Επισκευή αεροπορικών δομών με καινοτόμα υβριδικά σύνθετα υλικά για βελτιστοποίηση της απόκρισής τους σε θερμική, μηχανική και διαβρωτική καταπόνηση

Abstract

The excellent mechanical properties and low weight of hybrid composite materials has been the springboard for the use of this type of materials in aeronautics and general applications where high strength and low weight properties comprise preconditions. Aircraft industries are investing in research and use of these materials with highlight the latest generation of commercial and military aircrafts in which more than 50% of the material used consist of various types of composites. Furthermore, the increasing age of aircraft fleet requires the development of new repair technologies which will ensure the structural integrity of the aircraft and their flight ability. The purpose of this study was to evaluate various parameters associated with the successful implementation of a bonded patch comprised of hybrid composite system with carbon nanotube modified polymer matrix reinforced with carbon fibers. The first step of this thesis was to disperse carbon nanotubes in the epoxy matrix by using the sonication process and the optimization of the dispersion parameters. Subsequent to this, the dispersion stages were monitored for the first time using dielectric spectroscopy. The various polymerization stages of the epoxy matrix combining the ultrasound propagation technique and the dielectric spectroscopy were also successfully assessed. The preparation of nano-composites was followed, using the epoxy matrices prepared during the previous step, in which the mechanical, thermo-mechanical and toughness properties before and after hydrothermal exposure and thermal shock were studied. At the same time, the tensile and toughness properties were modeled using a simple analytical approach based on the Halpin-Tsai equations. The antagonistic effect of the agglomerate size and the CNT aspect ratio was successfully modeled. Also the moisture absorption of the studied system was evaluated and fitted by the second Fick’s model for diffusion. The hierarchical approach of the materials studied, included the use of the modified polymeric matrices prepared for the manufacturing of laminated carbon fiber reinforced composites.

Οι εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες και το χαμηλό βάρος των προηγμένων συνθέτων υλικών αποτέλεσε το εφαλτήριο για τη χρήση των υλικών της κατηγορίας αυτής στην αεροναυπηγική και γενικότερα σε εφαρμογές όπου η υψηλή αντοχή και το χαμηλό βάρος προαπαιτούνται. Η αεροπορική βιομηχανία επενδύει στην έρευνα και τη χρήση των υλικών αυτών με αποκορύφωμα τα αεροσκάφη τελευταίας γενιάς όπου πάνω από το 50% των υλικών που χρησιμοποιούνται αποτελούνται από διάφορα είδη συνθέτων υλικών. Παράλληλα, η ολοένα αυξανόμενη ηλικία του αεροναυπηγικού στόλου προϋποθέτει την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών επισκευής οι οποίες θα διασφαλίσουν τη δομική ακεραιότητα των αεροσκαφών και εν συνεχεία την πτητική του ικανότητα. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε η αξιολόγηση διαφόρων παραμέτρων που σχετίζονται με τη επιτυχή εφαρμογή ενός επικολλημένου επιθέματος υβριδικού συνθέτου υλικού τροποποιημένης με νάνο-σωλήνες άνθρακα πολυμερικής μήτρας ενισχυμένης με ίνες άνθρακα. Σε πρώτο στάδιο πραγματοποιήθηκε η διασπορά των νάνο-σωλήνων άνθρακα στην πολυμερική μήτρα με τη χρήση της τεχνικής των υπερήχων και βελτιστοποιήθηκαν οι παράμετροι διασποράς. Στη συνέχεια μελετήθηκε για πρώτη φορά η διασπορά της ενισχυτικής φάσης με τη χρήση διηλεκτρικής φασματοσκοπίας και τα διάφορα στάδια πολυμερισμού της εποξειδικής μήτρας με τη χρήση της τεχνικής των υπερήχων καθώς και της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας. Σε επόμενο στάδιο παρασκευάστηκαν νανοσύνθετα υλικά με χρήση των τροποποιημένων πολυμερικών μητρών των οποίων μελετήθηκαν οι μηχανικές ιδιότητες τους, οι θερμομηχανικές ιδιότητες τους καθώς και η υποβάθμιση αυτών μετά από υδροθερμική καταπόνηση και θερμικό αιφνιδιασμό. Την ίδια στιγμή πραγματοποιήθηκε συσχέτιση των θραυστομηχανικών και εφελκυστικών ιδιοτήτων τους με τη χρήση απλών μαθηματικών μοντέλων καθώς και της απορρόφησης υγρασίας τους. Η ιεραρχική προσέγγιση των υλικών που μελετήθηκαν περιελάμβανε την χρήση των ανωτέρω τροποποιημένων πολυμερικών μητρών για την παρασκευή πολύστρωτων συνθέτων υλικών ενισχυμένων με ίνες άνθρακα. Στα τελευταία μελετήθηκαν οι θραυστομηχανικές ιδιότητες τους πριν και μετά από υδροθερμική καταπόνηση και θερμικό αιφνιδιασμό, η διαστρωματική αντοχή τους καθώς και η αντίστασή τους σε απορρόφηση υγρασίας. Τέλος, στην περίπτωση ενός υποτιθέμενου συγκολλημένου επιθέματος, μελετήθηκαν τα φαινόμενα πρόκλησης γαλβανικής διάβρωσης μεταξύ του μητρικού υλικού και του επιθέματος όταν η κατασκευή βρεθεί σε διαβρωτικό περιβάλλον καθώς και η διατμητική αντοχή της πριν και μετά από έκθεση σε νέφος άλατος. Συγκεκριμένα, στην περίπτωση αυτή η χρήση του υβριδικού συστήματος αποσκοπούσε στην επίτευξη ενός γαλβανικά συμβατού συστήματος επιθέματος - υποστρώματος και στην ενίσχυση της πρόσφυσης μεταξύ τους με σκοπό την βελτιωμένη απόδοση σε περιβάλλον διαβρωτικής και μηχανικής καταπόνησης.