Ανάπτυξη σύνθετων υλικών και εξαρτημάτων γραφενίου με τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης
Τα πλαστικά-πολυμερή υλικά, ως γνωστόν, κυριαρχούν σε όλους τους κλάδους της καθημερινής μας ζωής και παρόλη την ευελιξία εφαρμογής που μας προσφέρουν, αναντίρρητα παρουσιάζουν ορισμένα αρνητικά τα οποία δεν είναι άλλα από τη δυσκολία αποικοδόμησης τους, τη μόλυνση του περιβάλλοντος κατά την παραγωγ...
| Κύριος συγγραφέας: | |
|---|---|
| Άλλοι συγγραφείς: | |
| Γλώσσα: | Greek |
| Έκδοση: |
2022
|
| Θέματα: | |
| Διαθέσιμο Online: | http://hdl.handle.net/10889/16565 |
| id |
nemertes-10889-16565 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| institution |
UPatras |
| collection |
Nemertes |
| language |
Greek |
| topic |
Σύνθετα υλικά Γραφένιο Composite materials Graphene |
| spellingShingle |
Σύνθετα υλικά Γραφένιο Composite materials Graphene Κάτσας, Νεκτάριος Ανάπτυξη σύνθετων υλικών και εξαρτημάτων γραφενίου με τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης |
| description |
Τα πλαστικά-πολυμερή υλικά, ως γνωστόν, κυριαρχούν σε όλους τους κλάδους της καθημερινής μας ζωής και παρόλη την ευελιξία εφαρμογής που μας προσφέρουν, αναντίρρητα παρουσιάζουν ορισμένα αρνητικά τα οποία δεν είναι άλλα από τη δυσκολία αποικοδόμησης τους, τη μόλυνση του περιβάλλοντος κατά την παραγωγή τους και τη στράγγιση των φυσικών πόρων. Τις τελευταίες δεκαετίες, παρατηρείται μια κινητοποίηση ώστε να μεταβληθεί ο τρόπος χρήσης των πλαστικών και να μειωθεί η χρήση του πετρελαίου σε γενικές γραμμές. Μαζί με την προσπάθεια αυτή, παρατηρείται και η ανάπτυξη μιας κατηγορίας υλικών που είναι τα πολυμερή σύνθετα υλικά τα οποία είναι πιο φθηνά και πιο λειτουργικά από τα συμβατικά πλαστικά, που με την κατάλληλη βάση όπως είναι το PLA χαρακτηρίζονται και ως βιοαποικοδομήσιμα σε ένα βαθμό. Ο νέος αυτός κλάδος υλικών, εμφα νίζει πολλές δυνατότητες στο παρόν αλλά και προοπτικές βελτίωσης για το μέλλον. Επιπλέον, επιλέ γοντας τα κατάλληλα μέρη του πολυμερούς σύνθετού υλικού αλλά και συνδυάζοντας το με τεχνικές όπως είναι η τρισδιάστατη εκτύπωση, μπορεί να δημιουργηθεί μια ποικιλία εφαρμογών που δεν ήταν γνωστές στο παρελθόν όπως για παράδειγμα στους τομείς της βιοϊατρικής, της αυτοκινητοβιο μηχανίας κ.α. Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την ανάπτυξη υβριδικών σύνθετων υλικών με ενίσχυση ινών άνθρακα στη μικροκλίμακα και νιφάδων γραφενίου στη νανοκλίμακα για χρήση σε συστήματα τρισ διάστατης εκτύπωσης με στόχο τη βελτίωση των ιδιοτήτων του πρωτογενούς υλικού. Τα υβριδικά σύνθετα υλικά, αποτελούν μια καινοτομία στο χώρο και ο συνδυασμός ινών άνθρακα και γραφενίου συγκεκριμένα αποτελεί μια από τις πρώτες προσπάθειες παραγωγής αυτού του είδους συνθέτου υλικού. Αξίζει να σημειωθεί ότι τόσο οι ίνες όσο και το γραφένιο προσδίδουν στο τελικό υλικό ορισμένες μηχανικές, θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες οι οποίες διαφέρουν από εκείνες του καθαρού πολυμερούς. Αναλυτικά, πρόκειται για την παραγωγή ενός υβριδικού νήματος πολυμερικής μήτρας PLA μέσω εξώθησης, το οποίο περιέχει ίνες άνθρακα και γραφένιο σε κατάλληλες συγκεντρώσεις, ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη βελτίωση μηχανικών ιδιοτήτων. Σημειώνεται ότι για λόγους έλλειψης χρόνου, δεν εξετάζονται οι μεταβολές στις θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του προς δημιουργία υλικού. Αναλυτικά με τις μηχανικές ιδιότητες, μελετάται ο προσανατολισμός των ουσιών που προστίθενται ως ενίσχυση στο πολυμερές με τη βοήθεια οπτικής μικροσκοπίας και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Επιπλέον, υπολογίζονται μέσω κατάλληλων μηχανικών πειραμάτων οι μηχανικές ιδιότητες όπως το μέτρο Young, η αντοχή και η παραμόρφωση στη θραύση. Επίσης, το νήμα θα είναι σε θέση να χρησιμοποιηθεί για εκτύπωση, δηλαδή η διάμετρος του θα είναι όσο το δυνατόν πιο σταθερή, που είναι και ο τελικός στόχος, δηλαδή το νήμα να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για την ανάπτυξη εξαρτημάτων. Τέλος, εκτός των βελτιώσεων στις μηχανικές ιδιότητες γίνεται αναφορά και στις πιθανές αποτυχίες και τους λόγους που αυτές μπορεί να εμφανιστούν. |
| author2 |
Katsas, Nektarios |
| author_facet |
Katsas, Nektarios Κάτσας, Νεκτάριος |
| author |
Κάτσας, Νεκτάριος |
| author_sort |
Κάτσας, Νεκτάριος |
| title |
Ανάπτυξη σύνθετων υλικών και εξαρτημάτων γραφενίου με τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης |
| title_short |
Ανάπτυξη σύνθετων υλικών και εξαρτημάτων γραφενίου με τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης |
| title_full |
Ανάπτυξη σύνθετων υλικών και εξαρτημάτων γραφενίου με τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης |
| title_fullStr |
Ανάπτυξη σύνθετων υλικών και εξαρτημάτων γραφενίου με τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης |
| title_full_unstemmed |
Ανάπτυξη σύνθετων υλικών και εξαρτημάτων γραφενίου με τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης |
| title_sort |
ανάπτυξη σύνθετων υλικών και εξαρτημάτων γραφενίου με τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης |
| publishDate |
2022 |
| url |
http://hdl.handle.net/10889/16565 |
| work_keys_str_mv |
AT katsasnektarios anaptyxēsynthetōnylikōnkaiexartēmatōngraphenioumetechnikestrisdiastatēsektypōsēs AT katsasnektarios developmentofgraphenecompositematerialsandcomponentswith3dprintingtechniques |
| _version_ |
1771297225436037120 |
| spelling |
nemertes-10889-165652022-09-05T14:00:00Z Ανάπτυξη σύνθετων υλικών και εξαρτημάτων γραφενίου με τεχνικές τρισδιάστατης εκτύπωσης Development of graphene composite materials and components with 3D printing techniques Κάτσας, Νεκτάριος Katsas, Nektarios Σύνθετα υλικά Γραφένιο Composite materials Graphene Τα πλαστικά-πολυμερή υλικά, ως γνωστόν, κυριαρχούν σε όλους τους κλάδους της καθημερινής μας ζωής και παρόλη την ευελιξία εφαρμογής που μας προσφέρουν, αναντίρρητα παρουσιάζουν ορισμένα αρνητικά τα οποία δεν είναι άλλα από τη δυσκολία αποικοδόμησης τους, τη μόλυνση του περιβάλλοντος κατά την παραγωγή τους και τη στράγγιση των φυσικών πόρων. Τις τελευταίες δεκαετίες, παρατηρείται μια κινητοποίηση ώστε να μεταβληθεί ο τρόπος χρήσης των πλαστικών και να μειωθεί η χρήση του πετρελαίου σε γενικές γραμμές. Μαζί με την προσπάθεια αυτή, παρατηρείται και η ανάπτυξη μιας κατηγορίας υλικών που είναι τα πολυμερή σύνθετα υλικά τα οποία είναι πιο φθηνά και πιο λειτουργικά από τα συμβατικά πλαστικά, που με την κατάλληλη βάση όπως είναι το PLA χαρακτηρίζονται και ως βιοαποικοδομήσιμα σε ένα βαθμό. Ο νέος αυτός κλάδος υλικών, εμφα νίζει πολλές δυνατότητες στο παρόν αλλά και προοπτικές βελτίωσης για το μέλλον. Επιπλέον, επιλέ γοντας τα κατάλληλα μέρη του πολυμερούς σύνθετού υλικού αλλά και συνδυάζοντας το με τεχνικές όπως είναι η τρισδιάστατη εκτύπωση, μπορεί να δημιουργηθεί μια ποικιλία εφαρμογών που δεν ήταν γνωστές στο παρελθόν όπως για παράδειγμα στους τομείς της βιοϊατρικής, της αυτοκινητοβιο μηχανίας κ.α. Η παρούσα εργασία έχει ως στόχο την ανάπτυξη υβριδικών σύνθετων υλικών με ενίσχυση ινών άνθρακα στη μικροκλίμακα και νιφάδων γραφενίου στη νανοκλίμακα για χρήση σε συστήματα τρισ διάστατης εκτύπωσης με στόχο τη βελτίωση των ιδιοτήτων του πρωτογενούς υλικού. Τα υβριδικά σύνθετα υλικά, αποτελούν μια καινοτομία στο χώρο και ο συνδυασμός ινών άνθρακα και γραφενίου συγκεκριμένα αποτελεί μια από τις πρώτες προσπάθειες παραγωγής αυτού του είδους συνθέτου υλικού. Αξίζει να σημειωθεί ότι τόσο οι ίνες όσο και το γραφένιο προσδίδουν στο τελικό υλικό ορισμένες μηχανικές, θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες οι οποίες διαφέρουν από εκείνες του καθαρού πολυμερούς. Αναλυτικά, πρόκειται για την παραγωγή ενός υβριδικού νήματος πολυμερικής μήτρας PLA μέσω εξώθησης, το οποίο περιέχει ίνες άνθρακα και γραφένιο σε κατάλληλες συγκεντρώσεις, ώστε να επιτευχθεί η μέγιστη βελτίωση μηχανικών ιδιοτήτων. Σημειώνεται ότι για λόγους έλλειψης χρόνου, δεν εξετάζονται οι μεταβολές στις θερμικές και ηλεκτρικές ιδιότητες του προς δημιουργία υλικού. Αναλυτικά με τις μηχανικές ιδιότητες, μελετάται ο προσανατολισμός των ουσιών που προστίθενται ως ενίσχυση στο πολυμερές με τη βοήθεια οπτικής μικροσκοπίας και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM). Επιπλέον, υπολογίζονται μέσω κατάλληλων μηχανικών πειραμάτων οι μηχανικές ιδιότητες όπως το μέτρο Young, η αντοχή και η παραμόρφωση στη θραύση. Επίσης, το νήμα θα είναι σε θέση να χρησιμοποιηθεί για εκτύπωση, δηλαδή η διάμετρος του θα είναι όσο το δυνατόν πιο σταθερή, που είναι και ο τελικός στόχος, δηλαδή το νήμα να χρησιμοποιηθεί ως πρώτη ύλη για την ανάπτυξη εξαρτημάτων. Τέλος, εκτός των βελτιώσεων στις μηχανικές ιδιότητες γίνεται αναφορά και στις πιθανές αποτυχίες και τους λόγους που αυτές μπορεί να εμφανιστούν. Plastic-polymeric materials, dominate in all areas of our daily lives and despite the flexibility of application they offer us, undeniably present some negatives which are none other than their diffi culty of degradation, environmental pollution during their production and drainage of natural re sources. In recent decades, there has been a mobilization to change the way plastics are used and to reduce the use of oil in general. Along with this effort, there is the development of a category of materials, polymer composites which are cheaper and more functional than conventional plastics, and with the appropriate matrix such as PLA are characterized as biodegradable to some extent. This new group of materials presents many possibilities in the present but also prospects for improvement for the future. In addition, by selecting the appropriate parts of the polymer composite but also com bining it with techniques such as 3D printing, a variety of applications can be created that were not known in the past, such as in the fields of biomedicine, automotive, etc. The present study aims to develop hybrid composite materials, with carbon fiber reinforcement in micro-scale and graphene flakes reinforcement in nanoscale for use in 3D printing systems with the aim of improving the properties of the neat material. Hybrid composites are an innovation in this field and specifically the combination of carbon and graphene fibers is one of the first attempts to be made. It is worth noting that both fibers and graphene give the final material certain mechanical, thermal and electrical properties which differ from those of pure polymer. More specifically, it about the production of a hybrid polymeric matrix filament with PLA, by ex trusion, which contains carbon fiber and graphene in appropriate concentrations, in order to achieve the maximum improvement of mechanical properties. It is noted that due to lack of time, variations in the thermal and electrical properties of the material are not taken into consideration. In detail with the mechanical properties, the orientation of the reinforcement materials added to the polymer is studied by means of optical microscopy and scanning electron microscopy (SEM). In addition, mechanical properties such as Young modulus, strength and maximum strain are calculated through appropriate mechanical experiments. Furthermore, the extruded filament would be able to be used for 3D printing purposes, so its diameter would be as stable as possible, which is the final objective, the filament to be used as a raw material to produce polymer components. Finally, in addition to the improvements in mechanical properties, reference is made to possible failures and the reasons that may occur. 2022-07-25T06:16:39Z 2022-07-25T06:16:39Z 2022-07-14 http://hdl.handle.net/10889/16565 gr application/pdf |
