Geri Dön

Synthesis and characterization of strain sensitive multi-walled carbon nanotubes/epoxy based nanocomposites

Gerilmeye duyarlı çok duvarlı karbon nanotüp/epoksi esaslı nanokompozitlerin sentezi ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 916388
  2. Yazar: ABDULKADİR ŞANLI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. OLFA KANOUN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Technische Universität Chemnitz (TUC)
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 201

Özet

Bu araştırma, karbon nanotüplerin (CNT'ler) polimer matrislerine entegrasyonunun, mekanik, termal ve optik özellikleri önemli ölçüde artırma potansiyeline sahip olduğunu vurgulamaktadır. CNT'lerin polimer matrislerine düşük miktarlarda eklenmesi, iletken polimer nanokompozitlerinin (CPN'ler) piezorezistif özelliklerini iyileştirerek, stabil, hassas, ayarlanabilir ve maliyet etkin gerilme sensörlerinin geliştirilmesinde büyük bir potansiyel sunmaktadır. Bu çalışmanın amacı, düşük maliyetli, hem rijit hem de esnek substratlar üzerinde uygulanabilir, karmaşık olmayan bir üretim süreci gerektiren CNT'ler/polimer bazlı strain sensörleri sentezlemek ve karakterize etmektir. Araştırmada, çok duvarlı karbon nanotüplerin (MWCNT'ler) epoksi polimer matrisine karıştırılarak sentezlenen nanokompozitlerin, nem ve sıcaklık gibi çevresel faktörlere karşı davranışları incelenmiştir. MWCNT'lerin %1'e kadar konsantrasyonları kullanılarak üretilen nanokompozitler, esnek Kapton ve rijit FR4 substratlar üzerine uygulanmış ve bu nanokompozitlerin morfolojik, elektriksel ve elektromekanik özellikleri, nem ve sıcaklık etkilerine karşı yanıtları incelenmiştir. Dijital görüntü korelasyonu (DIC) ile sensör alanındaki deformasyonlar, elektro kimyasal impedans spektroskopisi (EIS) ile piezorezistif özellikler test edilmiştir. Tarama elektronu mikroskobu (SEM) ve atomik kuvvet mikroskobu (AFM) analizleri, MWCNT'lerin matris içindeki dağılımının homojen olduğunu ve nanokompozitlerin yüzey topografyasının uygun olduğunu göstermektedir. Sonuçlar, özellikle perkolasyon eşiğine yakın MWCNT konsantrasyonlarında yüksek hassasiyet elde edildiğini, düşük MWCNT konsantrasyonlarında ise tünel etkisinin baskın olduğunu göstermektedir. Ayrıca, FR4 substratları üzerine yerleştirilen nanokompozitler, yüksek hassasiyet, iyi stabilite ve döngüsel yükleme sonrası dayanıklılık sergilemektedir. Nem etkisiyle nanokompozitlerin direncinin arttığı ve sıcaklık etkisiyle negatif sıcaklık katsayısı (NTC) gösterdiği gözlemlenmiştir. Çalışma, bu sensörlerin yapı sağlığı izleme sistemleri veya çok fonksiyonlu sensörler için daha da geliştirilebileceğini ve basit üretim süreçleriyle çeşitli çevresel parametreleri izleme imkanı sunduğunu önermektedir.

Özet (Çeviri)

Among various nanofillers, carbon nanotubes (CNTs) have attracted a significant attention due to their excellent physical properties. Incorporation of a very low amount of CNTs in polymer matrices enhances mechanical, thermal and optical properties of conductive polymer nanocomposites (CPNs) tremendously. For mechanical sensors, the piezoresistive property of CNTs/polymer nanocomposites exhibits a great potential for the realization of stable, sensitive, tunable and cost-effective strain sensors. Achieving homogeneous CNTs dispersion within the polymer matrices, understanding their complex piezoresistivity and conduction mechanisms, as well as the response of the nanocomposites under humidity and temperature effects, is highly required for the realization of piezoresistive CNTs/polymer based nanocomposites. This research primarily aims to synthesize and characterize CNTs/polymer based strain sensitive nanocomposites, which are cost-effective, applicable on both rigid and flexible substrates and require a non-complex fabrication process. A comprehensive understanding of the complex conduction and piezoresistive mechanisms of CNTs/polymer nanocomposites and their responses under humidity and temperature effects is another purpose of this thesis. For this purpose, synthesis and complex electromechanical characterization of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs)/epoxy nanocomposites are realized. In order to realize strain sensors for the strain range up to 1 % the use of epoxy is focused due to its good adhesion, dimensional stability, and good mechanical properties. The nanocomposites with up to 1 wt.% MWCNTs are synthesized by a non-complex direct mixing method and the f inal nanocomposites are deposited on flexible Kapton and rigid FR4 substrates and their corresponding morphological, electrical, electromechanical, as well as the response of the nanocomposite under humidity and temperature influences, are examined. The deformation over the sensor area is tested by digital image correlation (DIC) under quasi-static uniaxial tension. Quantitative piezoresistive characterization is performed by electrochemical impedance spectroscopy (EIS) over a wide range of frequencies. Further, dispersion quality of MWCNTs in the epoxy polymer matrix is monitored by scanning electron microscopy (SEM). Additionally, in order to tailor the piezoresistivity of the strain sensor, an R-C equivalent circuit is derived based on the impedance responses and the corresponding parameters are extracted from the applied strain. Obtained SEM images confirm that MWCNTs/epoxy nanocomposites with different MWCNTs concentrations have a good homogeneity and dispersion. Atomic force microscopy (AFM) analysis show that the samples have relatively good surface topography and fairly homogeneous CNTs networks. Higher sensitivity is achieved in particular at the concentrations close to the percolation threshold. A non-linear piezoresistive behavior is observed at low MWCNTs concentrations due to the dominance of tunneling effect. The strain sensitive nanocomposites deposited on FR4 substrates present high-performance strain sensing properties, including high sensitivity, good stability, and durability after cyclic loading and unloading. In addition, ixMWCNTs/epoxy nanocomposites show quite a small creep, low hysteresis under cyclic tensile and compressive loadings and fast response and recovery times. Nanocomposites provide an opportunity to measure 2-D strain in one position including amplitude and direction for complex configuration of structures in real-time systems or products. In contrast to present solutions for multi-directional strain sensing, MWCNTs/epoxy based nanocomposites give promising results in terms of durability, easy-processability, and tunable piezoresistivity. Unlike commercially-available approaches for crack/damage identification, MWCNTs/epoxy nanocomposites are capable of detecting the applied crack directly over a certain area. From the humidity influence, it has been found that resistance of nanocomposites increases with the increase of humidity exposure due to swelling of the polymer. Temperature investigations show that MWCNTs/epoxy nanocomposites give negative temperature coefficient (NTC) response due to thermal activation of charge carriers and the temperature sensitivity increases with the increase of filler concentration. The proposed approach can be further developed by combining differently fabricated sensors for realizing a compact structural health monitoring system or multi-functional sensor, where pressure, strain, temperature, and humidity can be monitored simultaneously.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    335923

    Sıcaklık ve pH'ya duyarlı poliakrilik asit/pluronik içiçe geçmiş ağ yapıların sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of ph and temperature sensitive polyacrylic acid/pluronics F127 based interpenetrating hydrogels

    TUBA BAŞKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Bölümü

    PROF. DR. GÜLAÇTI TOPÇU

    PROF. DR. OĞUZ OKAY

  2. Tez No

    197108

    Synthesis and characterization of macroporous poly(dimethylamino ethyl methacrylate) hydrogels by enhanced phase seperation

    Arttırılmış faz ayırmasıyla makro gözenekli poli(dimetilamino etilmetaksilant) hidrojellerinin hazırlanması ve karakterizasyonu

    OSMAN AGUŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2005

    KimyaHacettepe Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MURAT ŞEN

  3. Tez No

    343685

    Poli(Vinil Asetat)/polistiren/polipirol üçlü kompozitlerinin sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of poly(Vinyl Acetate)/polystyrene/polypyrrole ternary composites

    SERPİL EŞSİZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    KimyaGazi Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BEKİR SARI

  4. Tez No

    567582

    N-halamin esaslı klor depolayabilen kriyojellerin sentezi ve karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of N-halamine based chlorine storage cryogels

    ZEYNEP AKSOY

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Polimer Bilim ve TeknolojisiBursa Teknik Üniversitesi

    Lif ve Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HASAN BASRİ KOÇER

  5. Tez No

    136143

    UV-ışınları ile sertleşebilen siloksan içeren vinil eter bazlı reçinelerin sentezi va karakterizasyonu

    Synthesis and characterization of UV-cured siloxane containing vinyl ether based resins

    FATMA BETÜL ÖZBUDAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2003

    KimyaMarmara Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ATİLLA GÜNGÖR

    DOÇ. DR. NİLHAN KAYAMAN APOHAN

Geri Dön