Σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, εφαρμοζόμενα στην αεροναυπηγική με έμφαση στην συντήρησή τους

Συκάς, Βασίλειος; Sykas, Vasileios

dc.contributor.author	Συκάς, Βασίλειος	el
dc.contributor.author	Sykas, Vasileios	en
dc.date.accessioned	2019-05-15T08:45:42Z
dc.date.available	2019-05-15T08:45:42Z
dc.date.issued	2019-05-15
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/48730
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.9383
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	Σύνθετα Υλικά	el
dc.subject	Εποξειδική ρητίνη	el
dc.subject	Ίνες άνθρακα	el
dc.subject	Επισκευές	el
dc.subject	Complex materials	el
dc.subject	Carbon fiber	en
dc.title	Σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας ενισχυμένα με ίνες άνθρακα, εφαρμοζόμενα στην αεροναυπηγική με έμφαση στην συντήρησή τους	el
heal.type	masterThesis
heal.classification	ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/af724f05f61ef305eee5da55bd5d31ef6237e2a3
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-02-25
heal.abstract	Είναι πλέον επιστημονικά και πολιτικά αναγνωρισμένο πως οι ρύποι από διάφορες βιομηχανίες έχουν συμβάλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου [78,79]. Οι εκπομπές των κινητήρων των αεροσκαφών, όπως το διοξείδιο του άνθρακα, τα οξείδια του αζώτου, τα οξείδια θείου κ.α, είναι όμοιες με τις υπόλοιπες εκπομπές οι οποίες συντελούν στην αλλαγή του κλίματος παγκοσμίως [80]. Οι εκπομπές στην ατμόσφαιρα οι οποίες σχετίζονται με τα αεροσκάφη έρχονται δεύτερες στην λίστα, μετά από αυτές του οδικού δικτύου. Πιο συγκεκριμένα τα στοιχεία δείχνουν πως η αεροβιομηχανία ήταν υπεύθυνη για το 2% των συνολικών εκπομπών άνθρακα και 3,5% του συνόλου της παγκόσμιας θέρμανσης [81]. Εκτός αυτών μεταξύ της δεκαετίας 1995 – 2005 οι εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα αυξήθηκαν κατά 45% [82], όπου έρευνα του Οργανισμού της Πολιτικής Αεροπορίας (Civil Aviation Organization) δηλώνει πώς μέχρι το 2035 θα αυξηθεί κατά 150%. Λόγω των παραπάνω ερευνώνται νέες πολιτικές λειτουργίας, με την αεροβιομηχανία να εστιάζει στην μείωση των εκπομπών μέσω της μείωσης του βάρους, αεροδυναμικών βελτιώσων και γενικά νέων concepts [83,84]. Έτσι για την αισθητή μείωση του βάρους, η χρήση σύνθετων υλικών στην σχεδίαση των αεροσκαφών είναι σχεδόν μονόδρομος, καθώς θεωρείται ένας σημαντικός τρόπος μείωσης των εκπομπών. Τα προηγμένα σύνθετα υλικά, τα οποία χρησιμοποιούνται για αεροβιομηχανικές εφαρμογές είναι συνήθως συνεχόμενες ίνες άνθρακα μέσα σε μία πολυμερική μήτρα, όπου μπορούν να επιτύχουν εξαιρετικές ιδιότητες καλύτερες και από αυτές των κραμμάτων, ενώ ταυτόχρονα είναι αρκετά πιο ελαφριά [85]. Ως επακόλουθο της μείωσης του βάρους, έχουμε και την μείωση των εκπομπών ρύπων λόγω μειωμένης κατανάλωσης καυσίμων και κατεπέκταση οικονομικότερες πτήσεις. Τα σύνθετα υλικά αρχικά χρησιμοποιήθηκαν την δεκαετία του 1960 στα πολεμικά αεροσκάφη και έπειτα την δεκαετία του 1970 και στα πολιτικά, που και πάλι η χρήση τους δεν ήταν εκτενή, καθώς το μεγαλύτερο ποσοστό του αεροσκάφους αποτελούταν από κράματα μετάλλων [86]. Αυτό βέβαια δεν άργησε να αλλάξει και ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 2000 τα σύνθετα αποτελούσαν μεγάλο κομμάτι της κύριας δομής του αεροσκάφους. Έτσι η νέα γενιά πολιτικών αεροσκαφών, όπως το Airbus 380, το Boeing 787 και τα Bombarlier C Series, αποτελούνται από σύνθετα υλικά ακόμα και στην κύρια δομή τους. Αυτό θα επιφέρει κάποιες διαφορές στις διαδικασίες συντήρησης, επισκευής και πρόβλεψης, τόσο βραχυπρόθεσμα, όσο και μακρυπρόθεσμα. Βραχυπρόθεσμα, νέες τεχνικές χρειάζονται για την συντήρηση, την επίβλεψη και την αντιμετώπιση των ζημιών που τα αεροσκάφη παθαίνουν καθ’όλη την διάρκεια της ζωής τους, όπως επίσης και η ανάγκη για ποιοτικούς ελέγχους των σύνθετων αυτών εξαρτημάτων. Καθώς αυτά τα αεροσκάφη μεγαλώνουν, είναι λογικό πως θα υπόκεινται σε φυσιολογική φθορά και θα υποβάλλονται σε ελέγχους C και D για την διατήρηση της αξιοπλοΐας τους. Στο σημείο αυτό της ζωής τους θα ήταν ιδανικό να πραγματοποιούνται αποτελεσματικοί και όσο το δυνατόν οικονομικότεροι έλεγχοι συντήρησης και επισκευής ούτως ώστε να μειώνεται το συνολικό κόστος ζωής του αεροσκάφους [87]. Από δομικής πλευράς, τα σύνθετα υλικά έχουν πολλά πλεονεκτήματα όπως υψηλές αντοχές συγκριτικά με το βάρος τους (weight to strength ratio), υψηλή ακαμψία, υψηλές αντοχές στις καταπονήσεις, αντοχή στην διάβρωση, διαχειρισιμότητα – μορφοποίηση, προσαρμοσμένες μηχανικές ιδιότητες και χαμηλή θερμική διαστολή [88]. Από οικονομικής πλευράς και ασφάλειας όμως, υπάρχουν κάποιες προκλήσεις για την βιομηχανία των συνθέτων όπως: • η μείωση του κόστους των πρώτων υλών αλλά και της κατασκευής τους, • η εγγυημένη ποιότητα παρασκευής, • η αποτροπή των ζημιών εν ώρα λειτουργίας, • η ανάπτυξη αποτελεσματικών τεχνικών σύνδεσης, • ο σχεδιασμός αξιόπιστων κανόνων σχεδίασης, και • η βελτίωση των τεχνικών συντήρησης και επισκευής [89,90]. Έτσι για να υπερνικηθούν αυτές οι προκλήσεις, η έρευνα και η ανάπτυξη στα σύνθετα υλικά έχει αυξηθεί ιδιαίτερα τόσο σε ακαδημαϊκό όσο και βιομηχανικό επίπεδο. Στην παρούσα λοιπόν μεταπτυχιακή εργασία μελετήθηκε η κατασκευή σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας με μέσο ενίσχυσης ίνες άνθρακα. Τα σύνθετα υλικά που κατασκευάστηκαν είχαν ως μήτρα φαινολική και εποξειδική ρητίνη με ίνες άνθρακα για μέσο ενίσχυσης. Η φαινολική ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε είναι ρητίνη νεολάκης η οποία κατασκευάστηκε στο εργαστήριο μέσω σταδιακού πολυμερισμού μεταξύ φαινόλης και φορμαλδεΰδης παρουσία οξέος με την φορμαλδεΰδη να βρίσκεται σε υποστοιχειομετρική αναλογία, ενώ ο σκληρυντής της ήταν η εξαμεθυλενοτετραμίνης (HEXA) σε αναλογία 7:2. Αρχικά έγινε διαβροχή των ινών άνθρακα με διάλυμα της μη σκληρυμένης ρητίνης σε μίγμα διαλυτών (μεθανόλη – νερό σε αναλογία 80-20% v/v), ενώ μετά ακολούθησε σκλήρυνση της ρητίνης πάνω στις ίνες για την τελικά δημιουργία φύλλων "pre-preg". Εν συνεχεία, τα φύλλα αυτά με την κατάλληλη ποσότητα σκληρυνόμενης μήτρας νεολάκης, διαστρωματώθηκαν σε καλούπι και μορφοποιήθηκαν χωρίς πίεση στους 160oC για περίπου 20 λεπτά, ενώ με πίεση 9 MPa στην ίδια θερμοκρασία και για μία ώρα. Τέλος ακολούθησε μετασκλήρυνση στο πυριαντήριο για τρεις ώρες στους 140oC. Αντιθέτως η εποξειδική ρητίνη ήταν του εμπορίου της εταιρείας NEOTEX και πιο συγκεκριμένα η EPOXOL 2004 A FLUID με σκληρυντή τον EPOXOL 2004 B FAST σε αναλογία 100:18. Τέλος οι ίνες άνθρακα ήταν υψηλής αντοχής εφελκυσμού της, οι Tenax HTS40 24k / 1600 tex, όπου πρίν την δημιουργία του σύνθετου υλικού προδιαποτίστηκαν σε ιδιοκατασκευή στο εργαστήριο από 295gr ρητίνης μαζί με τον σκληρυντή, ενώ σκληρύνθηκαν στο πυριαντήριο σε θερμοκρασία 60oC για μία ώρα. Τέλος τα pre-preg φύλλα μαζί με κατάλληλη ποσότητα ρητίνης διαστρωματώθηκαν και αυτά στο καλούπι για 11.5 λεπτά χωρίς πίεση στους 60oC και για άλλα 25 λεπτά με πίεση 9 MPa στην ίδια θερμοκρασία. Η μετασκλήρυνση διήρκησε τρεις ώρες στους 40oC. Στην συνέχεια μερικά δοκίμια υπέστησαν καταπονήσεις με σκοπό την μέτρηση των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Άλλα πάλι, αφού πρώτα καταπονήθηκαν, επισκευάστηκαν και τελικά μετρήθηκαν και σε αυτά οι μηχανικές ιδιότητες. Με τον τρόπο αυτό λήφθηκε μία εικόνα για το πως επηρεάζονται οι μηχανικές ιδιότητες στα σύνθετα υλικά αναλογά με το αν αυτά είναι στην αρχική τους μορφή, "τραυματισμένα" ή επισκευασμένα. Με τον τρόπο αυτό βρέθηκε ποσοστιαία πόσο μειώθηκαν οι αντοχές σε ένα τραυματισμένο δοκίμιο συγκτριτικά με το κανονικό, ή πόσο αυξήθηκαν κατά την επισκευή ενός τραυματισμένου δοκιμίου, βγάζοντας έτσι συμπεράσματα αναφορικά με το αν τα επισκευασμένα σύνθετα υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν ξανά καλύπτοντας όλες τις προδιαγραφές για τις οποίες και αρχικά είχαν δημιουργηθεί.	el
heal.abstract	AbstractNowadays is well known that pollutants from various industries have contributed to the greenhouse effect [78, 79]. Emissions of aircraft engines, such as carbon dioxide, nitrogen oxides, sulfur oxides, etc., are similar to other emissions that contribute toglobalclimate change [80]. Airborne emissions are second on the list after road emissions. More specifically, data shows that the aerospace industry was responsible for 2% of total carbon emissions and 3.5% of global warming [81]. In addition, between 1995 and 2005, carbon dioxide emissions increased by 45% [82], where from a survey by the Civil Aviation Organization indicates that this will increase by 150% by 2035. As a result, new operational policies are being explored, with the aerospace focusing on reducing emissions through weight reduction, aerodynamic improvements and in general new concepts [83,84]. Thus, for the significant reduction in weight, the use of composite materials in aircraft design is almost one-way, as it considered an important way to reduce emissions.Advanced composite materials used for aero-mechanicalapplications are usually CFRP, where they can achieve excellent properties better than those of the alloys while at the same time they are much lighter [85]. As a result, of the reduction in weight, there is also a reduction in pollutant emissions due to reduced fuel consumption and more economical flights. Composite materials initially used in the 1960s on fighter planes and later in the 1970s in civil aviation, again the use of them was not extensive, as the majority of aircrafts consisted of metal alloys [86]. This, of course, did not change, until the early 2000s where composites were a major part of the aircraft's main structure.So,the new generation of civil aircrafts, such as the Airbus 380, the Boeing 787 and the Bombardier C Series, are composedof composite materials even in their main structure. But,these changes will result in some differences in maintenance, repair and prediction procedures, both in the short term and in the long run. In the short term, new techniques needed to maintain, monitor and deal with damage to aircrafts throughout their lives, as well as the need for quality control of these composite components. As these aircraft are growing, it is logicalthat they will be physically damaged and will be subjected to C and D checks to maintain their airworthiness.At this point in their lives, it would be ideal to carry out effective and cost-effective maintenance and repair checks to reduce the total life cost of the aircraft [87].From a structural point of view, composite materials have many advantages such as weight to strength ratio, high stiffness, high stress resistance, corrosion resistance, manageability -molding, adapted mechanical properties and low thermal expansion [88].From a financial and security point of view, however, there are some challenges for the composite industry, such as:• Reducing the cost of raw materials and their construction,• Guaranteed manufacturing quality
heal.advisorName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.committeeMemberName	Σιμιτζής, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Μανωλάκος, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Ζουμπουλάκης, Λουκάς	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	106 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true