Ανάπτυξη νέων πολυ-λειτουργικών δομικών σύνθετων υλικών με ενίσχυση πολλαπλής κλίμακας για βελτιωμένη θραυστομηχανική συμπεριφορά

Abstract

The use of nanoparticles as reinforcing phase into the matrix of Fibrous Composite Materials results to composites with multi-scale reinforcements. The fibrous phase at micro/macro scale defines the macroscopic mechanical behaviour of composites, while the nano-phase enhances the fracture behaviour of the composites, by introducing additional energy absorption mechanisms during fracture, thus concluding to composites with improved damage tolerance. In addition, the introduction of carbon nano-particles into the matrix of composites has shown considerable improvement in electrical and the thermal conductivity, thus resulting in a multi-functional composite. The present study investigates the use of Graphene Nano-Species (GNSs), such as Graphene Nano-Platelets composed of 4,12 and 25 graphene layers and Thermally Reduced Graphene Oxide, by introducing them homogeneously into the matrix of composites to produce Graphene reinforced structural CFRPs (Gr-CFRP). Process, development, manufacturing and multi-functional performance assessment of Gr-CFRP at various GNSs concentrations and types has been investigated.

Η χρήση νανο-σωματιδίων ως ενισχυτική φάση της μήτρας Ινωδών Σύνθετων Υλικών (ΙΣΥ) οδηγεί σε Σύνθετα Υλικά (ΣΥ) με ενίσχυση πολλαπλής κλίμακας. Η ινώδης ενίσχυση στη μίκρο/μάκρο κλίμακα καθορίζει τη μακροσκοπική μηχανική συμπεριφορά των ΣΥ ενώ η ενίσχυση στη νανο-κλίμακα βελτιώνει τη θραυστο-μηχανική συμπεριφορά των ΣΥ εισάγοντας συμπληρωματικούς μηχανισμούς απορρόφησης ενέργειας κατά τη θραύση, προσδίδοντας βελτιωμένη ανοχή στη βλάβη. Την τελευταία δεκαετία έχει παρατηρηθεί ότι η εισαγωγή νανο-σωματιδίων άνθρακα στη μήτρα ΣΥ βελτιώνει σημαντικά τις ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες των ΣΥ συμβάλλοντας σημαντικά στην ενίσχυση της πολυ-λειτουργικότητάς τους. Στη παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκαν δομικά ΣΥ με ενίσχυση ινών άνθρακα και πολυμερή μήτρα τροποποιημένη με διάφορα γραφιτικά νανο-σωματίδια (Gr-CFRP). Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν πολυστρωματικά γραφένια 4, 12 και 25 γραφιτικών επιπέδων καθώς και οξείδια του γραφενίου σε διάφορες περιεκτικότητες ώστε να επιτευχθεί ενίσχυση πολλαπλής κλίμακας. Επιπλέον, μελετήθηκε η ανάπτυξη διαδικασιών επεξεργασίας και παραγωγής Gr-CFRP ενώ παράλληλα διερευνήθηκε η πολυ-λειτουργικότητά τους. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε διερεύνηση της καταλληλότερης περιεκτικότητας και του τύπου των νανο-σωματιδίων γραφενίου στο υλικό της πολυμερούς μήτρας σε ΙΣΥ μέσω της μελέτης της θραυστο-μηχανικής συμπεριφοράς των νανο-ενισχυμένων ΙΣΥ σε συνθήκες θραύσης τύπου Ι και ΙΙ καθώς και μέσω της θερμικής και ηλεκτρικής τους αγωγιμότητας. Εν, συνεχεία αναπτύχθηκαν ΙΣΥ τροποποιημένα ταυτόχρονα με νανο-σωματίδια γραφενίου και νανο-σωλήνες άνθρακα προκειμένου να μελετηθεί αρχικά η συνεισφορά των πλεονεκτημάτων των νανο-σωματιδίων στη πολυ-λειτουργικότητα του τελικού συνθέτου καθώς και το ενδεχόμενο συνέργειας μεταξύ τους για τη βελτίωση των θραυστο-μηχανικών ιδιοτήτων. Τέλος ακολούθησε ανάλυση της μικρο-δομής των υλικών έχοντας ως στόχο την αναγνώριση και ανάδειξη των μηχανισμών απορρόφησης ενέργειας.