Μηχανική συμπεριφορά αποφλοιωμένου γραφενίου ενσωματωμένο σε πολυμερική μήτρα
Το γραφένιο είναι ένας τέλειος διδιάστατος κρύσταλλος ομοιοπολικά συνδεδεμένων ατόμων άνθρακα που υπόσχεται έναν αριθμό ηλεκτρικών θερμικών και μηχανικών εφαρμογών λόγω των εξαιρετικών φυσικών ιδιοτήτων του. Οι εντυπωσιακές μηχανικές του ιδιότητες καθιστούν ικανή τη χρήση του γραφενίου σε σύνθετα πο...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Μορφή: | Thesis |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2020
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/13224 |
| id |
nemertes-10889-13224 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Γραφένιο Εφελκυσμός Λυγισμός Παραμόρφωση Διδιάστατοι κρύσταλλοι AFM Raman spectroscopy Ribbon Buckling Poisson Graphene Exfoliated |
| spellingShingle |
Γραφένιο Εφελκυσμός Λυγισμός Παραμόρφωση Διδιάστατοι κρύσταλλοι AFM Raman spectroscopy Ribbon Buckling Poisson Graphene Exfoliated Σούλη, Ιωάννα Μηχανική συμπεριφορά αποφλοιωμένου γραφενίου ενσωματωμένο σε πολυμερική μήτρα |
| description |
Το γραφένιο είναι ένας τέλειος διδιάστατος κρύσταλλος ομοιοπολικά συνδεδεμένων ατόμων άνθρακα που υπόσχεται έναν αριθμό ηλεκτρικών θερμικών και μηχανικών εφαρμογών λόγω των εξαιρετικών φυσικών ιδιοτήτων του. Οι εντυπωσιακές μηχανικές του ιδιότητες καθιστούν ικανή τη χρήση του γραφενίου σε σύνθετα πολυμερή υψηλής απόδοσης. Το γραφένιο παρουσιάζει έναν μοναδικό συνδυασμό μηχανικών ιδιοτήτων. Συγκεκριμένα, οι μετρήσεις που έγιναν σε ελεύθερο αιωρούμενο γραφένιο μέσω μικροσκοπίου ατομικής δύναμης (AFM) έδωσαν σαν αποτέλεσμα το μέτρο ελαστικότητας Young ίσο με 1 ΤPa και αντοχή εφελκυσμού 130 GPa. Ωστόσο οι τιμές της ακαμψίας και της αντοχής προέκυψαν από πείραμα κάμψης θεωρώντας ότι το πεδίο της εφαρμογής ήταν ισόπλευρο και θεωρώντας ότι η μεμβράνη είναι άκαμπτη. Τα πειράματα μονοαξονικής φόρτισης του γραφενίου χωρίς αυτό να υποστηρίζεται από κάποιο υπόστρωμα είναι μεγίστης σημασίας για την εκτίμηση των ιδιοτήτων του γραφενίου. Βιβλιογραφικά, υπάρχουν μόνο λίγες προσπάθειες έως τώρα, διότι είναι δύσκολο να επιτευχθούν τέτοιου είδους πειράματα. Επιπλέον, το γραφένιο, λόγω του ατομικού του πάχους, είναι επιρρεπές σε μορφολογικές αστάθειες όταν σ’ αυτό υποβάλλονται μηχανικές φορτίσεις. Μια τέτοια μορφολογική αστάθεια είναι ο εγκάρσιος λυγισμός υπό μονοαξονική φόρτιση. Η μορφολογική αστάθεια είναι μια συμπεριφορά, χαρακτηριστική, των τεντωμένων μεμβρανών οι οποίες τείνουν να λυγίζουν λόγω συστολής Poisson. Σε απλά εδραζόμενο γραφένιο οι εγκάρσιες ρυτίδες είναι ένα αποτέλεσμα αστοχίας του υλικού καθώς αστοχεί η διεπαφή υποστρώματος υλικού. Σε ακανόνιστες διαστάσεις γραφενίου, η αστοχία εμφανίζεται σε σχετικά μικρές τάσεις εφελκυσμού (<1%) οι οποίες είναι επαρκείς προκειμένου να σχηματίσουν εγκάρσιο λυγισμό. Είναι σαφές ότι η εμφάνιση εγκάρσιων ρυτίδων σε μικρές φορτίσεις, τόσο στα δείγματα που είναι στον αέρα όσο και στα δείγματα γραφενίου που εδράζονται σε κάποιο υπόστρωμα, επηρεάζουν αρνητικά τη μηχανική απόδοση του γραφενίου και περιορίζουν τις εφαρμογές του. Ως εκ τούτου, προκειμένου να αξιοποιηθεί πλήρως η δυναμική του υλικού αυτού ως ενισχυτικό μέσο σε σύνθετα υλικά και για την αποφυγή της αστοχίας της διεπαφής σε εύκαμπτες συσκευές, θα πρέπει να καθυστερείται ο εγκάρσιος λυγισμός του γραφενίου. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, αποδεικνύεται ότι το σχήμα του γραφενίου μπορεί να διαδραματίσει σπουδαίο ρόλο στην εμφάνιση του φαινομένου που αναφέραμε. Συγκεκριμένα, τα δείγματα σχήματος λωρίδας μπορούν να καθυστερήσουν την εμφάνιση ρυτίδων σε μεγαλύτερες παραμορφώσεις, όπως αυτό επαληθεύεται με πειράματα που έγιναν. Τα πειράματα, ήταν ένας συνδυασμός μονοαξονικών εφελκυστικών παραμορφώσεων μέσω μικροσκοπίου ατομικής δύναμης (AFM). Η γεωμετρία του σχήματος λωρίδας επιτρέπει στο γραφένιο να αντέχει σε μεγάλες παραμορφώσεις (2,2%) όπως αυτό αποδεικνύεται μέσω φασματοσκοπίας Raman. Τέλος, γραφένιο σχήματος λωρίδας ενσωματώθηκε και σε πολυμερική μήτρα για περαιτέρω βελτίωση των διεπιφανειακών ιδιοτήτων. |
| author2 |
Γαλιώτης, Κωνσταντίνος |
| author_facet |
Γαλιώτης, Κωνσταντίνος Σούλη, Ιωάννα |
| format |
Thesis |
| author |
Σούλη, Ιωάννα |
| author_sort |
Σούλη, Ιωάννα |
| title |
Μηχανική συμπεριφορά αποφλοιωμένου γραφενίου ενσωματωμένο σε πολυμερική μήτρα |
| title_short |
Μηχανική συμπεριφορά αποφλοιωμένου γραφενίου ενσωματωμένο σε πολυμερική μήτρα |
| title_full |
Μηχανική συμπεριφορά αποφλοιωμένου γραφενίου ενσωματωμένο σε πολυμερική μήτρα |
| title_fullStr |
Μηχανική συμπεριφορά αποφλοιωμένου γραφενίου ενσωματωμένο σε πολυμερική μήτρα |
| title_full_unstemmed |
Μηχανική συμπεριφορά αποφλοιωμένου γραφενίου ενσωματωμένο σε πολυμερική μήτρα |
| title_sort |
μηχανική συμπεριφορά αποφλοιωμένου γραφενίου ενσωματωμένο σε πολυμερική μήτρα |
| publishDate |
2020 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/13224 |
| work_keys_str_mv |
AT soulēiōanna mēchanikēsymperiphoraapophloiōmenougrapheniouensōmatōmenosepolymerikēmētra AT soulēiōanna mechanicalbehaviorexfoliatedgrapheneembeddedinapolymermatrix |
| _version_ |
1771297193109487616 |
| spelling |
nemertes-10889-132242022-09-05T09:41:29Z Μηχανική συμπεριφορά αποφλοιωμένου γραφενίου ενσωματωμένο σε πολυμερική μήτρα Mechanical behavior exfoliated graphene embedded in a polymer matrix Σούλη, Ιωάννα Γαλιώτης, Κωνσταντίνος Τσιτσιλιάνης, Κωνσταντίνος Γιαννόπουλος, Σπυρίδων Souli, Ioanna Γραφένιο Εφελκυσμός Λυγισμός Παραμόρφωση Διδιάστατοι κρύσταλλοι AFM Raman spectroscopy Ribbon Buckling Poisson Graphene Exfoliated Το γραφένιο είναι ένας τέλειος διδιάστατος κρύσταλλος ομοιοπολικά συνδεδεμένων ατόμων άνθρακα που υπόσχεται έναν αριθμό ηλεκτρικών θερμικών και μηχανικών εφαρμογών λόγω των εξαιρετικών φυσικών ιδιοτήτων του. Οι εντυπωσιακές μηχανικές του ιδιότητες καθιστούν ικανή τη χρήση του γραφενίου σε σύνθετα πολυμερή υψηλής απόδοσης. Το γραφένιο παρουσιάζει έναν μοναδικό συνδυασμό μηχανικών ιδιοτήτων. Συγκεκριμένα, οι μετρήσεις που έγιναν σε ελεύθερο αιωρούμενο γραφένιο μέσω μικροσκοπίου ατομικής δύναμης (AFM) έδωσαν σαν αποτέλεσμα το μέτρο ελαστικότητας Young ίσο με 1 ΤPa και αντοχή εφελκυσμού 130 GPa. Ωστόσο οι τιμές της ακαμψίας και της αντοχής προέκυψαν από πείραμα κάμψης θεωρώντας ότι το πεδίο της εφαρμογής ήταν ισόπλευρο και θεωρώντας ότι η μεμβράνη είναι άκαμπτη. Τα πειράματα μονοαξονικής φόρτισης του γραφενίου χωρίς αυτό να υποστηρίζεται από κάποιο υπόστρωμα είναι μεγίστης σημασίας για την εκτίμηση των ιδιοτήτων του γραφενίου. Βιβλιογραφικά, υπάρχουν μόνο λίγες προσπάθειες έως τώρα, διότι είναι δύσκολο να επιτευχθούν τέτοιου είδους πειράματα. Επιπλέον, το γραφένιο, λόγω του ατομικού του πάχους, είναι επιρρεπές σε μορφολογικές αστάθειες όταν σ’ αυτό υποβάλλονται μηχανικές φορτίσεις. Μια τέτοια μορφολογική αστάθεια είναι ο εγκάρσιος λυγισμός υπό μονοαξονική φόρτιση. Η μορφολογική αστάθεια είναι μια συμπεριφορά, χαρακτηριστική, των τεντωμένων μεμβρανών οι οποίες τείνουν να λυγίζουν λόγω συστολής Poisson. Σε απλά εδραζόμενο γραφένιο οι εγκάρσιες ρυτίδες είναι ένα αποτέλεσμα αστοχίας του υλικού καθώς αστοχεί η διεπαφή υποστρώματος υλικού. Σε ακανόνιστες διαστάσεις γραφενίου, η αστοχία εμφανίζεται σε σχετικά μικρές τάσεις εφελκυσμού (<1%) οι οποίες είναι επαρκείς προκειμένου να σχηματίσουν εγκάρσιο λυγισμό. Είναι σαφές ότι η εμφάνιση εγκάρσιων ρυτίδων σε μικρές φορτίσεις, τόσο στα δείγματα που είναι στον αέρα όσο και στα δείγματα γραφενίου που εδράζονται σε κάποιο υπόστρωμα, επηρεάζουν αρνητικά τη μηχανική απόδοση του γραφενίου και περιορίζουν τις εφαρμογές του. Ως εκ τούτου, προκειμένου να αξιοποιηθεί πλήρως η δυναμική του υλικού αυτού ως ενισχυτικό μέσο σε σύνθετα υλικά και για την αποφυγή της αστοχίας της διεπαφής σε εύκαμπτες συσκευές, θα πρέπει να καθυστερείται ο εγκάρσιος λυγισμός του γραφενίου. Σε αυτή τη διπλωματική εργασία, αποδεικνύεται ότι το σχήμα του γραφενίου μπορεί να διαδραματίσει σπουδαίο ρόλο στην εμφάνιση του φαινομένου που αναφέραμε. Συγκεκριμένα, τα δείγματα σχήματος λωρίδας μπορούν να καθυστερήσουν την εμφάνιση ρυτίδων σε μεγαλύτερες παραμορφώσεις, όπως αυτό επαληθεύεται με πειράματα που έγιναν. Τα πειράματα, ήταν ένας συνδυασμός μονοαξονικών εφελκυστικών παραμορφώσεων μέσω μικροσκοπίου ατομικής δύναμης (AFM). Η γεωμετρία του σχήματος λωρίδας επιτρέπει στο γραφένιο να αντέχει σε μεγάλες παραμορφώσεις (2,2%) όπως αυτό αποδεικνύεται μέσω φασματοσκοπίας Raman. Τέλος, γραφένιο σχήματος λωρίδας ενσωματώθηκε και σε πολυμερική μήτρα για περαιτέρω βελτίωση των διεπιφανειακών ιδιοτήτων. Graphene is a perfect 2-dimensional crystal of covalently bonded carbon atoms that is promising candidate for a number of electrical, thermal and mechanical applications due to its exceptional physical properties. Its impressive mechanical properties have made graphene an obvious candidate for the use in high performance polymer-based composites. Pristine, defect-free graphene exhibits a unique combination of mechanical properties: in fact, nanoindentation measurements on freely suspended monolayer graphene membranes in an atomic force microscope (AFM) have yielded a Young’s modulus of 1 TPa and a tensile strength of 130 GPa. However, the values of stiffness and strength were derived from a bending experiment in which the stress field is equi-biaxial and by assuming the bending stiffness of the membrane to be zero. True uniaxial loading experiment is of paramount importance to assess the intrinsic properties of graphene without the influence of an underlying substrate and without relying on any theoretical models; but only very few attempts have been reported in the literature as such a test is not easy to accomplish. Furthermore, due to its atomic thickness, graphene is strongly susceptible to morphological instabilities when subjected to mechanical loading. A typical manifestation is lateral wrinkling under uniaxial tension, which is typical of stretched elastic membranes that tend to buckle to accommodate the in-plane strain incompatibility generated via the Poisson’s effect. In simply supported graphenes, lateral wrinkles can be classified as a buckling failure since graphene sticks up and hollowed regions are formed as the interface fails. Normally such an effect in irregular flakes of large dimensions appears at relatively small tensile strains (<1%) which are sufficient for the generation of lateral strains that can exceed the failure threshold in compression. Therefore, despite its potential capability to withstand large deformations, it is clear that the occurrence of lateral wrinkling at small strain in both freely suspended and supported flakes does affect negatively the mechanical performance of graphene and limits its applications. Hence, in order to exploit the full potential of graphene as an efficient reinforcement in composites or to avoid premature interfacial failure in flexible devices, lateral wrinkling should be prevented or, at least, delayed. In this thesis, we demonstrate that the shape of graphene flakes can play a pivotal role in the occurrence of the out-of-plane phenomena and, in particular, the regular and narrow geometry of micro-ribbons can arrest the onset of lateral wrinkling at larger deformations, as verified by combining uniaxial tensile test with AFM. Furthermore, the specific geometry of micro-ribbons also enables graphene to withstand large deformations without interfacial debonding (up to 2.2%), as highlighted by mechanical experiments combined with Raman spectroscopy. Finally, graphene micro-ribbons were embedded to polymer matrices for further improvement of the interfacial properties. 2020-02-27T20:26:51Z 2020-02-27T20:26:51Z 2019-11-25 Thesis http://hdl.handle.net/10889/13224 gr 0 application/pdf |
