Автоматическое определение дисперсности, дефектности, отверждения и термических характеристик полимерных композитов с использованием микротехнологий.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2787 (2023) Цитировать эту статью

902 Доступа

2 Альтметрика

Подробности о метриках

Инфракрасная термография — это неразрушающий метод, который можно использовать во многих областях, включая исследование полимерных композитов. На основе изменения коэффициента излучения и температуропроводности; Могут быть идентифицированы компоненты, дефекты и состояние отверждения композита. Однако ручная обработка тепловых изображений, которые могут содержать значительные артефакты, может привести к ошибочному определению компонентов и свойств. В этом исследовании тепловые изображения различных полимерных композитов на основе графита и графена, изготовленных с помощью методов ручного, планетарного и периодического смешивания, были проанализированы с помощью модели автоматического машинного обучения. Размер, форма и расположение наполнителя могут быть идентифицированы в полимерных композитах, и, таким образом, дисперсия различных образцов была количественно определена с разрешением ~ 20 мкм, несмотря на наличие артефактов на тепловом изображении. Сравнение температуропроводности трех методов смешивания было выполнено для 40% графита в эластомере. Периодическое смешивание продемонстрировало лучшую дисперсию, чем планетарное и ручное смешивание, поскольку индекс дисперсии (DI) для периодического смешивания составил 0,07, тогда как планетарное и ручное смешивание показали 0,0865 и 0,163 соответственно. Было исследовано отверждение полимера с различными наполнителями (отверждение ПДМС-графена и графитового порошка ПДМС заняло 800 с), а для сравнения качества композита была построена кривая термической характеристики. Таким образом, вышеупомянутые методы с алгоритмами машинного обучения могут стать отличным инструментом для количественного и качественного анализа композитов.

Полимерные композиты состоят из двух или более материалов (матрицы и наполнителя/армирующих/добавочных материалов), свойства которых превосходят свойства отдельных материалов1,2,3. Благодаря своим синергетическим свойствам и применению в аэрокосмической, автомобильной, морской, энергетической и потребительской сферах он привлек интерес как промышленности, так и научных кругов4,5,6,7,8. Среди всех наполнителей или армирующих материалов графит или графен стал идеальным кандидатом благодаря своим исключительным механическим, термическим и электрическим свойствам. Таким образом, полимерные композиты на основе графена привлекли интерес научного сообщества в течение последних нескольких десятилетий.

Свойства полимерных композитов во многом зависят от дисперсности наполнителей в полимерной матрице. Таким образом, характеристики полимерного композита (плохие или хорошие) определяются непосредственно степенью агломерации, что может привести к изменению свойств композита. Исследование размера, формы и размера частиц/загрузки может быть выполнено с помощью просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ)9, но оно ограничено образцами относительно меньшего размера. Сканирующая электронная микроскопия может быть еще одним методом определения дисперсии, и Fu et al. рассчитали индекс дисперсии углеродных нанотрубок (УНТ), разделив изображения на сетки10. Большинство процедур TEM и SEM, которые являются дорогостоящими и требуют сложного процесса подготовки проб (подготовка проб может быть разрушительной), используются для качественной оценки дисперсии небольшого процента наполнителей в меньшем масштабе11.

Еще одной проблемой широкого использования полимерных композитов является разработка неразрушающего метода проверки качества/работоспособности композитов. Ультразвуковой метод (импульсная акустическая микроскопия) был использован для исследования распределения или микроструктуры наполнителя в образцах углеродных нанокомпозитов, приготовленных традиционным методом с использованием вакуумного смесителя12. Однако потенциальное применение этого метода в промышленности ограничено медлительностью этого метода неразрушающего контроля (NDE) при подготовке образцов и способностью сканировать только образцы меньшего размера13.

Разработка процесса неразрушающего контроля для количественного, а не качественного измерения дисперсии, размера, формы и агломерации частиц/наполнителя может стать отличным методом прогнозирования характеристик полимерного композита. Инфракрасная (ИК) термография — это бесконтактный метод измерения изменения температуры, который анализирует инфракрасное излучение, испускаемое объектом14. Среди различных методов термографии активная термография (внешнее возбуждение образца) обычно используется для обнаружения поверхностных/подповерхностных дефектов в армированных волокнами композитах или бетонных конструкциях15. Температура поверхности, полученная с помощью активной ИК-термографии (глубина несколько мм), может привести к определению внутренней температуры композитов (моделирование теплопередачи по всей глубине), что позволяет определить качество композита16. Для углубленного анализа может оказаться полезным метод синхронной термографии, однако оператору необходимо изменить частоту теплового возбуждения для испытаний17,18. В последние годы появилось большое количество композитов с наполнителями нано/микроразмера, что подчеркивает необходимость микромасштабной термографии. Следовательно, инфракрасная активная термография, выполняемая на микромасштабе, может быть полезным методом измерения дисперсии нано/микронаполнителей. Например, инфракрасная термография использовалась Pantano et al. оценить плохую дисперсию углеродных нанотрубок в нанокомпозитах19. Ашраф и др. изучили дисперсию (количественно выраженную как индекс дисперсии) и термические свойства графеновых полимерных композитов с помощью инфракрасной термографии с линзами крупным планом20. Гресил и др. изучили картирование температуропроводности полимерных нанокомпозитов на основе графена с разрешением 200 мкм на пиксель21. Обнаружение пустот или дефектов также определяется для композита на основе графена с помощью инфракрасной термографии22. Однако упомянутый выше процесс определения формы и размера наполнителя/пустот/дефектов выполняется вручную и поэтому занимает много времени на производственной линии. Кроме того, расфокусированные изображения или изображения с артефактами/пустотами/посторонними материалами иногда предоставляют неверную информацию о качестве образца. Таким образом, для получения точных результатов необходимо использовать автоматическое обнаружение наполнителей, пустот, дефектов и артефактов. Насколько нам известно, научное сообщество еще не сообщало об автоматическом количественном определении дисперсии/дефектов/пустот/посторонних веществ в композитах.