Nanokarbon Çimentoyu Kendini Algılayan Monitörlere Dönüştürüyor

“Case Studies in Construction Materials” dergisinde yayımlanan bir makale, nanokarbon malzemeyle tasarlanmış elektriksel olarak iletken çimento kompozitleri (ECCC’ler) hakkındaki mevcut araştırmaları, 2014’ten 2024’e kadar olan kendini algılama uygulamalarına odaklanarak inceledi.

Nanokarbon malzemelerle tasarlanmış ECCC’ler

ECCC’ler, iletken dolgu maddeleriyle entegre edilmiş çimentolu bir matristen oluşan ve elektron transferini kolaylaştıran bir ağ oluşturan çok fazlı, çok bileşenli malzemelerdir. Bu iletken dolgu maddeleri tipik olarak grafen, karbon nanotüpler (CNT’ler) ve karbon nanofiberlerden (CNF’ler) türetilir. Bu arada, çimento ve agregalardan oluşan çimentolu matris gerekli yapısal desteği sağlar.

ECCC’leri hazırlamak için, nanokarbon malzemeler çimento ve agregalarla birleştirilmeden önce bir çözeltide önceden dağıtılır veya doğrudan kuru çimento ile harmanlanır, ardından su ve agregalarla karıştırılır. ECCC’lerin performansı büyük ölçüde matris içinde nanokarbon malzemelerin düzgün ve kararlı bir şekilde dağılmasına bağlıdır ancak, yüksek yüzey enerjileri genellikle dağılma ile ilgili zorluklara neden olur.

Nanokarbon malzemelerin sulu çözeltilerde dağılma kalitesini artırmak için çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bunlara ultrasonik dağılma, yüzey aktif madde işlemleri ve birleşik teknikler dâhildir. Bu gelişmelere rağmen, nanokarbon malzemelerin aglomerasyonu kalıcı bir sorun olmaya devam etmektedir.

Bunu ele almak için araştırmacılar alternatif bir çözüm olarak nanokarbon kaplı agregaları önerdiler. Örneğin, standart agregaların yüzeyine karbon nanotüp-lateks (CNT-lateks) mürekkebi püskürtülerek iletken bir agrega sentezlenebilir. Başka bir yaklaşım, iletken agregalar oluşturmak için modifiye jelatin ve karbon siyahını gözenekli seramik malzemelere emdirmeyi içerir. Bu yenilikler, dispersiyon zorluklarının üstesinden gelirken ECCC’lerin düzgünlüğünü ve iletkenliğini iyileştirmeyi amaçlamaktadır.

Kendini algılayan çimento kompozitlerinin (SSCCC’ler) çalışma mekanizması

Kendini algılayan çimento kompozitleri (SSCCC’ler) olarak da bilinen ECCC’lerin kendini algılama özellikleri, dış kuvvetlere maruz kaldıklarında iç iletken ağlarındaki değişikliklerden kaynaklanır. ECCC’lere yerleştirilen nanokarbon malzemeler, doğrudan temas yoluyla verimli yollar oluşturarak elektriksel iletimi kolaylaştırır.

Doğrudan temas olmasa bile, tünelleme iletimi gibi kuantum etkileri nedeniyle iletim yolları ortaya çıkabilir. Bu olay, yüklü parçacıklar dalga benzeri davranış sergilediğinde meydana gelir ve 10 nm’den daha küçük mesafelerle ayrılmış nanokarbon malzemeler arasındaki boşluktan “tünelleme” yapmalarına olanak tanır. Ek olarak, tünelleme iletiminin belirli bir tezahürü olan alan emisyonu, CNT’ler gibi belirli nanokarbon malzemelerdeki yerel güçlü elektrik alanlarından kaynaklanır.

ECCC’lerin kendi kendini algılama yeteneği, hacimsel özdirenç, özdirenç indeksi, reaktans, empedans ve kapasitans gibi ölçülebilir elektriksel özellikler ile karakterize edilir. Bu özellikler, iletken katkı maddelerinin türleri ve dağılımının yanı sıra elektrot seçimi ve yerleşimi, sinyal edinme yöntemleri, kürleme yaşı ve çevre koşulları (sıcaklık ve nem) gibi dış faktörlerden etkilenir.

Dış yükler altında, ECCC’ler iletken dolgu maddelerinin yeniden dağılımını deneyimler ve bu da özdirençte değişikliklere yol açar. Bu özdirenç kayması, iletken dolgu maddeleri arasındaki boşluktaki değişikliklerden kaynaklanan tünelleme etkilerinden daha da etkilenir. Ek olarak, gerilme altında çimento matrisinin yerel deformasyonları nanokarbon malzemelerin içsel direncini değiştirir. Bu faktörler birlikte, SSCCC’lerin algılama performansını dinamik olarak etkileyerek yapısal değişikliklerin doğru bir şekilde algılanmasını ve izlenmesini sağlar.

Performans ve uygulamalar

ECCC’lerin performansı, tekrarlanabilirlik, histerezis, hassasiyet ve sinyal-gürültü oranı gibi parametreler kullanılarak değerlendirilir. Bunlar arasında hassasiyet ve tekrarlanabilirlik özellikle kritiktir, çünkü farklı yükleme koşulları değerlendirmelerini önemli ölçüde etkileyebilir.

ECCC’lerin elektriksel ve kendi kendini algılama davranışı, öncelikle iletken ağlarının geliştirilmesi ve dağıtımı tarafından yönetilir. ECCC’lerin performansını artırmak, iletken dolgu maddelerinin türü, geometrik şekli, konsantrasyonu ve yüzey işlemi dâhil olmak üzere çeşitli faktörleri optimize etmeyi içerir. Çimentolu matris, kendi kendini algılama yeteneklerini daha da artırabilir.

SSCC’ler, kaydedilen elektrik sinyallerine dayanarak gerilme, çatlaklar ve hasar gibi yapısal parametreleri tespit edebilir ve izleyebilir. Bu, onları ulaşım bilgisi tespiti için ideal hâle getirir. Örneğin, SSCC’leri köprü kaplama katmanlarına veya yol yüzeylerine entegre etmek, araç hızı, trafik hacmi ve dinamik ağırlık gibi trafik bilgilerinin gerçek zamanlı izlenmesini sağlar. Bu içgörüler, yol kullanım verimliliğinin iyileştirilmesine, güvenliğin artırılmasına ve ulaşım ağlarının akıllıca çalışmasına katkıda bulunur.

Şu anda, üstün iletkenlikleri ve birleştirme kolaylıkları nedeniyle CNT’ler, tasarlanmış SSCC’lerde en yaygın kullanılan iletken dolgu maddesidir. Doğrudan çimentoya karıştırılabilir veya agrega yüzeylerine kaplama olarak uygulanabilir ancak, özellikle CNT kaplı agregalardan hazırlanan SSCC’ler pratik uygulamalarda nispeten nadir kalmaya devam etmektedir, bu da daha fazla geliştirme ve yenilik için bir alanı vurgulamaktadır.

Sonuç ve gelecek beklentileri

Çalışma, nanokarbon malzemeyle tasarlanmış ECCC’ler üzerindeki mevcut araştırmaların kapsamlı bir genel görünümünü sunmakta olup, SSCC uygulamalarına vurgu yapmaktadır. Bu malzemeler, özellikle trafik izleme uygulamalarında büyük bir gelişme vadetmekte, ancak üretimleri önemli zorluklarla karşı karşıya kalmaya devam etmektedir.

Ultrasonik dispersiyon, mekanik karıştırma ve yüzey aktif maddeler gibi yöntemler yüksek kaliteli nanokarbon malzeme dispersiyonları elde etmede potansiyel göstermiş olsa da çimentolu matrislerde aynı dispersiyon seviyesini korumak bir zorluk olmaya devam etmektedir. Dispersiyon sorunu, nanokarbon malzemelerin aglomerasyon eğilimiyle birleştiğinde, genellikle ECCC’lerin hem mekanik hem de elektriksel özelliklerini tehlikeye atar.

Dahası, nanokarbon malzemelerin dâhil edilmesi, çimento karışımlarının işlenebilirliğini olumsuz yönde etkileyerek taşıma ve döküm süreçlerini karmaşıklaştırabilir. Bu faktörler, ECCC’lerin pratik uygulamalarda yaygın olarak benimsenmesini sınırlar.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için, gelecekteki araştırmalar, çimentolu kompozitler içinde nanokarbon malzemelerin düzgün ve kararlı dispersiyonunu sağlamak için daha uygun ve düşük maliyetli süreçler geliştirmeye odaklanmalıdır. Bu tür gelişmeler, ECCC’lerin mekanik, elektriksel ve algılama yeteneklerini geliştirecek, akıllı altyapı ve ötesinde daha geniş uygulamalara giden yolu açacaktır.

Kaynak: www.azobuild.com/news.aspx?newsID=23668