Fatigue behaviour of open-hole composites containing bis-maleimide polymer as self-healing agent
In the current diploma thesis, bis-maleimide (BMI) self-healing (SH) resin based on Diels-Alder (DA) reaction mechanism was integrated into high performance carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) by using two variants of electrospinning process technique: (i) the solution electrospinning (SEP) and...
Κύριος συγγραφέας: | |
---|---|
Άλλοι συγγραφείς: | |
Γλώσσα: | English |
Έκδοση: |
2022
|
Θέματα: | |
Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/15942 |
id |
nemertes-10889-15942 |
---|---|
record_format |
dspace |
institution |
UPatras |
collection |
Nemertes |
language |
English |
topic |
Composites Self-healing Open-hole Electrospinning Cohesive zone model Σύνθετα Αυτοΐαση Ανοιχτή οπή Ηλεκτροϊνοποίηση Μοντέλα συνεκτικής ζώνης |
spellingShingle |
Composites Self-healing Open-hole Electrospinning Cohesive zone model Σύνθετα Αυτοΐαση Ανοιχτή οπή Ηλεκτροϊνοποίηση Μοντέλα συνεκτικής ζώνης Χαντζή, Μαριάννα-Γεωργία Fatigue behaviour of open-hole composites containing bis-maleimide polymer as self-healing agent |
description |
In the current diploma thesis, bis-maleimide (BMI) self-healing (SH) resin based on Diels-Alder (DA) reaction mechanism was integrated into high performance carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) by using two variants of electrospinning process technique: (i) the solution electrospinning (SEP) and (ii) the melt electro-writing process (MEP). After modification, all CFRPs were exposed to quasi-static tensile tests, fatigue tests under tensile-tensile loading conditions, while their self-healing capability was further assessed. Based on these, reference and BMI modified CFRPs containing (open-hole, OH) or no hole (unnotched) having [45°/-45°/0°/90°]2S stacking sequence were fabricated for the needs of the current study. In the case of modified CFRPs, 1 wt% of graphene nano-platelets (GNPs) were also incorporated into SHA resin to further modify the CFRPs. The SHA was incorporated locally on the center of each CFRP and surrounding the hole (in the case of OH CFRPs). Unnotched CFRPs were tested only under quasi-static tensile tests, while OH ones were tested under both quasi-static and fatigue conditions. According to quasi static experimental results, it was shown that the incorporation of the BMI SHA led to decrease in strength and stiffness for the unnotched specimens, while for the OH specimens it led to decrease in stiffness and slightly increase in strength. The BMI-GNP modified by SEP specimens (both unnotched and OH) showed the best tensile properties. Fatigue tests showed similar behavior for all tested material types: as the cycles progressed the apparent modulus of the specimens decreased and the hysteresis loops moved towards higher strains. The incorporation of the BMI SHA led to increase in fatigue life of most of the modified specimens even by 50%. The application of the healing cycles showed partial restoration of the damage as observed in c-scan plots. The modified CFRPs (BMI and BMI-GNP) by MEP, exhibited the best behavior under fatigue tension-tension loading. Finite element models (FEM) for the simulation of quasi-static tensile tests of modified OH CFRPs were developed utilizing cohesive contact interactions to account for interlaminar delaminations. All analytical models withstood a higher load compared to the experimental results but were capable of simulating the damage initiation and evolution that was observed in the experiments. Τhe models were deemed satisfactory and helped draw conclusions about the damage evolution in OH modified specimens under tensile loads. In the end of the thesis, suggestions are made for further development of the experimental procedure and the numerical simulations. |
author2 |
Chantzi, Marianna-Georgia |
author_facet |
Chantzi, Marianna-Georgia Χαντζή, Μαριάννα-Γεωργία |
author |
Χαντζή, Μαριάννα-Γεωργία |
author_sort |
Χαντζή, Μαριάννα-Γεωργία |
title |
Fatigue behaviour of open-hole composites containing bis-maleimide polymer as self-healing agent |
title_short |
Fatigue behaviour of open-hole composites containing bis-maleimide polymer as self-healing agent |
title_full |
Fatigue behaviour of open-hole composites containing bis-maleimide polymer as self-healing agent |
title_fullStr |
Fatigue behaviour of open-hole composites containing bis-maleimide polymer as self-healing agent |
title_full_unstemmed |
Fatigue behaviour of open-hole composites containing bis-maleimide polymer as self-healing agent |
title_sort |
fatigue behaviour of open-hole composites containing bis-maleimide polymer as self-healing agent |
publishDate |
2022 |
url |
http://hdl.handle.net/10889/15942 |
work_keys_str_mv |
AT chantzēmariannageōrgia fatiguebehaviourofopenholecompositescontainingbismaleimidepolymerasselfhealingagent AT chantzēmariannageōrgia meletēsymperiphorassynthetōnylikōnsekopōsēparousiaopēsmedynatotētesautoïasēskataskeuēapoepiphaneiakatropopoiēmenēdomikēmonadaprepregmeylikobismaleïmidiobmipouenapotithetaimetēmethodotēsēlektroïnopoiēsēsdialymatos |
_version_ |
1771297361546444800 |
spelling |
nemertes-10889-159422022-09-06T05:12:57Z Fatigue behaviour of open-hole composites containing bis-maleimide polymer as self-healing agent Μελέτη συμπεριφοράς συνθέτων υλικών σε κόπωση παρουσία οπής με δυνατότητες αυτοΐασης, κατασκευή από επιφανειακά τροποποιημένη δομική μονάδα (pre-preg) με υλικό βισ-μαλεϊμίδιο (BMI), που εναποτίθεται με τη μέθοδο της ηλεκτροϊνοποίησης διαλύματος Χαντζή, Μαριάννα-Γεωργία Chantzi, Marianna-Georgia Composites Self-healing Open-hole Electrospinning Cohesive zone model Σύνθετα Αυτοΐαση Ανοιχτή οπή Ηλεκτροϊνοποίηση Μοντέλα συνεκτικής ζώνης In the current diploma thesis, bis-maleimide (BMI) self-healing (SH) resin based on Diels-Alder (DA) reaction mechanism was integrated into high performance carbon fiber reinforced plastics (CFRPs) by using two variants of electrospinning process technique: (i) the solution electrospinning (SEP) and (ii) the melt electro-writing process (MEP). After modification, all CFRPs were exposed to quasi-static tensile tests, fatigue tests under tensile-tensile loading conditions, while their self-healing capability was further assessed. Based on these, reference and BMI modified CFRPs containing (open-hole, OH) or no hole (unnotched) having [45°/-45°/0°/90°]2S stacking sequence were fabricated for the needs of the current study. In the case of modified CFRPs, 1 wt% of graphene nano-platelets (GNPs) were also incorporated into SHA resin to further modify the CFRPs. The SHA was incorporated locally on the center of each CFRP and surrounding the hole (in the case of OH CFRPs). Unnotched CFRPs were tested only under quasi-static tensile tests, while OH ones were tested under both quasi-static and fatigue conditions. According to quasi static experimental results, it was shown that the incorporation of the BMI SHA led to decrease in strength and stiffness for the unnotched specimens, while for the OH specimens it led to decrease in stiffness and slightly increase in strength. The BMI-GNP modified by SEP specimens (both unnotched and OH) showed the best tensile properties. Fatigue tests showed similar behavior for all tested material types: as the cycles progressed the apparent modulus of the specimens decreased and the hysteresis loops moved towards higher strains. The incorporation of the BMI SHA led to increase in fatigue life of most of the modified specimens even by 50%. The application of the healing cycles showed partial restoration of the damage as observed in c-scan plots. The modified CFRPs (BMI and BMI-GNP) by MEP, exhibited the best behavior under fatigue tension-tension loading. Finite element models (FEM) for the simulation of quasi-static tensile tests of modified OH CFRPs were developed utilizing cohesive contact interactions to account for interlaminar delaminations. All analytical models withstood a higher load compared to the experimental results but were capable of simulating the damage initiation and evolution that was observed in the experiments. Τhe models were deemed satisfactory and helped draw conclusions about the damage evolution in OH modified specimens under tensile loads. In the end of the thesis, suggestions are made for further development of the experimental procedure and the numerical simulations. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, σύνθετο υλικό από πολυμερές ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (carbon fiber reinforced plastic – CFRP) τροποποιήθηκε με αυτοϊάσιμο πολυμερές βισ-μαλεϊμίδιο (ΒΜΙ) -που βασίζεται στο μηχανισμό της αντίδρασης Diels-Alder (DA)- χρησιμοποιώντας δύο παραλλαγές της μεθόδους ηλεκτροϊνοποίησης: (α) μέθοδος της ηλεκτροϊνοποίησης διαλύματος (solution electrospinning process - SEP) και (β) μέθοδος της ηλεκτροϊνοποίησης τήγματος (melt electrospinning process - MEP). Σκοπός της εργασίας ήταν η μελέτη των εφελκυστικών ιδιοτήτων των συνθέτων σε ψευδοστατικό εφελκυσμό και σε συνθήκες κόπωσης εφελκυσμού-εφελκυσμού καθώς και η αξιολόγηση της ικανότητας επούλωσής τους. Δοκίμια χωρίς οπή και ανοιχτής οπής (open-hole, ΟΗ) από σύνθετο αναφοράς (μη τροποποιημένο) και από τροποποιημένες εκδοχές του με ΒΜΙ (με ή χωρίς νανοσωματίδια γραφενίου) με διάταξη στρώσεων [45°/-45°/0°/90°]2S κατασκευάστηκαν χρησιμοποιώντας τις μεθόδους SEP και MEP. Πειράματα ψευδοστατικού εφελκυσμού διεξάχθηκαν για όλα τα δοκίμια και μόνο τα δοκίμια OH υποβλήθηκαν περαιτέρω και σε συνθήκες κόπωσης εφελκυσμού-εφελκυσμού. Η τοποθέτηση του παράγοντα αυτοΐασης BMI (self-healing agent-SHA) πραγματοποιήθηκε τοπικά στο κέντρο των CFRP πλακών και μόνο σε διαστρωματικές περιοχές ενδιαφέροντος. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα των ψευδοστατικών πειραμάτων εφελκυσμού η εισαγωγή του παράγοντα BMI οδήγησε σε μείωση της δυσκαμψίας και της αντοχής στα δοκίμια χωρίς οπή, ενώ στα δοκίμια ανοιχτής οπής οδήγησε σε μείωση της δυσκαμψίας αλλά μερική αύξηση της αντοχής. Τα δοκίμια BMI-GNP που τροποποιήθηκαν με SEP έδειξαν την καλύτερη συμπεριφορά σε εφελκυσμό. Τα πειράματα κόπωσης έδειξαν παρόμοια συμπεριφορά για όλα τα υλικά: με την αύξηση των κύκλων το φαινόμενο μέτρο ελαστικότητας όλων των δοκιμίων μειωνόταν και οι βρόχοι υστέρησης μετακινούνταν προς μεγαλύτερες παραμορφώσεις. Η εισαγωγή του παράγοντα BMI πέτυχε αύξηση της ζωής σε κόπωση των περισσότερων τροποποιημένων δοκιμίων ακόμα και σε ποσοστό 50%. Η εφαρμογή του κύκλου επούλωσης οδήγησε σε μερική αποκατάσταση της ζημιάς όπως φανέρωσαν εικόνες σάρωσης υπερήχων. Τα δοκίμια κατασκευασμένα με τη μέθοδο του MEP έδειξαν την καλύτερη συμπεριφορά σε κόπωση. Με βάση τα πειραματικά δεδομένα, αναπτύχθηκαν μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων των OH τροποποιημένων δοκιμίων σε ψευδοστατικό εφελκυσμό, τα οποία περιείχαν μοντέλα συνεκτικής ζώνης ενδιάμεσα των στρώσεων για την προσομοίωση των διαστρωματικών αποκολλήσεων. Όλα τα αναλυτικά μοντέλα άντεξαν σε μεγαλύτερο φορτίο από τα πειραματικά αποτελέσματα αλλά προσομοίωναν καλά την εκκίνηση και τη διάδοση της βλάβης που παρατηρήθηκε στα πειράματα. Τα μοντέλα κρίθηκαν ικανοποιητικά και βοήθησαν στην εξαγωγή συμπερασμάτων για το τρόπο που εξαπλώνεται η ζημιά στα δοκίμια OH κάτω από εφελκυστικά φορτία. Στο τέλος, παρατίθενται προτάσεις για την περαιτέρω βελτίωση της πειραματικής διαδικασίας και των αναλυτικών μοντέλων. 2022-03-09T07:54:48Z 2022-03-09T07:54:48Z 2022-03-09 http://hdl.handle.net/10889/15942 en_US application/pdf |