Graphene'nin Yapısal Bütünleme İzlemesi için Gelişmiş Sensörler Kullanılması

Yapısal İzlemede Graphene'ye Giriş

2004 yılında izolasyonu, grafiken dünya çapında malzeme bilim adamlarının ve mühendislerin dikkatini çekti. Bu tek karbon atom tabakası, bir hexagonal lattice'de düzenlenen bir hexagonal enttice, özellikle de yapısal bütünlüğü izleme alanında nadir bir kombinasyon sergilemektedir: dikkat çekici elektrik iletkenliği (yaklaşık 100 kez bakır), mekanik güç, çelikten yaklaşık 200 kat daha güçlü, olağanüstü esneklik ve yüksek termal iletkenlik.

Yapısal sağlık izleme (SHM) sürekli veya periyodik olarak sivil, mekanik ve havacılık altyapısının durumunu değerlendirme sürecidir.Bu sınırlamaların çoğu, hızlamalar, hızlar ve jeotermal cihazlar için doğrudan kompozit malzemelere hizmet etme ve daha ince film kaplamalarına kadar uygulama yeteneği, düşük maliyetli olmayan integraller için talepler, bu sınırlamaların çoğu, bu sınırlamaların dakika mekaniklerine, hızlı bir şekilde optimize edilmesi, hızlı tepki süreleri ve uzun süreler için baskıya maruz kalma yeteneği.

Graphene-Based Sensörler nedir?

Grafik tabanlı sensörler, grafikten lattice'nin kendi elektronik band yapısını değiştirmesine, elektrik direncinde ölçülebilir bir değişiklike veya titreşime neden olan temel mekanizmaya bağlıdır. Çünkü grafikene sadece bir atom kalınlığında, aşırı hassasiyetle yüzeysel değişikliklere cevap verir.

Birkaç ortak tasarım var:

Grafene, kimyasal buhar dekonferasyonu (CVD), grafiken oksitin azaltılması (rGO), veya grafikten gelen aşırı yüklemeler için her yöntem kaliteli, maliyet ve ölçeklenebilirlik arasında ticaret yapar.

Konvansiyonel Sensörler Üzerindeki Avantajları

Grafik sensörlerin benimsenmesi, geleneksel SHM teknolojilerinin sınırlamalarını doğrudan ele alan birkaç farklı avantaj tarafından yönlendirilmektedir.

Unparalleled Hassasiyet

Grafene deformasyon sensörleri, bazı konfigürasyonlarda 100'ü aştı, metalik folyo su hatları için yaklaşık 2'yi genişleterek, % 0.01 veya daha az, mikrokracks, yorgunluk ve plastik deformasyon tespitlerini tespit edebildikleri anlamına gelir.Bu erken uyarı kapasitesi, hizmet hayatını uzatabilir ve felaket hataları önlemek için.

Dışsal Flexability ve Conformability

Grafene yüksek esnek polimerlere depolanabilir veya sürücülerin titreşimlere maruz kalması için giyilebilir yamalar halinde entegre edilebilir.The Mechanical flexibility also means the sensor can alive of brittle silikon-based servers.This allows servers to be completed around Bazd Surfaces, which can be coverd functionalitys, or bütünleşmiş into wearable hairs for monitoring resources

Durability ve Çevre Direnişi

Graphene, sürekli bisiklet veya tuzlu sulara maruz kalma (örneğin, deniz ortamları) karşılaştırıldığında, grafik kaplamaları iki sensör ve korozyon bariyeri sağlayarak iki rol de kullanabilir.

Hafif ve Minimal Yük

Bir grafiken katmanı atomik olarak ince olduğundan, kütlesi ihmal edilebilir.Bir yapı için grafik sensörlerin bir dizi eklemek neredeyse ekstra ağırlık veya aerodinamik sürüklenme, bu da havacılık uygulamaları için kritik olan.For building and köprüler, minimal ağırlık, sensör ağının dinamik davranışını değiştirmez - doğru modal analizi için önemli bir gerekliliktir.

Low-Cost Manufacturing için potansiyel

Büyük hacimli grafiklere dönüşler ile üretilebilir ve fiber optik sensörler pahalı sorgu birimleri gerektirir ve pastazoelektrik seramikleri karmaşık kablolama süreçleri ile uyumludur.Bu ölçeklenebilirlik, per-sensor maliyetle, yoğun sensör ağları ekonomik olarak sağlar.

Yapısal Dürüstlük İzleme Uygulamaları Uygulamaları

Graphene sensörleri araştırılıyor ve bazı durumlarda geniş bir altyapı türünde. Aşağıda genişletilmiş teknik bağlam ile ilgili temel uygulama alanları var.

Köprü ve Sivil Altyapı İzleme

Köprüler sürekli trafik yüklerine, çevresel termal bisiklete, rüzgara ve sıra dışı sismik olaylara maruz kalıyor. Geleneksel görsel denetimler iş yoğundur ve sadece köprü güvertelerinde gömülü veya kritik eklemlere bağlı kalınan sertleştirici sensörler, normal zamansal stres konsantrasyonlarını ortaya çıkarabilir. Örneğin, süspansiyonlu bir ağdaki baskıcı grafikler aynı zamanda beton kabloları betonun aşırı yükleme işlevlerinin başlangıcını tespit edebilir veya uzun süre önce denemeler yapar.Demir köprücülerin testlerinde yapılan denemeler, grafik sensörlerin geri çekilmesini veya gecikmelerini ortaya çıkarabilir.

Havacılık Yapısal Sağlık İzleme

Uçakta, ağırlık önemlidir. Her kilogram yakıt tüketimini azaltır. Graphene sensörleri, bir gramın ağırlığını tartmak, üretim sırasında kompozit fuselaj derileri içinde gömülür. Ayrıca, sensörler, karmaşık bir büyüme için entegre edilebilir, çünkü grafiksel bir şekilde koruma katmanına entegre edilebilir, yapısal zayıflıklar eklemeden önce, yapısal zayıflıklar test etmek için grafik sensörlerin kombinasyonlarını tespit edebilir.

Deniz ve Offshore Yapılar

Offshore petrol platformları, gemiler ve rüzgar türbinleri, klor kaynaklı stres korozyonun birincil koruyucu kaplamalar olduğunu gösteren koreal tuzlu su ortamlarında çalışır. Graphene sensörleri, kaplamalar veya boya tabakalarında gömülü olarak, eğimli veya elektrokimyasal potansiyelinde yapılan çalışmalar, 12 ay boyunca düzenli olarak kullanılan bir optik okumalar, koruyucu çinko kaplamaların oluşumunu veya regresyonunu izlemek için gerekli olan kimyasalları kontrol eder.

Yapı Seismic İzleme

Bir depremden sonra, bina bütünlüğüne hızlı bir değerlendirme kurtarma operasyonları için hayati önem taşır ve önceki bina hasarını engellemeye yardımcı olur.Kampiyonel bir ölçümle entegre edildiğinde, grafik sensörleri 3D'de bir yapının dinamik yanıtını haritalayabilen bir ağ oluşturabilir.Bu veriler yalnızca post-kuvvetli karar verme işlemine yardımcı olabilir, ancak aynı zamanda sabit olmayan bir şekilde yapılan hataların sabit tutulmasına karşı yapılan ölçümler ile entegre edilir.

Enerji Altyapısı: Borular ve Türbinler

Boru hatları yağ, gaz veya su sık sık sık gömülü veya uzak yerlerde, düzenli denetim zor hale getirir. Graphene sensörleri boru yüzeylerinden kaynaklanan gerginlik, basınçlar veya kompozit monitörde gömülür. Ayrıca, hidrojen taşıma için kullanılan çelik borularda, yüksek enerji için büyüyen bir uygulama için hassastır.

Zorluklar Facing Graphene Sensör

Söze rağmen, grafiken sensörler SHM'de standart hale gelmeden önce birkaç teknik ve ekonomik engel aşılmalıdır.

İmalat Scalability ve Consistency

Yüksek kaliteli, defeksiz grafiklere ölçekde değer vermek zor kalır. CVD-grown grafiğiene on bakır folyo yüksek kalitelidir, ancak kırışıklı grafiklere geçiş gerektirir, ki bu da dağınık etkiler ve non-uniform film kalınlığı ile ilgili sorunlarla karşı karşıyadır. Standartlaştırma yöntemleri ve kaliteli kontrol ölçümleri ile değişir.

Mevcut İzleme Sistemleri ile entegrasyon

Mevcut yapısal izleme sistemleri genellikle geleneksel sensör arayüzleri (örneğin, 4-20 mA döngüler, Buğday taşları köprüleri veya gerilim bölmeleri) Graphene sensörleri, yüksek ölçüm faktörleri ve düşük enerji tüketimi ile, sinyal sistemleri için özel elektronik gerektirebilir. Ek olarak, kablosuz sensör ağları (WSN) ile grafiksel sensörler güç tedarik ve veri aktarma bant genişliğine hitap etmelidir.

Uzun Süreli Stability ve Reliability

Gerçek dünya ortamlarındaki grafik sensörlerin uzun vadeli performansı hala soruşturma altında. Sorular, bazı grafiksel oksitli filmlerin tekrarlanan termal bisiklet ve nemlendiriciler nedeniyle sinyale sürüklendiğini gösteriyor.Inkapsulation and common structural material (lt, beton) arasındaki yanlış eşleştirme stratejileri, bu tür kimyasal maddeler veya atomik tabakaların aşırılaştırılmasına neden olabilir, ancak uzun yıllar boyunca geçerli olan etkilerden dolayı sinyale dayanan oksit tabanlı sensörler.

Maliyet ve Yatırıma Dönüş

Çiğ grafikene malzeme maliyetleri önemli ölçüde düştü (iş durumundan binlerce dolar toz formları için gramdan daha azına kadar), toplam sistem maliyeti - ambalaj, kablolama, veri toplama donanımı ve felaket onarımı dahil - hala birçok uygulama için geleneksel sensörlerin ötesine geç.İş durumu, daha düşük değerli binalar veya ikincil yollar için, maliyet, uçak, platformlar veya büyük köprüler gibi yüksek değerli varlıklar için, maliyet tasarrufu dahil olmak üzere, geri yüklemeden kaçınmak için maliyet tasarrufu sağlar.

Çevre ve Sağlık Tahminleri

Grafikteki çarşafların potansiyel toksisitesi (özellikle havayla gelen partiküller olarak ölümcül olarak) üretim işçileri ve son yaşam süresi veya yangın sırasındaki bir endişedir. Araştırmalar, büyük, iyi hazırlanmış grafiklere sahip olabilir, ancak son kullanıcılar için maruz kalma riski tamamen anlaşılamaz ve boyuta göre değişir, yüzeyselleştirme ve geri dönüşüm yöntemlerinin geliştirilmesi gerektiğini göstermektedir.

Future Prospects and Research

Devam eden araştırmalar, performans zarfını daha da ileri iterken bu zorlukların üstesinden gelmeyi amaçlamaktadır.

Hybrid and Multi function Sensörler

Diğer nanomalzemelerle grafikten (örneğin, karbon nanotüpler, molybdenum disulfide, iletken polimerler) çoklu stilizelere yanıt veren sensörler verebilir - aynı anda tüm yapısal yüzeyler ve sıcaklık, nem ve kimyasal ajanlar. Örneğin, bir grafikten-silver nanotel kompozit hem yüksek iletkenlik hem de şeffaflığı sağlayabilir, elektrik algılama ile çatlakları takip edebilir.

Kendini Güçlendi ve Kablosuz Sistemler

Enerji hasat gerçekten otonom sensör ağlarından bir anahtardır. Triboelektrik nanojeneratörleri (TENG) grafiksel elektrotlar kullanılarak, potansiyel olarak bataryaları ortadan kaldırır. Araştırmacılar, bakımsız bir gerilim yaratan ve aynı anda bu gerilimi bir sinyal olarak kullanır - dış güç kaynağı için ihtiyacı ortadan kaldırırlar.

Makine Öğrenme ve Veri Analytics

Grafik sensörlerin yüksek hassasiyetleri büyük veri kümelerini oluşturur (örneğin, grafikten gelen sensör dizilerinden kaynaklanan bir kontraseptif sinir ağı (CNN) otomatik olarak hasar modellerini algılamak için geliştirilebilir. AI sınıflandırma modları (sorun, korozyon, etki), ve geriye kalan yararlı yaşamı tahmin edin. Örneğin, grafiksel bir sinir ağı (CNN) grafikten gelen sensörlerin bozulmasıyla eğitilmiş bir conliksel sinir ağları, doğrudan sensör düğümleri doğrulayarak yerlerini tanımlayabilir.

Standartlaştırma ve Sertifikalandırma

ABD'de Amerikan Birliği'nin yok edici olmayan test (ASNT) ve ISO gibi endüstri organları, grafik tabanlı sensörler için standartlar geliştirmeye başlıyor.The Graphene Council and the National Graphene Institute in the UK are active working on metrology protokolleri. Once standartlar are installed, düzenleyici kabul for security-kritik uygulamalar (e.g., nükleer enerji santralleri, havacılık birincil yapıları) takip edecek, daha büyük pazarlara açılacaktır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Grafik tabanlı sensörler yapısal bütünlüğü izlemede önemli bir ilerlemeyi temsil eder. Aşırı hassasiyetleri, esnekliği, hafif doğa ve düşük maliyetli üretim adresi için düşük maliyetli teknolojiler için birçok adres. köprüler ve binalardan uçaklara ve offshore platformlarına kadar, grafikene sensörleri, hasar tespit edebilecek olan sağlık izleme vaadini sunar.

Ancak yaygın olarak kabul edilen yol mühendislik zorluklarıyla genişletilir: tutarlı üretim, uzun vadeli stabilite sert koşullar altında, maliyet rekabeti ve mevcut sistemlerle sorunsuz entegrasyon. Malzemeleri işleme, paketleme ve veri analizi hızla bu engellerin üstesinden gelir. Pilot kurulumları kritik altyapıda elde etmek zaten değerli alan verileri ve ilk ticari ürünler - pazara girmek.

Altyapı çağılarımız ve güvenlik, sürdürülebilirlik ve operasyonel verimlilik artışı taleplerimiz olarak, gelişmiş sensörlerin rolü sadece büyüyecek. Graphene, benzersiz özellikleriyle, inşa edilmiş ortamımızın güvenli bir şekilde tutulması için temel bir malzeme haline gelmek üzere yapılandırılıyor.

Grafiksel tasarımların malzeme özelliklerini daha fazla okumak için, [FONTD:0) Grafik Konseyi'nde ) kullanılmaktadır. sensör üretimi ile ilgili teknik ayrıntılar düzenli olarak yeni bulgular bulunabilir:2).Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü (NIST)[Döneticileri üzerinde yayınlanır.[Döneticileri için).[Döneticileri ile ilgili çalışmalar için [Döneticileri: 16/01.2012).