Κρούση χαμηλής ταχύτητας και θλίψη μετά από κρούση σύνθετων υλικών ενισχυμένων με ίνες άνθρακα τροποποιημένων με υλικά αυτοΐασης τύπου Diels-Alder και νανοσωματίδια γραφιτικής βάσης

• Main Author: Τζαβάρας, Γρηγόριος
• Other Authors: Tzavaras, Grigorios
• Language: Greek
• Published: 2021
• Subjects: Σύνθετα υλικά; Αυτοϊάσιμα υλικά; Ηλεκτροϊνοποίηση; Δις-μαλεϊμίδια; Νανοσωματίδια γραφιτικής βάσης; Κρούση χαμηλής ταχύτητας; Θλίψη μετά από κρούση; Composite materials; Self-healing materials; Electrospinning; Bis-maleimides; Graphite nanoparticles; Low velocity impact; Compression after impact

Πολύστρωτα σύνθετα υλικά (ΣΥ) ενισχυμένα με ίνες άνθρακα (Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRPs) είναι επιρρεπή στη διάδοση μικρορωγμών κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους σε κατασκευές. Έχει παρατηρηθεί ύστερα από εκτεταμένη έρευνα, ότι τα εν λόγω υλικά δημιουργούν τοπικά αστοχίες υπό την επίδραση κρουστικών φαινομένων. Ο έγκαιρος εντοπισμός και η επιδιόρθωση αστοχιών στη δομή ενός συνθέτου υλικού, αποτελεί μία απαιτητική διεργασία που πολλές φορές καθίσταται αδύνατη σε περιοχές στο εσωτερικό του ΣΥ. Τα υλικά αυτοΐασης (self-healing materials), εν αντιθέσει με τα κλασικά υλικά, παρέχουν τη δυνατότητα εντοπισμού και επιδιόρθωσης της περιοχής που έχει υποστεί φθορά, περιορισμού της διάδοσης της αστοχίας, επιμήκυνσης του χρονικού ορίου χρήσης, καθώς και αποκατάστασης. Επίσης, επαναφέρουν μέχρι ενός βαθμού, τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού, συμβάλλοντας παράλληλα στη μείωση των αποβλήτων που δημιουργούνται από μη-αξιοποιήσιμα υλικά που έχουν αστοχήσει. Τα υλικά αυτοΐασης (ΑΙ) είναι εμπνευσμένα από βιολογικά συστήματα για αυτόματη επιδιόρθωση ιστών που έχουν υποστεί βλάβη. Ενσωματώνονται στο εσωτερικό των συνθέτων υλικών (ΣΥ) με ποικίλες μεθόδους, με τρόπο που να μην επηρεάζουν τη γεωμετρία του και κατ’ επέκταση τις μηχανικές του. Ανάλογα με την στρατηγική που ακολουθείται κάθε φορά, διακρίνονται σε εγγενούς και εξωγενούς τύπου. Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζεται η ενσωμάτωση πολυμερούς τύπου δις-μαλεϊμιδίου ως υλικού ΑΙ εγγενούς τύπου στο εσωτερικό πολυστρώτων πλακών. Τα πολυμερή αυτού τύπου, βασίζονται στο μηχανισμό Diels-Alder, που τους προσδίδει την ιδιότητα θερμικής αναστρεψιμότητας του δικτύου δεσμών τους. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να υποστηρίξουν πολλαπλούς κύκλους ΑΙ χωρίς να υποβαθμίζονται οι ιδιότητές τους. Στη περίπτωση μας το υλικό ΑΙ ενσωματώθηκε με την τεχνική της ηλεκτροϊνοποίησης σε συγκεκριμένη περιοχή πάνω στην επιφάνεια των προ-εμποτισμένων πανιών προτού εισαχθούν στον αυτόκλειστο φούρνο για τη δημιουργία των τελικών πλακών. Δοκίμια αναφοράς και τροποποιημένα με παράγοντα ΑΙ (τροποποιημένα και μη με γραφένια) παρασκευάσθηκαν με αλληλουχία στρώσεων [45/0/-45/90]2S. Δεκαπέντε (15) δοκίμια από κάθε κατηγορία παρασκευάσθηκαν και εξετάστηκαν σε πειράματα κρούσης χαμηλής ταχύτητας και θλίψης πριν, μετά την κρούση και μετά τη διαδικασία της ΑΙ. Σκοπός ήταν να συγκριθεί η απόκριση των δοκιμίων σε κρουστικά φαινόμενα, όπου σχηματίστηκαν διαστρωματικές αποκολλήσεις στο εσωτερικό τους και στη συνέχεια να αξιολογηθούν οι μηχανικές τους ιδιότητες σε πειράματα θλίψης. Παρατηρήθηκε, αρχικά, από τα πειράματα θλίψης πριν την κρούση πως δεν υποβαθμίστηκαν σημαντικά οι ιδιότητες των δοκιμίων από την ενσωμάτωση του παράγοντα ΑΙ, ενώ όλα τα δοκίμια παρουσίασαν παρόμοια συμπεριφορά στο σχηματισμό βλάβης, από εικόνες ελέγχου με υπερήχους (c-scan), μετά τα πειράματα κρούσης. Μετά τη διαδικασία ΑΙ, η περιοχή βλάβης επιδιορθώθηκε είτε πλήρως (τροποποιημένα δοκίμια χωρίς νανοσωματίδια) είτε σε μεγάλο ποσοστό (τροποποιημένα με νανοσωματίδια δοκίμια) ενώ η εναπομένουσα αντοχή σε θλίψη, που αποτέλεσε και την κύρια ιδιότητα προς εξέταση, ανακτήθηκε σε μεγάλο ποσοστό στα τροποποιημένα δοκίμια. Η παρουσία των νανοσωματιδίων προκάλεσε σχηματισμό μεγαλύτερης επιφάνειας βλάβης και κατά συνέπεια χαμηλότερες τιμές εναπομένουσας αντοχής σε θλίψη συγκριτικά με τα δοκίμια αναφοράς. Ωστόσο, το μεγάλο ποσοστό ανάκτησης της αντοχής τους αποτέλεσε ενθαρρυντικό στοιχείο και με επιμέρους τροποποιήσεις στη διαδικασία δύναται να παρουσιάσουν βελτιωμένη μηχανική συμπεριφορά.