Μελέτη της επίδρασης γραφιτικών νανοσωματιδίων στην ανοχή σε βλάβη ινωδών συνθέτων υλικών σε συνθήκες στατικής και δυναμικής καταπόνησης

• Κύριος συγγραφέας: Τσάνι, Οργκέστ
• Άλλοι συγγραφείς: Cani, Orgest
• Γλώσσα: Greek
• Έκδοση: 2022
• Θέματα: Σύνθετα υλικά; Εποξική ρητίνη; Ίνες άνθρακα; Οξείδιο γραφενίου; Νανοενίσχυση; Composite materials; Epoxy resin; Carbon fibers; Graphene oxide; Nano-enhancement

Τις τελευταίες δεκαετίες παρατηρείται εκτεταμένη χρήση των συνθέτων υλικών σε ένα πλήθος κατασκευαστικών κλάδων, ενώ παράλληλα κεντρίζουν και το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας. Αυτό έγκειται στις εκπληκτικές ιδιότητες που παρουσιάζει ο συνδυασμός των επιμέρους συστατικών του σύνθετου υλικού. Αντικείμενο στην προκειμένη διπλωματική εργασία είναι η ανάπτυξη νέας γενιάς υλικών με βελτιωμένες θραυστομηχανικές ιδιότητες. Πιο συγκεκριμένα, έγινε μελέτη της επίδρασης γραφιτικών νανοσωματιδίων (θερμικώς επεξεργασμένο οξείδιο γραφενίου, rGO) στην ανοχή σε βλάβη ινωδών συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας σε συνθήκες στατικής και δυναμικής καταπόνησης. Αρχικά αναφέρονται στοιχεία θεωρίας σύνθετων υλικών σχετικά με την δομή τους, τον τρόπο κατηγοριοποίησης τους, τις ιδιότητες και τα πλεονεκτήματα που προκύπτουν από τον συνδυασμό των επιμέρους συστατικών τους, καθώς και τα πεδία εφαρμογών τους. Eπιπλέον, αξιοσημείωτο είναι το ενδιαφέρον που προσελκύει το γραφένιο ως ενισχυτικός παράγοντας στα σύνθετα υλικά βελτιώνοντας τις ιδιότητες του τελικού προϊόντος. Έτσι, παρασκευάστηκαν σύνθετα υλικά, CFRPs (Carbon Fiber Reinforced Polymers), μονής διεύθυνσης Uni-Directional (UD). Πραγματοποιήθηκε η παρασκευή δύο κατηγοριών ινωδών συνθέτων υλικών. Η πρώτη κατηγορία περιλαμβάνει την παρασκευή CFRPs (Carbon Fiber Reinforced Polymers) με εποξική ρητίνη για μήτρα (neat), ενώ στη δεύτερη κατηγορία προστίθενται επιπλέον 0.5% wt. νανοσωματίδια γραφενίου (doped). Το μίγμα εποξικής ρητίνης με σκόνη rGO περιεκτικότητας 0.5% wt. αναμείχθηκε ομοιόμορφα με την χρήση καλάνδρας ( Three Roll Mill) και αποτέλεσε την ενίσχυση (doping) της πολυµερικής µήτρας. Ο δύο εποξικές ρητίνες, νανοτροποποιημένη και μη, χρησιμοποιήθηκαν για τον εμποτισμό των ανθρακονημάτων για την παρασκευή των prepregs. Οι πολύστρωτες πλάκες προέκυψαν από την κοπή των prepregs σε στρώσεις και με την τοποθέτηση των στρώσεων διαδοχικά η μία πάνω στην άλλη. Στη συνέχεια, οι πολυμερισμένες πολύστρωτες πλάκες (neat and doped) υποβλήθηκαν σε μη καταστροφικό έλεγχο με υπερήχους (C-scan) για τον χαρακτηρισμό της ποιότητας τους. Έπειτα, κόπηκαν τα δοκίμια με συγκεκριμένες προδιαγραφές, τα οποία υποβλήθηκαν σε πειράματα. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν τα θραυστομηχανικά πειράματα τύπου Ι και τύπου ΙΙ στατικής καταπόνησης στα δοκίμια, τα οποία προσδιόρισαν τον κρίσιμο ρυθμό απελευθέρωσης ενέργειας παραμόρφωσης κατά τη διαστρωµατική θραύση ,GIC και GIIC αντίστοιχα. Επίσης η πειραματική διαδικασία ολοκληρώθηκε με την κόπωση τύπου Ι όπου προσδιορίστηκε η έναρξη της διαστρωματικής αποκόλλησης. Τα εν λόγω στατικά θραυστομηχανικά πειράματα τύπου Ι,ΙΙ και κόπωσης τύπου Ι πραγματοποιήθηκαν με βάση τα στάνταρντ ASTM D 5528, Airbus AITM 1.0006 και ASTM D 6115–97 αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα πηγάζουν από την σύγκριση των doped δοκιμίων με τα δοκίμια αναφοράς (neat δοκίμια). Τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από τα στατικά θραυστομηχανικά πειράματα δεν παρουσίασαν μεγάλες μεταβολές στις θραυστομηχανικές ιδιότητες. Πιο συγκεκριμένα, στο πείραμα τύπου Ι ο κρίσιμος ρυθμός απελευθέρωσης ενέργειας παραμόρφωσης GIC σημείωσε μείωση κατά 3.5%, ενώ στο πείραμα τύπου ΙΙ ο κρίσιμος ρυθμός απελευθέρωσης ενέργειας παραμόρφωσης GIΙC σημείωσε αύξηση κατά 3%. Όσον αφορά τα θραυστομηχανικά πειράματα λόγω κόπωσης, σε πρώτη φάση λήφθηκε ο κρίσιμος ρυθμός απελευθέρωσης ενέργειας παραμόρφωσης Glinit, πραγματοποιώντας εκ νέου πειράματα στατικής καταπόνησης τύπου Ι, παρατηρήθηκε αύξηση των κύκλων φόρτισης σε ποσοστό 180,6% και 110766,66% για την έναρξη της διαστρωματικής αποκόλλησης σε επίπεδα φόρτισης 50% και 80% του Glinit αντιστοίχα .