Development of improved, multi-functional, nano-structured polymer based adhesives with applications in the bonding of composite components and the repair of engineering structures with composite patches

In the present dissertation the effective thermal (keff), the effective elastic modulus (Eeff, Geff) and the effective strength (σmax, τmax) of Carbon Nanotubes (CNTs) Reinforced Polymers (CNTsRPs) were predicted by developing finite element continuum homogenization models. For this purpose innovati...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Φιαμέγκου, Ελένη
Άλλοι συγγραφείς: Κωστόπουλος, Βασίλειος
Μορφή: Thesis
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2016
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/9440
id nemertes-10889-9440
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Multiscale modeling
Carbon nanotubes
Macroscopic cohesive failure prediction of adhesive joints
Effective response of carbon nanotube reinforced polymers
Representative volume element
Continuum homogenization techniques
Elastic modulus of carbon nanotube reinforced polymer
Πολυεπίπεδη μοντελοποίηση συγκολλητικών δεσμών
Νανοενισχυμένες πολυμερικές κόλλες
Νανοσωλήνες άνθρακα
Αντιπροσωπευτικός στοιχειώδης όγκος
Συνεχείς μέθοδοι μοντελοποίησης νανοενισχυμένων πολυμερών
Νανοενισχυμένα πολυμερή νανοσωλήνων άνθρακα
Θερμική αγωγιμότητα νανοενισχυμένων πολυμερών
Μέτρο ελαστικότητας νανοενισχυμένων πολυμερών
620.118 028 7
spellingShingle Multiscale modeling
Carbon nanotubes
Macroscopic cohesive failure prediction of adhesive joints
Effective response of carbon nanotube reinforced polymers
Representative volume element
Continuum homogenization techniques
Elastic modulus of carbon nanotube reinforced polymer
Πολυεπίπεδη μοντελοποίηση συγκολλητικών δεσμών
Νανοενισχυμένες πολυμερικές κόλλες
Νανοσωλήνες άνθρακα
Αντιπροσωπευτικός στοιχειώδης όγκος
Συνεχείς μέθοδοι μοντελοποίησης νανοενισχυμένων πολυμερών
Νανοενισχυμένα πολυμερή νανοσωλήνων άνθρακα
Θερμική αγωγιμότητα νανοενισχυμένων πολυμερών
Μέτρο ελαστικότητας νανοενισχυμένων πολυμερών
620.118 028 7
Φιαμέγκου, Ελένη
Development of improved, multi-functional, nano-structured polymer based adhesives with applications in the bonding of composite components and the repair of engineering structures with composite patches
description In the present dissertation the effective thermal (keff), the effective elastic modulus (Eeff, Geff) and the effective strength (σmax, τmax) of Carbon Nanotubes (CNTs) Reinforced Polymers (CNTsRPs) were predicted by developing finite element continuum homogenization models. For this purpose innovative representative volume elements (RVEs) that take into account determinant nanoscale factors for the “nanostructure–effective property” relationship in each case were developed. Both the influence of CNTs clustering and CNTs-polymer matrix interphase on the Eeff and Geff were investigated by developing “clustered” and “hybrid” RVEs. Additionally “perfect” RVEs were considered for comparison reasons. The validation of the method was confirmed by the correlation of the predicted values with corresponding experimental. The results reinforced the argument of an interphase formation due to the CNTs functionalization. The influence of the Kapitza resistance RKap on the keff of CNTsRPs was investigated. For this purpose RVEs that take into account both the value of the RKap and its extent were developed. The correlation of the predicted values with corresponding experimental revealed a unique phenomenological Kapitza resistance RKapPh for each one of the CNTs content. The plotting of the RKapPh versus the CNTs content showed a linear increase. Tthis observation was related directly to the increased CNTs “clustering” intensity at higher CNTs contents. The σmax and τmax of CNTsRPs were predicted by considering the “perfect” RVEs developed earlier. To this end a progressive damage material model was developed. The results showed that the CNTs cause significant and similar increase of both Eeff and Geff. While, the τmax increased more than the σmax. The above developed models were implemented for the prediction of the equivalent material model (EMM) of a CNTs reinforced epoxy adhesive (CNTsRAD) that was used for the bonding of a single lap joint (SLJ). The macroscopic “cohesive” failure of the SLJ was modeled by applying the Cohesive Zone Model and following the “local” damage mechanics approach. Reliable experimental data confirmed the validation of the model. Eventually the macroscopic response of SLJ bonded with CNTsRAD was predicted by developing a two step multi-scale modeling approach. The results showed the determinant contribution of the “mechanical” parameters against the “fracture” parameters of the EMM to the macroscopic response of the SLJ.
author2 Κωστόπουλος, Βασίλειος
author_facet Κωστόπουλος, Βασίλειος
Φιαμέγκου, Ελένη
format Thesis
author Φιαμέγκου, Ελένη
author_sort Φιαμέγκου, Ελένη
title Development of improved, multi-functional, nano-structured polymer based adhesives with applications in the bonding of composite components and the repair of engineering structures with composite patches
title_short Development of improved, multi-functional, nano-structured polymer based adhesives with applications in the bonding of composite components and the repair of engineering structures with composite patches
title_full Development of improved, multi-functional, nano-structured polymer based adhesives with applications in the bonding of composite components and the repair of engineering structures with composite patches
title_fullStr Development of improved, multi-functional, nano-structured polymer based adhesives with applications in the bonding of composite components and the repair of engineering structures with composite patches
title_full_unstemmed Development of improved, multi-functional, nano-structured polymer based adhesives with applications in the bonding of composite components and the repair of engineering structures with composite patches
title_sort development of improved, multi-functional, nano-structured polymer based adhesives with applications in the bonding of composite components and the repair of engineering structures with composite patches
publishDate 2016
url http://hdl.handle.net/10889/9440
work_keys_str_mv AT phiamenkouelenē developmentofimprovedmultifunctionalnanostructuredpolymerbasedadhesiveswithapplicationsinthebondingofcompositecomponentsandtherepairofengineeringstructureswithcompositepatches
AT phiamenkouelenē anaptyxēbeltiōmenōnpolyleitourgikōnnanodomēmenōnpolymerōnsynkollētikōnylikōnmeepharmogesstēsyndesēdomōnaposynthetaylikakaitisepiskeueskataskeuōnmesynthetaylika
_version_ 1771297359439855616
spelling nemertes-10889-94402022-09-05T20:33:40Z Development of improved, multi-functional, nano-structured polymer based adhesives with applications in the bonding of composite components and the repair of engineering structures with composite patches Ανάπτυξη βελτιωμένων, πολυ-λειτουργικών, νανο-δομημένων πολυμερών συγκολλητικών υλικών με εφαρμογές στη σύνδεση δομών από σύνθετα υλικά και τις επισκευές κατασκευών με σύνθετα υλικά Φιαμέγκου, Ελένη Κωστόπουλος, Βασίλειος Ματίκας, Θεόδωρος Friedrich, Klaus Quaresimin, Marino Πολύζος, Δημοσθένης Παπανικολάου, Γεώργιος Λούτας, Θεόδωρος Fiamegkou, Eleni Multiscale modeling Carbon nanotubes Macroscopic cohesive failure prediction of adhesive joints Effective response of carbon nanotube reinforced polymers Representative volume element Continuum homogenization techniques Elastic modulus of carbon nanotube reinforced polymer Πολυεπίπεδη μοντελοποίηση συγκολλητικών δεσμών Νανοενισχυμένες πολυμερικές κόλλες Νανοσωλήνες άνθρακα Αντιπροσωπευτικός στοιχειώδης όγκος Συνεχείς μέθοδοι μοντελοποίησης νανοενισχυμένων πολυμερών Νανοενισχυμένα πολυμερή νανοσωλήνων άνθρακα Θερμική αγωγιμότητα νανοενισχυμένων πολυμερών Μέτρο ελαστικότητας νανοενισχυμένων πολυμερών 620.118 028 7 In the present dissertation the effective thermal (keff), the effective elastic modulus (Eeff, Geff) and the effective strength (σmax, τmax) of Carbon Nanotubes (CNTs) Reinforced Polymers (CNTsRPs) were predicted by developing finite element continuum homogenization models. For this purpose innovative representative volume elements (RVEs) that take into account determinant nanoscale factors for the “nanostructure–effective property” relationship in each case were developed. Both the influence of CNTs clustering and CNTs-polymer matrix interphase on the Eeff and Geff were investigated by developing “clustered” and “hybrid” RVEs. Additionally “perfect” RVEs were considered for comparison reasons. The validation of the method was confirmed by the correlation of the predicted values with corresponding experimental. The results reinforced the argument of an interphase formation due to the CNTs functionalization. The influence of the Kapitza resistance RKap on the keff of CNTsRPs was investigated. For this purpose RVEs that take into account both the value of the RKap and its extent were developed. The correlation of the predicted values with corresponding experimental revealed a unique phenomenological Kapitza resistance RKapPh for each one of the CNTs content. The plotting of the RKapPh versus the CNTs content showed a linear increase. Tthis observation was related directly to the increased CNTs “clustering” intensity at higher CNTs contents. The σmax and τmax of CNTsRPs were predicted by considering the “perfect” RVEs developed earlier. To this end a progressive damage material model was developed. The results showed that the CNTs cause significant and similar increase of both Eeff and Geff. While, the τmax increased more than the σmax. The above developed models were implemented for the prediction of the equivalent material model (EMM) of a CNTs reinforced epoxy adhesive (CNTsRAD) that was used for the bonding of a single lap joint (SLJ). The macroscopic “cohesive” failure of the SLJ was modeled by applying the Cohesive Zone Model and following the “local” damage mechanics approach. Reliable experimental data confirmed the validation of the model. Eventually the macroscopic response of SLJ bonded with CNTsRAD was predicted by developing a two step multi-scale modeling approach. The results showed the determinant contribution of the “mechanical” parameters against the “fracture” parameters of the EMM to the macroscopic response of the SLJ. Στην παρούσα διατριβή συνεχείς μέθοδοι μοντελοποίησης που βασίζονται στις αρχές ομογενοποίησης με πεπερασμένα στοιχεία αναπτύχθηκαν για την πρόβλεψη της θερμικής αγωγιμότητας (keff), του μέτρου ελαστικότητας (Eeff, Geff) καθώς και της αντοχής (σmax, τmax) νανο-ενισχυμένων πολυμερών (ΝΣΑ-ΝΕΠ) με Νανο-Σωλήνες Άνθρακα (ΝΣΑ) υλικών. Για τον σκοπό αυτό καινοτόμοι αντιπροσωπευτικοί στοιχειώδη όγκοι (ΑΣΟ) που λαμβάνουν υπόψη τους καθοριστικούς νάνο-παράγοντες για την διαμόρφωση της σχέσεως «νανοδομής–ιδιότητας» των ΝΣΑΝΕΠ αναπτύχθηκαν. Αρχικά «συσσωματωμένοι» και «υβριδικοί» ΑΣΟ αναπτύχθηκαν για την μελέτη της επίδρασης της συσσωμάτωσης των ΝΣΑ και της ενδιάμεσης φάσης ΝΣΑ-πολυμερούς μήτρας στα Eeff και Geff ΝΣΑΝΕΠ υλικών. Επίσης «ιδανικοί» ΑΣΟ προτάθηκαν για λόγους σύγκρισης. Η αξιοπιστία της μεθόδου επιβεβαιώθηκε μέσω της συσχέτισης των αποτελεσμάτων με αντίστοιχα πειραματικά. Τα αποτελέσματα ενίσχυσαν τον ισχυρισμό της βιβλιογραφίας για δημιουργία ενδιάμεσης φάσης λόγω χημικής τροποποίησης των ΝΣΑ. Επίσης η επίδραση της θερμικής αντίστασης «Kapitza» RKap στην keff ΝΣΑΝΕΠ διερευνήθηκε. Για τον σκοπό αυτό ΑΣΟ που πλησιάζουν πραγματικές δομές ΝΣΑΝΕΠ αναπτύχθηκαν παίρνοντας υπόψη τους την ένταση καθώς και την έκταση της RKap. Από τον συσχετισμό των προβλεπόμενων keff με αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις μια φαινομενολογική αντίσταση «Kapitza» RKapPh υπολογίστηκε για κάθε μια θεωρούμενη περιεκτικότητα ΝΣΑ. Η υπολογισθείσα RKapPh έδειξε γραμμική αύξηση με την αύξηση της περιεκτικότητας των ΝΣΑ. Αυτή η συμπεριφορά σχετίστηκε άμεσα με την αύξηση της συσσωμάτωσης των ΝΣΑ στις μεγαλύτερες περιεκτικότητες. Για την πρόβλεψη των σmax και τmax ΝΣΑ-ΝΕΠ υλικών οι παραπάνω «ιδανικοί» ΑΣΟ θεωρήθηκαν και ένα μοντέλο προοδευτικής βλάβης αναπτύχθηκε. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική και όμοια αύξηση των Eeff και Geff λόγω των ΝΣΑ. Αντιθέτως η τmax παρουσίασε μεγαλύτερη αύξηση από την σmax. Στην συνέχεια οι παραπάνω μέθοδοι μοντελοποίησης χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη του ισοδύναμου μοντέλου μιας νάνο-ενισχυμένης εποξικής κόλλας (ΕΚ) με ΝΣΑ (ΝΣΑΕΚ) που χρησιμοποιήθηκε για την συγκράτηση συγκολλητού δεσμό (ΣΔ). Για την μοντελοποίηση της μακροσκοπικής θραύσης του ΣΔ το Cohesive Zone Model χρησιμοποιήθηκε. Η αξιοπιστία του μοντέλου επιβεβαιώθηκε μέσω αξιόπιστων πειραματικών αποτελεσμάτων για μη ενισχυμένη ΕΚ. Εν τέλει για την πρόβλεψη της μακροσκοπικής θραύσης ενός ΣΔ που συγκρατείται με ΝΣΑΕΚ μια μέθοδος πολύ-επίπεδης μοντελοποίησης δύο βημάτων αναπτύχθηκε. 2016-06-21T15:37:25Z 2016-06-21T15:37:25Z 2015-05-15 Thesis http://hdl.handle.net/10889/9440 en Η ΒΚΠ διαθέτει αντίτυπο της διατριβής σε έντυπη μορφή στο βιβλιοστάσιο διδακτορικών διατριβών που βρίσκεται στο ισόγειο του κτιρίου της. 12 application/pdf