Μοντελοποίηση του μέτρου ελαστικότητας LLDPE/CNTs με χρήση μικρομηχανικών μοντέλων και προσομοιώσεων πεπερασμένων στοιχείων.

Χαρίτος, Ηλίας; Charitos, Ilias

dc.contributor.author	Χαρίτος, Ηλίας	el
dc.contributor.author	Charitos, Ilias	en
dc.date.accessioned	2020-10-21T17:46:11Z
dc.date.available	2020-10-21T17:46:11Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/51565
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.19263
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Εφαρμοσμένη Μηχανική”	el
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	LLDPE	el
dc.subject	Linear Low Density Polyethylene	el
dc.subject	CNT	el
dc.subject	Carbon Nanotubes	el
dc.subject	Micromechanical Models	el
dc.subject	FEM	el
dc.subject	FEA	el
dc.subject	Simulations	el
dc.subject	Tensile	el
dc.subject	Interphase	el
dc.subject	Waviness	el
dc.subject	Mechanical Properties	el
dc.title	Μοντελοποίηση του μέτρου ελαστικότητας LLDPE/CNTs με χρήση μικρομηχανικών μοντέλων και προσομοιώσεων πεπερασμένων στοιχείων.	el
dc.title	Modelling of Young Modulus of LLDPE/CNTs nanocomposites with micromechanical modelling and FEA simulations	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Μηχανική	el
heal.classification	Υπολογιστική Μηχανική	el
heal.classification	Φυσική Πολυμερών	el
heal.classification	Μαθηματικά	el
heal.language	el
heal.access	campus
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2020-03-10
heal.abstract	Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετήθηκαν δύο ομάδες πολυμερικών νανοσύνθετων υλι-κών LLDPE (zLLDPE με Ziegler Natta και mLLDPE με μεταλλοκένιο ως καταλύτες), με νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων ως νανοέγκλεισμα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα προστέθηκαν στην πολυμερική μήτρα στο zLLDPE σε περιεκτικότητες 2, 4, 6, 8, 10, 15, 20 % και στο mLLDPE σε περιεκτικότητες 2, 4, 6, 8, 10 % κατά βάρος αντίστοιχα. Αρχικά, με χρήση του ηλεκτρονικού μικρο-σκοπίου σάρωσης παρατηρήθηκε η μορφολογία και μικροδομή των νανοσύνθετων υλικών. Στη συνέχεια προσδιορίστηκαν μέσω πειραμάτων εφελκυσμού το μέτρο ελαστικότητας, η τάση διαρ-ροής, τάση θραύσης και άλλα μηχανικά χαρακτηριστικά. Έπειτα, με χρήση μικρομηχανικών ημιε-μπειρικών μοντέλων (Modified Rule of Mixtures, Kardos, Modified Halpin Tsai, Omidi, Analytical Inclusion Model) έγινε προσέγγιση των πειραματικών αποτελεσμάτων του μέτρου ελαστικότητας των νανοσύνθετων υλικών. Επιπροσθέτως, υλοποιήθηκαν προσομοιώσεις πεπερασμένων στοι-χείων με στόχο την μελέτη της συμπεριφοράς του μέτρου ελαστικότητας συναρτήσει της καμπυ-λότητας των νανοσωλήνων άνθρακα και της περιοχής “Interface” του νανοσύνθετου υλικού. Τέλος, προσδιορίστηκε υπολογιστικά το μέτρο ελαστικότητας των νανοσύνθετων υλικών με χρήση της μεθόδου ομογενοποίησης σε αντιπροσωπευτικό όγκο που περιλαμβάνει τυχαία διεσπαρ-μένους νανοσωλήνες άνθρακα, καθώς και σε αντιπροσωπευτικό όγκο που περιέχει επιπροσθέτως και πυκνά σφαιρικά εγκλείσματα νανοσωλήνων άνθρακα που λειτουργούν ως συσσωματώματα στην μικροδομή του υλικού. Από τις εικόνες του ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης, προέκυψε ότι υπάρχει καλή διασπορά νανοσωλήνων άνθρακα στο υλικό και σε πολλές εικόνες φαίνεται να σχηματίζουν συσσωματώ-ματα. Από τα πειράματα εφελκυσμού, φάνηκε ότι η προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα στο υλικό οδηγεί σε σημαντική βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων του. Το μέτρο ελαστικότητας του νανοσύνθετου υλικού αυξάνεται με αύξηση της περιεκτικότητας σε νανοσωλήνες άνθρακα με γραμμικό τρόπο σε χαμηλές περιεκτικότητες και μη γραμμικά για μεγαλύτερες περιεκτικότητες. Όλα τα μικρομηχανικά μοντέλα προσεγγίζουν πολύ καλά τα πειραματικά αποτελέσματα για μικρές περιεκτικότητες νανοσωλήνων άνθρακα. Για μεγαλύτερες περιεκτικότητες, τα μοντέλα που προσεγγίζουν καλύτερα τα πειραματικά αποτελέσματα φέρουν μη γραμμικούς όρους στις εκφρά-σεις τους. Από τις προσομοιώσεις πεπερασμένων στοιχείων,φάνηκε ότι το μέτρο ελαστικότητας έχει άμεση σχέση με την καμπυλότητα που φέρουν οι νανοσωλήνες άνθρακα. Συγκεκριμένα, συντελείται μείωση του μέτρου ελαστικότητας όταν αυξάνεται η καμπυλότητα των νανοσωλήνων στην μικρο-δομή. Επίσης, αν υπάρχει ισχυρή περιοχή interface μεταξύ εγκλείσματος και πολυμερικής μήτρας, το μέτρο ελαστικότητας αυξάνεται. Το μέτρο ελαστικότητας που προσδιορίστηκε υπολογιστικά μέσω της μεθόδου ομογενοποίησης για τους διαφορετικούς αντιπροσωπευτικούς όγκους προσεγγίζει πολύ καλά τα πειραματικά απο-τελέσματα. Μάλιστα, η ύπαρξη πυκνών σφαιρικών εγκλεισμάτων στην μικροδομή οδηγεί στην αύξηση του μέτρου ελαστικότητας του νανοσύνθετου υλικού.	el
heal.abstract	In this diploma MSC thesis, two groups of LLDPE nanocomposites were studied (zLLDPE and mLLDPE produced by Ziegler Natta and metallocene catalysts respectively ), with multiwall carbon nanotubes (MWCNTs) as nanofillers. MWCNTs were introduced on the amounts of 2,4 ,6, 8, 10, 15, 20 wt % and 2, 4, 6, 8, 10 wt % in the zLLDPE and mLLDPE polymer matrix respectively. At first, the morphology and microstructure of the materials were studied, by using scanning electron microscopy (SEM). After that, many mechanical properties of the materials were identified, such as the Young modulus of elasticity, yield stress, etc, by doing tensile experiments. Also, many micro-mechanical models were applied to approximate the Young modulus of the nanocomposite materials, such as Modified Rule of Mixtures (mROM), Halpin – Kardos, Modified Halpin – Tsai, Omidi models. In addition to these models, a new analytical Inclusion model was introduced to approximate Young Modulus of the nanocomposites, by describing the agglomerated CNTs inclusions in the polymer matrix. Furthermore, many finite element simulations were carried out, in order to simulate how the waviness of CNTs and the “Interface” region affect Young Modulus. At last, the Young Modulus of nanocomposites was calculated computationally, by creating two represantative elementary volumes (RVEs) and using the homogenization finite element technique. The first RVE contains randomly distributed CNTs with random orientation and the second one contains furthermore dense spherical inclusions of CNTs that work as agglomerations. In order to present the experimental results, the following experiments and simulations were carried out at the National Technical University of Athens . 1. Scanning Electron Microscopy experiments With this experiment, the morphology of the material was studied. CNTs are finely dispersed in polymer matrix and in some pictures the CNTs seem to form aggregates with the polymer matrix. 2. Tensile experiments: The addition of carbon nanotubes to the material leads to a significant improvement in its mechanical properties. Initially, Young modulus increases linearly with the increment of the volume fraction of CNTs. As the volume fraction of CNTs grows more, the Young Modulus increases non-linearly. 3. Micromechanical Models All the micromechanical models approximate the experimental results very well for small volume fractions of CNTs. For greater values, the models that work best, are the models that have non-linear terms in their formulas. 4. Finite Element Simulations The waviness of the CNTs and the Interface region affect the Young Modulus of the polymer nanocomposites. Specifically, Young Modulus of elasticity decreases when the waviness of the CNTs increases. Also, if the Interface region between matrix and nanofillers is bulky the Young Modulus of the nanocomposites increases. 5. Homogenization FEM The Young Modulus that was calculated by using the homogenization finite element method technique, approximates the experimental results very well. The existence of dense spherical inclusions in the microstructure of the materials leads to the increment of Young Modulus of the nanocomposites.	en
heal.advisorName	Κοντού, Ευαγγελία
heal.committeeMemberName	Θεοτόκογλου, Στάθης
heal.committeeMemberName	Ευταξιόπουλος, Δημήτρης
heal.committeeMemberName	Ευαγγελία, Κοντού
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	121 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false