Μελέτη αστοχίας διεπιφάνειας ίνας άνθρακα / εποξικής ρητίνης με την τεχνική της νανοδιείσδυσης και τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων

Μπατσούλη, Δέσποινα; Batsouli, Despoina

dc.contributor.author	Μπατσούλη, Δέσποινα	el
dc.contributor.author	Batsouli, Despoina	en
dc.date.accessioned	2016-09-28T07:15:59Z
dc.date.available	2016-09-28T07:15:59Z
dc.date.issued	2016-09-28
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43658
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5701
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών”	el
dc.rights	Default License
dc.subject	Νανοδιείσδυση	el
dc.subject	Πεπερασμένα στοιχεία	el
dc.subject	Σύνθετα	el
dc.subject	Διεπιφάνεια	el
dc.subject	Nanoindentation	en
dc.subject	Finite elements	en
dc.subject	Composites	en
dc.subject	Interface	en
dc.title	Μελέτη αστοχίας διεπιφάνειας ίνας άνθρακα / εποξικής ρητίνης με την τεχνική της νανοδιείσδυσης και τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-06-29
heal.abstract	Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η μελέτη αντοχής της διεπιφάνειας ίνας άνθρακα/εποξικής ρητίνης υπό κυκλική φόρτιση με την τεχνική της νανοδιείσδυσης. Στα πλαίσια της εργασίας, διεξήχθησαν πειράματα νανοδιείσδυσης σε δείγματα συνθέτου ινών άνθρακα / εποξικής ρητίνης με διαφορετικούς προσανατολισμούς ινών, επιλεκτικά, σε περιοχές ίνας, μήτρας και διεπιφάνειας ίνας/μήτρας. Οι μετρήσεις των δειγμάτων πραγματοποιήθηκαν σε μονοκυκλική και πολυκυκλική φόρτιση – αποφόρτιση και από τις καμπύλες φορτίου – βάθους διείσδυσης που προέκυψαν, αξιολογήθηκαν οι μηχανικές ιδιότητες των συνθέτων. Παρατηρήθηκε ότι σε εντυπώσεις σε περιοχές κοντά στη διεπιφάνεια, εμφανίστηκε μια ασυνέχεια στις πειραματικές καμπύλες τύπου «pop-in». Το «pop-in» συνδέεται με τη μετάβαση από την κυρίως ελαστική/ελαστοπλαστική παραμόρφωση στην παραμόρφωση με τη μερική αποκόλληση ίνας/μήτρας. Η μικροδομή και η μορφολογία της επιφάνειας του συνθέτου μελετήθηκαν με οπτικό μικροσκόπιο (OM), ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) και μικροσκόπιο σάρωσης ακίδας (SPM). Η μορφή της αστοχίας (σχισμός ίνας, αποκόλληση ίνας/μήτρας, αστοχία μήτρας, εκτεταμένη πλαστική παραμόρφωση) καθορίστηκε από τα διαγράμματα φορτίου-μετατόπισης σε αντιπαραβολή με τις εικόνες μικροσκοπίας πριν και μετά τη νανοδιείσδυση. Ωστόσο, η ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων για τον προσδιορισμό των ιδιοτήτων της διεπιφάνειας δεν είναι μονοσήμαντη και απαιτείται ένα λεπτομερές μικρομηχανικό μοντέλο. Κατά τα πειράματα νανοδιείσδυσης εμφανίζονται ιδιαίτεροι περιορισμοί, όπως η τοπική μικροδομή (διάταξη ινών), η ανισοτροπία των ινών άνθρακα, η επίδραση των παραμενουσών τάσεων, καθώς και η τριβή ίνας-μήτρας μετά την αποκόλληση. Για το λόγο αυτό, επιχειρήθηκε η μελέτη του φαινομένου, με χρήση υπολογιστικών μοντέλων. Κατασκευάστηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο ίνας/μήτρας, από κώδικα πεπερασμένων στοιχείων (ANSYS Parametric Design Language – APDL). Επιλέχθηκαν κατάλληλα πεπερασμένα στοιχεία για τη διακριτοποίηση (mesh) της ακίδας και του δείγματος (ίνας και μήτρας) και ιδιαιτέρως, για τη διακριτοποίηση κοντά στην επαφή της ίνας με τη μήτρα, όπου αναμένονταν και οι μεγαλύτερες παραμορφώσεις. Για την κατασκευή του κώδικα αξιολογήθηκαν διάφορα μοντέλα, με διαφορετικές γεωμετρίες ακίδας και δείγματος, διακριτοποιήσεις (mesh), συνοριακές συνθήκες και ιδιότητες υλικών, προκειμένου να βρεθούν οι παράμετροι που παίζουν σημαντικό ρόλο κατά την αστοχία της διεπιφάνειας και το μηχανισμό παραμόρφωσης κατά τις πειραματικές διεισδύσεις. Έμφαση δόθηκε στην επίδραση της τριβής μεταξύ ίνας/μήτρας και των μηχανικών ιδιοτήτων της μήτρας (μέτρο ελαστικότητας και όριο διαρροής) στις καμπύλες φορτίου-μετατόπισης.	el
heal.abstract	The aim of present work is to study the strength of carbon fiber/epoxy interface under cyclic loading with nanoindentation technique. In this thesis, nanoindentation experiments were performed on specimens of carbon fiber reinforced polymer composites-CFRPs with different fiber orientations, selectively, in fiber, matrix and fiber/matrix interface areas. Nanoindentation measurements were performed to single and multicycle loading - unloading and the mechanical properties of the composite were evaluated. It was observed that indentations in the region close to the interface, an abrupt pop-in type event was appeared. This event is plausibly connected to a transition from mainly elastic/elastoplastic deformation to deformation by partial fiber/matrix decohesion. Microstructure and surface morphology of the composite were studied by optical microscopy (OM), scanning electron microscopy (SEM) and scanning probe microscopy (SPM). The form of failure (split fiber, fiber / matrix decohesion, matrix failure, plastic deformation) were determined from the load-displacement curves and SEM and SPM images before and after nanoindentation. However, the interpretation of experimental results to determine the interface properties is not straightforward and requires a detailed micromechanical model. In the nanoindentation experiments shown particular limitations, such as the local microstructure (fiber packing), the anisotropy of the carbon fibers, the influence of residual stresses and fiber-matrix friction after decohesion. Therefore, it was attempted to study the phenomenon, by using computational models. A three-dimensional fiber/matrix model was built from ANSYS Parametric Design Language – APDL. Suitable finite elements were selected for meshing of the tip and the sample (fiber and matrix) and meshing close to contact of fiber and matrix, which was expected larger deformations. To build the appropriate code were evaluated various models with different tip geometries and specimen mesh, boundary conditions and material properties in order to find appropriate parameters for the failure of the interface and the deformation mechanism during the experimental indentations. Emphasis was given to the effect of fiber/matrix friction and the mechanical properties of the matrix (elastic modulus and yield strength) in the load-displacement curves.	en
heal.advisorName	Χαριτίδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Κοντού, Ευαγγελία	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	110 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true