Investigation of the effect of graphene nanospecies on the damage tolerance of fibrous composite materials under static loading

In the last decades, fibrous composite materials have proven to be the answer in the advanced industries' search for materials with superior mechanical properties, combined with minimized weight. Graphene, one of the current century's greatest discoveries, was quickly realized to be of imm...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Σπετσιέρης, Αθανάσιος
Άλλοι συγγραφείς: Spetsieris, Athanasios
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/14929
id nemertes-10889-14929
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Composites
Nano-enhanced laminates
Graphene nanoplatelets
Fracture
Σύνθετα υλικά
Νάνο-ενισχυμένες πολύστρωτες δομές
Γραφένιο
Θραύση
spellingShingle Composites
Nano-enhanced laminates
Graphene nanoplatelets
Fracture
Σύνθετα υλικά
Νάνο-ενισχυμένες πολύστρωτες δομές
Γραφένιο
Θραύση
Σπετσιέρης, Αθανάσιος
Investigation of the effect of graphene nanospecies on the damage tolerance of fibrous composite materials under static loading
description In the last decades, fibrous composite materials have proven to be the answer in the advanced industries' search for materials with superior mechanical properties, combined with minimized weight. Graphene, one of the current century's greatest discoveries, was quickly realized to be of immense value in this search. The inclusion of various types of graphene nanoparticles in composite structures yielded not only astounding mechanical properties, but also unprecedented improvements in the electrical, chemical and optical properties of such materials. In the present thesis, the effect of graphene nanoplatelets (GNPs) in the fracture response of fibrous composite specimens is investigated. More specifically, nano-enhanced laminates were compared to their neat counterparts on their interlaminar fracture toughness results in Mode I and Mode II testing, under static loading. In the case of nanoenhanced specimens, two material systems were created with nanoparticles of different dimensional features, in order to further assess the effect of sizing in the overall enhancement. The specimens for both modes originated from a single laminated CFRP plate in each case, the manufacturing of which entailed the use of an automated pre-impregnation contraption, lamination and consolidation by means of an autoclave. For the nano-enhanced epoxy matrix, the required dispersion of the GNPs was achieved by following the method of three-roll milling, that utilizes a calender configuration. Results indicated a similar fracture response in both modes, as the nano-enhanced material system with the smaller GNPs exhibited improvement of the interlaminar fracture toughness values, by 19% for Mode I and 5% for Mode II, compared to the neat matrix system. On the contrary, the second nano-enhanced material system's results showed deterioration of the same values, 27% and 37% respectively, providing thus a strong case on the matter of the nanoparticles' dimensions effect on their capability to enhance composite material structures.
author2 Spetsieris, Athanasios
author_facet Spetsieris, Athanasios
Σπετσιέρης, Αθανάσιος
author Σπετσιέρης, Αθανάσιος
author_sort Σπετσιέρης, Αθανάσιος
title Investigation of the effect of graphene nanospecies on the damage tolerance of fibrous composite materials under static loading
title_short Investigation of the effect of graphene nanospecies on the damage tolerance of fibrous composite materials under static loading
title_full Investigation of the effect of graphene nanospecies on the damage tolerance of fibrous composite materials under static loading
title_fullStr Investigation of the effect of graphene nanospecies on the damage tolerance of fibrous composite materials under static loading
title_full_unstemmed Investigation of the effect of graphene nanospecies on the damage tolerance of fibrous composite materials under static loading
title_sort investigation of the effect of graphene nanospecies on the damage tolerance of fibrous composite materials under static loading
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/14929
work_keys_str_mv AT spetsierēsathanasios investigationoftheeffectofgraphenenanospeciesonthedamagetoleranceoffibrouscompositematerialsunderstaticloading
AT spetsierēsathanasios meletētēsepidrasēsgraphitikōnnanosōmatidiōnstēnanochēseblabēinōdōnsynthetōnylikōnsesynthēkesstatikēskataponēsēs
_version_ 1771297179704492032
spelling nemertes-10889-149292022-09-05T06:58:08Z Investigation of the effect of graphene nanospecies on the damage tolerance of fibrous composite materials under static loading Μελέτη της επίδρασης γραφιτικών νανοσωματιδίων στην ανοχή σε βλάβη ινωδών συνθέτων υλικών σε συνθήκες στατικής καταπόνησης Σπετσιέρης, Αθανάσιος Spetsieris, Athanasios Composites Nano-enhanced laminates Graphene nanoplatelets Fracture Σύνθετα υλικά Νάνο-ενισχυμένες πολύστρωτες δομές Γραφένιο Θραύση In the last decades, fibrous composite materials have proven to be the answer in the advanced industries' search for materials with superior mechanical properties, combined with minimized weight. Graphene, one of the current century's greatest discoveries, was quickly realized to be of immense value in this search. The inclusion of various types of graphene nanoparticles in composite structures yielded not only astounding mechanical properties, but also unprecedented improvements in the electrical, chemical and optical properties of such materials. In the present thesis, the effect of graphene nanoplatelets (GNPs) in the fracture response of fibrous composite specimens is investigated. More specifically, nano-enhanced laminates were compared to their neat counterparts on their interlaminar fracture toughness results in Mode I and Mode II testing, under static loading. In the case of nanoenhanced specimens, two material systems were created with nanoparticles of different dimensional features, in order to further assess the effect of sizing in the overall enhancement. The specimens for both modes originated from a single laminated CFRP plate in each case, the manufacturing of which entailed the use of an automated pre-impregnation contraption, lamination and consolidation by means of an autoclave. For the nano-enhanced epoxy matrix, the required dispersion of the GNPs was achieved by following the method of three-roll milling, that utilizes a calender configuration. Results indicated a similar fracture response in both modes, as the nano-enhanced material system with the smaller GNPs exhibited improvement of the interlaminar fracture toughness values, by 19% for Mode I and 5% for Mode II, compared to the neat matrix system. On the contrary, the second nano-enhanced material system's results showed deterioration of the same values, 27% and 37% respectively, providing thus a strong case on the matter of the nanoparticles' dimensions effect on their capability to enhance composite material structures. Τις τελευταίες δεκαετίες, τα ινώδη σύνθετα υλικά αποδείχτηκαν ως η απάντηση στην αναζήτηση των προηγμένων βιομηχανιών για υλικά που συνδυάζουν εντυπωσιακές μηχανικές ιδιότητες, με ελαχιστοποιημένο βάρος. Το γραφένιο, μία από τις σπουδαιότερες ανακαλύψεις του τρέχοντος αιώνα, γρήγορα έγινε αντιληπτό ως εξαιρετικά χρήσιμο στην εν λόγω αναζήτηση. Η ενσωμάτωση διαφόρων τύπων γραφενίου σε δομές συνθέτων υλικών επέφερε όχι μόνο εκπληκτικές μηχανικές ιδιότητες, αλλά και πρωτοφανείς βελτιώσεις στις ηλεκτρικές, χημικές και οπτικές ιδιότητες αυτών των υλικών. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, διερευνάται η επίδραση των σωματιδίων ολιγοστρωματικού γραφενίου (GNPs) στην θραυστομηχανική απόκριση δοκιμίων από ινώδη σύνθετα υλικά. Πιο συγκεκριμένα, νάνο-ενισχυμένες πολύστρωτες δομές συγκρίθηκαν με τις μη-ενισχυμένες αντίστοιχές τους, ως προς τα αποτελέσματα της διαστρωματικής αντοχής τους στην θραύση σε πειράματα Mode I και Mode II, υπό στατική φόρτιση. Για την περίπτωση των νανο-ενισχυμένων δοκιμίων, δημιουργήθηκαν δύο μητρικά συστήματα, με νανοσωματίδια διαφορετικών διαστασιολογικών χαρακτηριστικών, ώστε να μπορούν να εξαχθούν περαιτέρω συμπεράσματα ως προς την επίδραση της διάστασης στην συμβολή της νανο-ενίσχυσης. Τα δοκίμια και για τα δύο modes, προέρχονταν από μία CFRP πολύστρωτη πλάκα για κάθε περίπτωση, η κατασκευή της οποίας περιλάμβανε την χρήση μιας αυτοματοποιημένης διάταξης προ-εμποτισμού, στρωματοποίηση και στερεοποίηση μέσω αυτόκλειστου φούρνου. Για την νανο-ενισχυμένη εποξική μήτρα, η ζητούμενη διασπορά των GNPs επιτεύχθηκε μέσω της μεθόδου three-roll milling, που χρησιμοποιεί μια καλάνδρα. Τα αποτελέσματα υπέδειξαν κοινή απόκριση των δοκιμίων και στα δύο modes, καθώς το σύστημα με τα νανο-εγκλείσματα μικρότερης διαμέτρου παρουσίασε βελτίωση της διαστρωματικής αντοχής στην θραύση, κατά 19% σε Mode I και 5% σε Mode II, σε σύγκριση με την μη-ενισχυμένη παρτίδα. Αντίθετα, το δεύτερο νανο-ενισχυμένο σύστημα παρουσίασε επιδείνωση των αντίστοιχων τιμών, κατά 27% και 37% αντίστοιχα, δίνοντας έτσι ενδιαφέρουσες ενδείξεις ως προς την επίδραση των διαστασιολογικών χαρακτηριστικών των νανοσωματιδίων, στην ικανότητά τους να ενισχύσουν δομές από σύνθετα υλικά. 2021-07-07T10:02:31Z 2021-07-07T10:02:31Z 2021-07-07 http://hdl.handle.net/10889/14929 en application/pdf