Development of composite materials modified with bis-maleimide polymer containing carbon nanoparticles: Investigation of fracture toughness properties and healing capabilities

In the present thesis, an investigation was conducted on the fracture toughness properties and the Self-Healing (SH) capability of a Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP), which was modified with interleaves of a self-healable Bis-Maleimide (BMI) polymer – based on the reversible Diels-Alder (DA) r...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Ρούβαλης, Κωνσταντίνος
Άλλοι συγγραφείς: Rouvalis, Constantinos
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2021
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/15410
id nemertes-10889-15410
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Composites
Self-healing
Electrospinning
Fiber bridging
Cohesive zone model
Σύνθετα
Αυτοΐαση
Ηλεκτροϊνοποίηση
Γεφύρωση ινών
Μοντέλα συνεκτικής ζώνης
spellingShingle Composites
Self-healing
Electrospinning
Fiber bridging
Cohesive zone model
Σύνθετα
Αυτοΐαση
Ηλεκτροϊνοποίηση
Γεφύρωση ινών
Μοντέλα συνεκτικής ζώνης
Ρούβαλης, Κωνσταντίνος
Development of composite materials modified with bis-maleimide polymer containing carbon nanoparticles: Investigation of fracture toughness properties and healing capabilities
description In the present thesis, an investigation was conducted on the fracture toughness properties and the Self-Healing (SH) capability of a Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP), which was modified with interleaves of a self-healable Bis-Maleimide (BMI) polymer – based on the reversible Diels-Alder (DA) reaction – that contained carbon nanoparticles. The formation and distribution of BMI interleaves (SH Agent - SHA) on the CFRP plies was performed locally before curing, only in interlaminar regions of interest, by the Solution Electrospinning Process (SEP). Namely, reference (unmodified) and BMI-modified CFRPs – either without or with one of two nanoparticle types, viz. Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) and Graphene Nanoplatelets (GNPs) – were fabricated and tested under Three-Point Bending (3PB) and Mode I Delamination Fracture conditions. The experiments showed that the SHA-modification had only a small negative effect on the flexural mechanical properties of the CFRPs and their interlaminar fracture toughness properties were enhanced, mostly due to the fiber bridging phenomenon (caused by the presence of SHA), with the BMI & GNP-modified case exhibiting the best toughening performance. Subsequently, a healing process took place, but the repetition of Mode I fracture tests indicated that low recovery of mechanical and fracture properties was achieved. Based on the first Mode I Fracture experiments, Finite Element Models (FEM) were developed, including Cohesive Zone Models (CZM) with Multilinear Cohesive Laws to account for the Interlaminar Mode I Fracture response of the specimens. The suitable CZM parameters were in agreement with the experimental conclusions, regarding the superiority of the BMI & GNP-modified CFRP and the principal role of fiber bridging to the toughening effect. Although the numerical models offered a good approach around the maximum load of the fracture response, they displayed some deviation from the experiments in the propagation part of the force – displacement curves. This was mainly attributed to the insufficient approximation of the stress field around the delamination crack by the utilized plane strain finite elements and secondarily to the inability of the models to describe possible degradation of the CFRP properties around the crack of the DCB specimen. In the end of the thesis, suggestions are made for development of the implemented SH strategy (to achieve healing) and improvement of the numerical models (to reduce deviation from the experiments).
author2 Rouvalis, Constantinos
author_facet Rouvalis, Constantinos
Ρούβαλης, Κωνσταντίνος
author Ρούβαλης, Κωνσταντίνος
author_sort Ρούβαλης, Κωνσταντίνος
title Development of composite materials modified with bis-maleimide polymer containing carbon nanoparticles: Investigation of fracture toughness properties and healing capabilities
title_short Development of composite materials modified with bis-maleimide polymer containing carbon nanoparticles: Investigation of fracture toughness properties and healing capabilities
title_full Development of composite materials modified with bis-maleimide polymer containing carbon nanoparticles: Investigation of fracture toughness properties and healing capabilities
title_fullStr Development of composite materials modified with bis-maleimide polymer containing carbon nanoparticles: Investigation of fracture toughness properties and healing capabilities
title_full_unstemmed Development of composite materials modified with bis-maleimide polymer containing carbon nanoparticles: Investigation of fracture toughness properties and healing capabilities
title_sort development of composite materials modified with bis-maleimide polymer containing carbon nanoparticles: investigation of fracture toughness properties and healing capabilities
publishDate 2021
url http://hdl.handle.net/10889/15410
work_keys_str_mv AT roubalēskōnstantinos developmentofcompositematerialsmodifiedwithbismaleimidepolymercontainingcarbonnanoparticlesinvestigationoffracturetoughnesspropertiesandhealingcapabilities
AT roubalēskōnstantinos meletēdiastrōmatikēsthraustomēchanikēssymperiphorassynthetōnylikōnmedynatotētesautoïasēspoukataskeuazontaiapoepiphaneiakatropopoiēmenēdomikēmonadaprepregmeylikobismaleimidiobmipouenapotithetaimetēmethodotēsēlektroïnopoiēsēsdialymatoskai
_version_ 1771297177539182592
spelling nemertes-10889-154102022-09-05T09:41:56Z Development of composite materials modified with bis-maleimide polymer containing carbon nanoparticles: Investigation of fracture toughness properties and healing capabilities Μελέτη διαστρωματικής θραυστομηχανικής συμπεριφοράς συνθέτων υλικών με δυνατότητες αυτοΐασης που κατασκευάζονται από επιφανειακά τροποποιημένη δομική μονάδα prepreg με υλικό βις-μαλειμίδιο BMI που εναποτίθεται με τη μέθοδο της ηλεκτροϊνοποίησης διαλύματος και είναι ενισχυμένο με νανοσωματίδια γραφιτικής βάσης Ρούβαλης, Κωνσταντίνος Rouvalis, Constantinos Composites Self-healing Electrospinning Fiber bridging Cohesive zone model Σύνθετα Αυτοΐαση Ηλεκτροϊνοποίηση Γεφύρωση ινών Μοντέλα συνεκτικής ζώνης In the present thesis, an investigation was conducted on the fracture toughness properties and the Self-Healing (SH) capability of a Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP), which was modified with interleaves of a self-healable Bis-Maleimide (BMI) polymer – based on the reversible Diels-Alder (DA) reaction – that contained carbon nanoparticles. The formation and distribution of BMI interleaves (SH Agent - SHA) on the CFRP plies was performed locally before curing, only in interlaminar regions of interest, by the Solution Electrospinning Process (SEP). Namely, reference (unmodified) and BMI-modified CFRPs – either without or with one of two nanoparticle types, viz. Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) and Graphene Nanoplatelets (GNPs) – were fabricated and tested under Three-Point Bending (3PB) and Mode I Delamination Fracture conditions. The experiments showed that the SHA-modification had only a small negative effect on the flexural mechanical properties of the CFRPs and their interlaminar fracture toughness properties were enhanced, mostly due to the fiber bridging phenomenon (caused by the presence of SHA), with the BMI & GNP-modified case exhibiting the best toughening performance. Subsequently, a healing process took place, but the repetition of Mode I fracture tests indicated that low recovery of mechanical and fracture properties was achieved. Based on the first Mode I Fracture experiments, Finite Element Models (FEM) were developed, including Cohesive Zone Models (CZM) with Multilinear Cohesive Laws to account for the Interlaminar Mode I Fracture response of the specimens. The suitable CZM parameters were in agreement with the experimental conclusions, regarding the superiority of the BMI & GNP-modified CFRP and the principal role of fiber bridging to the toughening effect. Although the numerical models offered a good approach around the maximum load of the fracture response, they displayed some deviation from the experiments in the propagation part of the force – displacement curves. This was mainly attributed to the insufficient approximation of the stress field around the delamination crack by the utilized plane strain finite elements and secondarily to the inability of the models to describe possible degradation of the CFRP properties around the crack of the DCB specimen. In the end of the thesis, suggestions are made for development of the implemented SH strategy (to achieve healing) and improvement of the numerical models (to reduce deviation from the experiments). Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, μελετήθηκαν οι θραυστομηχανικές ιδιότητες και η ικανότητα αυτοΐασης ενός συνθέτου υλικού από πολυμερές ενισχυμένο με ίνες άνθρακα, το οποίο τροποποιήθηκε με ενδιάμεσες στρώσεις από ένα αυτοϊάσιμο πολυμερές Δις-Μαλεϊμιδίου (BMI) – βασισμένο σε αντιστρεπτές αντιδράσεις Diels-Alder (DA) – που περιείχε νανοσωματίδια άνθρακα. Η διαμόρφωση των ενδιάμεσων στρώσεων από BMI (Παράγοντας Αυτοΐασης – Self-Healing Agent) πάνω στις στρώσεις του συνθέτου διενεργήθηκε τοπικά πριν τον πολυμερισμό (curing), μόνο σε διαστρωματικές περιοχές ενδιαφέροντος, με τη μέθοδο της Ηλεκτροϊνοποίησης Διαλύματος (Solution Electrospinning Process). Συγκεκριμένα, κατασκευάστηκαν δοκίμια από ένα σύνθετο αναφοράς (μη τροποποιημένο) και από τροποποιημένες εκδοχές του με BMI (είτε χωρίς είτε με έναν εκ των δύο τύπων νανοσωματιδίων: Νανοσωλήνες Άνθρακα Πολλαπλού Τοιχώματος και Νανοφυλλίδια Γραφενίου), τα οποία υποβλήθηκαν σε πειράματα Κάμψης Τριών Σημείων και Θραύσης Διαστρωματικής Αποκόλλησης Τύπου Ι. Τα πειραματικά αποτελέσματα φανέρωσαν πως η τροποποίηση είχε μικρή αρνητική επιρροή στις καμπτικές μηχανικές ιδιότητες του συνθέτου και οι διαστρωματικές, θραυστομηχανικές ιδιότητές του ενισχύθηκαν, ιδίως λόγω της εμφάνισης του φαινομένου γεφύρωσης ινών (προκαλούμενου από την παρουσία του παράγοντα αυτοΐασης), με την περίπτωση του BMI με Νανοφυλλίδια Γραφενίου να αποδίδει τη μέγιστη βελτίωση ιδιοτήτων. Εν συνεχεία, ενεργοποιήθηκε ο μηχανισμός αυτοΐασης και επαναλήφθηκαν τα πειράματα σε Θραύση Τύπου Ι, επιδεικνύοντας πως οι μηχανικές και οι θραυστομηχανικές ιδιότητες του συνθέτου ανακτήθηκαν ανεπαρκώς. Με βάση τα πρώτα πειράματα Θραύσης Τύπου Ι, αναπτύχθηκαν Μοντέλα Πεπερασμένων Στοιχείων, συμπεριλαμβάνοντας Μοντέλα Συνεκτικής Ζώνης (Cohesive Zone Models - CZM) για να αναπαραστήσουν την συμπεριφορά του συνθέτου υπό Διαστρωματική Θραύση Τύπου Ι. Οι ευάρμοστες παράμετροι των CZM βρίσκονταν σε συμφωνία με τα πειραματικά συμπεράσματα, όσον αφορά στην υπεροχή της τροποποίησης με ΒΜΙ & Νανοφυλλίδια Γραφενίου και στον πρωτεύοντα ρόλο της γεφύρωσης ινών στην ενίσχυση των θραυστομηχανικών ιδιοτήτων. Παρότι τα αριθμητικά μοντέλα πρόσφεραν μια καλή προσέγγιση της θραυστομηχανικής απόκρισης γύρω από το μέγιστο φορτίο, εμφάνισαν αποκλίσεις από τα πειραματικά αποτελέσματα στο κομμάτι των καμπυλών φορτίου – μετατόπισης που αφορά στη διάδοση της ρωγμής. Αυτό αποδόθηκε πρωτίστως στην ανακριβή περιγραφή του τασικού πεδίου γύρω από τη ρωγμή από την επιλεχθείσα προσέγγιση συνθηκών επίπεδης παραμόρφωσης και δευτερευόντως στην αδυναμία των μοντέλων να περιγράψουν την ενδεχόμενη υποβάθμιση των ιδιοτήτων του συνθέτου γύρω από τη ρωγμή. Στο τέλος της εργασίας, παρατίθενται προτάσεις τόσο για την εξέλιξη της χρησιμοποιούμενης στρατηγικής αυτοΐασης, ώστε να ιαθεί το υλικό, όσο και για τη βελτίωση των αριθμητικών μοντέλων για να μειωθούν οι αποκλίσεις από τα πειράματα. 2021-10-20T09:45:59Z 2021-10-20T09:45:59Z 2021-10-12 http://hdl.handle.net/10889/15410 en application/pdf