Προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτοεπουλώμενων συνθέτων υλικών
Τα τελευταία χρόνια η μεγάλη ευελιξία των συνθέτων υλικών για τις ανάγκες των διαφόρων τεχνολογικών εφαρμογών και η ελευθερία σχεδιασμού που εκείνα προσφέρουν, έχει οδηγήσει στην ταχεία εξάπλωσή τους στην Αεροναυπηγική και την Διαστημική, την Αυτοκινητοβιομηχανία, την Ναυτιλία, καθώς και σε άλλους τ...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2021
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/15323 |
| id |
nemertes-10889-15323 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Μικροκάψουλες Αυτοεπούλωση Ύφασμα συνθέτου υλικού Microcapsules Self-healing Fabric of composite material Digimat Ansys |
| spellingShingle |
Μικροκάψουλες Αυτοεπούλωση Ύφασμα συνθέτου υλικού Microcapsules Self-healing Fabric of composite material Digimat Ansys Μαδιά, Ευγενία Προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτοεπουλώμενων συνθέτων υλικών |
| description |
Τα τελευταία χρόνια η μεγάλη ευελιξία των συνθέτων υλικών για τις ανάγκες των διαφόρων τεχνολογικών εφαρμογών και η ελευθερία σχεδιασμού που εκείνα προσφέρουν, έχει οδηγήσει στην ταχεία εξάπλωσή τους στην Αεροναυπηγική και την Διαστημική, την Αυτοκινητοβιομηχανία, την Ναυτιλία, καθώς και σε άλλους τομείς. Παράλληλα, οι ολοένα αυξανόμενες τεχνολογικές απαιτήσεις έχουν δημιουργήσει την ανάγκη βελτίωσης των ιδιοτήτων τους ή ακόμα επέκτασης της διάρκειας ζωής τους. Στο πλαίσιο αυτό και αντλώντας έμπνευση από τους μηχανισμούς επούλωσης των έμβιων όντων, η επιστημονική κοινότητα έχει στραφεί προς την εξέλιξη της επούλωσης των συνθέτων υλικών, εισάγοντας μια νέα κατηγορία υλικών, τα αυτοεπουλώμενα υλικά.
Τα υλικά αυτά, εμπνευσμένα από τη φύση, έχουν τη δυνατότητα να επουλώνουν αυτόνομα, χωρίς εξωτερικές παρεμβάσεις, πιθανές βλάβες, όπως μικρορωγμές της μήτρας. Η κατηγορία αυτοεπουλώμενων υλικών η οποία αποτελεί το κεντρικό αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι εκείνα που πραγματοποιούν την επούλωση μέσω ενός επουλωτικού παράγοντα που περικλείουν στο εσωτερικό τους, μέσα σε συμπαγείς μικροκάψουλες. Κατά τη δημιουργία ρωγμών, οι μικροκάψουλες σπάνε και με τη βοήθεια των καταλυτών που υπάρχουν ήδη στο υλικό, ο επουλωτικός παράγοντας πολυμερίζεται και σφραγίζει τη ρωγμή.
Στην παρούσα εργασία, αρχικά στα Κεφάλαια 1 και 2 γίνεται αναφορά στα σύνθετα υλικά και ειδικότερα στα υφάσματα (woven fabrics) και έπειτα στα πολυλειτουργικά υλικά. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 3, περιγράφονται οι κύριες τεχνικές αυτοεπούλωσης που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα, ενώ στο Κεφάλαιο 4 εστιάζουμε στο μηχανισμό αυτοεπούλωσης με μικροκάψουλες που θα μας απασχολήσει. Ακολούθως, παρουσιάζονται σημαντικές έρευνες που σχετίζονται με το αντικείμενο της επούλωσης, καθώς και τα συμπεράσματά τους όσον αφορά το μηχανισμό και τις εφαρμογές του.
Όσον αφορά στη μεθοδολογία της Διπλωματικής, αναπτύχθηκε μοντέλο πολλαπλών κλιμάκων για την προσομοίωση της επίδρασης σημαντικών παραμέτρων των μικροκαψουλών στη μηχανική συμπεριφορά της πολυμερικής μήτρας. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε η επίδραση της διαμέτρου και της περιεκτικότητά τους, πρωτίστως στις ελαστικές και στη συνέχεια στις μηχανικές ιδιότητες του συνθέτου υλικού. Στα πλαίσια αυτά αναπτύχθηκε αντιπροσωπευτική μοναδιαία κυψελίδα πολυμερικής μήτρας με μικροκάψουλες και έπειτα υφάσματος από σύνθετο υλικό απλής πλέξης ινών άνθρακα με την πολυμερική μήτρα και τις μικροκάψουλες της προηγούμενης κλίμακας. Επιπρόσθετα, μοντελοποιήθηκε το υλικό στη μακροσκοπική κλίμακα με αξιοποίηση των μηχανικών ιδιοτήτων της μικροσκοπικής κλίμακας και ύστερα μέσω του πειράματος κάμψης 3 σημείων υπολογίσθηκε η διαστρωματική αντοχή σε διάτμηση για κάθε παράμετρο. Συμπεράσματα εξήχθησαν και έγινε σύγκριση με υπάρχοντα πειραματικά αποτελέσματα.
Τέλος, προτάθηκαν ορισμένοι μελλοντικοί στόχοι που θα μπορούσαν να βελτιώσουν και να εξελίξουν το μηχανισμό αυτοεπούλωσης με μικροκάψουλες. |
| author2 |
Madia, Evgenia |
| author_facet |
Madia, Evgenia Μαδιά, Ευγενία |
| author |
Μαδιά, Ευγενία |
| author_sort |
Μαδιά, Ευγενία |
| title |
Προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτοεπουλώμενων συνθέτων υλικών |
| title_short |
Προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτοεπουλώμενων συνθέτων υλικών |
| title_full |
Προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτοεπουλώμενων συνθέτων υλικών |
| title_fullStr |
Προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτοεπουλώμενων συνθέτων υλικών |
| title_full_unstemmed |
Προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτοεπουλώμενων συνθέτων υλικών |
| title_sort |
προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτοεπουλώμενων συνθέτων υλικών |
| publishDate |
2021 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/15323 |
| work_keys_str_mv |
AT madiaeugenia prosomoiōsētēsmēchanikēssymperiphorasautoepoulōmenōnsynthetōnylikōn AT madiaeugenia simulationofthemechanicalbehaviorofselfhealingcompositematerials |
| _version_ |
1799945007717679104 |
| spelling |
nemertes-10889-153232022-09-06T05:13:56Z Προσομοίωση της μηχανικής συμπεριφοράς αυτοεπουλώμενων συνθέτων υλικών Simulation of the mechanical behavior of self-healing composite materials Μαδιά, Ευγενία Madia, Evgenia Μικροκάψουλες Αυτοεπούλωση Ύφασμα συνθέτου υλικού Microcapsules Self-healing Fabric of composite material Digimat Ansys Τα τελευταία χρόνια η μεγάλη ευελιξία των συνθέτων υλικών για τις ανάγκες των διαφόρων τεχνολογικών εφαρμογών και η ελευθερία σχεδιασμού που εκείνα προσφέρουν, έχει οδηγήσει στην ταχεία εξάπλωσή τους στην Αεροναυπηγική και την Διαστημική, την Αυτοκινητοβιομηχανία, την Ναυτιλία, καθώς και σε άλλους τομείς. Παράλληλα, οι ολοένα αυξανόμενες τεχνολογικές απαιτήσεις έχουν δημιουργήσει την ανάγκη βελτίωσης των ιδιοτήτων τους ή ακόμα επέκτασης της διάρκειας ζωής τους. Στο πλαίσιο αυτό και αντλώντας έμπνευση από τους μηχανισμούς επούλωσης των έμβιων όντων, η επιστημονική κοινότητα έχει στραφεί προς την εξέλιξη της επούλωσης των συνθέτων υλικών, εισάγοντας μια νέα κατηγορία υλικών, τα αυτοεπουλώμενα υλικά. Τα υλικά αυτά, εμπνευσμένα από τη φύση, έχουν τη δυνατότητα να επουλώνουν αυτόνομα, χωρίς εξωτερικές παρεμβάσεις, πιθανές βλάβες, όπως μικρορωγμές της μήτρας. Η κατηγορία αυτοεπουλώμενων υλικών η οποία αποτελεί το κεντρικό αντικείμενο αυτής της εργασίας είναι εκείνα που πραγματοποιούν την επούλωση μέσω ενός επουλωτικού παράγοντα που περικλείουν στο εσωτερικό τους, μέσα σε συμπαγείς μικροκάψουλες. Κατά τη δημιουργία ρωγμών, οι μικροκάψουλες σπάνε και με τη βοήθεια των καταλυτών που υπάρχουν ήδη στο υλικό, ο επουλωτικός παράγοντας πολυμερίζεται και σφραγίζει τη ρωγμή. Στην παρούσα εργασία, αρχικά στα Κεφάλαια 1 και 2 γίνεται αναφορά στα σύνθετα υλικά και ειδικότερα στα υφάσματα (woven fabrics) και έπειτα στα πολυλειτουργικά υλικά. Στη συνέχεια, στο Κεφάλαιο 3, περιγράφονται οι κύριες τεχνικές αυτοεπούλωσης που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα, ενώ στο Κεφάλαιο 4 εστιάζουμε στο μηχανισμό αυτοεπούλωσης με μικροκάψουλες που θα μας απασχολήσει. Ακολούθως, παρουσιάζονται σημαντικές έρευνες που σχετίζονται με το αντικείμενο της επούλωσης, καθώς και τα συμπεράσματά τους όσον αφορά το μηχανισμό και τις εφαρμογές του. Όσον αφορά στη μεθοδολογία της Διπλωματικής, αναπτύχθηκε μοντέλο πολλαπλών κλιμάκων για την προσομοίωση της επίδρασης σημαντικών παραμέτρων των μικροκαψουλών στη μηχανική συμπεριφορά της πολυμερικής μήτρας. Πιο συγκεκριμένα, μελετήθηκε η επίδραση της διαμέτρου και της περιεκτικότητά τους, πρωτίστως στις ελαστικές και στη συνέχεια στις μηχανικές ιδιότητες του συνθέτου υλικού. Στα πλαίσια αυτά αναπτύχθηκε αντιπροσωπευτική μοναδιαία κυψελίδα πολυμερικής μήτρας με μικροκάψουλες και έπειτα υφάσματος από σύνθετο υλικό απλής πλέξης ινών άνθρακα με την πολυμερική μήτρα και τις μικροκάψουλες της προηγούμενης κλίμακας. Επιπρόσθετα, μοντελοποιήθηκε το υλικό στη μακροσκοπική κλίμακα με αξιοποίηση των μηχανικών ιδιοτήτων της μικροσκοπικής κλίμακας και ύστερα μέσω του πειράματος κάμψης 3 σημείων υπολογίσθηκε η διαστρωματική αντοχή σε διάτμηση για κάθε παράμετρο. Συμπεράσματα εξήχθησαν και έγινε σύγκριση με υπάρχοντα πειραματικά αποτελέσματα. Τέλος, προτάθηκαν ορισμένοι μελλοντικοί στόχοι που θα μπορούσαν να βελτιώσουν και να εξελίξουν το μηχανισμό αυτοεπούλωσης με μικροκάψουλες. In recent years, the high performance and design flexibility of the composite materials has led to their rapid spread in the field of Aeronautics and Space, Automotive, Marine etc. At the same time, the growing technological demands have created the need for advanced material properties or even an extended lifespan. In this context, and inspired from the healing mechanisms of living beings, the scientific community has focused on the evolution of composite materials, which mimic nature by incorporating self-healing microcapsules in the matrix of the material. This new class of materials is called self-healing materials. These materials have the ability to heal autonomously possible damages, such as microcracks of the matrix, without external interventions. In the present work, the self-healing materials with embedded encapsulated healing agents into polymer matrix containing dispersed catalysts are studied. When a crack occurs, the crack ruptures the embedded microcapsules, releasing the healing agent into the crack plane. Then, the healing agent contacts the catalyst, which is dispersed into the matrix, triggering polymerization that bonds the crack faces closed. In this work, initially Chapters 1 and 2 refer to the state of the art of composite materials and in particular textile composites (woven fabrics) and furthermore to multifunctional materials. Following, in Chapter 3, the main self-healing techniques developed to date are mentioned, with an emphasis on the self-healing mechanism with microcapsules in Chapter 4. In addition, most relevant studies have been included. As for the diploma thesis methodology, a multiple scale model simulating the effect of significant parameters of the microcapsules on the mechanical behaviour of the polymeric matrix was modeled. Specifically, the effect of the diameter and volume content of the microcapsules was studied, first on the elastic and then on the mechanical properties of the composite material. In this context, a representative unit cell of a polymeric matrix with microcapsules was first created and then a representative unit cell of a textile composite with a plain weave fabric of carbon fibres as reinforcement and the polymeric matrix with microcapsules of the previous scale. In addition, the material was modeled on the macroscopic scale by utilizing the mechanical properties of the microscopic scale and through afterwards the 3-point bending test the interlaminar shear strength was calculated for each parameter. Conclusions were drawn and compared with existing experimental results. Finally, some future goals that could improve and evolve the self-healing mechanism with microcapsules were proposed. 2021-10-14T10:23:20Z 2021-10-14T10:23:20Z 2021-10-19 http://hdl.handle.net/10889/15323 gr application/pdf |
