Επίδραση νανοδομών γραφενίου σε σύνθετο πολυστρωματικό υλικό εποξικής ρητίνης / υαλοϋφάσματος

Τζωρτζόπουλος, Γεώργιος; Tzortzopoulos, Georgios

dc.contributor.author	Τζωρτζόπουλος, Γεώργιος	el
dc.contributor.author	Tzortzopoulos, Georgios	en
dc.date.accessioned	2017-02-03T09:33:58Z
dc.date.available	2017-02-03T09:33:58Z
dc.date.issued	2017-02-03
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/44288
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.13807
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Σύνθετα πολυστρωματικά υλικά	el
dc.subject	Σύνθετα υλικά	el
dc.subject	Νανοδομές γραφενίου	el
dc.subject	2-Δ υλικά ενίσχυσης	el
dc.subject	Σύνθετα υλικά εποξειδικής μήτρας	el
dc.subject	Composite laminates	en
dc.subject	Composites	en
dc.subject	Graphene nanoplatelets	en
dc.subject	2D additives	en
dc.subject	Epoxy matrix composites	en
dc.title	Επίδραση νανοδομών γραφενίου σε σύνθετο πολυστρωματικό υλικό εποξικής ρητίνης / υαλοϋφάσματος	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Σύνθετα υλικά	el
heal.classification	Composites	en
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-11-08
heal.abstract	Τα νανοσύνθετα υλικά ή αναλυτικότερα τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με νανοϋλικά, προσελκύουν ολοένα και περισσότερο το επιστημονικό, αλλά και το βιομηχανικό ενδιαφέρον. Τα νανοσωματίδια που χρησιμοποιούνται ως προσθήκες στα σύνθετα υλικά παρουσιάζουν μεγάλη επιφάνεια επαφής επηρεάζοντας έτσι τη φυσική και χημική συμπεριφορά του νανοσύνθετου υλικού. Τα τελευταία χρόνια, μάλιστα, η εμφάνιση των πολυμερικών συνθέτων νανοϋλικών έχει οδηγήσει σε πολλές τεχνολογικές και κατασκευαστικές εφαρμογές στην αντικατάσταση των μετάλλων, γεγονός που οφείλεται, μεταξύ άλλων, στην ευκολία παραγωγής τους και στο συνδυασμό χαμηλού βάρους με υψηλές μηχανικές ιδιότητες. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης νανοδομών γραφενίου (grapheme nanoplatelets – GNPs) σε σύνθετο πολυστρωματικό υλικό εποξικής μήτρας με ενίσχυση υαλοϋφάσματος. Τα απαραίτητα πολυστρωματικά δοκίμια παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της χειροκίνητης στρώσης (Hand Lay-Up), ενώ η ενσωμάτωση των νανοδομών γραφενίου πραγματοποιήθηκε κατά την προετοιμασία του εποξικού συστήματος με ανάδευση σε θερμοκρασία δωματίου. Συνολικά παρασκευάστηκαν τρεις σειρές δοκιμίων με τέσσερις στρώσεις και διαφορετικές περιεκτικότητες σε νανοδομές γραφενίου (GNPs). Πρόκειται για δοκίμια εποξικής μήτρας με ενίσχυση πλεκτού υαλοϋφάσματος πλέξης Twill 2x2, σε διάταξη προσανατολισμού ινών [45/-45]2 και [45/0]antisymmetric, καθώς και με ενίσχυση μονοδιευθυντικού υαλοϋφάσματος (unidirectional) με προσανατολισμό στρώσεων [0/90]2. Και στους τρεις τύπους δοκιμίων παρασκευάστηκαν δείγματα αναφοράς χωρίς την προσθήκη νανοδομών γραφενίου, που αποτέλεσαν το μέτρο σύγκρισης για την επίδραση των νανοδομών στη συμπεριφορά του σύνθετου υλικού. Στόχος ήταν η εξαγωγή δοκιμίων κατάλληλων διαστάσεων και ποιότητας για να υποβληθούν σε μετρήσεις εφελκυσμού και κάμψης τριών σημείων σύμφωνα με τα πρότυπα ASTM D3039/D3039M και ASTM D790-03, αντίστοιχα. Στην περίπτωση ενίσχυσης υφάσματος τύπου Twill 2x2 η περιεκτικότητα σε γραφένιο έφτασε μέχρι το 20% κατά βάρος της χρησιμοποιούμενης ρητίνης (εποξική μήτρα), ενώ στην περίπτωση της μονοδιεθυντικής ενίσχυσης η περιεκτικότητα έφτασε μέχρι το 30% (w.t.). Τα άνω όρια των περιεκτικοτήτων διαμορφώθηκαν από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των υφασμάτων, καθώς και από τις εκ των υστέρων μετρήσεις που έδειξαν υποβάθμιση μηχανικών ιδιοτήτων από ένα ποσοστό πρόσμιξης και άνω, σε τέτοιο βαθμό μάλιστα που το προκύπτον πολυστρωματικό υλικό εμφάνισε χειρότερες επιδόσεις ακόμη και από τα δοκίμια αναφοράς που δεν περιείχαν νανοδομές γραφενίου. Στις υπόλοιπες περιπτώσεις, αναλόγως της περιεκτικότητας σε GNPs παρατηρήθηκε από ελάχιστη έως ικανή επίδραση του γραφενίου στις μηχανικές επιδόσεις του υλικού. Τέλος, μελετήθηκε και η επίδραση της δευτερογενούς θερμικής θεραπείας (post-curing) πάνω στις μηχανικές ιδιότητες των πολυστρωματικών δοκιμίων με ενίσχυση μονοδιευθυντικού υαλοϋφάσματος σε διάταξη [0/90]2, καθότι αυτή επηρεάζει τις μηχανικές ιδιότητες της πολυμερικής (εποξικής) μήτρας. Πιο συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν δοκίμια με περιεκτικότητα 2% w.t. GNPs και αφού αφέθηκαν για σκλήρυνση σε συνθήκες δωματίου (25oC) για εφτά ημέρες τοποθετήθηκαν σε εργαστηριακό κλίβανο για 2, 4, 6 και 24 ώρες στους 50οC και 100oC, αντίστοιχα, και τέλος υποβλήθηκαν σε δοκιμή κάμψης τριών σημείων σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D790-03. Η δευτερογενής θερμική θεραπεία στους 100οC βελτίωσε την αντοχή σε κάμψη των δοκιμίων πιο έντονα από ότι στους 50οC.	el
heal.abstract	Composite materials reinforced with nanoparticles or just nanocomposites are increasingly attracting interest of the scientific community and the industrial world. Nanoparticles used as fillers in composite materials exhibit a large contact surface affecting the physical and chemical properties of the composite. Over the last years, the appearance of polymer nanocomposites has led to the replacement of metals in many technological and structural applications, mainly due to ease of production and the combination of low weight with great mechanical properties. This project is investigating the effect of graphene nanoplatelets fillers on laminated epoxy matrix reinforced with glass-fabric composites. The test specimens were produced through Hand Lay-Up method. The graphene nanoplatelets (GNPs) were incorporated into the liquid resin during epoxy system preparation by stirring in room temperature. Three different laminated specimen series with four layers and various percentage w.t. additions of graphene nanoplatelets (GNPs) were prepared for the needs of this project. Epoxy matrices were reinforced with woven glass-fabric of Twill 2x2 weave in ply orientations [45/-45]2 and [45/0]antisymmetric, also well as with unidirectional glass-fabric of ply orientation [0/90]2. For each laminated series were also prepared reference specimens with no GNPs additions, in order to compare the GNPs effect on the nanocomposite behavior. The produced specimens had to be of specific dimensions and quality for the purpose of conducting tensile and three point bending tests in compliance with ASTM D3039/D3039M and ASTM D790-03 standards, respectively. The GNPs additions of the Twill 2x2 reinforced series got to 20% w.t. of the used resin (epoxy matrix) and in the case of unidirectional reinforcement the GNPs additions got to 30%. The upper additions limits were determined by the fabrics structural characteristics, as well as by the tests themselves that showed degradation of mechanical properties above a specific additions value, in such extent that the resulted specimen exhibited lower mechanical properties even than the reference specimens with no GNPs additions. The rest of the specimens exhibited improved mechanical properties of the composite material, according to the additions level. The effect of thermal curing on mechanical properties was also investigated in the case of the unidirectional glass-fabric reinforced composites with [0/90]2 ply orientation, as the curing process affects the properties of the polymer (epoxy) matrix. Specifically, specimens with addition of 2% w.t. GNPs were produced and after being dried out (curing at room temperature for seven days) they were put in an oven for 2, 4, 6 and 24 hours at 50oC and 100oC. The cured specimens were tested in compliance with the ASTM D790-03 three-point bending standard. The 100oC cure cycle showed greater improvement in the flexural strength of the composites than the 50oC cure cycle.	en
heal.advisorName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Μαρκόπουλος, Άγγελος	el
heal.committeeMemberName	Βοσνιάκος, Γεώργιος Χριστόφορος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Τεχνολογίας των Κατεργασιών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	148 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true