Giriş: Uzun süredir uzun süredir altyapı için yeni bir dönem

Yapılı çevre modern toplumun arka kemiğini oluşturur, ancak kalıcı bir tehditle karşı karşıya kalır: betondaki malzeme bozulması ve kompozitlerde yorgunluk, zamanından fazla zaman içinde, pahalı onarımlar ve en kötü durumlarda, felaket başarısızlıklar. İnşaat mühendisliği, pratik kendini iyileştirme malzemeleri için arayışı içinde uzun bir yol bulmuştur, gelecekteki bu kimyasal maddelerde kendini iyileştirmenin nasıl bir parçası olan biyolojik sistemler, olağanüstü mekanik, elektrik ve kimyasal özellikleri olan bir blokaj.

Derinlik içinde Kendini Keşfettme Malzemeleri Anlamak

Kendi kendine özgü malzemeler hasar tespit etmek ve dış müdahale olmadan bir onarım süreci başlatmak için tasarlanmıştır. Sivil mühendislik bağlamda, en yaygın hasar modları mekanik yükleme, termal stres veya kimyasal saldırıya neden olan mikro ölçekli çatlakları geri yüklemek için mikro ölçekli olarak ele almak için mikro-işmanlık, trafik veya paktlık için yıkıcı ve genellikle sadece geçici bir düzeltme sistemleri hedeflenir.

Pasif vs. Active Self-Healing Systems

Kendi kendine özgü kavramlar genellikle iki kategoriye girer: pasif (otonomik) ve aktif (otonomik olmayan) Pasif sistemler şifa ajanları (önemli tahviller, boşluklar veya mikrovasküler ağlar) ve stratejik yaklaşımlarda (örneğin, taşıyıcılar, yapıştırıcılar veya tepki verenler için, elektrot reaksiyonları veya elektrik sinyalleri gibi dış uyaranlar için, ışık veya elektrik sinyallerin geri dönüşümlü bağlar veya form-memory etkiler. Graphene'un özellikleri her iki yönde değerlidir - iyileştirici yaklaşımlar için değerlidir - iyileştirici ajanlar için bir katalizör olarak, kimyasal reaksiyon veya elektrotoksit reaksiyonları için bir katalizör olarak kullanılır.

Neden Kendin Altyapısı İçin Maddeler

Altyapı varlıkları onlarca yıl boyunca hizmet etmek, bazen bir yüzyılda, minimum bakım ile bekleniyor.Dünya çapında köprüler, yollar ve binalar yıllık olarak yüzlerce milyarlarca dolara hizmet vermektedir. Self-healing malzemeleri bu masrafları önemli ölçüde azaltabiliyor, hizmet hayatı genişleterek ve büyük başarısızlıklardan küçük kusurları önlemek için güvenlik geliştirmek.

Graphene'nin Kendi kendine özgü özellikleri

Graphene sadece bir yeniden yükleme değildir; mekanik, kimyasal ve elektronik özellikleri tamamen yeni yollar kendi kendini terk eder.

Mekanik Kuvvet ve Flexability

Bir çekme gücü ile yaklaşık 200 kez 1 TPa'nın elastik bir modulusu, grafikten nano ölçekli çatlakları köprüleyebilir ve çatlakları yeniden dağıtabilir. Bu mekanik sertleştirici birçok kendini bölmek için ön şartsız - iyileşmeden önce felaket hataları korumak için.

Yüksek Yüzey Bölgesi ve Kimyasal Reaktivite

Her grafiken gramı 2630 m2 teorik bir yüzey alanına sahiptir, fonksiyonelleştirme için bol siteler sağlar. Graphene oksit (GO) ve özellikle de kullanışlıdır: önceden doldurulmuş olan kalsiyum karbonatları gibi malzemelerle donatılabilir.

Elektrik ve Termal Davranış

Graphene'nin elektrik iletkenliği ( 108 S /m) ve termal iletkenlik (~5000 W/m·K) aktif şifa mekanizmaları sağlar. Polimerlere veya kaplamalara dahil edildiğinde, bir grafik ağı mevcut veya ısıyı talep edebilir. Bir elektrik dürtü Joule ısıtmasını tetikleyebilir, ki bu geri dönüşümlü bağlar (örneğin, Di-elsAlder reaksiyonları) veya form işaret polimer kurtarma sağlar. Bu yetenek, çatlakları tekrar tekrarlamak için mümkün kılar.

Graphene-Assisted Self-Healing in Civil Engineering Materials

Araştırmacılar, hangi grafikene'nin kendi kendine katkıda bulunduğu birkaç farklı yol geliştirdikleri, her biri farklı malzeme sistemlerine uygun.

Encapsulation and Controlled

Bu yaklaşımda, şifa ajanları (örneğin, epoxy öncüleri, alkali çözümleri veya bakteriler sporları) mikrokapı veya boş fiberler içinde yapılandırılır ve grafiklerene ek olarak yüksek ısı iletkenliği ile gerçekleştirilir. Örneğin, kapsüller tarafından salıverilir, taşıyıcıyı dağıtır.

Catalyticalül Karbonat Betonda Ön Bildirim

Beton doğal olarak autojen şifa alır - kalsiyum karbonat ile çatlakları doldurur (CaCO3) çevreye devam eden hidrasyonları - ancak işlem dar çatlaklarla sınırlıdır (<0.2 mm). Graphene oksit bu reaksiyonu CaCO3 kristalleri için nükleterek teşvik eder.Grupdaki bol fonksiyonel gruplar, çevreden kalsiyum iyonları ve karbonat iyonları çeker; ayrıca, grafikleren yüksek yüzey alanı şifa ajanları ve çatlaklar arasındaki temas alanını arttırır.

Polimerlerde Terzitli ve Supramolecular Bonding

İnşaatta kullanılan polimerler (örneğin, epoxy yapıştırıcıları, yalıtımlar, koruyucu kaplamalar) stres altında kırılan dinamik bağlarla formüle edilebilir ve stresin kaldırıldığı zaman Graphene birden çok rol verir: polimer matrisi güçlendiriyor ve dinamik gruplarla yeniden donatılabilir.

Elektrotermal ve Foto- ⁇ Aktivasyon

Graphene'nin güçlü ışık absoryonu ve elektrik iletkenliği güneş ışığı veya düşük gerilim elektrik tarafından teşvik edilmesine izin verir.In asfalt kaldırımlarında, grafiken-infüzyon polimer modları, güneş radyasyonunu absorbe edebilir, ısıtımı veya form kurtarma yoluyla gömülü elektronik sensörlerin yanı sıra, akıllı kaplamalarda, uygulanan bir gerilim sürücüleri grafik nanopartiküller çatlakları çatlakları çatlaklara ve çatlaklara doğru göç etmeye ve yok edebilir, elektrik sürekliliği ve bariyer özelliklerini geri yüklemeye yardımcı olur.

Bakteri-Mediated Healing

Gelişen bir teknik, grafen bakterilerle birleştirir. ● Bir kalsiyum kaynağının sporu:0)Dahillus) türü beton karıştırılır ve bakterileri yüksek çözünürlükte korurken, bu hibrit yaklaşım, 1 mm genişliğe kadar çatlakların iyileştirilmesine kadar çırpılır.

İnşaat Mühendisliğinde Grafiksel Materyallerin Uygulamaları

Birkaç uygulama alanı aktif olarak araştırılıyor ve bazı durumlarda, alan test edildi.

Kendi kendini kınayan Beton

Beton en yaygın kullanılan inşaat malzemesidir, ancak daha sonra 30-50 ve flexal gücü kırarak azaltılır.Dörtücü Alanlar, GO veya RGO'nun dozajı sırasındaki betonun yüzde 70'e kadar yüksek oranda su tasarrufuna neden olduğu ortaya çıkar.

Graphene- Yapısal Onarımlar için Polimer Kompozitleri

Renkli ve PP poliurethane bazlı kompozitler, hasar görmüş beton, ahşap ve çelik üyeleri tamir etmek için kullanılır.GNPs) veya GO, bu onarım malzemeleri geri dönüşümlü bağlar veya dış bağlantılı bir şekilde elde edilebilir hale gelir (örneğin, karbonatlı polimerler, söndürücüler ile birlikte 0,5-2% grafiği kullanır).

Korozyon Koruma için Akıllı Kaplamalar

Çelik altyapılar - köprüler, boru hatları, deniz platformları - korozyonu önlemek için koruyucu kaplamalar üzerinde - Graphene tabanlı kaplamalar hem bariyer koruma hem de kendi kendine özgü kaplamalar sunar.[Dörnekler çelik substratı açığa çıkarırken, grafiken bir yanıt başlatır: Graphene-loaded nano hosterlerden korozyonu serbest bırakır veya pasif bir tabaka oluşturmak için katoluşabilir.0]).

Asfalt Pavements

Asfalt yolları termal bisiklet ve trafik yükleri nedeniyle çatlaklar geliştirir.Perene'yi asfalt bağlayıcılara ekleyerek, binicilikten direnç ve yorgunluk hayatını arttırırken, aynı zamanda kendi kendini kesintiye uğratarak 0.1-0.3 grafiklerene'nin yüksek ısı iletkenliği ve dielektrik özellikleri, birkaç yıl içinde hızlı ısıtmaya maruz kaldığı zaman hızlı ısıtmaya olanak sağlar.

3D-Yazdır ve Precast Elements

İnşaatta İmalat (3D baskı) kendi kendine özgü grafikler için eşsiz fırsatlar yaratıyor. Baskı sırasında, grafikene daha sonra rezervuarlar olarak hareket edecek katmanlarda stratejik olarak depolanabilir. Precast beton ürünler - borular, uykucular ve paneller gibi - kendi kendine özgü ad karışımları yerle birleştirin, kaliteli kontrol ve alan dağıtımını sağlamak.

Graphene-Based Self-Healing Systems

Anahtar Faydaları

  • [FONT:0)Ölmüş yapısal yaşam:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:[Dönetici:0))[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:0)))))))))))) Kendi kendini kınayanların çatlakları azaltabilir, büyük onarımlar için ihtiyacı geciktirmek ve hizmet ömrünü 30-50% uzatarak uzatabilir.
  • [FONT:0) Düşük bakım maliyetleri:[Dönetici:[Dönetici:0) Düşük bakım maliyetleri:[Dönerli denetimler ve manuel onarımlar altyapı sahipleri ve vergi mükellefleri için doğrudan finansal tasarruflara dönüştürülür.
  • [FONT:0) Geliştirilmiş güvenlik ve güvenilirlik:[Dönetici:[Dönetici:0) Eleştirel çatlakların Özerk iyileşmesi, özellikle yüksek riskli köprülerde ve yüksek binalarda aniden başarısızlıkları önler.
  • [FONT:0)Environmental sürdürülebilirlik: Yeni malzemeler ve onarım operasyonlarının ihtiyacı azaltmak için karbon emisyonlarını azaltın; kendi kendine özgü beton, ince bölümlere izin vererek çimento tüketimini da azaltabilir.
  • [FONT:0) Çok işlevlilik:[Dönetici:[Dönetici:[Dönetici:0) Graphene sadece şifa sağlar, aynı zamanda gücü, dayanıklılık ve (bazı durumlarda) algılama yetenekleri, akıllı altyapı platformu sağlar.

Mevcut Zorluklar ve Araştırma Yolları

Yüksek Üretim Maliyeti

Fiyatlara rağmen, yüksek kaliteli grafiklerene (özellikle tek katmanlı GO ve pristine grafiğiene) geleneksel katkılarla kıyasla pahalı kalır.Kil-faşın eksiyon ve kimyasal buhar ayrışma gibi üretim yöntemleri geliştirilebilir, ancak kilo için 50 ila 500 $ arasında maliyet hala fiyat artış için.

Matrices'te Üniformaları

Graphene, van der Waals kuvvetleri nedeniyle agglomerate eğilimlidir ve çimentolu sistemlerde, etkinliğini azaltan büyük kümeler oluşturmak için kalsiyum iyonları ile reaksiyon verir. Achieving üniforması yüzeyselleştirme, sonlama veya yüksek hacimli ses karıştırma gerektirir, tüm bunlar işleme adımlarını keşfeder.

Scalability and Long-Termin Performansı

Çoğu çalışma laboratuvar ölçeğinde yapılır; endüstriye kendi kendine özgü grafiklere geçiş yapmak için geçiş yapmak için zaman içinde grafik partikülleri veya eropolimer kompozitleri, uzun vadeli dayanıklılık hakkında sorular kalır: uzun süre boyunca çevresel maruz kalma (UV, nem, donmuş-staw) sonra iyileşme yeteneğinin düşmesi gerekir? zaman içinde erosit veya oksitli yaşlanma testleri ve saha maruz kalma denemeleri bu soruları cevaplamak için aşağıdadır.

Düzenleme ve Standartlar Hurdles

Yeni malzemeler için bina kodları ve standartları titizdir. Kendi kendine özgü malzemeler için protokolleri geliştirir, test yöntemleri standartlaştırılmış ve uzun vadeli güvenilirlik, grafik tabanlı malzemelerden önce belirtilen birçok önemli projede belirtilmiştir.Profesyonel malzemeler gibi kuruluşlar, ancak kabul edilebilir.

Future Outlook: Graphene ve Özerk Altyapı

Önümüzdeki on yıl muhtemelen grafikte kendini kınayan malzemelerden araştırma pilotlarından niş ticari ürünlere geçiş ve en sonunda ana kabul edilenlere geçiş görecek. Anahtar sürücüler, grafikte yapılan geliştirmelerde (konomikasyondan elde edilebilir sentez) maliyet ve çevresel ayak izi azaltabilecektir.

Grafikteki diğer nanomalzemelerle (karbon nanotüpler, nanocellulose) veya bakterilerle birlikte çatlakları kırıyor ve hızlanıyor.(0))Son zamanlarda ısıtılmış iş)[Dönemli))[Dönderliklerin %90'ı tekrarlanan betonu yeniden üretmiş durumda.Bu teknolojiler olgun olarak, köprülerin otomatik olarak kırıldığını tahmin edebiliriz.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Grafikte, kendi kendine özgü malzemeleri sivil mühendislik için geliştirmek için kritik bir malzeme olduğu kanıtlanmaktadır. Güç, yüzey alanı, iletkenlik ve kimyasal veritabanlığı, çok sayıda iyileşme mekanizması sağlar - polimerlerde kopyalanabilir bağlara - daha önce yapılan malzemelerle pratik değildi, daha önce demet, dağıtım ve uzun vadeli geçerlilik süresi, genişletilmiş altyapı yaşamının potansiyel yararları, daha düşük bakım ve gelişmiş güvenlik, yüksek bakım, yüksek bakım sağlar ve gelişmiş güvenlik, güçlü araştırma ve erken ticarileşmeye yardımcı olur.