Undersøgelse af kulstof nanorør kompositter til strukturel sundhedsovervågning

(Phys.org) – I august 2007, I-35W-broen over Mississippi-floden i Minneapolis kollapsede, dræbte 13 mennesker og sårede 145. Kollapset blev tilskrevet en designmangel, der resulterede i, at en kileplade svigtede under igangværende byggearbejde.

Nu, et tværfagligt team af forskere ved University of Delaware er ved at udvikle et nyt strukturelt sundhedsovervågningssystem, der kan afværge sådanne katastrofer i fremtiden.

Erik Thostenson og Thomas Schumacher, begge tilknyttede fakultetsmedlemmer i UD Center for Composite Materials, har modtaget en treårig $300, 000 bevilling fra National Science Foundation til at undersøge brugen af ​​kulstof nanorør-kompositter som en slags "smart hud" til strukturer.

I forundersøgelser, de to fandt ud af, at en carbon-nanorør hybrid glasfiber-komposit fastgjort til små betonbjælker dannede en kontinuerlig ledende hud, der er usædvanligt følsom over for ændringer i belastningen samt over for udvikling og vækst af skader.

"Denne sensor kan enten være strukturel, hvor fiberkompositlaget tilføjer forstærkning til en mangelfuld eller beskadiget struktur, eller ikke-strukturelle, hvor laget kun fungerer som en følende hud, " siger Schumacher, der tilfører projektet viden om konstruktionsmekanik og sundhedsovervågning af storskala konstruktioner.

Thostenson, hvis ekspertise ligger i materialebehandling og karakterisering til sensorapplikationer, forklarer, at fordi nanorørene er så små, de kan trænge ind i det polymerrige område mellem fibrene i individuelle garnbundter såvel som mellemrummene mellem lagene af en fiberkomposit.

"Nanorørene bliver fuldstændig integreret i avancerede fiberkompositsystemer, give ny funktionalitet uden at ændre kompositens mikrostruktur, " han siger.

Schumacher siger, at tilgangen vil løse en stor ulempe ved nuværende SHM-systemer, som kun kan dække et begrænset antal punkter.

"Udvælgelsen af ​​kritiske områder til overvågning er fortsat underlagt ejerens ekspertise, " forklarer han. "Den distribuerede registreringsevne i det system, vi udvikler, øger markant chancen for at fange skjulte eller lokaliserede mikroskader, der kan føre til katastrofale fejl, hvis de ikke opdages tidligt."

Thostenson påpeger, at en vigtig fordel ved denne innovative sensor er, at den kan bindes til eksisterende strukturer af enhver form eller indbygges i nye strukturer under fremstillings- og byggeprocesserne.

Baseret på deres foreløbige resultater, forskerne vil nu behandle spørgsmål som sensorbehandling, karakterisering, og modellering samt test af komponenter og komplette strukturer.

Thostenson krediterer CCM med at facilitere den form for tværfaglig tilgang, der bragte ham og Schumacher sammen om projektet. "Det er virkelig et 50/50 samarbejde, der udnytter vores komplementære ekspertise, " han siger.

De to joker, selvom, om det eksemplar, de testede på CCM under deres udforskningsarbejde. "Det var det mindste eksemplar, jeg nogensinde har testet, " siger Schumacher, men den største Erik nogensinde har testet."