Μελέτη μηχανικών ιδιοτήτων νανοσυνθέτων υλικών και μίκρο-, νάνο-δομών με τη τεχνική της νανοδιείσδυσης

Δραγατογιάννης, Δημήτριος; Dragatogiannis, Dimitrios

dc.contributor.author	Δραγατογιάννης, Δημήτριος	el
dc.contributor.author	Dragatogiannis, Dimitrios	en
dc.date.accessioned	2018-11-19T10:48:42Z
dc.date.issued	2018-11-19
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48044
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.3038
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/gr/	*
dc.subject	νανοδιείσδυση	el
dc.subject	νανοσύνθετα	el
dc.subject	νανοδομές	el
dc.subject	μικροδομές	el
dc.subject	διεπιφάνεια	el
dc.subject	nanoindentation	en
dc.subject	nanocomposite	el
dc.subject	nanostructure	el
dc.subject	microstructure	el
dc.subject	interphase	el
dc.title	Μελέτη μηχανικών ιδιοτήτων νανοσυνθέτων υλικών και μίκρο-, νάνο-δομών με τη τεχνική της νανοδιείσδυσης	el
dc.title	Mechanical properties of nanocomposites and micro-,nano-structures by nanoindentation	en
dc.contributor.department	Research Unit of Advanced Composites, Nano-Materials and Nanotechnology	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Mechanics	el
heal.classification	Mechanical properties	el
heal.classification	Materials	el
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh85082767
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2002006407
heal.classificationURI	http://id.loc.gov/authorities/subjects/sh2002006405
heal.dateAvailable	2019-11-18T22:00:00Z
heal.language	el
heal.access	embargo
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-07-19
heal.abstract	Η νανοδιείσδυση είναι μια πειραματική τεχνική προσδιορισμού μηχανικών ιδιοτήτων και μελέτης μηχανικής συμπεριφοράς δομών και υλικών σε κλίμακες μήκους που προσεγγίζουν ακόμη και τα μερικά νανόμετρα (nm). Κατά τα πειράματα νανοδιείσδυσης μέσω της μελέτης της καμπύλης φόρτισης-αποφόρτισης μπορούν να προσδιοριστούν το μέτρο ελαστικότητας, η σκληρότητα, το όριο διαρροής τοπικά, οι παραμένουσες τάσεις και η δυσθραυστότητα των υλικών. Οι εφαρμογές της νανοδιείσδυσης εντάσσονται από θεωρητική σκοπιά στα προβλήματα του ευρύτερου κλάδου της μηχανικής των επαφών (contact mechanics) και ειδικότερα, από την κλασική μηχανική των επαφών, τις θεωρίες ελαστικότητας, πλαστικότητας και γενικευμένων θεωριών συνεχούς μέσου αντλείται σε συντριπτικό βαθμό το θεωρητικό υπόβαθρο και τα στοιχεία εκείνα που προσδίδουν την απαραίτητη τεκμηρίωση στην εξαγωγή μηχανικών ιδιοτήτων από τα πειραματικά δεδομένα νανοδιείσδυσης. Στην περιοχή των μετάλλων, των κεραμικών και εν γένει των σκληρών υλικών η εφαρμογή της νανοδιείσδυσης είναι εκτεταμένη και τα αποτελέσματα είναι σε καλή συμφωνία με κλασικές πειραματικές τεχνικές, όπως ο μονοαξονικός ή διαξονικός εφελκυσμός, η κάμψη τριών ή τεσσάρων σημείων, η στρέψη και η σκληρομέτρηση όσον αφορά τις τιμές του μέτρου ελαστικότητας και της σκληρότητας. Αντίθετα, η μελέτη συνθέτων, νανοσυνθέτων, νάνο-, μίκρο-δομών και βιολογικών υλικών αποτελεί ένα σχετικά νέο πεδίο, καθώς οι σχετικές μελέτες δεν έχουν φθάσει στον ίδιο βαθμό ωριμότητας όσον αφορά τα πειραματικά πρωτόκολλα, τον ορισμό ιδιοτήτων καθώς και τη σύγκριση με τις κλασικές τεχνικές. Στο πλαίσιο αυτό η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την εφαρμογή της νανοδιείσδυσης στη μελέτη προηγμένων υλικών, όπως τα νανοσύνθετα μεταλλικής και πολυμερικής μήτρας για εφαρμογές στην αεροναυπηγική, νάνο-και μίκρο-δομών για την κατασκευή μικρορευστονικών βαλβίδων για «έξυπνες» κατασκευές (smart structures) καθώς επίσης και τη μελέτη νανομηχανικών και νανοτριβολογικών ιδιοτήτων υμενίων και επικαλύψεων. Kατόπιν μιας γενικής επισκόπησης του σχετικού θεωρητικού υποβάθρου, εμπλουτισμένης με μια σειρά παρατηρήσεων και σχολίων πάνω σε ορισμένα σημεία στα οποία δεν δίνεται συνήθως η απαραίτητη προσοχή, το πρώτο κύριο σημείο αφορά την εξαγωγή της θεμελιώδης εξίσωσης πάνω στην οποία βασίζεται η μέθοδος των Oliver και Pharr. Πιο συγκεκριμένα, στο Κεφάλαιο 1, με τη χρήση κατάλληλων συναρτήσεων κατανομής τάσεων, που προσομοιάζουν τη χρήση πυραμιδικού ή κωνικού εντυπωτή και με βάση τη θεωρία δυναμικού του Boussineg, εξάγεται η εξίσωση που συνδέει την ακαμψία ενός υλικού (Stiffness, S) με την καμπύλη φόρτισης-αποφόρτισης κατά τη νανοδιείσδυση. H εξίσωση αυτή αποτελεί και τη βάση για τη μέθοδο των Oliver και Pharr, την πλέον διαδεδομένη και αποδεκτή από την επιστημονική κοινότητα για την εξαγωγή μηχανικών ιδιοτήτων και συγκεκριμένα μέτρου ελαστικότητας E και σκληρότητας H, από καμπύλες φόρτισης-αποφόρτισης. Στη συνέχεια περιγράφεται το Φαινόμενο Μεγέθους στη νανοδιείσδυση, κατά το οποίο όταν οι διαστάσεις των εντυπώσεων «μικραίνουν» ή τα μεγέθη των δοκιμίων μειώνονται προσεγγίζοντας τις μικρότερες κλίμακες (μίκρο και νάνο-μέτρων) παρατηρείται αύξηση της σκληρότητας. H αύξηση αυτή της σκληρότητας δεν προβλέπεται από την κλασική θεωρία πλαστικότητας συνδέοντας κατ’ επέκταση το Φαινόμενο Μεγέθους είτε με πειραματικά σφάλματα είτε με μηχανισμούς παραμόρφωσης που λαμβάνουν χώρα αποκλειστικά στη νανοκλίμακα. Το φαινόμενο αυτό παρατηρήθηκε και κατά τα πειράματα νανοδιείσδυσης των δοκιμίων που μελετήθηκαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Για τη μελέτη του φαινομένου αυτού αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε στα πειραματικά αποτελέσματα ένα μαθηματικό μοντέλο το οποίο μπορεί να μειώσει τα σφάλματα στις τιμές της σκληρότητας λαμβάνοντας υπόψη την απόκλιση στο βάθος διείσδυσης που προκύπτει από τον λανθασμένο εντοπισμό του πρώτου σημείου επαφής. To δεύτερο κύριο αποτέλεσμα αφορά την πρόβλεψη τιμών μικροσκληρότητας (με βάση το μοντέλο) από πειράματα νανοδιείσδυσης για τα δοκίμια που είναι σε καλή συμφωνία με τη μέθοδο Vickers (μικροσκληρότητα) εν αντιθέσει με τα αποτελέσματα της μεθόδου των Oliver και Pharr σε συνδυασμό με το καθιερωμένο μοντέλο πρόβλεψης των τιμών σκληρότητας των Nix και Gao. Περνώντας από το θεωρητικό στο πειραματικό μέρος της παρούσας εργασίας, στο Κεφάλαιο 2 περιγράφονται τα πειράματα νανοδιείσδυσης που διεξήχθησαν σε κράματα αλουμινίου (5083, 6082) ενισχυμένα με νανοσωματίδια (SiC, CNTs, CeMo-MBT) προκειμένου να διερευνηθεί ο μηχανισμός παραμόρφωσης και να εξαχθούν οι μηχανικές ιδιότητες (μέτρο ελαστικότητας και σκληρότητα). Το μέτρο ελαστικότητας και η σκληρότητα, από τα πειράματα νανοδιείσδυσης συνδέονται με τη μηχανική συμπεριφορά και αντοχή των κραμάτων αλουμινίου (6082 και 5083) και των συνθέτων με την προσθήκη σωματιδίων (SiC, CNTs). Τα σύνθετα μήτρας αλουμινίων προέκυψαν μετά από συγκόλληση των κραμάτων αλουμινίου (5083, 6082) με την τεχνική της συγκόλλησης δια τριβής με ανάδευση ενισχυμένων με νανοσωματίδια (SiC, CNTs) στη ζώνη συγκόλλησης. Η σύγκριση των κατανομών νανοσκληρότητας και μικροσκληρότητας ανέδειξε διαφορετικούς μηχανισμούς ενίσχυσης στη ζώνη συγκόλλησης λόγω της παρουσίας των σωματιδίων ενίσχυσης. Τέλος, μελετήθηκε η επίδραση των νανοσωματιδίων στην αντίσταση στη διάβρωση των συνθέτων υλικών. Στο Κεφάλαιο 3 παρουσιάζεται ένα πειραματικό πρωτόκολλο πολυκυκλικών δοκιμών, που αναπτύχθηκε στο πλαίσιο της διατριβής και συνδυάζει πειράματα νανοδιείσδυσης με παρατηρήσεις ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) υψηλής ανάλυσης και μικροσκοπίας ανίχνευσης σάρωσης (SPM) σε σύνθετο υλικό εποξειδικής μήτρας ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (Carbon Fiber (CF)) reinforced epoxy matrix composite) για τη μελέτη των μηχανισμών αστοχίας. H μελέτη διεξήχθη λαμβάνοντας υπόψη (α) τον προσανατολισμό των ινών άνθρακα σε σχέση με την επιφάνεια και (β) την πυκνότητα στοίβαξης τους (CF packing density). Από τα πειράματα παρατηρήθηκε ότι οι κάθετες στην επιφάνεια CF έδειξαν ένα πολλαπλό μοτίβο ρωγμών, οι CF που σχηματίζουν γωνία 45ο έδειξαν διακριτές ρωγμές, ενώ οι παράλληλες προς την επιφάνεια δεν υπέστησαν ρωγμές. Αποκόλληση CF από την εποξική μήτρα παρατηρήθηκε σε όλες τις περιπτώσεις. Ασυνέχειες τύπου pop-in παρατηρήθηκαν μόνο στα δοκίμια στα οποία εμφανίστηκε ρωγμή, όπως παρατηρήθηκε μέσω SEM και SPM. Το φορτίο που απαιτείται για την εμφάνιση ρωγμής και ασυνεχειών τύπου pop-in αυξάνεται όταν η πολυκυκλική φόρτιση λαμβάνει χώρα σε περιοχές όπου το ποσοστό της μήτρας αυξάνεται. Το μέτρο ελαστικότητας, η σκληρότητα και η ελαστική παραμόρφωση ως ένας μηχανισμός απορρόφησης ενέργειας κατά τη διείσδυση, μειώθηκαν αμέσως μετά την εμφάνιση ασυνέχειας τύπου pop-in υποδηλώνοντας μια μεταβολή του μηχανισμού παραμόρφωσης από καθαρά ελαστοπλαστική σε ελαστοπλαστική με την ταυτόχρονη διάδοση ρωγμών. Τέλος, στο Κεφάλαιο 4 βελτιστοποιήθηκε το πρωτόκολλο νανομηχανικού και νανοτριβολογικού χαρακτηρισμού με στόχο τη μελέτη της αντίστασης στη χάραξη υπερυδρόφοβων και υπεραμφίφοβων προς υπερελαιόφοβων πολυμερικών επιφανειών. To πρωτόκολλο φόρτισης που αναπτύχθηκε βασίστηκε στην ανάλυση της αντοχής των μίκρο-κολονών λαμβάνοντας υπόψη τα γεωμετρικά τους χαρακτηριστικά, ώστε να επιλεχθεί ο χαμηλότερος συντελεστής τριβής σε σύγκριση με την μη επικαλυμμένη επιφάνεια. Η παρατήρηση μέσω του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης (SEM) μετά τις δοκιμές νανοεγχάραξης (nanoscratch), επιβεβαιώσαν την αντοχή των επιφανειών καθώς, οι δομές δεν αποκολλήθηκαν ή καταστράφηκαν κατά τη διάρκεια της εγχάραξης, ακόμη και μετά από διπλή εγχάραξη. Συμπληρωματικά εξήχθησαν δεδομένα συντελεστών τριβής και έκτασης της επιφανειακής αποδόμησης λόγω της νανοεγχάραξης. Παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές στις νανομηχανικές και νανοτριβολογικές ιδιότητες μεταξύ των δειγμάτων. Μετά από ένα συγκεκριμένο βάθος διείσδυσης όπου ασθενεί η επίδραση του υμενίου και της τραχύτητας οι νανομηχανικές ιδιότητες συγκλίνουν στις ιδιότητες των υποστρωμάτων. Το λεπτό υμένιο από C4F8 σε υποστρώματα COP δείχνει την καλύτερη συνοχή από όλα τα δοκίμια. Συνοψίζοντας, η τεχνική της νανοδιείσδυσης παρέχει σημαντικές πληροφορίες για τους μηχανισμούς παραμόρφωσης και τις μηχανικές ιδιότητες μιας ευρείας γκάμας υλικών από τα λεπτά υμένια, τις επιφάνειες με υφή, τις ίνες άνθρακα και τα σύνθετα τους, έως και τα νανοσύνθετα μεταλλικής μήτρας. Oι μηχανισμοί παραμόρφωσης που μελετήθηκαν και οι μηχανικές ιδιότητες που εξήχθησαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή μπορεί σε ορισμένες περιπτώσεις όπως τα λεπτά υμένια και τις υπερυδρόφοβες επιφάνειες να μην παίζουν τον πρωτεύοντα λειτουργικό ρόλο σε εφαρμογές βασισμένες σε αυτό των τύπο προηγμένων υλικών, ωστόσο μπορούν να επηρεάσουν καθοριστικά τη λειτουργία των αντίστοιχων διατάξεων. Ενδεικτικά, η αποκόλληση υμενίου από το υπόστρωμα μπορεί να επηρεάσει την αποτελεσματική λειτουργία των συσκευών (π.χ. αισθητήρων, οπτοηλεκτρονικών συσκευών, τρανζίστορ, διόδους κλπ), ενώ η σύνδεση του μέτρου ελαστικότητας με το πορώδες του υμενίου αποτελεί σημαντική παράμετρο σχεδιασμού. Επίσης, στο σχεδιασμό υμενίων και νανοδομημένων επιφανειών με επιλεκτική υδροφοβικότητα σημαντική παράμετρο αποτελεί η αντοχή συστημάτων μικροκολονών ενώ στις εφαρμογές, κεντρικό ρόλο παίζει η αντοχή σε εγχάραξη (scratch resistivity). Η μηχανική σταθερότητα των επιφανειών αυτών συχνά αγνοείται και, έτσι, είναι σημαντικό να καθιερωθούν πειραματικές δοκιμές με τα κατάλληλα πειραματικά πρωτόκολλα για τον προσδιορισμό αυτών των ιδιοτήτων. Στον αντίποδα, πρωτεύοντα ρόλο στο σχεδιασμό κλασσικών και προηγμένων συνθέτων υλικών παίζει ο μηχανισμός παραμόρφωσης της διεπιφάνειας ίνας άνθρακα με μήτρα ενώ η εκτίμηση της διεπιφανειακής αντοχής αποτελεί σημαντική παράμετρο. Αναμφίβολα η διεπιφάνεια παίζει καθοριστικό ρόλο καθώς εξασφαλίζει την αποτελεσματική μεταφορά φορτίου από την μήτρα προς την ίνα ενώ ο σχεδιασμός ισχυρότερων διεπιφανειών ινών-μήτρας αποτελεί ενεργό πεδίο έρευνας.	el
heal.abstract	Nanoindentation or instrumented indentation technigue is an experimental technique used to determine mechanical properties and to probe mechanical behavior of structures and materials in lengths ranging from micrometers even to some nanometers. Through instrumented indentation technigue continuous loading-unloading curves are extracted and modulus of elasticity, hardness, yielding point, residual stresses and toughness of samples can be calculated by the appropriate methods. From a theoretical perspective, nanoindentation applications are included in the broader field of contact mechanics. In particular, those elements that give the adequate documentation to extract mechanical properties from nanoindentation experiments (loading-unloading curves) are taken from contact mechanics, theories of elasticity, plasticity and generalized theories of continuum media. In general, in the area of metals, ceramics and hard materials, the application of nanoindentation is extensive and the results are in good agreement with classical experimental techniques such as single-axial or biaxial stretching, three or four point bending, torsion and hardness testing with regard to values of modulus of elasticity and hardness. However, the instrumented indentation studies in composites, nanocomposites, nano-/micro-structures and biological materials are rare and the relevant methods have not reached the same degree of maturity in terms of experimental protocols, definition of properties and comparison with classical techniques. Within this framework, the thesis deals with the application of nanoindentation in the study of advanced materials, such as metal and polymer matrix nanocomposites for aeronautical applications, nano- and micro-structures applied on "smart" structures, as well as nanomechanical and nanotribological properties of thin films and coatings. After a general overview of the relevant theoretical background, enriched with a series of observations and comments on some points that is not usually given the adequate attention, the first main point concerns the extraction of the fundamental equation on which the Oliver and Pharr method is based. Within Chapter 1, using the appropriate potential functions of the Boussinesq-Cerruti theory the formula linking stiffness of a material (Stiffness, S) to the nanoindentation loading-unloading curve is extracted. Oliver and Pharr's method is the most widely accepted method by the scientific community used to extract mechanical properties (mainly modulus of elasticity and hardness) from loading-unloading curves and is based on the stiffness of the specimen. Furthermore, indentation size effect (ISE) one of the several size effects on strength for which “smaller is stronger” is described. The scale-dependent behaviour is widely observed in indentation testing when the size of the hardness impression is small. According to continuum plasticity, the hardness should be independent of depth. The hardness is defined as the ratio of the load on the indenter, P, to the projected contact area, A, of the hardness impression. This phenomenon was also observed during nanoindentation experiments in our specimens. To study this phenomenon a mathematical model has been developed and applied to experimental results, which can reduce errors in hardness values, taking into account the penetration depth deriving from the misidentification of the first contact point. Within the experimental part, Chapter 2 describes the production of metal matrix (aluminum alloys matrices 5083 and 6082) nanocomposites by friction stir welding using nanoparticles (SiC, TiC, CNTs, CeMo-MBT) as reinforcements to investigate the deformation mechanism and the enhancement of mechanical properties. The defect-free nanocomposites are characterized by good mechanical mixing between the aluminum alloys as well as by good nanoparticle distribution and further grain refinement in comparison with the unreinforced weld. The local mechanical behavior of the produced metal matrix composites was studied and compared with their bulk counterparts and parent materials. Specifically, the measured mechanical properties in microscale and nanoscale (namely hardness and elastic modulus) are correlated with microstructure and the presence of fillers. The hardness, elastic modulus, ultimate tensile strength, percentage of elongation, and yield values increase with the presence of nanoparticles. In the case of Cnts reinforced nanocomposites nano-hardness and micro-hardness distributions revealed different deformation mechanisms. Finally, the effect of nanoparticles on the corrosion resistivity of nanocomposites was studied. Within Chapter 3, multicycle grid nanoindentation tests, combined with high-resolution Scanning Electron Microscopy (SEM) and Scanning Probe Microscopy (SPM) observations, were applied on a commercial Carbon Fiber (CF) reinforced epoxy matrix composite in order to study the induced damage mechanisms with respect to: (a) the orientation of the CFs relative to the surface and (b) the CF packing density. Normal to the surface CFs showed a multiple cracking pattern, those forming 45° showed distinct cracking, while CFs parallel to the surface did not suffer cracking. CF detachment from the epoxy matrix was observed in all cases. Pop-in type discontinuities were observed only in the samples where cracking ensued, as revealed through SEM and SPM observations. The load to induce CF cracking increased with the increase of the matrix pocket area. Elastic modulus, hardness and significance of elastic deformation as an indentation energy absorbing mechanism, were reduced right after pop-in. Within Chapter 4, an optimized nanomechanical and nanotribological characterization protocol to study the resistance to the engraving of superhydrophobic and hyperamphoves to superoleophobic polymeric surfaces of polymethacrylate methyl (PMMA), polyether ketone (PEEK) and polydimethylsiloxane (PDMS) is developed. The loading protocol was based on the analysis of the strength of the micropillars taking into account their geometrical characteristics so as to select the lowest friction coefficient as compared to the uncoated surface. Scanning electron microscopy (SEM) observation after nanoscratch tests confirmed the strength of the surfaces. Furthermore, cyclo olefin polymer (COP) surfaces, treated in oxygen plasmas under highly anisotropic conditions to favor roughness formation, are coated with thin hydrophobic films to form surfaces of enhanced hydrophobicity. Nanoindentation and nanoscratch experiments have been employed to elucidate the effect of plasma treatment on the mechanical and tribological performance of the synthesized materials. It is shown that short‐time plasma treatment slightly changes mechanical and tribological properties of plasma‐nanotextured COP, as compared to untreated. The plasma deposited hydrophobic film on the COP surfaces presents good adhesion and it effectively protects the surfaces, reducing plastic deformation In summary, nanoindentation provides important information about the deformation mechanisms and mechanical properties of a wide range of materials from thin films, textured surfaces, carbon fibers and composites, to metal matrix nanocomposites. The deformation mechanisms studied and the mechanical properties extracted in this thesis may in some cases, such as thin films and superhydrophobic surfaces, do not play the primary role in related applications based on this type of materials, but may play a significant role on the functionality of systems. For instance, film debonding from the substrate may affect the efficient operation of the devices, while the linking of the modulus to the porosity of the film is an important design parameter. Also, in the films and nanostructured surfaces design, the strength of nano-micro-structured surfaces is an important parameter, while scratch resistivity plays a major role in applications. The mechanical stability of these surfaces is often ignored and it is therefore important to establish tests supported with the appropriate experimental protocols to determine these properties. On the other hand, the mechanism of deformation of the matrix-carbon fiber interface plays a key role in the design of classical and advanced composite materials, while the assessment of interfacial strength is an important parameter. The interface plays a crucial role as it ensures the efficient transfer of load between the matrix and the fiber while the design of stronger fiber-matrix interfaces is a very active field of research.	en
heal.advisorName	Χαριτίδης, Κωσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Θεοδώρου, Θεόδωρος	el
heal.committeeMemberName	Σιέττος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Σιμιτζής, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Κοντού, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Παντελάκης, Σπύρος	el
heal.committeeMemberName	Kαραλέκας, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Χαριτίδης, Κωσταντίνος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	157
heal.fullTextAvailability	true