תרומתו של גראפן לפיתוח של חומרים בעלי משקל עצמי בהנדסה אזרחית

מבוא: עידן חדש לתשתית זמן רב

הסביבה הבנויה יוצרת את עמוד השדרה של החברה המודרנית, אך היא מתמודדת עם איום מתמשך: סדקים חומריים ב בטון, עייפות פלדה, ומדכאות בתרכובות מצטברות לאורך זמן, מה שמוביל לתיקומי יקר, ובמקרים הגרועים ביותר, כשלים קטסטרופליים, הנדסה אזרחית ביקשה דרכים ארוכות להפוך מבנים עצמם-repairing, לחקות מערכות ביולוגיים שמרפאים פצעים אוטונומיים, אחד-אטומיים של טכנולוגיות אוטונומיות, ומאפשרים של פחמן-עצמיות, כמו גם חומרים מכניים, חומרים מכניים, חומרים מכניים, כגון חומרים מכניים, חומרים מכניים, נהיגה, חומרים מכניים, וכימיקליים, תוך כדי למנוע, חומרים מכניים, תוך כדי למנוע חומרים כימיים, תוך כדי למנוע חומרים כימיים, ואופנועים-עצמיים, ואופנועים, ומניעים, כדי למנוע את ההשפעות של חומר נפץ-עצמיות-עצמיות-עצמיות-עצמיות-עצמיות-עצמיות-עצמיות-עצמיות-אווירה, כדי למנוע, כדי למנוע, כדי למנוע, כדי למנוע, כדי למנוע, כדי למנוע, כדי למנוע, לפתח חומרים כימיים-אווירה, כדי למנוע, לפתח חומרים כימיים-אווירה, כדי למנוע את החומרים מכניים-עצמיות-עצמיות-עצמי

הבנת חומרים עצמיים ב Depth

חומרי השמדה עצמית נועדו לזהות נזק וליזום תהליך תיקון ללא התערבות חיצונית. בהקשרים הנדסיים אזרחיים, מצבי הנזק הנפוצים ביותר הם מיקרו-קracks ושברים גדולים יותר הנגרמים על ידי טעינה מכנית, לחץ תרמי, או התקפה כימית.גישות תיקון מסורתיות כרוכות בבדיקה ידנית, תיקון וחותמת - עבודה שהיא כוח עבודה-רגיש, משבשת לתנועה או דיקור, ולעתים קרובות רק פתרון זמני לתפקוד עצמי.

מערכות הפעלה עצמית אקטיבית

מושגים עצמיים בדרך כלל נופלים לשתי קטגוריות: פסיבי (אוטונומי) ופעיל (לא-אוטונומי) מערכות פסיביות מוליכים סוכנים ריפוי (נוזלים מבודדים, סיבים חלולים, או רשתות מיקרו-וסקולריות) שמפוזרים על היווצרות סדק ושחרור חתימות, דבקים או מגיבים.מערכות Activeware מסתמכות על גירויים חיצוניים כגון חום, אור, או חשמל לסימנים גלקטיים לאפקטים של תפקוד כימי, כגון תכונות הפעלה.

למה חשוב לטיפוח עצמי לתשתיות

נכסים של תשתיות צפויים לשרת עשרות שנים, לפעמים מעל מאה שנים, עם תחזוקה מינימלית.העלות של תיקון גשרים, כבישים ובניינים ברחבי העולם זורמים למאות מיליארדי דולרים מדי שנה.חומרים של השמדה עצמית יכולים להפחית את ההוצאות הללו באופן משמעותי, להאריך את חיי השירות ולשפר את הבטיחות על ידי מניעת פגמים קטנים מלהיות כישלונות גדולים.

תכונותיו הייחודיות של גראפן, שגורמות להגשמה עצמית

Graphene אינו רק ממלאת ממושכות; השילוב שלה של מאפיינים מכניים, כימיים ואלקטרוניים פותח מסלולים חדשים לחלוטין עבור עצמי.

כוח מכני יוצא דופן וגמישות

עם כוח רבייה בערך 200 פעמים של פלדה ומודולוס אלסטי של 1 TPa, גרפן יכול לגשר על סדקים ננומטריים להפיץ מחדש לחץ.הגמישות שלו - יכולת של התכה ללא הפסקה - מאפשר לו להתאים את העיוות תוך שמירה על רשתות זיהום חשמליות. כאשר מוטבע במריצה מהירה כמו בטון, גליונות גרפין לפעול כמו סדקים, deecting או bifuring זה יכול למנוע מנגנונים מכניים רבים.

שטח פני השטח גבוה ותגובה כימית

כל גרם של גרפן יש שטח משטח תיאורטי של 2630 m2, מתן אתרים בשפע עבור פונקציונליזציה. Graphene תחמוצת (GO) ולהפחית תחמוצת גרפן (rGO) הם שימושיים במיוחד: הם נושאים קבוצות המכילות חמצן (hydroxyl, epoxy, carboxyl) שיכולה לקשור סוכנים, זרזים, או מוצרי ניקוי מלט.זה מאפשר גרף לשמש כמו פלטפורמת תיקון של חומרים פחמן או תיקון כגון חומר נפץ.

חשמל ותפקודי

מוליכות חשמלית של Graphene (עד 108 S / m) ו מוליכות תרמית (~5000 W / mK) מאפשרת מנגנוני ריפוי פעילים.כאשר משולבים בפולימרים או ציפויים, רשת גרפן יכולה לנהל זרם או חום על הביקוש. דחף חשמלי יכול לגרום חימום Joule, אשר מפעיל אג"ח קוהנסיבי (למשל, דיאלס אלדר תגובות) או יכולת תגובה אמפירית זו מאפשרת לשחזר.

מכניזם של Graphene-Assisted Self-Healing in Civil Engineering Materials

החוקרים פיתחו מספר מסלולים נפרדים דרכם גרפן תורם להגשמה עצמית, כל אחד מתאים למערכות חומריות שונות.

סליחות ו- Controlled

בגישה זו, סוכני ריפוי (למשל, epoxys, פתרונות אלקלי או חיידקים spores) הם מלוכדים בתוך microcapsules או סיבים חלולים, וגרף משולב לתוך מעטפת קפסולה או מאטריקס (Damtatrix) כאשר מיקרו-חזור, הוא קרע את הקפסולות, שחרור הסוכן.

קטליטיקליום פחם טרום-תיירות בקונפלקט

באופן טבעי עובר ריפוי אוטומטי - מחלחל סדקים עם סידן פחמן (CaCO3) מן ההייבאה המתמשכת - אבל התהליך מוגבל לסדקים צרים (<0.2 מ"מ) Graphene oxide מקדם תגובה זו על ידי מתן אתרי ניקוי עבור CaCO3 קריסטלים.הקבוצות פונקציונליות בשפע על משיכת סידן ופחמי פחמן רחב יותר מן הסביבה, aelccerating זה, כלומר, כלומר, כלומר, 000 משטחים, כלומר, 000 מ"מ"ל, כלומר, כלומר, יותר מאשר תאים מרפאים).

קוהורנטי ו- Supramolecular Bonding בפולימרים

(ב) השימוש בפולימרים בבנייה (למשל, epoxy adhesives, חותמות, ציפויים מגן) ניתן לנסח עם אג"ח דינמיים אשר פורצים תחת לחץ ורפורמה כאשר הלחץ הוסר. Graphene משרת מספר תפקידים: זה מחזק את מחזורי הפטרייה פולימרית, מספק מוליכות להפעלת תרמי, וניתן לתפקוד עם קבוצות דינמיות (למשל, LTimal- Digene) , כאשר הם גורמים מרפאים (prephericial) מטבוליזם (D) מריצים את העלולים להוסיף גרף: גרף: גרף: גרף של גרף: גרף: גרף: גרף של גרף: גרף: גרף: גרף: גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף של גרף: גרף: מטבוליזם של גרף: גרף של גרף של טיפול תרופתי (pen) הוא גרף של טיפול תרופתי (prepherfrepherfertonFerligicial) הוא טיפול תרופתי (pen) הוא מטבוליזם (pen) הוא מטבוליזם של טיפול תרופתי) הוא מטבוליזם של טיפול תרופתי (pen) הוא

אלקטרוותרמאל ותצלום- Thermal Activation

ספיגת האור החזקה של Graphene ו מוליכות חשמלית מאפשרת ריפוי להיות מופעל על ידי אור השמש או חשמל נמוך מתח נמוך. in asphalt סולמות, ממריצים פולימרים מפוצצים יכול לספוג קרינה סולארית, לחמם את החומר, וסדקים קרובים באמצעות הרחבה תרמית או שינוי צורה התאוששות. בדומה, בציפוי חכמים, ננופי מתח יישומי כדי להגר לעבר סדקים ומזג, לשחזר תכונות חשמליות במיוחד עבור מערכות ניטור חשמליות.

ריפוי רפואי-Mediated Healing

טכניקה מתפתחת משלבת גרפן עם חיידקים כי precipitate סידן פחמן. Spores של FPLT:0 (BacilluscioFLT:1 מינים הם מלוטשים בפגזים מגן עשויים (או המכילים) גרפן, מעורבב לתוך בטון.כאשר סדקים טופס, נכנס מים, הפעלת החיידק, אשר לאחר מכן מטבול מקור סידן לייצר CaCO3 גרף זה.

יישומים של Graphene-Enhanced Self-Healing Materials in Civil Engineering

כמה אזורי יישום הם נחקרים באופן פעיל, ובמקרים מסוימים, נבדק שדה.

הרתעה עצמית

(הופנה מהדף Concrete הוא חומר הבנייה הנפוץ ביותר, אך הוא נוטה לפצח. Graphene מבוסס admixtures - באופן חד-משמעי GO או rGO במינון של 0.01–0.1% על ידי משקל מלט - כוח דחוס על ידי 30–50% וחוזק גמיש על ידי 40- 60 אחוזים, תוך מתן מחסנים אוטונומיים הראו כי רמת מים LTIUMF מופחתת באופן ספציפי ל-2, כלומר, כאשר היא בעלת כוח מגשר 1F2, באופן ספציפי, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 קיבולת ניקוי יעיל, 000, 000, 000, 000.

Graphene-Infused Polymer Composites for Structural תיקונים

תרכובות מבוססות פוליאורטן משמשים לתיקון בטון פגוע, עץ, פלדה חברים. על ידי שילוב גרפן ננופלטונים (GNPs) או GO, חומרי תיקון אלה מקבלים יכולת הפחתת העצמי באמצעות אג"ח ניתוק או encapsulated כורסאציה. A ניסוח טיפוסי משתמש 0.5–2% גרפן, אשר גם משפר מתחזים, קשיחות, התנגדות, וכדורים כאלה משמשים כמו צינורות חיצוניים.

פודקאסטים חכמים להגנת קורוזיה

(ב) תשתיות פלדה - גשרים, צינורות, פלטפורמות offshore - באופן ישיר על ציפויים מגן כדי למנוע קורוזיה.ציפוי מבוסס Graphene מציעים הגנה מחסום ושמירה עצמית, כאשר שריטות פלדה תת-קרקעית, גרפן יוזם תגובה ריפוי: או על ידי שחרור מעכבי קורוזיה ממולה גרף, או על ידי ביצוע הגנה קטודיבית לצורה קצרה של 3F2Frant;

אספלט פנדל

כבישים אספלט לפתח סדקים עקב עומסי אופניים תרמיים ועלויות תנועה.הוספת גרפן לקשורים אספראלט משפר את שטף ההתנגדות ואת חיי העייפות, תוך מתן אפשרות לעקביות עצמית באמצעות חימום אינדוקציה או ספיגה מיקרוגל.ההתנהגות תרמית גבוהה של Graphene ונכסים דיאלקטריים מאפשרים חימום מהיר כאשר נחשפים לשדה אלקטרומגנטי, העלאת הטמפרטורה של asphalt וגורם לקשור לדלקת ימים, אשר פותחים על ידי מחסומים של כמה שעות ריפוי.

3D-Printed and Precast Elements

ייצור אדקטי בבנייה (3D הדפסה של בטון) יוצר הזדמנויות ייחודיות עבור תרכובות גרפין עצמיות. במהלך הדפסה, גרפן יכול להיות מופקד אסטרטגית בשכבות אשר מאוחר יותר יפעל כמו מאגרים ריפוי. מוצרי קונקרטיים Precast - כגון צינורות, Sleepers, ופאנלים - יכול לשלב גרף-enhanced עצמי-heanced עצמי-heanced עצמי-heal Remixtures מחוץ לאתר, הבטחת איכות ונוחות של שדה פריסהטווח.

יתרונות ואתגרים של מערכות ההפניה עצמית מבוססות Graphene

יתרונות מפתח

• (FLT:0) ,Extended Structure Lifespan:FreaLT:1) ,הההעברה עצמית יכולה להפחית את שיעורי הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הפחתת הצורך בתיקוןים גדולים ולהאריך את חיי השירות ב-30–50%.
• עלויות תחזוקה:0 (FLT:1 ; 1 , פחות פיקוח ותיקון ידני תרגם חיסכון כספי ישיר לבעלי תשתיות ומשלמי המסים.
• (ב) ,0) שיפור הבטיחות והאמינות: ריפוי אוטונומי של פצקים קריטי מונע כשלים פתאומיים, במיוחד בגשרים גבוהים ובבניינים גבוהים.
• (FLT:0) קיימות סביבתית:FLT:1 ,הפחתת הצורך בחומרים חדשים ותיקון פעולות חותך פליטות פחמן; בטון עצמי יכול גם להפחית את צריכת הבטון על ידי מתן סעיפים דקים.
• (FLT:0) פונקציונליות: FLT:1 Graphene לא רק מאפשר ריפוי, אלא גם משפר כוח, עמידות, ו (במקרים מסוימים) יכולות לחישה, מתן פלטפורמה חכמה תשתית.

אתגרים ודרכים מחקר

עלויות הייצור הגבוהות של Graphene

למרות ירידות המחירים, גרפן באיכות גבוהה (במיוחד יחיד-שכבות GO ו prise גרפן פריזטין) נשאר יקר בהשוואה לתוספים בנייה קונבנציונליים. שיטות ייצור בולק כמו exfoliation נוזלי-phase ו deposition כימי משתפרים, אבל העלות לקילוגרם עדיין נעה בין 50 ל 500 $ עבור מוצר כיתה הצרכנים.

דיספרסיון אחיד ב Matrices

Graphene נוטה agglomerate בשל כוחות ואן דר Waals, במערכות מלטיטות, מגיב עם סידן ions כדי ליצור אשכולות גדולים אשר להפחית את היעילות. achieving אחיד פיזור דורש פונקציונליזציה פני השטח, ניתוח, או שילוב גבוה של כיס, כל אלה מוסיפים שלבים עיבוד. Onמתמשכים מחקר חוקרת גלישה, פיזורים של החלפת חלקיקים על גבי גרפים ופתרונות בנייה יבשים עבור מצבי בנייה יבשים.

סקלאלה וביצועים ארוכי טווח

רוב המחקרים נערכים בקנה מידה מעבדה; מעבר לייצור תעשייתי של גרף עצמי-concrete או גרפן-פוימר מורכב דורש שליטה איכותית חזקה.שאלות נשארות על עמידות ארוכת טווח: האם יכולת הריפוי תידרדר לאחר שנים רבות של חשיפה סביבתית (UV, לחות, הפסקת אש) יגרמו חלקיקים לגרור או חמצון לאורך זמן?

רפורמות ותקנות הידרדרו

בניית קודים וסטנדרטים עבור חומרים חדשים הם קפדניים.ביצועים עצמיים חייבים להיות מוגדרים, שיטות בדיקה סטנדרטיות ואמינות ארוכת טווח מוכחת לפני חומרים מבוססי גרפן ניתן להגדיר בפרויקטים גדולים.ארגונים כמו ASTM ו- ISO מפתחים פרוטוקולים לחומרים של השמה עצמית, אך אימוץ הוא איטי.

תחזית לעתיד: Graphene and אוטונומית

העשור הבא צפוי לראות חומרים של גרף-enanced עצמי מעבר מטייסי מחקר להנישה מוצרים מסחריים ובסופו של דבר אימוץ הזרם המרכזי.נהגי מפתח כוללים התקדמות בייצור גרפן (סינתזה בלתי ניתנת לעצירה מביומסה, exfoliation אלקטרו-כימי) אשר מפחיתות את העלות ואת טביעת הרגל הסביבתית עם ניטור בריאות מבני - תוך שימוש בתכונות ה ⁇ של גרפן לזהות ולייצר נזק ממשי - באמת, ויוצרים, יתאים את עצמם, אבחון, ואבחון של תפקודן.

(המערכות ההיברידיות המשלבות גרפן עם ננו-חומרים אחרים (נופי פחמן, ננוקולוז) או עם חיידקים דוחקים את הגבולות של רוחב סדקים ומהירות.FLT:0reaFLT:1Recent WorkFOVA:2oriph:2reaFLT 3: הוכיח בטון עצמי משחזר 90% מהחוזק המקורי לאחר סדקים חוזרים על עצמם, כמו טכנולוגיות בוגרות, אנו יכולים לצפות נזקי לילה, לאחר גרפים, באופן אוטומטי, לאחר גרפים מופעלים, לאחר גרפים, באופן אוטומטי, לאחר תיקונים מהירים יותר, ושינויים מהירים יותר, לאחר גרפים, לאחר גרפים מופעלים של חום, לאחר גרפים מופעלים, לאחר גרפים מופעלים, לאחר גרפים מופעלים, לאחר גרפים מופעלים, לאחר גרפים מופעלים באופן אוטומטי, לאחר גרפים מופעלים מחדש של גרפים מופעלים מחדש של חום פתאומיים, לאחר גרפים.

מסקנה

Graphene הוא להוכיח להיות מרכיב קריטי בפיתוח של חומרים הפחתת העצמי עבור הנדסה אזרחית. שילוב בלתי מנוצח של כוח, שטח פני השטח, מוליכות, וגמישות כימית מאפשר מנגנונים ריפוי מרובים - ממשקעים קטליטיים בטון כדי לנתק את הקשר בפולימרים - שלא היו מעשי עם תוספים מוקדמים יותר.