Μελέτη μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων νανοσύνθετων υλικών για χρήση ως αισθητήρες παραμόρφωσης και φθοράς

Abstract

The scope of this thesis is to study the ability of nanocomposite polymers to be used as strain gauges or wear sensors. For this purpose nanocomposites consisted of electrically insulating polymer matrix, such as Metallocene Linear Low Density Polyethylene (mLLDPE), PolyVinylidene Fluoride (PVDF) or Styrene-Butadiene Rubber (SBR), filled with conductive nanofillers such as carbon nanotubes (CNTs) or carbon black (CB) were used. Thus, under certain circumstances, the resulting nanocomposite acquires electrical conductivity. This conductivity mechanism is described by the percolation theory. The measurements that were carried out monitored the resistance changes of the samples while they were under uniaxial tensile load. Thus it is studied how the changes in the electrical resistance are related to the strain of the material so that it could be used as strain gauge or wear sensor. Other measurements that took place were Dielectric Relaxation Spectroscopy (DRS), Dynamic Mechanical Analysis (DMA). Moreover, images from Scanning Electron Microscope (SEM) were taken. For that work the results were modelled for more complete study of the properties of these materials. Moreover, these models examine the impact of the filler ratio to the electrical and mechanical properties of the materials. Finally, a new mathematical model is proposed. As a general conclusion the studied materials demonstrated appropriate behavior that allows them to be used as strain gauges or wear sensors in order to monitor the structural health of a construction or a component in a wide strain regime.

Σκοπός αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη νανοσύνθετων πολυμερών όσον αφορά την ικανότητά τους να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες παραμόρφωσης ή φθοράς. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν νανοσύνθετα υλικά από πολυμερική μήτρα μη αγώγιμη στο ηλεκτρικό ρεύμα, όπως μεταλλοκένιο γραμμικό πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (mLLDPE), φθοριούχο πολυβινυλιδένιο (PVDF) ή ελαστομερές στυρένιο-βουταδιένιο (SBR), με αγώγιμα νανοεγκλείσματα, όπως νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) ή αιθάλη (CB). Έτσι, υπό προϋποθέσεις, το προκύπτον υλικό είναι ηλεκτρικά αγώγιμο. Ο παραπάνω μηχανισμός αγωγιμότητας περιγράφεται κυρίως από τη θεωρία διαφυγής. Οι μετρήσεις που έγιναν αφορούν την παρακολούθηση των αλλαγών στην ηλεκτρική αντίσταση των δοκιμίων όταν αυτά επιμηκύνονται υπό μονοαξονικό εφελκυσμό. Έτσι κατά την αξιολόγηση των αποτελεσμάτων ερευνάται κατά πόσο οι αλλαγές στην ηλεκτρική αντίσταση συμβαδίζουν με την εντατική κατάσταση του δοκιμίου έτσι ώστε αυτό να μπορέσει να ενεργήσει σαν αισθητήρας παραμόρφωσης ή φθοράς. Άλλες μετρήσεις που έγιναν ήταν μετρήσεις διηλεκτρικής φασματοσκοπίας (DRS), δυναμικής μηχανικής ανάλυσης (DMA), αλλά και λήψη εικόνων των δοκιμίων με ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM). Στο πλαίσιο αυτής της εργασίας έγινε μοντελοποίηση των αποτελεσμάτων αυτών για πιο πληρέστερη μελέτη των ιδιοτήτων των υλικών αυτών. Επιπλέον, αυτά τα μοντέλα εξετάζουν την επίδραση της ποσότητας του εγκλείσματος στις ηλεκτρικές και μηχανικές ιδιότητες των υλικών. Τέλος προτείνεται και ένα καινούριο μαθηματικό μοντέλο. Ως γενικό συμπέρασμα προκύπτει ότι τα υλικά που μελετήθηκαν έχουν κατάλληλη συμπεριφορά που τους επιτρέπει να χρησιμοποιηθούν σαν αισθητήρες φθοράς ή παραμόρφωσης για την παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας μιας κατασκευής ή ενός εξαρτήματος σε ευρύ φάσμα παραμορφώσεων.