Search Results

Now showing 1 - 10 of 19
  • Thumbnail Image
    Item
    Διηλεκτρική απόκριση σύνθετων υλικών εποξειδικής ρητίνης-ZnO
    (2008-05-02T06:51:02Z) Σουλιντζής, Άγγελος; Krontiras, Christoforos; Πιζάνιας, Μιχάλης; Κροντηράς, Χριστόφορος; Γεωργά, Σταυρούλα; Soulintzis, Angelos
    Τμήμα Φυσικής (ΜΔΕ)
    Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από δυο ή περισσότερα υλικά συνδεδεμένα μακροσκοπικά, έτσι ώστε να προκύπτει ένα πολυφασικό σύστημα με φυσικές ιδιότητες διαφορετικές από αυτές των αρχικών υλικών. Τα επιμέρους υλικά δεν είναι διαλυτά το ένα στο άλλο και μπορούν να αναμιχθούν μεταξύ τους με ελεγχόμενο τρόπο και με καθορισμένες αναλογίες, ενώ είναι και μηχανικά διαχωρίσιμα. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από δυο φάσεις, τη μητρική και τη φάση ενίσχυσης. Η μήτρα περικλείει τα εγκλείσματα και αποτελεί τη φάση του συστήματος, η οποία δίνει στο σύνθετο την εξωτερική του μορφή. Ο ρόλος της είναι να μεταφέρει τις μηχανικές τάσεις μέσα στο σύνθετο υλικό, να τις κατανέμει ομοιόμορφα ανάμεσα στα εγκλείσματα αλλά και να τα προστατεύει από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα διάφορα εγκλείσματα αποτελούν την ενισχυτική φάση του σύνθετου συστήματος και ποικίλουν σε μέγεθος, γεωμετρία και σύσταση. Στην παρούσα εργασία ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιήθηκε το ZnO. Το ZnO είναι ένας ημιαγωγός ευρέως χάσματος με μια μη κεντρική συμμετρική δομή κρυστάλλου Βουρτσίτη (Wurtzite) εξαγωνικού πλέγματος Bravais. Ως προπολυμερές για την παρασκευή των δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκε εποξειδική ρητίνη. Η συγκεκριμένη ρητίνη είναι ένα τυπικό μονωτικό πολυμερές χαμηλού ιξώδους και η διηλεκτρική της σταθερά καθώς και η αγωγιμότητα της δεν διαφέρουν σημαντικά από τις αντίστοιχες τιμές του ZnO. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός υλικών καθαρής ρητίνης και σύνθετων συστημάτων ρητίνης-κεραμικού ZnO σε διάφορες συγκεντρώσεις, από 10phr έως 70phr. Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των σύνθετων αυτών, εφαρμόστηκε η τεχνική της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος (BDS-Broadband Dielectric Spectroscopy) στην περιοχή συχνοτήτων από 0.1 Hz έως 1 ΜHz, με χρήση της γέφυρας εναλλασσόμενου Alpha-N της εταιρίας Novocontrol. Η κυψελίδα μετρήσεων που χρησιμοποιήθηκε ήταν η BDS 1200 της ίδιας εταιρίας. Τα δείγματα μελετήθηκαν σε θερμοκρασίες από –100 ºC έως 150 ºC. Τα φαινόμενα διηλεκτρικής χαλάρωσης που καταγράφονται στην παρούσα εργασία περιλαμβάνουν συνεισφορές τόσο από την πολυμερική μήτρα όσο και από την ενισχυτική φάση. Για την παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων διακρίνονται δυο περιοχές θερμοκρασιών. Στην περιοχή των χαμηλών θερμοκρασιών, από –100 ºC έως 20 ºC, καταγράφονται σε όλα τα δείγματα οι διεργασίες β-, γ-χαλάρωσης. Οι διεργασίες αυτές αποδίδονται σε περιορισμένες τοπικές κινήσεις τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας (γ-χαλάρωση) και σε επαναπροσανατολισμό πλευρικών τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας (β-χαλάρωση). Στα σύνθετα δείγματα, σε θερμοκρασία πάνω από τους –30 ºC, εμφανίζεται και η διεργασία χαλάρωσης FDE η οποία αποδίδεται στην ύπαρξη του πληρωτικού μέσου. Στην περιοχή των υψηλών θερμοκρασιών, από +20 ºC έως +150 ºC, εμφανίζεται σε όλα τα δείγματα, στην περιοχή των ενδιάμεσων συχνοτήτων, η α-χαλάρωση. Στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων, και μόνο στα σύνθετα δείγματα, καταγράφεται το φαινόμενο MWS το οποίο είναι ασθενές λόγω της χαμηλής ηλεκτρικής ετερογένειας μεταξύ των φάσεων του συστήματος. Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων παρουσιάζεται η διεργασία χαλάρωσης FDE η οποία γίνεται εντονότερη καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση του πληρωτικού μέσου. Για όλες τις συγκεντρώσεις, παρατηρείται ότι η εξάρτηση της διεργασίας της α-χαλάρωσης από τη θερμοκρασία περιγράφεται από την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VTF) ενώ η διεργασία χαλάρωσης FDE, παρουσιάζει εξάρτηση από τη θερμοκρασία, η οποία ακολουθεί την εξίσωση Arrhenius. Για τις διεργασίες της α-χαλάρωσης και του FDE στις υψηλές θερμοκρασίες, υπολογίζονται οι ενέργειες ενεργοποίησης. Στην εξάρτηση του πραγματικού μέρους της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσόμενου , από τη συχνότητα, διακρίνονται τρεις περιοχές. Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυξάνεται σχεδόν γραμμικά συναρτήσει της συχνότητας ακολουθώντας τον νόμο της παγκόσμιας διηλεκτρικής απόκρισης ( ). Στην ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων παρατηρούνται μεταβολές στην τιμή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας οι οποίες αποδίδονται στην ύπαρξη διάφορων διεργασιών χαλάρωσης. Στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων, η ηλεκτρική αγωγιμότητα τείνει προς μια σταθερή τιμή. Αυτή αντιστοιχεί στην αγωγιμότητα συνεχούς ( ) και αυξάνεται συναρτήσει της θερμοκρασίας ακολουθώντας την εξίσωση Vogel-Tamman-Fulcher (VTF).
  • Thumbnail Image
    Item
    Ανάπτυξη, χαρακτηρισμός και λειτουργική συμπεριφορά σύνθετων συστημάτων πολυμερικής μήτρας - νανοσωματιδίων τιτανικού ψευδάργυρου (ZnTiO3) και τιτανικού βαρίου (BaTiO3)
    (2014-02-04) Κουφάκης, Ελευθέριος; Ψαρράς, Γεώργιος; Βογιατζής, Γεώργιος; Βανακάρας, Αλέξανδρος; Βραδής, Αλέξανδρος; Κωστόπουλος, Βασίλειος; Μπόκιας, Γεώργιος; Στάικος, Γεώργιος; Koufakis, Eleftherios
    Τμήμα Φυσικής (ΜΔΕ)
    Τα Νανοσύνθετα συστήματα πολυμερικής μήτρας – σιδηροηλεκτρικών ή πιεζοηλεκτρικών σωματιδίων (κεραμικά εγκλείσματα) αναμένεται να αποτελέσουν μια νέα γενιά υψηλού τεχνολογικού ενδιαφέροντος που θα επιδεικνύουν λειτουργικές ιδιότητες λόγω της ποικίλης πόλωσης των κεραμικών νανοσωματιδίων. Η διασπορά κεραμικών εγκλεισμάτων στο εσωτερικό πολυμερικής μήτρας προσδίδει στα σύνθετα συστήματα βελτιωμένη μηχανική και ηλεκτρική συμπεριφορά. Τέτοιου τύπου συστήματα υλικών, που έχουν υψηλή ηλεκτρική διαπερατότητα (high-Κ materials) χρησιμοποιούνται σε ηλεκτρονικές εφαρμογές, καθώς μειώνουν τα ρεύματα διαρροής και παράλληλα λειτουργούν ως ενσωματωμένοι νανο-πυκνωτές και αισθητήρες ακουστικών εκπομπών. Η ηλεκτρική απόκριση τους, εκφράζεται κυρίως μέσω της ηλεκτρικής διαπερατότητας και μπορεί να ρυθμιστεί, ελέγχοντας τον τύπο, το μέγεθος και την ποσότητα της κεραμικής ενίσχυσης. Η ενσωμάτωση σιδηροηλεκτρικών ή πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων, που επιδεικνύουν υψηλή πόλωση, σε μια πολυμερική μήτρα, όπως η εποξειδική ρητίνη – που εν γένει είναι ηλεκτρικός μονωτής- με χαμηλή ηλεκτρική διαπερατότητα και υψηλή διηλεκτρική αντοχή μπορεί να οδηγήσει στην ανάπτυξη ενός ευφυούς συστήματος. Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η παρασκευή και ο χαρακτηρισμός σύνθετων πολυμερικών συστημάτων εποξειδικής ρητίνης – νανοσωματιδίων τιτανικού ψευδάργυρου (ZnTiO3) καθώς και σύνθετων υβριδικών συστημάτων εποξειδικής ρητίνης - νανοσωματιδίων τιτανικού ψευδάργυρου (ZnTiO3) και τιτανικού βαρίου (BaTiO3) ώστε να οδηγηθούμε σε ένα σύστημα υλικών με βέλτιστη συμπεριφορά. Στο θεωρητικό κομμάτι αυτής της εργασίας συζητούνται βασικές έννοιες και θεωρίες που αφορούν τα σύνθετα υλικά, τη θεωρία των διηλεκτρικών και ενεργών διηλεκτρικών, την ηλεκτρική συμπεριφορά σύνθετων υλικών με πολυμερική μήτρα καθώς και πειραματικές τεχνικές χαρακτηρισμού. Στο πειραματικό μέρος, νανοσύνθετα πολυμερικά συστήματα παρασκευάστηκαν από εποξειδική ρητίνη και νανοσωματίδια ZnTiO3 και BaTiO3. Η μέση διάμετρος σωματιδίων βάσει των προδιαγραφών του προμηθευτή ήταν λιγότερο από 100nm για το ZnTiO3 και στην περιοχή των 30 - 50nm για το BaTiO3. Στη συνέχεια τα νανοσύνθετα υποβλήθηκαν σε μορφολογικό, θερμικό και ηλεκτρικό χαρακτηρισμό. Η μορφολογία των δειγμάτων εξετάστηκε για τυχούσα παρουσία κενών (voids) και συσσωματωμάτων (clusters) μέσω του Ηλεκτρονικού Μικροσκοπίου Σάρωσης (SEM) και η θερμική τους απόκριση μέσω της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC). Η διασπορά των κεραμικών εγκλεισμάτων θεωρήθηκε ικανοποιητική, παρόλο που συνυπάρχουν οι νανοδιασπορές με συσσωματώματα. Οι διηλεκτρικές ιδιότητες και τα σχετιζόμενα φαινόμενα διεργασιών χαλάρωσης μελετήθηκαν με χρήση της Διηλεκτρικής Φασματοσκοπίας Ευρέως Φάσματος (BDS) στο εύρος θερμοκρασιών -100 oC έως 160 oC και στο διάστημα συχνοτήτων 10-1 Hz έως 106 Hz. Η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων διεξήχθη με τη χρήση των φορμαλισμών της ηλεκτρικής διαπερατότητας και του ηλεκτρικού μέτρου. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προκύπτει πως παρατηρούνται διηλεκτρικές χαλαρώσεις που οφείλονται τόσο στην πολυμερική μήτρα, όσο και στην ενισχυτική φάση. Τα φάσματα των υβριδικών συστημάτων καταγράφουν τουλάχιστον τέσσερεις διακριτούς τρόπους χαλάρωσης. Αυτά αποδίδονται στη διεπιφανειακή πόλωση (Interfacial Polarization ή φαινόμενο MWS) μήτρας/εγκλεισμάτων, στην α- χαλάρωση λόγω υαλώδους μετάβασης του πολυμερούς και στην β- και γ- χαλάρωση εξαιτίας της κίνησης πλευρικών πολικών ομάδων και τοπικής κίνησης μικρών τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας. Η λειτουργικότητα των νανοσύνθετων σχετίζεται με την μεταβολή της πόλωσης, που σχετίζεται ευθέως με το πραγματικό μέρος της ηλεκτρικής διαπερατότητας, την εξάρτηση της ειδικής αγωγιμότητας από την θερμοκρασία και την περιεκτικότητα σε ενισχυτικό μέσο και την δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας.
  • Thumbnail Image
    Item
    Τεχνικές ΜΚΕ συνθέτων υλικών με χρήση μη-συμβατικών μεθόδων αναγνώρισης προτύπων
    (2010-05-27T11:07:33Z) Νικολαΐδης, Βασίλειος; Παϊπέτης, Σ.; Παϊπέτης, Σ.; Φιλιππίδης, Θ.; Πολύζος, Δ.; Μασούρος, Γ.; Αναστασόπουλος, Β.; Δέντσορας, Αργ.; Δρακάτος, Π.; Nikolaidis, Vasileios
    Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)
    -
  • Thumbnail Image
    Item
    Αποτίμηση και ενίσχυση κατασκευών οπλισμένου σκυροδέματος με την χρήση σύνθετων υλικών
    Αλεξοπούλου, Λαμπρινή; Alexopoulou, Lamprini
    Τμήμα Πολιτικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
    Στην παρούσα διπλωματική εργασία με τίτλο «Αποτίμηση και Ενίσχυση Κατασκευών Οπλισμένου Σκυροδέματος με την Χρήση Σύνθετων Υλικών» , η οποία διεξήχθη στα πλαίσια του μεταπτυχιακού προγράμματος σπουδών του Πανεπιστημίου Πατρών, έγινε αποτίμηση δύο διώροφων κτηρίων, ένα με κτισμένο ισόγειο, κτήριο Α και ένα πανομοιότυπο με πυλωτή στο ισόγειο, κτήριο Β, κατασκευής προ του 1985. Για την μελέτη τόσο της ενίσχυσης όσο και της αποτίμησης ορίστηκαν οι διάφοροι απαραίτητοι παράμετροι όπως η ζώνη σεισμικότητας, η κατηγορία εδάφους, η σπουδαιότητα των υφιστάμενων αυτών κτηρίων και η στάθμη αξιοπιστίας των δεδομένων. Αρχικά παρουσιάζεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο όπως αυτό ορίζεται από τον ΚΑΝ.ΕΠΕ. και αμέσως μετά ξεκινά η αποτίμηση των κτηρίων. Σε αυτό το στάδιο της αποτίμησης έγινε και σύγκριση των δρομικών και μπατικών τοιχοπληρώσεων όσο αφορά την συνεισφορά τους στην δυσκαμψία του κτηρίου. Οι μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για την αποτίμηση των κτηρίων είναι οι ελαστικές δυναμικές μέθοδοι q και m, και η ανελαστική μέθοδο pushover κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ.. Η σχεδίαση των κατόψεων των κτιρίων πραγματοποιήθηκε με το λογισμικό AutoCAD και στην συνέχεια εισήχθησαν στο λογισμικό SCADA Pro, το οποίο είναι το λογισμικό που χρησιμοποιήθηκε για την αποτίμηση αυτών. Αμέσως μετά την αποτίμηση με τις μεθόδους που προαναφέρθηκαν ακολουθεί η σύγκρισή τους με βάση τα αποτελέσματα που προέκυψαν από το λογισμικό SCADA Pro. Εφόσον ολοκληρώθηκε η μελέτη αποτίμησης ακολουθεί θεωρητικό υπόβαθρο με διάφορες μεθόδους ενίσχυσης κτηρίων κατά ΚΑΝ.ΕΠΕ.. Μεγαλύτερη έμφαση δίνεται στην χρήση σύνθετων υλικών FRP, που αφορά, τις μεθόδους εφαρμογής τους, την ανθεκτικότητά τους αλλά και την συνεισφορά τους σε κάμψη, διάτμηση και περίσφιγξη. Στην συνέχεια παρουσιάζεται ο μορφή ενίσχυσης που θα εφαρμοστεί τελικά στα δύο κτήρια. Η ενίσχυση περιλαμβάνει την δημιουργία νέων τοιχωμάτων στο κτήριο και χρήση υφάσματος FRP ινών άνθρακα μιας διεύθυνσης, για την ενίσχυση των υποστυλωμάτων σε κάμψη. Κλείνοντας παρουσιάζεται το κόστος ενίσχυσης για το κάθε κτήριο αναλυτικά και η σύγκριση τους. Τέλος δεν παραλείπονται συνολικά συμπεράσματα που προέκυψαν από την παρούσα μελέτη αποτίμησης, ενίσχυσης και της επιρροής της πυλωτής σε ένα κτήριο.
  • Thumbnail Image
    Item
    Ανάπτυξη και εφαρμογή συνθέτων υλικών φιλικών προς το περιβάλλον
    Αναστασίου, Δημήτριος; Anastasiou, Dimitrios
    Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)
    Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκαν κατ’ αρχάς οι δυνατότητες του ινώδους φυσικού υλικού Luffa Cylindrica (LC) να χρησιμοποιηθεί για την ενίσχυση θερμοσκληρυνόμενων ρητινών εποξικής ρητίνης (ER) με σκοπό την κατασκευή ενός μηχανολογικού υλικού που θα συνεισφέρει σε έναν πιο βιώσιμο κόσμο. Προκειμένου να βελτιστοποιηθούν οι τελικές μηχανικές ιδιότητες, κατασκευάστηκαν «ημι-πράσινα» σύνθετα ER/LC, εφαρμόζοντας έναν αριθμό διαφορετικών συνδυασμών κατασκευαστικών παραμέτρων. Οι παράμετροι παρασκευής που ελήφθησαν υπόψη και που μελετήθηκε η επίδρασή τους στη συμπεριφορά του σύνθετου υλικού, ήταν: α) διάφορες χημικές επεξεργασίες ινών, (β) η εξωτερικά εφαρμοζόμενη πίεση κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης, γ) ο αριθμός των στρώσεων, (δ) η αλληλουχία στοίβαξης, ε) τα δομικά χαρακτηριστικά της LC και (στ) η επίδραση του κλάσματος βάρους των ινών. Η απόκριση της ελαστικής κάμψης του σύνθετου υλικού βρέθηκε βελτιωμένη σε σχέση με την απόκριση του καθαρού πολυμερούς λόγω της φύσης των ινών και της διαδικασίας βελτιστοποίησης της εφαρμοζόμενης κατασκευής. Η βελτίωση αυτή αντανακλάται στην δυσκαμψία του υλικού, η οποία αυξήθηκε κατά 48% για μηχανικά εφαρμοζόμενη πίεση 4,6 KPa κατά τη διάρκεια της ωρίμανσης. Επιπλέον, οι ίνες LC οι οποίες υποβλήθηκαν σε χημική επεξεργασία με ακετόνη / CH3COOH 1% κ.β. οδήγησαν σε βελτίωση της ακαμψίας έως και 30%. Επίσης, σε μια άλλη προσπάθεια, αναπτύσσεται ένα νέο, φιλικό προς το περιβάλλον εποξικό συγκολλητικό, χρησιμοποιώντας υλικά που διατίθενται στο εμπόριο και επιτυγχάνει 12% αύξηση στην περιεκτικότητα σε πράσινο άνθρακα και 22% αύξηση στην αντοχή στη διάτμηση. Το φιλικό προς το περιβάλλον εποξικό αυτό σύστημα του εμπορίου, στη συνέχεια, ενισχύεται με ξηρή σκόνη ελαιοπυρήνων προκειμένου να δώσει ένα φιλικό προς το περιβάλλον σύνθετο συγκολλητικό. Μελετάται η συμπεριφορά αυτών των δύο υλικών όταν χρησιμοποιούνται ως κόλλες σε συνδέσμους και προσδιορίζονται οι κύριες διατμητικές ιδιότητες. Για την κατασκευή συγκολλητών συνδέσμων, με παχύ στρώμα υγρής ρητίνης, χωρίς στάδιο προ-σκλήρυνσης (προκειμένου να επιτευχθούν βελτιωμένες ιδιότητες), κατασκευάζονται και δοκιμάζονται δύο σχήματα χύτευσης της περιοχής επικάλυψης, ένα σε διαμόρφωση απλού μέτρου και ένα δεύτερο σε διαμόρφωση μικτού μέτρου. Επιτυγχάνεται επίσης, αύξηση κατά 30% της αντοχής σε διάτμηση, όταν εφαρμόζεται μια φιλική προς το περιβάλλον εποξική κόλλα σε κάθε άκρο της περιοχής συγκόλλησης στη λειτουργία μικτού μέτρου, αντί για μια εποξική κόλλα με βάση τα ορυκτά. Επιπλέον, προτείνεται και παρουσιάζεται η εφαρμογή του Μοντέλου Πρόβλεψης Ιδιοτήτων, μια τροποποίηση και επέκταση του Μοντέλου Πρόβλεψης του Μέτρου, αποσκοπώντας στην ακριβή πρόβλεψη της διατμητικής αντοχής και της παραμόρφωσης σε σειρά σωματιδιακών σύνθετων συγκολλητικών υλικών. Όταν το μοντέλο εφαρμόζεται στα προαναφερθέντα σύνθετα υλικά, αποδεικνύεται ικανό να προβλέψει με ακρίβεια τις κύριες αυτές ιδιότητες διάτμησης. Σε μια τρίτη προσπάθεια και επειδή τα ενισχυμένα με φυσικές ίνες θερμοσκληρυνόμενα σύνθετα υλικά έχουν εξαιρετικές ιδιότητες, αλλά, λόγω της υγροσκοπικής φύσης των ινών, τα υλικά αυτά μπορεί να υποφέρουν από τις συνέπειες απορρόφησης υγρασίας (Η Luffa cylindrica είναι εξαιρετικά υγροσκοπική) αναπτύχθηκε μια τεχνολογία για την κατασκευή ανθεκτικών στην υγρασία εποξικών συνθέτων υλικών ενισχυμένων με LC και διερευνήθηκαν οι διάφορες παράμετροι που επηρεάζουν τη διεργασία κατασκευής χρησιμοποιώντας μακροχρόνια πειράματα απορρόφησης υγρασίας και Δυναμική Μηχανική Ανάλυση των ξηρών και υγρών δοκιμίων. Η τεχνολογία αυτή καταλήγει σε μια, ενισχυμένη με LC, μήτρα διπλής στιβάδας που κατασκευάζεται από μια πρώτη στιβάδα που αποτελείται από τροποποιημένο με λινέλαιο εποξικό σύστημα και μια τελική μη τροποποιημένη εποξική στοιβάδα. Το παραγόμενο σύνθετο προσφέρει μειωμένη απορροφητικότητα νερού κατά 33% και πρακτικά ταυτόσημη Tg, σε σύγκριση με το καθαρό, ενισχυμένο με LC, εποξικό. Η ίδια τεχνολογία εφαρμόζεται στην κατασκευή ανθεκτικών στο νερό συνθέτων υλικών ενισχυμένων με LC από φιλική προς το περιβάλλον, τόσο μήτρα, όσο και ενίσχυση.
  • Thumbnail Image
    Item
    Ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών γραφενίου με λειτουργικά πολυμερή ελεγχόμενης αρχιτεκτονικής
    Γκερμπούρα, Σάνδρα; Τσιτσιλιάνης, Κωνσταντίνος; Γαλιώτης, Κωνσταντίνος; Μαυραντζάς, Βλάσης; Αμανατίδης, Ελευθέριος; Ψαρράς, Γεώργιος; Καλλίτσης, Ιωάννης; Κωστόπουλος, Βασίλειος; Gkermpoura, Sandra
    Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΔΔ)
    Στην παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνήθηκε η παρασκευή και η μελέτη σύνθετων υλικών σε στερεή και "μαλακή" κατάσταση ("soft" matter) χρησιμοποιώντας ως ενισχυτικό μέσο το γραφένιο. Η παρασκευή σύνθετων υλικών στερεής κατάστασης επιτεύχθηκε σ’ ένα οργανικό διαλύτη χαμηλού σημείου ζέσεως, το χλωροφόρμιο (CHCl3). Η αποφλοίωση του γραφίτη πραγματοποιήθηκε μέσω της μεθόδου αποφλοίωσης υγρής φάσης (Liquid-Phase Exfoliation) στο CHCl3 παρουσία πολυμεθακρυλικών μεθυλεστέρων (PMMA) διαφορετικών αρχιτεκτονικών που φέρουν στ’ άκρα ομάδες πυρενίου, PMMA(Py)n, για την δημιουργία π-π αλληλεπιδράσεων μεταξύ γραφενίου και παραγόντων διασποράς με σκοπό τη παρασκευή ομογενών και σταθερών υβριδίων Γραφένιο/PMMA(Py)n και την χρήση αυτών ως ενισχυτικό μέσο. Η σύνθεση των γραμμικών και αστεροειδών πολυμερών πραγματοποιήθηκε με συνδυασμό των μεθόδων ελεγχόμενoυ ριζικού πολυμερισμού (ARGET ATRP) και χημείας "click". Ενώ, ο προσδιορισμός του ποσοστού της δραστικοποιήσης των πολυμερών Py-PMMA-Py, (PMMA-Py)3 και (PMMA-Py2)3 επιτεύχθηκε με τον καινοτόμο συνδυασμό των μεθόδων χρωματογραφίας αποκλεισμού μεγεθών (SEC) και φασματοσκοπία; υπεριώδους-ορατού (Uv-Vis). Συνεχίζοντας με τον χαρακτηρισμό των αιωρημάτων Γραφένιο/PMMA(Py)n χρησιμοποιήθηκε μια πλειάδα τεχνικών, όπως της φασματοφωτομετρίας Uv-Vis, της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας διέλευσης (TEM), της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) και της φασματοσκοπίας σκέδασης Raman. Το τελεχηλικό Py-PMMΑ-Py αποδείχθηκε αποτελεσματικότερος σταθεροποιητής των γραφενικών αιωρημάτων σε σύγκριση με το πρόδρομο του, Py-PMMΑ και το μη δραστικοποιήμενο PMMA. Ενώ, από την συστηματική διερεύνηση κατάλληλων συνθηκών για την παρασκευή γραφενίου υψηλής συγκέντρωσης παρουσία του τελεχηλικού πολυμερούς, προέκυψε πως με συνδυασμό των μεθόδων shear mixing & tip sonication επιτυγχάνονται οι μέγιστες τιμές της συγκέντρωσης διασκορπισμένων γραφενικών φύλλων, CG. Μάλιστα, οι τιμές της CG που προσδιοριστήκαν είναι σημαντικά μεγαλύτερες σε σύγκριση με άλλες μελέτες που έχουν πραγματοποιηθεί στον ίδιο διαλύτη απουσία και παρουσία σταθεροποιητή. Επίσης, από την αποφλοίωση του γραφίτη παρουσία των αστεροειδών πολυμερών, διαπιστώθηκε πως οι υψηλότερες τιμές της CG επιτεύχθηκαν παρουσία του (PMMA-Py2)3. Η συγκριτική μελέτη που πραγματοποιήθηκε για την επίδραση της μακρομοριακής αρχιτεκτονικής των συντεθέντων πολυμερών στην αποφλοίωση του γραφίτη, διαπιστώθηκε ότι ο αριθμός των πυρενίων που φέρουν τα πολυμερή στα άκρα άλλα και η αρχική συγκέντρωση πολυμερούς επηρεάζει σημαντικά την συγκέντρωση γραφενίου, CG. Σε ένα επόμενο στάδιο, ορμώμενοι από τις αξιόλογες ιδιότητες που παρουσιάζει το γραφένιο, επιχειρήθηκε η ενσωμάτωση των υβριδίων Γραφένιο/PMMA(Py)n μέσα σε πολυμερικές ίνες PMMA με τη χρήση της τεχνικής της ηλεκτροστατικής ινοποιήσης (electrospinning), με στόχο την παρασκευή νανοσύνθετων μεμβρανών PMMA/G-PMMA(Py)n. Μέσω της μικροσκοπίας SEM, διαπιστώθηκε πως η μορφολογία των ινών επηρεάζεται δραστικά από την παρουσία της ενισχυτικής φάσης. Η εισαγωγή των γραφενικών φύλλων μέσα στις ίνες επιβεβαιώθηκε και από την μικροσκοπία TEM. Επίσης, πραγματοποιήθηκε μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των νανοσύνθετων μεμβρανών μέσω της διηλεκτρική φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος (BDS-Broadband Dielectric Spectroscopy). Διαπιστώθηκε πως η αύξηση της συγκέντρωσης Γραφενίου καθώς και η ύπαρξη ολιγοστρωματικών φύλλων γραφενίου συμβάλουν στην αύξηση της αγωγιμότητας. Έκτος από την βελτίωση ηλεκτρικών ιδιοτήτων, διαπιστώθηκε και βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των νανοσύνθετων μεμβρανών. Στο τελευταίο στάδιο της παρούσας εργασίας, διερευνήθηκε η παρασκευή σύνθετων ιονοπηκτωμάτων (ion gels) στο ιοντικό υγρό [Bmim][PF6] και μελετήθηκε η επίδραση της παρουσίας του γραφενίου στις ιδιότητες (μηχανική απόκριση, αγωγιμότητα) τους. Τα πολυμερή που επιλεχθήκαν για την παρασκευή υβριδίων ήταν το τρισυσταδικό τριαδρομερές P(BzMA-co-tBuMA)-b-P(MMA-b-EG-b-MMA)-b-P(BzMA-co-tBuMA) και το τρισυσταδικό συμπολυμερές PEO-PS-PEO. Τα πολυμερή είναι τύπου A-B-A, όμως λόγω διαφορετικής διαλυτότητας που παρουσιάζουν οι συστάδες τους στο ιοντικό υγρό, αυτό-οργανώνονται σχηματίζοντας διαφορετικές δομές. Διαπιστώθηκε από τις ρεολογικές μετρήσεις των σύνθετων ιονοπηκτωμάτων ότι η ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων παρουσία του γραφενίου επηρεάζεται καθοριστικά από τη δομή που σχηματίζει το πολυμερές στο διαλυτή. Επίσης, για τα δύο συστήματα διαπιστώθηκε σημαντική βελτίωση της αγωγιμότητας με αύξηση της συγκέντρωσης του γραφενίου. Τέλος, πρέπει να τονισθεί ότι το ιονοπήκτωμα PEO-PS-PEO/Γραφένιο στο [Bmim][PF6] εμφανίζει συνδυασμό βελτιωμένων ιδιοτήτων, ητοι αύξηση αγωγιμότητας, ενίσχυση ρεολογικών ιδιοτήτων και θερμοκρασιακή σταθερότητα μέχρι τους 100 οC. Ακόμα σημαντικότερο, εμφανίζει μεγαλύτερη αγωγιμότητα από όλα τα μέχρι τώρα μελετηθέντα πολυμερικά ιονοπηκτώματα, γεγονός που το καθιστά υποψήφιο για εφαρμογές στους στερεούς ηλεκτρολύτες.
  • Thumbnail Image
    Item
    Development of experimental and numerical methodologies for the investigation of composite and hybrid metal-composite fastened joints subjected to impact loads
    Περόγαμβρος, Νικόλαος; Λαμπέας, Γεώργιος; Παντελάκης, Σπυρίδων; Σαραβάνος, Δημήτριος; Παπαδόπουλος, Χρήστος; Τριανταφύλλου, Αθανάσιος; Τσούβαλης, Νικόλαος; Τσερπές, Κωνσταντίνος; Perogamvros, Nikolaos
    Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχαν. (ΔΔ)
    In the present thesis a thorough investigation regarding the mechanical response of several types of composite coupons, composite or hybrid fastened joints and a hybrid large-scale panel with several fasteners, is conducted under dynamic (impact) and quasi-static loading conditions with the aid of efficient experimental and numerical methodologies developed for these purposes. With respect to the experimental activities, the quasi-static and dynamic (medium strain rate regime) tests are performed using a conventional servo-hydraulic frame and a drop tower machine in conjunction with special devices and jigs that are designed and manufactured in the frame of the current work. Special efforts are made on the development of a novel tensile testing apparatus which has the ability to transform the compression loading of a drop weight system into tension loading on the specimen. Due to the complexity of the impact phenomena that are related to the tensile apparatus function, the sizing of its members, the identification of the optimal positions of the force and displacement sensors, as well as the investigation of the critical dynamic testing conditions which should be satisfied, are all performed with the support of a three-dimensional finite element model of the apparatus. The experiments, which are conducted in a range from quasi-static to 4.6 m/s impact velocity, show small to medium loading rate sensitivity concerning the ultimate load values for the laminate and joint level configurations, while in some fastened joint cases, pronounced differences in the failure evolution and modes among the various loading rates are observed. Within the finite element framework, efficient numerical modelling methodologies are developed for simulating the dynamic response of the laminated specimens and the composite/hybrid fastened configurations. These numerical methodologies, the development of which is the main scope of this thesis, can be classified into two main categories, depending on their applicability on the various structural levels that are investigated in the current work. The first modelling methodology is based on the stacked shell approach for the representation of the laminate part of the simulated coupons, while the metallic components (e.g. fasteners) are modelled using solid elements. Although this approach is very time efficient, it can predict the laminate and the fastened coupons impact response in a very accurate and detailed manner; in particular, the developed stacked shell models are validated against the relative experimental data, which are extracted using the unique devices mentioned in the above paragraph, showing very good correlation in terms of stress – strain and load – displacement curves, as well as on the prediction of the failure initiation, the damage progression and the final catastrophic failure modes. In addition to this modelling technique, a second finite element modelling methodology, which is referred as ‘macro-modelling approach’ and is more efficiently applied in large- and full-scale structural components, is developed in the frame of this thesis. In the latter approach, the fastened areas are mainly represented by three components, i.e. the two plates (laminate or metallic) meshed with one layer (each plate) of shell elements and the fastener which is modelled with linear beam elements. The macro-modelling approach is evaluated against a three-dimensional numerical solution and analytical spring-based macro-models using a benchmark single-lap single-bolt composite joint configuration. Afterwards, this approach is adopted for the modelling of a hybrid composite-metallic panel (representative part of a rear fuselage section) with eighty fasteners in a multi-row and multi-column arrangement, in order to predict its behaviour under quasi-static and transient compressive loads; the model is validated against respective experimental and reference numerical results, in terms of load – displacement curves and buckling mode shape/location prediction.
  • Thumbnail Image
    Item
    Ανάλυση και βελτιστοποίηση διαμόρφωσης συστοιχιών MicroPins σε υβριδικούς συνδέσμους απλού επιθέματος μετάλλου - σύνθετου υλικού
    Κοτσαρίνης, Νικόλαος; Kotsarinis, Nikolaos
    Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)
    Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η ανάλυση υβριδικών συνδέσεων CFRP-Titanium απλού επιθέματος καθώς και η μελέτη της ενίσχυσή τους με MicroPins με σκοπό την βελτιστοποίηση της αντοχής τους και της ικανότητας παραλαβής φορτίου. Αρχικά παρουσιάζονται κάποια γενικά στοιχεία όσον αφορά τα σύνθετα υλικά και αναφέρονται παραδείγματα της χρήσης αυτών σε διάφορες βιομηχανίες. Έπειτα, δίνεται έμφαση στον σχεδιασμό με ανοχή στη βλάβη, μια φιλοσοφία σχεδιασμού στην οποία βασίζονται πλέον όλες οι σύνθετες κατασκευές, προσδίδοντας νέες βελτιωμένες ιδιότητες και αυξάνοντας εν τέλει την αντοχή των κατασκευών. Επίσης γίνεται μια μικρή εισαγωγή στην ενίσχυση των συνδέσεων κατά το πάχος και παρουσιάζεται η ιεραρχία των διαδικασιών που ακολουθεί η βιομηχανία για την πιστοποίηση των σύνθετων κατασκευών. Στην συνέχεια, εφόσον η εργασία επικεντρώνεται στις συνδέσεις με κόλλα είναι αναγκαίο να αναλυθούν οι τρόποι αστοχίας των συνδέσεων με κόλλα, οι διάφορες προσεγγιστικές θεωρίες για την ανάλυση της αστοχίας, ενώ αναφέρονται επίσης μερικά από τα κριτήρια αστοχίας που χρησιμοποιούνται για την ανάλυση της αστοχίας των συνδέσεων με κόλλα. Επίσης γίνεται αναφορά στην διαμόρφωσή τους, στα συνδετικά υλικά που χρησιμοποιούνται, στην επιφανειακή κατεργασία που απαιτείται, στους παράγοντες που τις επηρεάζουν και στα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα που παρουσιάζουν καθώς επίσης αναφέρονται και διάφορες σημαντικές εφαρμογές τους. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται αναφορά στις τεχνικές ενίσχυσης των συνδέσεων με κόλλα κατά το πάχος δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην ενίσχυση με Micro – pins και αναλύονται οι τεχνικές διαμόρφωσης των pins σε υβριδικές μετάλλου – σύνθετου συνδέσεις. Έπειτα τονίζεται η βελτίωση ορισμένων ιδιοτήτων και η υποβάθμιση των in – plane ιδιοτήτων που αποφέρει η ενίσχυση με pins και παρουσιάζεται ο νόμος γεφύρωσης για ένα pin μαζί με μοντέλα προσέγγισης καθώς επίσης και μοντέλα για ενισχυμένες κατά το πάχος πολύστρωτες διατάξεις. Στο 4ο κεφάλαιο παρουσιάζεται η γενική θεωρία που διέπει την συνεκτική ζώνη μοντελοποίησης μαζί με τους νόμους έλξης – διαχωρισμού και γίνεται αναφορά στις παραμέτρους που επηρεάζουν την συνεκτική ζώνη μοντελοποίησης. Επίσης αναφέρεται και η αντίστοιχη θεωρία που χρησιμοποιείται από τις βιβλιοθήκες του προγράμματος MSC.Nastran. Στο 5ο κεφάλαιο γίνεται η μοντελοποίηση των συνδέσεων που μελετώνται: 1. CFRP-CFRP co-cured σύνδεση 2. CFRP-Tit co-cured σύνδεση 3. CFRP-Tit co-bonded σύνδεση 4. CFRP-Tit pinned co-cured σύνδεση 5. CFRP-Tit pinned co-bonded σύνδεση 6. Transformed model 7. Proposal 1 8. Proposal 2 Παρουσιάζονται όλες οι ιδιότητες που χρησιμοποιούνται για την μοντελοποίηση, η διακριτοποίηση, η γεωμετρία, οι συνοριακές συνθήκες που επιβάλλονται στο μοντέλο καθώς επίσης και διάφορες εντολές που χρησιμοποιούνται στο πρόγραμμα MSC.Nastran/Patran. Στο επόμενο κεφάλαιο, παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα των παραπάνω αναλύσεων ενώ γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ τους προκειμένου να γίνει εξαγωγή συμπερασμάτων. Τέλος, γίνεται αναφορά σε πιθανά θέματα που μπορεί να αποτελέσουν αντικείμενο μελλοντικής μελέτης.
  • Thumbnail Image
    Item
    Investigation of the stress concentration factor around a circular hole in composite laminates
    Πετρόπουλος, Φαίδων; Κωστόπουλος, Βασίλειος; Παπανικολάου, Γεώργιος; Ανυφαντής, Νικόλαος; Petropoulos, Faidon
    Τμήμα Φυσικής (ΜΔΕ)
    This thesis investigates the stress concentration factor around a circular hole for composite laminates. The dependence of the stress concentration factor is examined against the ratio of the hole's diameter to the plate's width for various stacking sequences, using FEA models.
  • Thumbnail Image
    Item
    Investigation of the effect of graphene nanospecies on the damage tolerance of fibrous composite materials under static loading
    Σπετσιέρης, Αθανάσιος; Spetsieris, Athanasios
    Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)
    In the last decades, fibrous composite materials have proven to be the answer in the advanced industries' search for materials with superior mechanical properties, combined with minimized weight. Graphene, one of the current century's greatest discoveries, was quickly realized to be of immense value in this search. The inclusion of various types of graphene nanoparticles in composite structures yielded not only astounding mechanical properties, but also unprecedented improvements in the electrical, chemical and optical properties of such materials. In the present thesis, the effect of graphene nanoplatelets (GNPs) in the fracture response of fibrous composite specimens is investigated. More specifically, nano-enhanced laminates were compared to their neat counterparts on their interlaminar fracture toughness results in Mode I and Mode II testing, under static loading. In the case of nanoenhanced specimens, two material systems were created with nanoparticles of different dimensional features, in order to further assess the effect of sizing in the overall enhancement. The specimens for both modes originated from a single laminated CFRP plate in each case, the manufacturing of which entailed the use of an automated pre-impregnation contraption, lamination and consolidation by means of an autoclave. For the nano-enhanced epoxy matrix, the required dispersion of the GNPs was achieved by following the method of three-roll milling, that utilizes a calender configuration. Results indicated a similar fracture response in both modes, as the nano-enhanced material system with the smaller GNPs exhibited improvement of the interlaminar fracture toughness values, by 19% for Mode I and 5% for Mode II, compared to the neat matrix system. On the contrary, the second nano-enhanced material system's results showed deterioration of the same values, 27% and 37% respectively, providing thus a strong case on the matter of the nanoparticles' dimensions effect on their capability to enhance composite material structures.