Introduzione al Grafene nel monitoraggio strutturale

Dal suo isolamento nel 2004, il grafo ha catturato l'attenzione di scienziati e ingegneri di materiali in tutto il mondo. Questo singolo strato di atomi di carbonio, disposti in un reticolo esagonale, presenta una rara combinazione di proprietà: notevole conducibilità elettrica (circa 100 volte quella del rame), resistenza meccanica circa 200 volte più forte dell'acciaio per peso, flessibilità eccezionale e elevata conducibilità termica.

Il monitoraggio della salute strutturale (SHM) è il processo di valutazione continua o periodica delle condizioni di infrastrutture civili, meccaniche e aerospaziali. I sensori tradizionali come gli estensimetri, gli accelerometri e i dispositivi piezoelettrici hanno servito bene per decenni, ma spesso soffrono di sensibilità limitata, scarsa durata negli ambienti difficili e integrazione ingombrante.

Quali sono i sensori basati su Graphene?

I sensori basati su Graphene sfruttano le proprietà elettriche e meccaniche uniche del grafo per tradurre i cambiamenti fisici (come tensione, pressione, temperatura o vibrazione) in segnali elettrici misurabili. Il meccanismo fondamentale si basa sul fatto che anche piccole deformazioni del reticolo grafino alterano la struttura della banda elettronica, causando un cambiamento misurabile della resistenza elettrica o della capacità.

Ci sono diversi disegni comuni:

  • Sensori di tensione resistivi:[ Un film in grafine o un modello stampato viene depositato su un substrato flessibile. Quando il substrato viene allungato o compresso, lo strato di grafine si deforma, cambiando la sua resistenza proporzionalmente alla tensione applicata.
  • Sensori capacitivi:[] Il Grafene è usato come uno degli elettrodi in un condensatore a piastre parallele. Le variazioni delle proprietà dielettriche o di distanza del materiale circostante alterano la capacità, permettendo il rilevamento di deformazione o di infiltrazione dell'umidità.
  • I sensori pioresitivi:[] L’effetto piezoresitivo intrinseco del Graphene (cambiamento della resistenza elettrica sotto stress meccanico) è sfruttato e questi sensori possono essere incorporati in compositi strutturali per monitorare gli stress interni.
  • I sensori transistor a effetto liquido (FET):[ Un canale di grafine tra elettrodi di sorgente e di scarico è modulato da una tensione di cancello. La limitazione delle molecole di destinazione o dei cambiamenti di tensione meccanica influiscono sulla conducibilità, consentendo il rilevamento di sostanze chimiche (ad esempio, sottoprodotti di corrosione) e la deformazione fisica.

Il Grafene può essere sintetizzato attraverso la deposizione chimica del vapore (CVD), la riduzione dell'ossido di grafine (rGO), o l'esfoliazione dalla grafite. Ogni metodo offre scambi tra qualità, costo e scalabilità.Per il monitoraggio strutturale, gli inchiostri basati su rGO sono particolarmente attraenti perché possono essere stampati su film flessibili di grandi dimensioni o direttamente su superfici strutturali utilizzando inkjet o serigrafia.

Vantaggi sui sensori convenzionali

L'adozione di sensori di grafite è guidata da diversi vantaggi distinti che affrontano direttamente i limiti delle tecnologie SHM tradizionali.

Sensibilità senza pari

I sensori di ceppo di Graphene presentano fattori di misura (GF) superiori a 100 in alcune configurazioni, rispetto a circa 2 per i misuratori di ceppo metallico. Ciò significa che possono rilevare cambiamenti di tensione di dimensioni ridotte dello 0,01% o inferiore, consentendo un rilevamento precoce di microcracks, fatica e deformazione plastica prima di diventare critici.

Flessibilità eccezionale e conformità

Il granulo può essere depositato su polimeri altamente flessibili (ad esempio, poliimide, PET, PDMS) senza perdere sensibilità, a differenza dei sensori a base di silicio fragili. Questo permette di avvolgere i sensori intorno a superfici curve, incorporati in compositi curvi, o integrati in macchie indossabili per il monitoraggio dell'esposizione al personale alle vibrazioni. La flessibilità meccanica significa anche che il sensore può sopravvivere a grandi deformazioni che potrebbero fratturare ceramiche convenzionali.

Durata e resistenza ambientale

Il gesso è chimicamente inerte e resistente all'ossidazione, all'umidità e alle radiazioni UV, rendendolo adatto per l'implementazione esterna a lungo termine. Mentre alcuni materiali del sensore si degradano sotto il ciclismo continuo o l'esposizione alle acque salate (ad esempio, ambienti marini), il grafone mantiene le sue proprietà elettriche. Inoltre, i rivestimenti del grafo possono servire a doppio ruolo sia come un sensore che una barriera alla corrosione, proteggendo la struttura metallica sottostante.

Leggero e carico minimo

Poiché uno strato di grafine è atomicamente sottile, la sua massa è trascurabile. L'aggiunta di una serie di sensori di grafine a una struttura non impone praticamente alcun peso extra o trascinamento aerodinamico, che è fondamentale per le applicazioni aerospaziale. Per gli edifici e i ponti, il peso minimo significa che la rete del sensore non altera il comportamento dinamico della struttura, un requisito fondamentale per l'analisi modale accurata.

Potenziale per la produzione a basso costo

I film in grafine di grandi dimensioni possono essere prodotti tramite CVD rotolo-rotolo e gli inchiostri in grafine sono compatibili con processi di stampa ad alto volume. Questa scalabilità promette di abbassare i costi per sensori, rendendo le reti dense di sensori economicamente realizzabili.

Applicazioni nel monitoraggio dell'integrità strutturale

I sensori di Graphene vengono esplorati e in alcuni casi implementati, attraverso una vasta gamma di tipi di infrastrutture, sono i settori chiave di applicazione con un contesto tecnico ampliato.

Monitoraggio delle infrastrutture civili e ponti

I ponti sono sottoposti a carichi costanti di traffico, a cicli termici ambientali, a vento e a eventi sismici occasionali. I controlli visivi tradizionali sono intensivi e catturano solo danni visibili. I sensori di ceppo di Graphene incorporati nei ponti di ponte o attaccati a giunti critici possono fornire mappe di ceppo in tempo reale che rivelano concentrazioni di stress insolite.

Monitoraggio della salute strutturale

I sensori di Graphene, pesando le frazioni di un grammo, possono essere incorporati all'interno di pelli di fusoliera composita durante la fabbricazione. Essi monitorano per danni agli urti, la delaminazione e la crescita della fessura. I sensori possono essere integrati nel piano composito senza aggiungere debolezze strutturali.

Strutture marine e offshore

Le piattaforme petrolifere offshore, le navi e le turbine eoliche operano in ambienti corrosivi in cui la corrosione indotta da cloruro è una modalità di guasto primario. I sensori di Grafene, sia come rivestimenti o incorporati in strati di vernice protettiva, possono rilevare la corrosione incipiente attraverso cambiamenti di capacità o potenziale elettrochimico.

Monitoraggio sismico dell'edificio

Dopo un terremoto, la rapida valutazione dell'integrità degli edifici è vitale per le operazioni di salvataggio e la prevenzione dei collassi di aftershock. Gli accelerometri e i sensori di tensione del Graphene installati in pareti di taglio critiche, colonne e giunti di raggi-colo possono fornire dati di vibrazione in tempo reale. L'elevata sensibilità consente di rilevare i tremori di bassa resistenza registrati che precedono i danni da costruzione.

Infrastrutture energetiche: Pipeline e turbine

I sensori di granulometria legati alle superfici di tubazione possono rilevare la tensione dal movimento del suolo, dalle sovratensioni della pressione o dalla diradatura indotta dalla corrosione. Sono anche sensibili alla permeazione dell’idrogeno nei tubi di acciaio utilizzati per il trasporto dell’idrogeno, una crescente applicazione per l’energia pulita.

Sfide che affrontano l'adozione del sensore di Graphene

Nonostante la promessa, diversi ostacoli tecnici ed economici devono essere superati prima che i sensori di grafite diventino standard in SHM.

Scalabilità e coerenza del processo produttivo

La produzione di grafite di alta qualità, senza difetti, è difficile. Il grafo di CVD-grown sulla stagnola di rame è di alta qualità, ma richiede il trasferimento a substrati di destinazione, che introduce rughe e potenziali contaminazioni. L'ossido di grafine ridotto (rGO) può essere prodotto in grandi quantità, ma le sue proprietà elettriche variano con condizioni di riduzione, portando a incongruenza sensori-unità.

Integrazione con i sistemi di monitoraggio esistenti

I sistemi di monitoraggio strutturale attuali sono spesso progettati intorno alle interfacce dei sensori legacy (ad esempio, loop da 4-20 mA, ponti Wheatstone o divisori di tensione). I sensori di Graphene, con i loro fattori di alto calibro e basso consumo di energia, possono richiedere l'elettronica personalizzata per il condizionamento del segnale. Inoltre, le reti dei sensori wireless (WSN) con sensori di grafine devono affrontare l'alimentazione elettrica e la larghezza di banda di trasmissione dei dati.

Stabilità e affidabilità a lungo termine

Le domande rimangono circa l'adesione di film di grafite a substrati sotto il ciclo termico ripetuto e l'umidità. Per i sensori incorporati, il malessere nel coefficiente di espansione termica tra grafo e materiali strutturali comuni (acciaio, cemento atomico) può causare la delaminazione nel corso di decenni.

Costo e ritorno sull'investimento

Sebbene i costi di materiale grezzo del grafo siano diminuiti significativamente (da migliaia al grammo a meno di un dollaro per grammo per forme di polvere), il costo totale del sistema, compreso deposizione, imballaggio, cablaggio, hardware di acquisizione dati e lavoro di installazione, può ancora superare quello dei sensori convenzionali per molte applicazioni.

Considerazioni ambientali e sanitarie

La potenziale tossicità dei fogli di grafite (in particolare quando inalati come particolati per via aerea) è una preoccupazione per i lavoratori di produzione e durante lo smaltimento o il fuoco per la fine della vita. Gli studi indicano che i fogli di grafine di grandi dimensioni e ben dispersi possono indurre lo stress ossidativo nelle cellule polmonari, anche se il rischio non è completamente compreso e varia con dimensioni, la funzionalità superficiale e l'aggregazione dei sensori.

Prospettive e direzioni di ricerca

La ricerca in corso mira a affrontare queste sfide spingendo ulteriormente la busta di performance.

Sensori ibridi e multifunzionali

Combinando il grafone con altri nanomateriali (ad esempio, nanotubi di carbonio, disolfuro di molibdeno, polimeri conduttivi) può produrre sensori che rispondono a più stimoli simultaneamente—straina, temperatura, umidità e agenti chimici. Ad esempio, un composito di nanofilia di grafine-argento può fornire sia alta conducibilità che trasparenza, consentendo il monitoraggio ottico delle superfici di crepa insieme al rilevamento elettrico.

Sistemi auto-riforniti e wireless

I nanogeneratori triboelettrici (TENGs) che utilizzano elettrodi di grafine possono convertire le vibrazioni strutturali in energia elettrica, potenzialmente eliminando le batterie. I ricercatori hanno dimostrato un sensore di tensione in grafo autoalimentato che genera una tensione dalla deformazione meccanica e utilizza simultaneamente quella tensione come segnale di tensione, eliminando la necessità di una sorgente di energia esterna.

Apprendimento della macchina e analisi dei dati

L'elevata sensibilità dei sensori di grafite genera set di dati di massa (ad esempio, tensione continua di serie di tempo a migliaia di punti). Gli algoritmi di apprendimento automatico sono in fase di sviluppo per rilevare automaticamente i modelli indicativi di danni, classificare i modi di guasto (fatigue, corrosione, impatto), e prevedere la vita utile rimanente. Ad esempio, una rete neurale convoluzionale (CNN) addestrata sulle mappe di tensione dai array di sensori di grafici può identificare posizioni con lacrifica con i dati con il calcolo con la riduzione dei dati con il millimetri.

Standardizzazione e certificazione

Gli organismi di settore come la American Society for Non-destructive Testing (ASNT) e l'ISO stanno iniziando a sviluppare standard per i sensori basati su grafine. Il Consiglio di Graphene e l'Istituto Nazionale di Graphene nel Regno Unito stanno lavorando attivamente sui protocolli di metrologia. Una volta stabiliti gli standard, l'accettazione normativa per applicazioni critiche alla sicurezza (ad esempio, centrali nucleari, strutture primarie aerospaziali) seguiranno, sbloccando i mercati più grandi.

Conclusioni

I sensori basati su Graphene rappresentano un significativo progresso nel monitoraggio dell'integrità strutturale, la loro estrema sensibilità, flessibilità, natura leggera e potenziale per la produzione a basso costo affrontano molte delle carenze delle tecnologie tradizionali di rilevamento. Dai ponti e edifici alle piattaforme aeree e offshore, i sensori di grafine offrono la promessa di un monitoraggio continuo e integrato della salute che può rilevare danni alle prime fasi, impedendo guasti catastrofici e prolungando la vita degli asset.

La ricerca continua nel trattamento dei materiali, nell'imballaggio e nell'analisi dei dati sta rapidamente superando questi ostacoli. Le installazioni pilota sulle infrastrutture critiche stanno già fornendo dati di campo preziosi e i primi prodotti commerciali – sensori di tensione stampati e monitor di corrosione – stanno entrando nel mercato.

Graphene, con le sue proprietà uniche, è pronta a diventare un materiale di base per la prossima generazione di sistemi di monitoraggio della salute strutturale. La collaborazione tra scienziati materiali, ingegneri strutturali e scienziati di dati determinerà quanto velocemente questo potenziale è realizzato, ma la traiettoria è chiara: sensori più intelligenti, più sottili e più sensibili che mantengono il nostro ambiente costruito.

Per ulteriori informazioni sulle proprietà materiali del grafo, vedere il Graphene Council]. I dettagli tecnici sulla fabbricazione dei sensori possono essere trovati nella Istituto nazionale di standard e tecnologia (NIST) pubblicazione sulla metrologia dei grafi.