Μελέτη της μηχανικής και ηλεκτρικής συμπεριφοράς νανο-ενισχυμένων πολυλειτουργικών υλικών κατασκευών

Abstract

The present PhD thesis, titled " Study on Mechanical and Electrical Behaviour of Nano-Modified Multifunctional Construction Materials," was carried out at the Mechanics, Smart Sensors, and Non-Destructive Evaluation (MSS-NDE) Laboratory (http://mss-nde.uoi.gr/). The application of new methods to advanced materials, aimed at developing, enhancing, and utilizing their multifunctional properties, currently represents a key technological challenge. Within the context of this thesis, two categories of materials were studied:▪ Materials based on cement, specifically cementitious composites▪ Metallic alloys with aluminum as the primary element The first class of materials, cementitious mortars, have been widely used in the construction sector in recent years, with a strong need for their enhancement. By utilizing advanced mixtures based on carbon (carbon nanotubes, graphene) at the nanoscale, it becomes possible to improve their durability and mechanical performance while imparting smartness through the remarkable electrical behavior of these materials. The allotropic forms of carbon have attracted significant attention from many scientists, with a focus on their incorporation into the cementitious matrix, ultimately aiming to create innovative smart multifunctional cement-based materials capable of detecting and monitoring potential damage within the material. The development of methodologies aimed at evaluating the structural integrity of mortars, as well as the impact of environmental stress on their properties (mechanical, thermal, electrical, etc.), using advanced non-destructive techniques, constitutes one of the main pillars of this study, which is expected to open new horizons in the field of construction and quality control of new advanced technological materials. To achieve the overall objectives of this doctoral dissertation, research was conducted based on approved protocols and methodologies. Considering the behavior of carbon nanotubes and graphene in aqueous solution and the parameters for their optimal dispersion in the aqueous medium, nano-enhanced mortar specimens were prepared with a range of 0.2-1.2% by weight of cement, with an increment of 0.2%. The developed methodology aims at a thorough study of the smartness and multifunctionality of these materials, as evidenced by a broad set of literature studies. After the mixing and hydration process of the nano-enhanced mortars, destructive and non-destructive characterization techniques were used to determine the quality of the specimens, as well as the optimal percentage of carbon nanotubes regarding mechanical performance, electrical properties, piezoelectric profile, and acoustic activity during fracture. Significant conclusions were drawn regarding the effect of nano-enhancement on mortars under environmental stress conditions in a laboratory scale, through the study of the degradation of the structural integrity of the modified nanocomposite materials. Finally, as part of the evaluation of the desired smartness and multifunctionality of the specimens prepared with the addition of a conductive nanophase, their ability to act as sensors for detecting and quantifying potential damage in real-time was examined by measuring the change in electrical resistance/conductivity after repeated loading/unloading cycles. The second main category of materials examined in this thesis involves aluminum-based alloys (1050-H16 and 7075-T6) and focuses on their mechanical behavior under static and dynamic loading after electrochemical corrosion, along with the simultaneous application of non-destructive testing methods such as infrared thermography and acoustic emission. Specifically, the use of 7XXX series aluminum alloys, after heat treatment, makes them the most suitable structural elements for aerospace applications. The micro/nanostructure developed during the alloying process of 7XXX series aluminum alloys plays a crucial role in enhancing their mechanical properties, such as strength, stiffness, and corrosion resistance. This nanostructure contributes to the uniform distribution of forces within the material, improving its performance under stress and providing an optimal combination of properties. Additionally, the study of this nanostructure aligns with the objectives of this thesis, which explores the nano-enhancement of multifunctional constructions, contributing to the development of innovative materials with improved mechanical and electrical behavior. A study was conducted on the degradation of these metallic materials through electrochemical corrosion and the creation of pits, while different conditions affecting the final corrosion, such as pre-treatments and post-treatments of the metal structures under study, were experimentally examined. Furthermore, virgin aluminum alloys were studied to compare them with the corroded ones. The goal is to apply a comprehensive and reliable methodology that correlates the electrochemical degradation of metallic materials with the determination of the fatigue limit using infrared thermography and acoustic emission. Additionally, surface analysis was performed on all specimens using white light interferometry before and after electrochemical corrosion, so that the observed changes correspond to corrosion degradation and its extent, rather than pre-existing damage. In conclusion, for both the nano-enhanced mortars and the aluminum-based metallic alloys, thorough research was conducted based on the functional requirements of each material, aiming to enhance their properties and maximize the utilization of their characteristics, making them multifunctional and smart. A complete correlation between the literature and experimental results was made, leading to the development of reliable innovative methodologies for assessing the structural integrity of the structures. The cementitious mortars, with the addition of nano-inclusions, exhibited significant improvement in their electrical properties as well as their response to piezoresistance and damage detection under three-point bending, while maintaining or even improving their mechanical properties. The study of the nano-reinforced mortars behavior under environmental degradation completes the framework of smart and multifunctional nano-enhanced cementitious materials. On the other hand, applying the methodology for the rapid determination of the fatigue limit on the electrochemically corroded aluminum-based metallic alloys using infrared thermography and acoustic emission fully confirms the rationale and necessity of its development. Both the dissipated energy and the magnitude of acoustic signals and acoustic emission energy provide, with minimal standard deviation, the fatigue limit of the tested alloys under cyclic dynamic loading.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή, με θέμα «Μελέτη της Μηχανικής και Ηλεκτρικής Συμπεριφοράς Νανο-Ενισχυμένων Πολυλειτουργικών Υλικών Κατασκευών», εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Μηχανικής, Ευφυών Αισθητήρων και Μη-Καταστροφικής Αξιολόγησης Υλικών και Δομών (http://mss-nde.uoi.gr/). Η εφαρμογή νέων μεθόδων σε προηγμένα υλικά, με σκοπό την ανάπτυξη, ανάδειξη και αξιοποίηση των πολυλειτουργικών ιδιοτήτων τους, αποτελεί βασικό μέλημα στο σύγχρονο τεχνολογικό μονοπάτι που διανύουμε. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, δύο κατηγορίες υλικών αποτελούν αντικείμενο μελέτης: ▪ Υλικά με βάση το τσιμέντο και συγκεκριμένα τσιμεντοειδή κονιάματα▪ Μεταλλικά κράματα με βασικό κραματικό στοιχείο το αλουμίνιο Η πρώτη κλάση υλικών, τα τσιμεντοειδή κονιάματα, είναι υλικά ευρέως χρησιμοποιούμενα στον κατασκευαστικό τομέα, τα τελευταία χρόνια, με έντονη την ανάγκη αναβάθμισής τους. Χρησιμοποιώντας προηγμένα αναμίγματα με βάση τον άνθρακα (νανοσωλήνες άνθρακα, γραφένιο) στη νανο-κλίμακα, καθίσταται δυνατή η βελτίωση της ανθεκτικότητας και των μηχανικών τους αποδόσεων ενώ προσδίδεται ευφυΐα μέσα από την αξιοσημείωτη ηλεκτρική συμπεριφορά των υλικών αυτών. Οι αλλοτροπικές μορφές του άνθρακα μονοπωλούν το ενδιαφέρον πολλών επιστημόνων δίνοντας βαρύτητα στην ενσωμάτωσή τους στην τσιμεντοειδή μήτρα, με απώτερο στόχο την παρασκευή καινοτόμων ευφυών πολυλειτουργικών υλικών με βάση το τσιμέντο, ικανά να ανιχνεύσουν και να παρακολουθήσουν την πιθανή βλάβη στο εσωτερικό του υλικού. Η ανάπτυξη μεθοδολογιών με σκοπό την αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας των κονιαμάτων αλλά και της επίδρασης της περιβαλλοντικής καταπόνησης στις ιδιότητές τους (μηχανικές, θερμικές, ηλεκτρικές κλπ.) με προηγμένες μη καταστροφικές τεχνικές, αποτελεί έναν από τους βασικούς πυλώνες της παρούσας μελέτης που αναμένεται να ανοίξουν νέους ορίζοντες στον τομέα των κατασκευών και του ποιοτικού ελέγχου νέων προηγμένων τεχνολογικών υλικών. Για την επίτευξη του συνόλου των στόχων της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε έρευνα βασιζόμενη σε εγκεκριμένα πρωτόκολλα και μεθοδολογίες. Λαμβάνοντας υπόψη τη συμπεριφορά των νανοσωλήνων άνθρακα, αλλά και του γραφενίου, σε υδατικό διάλυμα και τις παραμέτρους για την βέλτιστη διασπορά τους στο υδατικό διάλυμα, παρασκευάστηκαν δοκίμια νανο-ενισχυμένων κονιαμάτων με εύρος ποσοστών 0,2-1,2% κατά βάρος τσιμέντου με βήμα αύξησης 0,2%. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε αποσκοπεί σε μια ενδελεχή μελέτη της ευφυίας και της πολυλειτουργικότητας των συγκεκριμένων υλικών, όπως προκύπτει από ένα ευρύ σύνολο μελετών της βιβλιογραφίας. Μετά τον πέρας της διαδικασίας ανάμιξης και ενυδάτωσης των νανο-ενισχυμένων κονιαμάτων, και μέσω καταστροφικού και μη καταστροφικού χαρακτηρισμού, προσδιορίστηκε η ποιότητα των δοκιμίων αλλά και το βέλτιστο ποσοστό νανοσωλήνων άνθρακα ως προς τη μηχανική συμπεριφορά, το ηλεκτρικό καθώς και το πιεζοηλεκτρικό προφίλ των δοκιμίων, αλλά και την ακουστική δραστηριότητά τους κατά τη θράση. Σημαντικά συμπεράσματα εξήχθησαν ως προς την επίδραση της νανοενίσχυσης στα κονιάματα υπό συνθήκες περιβαλλοντικής καταπόνησης σε εργαστηριακή κλίμακα μέσω μελέτης της υποβάθμισης της δομικής ακεραιότητας των τροποποιημένων νανο-σύνθετων υλικών. Τέλος, στο πλαίσιο της αξιολόγηση της ευφυίας και πολυλειτουργικότητας των δοκιμίων που παρασκευάστηκαν με την προσθήκη αγώγιμης νανο-φάσης, εξετάστηκε η ικανότητά τους να λειτουργούν ως αισθητήρες για την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση πιθανής βλάβης στη δομή σε πραγματικό χρόνο, μετρώντας τη μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης/αγωγιμότητας μετά από επαναλαμβανόμενους κύκλους φόρτισης/αποφόρτισης. Η δεύτερη βασική κατηγορία υλικών που εξετάστηκε στο πλαίσιο της διατριβής, περιλαμβάνει κράματα με βασικό στοιχείο το αλουμίνιο (κράματα 1050-H16 και 7075-Τ6) και πραγματεύεται τη μηχανική τους συμπεριφοράς υπό στατικές και δυναμικές καταπονήσεις μετά από ηλεκτροχημική διάβρωση, με παράλληλη εφαρμογή μεθόδων μη καταστροφικού ελέγχου, όπως η υπέρυθρη θερμογραφία και η ακουστική εκπομπή. Συγκεκριμένα, η χρήση των κραμάτων αλουμινίου σειράς 7ΧΧΧ αποτελούν, μετά από θερμική κατεργασία, τα καταλληλότερα δομικά στοιχεία αεροδιαστημικών εφαρμογών. Η μικρο/νάνο-δομή που αναπτύσσεται κατά τη διάρκεια της κραματοποίησης των κραμάτων αλουμινίου σειράς 7ΧΧΧ παίζει καθοριστικό ρόλο στην ενίσχυση των μηχανικών τους ιδιοτήτων, όπως η αντοχή, η δυσκαμψία και η ανθεκτικότητα στη διάβρωση. Η συγκεκριμένη νανοδομή συμβάλλει στην ομοιόμορφη κατανομή των δυνάμεων εντός του υλικού, βελτιώνει την απόδοσή του σε συνθήκες καταπόνησης προσφέροντας έναν βέλτιστο συνδυασμό ιδιοτήτων. Παράλληλα η μελέτης της συγκεκριμένης νανοδομής ευθυγραμμίζεται με τους στόχους της διατριβής, η οποία μελετά τη νανο-ενίσχυση πολυλειτουργικών κατασκευών, συμβάλλοντας στην ανάπτυξη καινοτόμων υλικών με βελτιωμένη μηχανική και ηλεκτρική συμπεριφορά. Πραγματοποιήθηκε μελέτη που σχετίζεται με την υποβάθμιση των μεταλλικών αυτών υλικών μέσω ηλεκτροχημικής διάβρωσης και δημιουργίας οπών, ενώ πειραματικά εξετάστηκαν διαφορετικές συνθήκες που επηρεάζουν την τελική διάβρωση, όπως εφαρμοζόμενες προεργασίες και κατεργασίες στις προς μελέτη μεταλλικές δομές. Επιπλέον, μελετήθηκαν παρθένα κράματα αλουμινίου για τη σύγκριση αυτών με τα αντίστοιχα καταπονημένα. Στόχο αποτελεί η εφαρμογή μιας ολοκληρωμένης και αξιόπιστης μεθοδολογίας που συσχετίζει την ηλεκτροχημική υποβάθμιση μεταλλικών υλικών με τον προσδιορισμό του ορίου κόπωσης με χρήση της υπέρυθρης θερμογραφίας και της ακουστικής εκπομπής. Επίσης, σε όλα τα δοκίμια πραγματοποιήθηκε επιφανειακή ανάλυση με συμβολομετρία λευκού φωτός, πριν και μετά την ηλεκτροχημική διάβρωση, ώστε οι παρατηρούμενες μεταβολές να αντιστοιχούν στην υποβάθμιση λόγω της διάβρωσης και του μεγέθους αυτής και όχι σε προϋπάρχουσες βλάβες. Συμπερασματικά, τόσο για τα νανο-ενισχυμένα κονιάματα όσο και για τα μεταλλικά κράματα με βάση το αλουμίνιο, πραγματοποιήθηκε ενδελεχής έρευνα βασιζόμενη στις λειτουργικές απαιτήσεις του κάθε υλικού, με στόχο την αναβάθμιση των ιδιοτήτων τους και τη μέγιστη αξιοποίηση των χαρακτηριστικών τους, καθιστώντας τα πολυλειτουργικά και ευφυή. Πραγματοποιήθηκε πλήρης αντιστοίχιση της βιβλιογραφίας με τα πειραματικά αποτελέσματα, οδηγώντας στην ανάπτυξη αξιόπιστων καινοτόμων μεθοδολογιών για την εκτίμηση της κατάστασης της δομικής ακεραιότητας των δομών. Τα τσιμεντοειδή κονιάματα, με την προσθήκη νανοεγκλεισμάτων, παρουσίασαν σημαντική βελτίωση των ηλεκτρικών τους ιδιοτήτων αλλά και της απόκρισής τους σε πιεζο-αντίσταση και ανίχνευσης βλάβης υπό κάμψη τριών σημείων διατηρώντας σταθερές ή και αυξάνοντας τις μηχανικές τους ιδιότητες. Η μελέτη της συμπεριφοράς των νανοενισχυμένων κονιαμάτων υπό περιβαλλοντική καταπόνηση, ολοκληρώνουν το πλαίσιο των ευφυών και πολυλειτουργικών νανοενισχυμένων τσιμεντοειδών υλικών. Εφαρμόζοντας, από την άλλη πλευρά, στα ηλεκτροχημικά καταπονημένα μεταλλικά κράματα με βασικό στοιχείο το αλουμίνιο, τη μεθοδολογία για τον ταχύ προσδιορισμό του ορίου κόπωσης, με τη χρήση της υπέρυθρης θερμογραφίας και της ακουστικής εκπομπής, επιβεβαιώνεται απολύτως ο λόγος και η σκοπιμότητα ανάπτυξής της. Τόσο η διαχεόμενη ενέργεια όσο και τα μεγέθη των ακουστικών σημάτων και της ενέργειας ακουστικής εκπομπής αποδίδουν, με μικρή τυπική απόκλιση, το όριο κόπωσης των εξεταζόμενων κραμάτων υπό κυκλική δυναμική φόρτιση.