Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10889/15410
Title: Development of composite materials modified with bis-maleimide polymer containing carbon nanoparticles: Investigation of fracture toughness properties and healing capabilities
Other Titles: Μελέτη διαστρωματικής θραυστομηχανικής συμπεριφοράς συνθέτων υλικών με δυνατότητες αυτοΐασης που κατασκευάζονται από επιφανειακά τροποποιημένη δομική μονάδα prepreg με υλικό βις-μαλειμίδιο BMI που εναποτίθεται με τη μέθοδο της ηλεκτροϊνοποίησης διαλύματος και είναι ενισχυμένο με νανοσωματίδια γραφιτικής βάσης
Authors: Ρούβαλης, Κωνσταντίνος
Keywords: Composites
Self-healing
Electrospinning
Fiber bridging
Cohesive zone model
Keywords (translated): Σύνθετα
Αυτοΐαση
Ηλεκτροϊνοποίηση
Γεφύρωση ινών
Μοντέλα συνεκτικής ζώνης
Abstract: In the present thesis, an investigation was conducted on the fracture toughness properties and the Self-Healing (SH) capability of a Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP), which was modified with interleaves of a self-healable Bis-Maleimide (BMI) polymer – based on the reversible Diels-Alder (DA) reaction – that contained carbon nanoparticles. The formation and distribution of BMI interleaves (SH Agent - SHA) on the CFRP plies was performed locally before curing, only in interlaminar regions of interest, by the Solution Electrospinning Process (SEP). Namely, reference (unmodified) and BMI-modified CFRPs – either without or with one of two nanoparticle types, viz. Multi-Walled Carbon Nanotubes (MWCNTs) and Graphene Nanoplatelets (GNPs) – were fabricated and tested under Three-Point Bending (3PB) and Mode I Delamination Fracture conditions. The experiments showed that the SHA-modification had only a small negative effect on the flexural mechanical properties of the CFRPs and their interlaminar fracture toughness properties were enhanced, mostly due to the fiber bridging phenomenon (caused by the presence of SHA), with the BMI & GNP-modified case exhibiting the best toughening performance. Subsequently, a healing process took place, but the repetition of Mode I fracture tests indicated that low recovery of mechanical and fracture properties was achieved. Based on the first Mode I Fracture experiments, Finite Element Models (FEM) were developed, including Cohesive Zone Models (CZM) with Multilinear Cohesive Laws to account for the Interlaminar Mode I Fracture response of the specimens. The suitable CZM parameters were in agreement with the experimental conclusions, regarding the superiority of the BMI & GNP-modified CFRP and the principal role of fiber bridging to the toughening effect. Although the numerical models offered a good approach around the maximum load of the fracture response, they displayed some deviation from the experiments in the propagation part of the force – displacement curves. This was mainly attributed to the insufficient approximation of the stress field around the delamination crack by the utilized plane strain finite elements and secondarily to the inability of the models to describe possible degradation of the CFRP properties around the crack of the DCB specimen. In the end of the thesis, suggestions are made for development of the implemented SH strategy (to achieve healing) and improvement of the numerical models (to reduce deviation from the experiments).
Abstract (translated): Στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας, μελετήθηκαν οι θραυστομηχανικές ιδιότητες και η ικανότητα αυτοΐασης ενός συνθέτου υλικού από πολυμερές ενισχυμένο με ίνες άνθρακα, το οποίο τροποποιήθηκε με ενδιάμεσες στρώσεις από ένα αυτοϊάσιμο πολυμερές Δις-Μαλεϊμιδίου (BMI) – βασισμένο σε αντιστρεπτές αντιδράσεις Diels-Alder (DA) – που περιείχε νανοσωματίδια άνθρακα. Η διαμόρφωση των ενδιάμεσων στρώσεων από BMI (Παράγοντας Αυτοΐασης – Self-Healing Agent) πάνω στις στρώσεις του συνθέτου διενεργήθηκε τοπικά πριν τον πολυμερισμό (curing), μόνο σε διαστρωματικές περιοχές ενδιαφέροντος, με τη μέθοδο της Ηλεκτροϊνοποίησης Διαλύματος (Solution Electrospinning Process). Συγκεκριμένα, κατασκευάστηκαν δοκίμια από ένα σύνθετο αναφοράς (μη τροποποιημένο) και από τροποποιημένες εκδοχές του με BMI (είτε χωρίς είτε με έναν εκ των δύο τύπων νανοσωματιδίων: Νανοσωλήνες Άνθρακα Πολλαπλού Τοιχώματος και Νανοφυλλίδια Γραφενίου), τα οποία υποβλήθηκαν σε πειράματα Κάμψης Τριών Σημείων και Θραύσης Διαστρωματικής Αποκόλλησης Τύπου Ι. Τα πειραματικά αποτελέσματα φανέρωσαν πως η τροποποίηση είχε μικρή αρνητική επιρροή στις καμπτικές μηχανικές ιδιότητες του συνθέτου και οι διαστρωματικές, θραυστομηχανικές ιδιότητές του ενισχύθηκαν, ιδίως λόγω της εμφάνισης του φαινομένου γεφύρωσης ινών (προκαλούμενου από την παρουσία του παράγοντα αυτοΐασης), με την περίπτωση του BMI με Νανοφυλλίδια Γραφενίου να αποδίδει τη μέγιστη βελτίωση ιδιοτήτων. Εν συνεχεία, ενεργοποιήθηκε ο μηχανισμός αυτοΐασης και επαναλήφθηκαν τα πειράματα σε Θραύση Τύπου Ι, επιδεικνύοντας πως οι μηχανικές και οι θραυστομηχανικές ιδιότητες του συνθέτου ανακτήθηκαν ανεπαρκώς. Με βάση τα πρώτα πειράματα Θραύσης Τύπου Ι, αναπτύχθηκαν Μοντέλα Πεπερασμένων Στοιχείων, συμπεριλαμβάνοντας Μοντέλα Συνεκτικής Ζώνης (Cohesive Zone Models - CZM) για να αναπαραστήσουν την συμπεριφορά του συνθέτου υπό Διαστρωματική Θραύση Τύπου Ι. Οι ευάρμοστες παράμετροι των CZM βρίσκονταν σε συμφωνία με τα πειραματικά συμπεράσματα, όσον αφορά στην υπεροχή της τροποποίησης με ΒΜΙ & Νανοφυλλίδια Γραφενίου και στον πρωτεύοντα ρόλο της γεφύρωσης ινών στην ενίσχυση των θραυστομηχανικών ιδιοτήτων. Παρότι τα αριθμητικά μοντέλα πρόσφεραν μια καλή προσέγγιση της θραυστομηχανικής απόκρισης γύρω από το μέγιστο φορτίο, εμφάνισαν αποκλίσεις από τα πειραματικά αποτελέσματα στο κομμάτι των καμπυλών φορτίου – μετατόπισης που αφορά στη διάδοση της ρωγμής. Αυτό αποδόθηκε πρωτίστως στην ανακριβή περιγραφή του τασικού πεδίου γύρω από τη ρωγμή από την επιλεχθείσα προσέγγιση συνθηκών επίπεδης παραμόρφωσης και δευτερευόντως στην αδυναμία των μοντέλων να περιγράψουν την ενδεχόμενη υποβάθμιση των ιδιοτήτων του συνθέτου γύρω από τη ρωγμή. Στο τέλος της εργασίας, παρατίθενται προτάσεις τόσο για την εξέλιξη της χρησιμοποιούμενης στρατηγικής αυτοΐασης, ώστε να ιαθεί το υλικό, όσο και για τη βελτίωση των αριθμητικών μοντέλων για να μειωθούν οι αποκλίσεις από τα πειράματα.
Appears in Collections:Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικ. (ΔΕ)

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
DT_M_Rouvalis_Constantinos_1054513.pdf4.32 MBAdobe PDFView/Open


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