-זמנית - אימון, טמפרטורה, לחות ו סוכנים כימיים. לדוגמה, גרפן-סילבר nanowire מורכב יכול לספק הן התנהגות גבוהה ושקיפות, המאפשר ניטור אופטי של סדקים לצד חיישנים חשמליים כגון חיישנים חד-גופיים יכול לספק נתונים משולבים.

מערכות מבוססות ו Wireless

קצירת אנרגיה היא אמצעי מפתח עבור רשתות חיישן אוטונומיות באמת. טריבואלקטריות ננו-מארגן (TENG) באמצעות אלקטרודות גרפן יכול להמיר תנודות מבניות לחשמל, פוטנציאל חיסול סוללות.חוקרים הוכיחו חיישן זן עצמי מופעל על ידי גרף עצמי שיוצר מתח מעיוות מכני ובו זמנית משתמש כי מתח כסימן - מניעת הצורך עבור מקור חשמל חיצוני בשילוב עם מערכת Bluetooth נמוכה או ל-Ratchers, יכול לשדר WAN עבור מערכות תחזוקה מרחוק אלה ללא מגבלות.

Machine Learning and Data Analytics

הרגישות הגבוהה של חיישני גרפן מייצרת נתונים מסיביים (למשל, זנים של זמן מתמשך באלפי נקודות) אלגוריתמי למידת מכונה מפותחים כדי לזהות באופן אוטומטי דפוסים מעידים על נזק, סיווג מצבי כישלונ (fatigue, קורוזיון, השפעה), וחיזוי חיים שימושיים לחלוטין.לדוגמה, רשת עצבית מהפכתית (CNN) על גבי זנים ממערך גרף גרף יכול לזהות סדקים באופן ישיר על ידי חיישן AI (מחשוב לא יכול להפחית באופן ישיר).

סטנדרט והסמכת

גופים תעשייתיים כגון האגודה האמריקאית לבדיקת לא הרסני (ASNT) ו-ISO מתחילים לפתח סטנדרטים עבור חיישנים מבוססי גרפן.מועצת גרפן והמכון הלאומי Graphene בבריטניה עובדים באופן פעיל על פרוטוקולים מטרולוגיים.לאחר שסטנדרטים מבוססים, קבלה רגולטורית עבור יישומים קריטיים בטיחותיים (למשל, תחנות כוח גרעיני, מבנים מרכזיים) ימשכו, פתיחת שווקים גדולים יותר.

מסקנה

חיישנים מבוססי Graphene מייצגים התקדמות משמעותית ניטור יושרה מבנית. הרגישות הקיצונית שלהם, גמישות, טבע קל משקל ופוטנציאל עבור איכות נמוכה כתובת ייצור של רבים של החסרונות של טכנולוגיות רגישות מסורתית. מגשרים ומבנים ועד מטוסים ופלטפורמות offshore, חיי גרף מציעים את ההבטחה של ניטור בריאות מתמשך, מוטבע שיכול לזהות נזק בשלבים המוקדמים ביותר שלה, למנוע כישלונות קטסטרופליים ו להאריך את חיי הנכסים.

עם זאת, הדרך לאימוץ נרחב סוללת עם אתגרים הנדסיים: ייצור עקבי, יציבות לטווח ארוך בתנאים קשים, עלות תחרותיות ושילוב חלקה עם מערכות קיימות.המשך מחקר בעיבוד חומרים, אריזה וניתוח נתונים הוא במהירות להתגבר על המכשולים האלה.מתקנים טייסים על תשתיות קריטיות כבר מספקים נתונים יקרי ערך, ואת המוצרים המסחריים הראשונים - חיישנים מתוחים ומעקבי קורוזיאורס - נכנסים לשוק.

ככל שהתשתית שלנו מזדמנת והדרישות לבטיחות, קיימות ויעילות תפעולית, התפקיד של חיישנים מתקדמים רק יגדל.גרפן, עם המאפיינים הייחודיים שלה, הוא נועד להפוך לחומר אבן הפינה לדור הבא של מערכות ניטור בריאות מבניות.שיתוף הפעולה בין מדענים חומריים, מהנדסים מבניים, ומדענים נתונים יקבעו כמה מהר הפוטנציאל הזה הוא מובן, אבל המסלול הוא ברור יותר, רזה, רגיש יותר כי הוא בנוי סביבה בטוחה.

(ב) לקריאה נוספת על המאפיינים החומריים של גרפן, ראה את ה-FLT:0 (Graphene CouncilcioFLT:1 ; פרטים טכניים על ייצור חיישן ניתן למצוא ב-FLT:2 המכון הלאומי של התקנים וטכנולוגיה (NIST)FLT:3 על פרסום גרף גרף: 7 מחקרים על יישומי גרפן בתשתיות, LT4 חומרים מדעיים: