Please use this identifier to cite or link to this item:
Title: Out of autoclave manufacturing of cfrps having multiscale reinforcement for improved interlaminar fracture toughness and multifunctional characteristics
Other Titles: Ανάπτυξη μεθοδολογιών παραγωγής σύνθετων υλικών εκτός αυτόκλειστου φούρνου (autoclave), με πολλαπλής κλίμακας ενίσχυση για βελτιωμένες διαστρωματικές θραυστομηχανικές ιδιότητες και πολυ-λειτουργικά χαρακτηριστικά
Authors: Δημόκα, Πολυξένη
Keywords: CFRPs
Carbon nanotubes (CNTs)
Fracture mechanics
Damage tolerance
Fracture toughness
Nano-modified composites
Keywords (translated): Ινώδη σύνθετα υλικά
Νανο-σωλήνες άνθρακα
Μηχανική θραύσης
Ανοχή βλάβης
Θραυστο-μηχανικές ιδιότητες
Νανο-ενισχυμένα σύνθετα υλικά
Abstract: Carbon fiber reinforced polymer (CFRPs) composites are increasingly used as advanced materials in many structural applications i.e. aerospace, automotive, marine etc. due to their superior in-plane mechanical properties, high specific strength and stiffness and corrosion resistance compared to conventional metals. However, during their service life, these composite materials due to their laminated structure appear poor out-of-plane properties due to the absence of through-thickness reinforcement. Additionally, their low polymer matrix toughness leads to interlaminar failures such as delamination. Delaminations as a primary failure mode are resulted either from fatigue loadings or low-velocity impact which are caused by the extension of multiple matrix cracks. Therefore, composites are highly susceptible to impact damage due to brittle matrix behaviour and poor impact damage tolerance. In light of this issue, the introduction of carbon nano-particles and especially carbon nanotubes into the matrix of composites has shown considerable improvement on the fracture behaviour of the composites by introducing additional energy absorption mechanisms during fracture, thus concluding to composites with improved damage tolerance. Several attempts have been developed for enhancing the fracture toughness and damage tolerance of fibre-reinforced polymers such as stitching, hybridization, z-pinning, interleaving and toughening the polymer matrix using nano-sized particles. Towards this direction, the use of nanoparticles and especially carbon nanotubes (CNTs) into the matrix results in the development of composites with multi-scale reinforcement. CNTs are highly potential fillers due to their extraordinary mechanical, electrical and thermal properties. The nano-phase improves the fracture behaviour of composites by introducing additional energy absorption mechanisms during fracture, thus concluding to composites with improved damage tolerance characteristics. However, a direct introduction of CNTs into matrix (mainly in high CNTs concentrations) leads to increase of resin’s viscosity and an uneven nanofiller distribution and/or filtering effects that block the resin close to the inlet gates. This difficulty makes almost impossible the direct introduction of CNTs during Out-of-Autoclave (OoA) processes such as liquid resin infusion (LRI) or resin transfer molding (RTM). The present Dissertation aims to the development of Out-of-Autoclave Carbon Fibre Reinforced Polymers (CFRPs) with improved interlaminar fracture toughness and damage tolerance characteristics by the introduction of carbon nanotubes and nano-doped nonwoven interleaf veils on the surface of the main reinforcement (carbon fabrics). More precisely, the deposition of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) into the structure of CFRPs has been succeeded by using a liquid CNT-enriched sizing agent solution for the pretreatment of main reinforcement prior or after the carbon fabric preform. In addition, the introduction of the copolyamide (Nylon-66, 6/11/12, Griltex 1516A) nonwoven veils enhanced with CNTs (max concentration of 2.5 %wt. MWCNTs) as interleaf materials into the structure of CFRPs was performed as an alternative route of introduction of carbon nanotubes between the carbon fabrics. In this thesis, three manufacturing OoA techniques were developed to produce nano-enhanced reinforced CFRP composite structures with multi-scale reinforcements, as follows: • Dip-Coating Technique, concerns the nano-modification of the main reinforcement surface (carbon fabrics) by the integration of MWCNTs in a form of CNT-enriched sizing agent. A water-based nano-doped solution was prepared at a given wt.% CNT content and the fabric was immersed through it at a constant speed rate. Then, the fabric was dried and the dry fabric used to prepare the final preform placing it in to the mould. • Two Step Infusion Technique, concerns the nano-modification of preform by the introduction of a water-based nano-doped solution under vacuum during the first Step of process. At the second Step, the nano-doped preform was dried and the resin matrix was infused under vacuum to impregnate the nano-treated preform. • Interleaving Technique, concerns the indirect introduction of MWCNTs in to the main reinforcement by the deposition of nano-doped non-woven interleaf veils. The primary objective of the current thesis is to investigate the suitable concentration of carbon nanotubes leading to the improvement of interlaminar fracture toughness under Mode I and Mode II remote loading as well as the effect of the suitable configuration of non-woven interleaf veils on the low velocity impact and compression after impact behaviour was assessed. Additionally, potential knock-down effects of the in-plane mechanical properties of the CFRP composites by the incorporation of carbon nanotubes and nano-doped veils were investigated. For that reason, three-point bending (3PB) and tensile plain and open-hole tests were performed. More precisely, at the first two manufacturing techniques (Dip-Coating and Two-Step), composite laminates were produced with various CNTs concentrations (0, 0.5, 1, 1.5 and 2.5 wt.%). During the Interleaving Technique two kinds of nano-doped interleaf veils with different thickness (80 and 200 μm) were studied and directly compared with the non-interleaved (reference) laminates. In addition, the through-thickness electrical and thermal conductivity were also characterized in order to ensure the multi-functional performance of nano-enhanced CFRP composites. Optical and scanning electron microscopy (SEM) examinations of the specimens of each kind of materials for each manufacturing technique were also carried out in order to confirm the synergistic associated mechanisms that carbon nanotubes introduced during fracture. According to the aforementioned experimental campaign, it was shown that by the direct incorporation of carbon nanotubes to the main reinforcement surface of the composites either their introduction prior or after the carbon fabric preform, the effective CNT concentration was 1.5 wt.% and the nano-modified CFRP composites exhibit a significant increase of the interlaminar fracture toughness under Mode I and Mode II of the order up to 100% and 60%, respectively. Taking into account the results obtained of the study of interlaminar fracture toughness, at the two first manufacturing techniques, the nano-modified CFRP laminates with 1.5 wt.% MWCNTs were subjected to low velocity impact at three impact energy levels (8J, 15J and 30J) and directly compared with the reference laminates. The compression after impact tests (CAI) were carried out in order to investigate the influence of CNTs on the damage tolerance of the CFRP composite. In terms of the manufacturing of CFRP laminates with the introduction of non-woven co-polyamide interleaf veils, six layers of thin veils (thickness <80μm) were selected and positioned at two outer surfaces between the carbon fabric layers. For impact resistance, the nano-modified composites produced by Dip-Coating and Two Step Infiltration Technique with the introduction of 1.5% concentration of MWCNTs exhibited an excellent improvement at impact energies of 8J and 15J. While in the case of higher energy (30J), the nano-doped composites both for Dip-Coating and Two Step techniques reported an increase of damaged areas of approximately 4% and 30% respectively. However, in the case of Dip Coating Technique, CAI tests revealed that the residual strength of nano-modified composites was significantly improved close to 10% for all energy levels. While in the case of Two Step Technique, On the other hand, the copolyimide interleaved composites show a considerable increase of delaminated areas for all impact energies compared to the non-interleaved and the presence of interleaved veils was not exhibited better CAI characteristics. Therefore, it was concluded that the copolyimide veils are more susceptible to impact damage as the reference non-interleaved composite exhibited more resistance to delamination during LVI test.
Abstract (translated): Οι αυξανόμενες απαιτήσεις για ελαφρές κατασκευές κυρίως στον τομέα της αεροπορικής βιομηχανίας οδήγησαν στη χρήση νέων σύνθετων υλικών (composite materials). Το κυριότερο πλεονέκτημα τους σε σύγκριση με τα παραδοσιακά μεταλλικά υλικά είναι οι υψηλές ειδικές τιμές αντοχής και δυσκαμψίας, καθώς και η βελτιωμένη συμπεριφορά τους σε κόπωση και διάβρωση. Τα σύνθετα υλικά, όταν εκτίθενται στα φορτία λειτουργία των κατασκευών, εμφανίζουν υποβάθμιση (degradation) των μηχανικών τους ιδιοτήτων και εμφανίζουν βλάβες που μπορούν να οδηγήσουν στην αστοχία της κατασκευής. Οι πιο συνήθεις αστοχίες στα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας είναι η ανάπτυξη μικρο-ρωγμών στη μήτρα (matrix cracks) των στρώσεων του πολυστρώτου ΣΥ. Συνδυαζόμενες οι μικρο-ρωγμές διαφορετικών στρώσεων δημιουργούν διαστρωματικές αποκολλήσεις, η διάδοση των οποίων οδηγεί στην υποβάθμιση του συνθέτου υλικού και υπό προϋποθέσεις στην αστοχία του. Οι διαστρωματικές αποκολλήσεις αναπτύσσονται σε σχετικά χαμηλά φορτία και διαδίδονται λόγω της μικρής αντίστασης στη διάδοση διαστρωματικ΄ν αποκολλήσεων που εμφανίζουν τα ΣΥ πολυμερούς μήτρας. Επομένως βασικός στόχος της έρευνας είναι η ανάπτυξη συνθέτων υλικών με αυξημένη αντίσταση στη διάδοση διαστρωματικών αποκολλήσεων. Την τελευταία δεκαετία έχει παρατηρηθεί ότι η εισαγωγή νανο-σωματιδίων άνθρακα στη μήτρα των συνθέτων υλικών βελτιώνει σημαντικά τη διαστρωματική θραυστο-μηχανική συμπεριφορά ων ΣΥ, εισάγοντας συμπληρωματικούς μηχανισμούς απορρόφησης ενέργειας κατά τη θραύση, και βελτιώνοντας την ανοχή σε βλάβη των κατασκευών από ΣΥ. Η μεθοδολογία αυτή έχει εφαρμοστεί στις περιπτώσεις πολύστρωτων συνθέτων υλικών που κατασκευάζονται με τη μέθοδο του αυτόκλειστου φούρνου με βασική δομική μονάδα του ΣΥ τη στρώση μονοδιεύθυντης ενίσχυσης (prepreg). Η εισαγωγή νανο-σωματιδίων στη δομή ΣΥ που παράγονται με μεθόδους εκτός αυτόκλειστου φούρνου (τεχνικές έγχυσης ρητίνης σε καλούπι σταθερού ή μεταβλητού όγκου) έχει αποδειχθεί προβληματική. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, στη μέθοδο έγχυσης του νανο-τροποποιημένου πολυμερούς με τη χρήση της τεχνικής LRI, έχει παρατηρηθεί αύξηση του ιξώδους τηε ρητίνης λόγω της παρουσίας των νανο-σωματιδίων, κυρίως σε υψηλές περιεκτικότητες. Τα νανοσωματίδια φιλτράρονται από την πορώδη ενίσχυση, μπλοκάρουν το πορώδες και το σύστημα λειτουργεί ως εμπόδιο στη ροή της ρητίνης (block effects) μέσα στη δομή της ινώδους ενίσχυσης (fibre preform). Στη παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκαν δομικά σύνθετα υλικά με ενίσχυση ινών άνθρακα (carbon fibre) τροποποιημένων με πολυφλοιικούς νανο-σωλήνες άνθρακα (MWCNTs). Επίσης έγινε προσπάθεια τα MWCNTs να εισαχθούν στη δομή του ΣΥ εμμέσως μέσω της χρήσης λεπτών ινώδων μεμβρανών από πολυαμίδιο (interleaf veils) με ενίσχυση με νανοσωλήνες άνθρακα. Η εισαγωγή των nano-veils έγινε σε συγκεκριμένες θέσεις ανάμεσα στις στρώσεις της πολύστρωτης πλάκας. Τα nano-veils αποτελούντα από συμπολυμερές πολυαμίδιο PA6/6,6 και έχουν τη μορφή non-woven interleaf veils. Η εμπορική ονομασία του συμπολυμερούς πολυαμιδίου που χρησιμοποιήθηκε για τα veils είναι Griltex D 1516A COPOLYAMIDE της εταιρίας EMS-GRILTECH. Το υλικό πριν τη μορφοποίηση του σε μορφή νανο-ινών του και το σχηματισμό των non-woven interleaf veils ενισχύθηκε με πολυφλυικούς νανο-σωλήνες άνθρακα σε περιεκτικότητα 2.5 %κ.β. Σε όλες τις περιπτώσεις ως υλικό της μήτρας του ΣΥ χρησιμοποιήθηκε ένα εποξειδικό σύστημα τριών συστατικών που διαθέτει υψηλή τιμή θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Τg=140-150oC) καθώς και υψηλές μηχανικές ιδιότητες. Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκαν τρεις διαφορετικές καινοτόμες τεχνικές όσον αφορά τον τρόπο εισαγωγής των νανο-σωματιδίων άνθρακα εντός της κύριας ενίσχυσης με στόχο την νανο-τροποποίησηση του τελικού συνθέτου υλικού. Συγκεκριμένα, οι τεχνικές που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι: • η Dip-Coating Τεχνική που αφορά τη νανο-τροποποίηση της κύριας ινώδους ενίσχυσης που διέρχεται μέσα από ένα μπάνιο που φέρει το νανο-τροποιημένο διάλυμα. Στην περίπτωση αυτή μπορεί να τροποποιηθούν οι στρώσεις της ινώδους ενίσχυσης και στη συνέχεια να δημιουργηθεί το preform, ή μπορεί μέσα από το νανο-τροποποιημένο διάλυμα να περάσει κατευθείαν το δημιουργηθέν preform, • η Two Step Infiltration Τεχνική που αφορά την τροποποίηση του perform με την εισαγωγή του διαλύματος που περιέχει τα MWCNTs υπό κενό σε πρώτο στάδιο και στη συνέχεια μετά από την απομάκρυνση του διαλύτη και τη ξήρανση του preform γίνεται σε δεύτερο στάδιο η έγχυση της ρητίνης και πάλι υπό κενό, • η Interleaving Τεχνική όπου η εισαγωγή των MWCNTs γίνεται εμμέσως στη δομή του ΣΥ μέσω της χρήσης λεπτών ινώδων μεμβρανών από πολυαμίδιο (interleaf veils) με ενίσχυση με νανο-σωλήνες άνθρακα. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτέλεσε αρχικά η διερεύνηση της καταλληλότερης περιεκτικότητας σε νανο-σωλήνες άνθρακα που μπορούν να δώσουν υψηλότερες τιμές διαστρωματικής αντίστασης στη διάδοση αποκολλήσεων σε συνθήκες φόρτισης τύπου Ι και ΙΙ καθώς και η επιλογή των κατάλληλων θέσεων/στρώσεων εισαγωγής των λεπτών ινώδων μεμβρανών που έγινε μέσω της μελέτης της ανοχής σε βλάβη με χρήση κρουστικών φορτίσεων χαμηλής ενέργειας (low velocity impact LVI and compression after impact CAI). Επιπλέον στόχος της διατριβής ήταν να ελεγχθεί η πιθανή υποβάθμιση των κύριων μηχανικών ιδιοτήτων (in-plane properties) του υλικού λόγω της διεργασίας εισαγωγής των νανο-σωματιδίων αλλά και λόγω της παρουσίας των ιδίων των νανο-σωματιδίων στη δομή του υλικού. Για το λόγο αυτό διεξήχθησαν πειράματα εφελκυσμού και κάμψης σε δοκίμια αναφοράς και σε νανο-τροποποιημένα δοκίμια. Τέλος μελετήθηκε η συνεισφορά της νανο-ενίσχυσης των υλικών με MWCNTs στην πολύ-λειτουργικότητα του τελικού συνθέτου μέσω της μέτρησης της θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Η εργασία ολοκληρώθηκε με λεπτομερή ανάλυση της μικρο-δομής των υλικών. Μελετήθηκαν οι επιφάνειες θραύσης των δοκιμίων μέσω οπτικής και ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, έχοντας ως στόχο την αναγνώριση και ανάδειξη των μηχανισμών απορρόφησης ενέργειας που προσδίδουν οι νανο-σωλήνες άνθρακα. Αρχικά με τις μεθόδους Dip Coating και Two Step μελετήθηκαν περιεκτικότητες σε MWCNTs των 0.5%, 1%, 1.5% και 2.5% κ.β. Στην Τρίτη μέθοδο έμμεσης εισαγωγής της νανο-ενίσχυσης χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι λεπτών ινώδων μεμβρανών από πολυαμίδιο, νανο-ενισχυμένοι με 2,5 % κ.β. MWCNTs διαφορετικού πάχους (80 και 200 μm). Στην περίπτωση αυτή, για να γίνει διαχωρισμός από την απλή παρουσία λεπτών ινώδων μεμβρανών από συμπολυμερές πολυαμίδιο χρησιμοποιήθηκαν λεπτές ινώδεις μεμβράνες με και χωρίς ενίσχυση. Στην παρούσα διατριβή η βέλτιστη περιεκτικότητα σε νανο-σωλήνες άνθρακα, που δίδει τη μέγιστη βελτίωση στη διαστρωματική αντίσταση στη διάδοση των αποκολλήσεων τόσο σε συνθήκες φόρτισης τύπου Ι και σε τύπου ΙΙ, είναι η 1.5% κ.β. σε MWCNTs. Λαμβάνοντας υπόψιν τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τη μελέτη της δυσθραυστότητας των συνθέτων υλικών που αναπτύχθηκαν, επόμενο βήμα ήταν η μελέτη της συμπεριφοράς των δοκιμίων σε συνθήκες κρούσης χαμηλής ταχύτητας (low velocity impact) καθώς και η διερεύνηση της εναπομένουσας αντοχής τους κάτω από την υποβολή θλιπτικού φορτίου μετά από κρούση (compressive strength or residual strength after impact), ώστε να διερευνηθεί η ανοχή στη βλάβη του τελικού συνθέτου υλικού. Οι ενέργειες κρούσης που μελετήθηκαν ήταν τρεις: 8J, 15J και 30J και διερευνήθηκε η έκταση της αναπτυσσόμενης βλάβης και η εναπομένουσα αντοχή τους σε θλίψη μετά από κρούση. Η μεθοδολογία αυτή εφαρμόστηκε και στις τεχνικές εισαγωγής της νανο-ενίσχυσης στο ΣΥ που αναπτύχθηκαν στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής. Η περιεκτικότητα που μελετήθηκε ήταν η 1,5% κ.β. MWCNTs, ως η βέλτιστη περιεκτικότητα σύμφωνα με τα αποτελέσματα που προέκυψαν για τα ΣΥ σε συνθήκες διαστρωματικής αποκόλλησης. Όσον αφορά την κατασκευή των πολύστρωτων πλακών με την ενσωμάτωση λεπτών ινώδων μεμβρανών από συμπολυμερές πολυαμίδιο, επιλέχθηκαν τα νανο-ενισχυμένα και μη που φέρουν το μικρότερο πάχος και τοποθετήθηκαν έξι στρώσεις συμμετρικά και εγγύτερα στις εξωτερικές πλευρές της πολύστρωτης πλάκας του ΣΥ, ανάμεσα από τις στρώσεις της ενίσχυσης του άνθρακα. Τα αποτελέσματα που ελήφθησαν από τις τεχνικές Dip Coating και Two Step για τις περιπτώσεις ενεργειών 8J και 15J ήταν αρκετά ενθαρρυντικά διότι παρατηρήθηκε μείωση της περιοχής βλάβης (delaminated area) των νανο-ενισχυμένων υλικών σε σύγκριση με το υλικό αναφοράς και παράλληλα παρουσιάστηκε βελτίωση της εναπομένουσας αντοχής του υλικού σε θλίψη μετά από κρούση. Στην περίπτωση της ενέργειας κρούσης των 30J αν και η περιοχή κρούσης των νανο-ενισχυμένων παρουσίασε αύξηση σε ποσοστό 4% στην τεχνική Dip Coating, παρατηρήθηκε βελτίωση στην εναπομένουσα αντοχή σε ποσοστό 10%. Στην περίπτωση της τεχνικής του Two Step παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση της περιοχής βλάβης σε ποσοστό 30% στην περίπτωση της ενέργειας κρούσης των 30J, με συνέπεια την υποβάθμιση της εναπομένουσας αντοχής και της δυσκαμψίας των νανο-τροποποιημένων σύνθετων υλικών σε ποσοστό 5% και 16%, αντίστοιχα. Αντίθετα, η εισαγωγή των διαστρωματικά λεπτών ινώδων μεμβρανών από πολυαμίδιο νανο-ενισχυμένων και μη οδήγησε σε σημαντική αύξηση της περιοχής βλάβης μετά από κρούση σε όλες τις ενέργειες κρούσης, αλλά δεν παρατηρήθηκε υποβάθμιση της εναπομένουσας αντοχής και δυσκαμψίας των υλικών, παραμένοντας στα ίδια επίπεδα με το υλικό αναφοράς. Τέλος μελετήθηκε η συνεισφορά της νανο-ενίσχυσης των υλικών με MWCNTs στην πολύ-λειτουργικότητα του τελικού συνθέτου μέσω της μέτρησης της θερμικής και ηλεκτρικής αγωγιμότητας.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
PHD THESIS_Dimoka.pdf7.36 MBAdobe PDFView/Open

Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.