Study of the graphitic reinforcement of hierarchical epoxy matrix composites

Abstract

Hierarchical graphitic reinforcements are one of the most promising approaches towardsthe exploitation of the full capabilities of nanomaterials in advanced Carbon FiberReinforced Composites (CFRCs). Nano-engineering of the Carbon Fiber (CF) surfaces,following a biomimetic approach, can lead to the improvement of the structural integrity,as well as impart additional functionalities to the final composites. The structural hierarchywhich is ubiquitous in natural systems, such as wood or bones, accounts for somecombinations of characteristics which are uncommon in human-made materials, i.e. highstiffness and high strength. A nano-designed architecture of growing interest is the CarbonNanotube (CNT) “coated” CF, which can entail numerous positive effects includingthrough-thickness and interply matrix reinforcement of CFRCs, while simultaneouslyenabling or enhancing additional multifunctional characteristics such as electrical andthermal conductivity and strain sensing. Within this context, two of the most widely usedapproaches for the production of hierarchical reinforcements for CFRPs are the growth ofCNTs on CFs by Chemical Vapor Deposition (CVD) techniques and the deposition ofCNTs on CFs by wet chemical modifications of their surfaces. However, an easilyscalable, economical process has not been presented hitherto.This thesis aimed at developing an understanding of the interactions of the CNTs with theCFs and the epoxy matrix and to the implementation of this knowledge in order to designand optimise a simple process for the preparation of hierarchical reinforcements withenhanced mechanical and multifunctional properties. A dip coating process, which reliedon the wet chemical modification of the surfaces of the CFs and the CNTs, was designedand optimised. This process is promising for use on various applications since it allows forthe control of the thickness of the resulting coating by CNTs. The morphology,physicochemical and mechanical properties and Raman strain sensitivity of the hierarchicalreinforcements produced by both these methods were investigated. Then, the hierarchicalreinforcements were embedded in epoxy matrices, and the interfacial properties of modelcomposites, as well as the residual thermal stresses, were also evaluated. Finally, laminatedcomposites were produced, and their interlaminar properties, as well as their electricalresponse, were studied.

Οι ιεραρχικές γραφιτικές ενισχύσεις αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση στον κλάδο των προηγμένων σύνθετων υλικών καθώς παρέχουν τη δυνατότητα της πλήρους εκμετάλλευσης των ιδιοτήτων των νανο-υλικών. Η τροποποίηση των επιφανειών των ινών άνθρακα με νανο-δομές, ακολουθώντας μια βιομημιτική προσέγγιση, μπορεί να οδηγήσει στη βελτίωση της δομικής ακεραιότητας καθώς και στην εμφάνιση ή ενίσχυση διαφόρων λειτουργικοτήτων στα τελικά σύνθετα υλικά. Πιο συγκεκριμένα, μια αρχιτεκτονική δομή που προσελκύει αυξανόμενο ερευνητικό ενδιαφέρον είναι οι ιεραρχικές ίνες άνθρακα,δηλαδή ίνες επικαλυμμένες με νανοσωλήνες άνθρακα (ΝΣΑ). Αυτή η δομή προσδίδει πολλαπλά πλεονεκτήματα όπως διαστρωματική ενίσχυση σε ινοπλισμένα σύνθετα υλικά,αυξημένη ηλεκτρική και θερμική αγωγιμότητα καθώς και λειτουργικότητες όπως η ανίχνευση της παραμόρφωσης από το ίδιο το σύνθετο. Δύο από τις πιο γνωστές μεθόδους παρασκευής των ιεραρχικών ενισχύσεων είναι η τεχνική της χημικής εναπόθεσης ατμών και η εναπόθεση ΝΣΑ στην επιφάνεια των ινών άνθρακα μέσω υγρών χημικών τροποποιήσεων. Ωστόσο, έως σήμερα δεν έχει παρουσιαστεί μια εύκολα επεκτάσιμη και συμφέρουσα λύση παρασκευής ιεραρχικών ενισχύσεων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή επιδιώκει την κατανόηση των αλληλεπιδράσεων των ΝΣΑ με τις ίνες άνθρακα και την εποξειδική μήτρα και στην εφαρμογή αυτής της γνώσης για το σχεδιασμό μιας απλής διαδικασίας παρασκευής ιεραρχικών ενισχύσεων με βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες και πολυλειτουργικότητες. Η εργασία ανέπτυξε και βελτιστοποίησε μια απλή μέθοδο χημικής τροποποίησης των επιφανειών των ινών και των ΝΣΑ και εμβάπτισης η οποία επιτρέπει τον έλεγχο του πάχους του στρώματος επικάλυψης. Οι ιεραρχικές ενισχύσεις που παράχθηκαν μέσω των δύο παραπάνω μεθόδων μελετήθηκαν ως προς τη μορφολογία, τις φυσικοχημικές και μηχανικές ιδιότητες τους καθώς και την λειτουργικότητα της ανίχνευσης της παραμόρφωσης μέσω της τεχνικής Raman. Έπειτα οι ιεραρχικές ενισχύσεις ενσωματώθηκαν σε εποξειδικές μήτρες και μελετήθηκαν οι διεπιφανειακές ιδιότητες καθώς και οι παραμένουσες τάσεις στις διεπιφάνειες των μοντέλων συνθέτων υλικών. Στο τελικό στάδιο, παρασκευάστηκαν πολυστρωματικά ινοπλισμένα ιεραρχικά σύνθετα υλικά τα οποία αξιολογήθηκαν ως προς τη διαστρωματική αντοχή και τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες.