ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ"

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΕΥΦΥΗ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΚΡΑΜΑΤΑ ΜΝΗΜΗΣ ΣΧΗΜΑΤΟΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΤΟΥ ΠΑΝΑΓΙΩΤΗ-ΝΕΚΤΑΡΙΟΥ Δ. ΠΑΠΠΑ ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ: Κ. ΓΑΛΙΩΤΗΣ, ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΠΑΤΡΑ 2009

2

3

4

5 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η παρούσα ενότητα, παρά το ότι προηγείται των υπολοίπων, γράφηκε τελευταία και θεωρώ ότι είναι ίσως το μοναδικό κομμάτι της εργασίας, που μπορώ να εκφραστώ χωρίς ιδιαίτερη σκέψη για το πώς θα διατυπώσω αυτά που έχω να πω. Είναι μια σελίδα αφιερωμένη σε όλους αυτούς που στάθηκαν κοντά μου, σε όλους αυτούς που με βοήθησαν, είναι το ελάχιστο που μπορώ να κάνω σε ένδειξη αναγνώρισης. Είναι σίγουρο, ότι η προσπάθεια για την απόκτηση του τιμητικού- τίτλου του Διδάκτορα, είναι δύσκολη για όλους όσους το προσπαθούν και στην πορεία μέχρι το τέλος, θα έλθουν στιγμές που θα χρειαστεί να επιστρατευθούν όλα τα αποθέματα δύναμης και θετικής σκέψης. Οι άσχημες στιγμές, τώρα που γράφω αυτές τις γραμμές, είναι ακόμα έντονα χαραγμένες μέσα μου, αλλά δεν παύουν να αποτελούν ανάμνηση, κυρίως χάρη στους ανθρώπους που είχα δίπλα μου. Θα ξεκινήσω από τον καθηγητή μου, τον Κωνσταντίνο Γαλιώτη, λέγοντάς του ότι το θεωρώ μεγάλη τιμή για εμένα που επέβλεψε και στήριξε όλη αυτή την προσπάθεια, όχι μόνο με τις επιστημονικές του γνώσεις, αλλά και με την ανθρώπινη και ισορροπητική συμπεριφορά του, όποτε αυτό απαιτήθηκε. Μέσα από τα σχεδόν οκτώ χρόνια της συνεργασίας μας, έμαθα πολλά από αυτόν, που σίγουρα θα αποτελέσουν εφόδια στη μετέπειτα πορεία μου. Θέλω να πω ένα μεγάλο ευχαριστώ στο δάσκαλό μου, ακόμη και εάν του προκάλεσα άγχος, λίγο μεγαλύτερο ίσως, από το φυσιολογικό Για την οικογένεια μου, τους γονείς μου, Δημήτρη και Ελένη, την αδελφή μου, Διονυσία, είναι δύσκολο να εκφράσω με λόγια το πόσο πολύ με υποστήριξαν με όλους τους δυνατούς τρόπους, από την αρχή μέχρι το τέλος της δουλειάς αυτής. Ξέρω ότι θα με στηρίζουν σε ολόκληρη τη ζωή μου και αυτό ακριβώς κάνει το ευχαριστώ να φαίνεται πολύ μικρό και λίγο... Γνωρίζω, ότι χωρίς αυτούς δε θα τα είχα καταφέρει και μάλλον αυτό τα λέει όλα. Ο άνθρωπος που με ζούσε και με ζει καθημερινά, ο άνθρωπος που ανέχτηκε όλες τις στριφνές και περίεργες συμπεριφορές μου, είναι η σύντροφός μου. Εύχομαι, να μπορέσω να προσφέρω στη Ρούλα, μέρος μόνο, της κατανόησης, της ανεκτίμητης στήριξης και της ηρεμίας που μου προσέφερε αυτή, γιατί η ολοκλήρωση της εργασίας μου, συνέπεσε με μια περίοδο της ζωής της, που όλα αυτά, τα είχε σίγουρα περισσότερο ανάγκη από ότι εγώ. Για το φίλο μου και στενό συνεργάτη σε όλη αυτή την προσπάθεια, το Γιάννη Παρθένιο, τι να πω; Του ανήκει δικαιωματικά ένα μεγάλο κομμάτι από αυτή τη δουλειά, αφιέρωσε πολύτιμο χρόνο και κόπο, πάντα ήταν δίπλα μου και ποτέ απέναντί μου, ακόμη και στα πιο δύσκολα. Γιάννη, ποτέ δε θα ξεχάσω το πόσο πολύ με βοήθησες, ένα τεράστιο ευχαριστώ για σένα Εδώ που τα λέμε όμως, ποιός από τους ανθρώπους που θεωρώ φίλους μου δεν ήταν κοντά μου ή δε συνέβαλε με κάποιο τρόπο στην ολοκλήρωση της προσπάθειας μου; Δημήτρη Μπόλλα (μου έλειψε η επεισοδιακή συμβίωση μας

6 στο ίδιο γραφείο), Χρήστο Αγγελόπουλε (μου έλειψαν οι φοβεροί καβγάδες μας), Γιάννη Κωστόπουλε (ήσουν η παρέα μου μετά από ατελείωτα βράδια μελέτης), Τάσο Κόκκινε (ξέρεις εσύ ), Γεωργία (ήσουν εκεί όποτε σε χρειάστηκα), Σταύρο Μπουτόπουλε (ο χαμένος καλύτερός μου φίλος), Παναγιώτη Πανόπουλε (ο αδερφός μου), Τάσο Μανίκα και Νίκο Χουρδάκη (δεν ξέρω τι θα γινόταν χωρίς τα συμβούλιά μας), σας ευχαριστώ μέσα από την καρδιά μου Δε θα μπορούσα με κανένα τρόπο να παραγνωρίσω την τεράστια συμβολή των Τεχνικών του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ, που ποτέ δε μου αρνήθηκαν το παραμικρό όποτε τους χρειάστηκα και συνέβαλλαν τα μέγιστα στο σχεδιασμό και την κατασκευή των διατάξεων που χρησιμοποίησα στην παρούσα εργασία. Νίκο Λεκατσά (έπρεπε να σε βάλω στους φίλους, πιο πριν ), Κώστα Λαμπρόπουλε και Δημήτρη Τσεκούρα, σας ευχαριστώ ειλικρινά. Κλείνοντας, θα ήθελα να εκφράσω τις ευχαριστίες μου προς το ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ, που μου έδωσε τη δυνατότητα χρήσης τεχνολογικού εξοπλισμού αιχμής για τη διεξαγωγή των πειραμάτων καθώς και για την οικονομική στήριξη που μου παρείχε. Επίσης, θα πρέπει να αναγνωρίσω την τεράστια συμβολή της Γενικής Γραμματείας Έρευνας και Τεχνολογίας, η οποία χρηματοδότησε τη σχετική ερευνητική και πειραματική δουλειά, μέσω του προγράμματος ΠΕΝΕΔ 2001, χωρίς τη στήριξη της οποίας, το αποτέλεσμα θα ήταν αμφίβολο. Στον προσωπικό αυτό χώρο, θα ήθελα να αφιερώσω τη Διατριβή μου, αλλά και τον τίτλο του Διδάκτορα του Πανεπιστημίου Πατρών σε ένα πρόσωπο. Αφού ζητήσω συγγνώμη από όλους, αλλά κυρίως από τη μητέρα μου, Ελένη (αν και πιστεύω ότι θα χαρεί πιο πολύ, από ότι εάν το αφιέρωνα σε αυτήν), και από τη Ρούλα (ξέρεις ότι σου έχω αφιερώσει πολλά περισσότερα), θα αφιερώσω αυτό το Διδακτορικό στον πατέρα μου, Δημήτρη Παππά. Πατέρα, αυτός ο τίτλος, όσο ανήκει σε εμένα, άλλο τόσο ανήκει και σε σένα, σε ευχαριστώ για όλα

7

8

9 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Εισαγωγή..1 Κεφάλαιο 1 ο ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 1.1 Εισαγωγή Σύνθετα με ενίσχυση κόκκων Σύνθετα με ενίσχυση ινών Σύνθετα με ενίσχυση ινών διαμήκης φόρτιση Σύνθετα με ενίσχυση ινών εγκάρσια φόρτιση Σύνθετα με ενίσχυση ινών ασυνεχή Δομικά σύνθετα υλικά Τύποι μητρικής φάσης Μεταλλικές μήτρες Κεραμικές μήτρες Πολυμερικές μήτρες Τύποι εγκλεισμάτων.17

10 Κεφάλαιο 2 ο ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΜΝΗΜΗΣ ΣΧΗΜΑΤΟΣ & ΤΟ ΚΡΑΜΑ ΝΙΚΕΛΙΟΥ ΤΙΤΑΝΙΟΥ 2.1 Ιστορικά στοιχεία εισαγωγή Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος στο Κράμα Νικελίου Τιτανίου Ο Μηχανισμός του Φαινομένου Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος Διπλής Κατεύθυνσης Υστέρηση μαρτενσιτικού μετασχηματισμού Υπερ-ελαστικότητα στο Κράμα NiTi (superelasticity) Η ενδιάμεση φάση R (the R-phase) Τα πλεονεκτήματα του κράματος Νικελίου Τιτανίου Μέθοδοι παρασκευής Προγραμματισμός Μνήμης Σχήματος Μέθοδοι μέτρησης των θερμοκρασιών μετασχηματισμού Εμπορικές εφαρμογές του κράματος Νικελίου- Τιτανίου Το Νικέλιο Τιτάνιο στην επιστήμη της Ιατρικής.40

11 Κεφάλαιο 3 ο ΠΟΛΥ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 3.1 Εισαγωγή Αισθητήρες και Ενεργοποιητές Πολύ-λειτουργικά υλικά εκτός των Κραμάτων Μνήμης Σχήματος Οπτικές ίνες (ως αισθητήρες) Πιεζοηλεκτρικά υλικά Ηλεκτρορεολογικά Μαγνητορεολογικά υλικά Μαγνητοδιαγνωστικά υλικά Ευφυή σύνθετα υλικά με ενσωματωμένα Κράματα Μνήμης Σχήματος Σύνθετα με ενσωματωμένα SMA Ανάπτυξη μηχανικών τάσεων Εποξειδικές ρητίνες Θερμική επεξεργασία εποξειδικών ρητινών Αραμιδικές ίνες Kevlar Παρασκευή των ινών Kevlar Δομή των ινών Kevlar.61

12 Κεφάλαιο 4 ο ΘΕΡΜΟΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΡΑΜΑΤΟΣ ΜΝΗΜΗΣ ΣΧΗΜΑΤΟΣ ΝΙΚΕΛΙΟΥ ΤΙΤΑΝΙΟΥ 4.1 Εισαγωγή Σύστημα Θερμομηχανικού Χαρακτηρισμού Κραμάτων Μνήμης Σχήματος THERMIS Τρόπος μέτρησης των μηχανικών τάσεων ενεργοποίησης Προσδιορισμός των θερμοκρασιών μετασχηματισμού με χρήση DSC Αποτελέσματα Ηλεκτρικές μετρήσεις στα σύρματα NiTi Πειραματική διαδικασία Μέτρηση της ειδικής αντίστασης του σύρματος NiTi Η θερμοκρασία του σύρματος NiTi σαν συνάρτηση της καταναλισκόμενης ισχύος Μηχανικά πειράματα στο σύρμα NiTi Πειραματική διαδικασία Εφελκυσμός συρμάτων NiTi σε μαρτενσιτική δομή Εφελκυσμός συρμάτων NiTi σε οστενιτική δομή Καμπύλη Πραγματικής Τάσης Παραμόρφωσης με τη βοήθεια Οπτικής Μικροσκοπίας για τη μαρτενσιτική φάση Ανάπτυξη μηχανικών τάσεων κατά τον αντίστροφο μετασχηματισμό Πειραματική διαδικασία Αποτελέσματα μετρήσεων.94

13 4.8 Λειτουργική κόπωση (transformation fatigue) και χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης (1 cycle stress relaxation ) για τα σύρματα NiTi Πειραματική διαδικασία Αποτελέσματα πειραμάτων Ο μηχανισμός υποβάθμισης της αναπτυσσόμενης τάσης υπό το πρίσμα μετρήσεων DSC και παρατηρήσεων SEM.109

14 Κεφάλαιο 5 ο ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΥΡΜΑΤΑ ΝΙΚΕΛΙΟΥ - ΤΙΤΑΝΙΟΥ 5.1 Εισαγωγή Μεταφορά Μηχανικής Τάσης από το Σύρμα στο Σύνθετο Υλικό Διεπιφάνεια Θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης της μητρικής φάσης Δυναμική Μηχανική Ανάλυση Βασικές έννοιες και Υπολογισμός Tg Πειραματικός υπολογισμός του Tg Παρασκευή συνθέτων υλικών Χαρακτηριστικά δοκιμίων Ανάπτυξη θερμικών τάσεων στα δοκίμια Πειραματική μέτρηση θερμικών τάσεων στο Thermis Ηλεκτρικές μετρήσεις στα σύνθετα υλικά Διαφορά θερμοκρασίας σύρματος και επιφάνειας δοκιμίου Πειραματική διαδικασία Μετρήσεις ωμικής αντίστασης δοκιμίων Μηχανικά πειράματα στα σύνθετα υλικά Πειραματική διαδικασία Στατικά εφελκυστικά πειράματα Δυναμικά πειράματα με χρήση DMA.164

15 5.8 Ενεργοποίηση και ανάπτυξη μηχανικών τάσεων στα σύνθετα υλικά Πειραματική διαδικασία Αποτελέσματα μετρήσεων Λειτουργική κόπωση και χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης συνθέτων υλικών Πειραματική διαδικασία Αποτελέσματα πειραμάτων 177

16 Κεφάλαιο 6 ο ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ ΣΥΖΗΤΗΣΗ 6.1 Περιληπτική ανασκόπηση Το σύστημα θερμομηχανικού χαρακτηρισμού Thermis Λειτουργική κόπωση συρμάτων NiTi και συνθέτων υλικών Χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης συρμάτων NiTi και συνθέτων υλικών Ο μηχανισμός της υποβάθμισης Η λειτουργική κόπωση υπό την οπτική μιας γενικότερης θεώρησης και η μελλοντική εργασία.197 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΔΗΜΟΣΙΕΥΣΕΩΝ...211

17 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Υλικά όπως η πέτρα, ο χαλκός ή ο σίδηρος έχουν δανείσει το όνομά τους σε εξελικτικές περιόδους διάρκειας χιλιάδων ετών, ενδεικτικό της άρρηκτης σχέσης μεταξύ της χρήσης και της επεξεργασίας των υλικών και της ανθρώπινης ιστορίας. Κατά τον τελευταίο αιώνα, η μετάδοση και η διαχείρισης της πληροφορίας αποτελεί την κινητήριο δύναμη της τεχνολογικής εξέλιξης. Το γεγονός αυτό δεν άφησε στο περιθώριο την εξέλιξη των υλικών, αλλά, εστιάζοντας στις τελευταίες κυρίως δεκαετίες, μέσω της σύζευξης διαφορετικών τεχνολογιών έχουμε οδηγηθεί στην ανάπτυξη της οικογένειας των ευφυών συστημάτων (smart systems). Τα ζώα και τα φυτά που απαρτίζουν το φυσικό μας κόσμο διαθέτουν αναμφισβήτητα την ικανότητα να προσαρμόζονται στο περιβάλλον και να αντιδρούν στα ερεθίσματα που δέχονται από αυτό. Κατ αναλογία, θα μπορούσαμε να πούμε ότι ένα σύστημα χαρακτηρίζεται ως ευφυές όταν διαθέτει τη δυνατότητα της αίσθησης κάποιας εξωτερικής διέγερσης και της ενεργοποίησης με ελεγχόμενο τρόπο. Ένα επιπρόσθετο χαρακτηριστικό είναι ικανότητα επαναφοράς του συστήματος στην αρχική κατάσταση όταν η διέγερση αφαιρεθεί [1]. Γενικά, η ανάπτυξη ευφυών δομών βασίζεται αφενός στην δυνατότητα επεξεργασίας της πληροφορίας (information processing) και αφετέρου, στη χρήση υλικών που 1

18 μπορούν να αντιδράσουν σε ερεθίσματα όπως π.χ. στη θερμότητα, στην πίεση, στο ηλεκτρομαγνητικό πεδίο, στην παραμόρφωση κ.α. [2] Οι επικρατέστερες κατηγορίες ευφυών (ή καλύτερα ενεργών ) υλικών είναι οι εξής: α) πιεζοηλεκτρικά, υλικά που αντιδρούν στην επιβολή εξωτερικής τάσης/παραμόρφωσης με την επαγωγή ηλεκτρικής τάσης. Αντίστοιχα όταν εφαρμοστεί ηλεκτρικό πεδίο αντιδρούν με μεταβολή του όγκου τους. β) ηλεκτρο- και μαγνητο-ρεοστατικά, αντιδρούν στη μεταβολή του ηλεκτρικού ή του μαγνητικού πεδίου που τα περιβάλλει με αυξομείωση του ιξώδους τους. γ) κράματα μνήμης σχήματος μαγνητικής ενεργοποίησης, που μεταβάλλουν το μήκος τους ανάλογα με την ένταση του μαγνητικού πεδίου. δ) κράματα μνήμης σχήματος θερμικής ενεργοποίησης, που μεταβάλλουν το σχήμα τους αντιδρώντας στην αλλαγή της θερμοκρασίας. Από τις παραπάνω κατηγορίες, τα κράματα μνήμης σχήματος θερμικής ενεργοποίησης χρησιμοποιούνται ήδη ευρέως σε πολλές εφαρμογές και παρά το ότι έχουν παρέλθει αρκετές δεκαετίες από την ανακάλυψη των ιδιοτήτων τους, το σχετικό πεδίο έρευνας είναι ακόμα αναπτυσσόμενο. Για λόγους που θα αναλυθούν σε επόμενο κεφάλαιο, το κράμα που χρησιμοποιείται περισσότερο λόγω των πλεονεκτημάτων του έναντι του ανταγωνισμού, είναι αυτό του Νικελίου-Τιτανίου (NiTi). Η ανάγκη να ξεπεραστούν οι περιορισμοί που επιβάλει η χρήση των μονοφασικών συμβατικών δομικών υλικών σε πληθώρα κατασκευών έτσι ώστε να ικανοποιηθεί το αίτημα για συστήματα με ασυνήθιστους συνδυασμούς ιδιοτήτων οδήγησε προ πολλού στην ανάπτυξη των συνθέτων υλικών [3]. Χαρακτηριστικά παραδείγματα πολυφασικών δομών που χρησιμοποιούνται στις κατασκευές είναι το οπλισμένο σκυρόδεμα ή τα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες γυαλιού (fiberglass). Η ενσωμάτωση υλικών με δυνατότητες αίσθησης και ενεργοποίησης σε ένα σύνθετο, το κατατάσσει στη σχετικά νέα οικογένεια των ευφυών συνθέτων υλικών (ή εναλλακτικά πολύ-λειτουργικών υλικών). Τα πολύ-λειτουργικά σύνθετα, εκτός από το ότι διατηρούν τις δομικές τους ιδιότητες, αισθάνονται τις εξωτερικές διεγέρσεις και αντιδρούν σε αυτές, σε αντιστοιχία με τα ευφυή υλικά, τα οποία πλέον αποτελούν μια από τις συνιστώσες φάσεις του συστήματος [3,4]. 2

19 Ο θερμομηχανικός χαρακτηρισμός του κράματος NiTi και η ενσωμάτωση του σε πολυμερική μήτρα με στόχο τη γέννηση εσωτερικών μηχανικών τάσεων όταν υπάρξει θερμική διέγερση, είναι επιγραμματικά ο σκοπός της παρούσας εργασίας. Ιδιαίτερο βάρος θα δοθεί στα λειτουργικά χαρακτηριστικά (π.χ στις μέγιστες αναπτυσσόμενες μηχανικές τάσεις ή στο όριο ζωής) τόσο του υλικού όσο και του συνθέτου, καθώς αυτά καθορίζουν τελικά την πιθανότητα υιοθέτησης ενός πολύλειτουργικού συστήματος απο πραγματικές εμπορικές εφαρμογές. Το έξυπνο σύστημα που μελετάται στην εργασία αυτή αποτελείται από εποξειδική ρητίνη, ενισχυμένη με ίνες Kevlar 29 και ενσωματωμένα σύρματα Νικελίου-Τιτανίου. Στα κεφάλαια που ακολουθούν θα γίνει μια σύντομη αναφορά στα συμβατικά σύνθετα υλικά, θα προσεγγιστεί ιστορικά το φαινόμενο της μνήμης σχήματος και θα ακολουθήσει η περιγραφή του κράματος Νικελίου-Τιτανίου (παρασκευή υλικού, εκδήλωση φαινομένου μνήμης σχήματος, συγκριτικά πλεονεκτήματα κ.α). Στη συνέχεια, θα γίνει λόγος για τις εφαρμογές του κράματος σε διάφορους τομείς όπως η ιατρική, η μηχανολογία και οι κατασκευές, ενώ το θεωρητικό τμήμα της εργασίας θα ολοκληρωθεί με την ανάλυση των πολύλειτουργικών συνθέτων υλικών εστιάζοντας στο μηχανισμό γέννησης μηχανικής τάσης από τα ενσωματωμένα κράματα μνήμης σχήματος. Το πειραματικό μέρος της εργασίας χωρίζεται σε δύο τμήματα. Στο πρώτο περιλαμβάνεται η μελέτη και ο θερμομηχανικός χαρακτηρισμός του υλικού. Χρησιμοποιήθηκαν κυρίως σύρματα NiTi διαμέτρου 0.3mm, αλλά και ράβδοι για τη διεξαγωγή κάποιων συγκεκριμένων πειραμάτων. Οι πειραματικές τεχνικές περιλαμβάνουν μηχανικά πειράματα εφελκυσμού σε σερβοϋδραυλικό πλαίσιο δοκιμών, ηλεκτρονιακή μικροσκοπία σάρωσης (SEM), οπτική μικροσκοπία, χρήση θερμοκάμερας υπερύθρου ακτινοβολίας, διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), δυναμική μηχανική ανάλυση (DMA), μέτρηση ηλεκτρικών ιδιοτήτων καθώς και ένα πρωτοποριακό σύστημα χαρακτηρισμού υλικών που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο και επιτρέπει ταυτόχρονα την ελεγχόμενη θερμική ενεργοποίηση των υλικού, την καταγραφή των μηχανικών τάσεων, τη μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης, τη μέτρηση της απόλυτης θερμοκρασίας σε επιλεγμένα σημεία και την καταγραφή του θερμικού προφίλ της επιφάνειάς του (σύστημα THERMIS). Το δεύτερο τμήμα, περιλαμβάνει τη μελέτη του υβριδικού σύνθετου υλικού. Η παρασκευή του 3

20 πραγματοποιείται σε αυτόκλειστο φούρνο (autoclave) και για την ενεργοποίηση του και την καταγραφή των παραμέτρων κατά τη λειτουργία του, χρησιμοποιείται το σύστημα THERMIS. Για να επιτευχθεί η σύγκριση μεταξύ της συμπεριφοράς του κράματος όταν αυτό ενεργοποιείται με και χωρίς την πολυμερική μήτρα να το περιβάλει, έχουν επιλεγεί δύο τύποι πειραμάτων: συνεχής ενεργοποίηση για μεγάλο χρονικό διάστημα (χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης - activation stress relaxation) και κυκλική ενεργοποίηση-απενεργοποίηση για μεγάλο αριθμό επαναλήψεων (λειτουργική κόπωση transformation fatigue). Η παρούσα εργασία χρηματοδοτήθηκε από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας και Τεχνολογίας του Υπουργείου Ανάπτυξης και πραγματοποιήθηκε στα πλαίσια του προγράμματος ΠΕΝΝΕΔ 2001, με γενικό τίτλο : Ενδομυελική Οστεοοσύνθεση Καταγμάτων και Ενδομυελική Οστεογένεση με Χρήση SMA. Οι φορείς που συμμετείχαν στο πρόγραμμα, ήταν η Ορθοπεδική Κλινική της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών, το Τμήμα Επιστήμης των Υλικών της Σχολής Θετικών Επιστημών του Πανεπιστημίου Πατρών, το Τμήμα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών και το ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ. Στο Εργαστήριο Μηχανικής των Υλικών του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ, διεξήχθη το σύνολο σχεδόν των πειραμάτων της εργασίας. 4

21

22

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 1.1 Εισαγωγή Η εξέλιξη των συνθέτων, μέχρι και σήμερα, επεκτείνει το συνδυασμό και το εύρος των ιδιοτήτων των υλικών. Όπως έχει ήδη αναφερθεί στην εισαγωγή, σύνθετο υλικό είναι κάθε πολυφασικό σύστημα που εκμεταλλεύεται ένα μέρος από τις ιδιότητες των δύο ή παραπάνω φάσεων του με αποτέλεσμα ένα νέο υλικό με βελτιωμένη μηχανική κυρίως- συμπεριφορά και μοναδικές ιδιότητες, σύμφωνα με την αρχή της συνδυασμένης δράσης [3]. Το σύνθετο υλικό θεωρείται ότι κατασκευάζεται με τεχνητά μέσα και αποτελείται από χημικά ανόμοιες φάσεις, οι οποίες διαχωρίζονται από διακριτή επιφάνεια. Για το λόγο αυτό, πολλά κράματα μετάλλων και κεραμικά που είναι αποτέλεσμα φυσικών διεργασιών ή και φυσικά υλικά όπως το ξύλο (ίνες κυτταρίνης που συγκρατούνται από λιγνίνη) δεν κατατάσσονται στα σύνθετα [5,6]. Η φάση που βρίσκεται σε μεγαλύτερο ποσοστό και είναι συνεχής ονομάζεται μητρική φάση ή απλά μήτρα και περιβάλει τη διασπαρμένη φάση ή φάση ενίσχυσης. Το σχήμα, το μέγεθος, η κατανομή και ο προσανατολισμός της φάσης ενίσχυσης κατατάσσει τα σύνθετα υλικά σύμφωνα με το Σχήμα 1.1 [3]. Οι διαστάσεις των κόκκων είναι περίπου ίδιες σε όλες τις διευθύνσεις ενώ ο λόγος μήκους της ίνας 5

24 προς τη διάμετρο της είναι μεγάλος. Τα δομικά σύνθετα είναι συνδυασμός ομογενών υλικών και συνθέτων υλικών. Σχήμα 1.1. Κατάταξη τεχνητών συνθέτων υλικών ανάλογα με τη γεωμετρία της φάσης ενίσχυσης. 1.2 Σύνθετα με ενίσχυση κόκκων Όσο αφορά στα κοκκώδη σύνθετα, η διάκριση γίνεται με βάση το ενισχυτικό υλικό ή το μηχανισμό ενίσχυσης. Στα σύνθετα υλικά με μεγάλους κόκκους (διάμετρος > 0.1μm) η αλληλεπίδραση με τη μήτρα εξετάζεται μακροσκοπικά και όχι σε μοριακό επίπεδο. Συνήθως οι κόκκοι είναι αρκετά σκληρότεροι από τη μήτρα και η συμπεριφορά του συνθέτου υλικού εξαρτάται από την ισχύ της διαχωριστικής επιφάνειας. Στα σύνθετα με ενίσχυση διασποράς, η διάμετρος των κόκκων βρίσκεται μεταξύ 0.01 μm και 0.1 μm και οι αλληλεπιδράσεις με τη μήτρα εντοπίζονται σε μοριακό ή και ατομικό επίπεδο. Στην περίπτωση αυτή, οι διεσπαρμένοι κόκκοι εμποδίζουν την κίνηση των εξαναγκασμών μέσα στη μήτρα, οι οποίοι τείνουν να διαδοθούν λόγω της επιβολής εξωτερικού φορτίου [3]. Χαρακτηριστικότερο παράδειγμα σύνθετου υλικού με ενίσχυση κόκκου αποτελεί το σκυρόδεμα που χρησιμοποιείται ευρύτατα στις κατασκευές. 6

25 1.3 Σύνθετα με ενίσχυση ινών Η πιο σημαντική από τις κατηγορίες των συνθέτων, όπως αυτές φαίνονται στο Σχ. 1.1, είναι τα ινώδη σύνθετα υλικά. Η ενισχυτική φάση έχει τη μορφή ίνας και τα υλικά αυτά διακρίνονται κυρίως για την υψηλή ειδική αντοχή και το αυξημένο ειδικό μέτρο ελαστικότητας. Η διάκριση σε σύνθετα συνεχών ή ασυνεχών ινών, γίνεται με βάση το εάν το μήκος τους ξεπερνά ή όχι αντίστοιχα ένα κρίσιμο μήκος l c, πέρα από το οποίο υπάρχει ουσιαστική βελτίωση στις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Το κρίσιμο μήκος εξαρτάται από την αντοχή σε εφελκυσμό της ίνας, σ bf, τη διάμετρο της, d και την διατμητική αντοχή του δεσμού μεταξύ μήτρας και ενισχυτικής φάσης, τ c, και δίνεται από την ακόλουθη σχέση [7]: Σημαντική συνεισφορά στην ποιότητα του τελικού υλικού έχουν ο προσανατολισμός και η συγκέντρωση των ινών. Στα σύνθετα με συνεχή ενίσχυση οι ίνες είναι συνήθως ευθυγραμμισμένες, ενώ στα ασυνεχή μπορεί να είναι ευθυγραμμισμένες, μερικώς προσανατολισμένες ή και τυχαία κατανεμημένες. Σχήμα 1.2 Σχηματική αναπαράσταση (α) συνεχών και ευθυγραμμισμένων ινών, (β) ασυνεχών ευθυγραμμισμένων και (γ) ασυνεχών τυχαίας κατανομής Ο τύπος του υλικού που θα μελετηθεί στην παρούσα εργασία ανήκει στα σύνθετα υλικά με συνεχής και προσανατολισμένες ίνες. Εύλογα λοιπόν, δοθεί περισσότερο βάρος στην ανάλυση της συμπεριφοράς υλικών της ίδιας οικογένειας. 7

26 1.3.1 Σύνθετα με ενίσχυση ινών διαμήκης φόρτιση Για τη μελέτη της συμπεριφοράς των ινωδών συνθέτων υπό την επίδραση εξωτερικών φορτίων, θα πρέπει να δεχτούμε ότι η το μητρικό υλικό και το ενισχυτικό μέσο υπόκεινται στην ίδια ακριβώς παραμόρφωση. Για να συμβεί αυτό, βασική προϋπόθεση είναι η ύπαρξη πολύ ισχυρού δεσμού στη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ ίνας και μήτρας ή αλλιώς ισχυρής διεπιφάνειας. Η έννοια της διεπιφάνειας συναντάται φυσικά σε όλους τους τύπους των συνθέτων υλικών και δεν είναι υπερβολή να πούμε ότι στην περίπτωση διεπιφανειακού δεσμού δίχως καλές ιδιότητες, παύει να υπάρχει σύνθετο [5]. Η πρόσφυση μεταξύ εγκλείσματος και μητρικής φάσης μπορεί να επιτυγχάνεται με δυνάμεις ηλεκτροστατικής φύσης, με χημικό τρόπο ή με καθαρά μηχανικό (τριβή). Κατά τη διαμήκη φόρτιση ενός συνθέτου υλικού με συνεχείς και προσανατολισμένες ίνες (βλ. Σχ. 1.3α), εάν ε c είναι η συνολική παραμόρφωση του υλικού και ε f, ε m είναι η παραμορφώσεις των ινών και της μήτρας, λόγω της ισοπαραμορφωτικής παραδοχής, θα ισχύει: Το συνολικό φορτίο F c, που φέρει το υλικό ισούται με το άθροισμα των επί μέρους φορτίων που φέρουν η μήτρα, F m και οι ίνες, F f : Εάν σ c,f,m είναι οι τάσεις στο σύνθετο, στις ίνες και στη μήτρα αντίστοιχα και Α c,f,m είναι η διατομή του συνθέτου, η συνολική διατομή των ινών και η διατομή της μήτρας, τότε η Εξ. 1.3 μπορεί να γραφεί: To ογκομετρικό κλάσμα (volume fraction) μιας φάσης σε ένα σύνθετο, είναι ο λόγος του όγκου που καταλαμβάνει η συγκεκριμένη φάση προς το συνολικό όγκο του υλικού. Εάν θεωρήσουμε ότι το μήκος των ινών είναι ίσο με το μήκος του συνθέτου (κάτι που είναι το πλέον σύνηθες για μικρά σχετικά μήκη υλικού), τότε ο λόγος των διατομών ισούται με το λόγο των όγκων, άρα εάν V f, V m είναι τα ογκομετρικά κλάσματα ινών και μήτρας η Εξ. 1.4 γράφεται: 8

27 Διαιρώντας με την παραμόρφωση του υλικού η οποία είναι κοινή τόσο για τη μήτρα όσο και για την ενισχυτική φάση, η Εξ. 1.5 παίρνει τη μορφή: Η παραπάνω εξίσωση εκφράζει το μέτρο ελαστικότητας ενός ινώδους σύνθετου υλικού με προσανατολισμένη φάση ενίσχυσης κατά τη διαμήκη φόρτισή του στην ελαστική περιοχή παραμορφώσεων. Ο λόγος του φορτίου που μεταφέρουν οι ίνες προς το φορτίο της μήτρας δίνεται από τη σχέση: Στο Σχ. 1.3β, φαίνεται η σχηματική αναπαράσταση της συμπεριφοράς ενός τέτοιου συνθέτου υλικού. Στο ίδιο σχήμα για αντιπαραβολή υπάρχει και το διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης για μονοαξονικό εφελκυσμό της ίνας (ψαθυρή συμπεριφορά) και της μήτρας (όλκιμη συμπεριφορά). Σχήμα 1.3. (α) Σχηματική αναπαράσταση συνθέτου υλικού με συνεχείς και προσανατολισμένες ίνες και οι εξεταζόμενες διευθύνσεις φόρτισης και (β) διαγράμματα σ-ε του σύνθετου υλικού, της ίνας και της μητρικής φάσης Όπως φαίνεται από το διάγραμμα, η μήτρα επιδεικνύει όλκιμη συμπεριφορά με παραμόρφωση θραύσης ε bm, και όριο διαρροής ε ym. Η ίνα συμπεριφέρεται 9

28 γραμμικά ελαστικά μέχρι το όριο θραύσης της υπό τάση σ bf και παραμόρφωση ε bf. Το σύνθετο υλικό σε σχέση με τη μητρική φάση παρουσιάζει αυξημένο μέτρο ελαστικότητας και μεγαλύτερο όριο θραύσης, αν και αστοχεί σε μικρότερη παραμόρφωση. Επίσης, στην ιδανική πάντα περίπτωση, συμπεριφέρεται γραμμικά ελαστικά μέχρι το σημείο αστοχίας του με δύο διαφορετικές κλίσεις πριν και μετά το όριο ε ym. Θεωρείται ότι η αστοχία επέρχεται στο σύνθετο όταν αρχίσουν να θραύονται οι ίνες, αν και το υλικό μέχρι τη μακροσκοπική του θραύση, δε χάνει την ικανότητα μεταφοράς φορτίων, αφού ε bm > ε bf Σύνθετα με ενίσχυση ινών εγκάρσια φόρτιση Όταν το φορτίο εξασκείται υπό γωνία 90 ο σε σχέση με τη διεύθυνση προσανατολισμού των ινών, τότε έχουμε την περίπτωση της καθαρής εγκάρσιας φόρτισης. Σε αντίθεση με τη διαμήκη φόρτιση, όπου οι παραμορφώσεις ενισχυτικής φάσης και μήτρας θεωρούνται ίσες, οι δύο φάσεις του συνθέτου κατά την εγκάρσια φόρτιση υποβάλλονται στο ίδιο τασικό πεδίο (ισο-τασική κατάσταση), δηλαδή: Η παραμόρφωση του συνθέτου στην εγκάρσια διεύθυνση δίνεται από την παρακάτω σχέση: Χρησιμοποιώντας τη σχέση, αντικαθιστούμε τους όρους ε c, ε f, ε μ με τις ισοδύναμες εκφράσεις τους συναρτήσει των μέτρων ελαστικότητας Ε c, E f, E m στην εγκάρσια διεύθυνση: Διαιρώντας με την τάση, σ, η πιο πάνω σχέση μας δίνει το μέτρο ελαστικότητας του συνθέτου για την περίπτωση εγκάρσιας ως προς τη διεύθυνση προσανατολισμού των ινών φόρτισης: 10

29 Στον πιο κάτω πίνακα [8], φαίνονται η διαμήκης και η εγκάρσια αντοχή σε εφελκυσμό για τρία ενδεικτικά σύνθετα με ινώδη πλήρως προσανατολισμένη ενίσχυση. Σύνθετο Υλικό Αντοχή σε εφελκυσμό Διαμήκης φόρτιση (Mpa) Αντοχή σε εφελκυσμό Εγκάρσια φόρτιση (Mpa) Glass-polyester Carbon-epoxy Kevlar-epoxy Πίνακας 1.1 Αντοχή σε εφελκυσμό για διαμήκη και εγκάρσια φόρτιση για τρία διαφορετικά σύνθετα με προσανατολισμένη ινώδη ενίσχυση Ανεξάρτητα από το συνδυασμό μήτρας ίνας, είναι εμφανές ότι εάν ο σχεδιασμός του υλικού, γίνει έτσι ώστε η φόρτιση να επιβάλλεται κατά τη διεύθυνση των ενισχυτικού μέσου, το υλικό αποκτά εξαιρετικά λειτουργικά πλεονεκτήματα με κυριότερα την αύξηση του μέτρου ελαστικότητας (όπως φάνηκε από το Σχ. 1.2) και την αύξηση της αντοχής Σύνθετα με ενίσχυση ινών Ασυνεχή (ευθυγραμμισμένα και τυχαίας κατανομής) Έχει ήδη αναφερθεί ότι η αποτελεσματικότητα της ενίσχυσης, τουλάχιστον όσον αφορά τις μηχανικές ιδιότητες, μειώνεται κατά πολύ εάν το μήκος της ίνας είναι μικρότερο από το κρίσιμο μήκος l c. Με την υπάρχουσα τεχνολογία, είναι δυνατόν να κατασκευαστούν ασυνεχή προσανατολισμένα σύνθετα που αγγίζουν το 90% του μέτρου ελαστικότητας και το 50% της αντοχής σε διαμήκη φόρτιση των αντίστοιχων συνεχών υλικών [3]. Ένα από τα σοβαρά μειονεκτήματα των προσανατολισμένων ινωδών συνθέτων, είναι η εντελώς ανισότροπη συμπεριφορά τους. Τα υλικά αυτά, παρουσιάζουν τεράστιες διακυμάνσεις στις μηχανικές τους ιδιότητες ανάλογα με τη διεύθυνση του εξωτερικού φορτίου. Η εξασφάλιση όσο το δυνατόν ισότροπης συμπεριφοράς επιτυγχάνεται με τον τυχαίο προσανατολισμό κοντών ινών μέσα στη 11

30 μητρική φάση. Τέτοια σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές που οι εξωτερικές τάσεις δρουν στοχαστικά ή αναπτύσσονται σε όλες τις διευθύνσεις του υλικού. Σημαντικό πλεονέκτημα αποτελεί το χαμηλότερο κόστος παραγωγής τους, αλλά και η δυνατότητα ανάπτυξης πιο πολύπλοκων σχημάτων σε σχέση με τα συνεχή σύνθετα υλικά. Φυσική ή Ποσοστό (% κ.ο) ενίσχυσης Μηχανική Ιδιότητα Ειδικό βάρος Αντοχή σε εφελκυσμό (MPa) Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Παραμόρφωση θραύσης (%) Πίνακας 1.2 Ιδιότητες σύνθετου υλικού πολυκαρβονικής μήτρας με ενίσχυση τυχαία προσανατολισμένων ινών γυαλιού Στον Πίνακα 1.2 [9], φαίνεται η μεταβολή ορισμένων βασικών φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων για ένα σύνθετο με τυχαία κατανεμημένες ίνες γυαλιού ως ενίσχυση, σαν συνάρτηση του ποσοστού της. Παρατίθενται επίσης οι αντίστοιχες ιδιότητες της καθαρής μητρικής φάσης για λόγους σύγκρισης, έτσι ώστε να αποκτηθεί μια καλύτερη ιδέα όσον αφορά στην ενίσχυση με χρήση ασυνεχών και τυχαία προσανατολισμένων ινών. Είναι εμφανές ότι ο προσανατολισμός των ινών και η διεύθυνση της φόρτισης διαδραματίζουν πολύ σημαντικό ρόλο στη λειτουργικότητα του συνθέτου υλικού. Εάν βαθμολογήσουμε με 100% την αποτελεσματικότητα που επιτυγχάνουμε στην ενίσχυση μιας μήτρας με την ενσωμάτωση ευθυγραμμισμένων ινών, από τον πίνακα που ακολουθεί μπορούμε να αποκτήσουμε σαφή αίσθηση για το πώς ο προσανατολισμός της ενισχυτικής φάσης και η εξωτερική φόρτιση επηρεάζουν το τελικό προϊόν [9]: 12

31 Προσανατολισμός Ενισχυτικής Φάσης Παράλληλες ίνες Τυχαία προσανατολισμένες ίνες σε ένα ορισμένο επίπεδο Τυχαία προσανατολισμένες ίνες στο χώρο Διεύθυνση Εξωτερικής Φόρτισης Αποτελεσματικότητα Παράλληλα στις ίνες 100 % Κάθετα στις ίνες 0 Τυχαία διεύθυνση στο επίπεδο 38 % Κάθετα στο επίπεδο 0 Οποιαδήποτε 20 % Πίνακας 1.3 Αποτελεσματικότητα ενίσχυσης ινωδών συνθέτων υλικών συναρτήσει του προσανατολισμού των ινών και της διεύθυνσης του εξωτερικού φορτίου 1.4 Δομικά σύνθετα υλικά Τα δομικά σύνθετα υλικά είναι πολυφασικές δομές που μπορεί να αποτελούνται από συνδυασμό άλλων συνθέτων αλλά και ομογενών υλικών. Πολύ σημαντικό ρόλο στις ιδιότητες των δομικών συνθέτων διακατέχει η γεωμετρία με βάση την οποία είναι κατασκευασμένα. Τα πιο συνηθισμένα είδη δομικών συνθέτων υλικών είναι τα πολύστρωτα και οι πλάκες τύπου σάντουιτς. Σχήμα 1.4. Σχηματική αναπαράσταση (α) πολύστρωτου συνθέτου υλικού και (β) δομικό σύνθετο τύπου σάντουιτς. Τα πολύστρωτα δομικά σύνθετα υλικά κατασκευάζονται με τη διαδοχική εναπόθεση στρώσεων υλικού και τη μετέπειτα συγκόλληση τους έτσι ώστε να προκύψει μια στιβαρή δομή. Η κάθε στρώση, μπορεί να αποτελεί ένα ξεχωριστό σύνθετο υλικό με υψηλή αντοχή σε μια συγκεκριμένη διεύθυνση φόρτισης (π.χ. 13

32 πολυμερική μήτρα με ενίσχυση συνεχών προσανατολισμένων ινών άνθρακα). Οι στρώσεις τοποθετούνται με διαφορετικούς προσανατολισμούς έτσι ώστε το τελικό προϊόν να διαθέτει ενισχυμένη αντοχή σε κάθε επιθυμητή διεύθυνση. Τα δομικά σύνθετα τύπου σάντουιτς αποτελούνται από δύο κύρια τμήματα: τις δύο εξωτερικές στρώσεις και τον πυρήνα. Οι εξωτερικές στρώσεις, που μπορεί να είναι πλάκες ομογενών υλικών, όπως αλουμίνιο, ατσάλι ή και σύνθετες δομές όπως πολυμερή με ενίσχυση ινών γυαλιού, φέρουν το μεγαλύτερο τμήμα τις εξωτερικής φόρτισης και παράλληλα προστατεύουν τον πυρήνα. Ο πυρήνας προσθέτει ακαμψία στις εγκάρσιες φορτίσεις και αυξάνει την διατμητική αντοχή του συνόλου. Το υλικό του πυρήνα μπορεί να είναι κάποιο αφρώδες ή ελαστικό πολυμερές, ξύλο, ύφασμα, αλλά και μια πιο πολύπλοκη γεωμετρική κατασκευή όπως οι μεταλλικές κυψελίδες [10]. 1.5 Τύποι μητρικής φάσης Ο ρόλος της μήτρας στη λειτουργία κάθε σύνθετου συστήματος είναι καταλυτικός, διότι αποτελεί το συνδετικό μέσο μεταξύ των εγκλεισμάτων (φάση ενίσχυσης) και μεταφέρει τα εξωτερικά φορτία σε αυτά. Αναλαμβάνει επίσης την προστασία της ενισχυτικής φάσης από το περιβάλλον. Η μέθοδος παρασκευής του συνθέτου εξαρτάται επίσης κατά πολύ τις ιδιότητες της μήτρας, αφού αυτή κατά τη φάση της κατασκευής θα πρέπει να ρέει εύκολα ανάμεσα από τα εγκλείσματα, πριν σταθεροποιηθεί, να στερεοποιείται γρήγορα στις κατάλληλες συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας και να εξασφαλίζει καλή πρόσφυση. Επίσης, δεν θα πρέπει να συμβαίνουν άλλες χημικές αλληλεπιδράσεις μεταξύ της μητρικής και της ενισχυτικής φάσης κατά τη διάρκεια της ζωής του υλικού [5,9]. Οι μήτρες μπορεί να χωριστούν σε μεταλλικές, κεραμικές και πολυμερικές Μεταλλικές μήτρες Στα σύνθετα υλικά μεταλλικής μήτρας, χρησιμοποιούνται κυρίως το αλουμίνιο, το μαγνήσιο και το τιτάνιο είτε σε καθαρή μορφή, είτε σε μορφή κραμάτων, για βελτίωση των φυσικών και μηχανικών τους ιδιοτήτων. Οι μήτρες 14

33 αυτές είναι συνήθως όλκιμες και συμπεριφέρονται ισότροπα. Οι ιδιότητες τους εξαρτώνται από τη θερμική και μηχανική τους κατεργασία, η οποία καθορίζει και τη μικροδομή τους. Στα σύνθετα μεταλλικών μητρών η χρησιμοποίηση άλλης ενισχυτικής φάσης συνήθως δεν οδηγεί στην αύξηση των μηχανικών ιδιοτήτων τους, αλλά περιορίζει την κόπωση του υλικού, τη διάδοση των ρωγμών στο εσωτερικό του και αυξάνει την αντοχή στο φαινόμενο του ερπυσμού. Η οξείδωση των μεταλλικών μητρών είναι το βασικότερο μειονέκτημα και επηρεάζει κυρίως τις ιδιότητες του διεπιφανειακού δεσμού Κεραμικές μήτρες Τα κεραμικά υλικά, παρουσιάζουν μεγαλύτερη αντοχή ενάντια στην οξείδωση και παρουσιάζονται πολύ πιο ανθεκτικά στις υψηλές θερμοκρασίες σε σχέση με τα μέταλλα. Αυτό που καθιστά προβληματική τη χρήση τους ως μήτρες σε σύνθετα υλικά με εφαρμογές σε ακραίες συνθήκες είναι η ψαθυρή τους συμπεριφορά. Εντούτοις, χαρακτηρίζονται από αρκετά εύκολη διαδικασία παραγωγής, κάτι που αποτελεί πολύ σημαντικό πλεονέκτημα λόγω χαμηλού κόστους. Πιο εύκολα κατασκευάζονται οι υαλώδεις κεραμικές μήτρες που αποτελούνται συνήθως από σύμπλοκα οξειδίων, όπως τα πυριτικά άλατα του βορίου και του αλουμινίου. Άλλες κεραμικές μήτρες είναι οι SiC, Si 3 N 4, Al 2 O 3 και ZrO 2, οι οποίες είναι πλήρως κρυσταλλικές, με μικρότερη όμως αντοχή στη θερμοκρασία. Τέλος, σε αυτού του είδους τις μήτρες ανήκουν και οι μήτρες άνθρακα σε σύνθετα με ενίσχυση επίσης άνθρακα. Τα σύνθετα του τελευταίου τύπου είναι σχετικά νέας τεχνολογίας με υψηλό κόστος παραγωγής, παρουσιάζουν όμως πολύ υψηλή εφελκυστική αντοχή σε μεγάλες θερμοκρασίες και μεγάλη αντοχή στον ερπυσμό. Άλλα πλεονεκτήματα είναι ο μικρός συντελεστής θερμικής διαστολής και η υψηλή θερμική αγωγιμότητα [3]. 15

34 1.5.3 Πολυμερικές μήτρες Οι πολυμερικές μήτρες χωρίζονται σε τρείς επί μέρους κατηγορίες: τις ελαστομερείς, τις θερμοπλαστικές και τις θερμοσκληρυνόμενες. Τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας χρησιμοποιούνται σε πολύ μεγάλο εύρος εφαρμογών και ξεχωρίζουν τα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες γυαλιού, άνθρακα και Kevlar (αραμιδικές ίνες). Χαρακτηριστικό των ελαστομερών μητρών είναι ότι η μικροδομή τους προσομοιάζει ένα εύκαμπτο τρισδιάστατο δίκτυο, με συνέπεια να μπορούν να δεχθούν πολύ μεγάλες παραμορφώσεις. Η ικανότητα να φέρουν φορτίο είναι μικρή και χρησιμοποιούνται σε περιορισμένο αριθμό εφαρμογών. Στις θερμοπλαστικές μήτρες, οι μηχανικές τους ιδιότητες εξαρτώνται από το είδος των μονομερών που σχηματίζουν τις πολυμερικές αλυσίδες και κυρίως από το μοριακό βάρος των αλυσίδων, που συνήθως είναι πολύ μεγάλο. Στις άμορφες θερμοπλαστικές μήτρες δημιουργείται μια μεγάλη συγκέντρωση μοριακών διαπλοκών, σχηματίζεται δηλαδή μια μορφή τρισδιάστατου δικτύου, ενώ στις ημικρυσταλλικές υπάρχει σε μεγάλο βαθμό τάξη στη διευθέτηση των αλυσίδων. Με τη θέρμανση, ένα θερμοπλαστικό στερεό υλικό, μεταβαίνει στη ρευστή κατάσταση, ενώ στη συνέχεια, κατά την ψύξη, μπορεί να επαναμορφοποιηθεί σε άμορφο ή ημικρυσταλλικό στερεό. Οι θερμοσκληρυνόμενες μήτρες, διαφέρουν κατά πολύ μεταξύ τους στη χημική τους σύσταση, άρα και στις ιδιότητές τους. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν μεταξύ άλλων, οι εποξειδικές ρητίνες, οι πολυεστέρες, οι φαινόλες, τα πολυσουλφονικά και τα πολυιμίδια. Διαφέρουν στις μηχανικές και στις θερμικές τους ιδιότητες, στο χρόνο κατασκευής και αποθήκευσης, στη διαδικασία παρασκευής τους, στην αντίστασή τους σε περιβαλλοντικούς παράγοντες και φυσικά στο κόστος τους. Στις θερμοσκληρυνόμενες μήτρες, το ρευστό πολυμερές μετατρέπεται με θερμική κατεργασία (curing process) σε άκαμπτο στερεό μέσω της δημιουργίας σταυροδεσμών, και έτσι σχηματίζεται ένα ισχυρό τρισδιάστατο δίκτυο. Το σύνθετο υλικό που χρησιμοποιείται στην παρούσα εργασία ανήκει στην παραπάνω κατηγορία (εποξειδική ρητίνη με ενίσχυση αραμιδικών ινών και συρμάτων NiTi). 16

35 1.5 Τύποι εγκλεισμάτων Το είδος των εγκλεισμάτων χαρακτηρίζει και το σύνθετο υλικό, όπως έχει ήδη αναφερθεί. Τα εγκλείσματα παίζουν πρωταρχικό ρόλο στη λειτουργία του συνθέτου, αφού χρησιμοποιούνται για να αποκτήσει το σύνθετο τις επιθυμητές ιδιότητες που το καθιστούν λειτουργικό. Έμφαση θα δοθεί στις ίνες ενίσχυσης, καθώς αυτές χρησιμοποιούνται κατά κύριο λόγο στα μικροσύνθετα ως μέσο ενίσχυσης, οι οποίες χωρίζονται στις εξής κατηγορίες, ανάλογα με τη χημική τους σύσταση [3,5]: Κεραμικές Ίνες Οι «δημοφιλέστερες» ίνες αυτού του τύπου είναι οι ίνες άνθρακα και οι ίνες γυαλιού (υαλονήματα). Ίνες Άνθρακα. Η δομική τους μονάδα είναι γραφιτικής φύσης και οι γραφιτικοί κρύσταλλοι είναι προσανατολισμένοι κατά τη διεύθυνση της ίνας. Ο γραφίτης αποτελείται από στρώματα ατόμων άνθρακα, μέσα στα οποία οι δεσμοί είναι ισχυρότατοι. Οι ίνες άνθρακα έτσι όχι μόνο έχουν εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες (μέτρο ελαστικότητας έως και 600 GPa), αλλά και πολύ μεγάλη αντοχή στη θερμοκρασία (έως και 3300 ο C). Οι διαστρωματικοί όμως δεσμοί είναι ασθενείς, με συνέπεια χαμηλή αντίσταση του υλικού σε διάτμηση. Σημαντικό μειονέκτημα αυτών των ινών είναι το σχετικά υψηλό κόστος παρασκευής τους. Ίνες γυαλιού. Αποτελούνται από πυριτικά οξείδια (SiO 2 ), με πρόσθετα οξείδια του ασβεστίου, του αλουμινίου, του βορίου, του νατρίου ή του σιδήρου και ταξινομούνται ανάλογα με την περιεκτικότητά τους σε αυτά. Έτσι υπάρχουν οι Ε glass (με καλές ηλεκτρικές ιδιότητες), οι C glass (με καλή αντίσταση στη διάβρωση) και οι S glass (με καλές μηχανικές ιδιότητες) ίνες. Πολυμερικές Ίνες Οι πιο συνηθισμένες είναι οι ίνες πολυαιθυλενίου και οι αραμιδικές ίνες. Οι πρώτες σχηματίζονται από μονοκρύσταλλους που αποτελούνται από κύριες αλυσίδες άνθρακα σε zig zag διαμόρφωση, οι οποίες είναι πλήρως προσανατολισμένες και βρίσκονται σε πολύ μικρή απόσταση η μία από την άλλη. Το 17

36 μέτρο ελαστικότητας των ινών αυτών φτάνει τα 70 GPa. Οι αραμιδικές ίνες αποτελούν χημικά παράγωγα με δύο φαινολικούς δακτυλίους, οι οποίοι προσδίδουν στο πολυμερές υγρο κρυσταλλική συμπεριφορά σε διάλυμα. Οι υγροκρυσταλλικές ομάδες έτσι μπορούν εύκολα να προσανατολιστούν και το τελικό προϊόν αποτελείται από κρυσταλλίτες σε μορφή ινιδίων υψηλού προσανατολισμού στη διεύθυνση της ίνας. Αυτές οι δομικές μονάδες συντάσσονται ακτινικά η μία δίπλα στη άλλη και συνδέονται μεταξύ τους με ασθενείς ομοιοπολικούς δεσμούς. Το μέτρο ελαστικότητας των ινών αυτών ποικίλει ανάλογα με τον τρόπο παρασκευής τους και φτάνει τα 190 GPa. Τέλος, στις πολυμερικές ίνες ανήκουν και πολλές από τις φυσικές ίνες (π.χ. ξύλο) που χρησιμοποιούνται ως ενισχυτικά. Μεταλλικές Ίνες Οι ίνες αυτές κατασκευάζονται συνήθως από χάλυβα, τιτάνιο κ.α. και χρησιμοποιούνται σπανιότερα από όλες τις άλλες για ειδικές εφαρμογές. Πέρα από την ποικιλία των ινών ως προς τη φύση τους και η ποικιλία των γεωμετρικών παραγόντων που σχετίζονται με αυτές και από τις οποίες εξαρτώνται οι τελικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού τις καθιστούν ιδιαίτερα ελκυστικά μέσα ενίσχυσης. Αυτό φυσικά ισχύει κυρίως για τις μεγάλου μήκους ίνες. Τέτοιοι γεωμετρικοί παράγοντες μπορεί να είναι η διάμετρος, το μήκος, η ευθυγράμμιση, η περιεκτικότητα σε όγκο και η χωρική διάταξη των ινών. Μπορούν έτσι να κατασκευαστούν πολύστρωτα σύνθετα υλικά με διαφορετικής διεύθυνσης ίνες σε κάθε prepreg, σύνθετα τύπου υφάσματος πεπλεγμένων ινών, πεπλεγμένων ινών σε τρισδιάστατο πλέγμα κ.α. 18

37

38

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΤΟ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΜΝΗΜΗΣ ΣΧΗΜΑΤΟΣ & ΤΟ ΚΡΑΜΑ ΝΙΚΕΛΙΟΥ ΤΙΤΑΝΙΟΥ (NiTi) 2.1 Ιστορικά στοιχεία - Εισαγωγή Η ανάκτηση σχήματος σε ένα μεταλλικό κράμα έπειτα από εξωτερικά επιβαλλόμενη παραμόρφωση, είναι ένα φαινόμενο που για πρώτη φορά παρατηρήθηκε το 1932 από τον ÖΑ. lander και αφορούσε στην ψευδοελαστική συμπεριφορά του κράματος AuCd. 6 χρόνια αργότερα, το 1938, οι Greninger και Moorandian παρατήρησαν στο κράμα CuZn την εμφάνιση μαρτενσιτικής κρυσταλλικής δομής και την εξάρτηση της από τη θερμοκρασία του κράματος. Τη βασική αιτία του φαινομένου μνήμης σχήματος, που είναι, όπως θα αναλύσουμε στην πορεία, ο θερμοελαστικός μαρτενσιτικός μετασχηματισμός, ανέλυσαν διεξοδικά για πρώτη φορά οι Kurdjumov και Khandros το 1949 και δύο χρόνια αργότερα, το 1951, οι Chang και Read [11]. Μέχρι τότε, η κατηγορία των κραμάτων μνήμης σχήματος δεν παρουσίαζε ιδιαίτερο ενδιαφέρον, κυρίως λόγω της μειωμένης ικανότητάς τους να αξιοποιηθούν σε εμπορικές εφαρμογές. Η επανάσταση στον τομέα ήρθε στις αρχές της δεκαετίας του 1960, με την παρατήρηση του φαινομένου στο ισοατομικό κράμα ΝiTi, από τον Buehler στο Εργαστήριο Ναυτικών Ερευνών στις Η.Π.Α [12]. Το κράμα αυτό, έγινε γνωστό με την ονομασία Nitinol (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory) και κυρίως λόγω των 19

40 πολύ καλών του ιδιοτήτων σε σχέση με άλλα κράματα, δίκαια θεωρείται το επικρατέστερο. Στο Σχήμα 2.1, φαίνεται το διάγραμμα φάσης του κράματος NiTi. Σχήμα 2.1 Το διάγραμμα φάσης του κράματος Νικελίου-Τιτανίου Στη συνέχεια του κεφαλαίου, θα αναλυθεί το φαινόμενο μνήμης σχήματος και το πως αυτό συνδέεται με τον μαρτενσιτικό κρυσταλλογραφικό μετασχηματισμό, θα παρουσιαστούν τα πλεονεκτήματα του κράματος Νικελίου- Τιτανίου, οι μέθοδοι παρασκευής του υλικού, η διαδικασία πρόσδοσης μνήμης και οι παράμετροι που επηρεάζουν τη λειτουργική συμπεριφορά του κράματος. Τέλος, θα παρουσιαστούν οι υπάρχουσες πειραματικές τεχνικές προσδιορισμού των θερμοκρασιών μετασχηματισμού τόσο κατά τη θέρμανση, όσο και κατά την ψύξη του υλικού. 2.2 Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος στο Κράμα Νικελίου-Τιτανίου Το κράμα Νικελίου-Τιτανίου, εντός ενός καθορισμένου εύρους θερμοκρασιών, υπόκειται σε θερμοελαστικό, στερεού τύπου μετασχηματισμό, 20

41 μεταξύ της φάσης υψηλής θερμοκρασίας, του οστενίτη (austenitic phase) και της φάσης χαμηλότερης θερμοκρασίας, του μαρτενσίτη (martensitic phase) [13]. Ο μετασχηματισμός αυτός, δεν περιλαμβάνει διάχυση και εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία και το εξωτερικά επιβαλλόμενο τασικό πεδίο και όχι από το χρόνο [14]. Παρόμοια αλλαγή φάσης μεταξύ οστενιτικής και μαρτενσιτικής δομής συμβαίνει κατά την ψύξη του ατσαλιού, με τη διαφορά ότι σε αντίθεση με το κράμα NiTi- η διαδικασία είναι μη αντιστρεπτή. Ως μαρτενσιτικός μετασχηματισμός ορίζεται η μετάβαση από τη φάση υψηλής θερμοκρασίας στη φάση χαμηλής θερμοκρασίας. Κατά τη θέρμανση, συμβαίνει ο αντίστροφος μαρτενσιτικός μετασχηματισμός και σε αυτόν ακριβώς οφείλεται η ικανότητα του κράματος να εκδηλώνει το φαινόμενο μνήμης σχήματος (Shape Memory Effect - SME) [15] Ο Μηχανισμός του Φαινομένου Ο θερμοελαστικός μαρτενσιτικός μετασχηματισμός είναι αποτέλεσμα της ανάγκης του κρυσταλλογραφικού πλέγματος να καταλάβει τις θέσεις που αντιστοιχούν στη χαμηλότερη δυνατή ενέργεια για μια ορισμένη θερμοκρασία [53]. Η οστενιτική φάση έχει κυβική δομή Ce-Cl (Cesium-Chloride, δομή Β2) ενώ η μαρτενσιτική φάση έχει μια λιγότερο συμπαγή μονοκλινή δομή (δομή Β19 ) [13]. Σχήμα 2.2. Σχηματική αναπαράσταση στοιχειώδους κυψελίδας οστενίτη (Β2) και μαρτενσίτη (Β19 ) για το κράμα NiTi 21

42 Η θερμοκρασία ή ακριβέστερα, το θερμοκρασιακό εύρος μέσα στο οποίο ολοκληρώνεται ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός, είναι αυστηρά καθορισμένο για κάθε NiTi κράμα και μπορεί να ρυθμιστεί όπως θα δούμε σε επόμενη παράγραφοκυρίως πραγματοποιώντας μικρές μεταβολές στη σύσταση του υλικού. Η θερμοκρασία εκκίνησης της αλλαγής φάσης συμβολίζεται ως Μ s (martensite start temperature) και η αντίστοιχη θερμοκρασία ολοκλήρωσής της, ως M f (martensite finish temperature). Κατά τον αντίστροφο μετασχηματισμό και ενώ το υλικό θερμαίνεται, ορίζονται οι θερμοκρασίες εκκίνησης και ολοκλήρωσης της οστενιτικής φάσης που συμβολίζονται αντίστοιχα ως Α s και Α f [16]. Εάν υποθέσουμε ότι ένας μονοκρύσταλλος οστενίτη (σε ελεύθερη κατάσταση, χωρίς επιβολή εξωτερικών τάσεων), ψύχεται σε θερμοκρασία χαμηλότερη της Μ f, τότε, προκύπτει γενικά μαρτενσιτική δομή, με 24, διαφορετικού προσανατολισμού, ισότιμα κρυσταλλογραφικά επίπεδα. Αντίθετα, κατά τη θέρμανση, υπάρχει μόνο ένας πιθανός προσανατολισμός της αυστηρά συμμετρικής οστενιτικής φάσης, οπότε προκύπτει η δομή Β2 που είδαμε πιο πάνω [11]. Ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός υλοποιείται με δύο ταυτόχρονους μηχανισμούς. Ο πρώτος από αυτούς, περιλαμβάνει μικρές αλλαγές στη χωροταξία των ατόμων Ni και Ti, έτσι ώστε αυτά να προετοιμαστούν για την κατάληψη των νέων τους θέσεων στην κρυσταλλογραφική δομή του μαρτενσίτη [13]. Ο μηχανισμός αυτός είναι γνωστός με την ονομασία the Bain Strain και αλήθεια είναι ότι ελάχιστα αναφέρεται στη σχετική βιβλιογραφία. Ο δεύτερος μηχανισμός, σαφώς επικρατέστερος κατά την εκδήλωση του φαινομένου αλλαγής φάσης, έχει να κάνει με την κίνηση κατά μήκος των διεπιφανειών που διαχωρίζουν τα όρια των κρυστάλλων στο πλέγμα [17]. Ψύχοντας τον οστενίτη, απουσία εξωτερικής φόρτισης, το υλικό περνά στη μαρτενσιτική φάση και μέσω του μηχανισμού κίνησης που προαναφέραμε, σχηματίζονται δίδυμες συστοιχίες (twins). Η διαδικασία αυτή περιγράφεται με τον όρο twinning [16,13]. Η ανάπτυξη αυτών των δομών προσομοιάζεται συχνά με ψαροκόκαλο και συμβαίνει με τέτοιο τρόπο ώστε να μην υπάρχει μακροσκοπική μεταβολή στις διαστάσεις του υλικού. Στη φάση αυτή, εάν στο δείγμα εφαρμοστεί εξωτερική μηχανική τάση, οι διδυμίες εξαφανίζονται και ο μαρτενσίτης προσανατολίζεται κατά μία και μόνη 22

43 διεύθυνση (βλ. Σχ 2.3). Η διαδικασία αυτή περιγράφεται με τον όρο de-twinning [13]. Σχήμα 2.3. Σχηματική αναπαράσταση (α) οστενίτη, (β) σχηματισμού μαρτενσίτη (twinned martensite) κατά την ψύξη και (γ) προσανατολισμένου (de-twinned) μαρτενσίτη με εφαρμογή εξωτερικής μηχανικής τάσης. Η εξέταση του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού έχοντας εστιάσει σε ένα μονοκρύσταλλο οστενιτικής φάσης, μπορεί να μας δώσει περισσότερες πληροφορίες για τη φύση του μηχανισμού (βλ. Σχ. 2.4). Αρχικά, το υλικό βρίσκεται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη της Α f, συνεπώς η μόνη φάση που παρατηρείται είναι αυτή του οστενίτη (single crystal austenite). Με την ψύξη και εφόσον δεν ασκούνται εξωτερικά φορτία, συμβαίνει πλήρης μετατροπή του οστενίτη σε μαρτενσίτη. Κατά την αλλαγή φάσης, αρχίζουν να σχηματίζονται μαρτενσιτικές δομές με τη μορφή πλακών (habit plane variants hpv s) συμμετρικές ως προς επίπεδο που ονομάζεται επίπεδο διδυμίας (hpv twin plane). Μέσα στις πλάκες αυτές, σχηματίζονται ομοίως ζεύγη (twins lattice correspondent variants lcv s) εκατέρωθεν ενός επιπέδου διδυμίας (lcv twin plane) [17]. Η εφαρμογή εξωτερικής μηχανικής τάσης, έχει σαν αποτέλεσμα την κίνηση κατά μήκος όλων των διεπιφανειών επιπέδων διδυμίας (twin boundaries) με αποτέλεσμα την αναδιάταξη του κρυσταλλικού πλέγματος. Η κίνηση κατά μήκος της διεπιφάνειας των hpv s χαρακτηρίζεται ως αναπροσανατολισμός (reorientation) και αντίστοιχη κίνηση κατά μήκος της διεπιφάνειας των lcv s χαρακτηρίζεται ως από-διδυμοποίηση (detwinning). Εάν η 23

44 εξωτερική φόρτιση αποσυρθεί και το υλικό θερμανθεί θα υπάρξει πλήρης μετατροπή στη μονοκρυσταλλική οστενιτική φάση. Σχήμα 2.4. Σχηματική επεξήγηση του μηχανισμού κίνησης στα όρια των διδυμιών κατά την παραμόρφωση του μαρτενσίτη και επαναφορά σε μονοκρυσταλλική οστενιτική φάση με τη θέρμανση. Η ουσία της θερμοελαστικής αυτής αλλαγής φάσης, στην περίπτωση βέβαια του κράματος Νικελίου-Τιτανίου, είναι η εκδήλωση του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος. Στο Σχήμα 2.5 περιγράφεται συνοπτικά και απλοποιημένα η διαδικασία αυτή. Σχήμα 2.5. Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος Μονής Κατεύθυνσης (One Way Shape Memory Effect) 24

45 Ξεκινώντας από το σημείο Α, το υλικό μας βρίσκεται σε θερμοκρασία χαμηλότερη της Μ f, σε μαρτενσιτική (twinned) δομή με αρχικό μήκος L O. Ασκώντας εξωτερική εφελκυστική δύναμη, φθάνουμε στο σημείο Β, όπου το υλικό έχει προσανατολισμένη (detwinned) μαρτενσιτική δομή και επιμήκυνση ΔL. Θερμαίνοντας, το υλικό μεταβαίνει στην οστενιτική φάση, με την αναδιάταξη του κρυσταλλικού πλέγματος να οδηγεί στην ανάκτηση του αρχικού μήκους. Με ψύξη, συμβαίνει νέα αλλαγή φάσης σε μαρτενσίτη δίχως αλλαγή στις εξωτερικές διαστάσεις του υλικού. Σε αυτή την περίπτωση, επειδή συμβαίνει αλλαγή σχήματος μόνο κατά τον αντίστροφο μετασχηματισμό (θέρμανση) το φαινόμενο ονομάζεται Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος Μονής Κατεύθυνσης (One Way Shape Memory Effect) Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος Διπλής Κατεύθυνσης (Two Way SME) Στην προηγούμενη παράγραφο παρουσιάστηκε η ανάκτηση του αρχικού σχήματος ενός δοκιμίου, στην περίπτωση που αυτό παραμορφωθεί πλαστικά στη φάση χαμηλής θερμοκρασίας και στη συνέχεια θερμανθεί. Η αλλαγή του σχήματος συμβαίνει κατά τον αντίστροφο μετασχηματισμό, ενώ κατά τη διάρκεια εκδήλωσης του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού δεν παρουσιάζεται καμία μακροσκοπική μεταβολή. Το Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος Διπλής Κατεύθυνσης (Two Way SME), προϋποθέτει αλλαγή στις εξωτερικές διαστάσεις του υλικού, τόσο κατά τη φάση θέρμανσης, όσο και κατά τη φάση της ψύξης χωρίς την ύπαρξη εξωτερικών φορτίων ή παραμορφώσεων [18]. Η αλλαγή της φάσης από οστενίτη σε μαρτενσίτη πραγματοποιείται με την πτώση της θερμοκρασίας, αλλά περιορίζεται από μηαντιστρεπτές καταστάσεις στο εσωτερικό του κράματος, όπως μετακινήσεις ατόμων ή κατακρημνίσεις [19]. 25

46 Σχήμα 2.6. Συμπεριφορά Μνήμης Σχήματος Μονής και Διπλής Κατεύθυνσης σε κοινό ποιοτικό διάγραμμα Παραμόρφωσης - Θερμοκρασίας Οι εμπορικές εφαρμογές των κραμάτων που εκδηλώνουν το Φαινόμενο Μνήμης Διπλής Κατεύθυνσης περιορίζονται κυρίως λόγω της μικρής διάρκειας ζωής τους σε σχέση με τα συμβατικά κράματα και της μικρής ανακτήσιμης παραμόρφωσης που μόλις αγγίζει το 1% Υστέρηση μαρτενσιτικού μετασχηματισμού Το φαινόμενο της υστέρησης (hysteresis) παρουσιάζεται σε μικρή ή σε μεγαλύτερη κλίμακα σε όλα τα κράματα μνήμης σχήματος Νικελίου Τιτανίου. Τα όρια του θερμοκρασιακού εύρους αλλαγής φάσης κατά τον αντίστροφο μετασχηματισμό (Α s Α f ), διαφέρουν από τα αντίστοιχα της αλλαγής φάσης που λαμβάνει χώρα κατά την ψύξη του υλικού (Μ s Μ f ). Ως υστέρηση, ορίζεται η διαφορά μεταξύ των θερμοκρασιών μετασχηματισμού 50% σε οστενίτη κατά την θέρμανση και 50% σε μαρτενσίτη κατά την ψύξη. Μια συνήθης τιμή για τη διαφορά 26

47 αυτή κυμαίνεται από 15 ο C έως 30 ο C [11]. Στο Σχήμα 2.7 παρουσιάζεται γραφικά το υστερητικό φαινόμενο για ένα κράμα ΝiTi. Σχήμα 2.7. Σχηματική απεικόνιση του φαινομένου της υστερητικής συμπεριφοράς κράματος NiTi σε διάγραμμα ποσοστού μετατροπής σε οστενίτη συναρτήσει της θερμοκρασίας Η υστέρηση είναι δυνατόν να ρυθμιστεί, εάν αυτό απαιτείται, κατά τη φάση της παρασκευής του κράματος, είτε μεταβάλλοντας ελαφρώς τη σύστασή του σε ένα από τα δύο συστατικά, είτε προσθέτοντας μικροποσότητες από άλλα στοιχεία (π.χ χαλκό). Κατά τη διάρκεια της λειτουργίας ενός κράματος σε κάποια εφαρμογή, η υστέρηση εξαρτάται και από τις εξωτερικές μηχανικές τάσεις που εφαρμόζονται στο υλικό. Η επίδραση διαφόρων παραγόντων στη γενικότερη εκδήλωση του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος, θα εξεταστεί σε επόμενη παράγραφο του παρόντος κεφαλαίου. 27

48 2.3 Υπερ-ελαστικότητα στο Κράμα NiTi (super-elasticity) Η εμφάνιση του φαινομένου της υπερ-ελαστικότητας είναι ο δεύτερος σημαντικός λόγος, πέρα από τη θερμικά ενεργοποιούμενη Μνήμη Σχήματος, που καθιστά το κράμα NiTi ως το σημαντικότερο της κατηγορίας του με πληθώρα εμπορικών εφαρμογών. Η υπερ-ελαστικότητα (ή ψευδοελαστικότητα pseudoelasticity) αναφέρεται στην ικανότητα του υλικού να επανέρχεται στο αρχικό του σχήμα, έχοντας υποστεί μεγάλη παραμόρφωση, μετά την αφαίρεση του εξωτερικού φορτίου. Η ιδιότητα αυτή βασίζεται στο σχηματισμό μαρτενσιτικής δομής όχι υπό την επίδραση θερμικού πεδίου, όπως έχουμε δει μέχρι τώρα, αλλά υπό την επίδραση εξωτερικής μηχανικής τάσης (stress induced martensite) [13]. Η εφαρμογή ενός εξωτερικού φορτίου μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό μαρτενσιτικών περιοχών στο υλικό, με τη θερμοκρασία να βρίσκεται πολύ πάνω από το σημείο Μ s, με την οστενιτκή φάση να κυριαρχεί. Όταν το φορτίο αφαιρεθεί, το υλικό ανακτά το αρχικό του σχήμα και σχεδόν ακαριαία μετασχηματίζονται όλες οι μαρτενσιτικές περιοχές σε οστενίτη, παρουσιάζοντας ελαστική συμπεριφορά παρόμοια με αυτή του καουτσούκ. Η θερμοκρασία πάνω από την οποία δεν είναι δυνατόν να σχηματιστεί μαρτενσίτης λόγω εξωτερικής φόρτισης, συμβολίζεται με Μ d και τοποθετείται αρκετά πάνω από την Α s (βλ. Σχ. 2.7). Το φαινόμενο της υπερελαστικότητας εμφανίζεται στο θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ Α s και Μ d και η βέλτιστη ελαστική συμπεριφορά επιτυγχάνεται σε θερμοκρασίες ελαφρώς μεγαλύτερες της Α s [20]. 2.4 Η ενδιάμεση φάση R (the R-phase) Όπως έχουμε δει μέχρι τώρα, ο θερμοελαστικός μαρτενσιτικός μετασχηματισμός για το κράμα NiTi, πραγματοποιείται με τη μεταβολή της θερμοκρασίας μεταξύ των δύο φάσεων του οστενίτη (Β2) και του μαρτενσίτη (Β19 ). 28

49 Υπάρχουν όμως περιπτώσεις, που κατά τη διάρκεια της μετάβασης, το κράμα διέρχεται από μία ενδιάμεση φάση, με την ονομασία φάση R (R-phase) [21]. Ο μετασχηματισμός αυτός, είναι δεύτερης τάξης, δεν περιλαμβάνει διάχυση (όπως ακριβώς και ο μαρτενσιτικός) και η κρυσταλλική δομή της R-φάσης είναι ρομβοεδρική. Η νέα αυτή φάση μπορεί να εμφανιστεί μόνο κατά την ψύξη και όχι κατά τη διάρκεια του αντίστροφου μαρτενσιτικού μετασχηματισμού, με τη βασική προϋπόθεση ότι η θερμοκρασία Μ s είναι αρκετά χαμηλή έτσι ώστε να αποφευχθεί η απευθείας μετατροπή Β2 Β19. Εξαίρεση στον κανόνα, αποτελεί η περίπτωση της ατελούς ψύξης του υλικού σε θερμοκρασία μεγαλύτερη της Μ s, οπότε η R-φάση μπορεί να εμφανιστεί και κατά τη θέρμανση [22]. Πρόσφατες έρευνες, έχουν δείξει ότι ακόμη και η R-φάση, σχηματίζεται μέσω δύο άλλων διαδοχικών μετασχηματισμών [23]. Στο μετασχηματισμό R Β2, εκδηλώνεται το Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος, αλλά με ανακτήσιμη παραμόρφωση που μόλις αγγίζει το 0.2%, σε αντίθεση με το σχεδόν 8-10% του αντίστροφου μαρτενσιτικού μετασχηματισμού. Με το σκεπτικό αυτό, η εμφάνιση της R-φάσης συνήθως δεν είναι επιθυμητή σε εμπορικές εφαρμογές του κράματος. Η ενδιάμεση ρομβοεδρική φάση συναντάται σε περιπτώσεις κραμάτων που έχουν υποστεί θερμομηχανική κατεργασία, σε κράματα με αυξημένο ποσοστό Νικελίου ή σε κράματα NiTi στα οποία έχει προστεθεί κάποιο άλλο στοιχείο (όπως π.χ. Αλουμίνιο) [21]. Παραδείγματα κατεργασιών που θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην εμφάνιση της φάσης R, είναι οι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι θέρμανσης ψύξης ή η ψυχρή διέλαση, που δημιουργεί εσωτερικές ατέλειες στη δομή του υλικού. Ένα είδος ατέλειας που θεωρείται υπεύθυνο για το σχηματισμό της ενδιάμεσης φάσης είναι οι κατακρημνίσεις Ni 4 Ti 3 στο εσωτερικό του κράματος που έχει ισοατομική σύνθεση [24]. Η ανίχνευση της ύπαρξης της R-φάσης κατά κανόνα γίνεται με χρήση της τεχνικής της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (Differential Scanning Calorimetry DSC). Η τεχνική αυτή, ταυτόχρονα αποτελεί και έναν από τους τρόπους προσδιορισμού των θερμοκρασιών μετασχηματισμού του κράματος, οι οποίοι θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. Συνεπώς, θα αναφέρουμε επιγραμματικά, ότι στο διάγραμμα Ροής Ενέργειας Θερμοκρασίας, για ένα πλήρη κύκλο 29

50 θέρμανσης-ψύξης, πέρα από τις κορυφές που αντιστοιχούν στο μαρτενσιτικό και στον αντίστροφο μετασχηματισμό, έχουμε την εμφάνιση μιας νέας κορυφής πριν το σχηματισμό του μαρτενσίτη. Στο Σχήμα 2.8, φαίνεται το διάγραμμα DSC για ένα ισοατομικό κράμα NiTi που δεν έχει υποστεί καμία διεργασία από τη στιγμή της παραγωγής του σε αντιπαράθεση με το διάγραμμα ενός κράματος που έχει κοπωθεί θερμομηχανικά. Σχήμα 2.8. Διαγράμματα DSC (α) για ένα κράμα NiTi που δεν έχει υποστεί κατεργασία (as received) και (β) για κράμα NiTi που έχει υποβληθεί σε θερμομηχανική κόπωση. 2.5 Τα πλεονεκτήματα του κράματος Νικελίου Τιτανίου Η οικογένεια των κραμάτων μεταλλικής βάσης που εμφανίζουν το Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος εκτός φυσικά από το κράμα NiTi που εξετάζουμε- περιλαμβάνει αρκετά μέλη. Μεταξύ άλλων, τα κυριότερα κράματα με αυτή την ιδιότητα είναι τα εξής: - Ag-Cd - Au-Cd - Cu-Al-Ni - Cu-Sn, Cu-Zn - Cu-Zn-Si, Cu-Zn-Al, Cu-Zn-Sn - Fe-Pt - Mn-Cu 30

51 - Fe-Mn-Si - Κράματα Pt - Co-Ni-Al, Co-Ni-Ga - Ni-Fe-Ga - Ti-Pd Το γεγονός ότι το κράμα Νικελίου-Τιτανίου θεωρείται το επικρατέστερο και βρίσκει πληθώρα εφαρμογών οφείλεται στα συγκριτικά πλεονεκτήματά του σε σχέση με τον ανταγωνισμό. Συνοπτικά, παρουσιάζονται πιο κάτω οι ιδιότητες που το χρίζουν ως το ιδανικότερο για εφαρμογές σε ευφυή συστήματα ως αισθητήρα και ενεργοποιητή: -Το κράμα NiTi έχει εξαιρετικές ιδιότητες διέλασης με συνέπεια να μπορεί να παραχθεί σε πολλές διαφορετικές μορφές ανάλογα με την εφαρμογή (σύρμα, πλάκα, δίσκο, ράβδο κ.α.). -Παρουσιάζει πολύ καλή αντοχή στην μηχανική κόπωση. -Έχει μεγάλη διάρκεια ζωής ενάντια στους περιβαλλοντικούς παράγοντες που προκαλούν επιφανειακή διάβρωση. -Είναι βιοσυμβατό, κάτι που σημαίνει ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε πληθώρα ιατρικών εφαρμογών, ακόμα και ως εμφύτευμα, χωρίς κίνδυνο για την ανθρώπινη ζωή. -Έχει πολύ καλές ιδιότητες απορρόφησης μηχανικής ενέργειας και χρησιμοποιείται σαν αποσβεστήρας ταλαντώσεων σε δομικές εφαρμογές. -Συγκριτικά με τα υπόλοιπα κράματα, το NiTi παρουσιάζει τη μεγαλύτερη ανακτήσιμη παραμόρφωση κατά την εκδήλωση του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος, που φθάνει σχεδόν το 10%. -Η υστέρηση, αλλά και οι θερμοκρασίες μετασχηματισμού, μπορούν να ρυθμιστούν με ακρίβεια ανάλογα με την εφαρμογή, με μικρές μεταβολές στη σύσταση του κράματος κατά την παρασκευή του. -Η ανάκτηση του σχήματος, υπό τις κατάλληλες προϋποθέσεις, οδηγεί στην ανάπτυξη μεγάλων μηχανικών τάσεων που φθάνουν τα 700 MPa. Το σημαντικότερο μειονέκτημα της χρήσης του κράματος Νικελίου-Τιτανίου είναι το υψηλό κόστος παραγωγής του, κάτι που αυξάνει κατακόρυφα και την τιμή του τελικού προϊόντος. 31

52 2.6 Μέθοδοι παρασκευής Προγραμματισμός Μνήμης Σχήματος Για να εξασφαλιστούν η ποιότητα, η καθαρότητα από προσμίξεις και οι καλές ιδιότητες του κράματος Νικελίου-Τιτανίου η παρασκευή του υλικού περιλαμβάνει διπλή τήξη υπό κενό [11]. Αρχικά, τα συστατικά του κράματος τήκονται σε συσκευή επαγωγικής θέρμανσης (induction melting), απουσία ατμοσφαιρικού αέρα και σε θερμοκρασία 1400 ο C. Σε αυτή τη φάση γίνεται η ρύθμιση τόσο της επιθυμητής υστέρησης του τελικού προϊόντος όσο και των επιθυμητών θερμοκρασιών αλλαγής φάσης (Α s, Α f, Μ s, Μ f ), με μικρομεταβολές στην ισοατομική σύνθεση ή προσθήκη στοιχείων όπως Cu ή Al. Στη συνέχεια, ακολουθεί νέα τήξη υπό κενό με χρήση ηλεκτρικού τόξου (arc melting), έτσι ώστε να σταθεροποιηθεί η χημική σύνθεση του κράματος, να επιτευχθεί η ομογενοποίησή του και η σταθερότητα της εσωτερικής του δομής. Σχήμα 2.9. Πρωτογενείς μορφές κράματος NiTi πριν τη μορφοποίησή του (α) μετά από την πρώτη επαγωγική τήξη και (β) μετά από την δεύτερη τήξη ηλεκτρικού τόξου 32

53 Το παραγόμενο προϊόν, μπορεί πλέον να διαμορφωθεί στο επιθυμητό σχήμα (π.χ. σύρμα) και διαστάσεις, είτε με θερμή διέλαση στους 800 ο C, είτε με ψυχρή κατεργασία. Η διαδικασία της ανόπτησης (annealing) που συνήθως ακολουθεί, εξομαλύνει σε σημαντικό βαθμό τις ατέλειες στη δομή που έχουν σχηματιστεί κατά τη διάρκεια της παραγωγής. Συνέπεια αυτού, είναι το ότι η συντριπτική πλειοψηφία των ισοατομικών κραμάτων NiTi, αρχικά, δεν παρουσιάζουν την ενδιάμεση R-φάση κατά το μαρτενσιτικό μετασχηματισμό. Σχήμα Διάφορες μορφές τελικού προϊόντος για το κράμα NiTi Μια ιδιαίτερη κατηγορία που διαφοροποιείται από τα συμπαγή NiTi, είναι αυτή των πορωδών κραμάτων. Τα πορώδη κράματα NiTi, σχηματίζονται με την τεχνική της πυρο-συσσωμάτωσης (sintering), αλλά παρουσιάζουν μειωμένο ενδιαφέρον στις εφαρμογές τους. Η μνήμη σχήματος είναι δυνατόν να προγραμματιστεί είτε μετά τη μορφοποίηση του υλικού, είτε οποιαδήποτε άλλη στιγμή κατά τη διάρκεια της ζωής του. Η διαδικασία αυτή (training) προϋποθέτει τη συγκράτηση του κράματος (ανεξαρτήτως μορφής π.χ. σύρμα, ράβδος, σωλήνας) στο επιθυμητό σχήμα και την εφαρμογή θερμικής κατεργασίας με βασικές παραμέτρους τη θερμοκρασία και το χρόνο [25]. Οι τιμές διαφέρουν ανάλογα με την ακριβή σύσταση του κράματος, αλλά μια τυπική κατεργασία απαιτεί θέρμανση περίπου στους 500 ο C και για χρόνο 5 min. Ο προγραμματισμός της μνήμης ολοκληρώνεται με ταχεία ψύξη σε λουτρό νερού. 33

54 2.7 Μέθοδοι μέτρησης των θερμοκρασιών μετασχηματισμού Οι κρίσιμες θερμοκρασίες μετασχηματισμού του κράματος και το εύρος της υστέρησης αποτελούν ίσως τις σημαντικότερες παραμέτρους που πρέπει να ληφθούν υπόψη στο σχεδιασμό ενός ευφυούς συστήματος. Τα θερμοκρασιακά όρια αλλαγής φάσης για το κράμα NiTi είναι ευαίσθητα και μεταβάλλονται υπό την επίδραση διαφόρων παραγόντων. Τέτοιοι παράγοντες είναι: - Οι εξωτερικά εφαρμοζόμενες μηχανικές τάσεις. Τόσο ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός όσο και ο αντίστροφος, εκδηλώνονται με διαφορετικό τρόπο εάν στο υλικό ασκούνται εξωτερικές δυνάμεις. Εάν π.χ. σε ένα σύρμα NiTi, ασκείται εφελκυστική τάση της τάξης των 200 MPa, τότε είναι δυνατόν οι θερμοκρασίες μετασχηματισμού (Α s, Α f, Μ s, Μ f ), να αυξηθούν κατά 20 ο C, με αντίστοιχη αύξηση του εύρους της υστέρησης κατά 5 ο C. Εάν το υλικό υποβάλλεται σε μηχανική κόπωση κάτω από την επίδραση μεταβαλλόμενων φορτίων, τότε ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός ομοίως μετατοπίζεται προς υψηλότερες θερμοκρασίες [26]. - Η θερμική γήρανση. Στην περίπτωση που το υλικό υποστεί θερμικές τάσεις για ορισμένο χρονικό διάστημα, αυτό έχει επίπτωση τόσο στη μετατόπιση του θερμοκρασιακού παραθύρου του μετασχηματισμού, όσο και στη φύση του. Για παράδειγμα, ένα κράμα NiTi που έχει στους 350 ο C για χρόνο 300 sec, παρουσιάζει αύξηση της θερμοκρασίας εκκίνησης του αντίστροφου μετασχηματισμού κατά 15 ο C και παράλληλα κατά την ψύξη εμφανίζεται η ενδιάμεση R-φάση πριν ολοκληρωθεί ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός [27]. - Η σύσταση του κράματος. Μικρές μεταβολές στη σύσταση του δυαδικού κράματος που εξετάζουμε, έχουν μεγάλη επίπτωση στις θερμοκρασίες ενεργοποίησης. Είναι χαρακτηριστικό, ότι η θερμοκρασία αλλαγής σχήματος, μπορεί με ανάλογες μικρές μεταβολές στη σύσταση να κυμανθεί από -100 ο C έως +100 ο C. Αύξηση του ποσοστού του Νικελίου οδηγεί σε μείωση της θερμοκρασίας ενεργοποίησης. Εάν το ποσοστό του Νικελίου όμως ξεπεράσει το 55.6% κ.β., τότε χάνονται όλες οι ιδιότητες μνήμης του κράματος. Η συμπεριφορά του κράματος επηρεάζεται και με την πρόσθεση άλλων στοιχείων, όπως ο χαλκός (Cu) που έχει την ιδιότητα να μειώνει το εύρος της υστέρησης ή το κοβάλτιο (Co) που μπορεί να χαμηλώσει τη θερμοκρασία μετασχηματισμού. 34

55 Είναι εμφανές, ότι η αξιοποίηση μιας καλής τεχνικής για τον προσδιορισμό των θερμοκρασιών αλλαγής φάσης είναι επιτακτική ανάγκη. Εκτός των άλλων, η ακρίβεια συστημάτων στα οποία το Κράμα Μνήμης Σχήματος χρησιμοποιείται ως όργανο αίσθησης και ενεργοποίησης, εξαρτάται άμεσα από την ακριβή μέτρηση των θερμοκρασιακών ορίων μέσα στα οποία εκδηλώνεται το εν λόγω φαινόμενο. Μέχρι σήμερα, έχουν αναπτυχθεί τρείς κύριες μέθοδοι για το σκοπό αυτό: η διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), η μέθοδος της ηλεκτρικής αντίστασης και η μέθοδος του σταθερού φορτίου [28]. Η μέθοδος DSC βασίζεται στην μέτρηση του ποσού της θερμικής ενέργειας που απορροφάται από το δείγμα ή απάγεται στο περιβάλλον κατά τη διάρκεια των δύο μετασχηματισμών: του αντίστροφου και του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού αντίστοιχα. Σχήμα Προσδιορισμός των θερμοκρασιών ενεργοποίησης με τη μέθοδο DSC για ένα σύρμα NiTi διαμέτρου 0.3 mm Η τεχνική αυτή, απαιτεί μια πολύ μικρή ποσότητα υλικού που δεν ξεπερνάει τα 15 mg. Το δείγμα τοποθετείται σε ένα αλουμινένιο κελί και σφραγίζεται αεροστεγώς, ενώ ένα άλλο κενό κελί χρησιμοποιείται ως δείγμα αναφοράς. Τα δύο 35

56 δείγματα θερμαίνονται με καθορισμένο και πλήρως ελεγχόμενο ρυθμό και το όργανο καταγράφει τη ροή ενέργειας από και προς το σύστημα συναρτήσει της θερμοκρασίας κατά την θέρμανση και κατά την ψύξη. Τα άνω και κάτω όρια ενός πλήρους κύκλου, θα πρέπει να είναι τέτοια, ώστε να ολοκληρώνονται οι αλλαγές των φάσεων (Τ<M f, T>A f ). Στη φάση της θέρμανσης, ο μετασχηματισμός Β19 Β2 είναι ενδόθερμος, ενώ ο αντίστοιχος Β2 Β19 κατά την ψύξη είναι εξώθερμος. Και οι δύο μετασχηματισμοί, φαίνονται στο διάγραμμα Ροής Θερμότητας Θερμοκρασίας ως δύο πολύ χαρακτηριστικές κορυφές [29]. Από τα δεδομένα αυτά, με υπολογιστικές μεθόδους εξάγονται οι θερμοκρασίες μετασχηματισμού και το εύρος της υστέρησης για το δείγμα (Βλ. Σχ. 2.11). Η μέθοδος της ηλεκτρικής αντίστασης εκμεταλλεύεται το γεγονός ότι η κρυσταλλογραφική αναδιάταξη του υλικού που προκαλείται από την αλλαγή φάσης, μεταβάλλει την τιμή της ωμικής του αντίστασης. Το δείγμα, στην περίπτωση αυτή, αποτελεί μέρος ενός ηλεκτρικού κυκλώματος στο οποίο διοχετεύεται ελεγχόμενο ρεύμα. Λόγω του φαινομένου Joule, το δείγμα θερμαίνεται και η αντίστασή του καταγράφεται. Μέσω της μεταβολής της αντίστασης, υπολογίζονται οι θερμοκρασίες αλλαγής φάσης. Ψύχοντας, η μετάβαση από οστενίτη σε μαρτενσίτη συνοδεύεται από πτώση της ωμικής αντίστασης. Το αντίθετο συμβαίνει κατά τη θέρμανση του δείγματος. Η μέθοδος αυτή είναι σχετικά απλή στην εφαρμογή της, αλλά η συσχέτιση της αλλαγής φάσης με την αντίστοιχη της αντίστασης δεν είναι πάντα επιτυχής [30]. Η τεχνική του σταθερού φορτίου, υπολογίζει έμμεσα τις ζητούμενες θερμοκρασίες αλλαγής φάσης, μέσω των μεταβολών στη γεωμετρία του δείγματος. Η εφαρμογή ενός σταθερού φορτίου στο δείγμα, ενώ αυτό βρίσκεται σε μαρτενσιτική κατάσταση, προκαλεί μετρήσιμη παραμόρφωση. Το φορτίο θα πρέπει να έχει μέγεθος τέτοιο, ώστε η παραμόρφωση να μην ξεπερνάει τη μέγιστη ανακτήσιμη για το NiTi (~10%). Με τη θέρμανση, το δείγμα τείνει να επανέλθει στις αρχικές του διαστάσεις και μετακινεί το φορτίο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Εάν ακολουθήσει ψύξη, το φορτίο θα επιμηκύνει εκ νέου το δείγμα, του οποίου η θερμοκρασία μετράται συνεχώς. Οι θερμοκρασίες μετασχηματισμού και για τις δύο κατευθύνσεις, ταυτίζονται με την εκάστοτε θερμοκρασία που έχει το υλικό όταν ξεκινά ή παύει η κίνηση του εξωτερικού φορτίου [31]. 36

57 Γενικότερα, οι τιμές που προσδιορίζονται μέσω της μεθόδου DSC διαφέρουν από αυτές που υπολογίζονται μέσω των άλλων δύο μεθόδων. Η τεχνική αυτή, έχει μεγάλη ευαισθησία και μεγάλη ακρίβεια στην καταγραφή των θερμοκρασιών, ενώ παράλληλα δίνει τη δυνατότητα υπολογισμού πρόσθετων θερμοδυναμικών παραμέτρων (π.χ. ενθαλπία του μετασχηματισμού). Για τον λόγο όμως, ότι οι μετρήσεις στο δείγμα λαμβάνονται χωρίς την παρουσία εξωτερικού φορτίου, οι υπολογιζόμενες τιμές διαφέρουν από τις αντίστοιχες μιας πραγματικής εφαρμογής. Η μέθοδος της αντίστασης είναι απλή και συνίσταται κυρίως για τις περιπτώσεις που το δείγμα δεν εμφανίζει ενδιάμεση R-φάση. Υπολογίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια ωστόσο τις θερμοκρασίες αλλαγής φάσης κατά την ψύξη και όχι τόσο τις αντίστοιχες της θέρμανσης. Η μέθοδος του σταθερού φορτίου, έχει απλή αρχή λειτουργίας και εξαρτάται άμεσα από το μέγεθος της εφαρμοζόμενης δύναμης. Έχουμε ήδη αναφέρει ότι η συμπεριφορά του μετασχηματισμού εξαρτάται από τις εξωτερικές μηχανικές τάσεις, οπότε για να υπάρχει ακρίβεια στις μετρήσεις θα πρέπει το φορτίο να αντιστοιχεί με αυτό της πραγματικής εφαρμογής για την οποία προορίζεται το υλικό [28]. 37

58 2.8 Εμπορικές εφαρμογές του κράματος Νικελίου Τιτανίου Το Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος και η ιδιότητα της Υπερελαστικότητας, πέρα από το ερευνητικό ενδιαφέρον που παρουσιάζουν, καθιστούν το κράμα NiTi υποψήφιο για πληθώρα εφαρμογών σε πολλούς τομείς. Χαρακτηριστικές εφαρμογές στη Μηχανολογία/Ηλεκτρολογία, αποτελούν οι χρήσεις εξαρτημάτων SMA σε θερμικά ενεργοποιούμενους διακόπτες κυκλωμάτων, σε κυκλώματα θερμοστατών, στις ενώσεις σωλήνων (με τη μορφή δακτυλίων) ή στις ενώσεις ελασμάτων (με τη μορφή σφήνας) Σχήμα 2.12 Εφαρμογές του κράματος NiTi (α) σε συνενώσεις εξαρτημάτων, (β) σε βιομηχανικά συστήματα εξαερισμού, (γ) σε ηλεκτρικές ενώσεις Σύρματα, λεπτές ταινίες ή στρεπτικές ράβδοι NiTi, χρησιμοποιούνται στη Ρομποτική, υποκαθιστώντας τους μύες σε ρομποτικούς βραχίονες. Μια πολύ ενδιαφέρουσα εφαρμογή στον τομέα αυτό είναι σε συσκευές απομακρυσμένης εξουδετέρωσης ναρκών ή εκρηκτικών μηχανισμών. Σχήμα 2.13 Εφαρμογές στη Ρομποτική 38

59 Στον τομέα της Αεροναυπηγικής και της Τεχνολογίας Οχημάτων το κράμα Νικελίου Τιτανίου κατέχει εξέχουσα θέση και η έρευνα για νέες εφαρμογές είναι σε πλήρη εξέλιξη. Η χρήση του είναι διαδεδομένη σαν ενεργοποιητής/διακόπτης σε υποσυστήματα οχημάτων, σε αυτό-επισκευαζόμενα πολυμερικά τμήματα αυτοκινήτων (π.χ. προφυλακτήρες), σε θερμοστάτες κυκλωμάτων ψύξης κ.α. Επίσης, χρησιμοποιείται σε πόρτες αεροσκαφών για αεροστεγές σφράγισμα της καμπίνας των επιβατών, σε τμήματα κινητήρων jet για μείωση του θορύβου καθώς και σε δορυφορικά υποσυστήματα (κεραίες, φωτοβολταϊκά πάνελ). Προσπάθεια γίνεται επίσης για ενσωμάτωση υλικών SMA σε πτέρυγες αεροσκαφών ή αεροτομές οχημάτων με στόχο την ελεγχόμενη αλλαγή του σχήματός τους. Σχήμα 2.14 Εφαρμογές του κράματος NiTi (α) σε δορυφόρους, (β) σε πτυσσόμενες κεραίες, (γ) σε πολυμερικά αυτο-επισκευαζόμενα μέρη οχημάτων και (δ) σε πτέρυγες 39

60 2.8.1 Το Νικέλιο-Τιτάνιο στην επιστήμη της Ιατρικής Η χρήση του κράματος Νικελίου Τιτανίου στην Ιατρική, ξεκινά από τις αρχές της δεκαετίας του Λόγω βιοσυμβατότητας, αλλά και λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων του, το συγκεκριμένο κράμα βρίσκει εφαρμογή σε αρκετούς κλάδους της ιατρικής επιστήμης, όπως: - Καρδιοαγγειακή χειρουργική. Η πρώτη περίπτωση χρησιμοποίησης καταγράφηκε το 1977, με τη χρήση του φίλτρου SNF, ενάντια στη θρόμβωση του αίματος. Το φίλτρο αρχικά είχε τη μορφή λεπτού σύρματος και στο θερμοκρασιακό περιβάλλον του σώματος ανακτούσε ένα πιο σύνθετο σχήμα, ικανό να παγιδεύει τους θρόμβους. Έκτοτε, εμφυτεύματα NiTi (stents), χρησιμοποιούνται ευρύτατα για την αντιμετώπιση της στένωσης σε αρτηρίες, με μεγάλη επιτυχία. Τα εμφυτεύματα αυτά, μόλις τοποθετηθούν στο εσωτερικό της αρτηρίας, εκτείνονται προς τα τοιχώματα και αυξάνουν τη διάμετρό της. - Γαστρεντερολογία. Από το 1993, χρησιμοποιούνται εμφυτεύματα από κράμα Νικελίου Τιτανίου για την αντιμετώπιση της στένωσης και την ανακούφιση κακοηθών όγκων του οισοφάγου. Για τον ίδιο ακριβώς λόγο, έχουν πρόσφατα αναπτυχθεί εμφυτεύματα που τοποθετούνται στη χολή, αν και η εισαγωγή τους είναι τεχνικά πιο δύσκολη. Σχήμα 2.15 Εμφυτεύματα NiTi, (α) για χρήση σε απόφραξη αρτηριών, (β) αντιθρομβωτικό φίλτρο και (γ) αρτηρίας λαιμού με εμφύτευμα σε τομή. 40

61 - Ουρολογία. Η χρήση του κράματος αναφέρεται για πρώτη φορά το 1989 για την αντιμετώπιση προβλημάτων του προστάτη, όπως η καλοήθης υπερπλασία. Παρά τη βιοσυμβατότητα του υλικού, κλινικές έρευνες μακράς διαρκείας, έδειξαν ότι τα μοσχεύματα στην περιοχή του ουροποιητικού συστήματος δεν γίνονται πάντα αποδεκτά από το σώμα. - Ορθοπεδική. Η πρώτη εμφάνιση του Νικελίου Τιτανίου στην Ορθοπεδική συμβαίνει το 1978, με την χρήση εκτεινόμενων ράβδων για τη θεραπεία της σκολίωσης. Τα αποτελέσματα ήταν ικανοποιητικά και χωρίς καμία επιπλοκή. Σήμερα, το κράμα NiTi χρησιμοποιείται ευρέως ως συνδετικό υλικό (κυρίως στη μορφή ελασμάτων ή σφιγκτήρων) σε περιπτώσεις συντριπτικών καταγμάτων στα άνω και κάτω άκρα, στη γναθοχειρουργική, σε κατάγματα μικρών οστών, σε οστεοτομές του μεταταρσίου, στην αυχενική χειρουργική κ.α. Οι πιο πρόσφατες έρευνες, στρέφονται προς την κατεύθυνση της εκμετάλλευσης του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος του NiTi, για χρήση του ως ενεργοποιητή σε μηχανισμούς διατατικής οστεογέννεσης, αντικαθιστώντας δύσχρηστες και επίπονες στην εφαρμογή τους, τεχνικές (π.χ συσκευή Ilizarov). Στα πλαίσια ενός τέτοιου προγράμματος εξάλλου, εκπονήθηκε και χρηματοδοτήθηκε η παρούσα εργασία. - Οδοντιατρική. Η ιδιότητα της υπερελαστικότητας, καθιστά το κράμα ιδανικό για την κατασκευή προσθηκών, με σκοπό τη διόρθωση προβλημάτων στην οδοντοστοιχία, ασκώντας συνεχή πίεση στα επιθυμητά σημεία. Σχήμα 2.16 Χειρουργικά εργαλεία κατασκευασμένα από κράμα Νικελίου Τιτανίου με υπερελαστικές ιδιότητες. 41

62 Ένας άλλος τομέας που το NiTi χρησιμοποιείται ευρύτατα, είναι αυτός της κατασκευής χειρουργικών εργαλείων, λόγω της υψηλής του καθαρότητας, της εξαιρετικής του αντοχής, της ελαστικότητας του και φυσικά της βιοσυμβατότητάς του. 42

63

64

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΠΟΛΥ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 3.1 Εισαγωγή Στο 1 ο κεφάλαιο, έγινε λόγος για τα σύνθετα υλικά και τις κατηγορίες που αυτά απαρτίζουν, ανάλογα με τον τύπο της μητρικής και της ενισχυτικής φάσης. Στα υλικά αυτά, που συνήθως αποτελούν δομικά μέρη συστημάτων και κατασκευών με βελτιωμένες ιδιότητες σε σχέση με τα μονοφασικά, θα μπορούσε κανείς να αποδώσει το χαρακτηρισμό συμβατικά, σε αντιδιαστολή με τα ευφυή ή πολυλειτουργικά σύνθετα. Τα τελευταία, προκύπτουν από την ενσωμάτωση ευφυών υλικών στις κατάλληλες (συνήθως πολυμερικές) μήτρες. Επιγραμματική αναφορά στα πολύ-λειτουργικά υλικά έγινε στην εισαγωγή της εργασίας και στη συνέχεια θα δοθούν περισσότερες λεπτομέρειες για αυτά. Ένα έξυπνο σύστημα (οι όροι πολύ-λειτουργικό, έξυπνο, ευφυές, στη σχετική βιβλιογραφία είναι ισοδύναμοι) ενσωματώνει ενεργοποιητές και αισθητήρες, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με έναν κατάλληλο βρόγχο ελέγχου [32]. Τα πολύ-λειτουργικά συστήματα έχουν τη δυνατότητα να αισθάνονται με τους αισθητήρες τους τις αλλαγές στο εξωτερικό τους περιβάλλον ή στην εσωτερική τους δομή και να αντιδρούν στις αλλαγές αυτές με χρήση των ενεργοποιητών, μεταβάλλοντας κάποια ιδιότητά τους (όπως π.χ. το σχήμα στην περίπτωση του NiTi) [33]. Σε απευθείας αντιπαράθεση με ένα ζωντανό οργανισμό, οι ενεργοποιητές είναι 43

66 το ανάλογο του μυϊκού συστήματος, οι αισθητήρες αντιπροσωπεύουν το νευρικό σύστημα και ο βρόχος ελέγχου αποτελεί το ανάλογο του εγκεφάλου (Βλ. Σχ. 3.1). Η έρευνα που πραγματοποιείται από τμήμα της επιστημονικής κοινότητας στον τομέα αυτό, φιλοδοξεί να αναπτύξει και τη δυνατότητα της μάθησης στα εν λόγω ευφυή συστήματα έτσι ώστε με την πάροδο του χρόνου η συμπεριφορά τους να πλησιάσει, όσο το δυνατόν, αυτή των ζωντανών οργανισμών. Σχήμα 3.1. Σχηματική αναπαράσταση των χαρακτηριστικών ενός ευφυούς συστήματος Ο στόχος της έρευνας στο πεδίο των πολύ-λειτουργικών συστημάτων είναι η ανάπτυξη νέων δομών με αυξημένη λειτουργικότητα, μεγαλύτερη ασφάλεια, λιγότερη πολυπλοκότητα και φυσικά αυξημένη δυνατότητα αντίδρασης στα εξωτερικά ερεθίσματα, ενσωματώνοντας την αίσθηση και την ενεργοποίηση στο μεγαλύτερο δυνατό βαθμό. Απώτερος σκοπός είναι η δημιουργία στο βαθμό που αυτό είναι εφικτό - η δημιουργία ενός τεχνητού ζωντανού οργανισμού. 44

67 3.2 Αισθητήρες και Ενεργοποιητές Οι αισθητήρες σε ένα σύστημα είναι υπεύθυνοι για την ανίχνευση των αλλαγών που επιτελούνται στο περιβάλλον ή και στο ίδιο το σύστημα. Σχεδιάζονται π.χ. να εντοπίζουν τις μεταβολές της θερμοκρασίας, της υγρασίας, της έντασης του φωτός, των ηλεκτρικών μεγεθών (ρεύμα, αντίσταση κ.α.), ακόμα και των μηχανικών δυνάμεων που ασκούνται από εξωτερικούς παράγοντες και μεταβάλλουν την εντατική του κατάσταση. Επιτελούν την ίδια λειτουργία με το νευρικό σύστημα του ανθρώπου το οποίο διεγείρεται και μεταδίδει την πληροφορία στον εγκέφαλο (όταν π.χ. ακουμπήσουμε με γυμνό χέρι μια ζεστή επιφάνεια). Οι ενεργοποιητές, είναι στοιχεία που λαμβάνοντας εντολή από το βρόγχο ελέγχου μεταβάλλουν κάποια ιδιότητα του συστήματος, όπως το ιξώδες, το μέτρο ελαστικότητας, την κρυσταλλική δομή, τις εξωτερικές του διαστάσεις, την ωμική αντίσταση ή και συνδυασμούς των παραπάνω. Η λειτουργία τους προσομοιάζεται με αυτή του ανθρώπινου μυϊκού συστήματος (οι μύες π.χ. λαμβάνουν εντολή και απομακρύνουν το χέρι μας από τη ζεστή επιφάνεια). Το μεγάλο πλεονέκτημα των πολύ-λειτουργικών υλικών είναι ότι ενσωματώνουν τις λειτουργίες τόσο της αίσθησης όσο και της ενεργοποίησης. Επίσης, οι μηχανικές ιδιότητες ορισμένων ευφυών υλικών είναι τέτοιες, που μπορεί αυτά να χρησιμοποιούνται και ως δομικά στοιχεία του συστήματος [32]. Στο προηγούμενο κεφάλαιο, αναπτύχθηκε το Φαινόμενο της Μνήμης Σχήματος για το κράμα Νικελίου Τιτανίου, κατά την εκδήλωση του οποίου, το υλικό αισθάνεται τη μεταβολή της θερμοκρασίας και ανταποκρίνεται αλλάζοντας το σχήμα του. Στην έρευνα και στην κατασκευή των πολύ-λειτουργικών συνθέτων, χρησιμοποιούνται και άλλα υλικά, τα οποία θα παρουσιαστούν συνοπτικά στην επόμενη παράγραφο, πριν προχωρήσουμε στην επεξήγηση του μηχανισμού γέννησης μηχανικών τάσεων σε Σύνθετα με ενσωματωμένα Κράματα Μνήμης Σχήματος, που είναι και το αντικείμενο της εργασίας αυτής. 45

68 3.3 Πολύ-λειτουργικά υλικά εκτός των Κραμάτων Μνήμης Σχήματος Εκτός των Κραμάτων Μνήμης Σχήματος (με κυρίαρχο το NiTi), η κατηγορία των ευφυών υλικών περιλαμβάνει τα πιεζοηλεκτρικά, τα ηλεκτρο- και μαγνητο-ρεολογικά και τα μαγνητοδιαγνωστικά. Όλα τα παραπάνω μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές τόσο ως αισθητήρες, όσο και ως ενεργοποιητές. Στην κατηγορία θα πρέπει ίσως να εντάξουμε και τις οπτικές ίνες, οι οποίες δε μπορούν να θεωρηθούν ενεργοποιητές, αλλά παρουσιάζουν εξαιρετικές δυνατότητες αίσθησης και ταχύτατης μεταφοράς πληροφορίας, κάτι που τις καθιστά πολύ χρήσιμες σε αρκετά ευφυή συστήματα [34] Οπτικές ίνες (ως αισθητήρες) Η οπτικές ίνες αναπτύσσονται με ταχύτατους ρυθμούς και εκτός από το πεδίο της επιστημονικής έρευνας που οι εφαρμογές τους αυξάνονται συνεχώς, χρησιμοποιούνται σχεδόν ως αποκλειστικοί μεταφορείς δεδομένων στα σύγχρονα μητροπολιτικά τηλεπικοινωνιακά δίκτυα. Η ενσωμάτωση αισθητήρων στα πολύλειτουργικά σύνθετα υλικά, προϋποθέτει την ικανοποίηση ορισμένων απαιτήσεων. Αυτός ακριβώς είναι ο τομέας που οι οπτικές ίνες υπερέχουν έναντι άλλων αισθητήρων: είναι αρκετά μικρές σε διάμετρο, με χαμηλό βάρος, με δυνατότητα να ακολουθούν σχετικά πολύπλοκες γεωμετρίες, με μεγάλη αντοχή σε πίεση και θερμοκρασία και ευρύ φάσμα λειτουργίας. Σχήμα 3.2. (α) δέσμη οπτικών ινών και (β) τα βασικά μέρη μιας τυπικής οπτικής ίνας. 46

69 Η βασική λειτουργία των οπτικών ινών είναι να μεταφέρουν ορατή ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, δηλαδή φως. Όταν μια φωτεινή δέσμη που κινείται σε ένα μέσο, συναντήσει ένα άλλο μέσο με διαφορετικές φυσικές ιδιότητες, τότε αλλάζει η διεύθυνση της και η ταχύτητα διάδοσής της (διάθλαση του φωτός). Οι οπτικές ίνες αποτελούνται από δύο γυάλινους ομόκεντρους κύκλους με διαφορετικό δείκτη διάθλασης. Για την ακρίβεια, ο εσωτερικός κύλινδρος (πυρήνας core) έχει μεγαλύτερο δείκτη από τον εξωτερικό (επικάλυψη cladding) (Βλ. Σχ 3.2). Η γωνία εισόδου της φωτεινής ακτινοβολίας στον πυρήνα και οι δείκτες διάθλασης είναι τέτοιοι, που το φώς ανακλάται συνεχώς στη διαχωριστική επιφάνεια των κυλίνδρων και ταξιδεύει σε όλο το μήκος της οπτικής ίνας. Οι οπτικές ίνες διαχωρίζονται σε ίνες single mode (επιτρέπουν τη μετάδοση μιας μόνο δέσμης) και σε ίνες multi mode (επιτρέπουν την ταυτόχρονη διάδοση έως και πολλών χιλιάδων διαφορετικών συχνοτήτων), όπως φαίνεται και στο Σχήμα 3.3. Η ικανότητα μετάδοσης πληροφορίας της οπτικής ίνας εξαρτάται από τα γεωμετρικά της χαρακτηριστικά, από τη χημική της σύσταση και από το μήκος κύματος της ακτινοβολίας [35]. Σχήμα 3.3. Τυπικά γεωμετρικά χαρακτηριστικά ινών single και multi mode. Οι οπτικές ίνες, εκτός από μέσα μετάδοσης πληροφορίας, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αισθητήρες μεταβολής της θερμοκρασίας, της παραμόρφωσης ή των μηχανικών τάσεων του συστήματος στο οποίο έχουν ενσωματωθεί. Αυτό συμβαίνει, γιατί οποιαδήποτε αλλαγή στις πιο πάνω παραμέτρους, επιφέρει μεταβολές στις συνθήκες διάδοσης της ακτινοβολίας, εφόσον επηρεάζεται ο δείκτης διάθλασης. 47

70 3.3.2 Πιεζοηλεκτρικά υλικά Τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία μπορούν να μεταβάλουν τις εξωτερικές διαστάσεις τους, εάν βρεθούν μέσα σε ηλεκτρικό πεδίο και αντίστροφα, να παράγουν ηλεκτρική τάση εάν παραμορφωθούν. Το φαινόμενο εμφανίζεται σε πολύ-κρυσταλλικά υλικά, που δεν έχουν κανένα κέντρο συμμετρίας. Τα μόρια, που αποτελούν τον κρύσταλλο, έχουν τη μορφή διπόλου: τα αρνητικά και τα θετικά φορτία είναι κατανεμημένα αντιδιαμετρικά, με το συνολικό φορτίο του μορίου να είναι μηδενικό. Η νοητή ευθεία που ενώνει τα κέντρα των κατανομών φορτίων ονομάζεται διεύθυνση πόλωσης. Σε ένα μονοκρύσταλλο, η διεύθυνση πόλωσης είναι μοναδική και είναι η η ίδια σε ολόκληρο τον όγκο του υλικού. Αντίθετα, στα πολύ-κρυσταλλικά υλικά υπάρχουν πολλές περιοχές με διαφορετική πόλωση και η συνολική εικόνα είναι πλήρως ασύμμετρη (Βλ. Σχ.3.4). Σχήμα 3.4. Διευθύνσεις πόλωσης (α) μονοκρυσταλλικού και (β) πολυκρυσταλλικού υλικού. Για να προγραμματιστεί το υλικό στην επιθυμητή κατεύθυνση πόλωσης, υποβάλλεται σε θέρμανση με ταυτόχρονη εφαρμογή ισχυρού ηλεκτρικού πεδίο στην κατεύθυνση αυτή [35]. Η υψηλή θερμοκρασία αυξάνει τη δυνατότητα κίνησης των μορίων και διευκολύνει τον προσανατολισμό των διπόλων. Μετά την αφαίρεση του θερμοκρασιακού και του ηλεκτρικού πεδίου, ο προσανατολισμός των διπόλων παραμένει. Η διαδικασία αυτή (poling), φαίνεται σχηματικά αμέσως πιο κάτω. 48

71 Σχήμα 3.5. Σχηματική αναπαράσταση της διαδικασίας πόλωσης ενός πιεζοηλεκτρικού υλικού στην επιθυμητή διεύθυνση. Εάν ο πιεζοκρύσταλλος συμπιεστεί, τότε στα άκρα του θα εμφανιστεί διαφορά δυναμικού ίδιας πολικότητας με αυτή των προσανατολισμένων διπόλων. Εάν το υλικό επιμηκυνθεί, τότε η διαφορά δυναμικού θα έχει αντίθετη πολικότητα. Το φαινόμενο εκδηλώνεται και κατά την αντίστροφη κατεύθυνση: εάν στα άκρα του εφαρμοστεί τάση με την πολικότητα του poling, τότε το υλικό θα συμπιεστεί, ενώ εάν εφαρμοστεί ή αντίθετη, θα επιμηκυνθεί. Η εφαρμογή εναλλασσόμενης τάσης, θα αναγκάσει τον κρύσταλλο να εκτελέσει ταλάντωση με συχνότητα ίδια, με αυτήν της εφαρμοζόμενης τάσης. Υλικά που εμφανίζουν την πιεζοηλεκτρική ιδιότητα είναι το SiO 2 (Quartz), το AlPO 4, το GaPO 4, το PZT, το ZnO, το AlN κ.α. Σχήμα 3.6. Σχηματική αναπαράσταση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου όπως εκδηλώνεται και προς τις δύο κατευθύνσεις. 49

72 3.3.3 Ηλεκτρορεολογικά Μαγνητορεολογικά υλικά Τα ηλεκτρορεολογικά (electrorheological ER fluids) και τα μαγνητορεολογικά (magnetorheological MR fluids) υλικά, είναι ρευστά των οποίων το ιξώδες μεταβάλλεται, όταν αυτά βρεθούν μέσα σε ένα ηλεκτρικό ή μαγνητικό πεδίο, αντίστοιχα. Η ενσωμάτωση των ρευστών αυτών σε σύνθετες δομές, μπορεί να αλλάξει την απόκριση του συστήματος υπό την επίδραση ηλεκτρικού/μαγνητικού πεδίο σχεδόν ακαριαία, σε χρόνο της τάξης των ms, ενώ το ιξώδες μπορεί να αυξηθεί κατά 10 5 φορές. Τα ER ρευστά είναι κολλοειδή διαλύματα μιας αγώγιμης στερεής φάσης (με διάμετρο μέχρι 50 μm), σε ένα ρευστό με συμπεριφορά μονωτή που στις περισσότερες περιπτώσεις είναι οργανικό. Η στερεή φάση μπορεί να είναι σωματίδια ανόργανων οξειδίων μετάλλων, σιδηροηλεκτρικά ή ανόργανα και οργανικά πολωμένα σωματίδια. Υπάρχουν ακόμα, περιπτώσεις που η στερεή φάση αποτελείται από ημιαγώγιμα πολυμερή. Το οργανικό ρευστό συνήθως είναι φθοριωμένοι πολυεστέρες, πολυαιθέρες, ή αλογονωμένες πολυσιλικόνες. Τα MR ρευστά είναι και αυτά διασπορές μιας στερεής φάσης, συνήθως σωματιδίων σιδήρου ή κράματος Fe-Co, μέσα σε ένα ρευστό, που μπορεί να είναι νερό, πολυαιθέρες, υγροί υδρογονάνθρακες κ.α. Όταν υπάρχει απουσία πεδίου (ηλεκτρικού ή μαγνητικού), τα ρευστά αυτά παρουσιάζουν Νευτώνεια συμπεριφορά στη διατμητική τους φόρτιση. Αυτό σημαίνει ότι η διατμητική τάση είναι ανάλογη της διατμητικής παραμόρφωσης, δεν υφίσταται όριο διαρροής και ο ρυθμός της διάτμησης δεν επηρεάζει την εντατική κατάσταση του υλικού. Όταν εφαρμοστεί κάποιο πεδίο ή συμπεριφορά του ρευστού αλλάζει δραματικά. Το ιξώδες αυξάνεται ραγδαία και όταν το υλικό φορτιστεί σε διάτμηση, υφίσταται πλέον όριο διαρροής. Μέχρι το όριο αυτό, το υλικό συμπεριφέρεται σαν ελαστικό στερεό, ενώ μετά την τάση διαρροής ρέει ως ιξωδοελαστικό υλικό. Το μέγεθος της τάσης διαρροής είναι ανάλογο προς την ένταση του πεδίου. Τα σωματίδια της διασπαρμένης φάσης υπό την απουσία ηλεκτρικού ή μαγνητικού πεδίου, έχουν τυχαίο προσανατολισμό. Όταν όμως το ρευστό βρεθεί μέσα στο πεδίο, τα σωματίδια προσανατολίζονται σχεδόν ακαριαία και σχηματίζουν 50

73 αλυσιδωτές δομές τύπου κολώνας στο εσωτερικό του διαλύματος και αυτός είναι ο λόγος της δραματικής αύξησης του ιξώδους. Τα πολύ-λειτουργικά λοιπόν, ΕR και MR ρευστά αισθάνονται τις μεταβολές του ηλεκτρικού και μαγνητικού πεδίου αντίστοιχα και αντιδρούν, αλλάζοντας τις φυσικές και κατ επέκταση τις μηχανικές τους ιδιότητες. Σχήμα 3.7. Το ηλεκτρορεολογικό φαινόμενο Μαγνητοδιαγνωστικά υλικά Με τον όρο αυτό περιγράφουμε τα πολύ-λειτουργικά κράματα που έχουν την ιδιότητα να μεταβάλλουν τις διαστάσεις τους, όταν αλλάξει η μαγνητική τους κατάσταση και αντίστροφα, να μαγνητιστούν, εάν παραμορφωθούν. Όλα σχεδόν τα σιδηρομαγνητικά υλικά (Νικέλιο, Κοβάλτιο, Σίδηρος κ.α.), έχουν την παραπάνω ιδιότητα, αλλά η μεταβολή στις διαστάσεις τους είναι της τάξης του %. Ανάλογα ανεπαίσθητη είναι και η μεταβολή του όγκου τους. Στα μέσα όμως της δεκαετίας του 60, ανακαλύφθηκαν πολύ βελτιωμένες μαγνητοδιαγνωστικές ιδιότητες σε έναν κράμα που αποτελείτο από τρία χημικά στοιχεία, εκ των οποίων τα δύο είναι αρκετά σπάνια: Tb-Dy-Fe, Terbium-Dysprosium-Iron. Το κράμα αυτό έγινε γνωστό με την ονομασία Terfenol-D και παρουσιάζει σχετικά μεγάλες παραμορφώσεις (2-3 τάξεις μεγέθους μεγαλύτερες από τα κοινά σιδηρομαγνητικά υλικά) σε μικρά μαγνητικά πεδία. Το φαινόμενο μπορεί να γίνει πιο εύκολα κατανοητό εάν θεωρήσουμε ότι ολόκληρο το υλικό αποτελείται από ελλειπτικές περιοχές των οποίων ο μεγάλος 51

74 άξονας συμπίπτει με τον μαγνητικό προσανατολισμό [36]. Με την εφαρμογή ενός μαγνητικού πεδίου, οι περιοχές αυτές τείνουν να προσανατολιστούν με τη διεύθυνση του πεδίου. Το ποσοστό της παραμόρφωσης μπορεί να αυξηθεί εάν προφορτίσουμε το υλικό και δώσουμε μεγαλύτερη κλίση στις ελλειπτικές περιοχές. Αυτή είναι μια πρακτική που χρησιμοποιείται σε όλες σχεδόν τις εφαρμογές του Terfenol-D, γιατί με τον απλό αυτό τρόπο αυξάνεται η ικανότητα χρήσης του υλικού ως ενεργοποιητή. Σχήμα 3.8. (α) Απλοποιημένη εξήγηση της μαγνητοδιαγνωστικής συμπεριφοράς και (β) ενίσχυση του φαινομένου με προφόρτιση του υλικού Πρόσφατες έρευνες ανέδειξαν μια νέα κατηγορία μαγνητοδιαγνωστικού κράματος με δραματικά βελτιωμένη συμπεριφορά σε σχέση με το Terfenol-D και με παραμορφώσεις που αγγίζουν το 9%. Τα κράματα αυτά, ονομάζονται Σιδηρομαγνητικά (ή απλά Μαγνητικά) Κράματα Μνήμης Σχήματος (FSMA Ferromagnetic SMA) λόγω του γεγονότος ότι σχηματίζουν δίδυμες δομές (twins) στο εσωτερικό τους (όπως ακριβώς και το NiTi) και ανακτούν το σχήμα τους μέσω του ίδιου μηχανισμού. Ένα βασικό πλεονέκτημα των FSMA σε σχέση με τα θερμικά ενεργοποιούμενα κράματα είναι ότι τα πρώτα έχουν τη δυνατότητα να εργάζονται σε πολύ υψηλές συχνότητες, ανάλογα με τη συχνότητα του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου. Το πιο σημαντικό κράμα της κατηγορίας είναι το NiMnGa. 52

75 3.4 Ευφυή σύνθετα υλικά με ενσωματωμένα Κράματα Μνήμης Σχήματος Όπως θα δούμε πιο αναλυτικά στη συνέχεια, η ενσωμάτωση Κραμάτων Μνήμης Σχήματος, που συνήθως είναι της μορφής NiTi ή NiTi-X (όπου Χ είναι κάποιο άλλο στοιχείο όπως Cu ή Al), σε σύνθετα υλικά μεταλλικής, κεραμικής ή πολυμερικής μήτρας, βασίζεται κυρίως στην ιδιότητά τους να αναπτύσσουν μηχανικές τάσεις στο σύνθετο κατά την ανάκτηση του σχήματος, στον αντίστροφο μαρτενσιτικό μετασχηματισμό. Η μορφή των εγκλεισμάτων (σύρματα, ράβδοι, ταινίες) ποικίλει, ανάλογα με την εφαρμογή. Όταν τα ενσωματωμένα στοιχεία SMA ενεργοποιηθούν, μπορεί να μεταβάλλονται τόσο το σχήμα του συνθέτου, όσο και οι μηχανικές του ιδιότητες. Μία από τις πρώτες προσπάθειες ενσωμάτωσης σε μήτρα υλικών SMA, έγινε στα τέλη της δεκαετίας του 80, με σκοπό τη βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων αλλά και την προσπάθεια για ανάπτυξη ενός από τα πρωταρχικά ευφυή σύνθετα συστήματα [37]. Αρκετές μελέτες έχουν πραγματοποιηθεί μέχρι τώρα σε σύνθετα πολυμερικής, κεραμικής ή μεταλλικής μήτρας και με διαφορετικούς τύπους SMA εγκλεισμάτων, αλλά σήμερα μελετώνται σχεδόν αποκλειστικά οι ενισχυμένες πολυμερικές μήτρες [34, 38]. Η αλλαγή της ιδιοσυχνότητας ταλάντωσης των συνθέτων υλικών με την ενσωμάτωση και την ενεργοποίηση της ενισχυτικής φάσης των SMA, αποτέλεσε πεδίο έρευνας και συνεχίζει να παρουσιάζει αυξημένο ενδιαφέρον [34, 39]. Η χρήση συρμάτων ή ταινιών SMA (κυρίως NiTi) σε σύνθετα πολυμερικής μήτρας, για αύξηση της αντοχής τους σε κρούση και της αποσβεστικής τους ικανότητας έχει μελετηθεί διεξοδικά, με στόχο την εφαρμογή τους στις κατασκευές [40, 41, 42]. Επίσης, έχει πραγματοποιηθεί έρευνα όσον αφορά στη συνδυασμένη χρήση κραμάτων NiTi και φερροηλεκτρικών κεραμικών σε πολυμερικό σύνθετο με σκοπό την ανίχνευση επικίνδυνων δονήσεων και την αλλαγή της ιδιοσυχνότητας του συστήματος χωρίς τη χρήση εξωτερικού ελέγχου [43]. Η μικρομηχανική συμπεριφορά υβριδικών συνθέτων υλικών με διαδοχικές στρώσεις άνθρακα/epoxy και NiTi/epoxy, έχει επίσης αποτελέσει τμήμα της έρευνας στον τομέα των πολύ-λειτουργικών συνθέτων [44]. Η κατεύθυνση όμως προς την οποία πλέον κινείται η τεχνολογία των ευφυών συνθέτων υλικών και το μεγαλύτερο κομμάτι της σχετικής έρευνας, είναι αυτή της 53

76 ανάπτυξης δομών που να μπορούν να μεταβάλλουν μακροσκοπικά το σχήμα τους [32, 45, 38, 46], όταν διεγερθούν από κάποιο εξωτερικό αίτιο και να προσαρμοστούν στις νέες συνθήκες. Η προσαρμοστικότητα αυτή, έχει καθιερώσει το διεθνή όρο adaptive composites και η διαδικασία αλλαγής του σχήματος είναι ευρύτερα γνωστή ως morphing. Έχουμε ήδη αναφέρει σε προηγούμενη παράγραφο, ότι απώτερος στόχος είναι η μίμηση των κινήσεων των ζωντανών οργανισμών σε ανάλογες περιπτώσεις, όπως π.χ. η αλλαγή του σχήματος των φτερών ενός πουλιού κατά τη διάρκεια της πτήσης (Βλ. Σχ. 3.9). Σχήμα 3.9 Αλλαγή του σχήματος των φτερών ενός πτηνού και προσαρμογή στην ταχύτητα της πτήσης Οι κυριότερες προσπάθειες που έχουν γίνει μέχρι σήμερα, αφορούν στη μελέτη της ελεγχόμενης κάμψης πακτωμένης ράβδου ή πλάκας, πολυμερικής μήτρας με ενσωματωμένα σύρματα NiTi [47, 48], στη μελέτη αλλαγής σχήματος πολυμερικού συνθέτου με ενσωματωμένα στοιχεία SMA σε μορφή λωρίδων [49], καθώς και στην ανάπτυξη συνθέτων υλικών με ενεργοποιητές SMA που λειτουργούν επιλεκτικά, επιτυγχάνοντας αλλαγή σχήματος προς διάφορες διευθύνσεις [50]. Μέχρι τώρα, το μεγαλύτερο σε κλίμακα μοντέλο πολύ-λειτουργικού συνθέτου που αλλάζει μορφή, είναι η πτέρυγα στο ουραίο τμήμα αεροσκάφους, που έχει αναπτυχθεί από την EADS [51]. Έχουν γίνει επίσης κάποιες προσπάθειες κατασκευής ευφυών συνθέτων χωρίς τη συμμετοχή Κραμάτων Μνήμης Σχήματος, αλλά με την συνύπαρξη υλικών με πολύ διαφορετικό συντελεστή θερμικής διαστολής [52]. Το σύνθετο υλικό το οποίο επιλέχθηκε για να μελετηθεί στην περίπτωση της εργασίας αυτής, αποτελείται από εποξειδική ρητίνη ως μητρική φάση, πολυμερικές ίνες Kevlar 29 ως φάση ενίσχυσης και σύρματα NiTi ως αισθητήρες/ενεργοποιητές. 54

77 Στην επόμενη παράγραφο, θα αναλυθεί ο μηχανισμός ανάπτυξης εσωτερικών μηχανικών τάσεων από τα ενσωματωμένα στο σύνθετο σύρματα NiTi και στη συνέχεια θα παρουσιαστούν γενικά στοιχεία που αφορούν στις εποξειδικές ρητίνες και στις αραμιδικές ίνες (Kevlar) Σύνθετα με ενσωματωμένα SMA Ανάπτυξη Μηχανικών Τάσεων Τα Κράματα Μνήμης Σχήματος αναπτύσσουν υψηλές μηχανικές τάσεις ενεργοποίησης και μπορούν να ανακτήσουν το σχήμα τους έπειτα από μεγάλες παραμορφώσεις, συνεπώς πληρούν βασικές προϋποθέσεις για τη χρήση τους σε πολύ-λειτουργικά σύνθετα υλικά. Όταν πρόκειται να χρησιμοποιηθούν ως ενεργοποιητές με σκοπό τη μακροσκοπική μεταβολή των διαστάσεων του συνθέτου, κυρίαρχο ρόλο διαδραματίζει η ικανότητα του κράματος να αναπτύσσει μηχανικές τάσεις μέσα στη μητρική φάση και ο μηχανισμός μέσω του οποίου αυτό υλοποιείται. Όταν ένα υλικό SMA βρίσκεται ενσωματωμένο μέσα σε ένα σύνθετο, η μητρική φάση του επιβάλλει κινηματικούς περιορισμούς και σαν αποτέλεσμα, ο μαρτενσιτικός και ο αντίστροφος μετασχηματισμός κατά την ψύξη-θέρμανση διαφέρει αισθητά από αυτόν που περιγράφηκε στο 2 ο κεφάλαιο, όπου το υλικό βρισκόταν σε ελεύθερη κατάσταση. Μια πολύ βασική ποιοτική διαφορά μεταξύ των δύο καταστάσεων είναι το γεγονός ότι, σε αντίθεση με τον ελεύθερο μετασχηματισμό του NiTi, όταν αυτό βρίσκεται περιορισμένο, ο αντίστροφος μετασχηματισμός από μαρτενσίτη σε οστενίτη εξελίσσεται και σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από την Α f [53]. Το Σχήμα 3.10, μπορεί να βοηθήσει στην κατανόηση του μετασχηματισμού υπό συνθήκες περιορισμού. 55

78 Σχήμα 3.10 Εκδήλωση του μαρτενσιτικού και του αντίστροφου μετασχηματισμού υπό περιορισμό Ανάπτυξη μηχανικών τάσεων Στη θέση (a), το υλικό βρίσκεται σε ελεύθερη κατάσταση και σε θερμοκρασία χαμηλότερη από την Μ f. Η κρυσταλλική δομή του μαρτενσίτη είναι διευθετημένη έτσι ώστε να καταλάβει τις θέσεις της χαμηλότερης δυνατής ενέργειας και η φάση αυτή ονομάζεται SAM (Self Accommodated Martensite αυτοδιευθετούμενος μαρτενσίτης). Στη συνέχεια, στη θέση (b), εφαρμόζουμε προτάνυση (pre-strain) και ταυτόχρονα περιορίζουμε την κίνηση του υλικού. Στο σχήμα, οι πακτώσεις στα άκρα επιτελούν την ίδια περιοριστική λειτουργία με τη μητρική φάση. Η θερμοκρασία διατηρείται στα ίδια επίπεδα, συνεπώς η δομή παραμένει μαρτενσιτική, με τη διαφορά ότι ο SAM υπό την επίδραση της παραμόρφωσης, μετατρέπεται πλέον σε POM (Preferentially Oriented Martensite προσανατολισμένος σε προτιμητέα διεύθυνση μαρτενσίτης). Εάν θερμάνουμε το υλικό σε θερμοκρασία μεγαλύτερη της Α f, ξεκινά ο αντίστροφος μαρτενσιτικός μετασχηματισμός και το δοκίμιο τείνει να μετατραπεί σε οστενίτη (P parent phase) και να ανακτήσει το αρχικό του μήκος. Λόγω όμως του περιορισμού, η κίνηση παρεμποδίζεται και αναπτύσσονται μηχανικές τάσεις κατά μήκος του υλικού. Οι μηχανικές τάσεις, με τη σειρά τους, εμποδίζουν την ολοκληρωτική μετατροπή του POM σε οστενίτη (P) παρά την αυξημένη θερμοκρασία και επιτρέπουν μόνο σε ένα μέρος αυτού, να ολοκληρώσει το μετασχηματισμό, όπως φαίνεται στη θέση (c). Κατά τη διαδικασία της ψύξης, εφόσον ο περιορισμός συνεχίζει να υπάρχει, το ποσοστό του POM παραμένει ως έχει και οστενιτική φάση μετατρέπεται σε SAM. Το ποσοστό του SAM, δεν συνεισφέρει στην ανάπτυξη των τάσεων, αφού η μετατροπή POM SAM, γίνεται με 56

79 μηδενική μεταβολή του μήκους (zero strain) [20]. Η πρώτη θέρμανση, συμβαίνει μεταξύ των καταστάσεων (b) και (c), ενώ όλοι οι υπόλοιποι κύκλοι μεταξύ των καταστάσεων (c) και (d). Αυτό, δικαιολογεί το γεγονός ότι η συμπεριφορά του κράματος κατά τον πρώτο κύκλο μετασχηματισμού, διαφέρει πάντα από τους υπόλοιπους κύκλους, κατά τη διάρκεια των οποίων παραμένει σταθερή. Το φαινόμενο αυτό, όπως θα δούμε σε επόμενο κεφάλαιο, επιβεβαιώθηκε πλήρως κατά τη διάρκεια των πειραμάτων για τις ανάγκες τις παρούσης εργασίας. Σε κάθε περίπτωση, υπάρχει πάντα κάποιο ποσοστό POM στο υλικό κατά τη λειτουργία του και εξαρτάται κυρίως από τη μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας [53, 54]. Το ποσοστό μετατροπής του SAM σε POM, κατά την αρχική προτάνυση εξαρτάται από την εφαρμοζόμενη παραμόρφωση. Για ένα τυπικό υλικό NiTi, που η μέγιστη ανακτήσιμη παραμόρφωση είναι περίπου 8%, εάν η προτάνυση φθάσει σε αυτό το επίπεδο, θα έχουμε 100% μετατροπή σε POM [20, 54]. Περαιτέρω επιμήκυνση, οδηγεί σε πλαστική, μη ανακτήσιμη παραμόρφωση. 3.5 Εποξειδικές ρητίνες Οι εποξειδικές ρητίνες ανήκουν στην κατηγορία των θερμοσκληρυνόμενων πολυμερών και χαρακτηρίζονται από την παρουσία του οξιρανικού δακτυλίου. Ανάλογα με τον αριθμό των δακτυλίων που βρίσκονται παρόντες στο μόριο, οι εποξειδικές ρητίνες χωρίζονται σε διδραστικές (δύο οξιρανικοί δακτύλιοι) ή πολυδραστικές (τρείς ή και περισσότεροι δακτύλιοι). Ο οξιρανικός δακτύλιος αντιδρά με ένα ευρύ φάσμα άλλων οργανικών ενώσεων. Για την ένωση δύο μορίων στα άκρα των οποίων υπάρχει η συγκεκριμένη ομάδα, απαιτείται ένα τρίτο μόριο που ουσιαστικά χρησιμοποιείται ως συνδετικός κρίκος έτσι ώστε να ξεκινήσει η αντίδραση που οδηγεί στο σχηματισμό ενός τρισδιάστατου δικτύου. Το τρίτο αυτό μόριο ονομάζεται σκληρυντής και συνήθως είναι κάποιος διδραστικός ανυδρίτης ή αμίνη. Ενίοτε, χρησιμοποιούνται και άλλες χημικές ουσίες που ονομάζονται εκκινητές, ώστε να ξεκινήσει ομαλότερα η διαδικασία της αντίδρασης. Οι εποξειδικές ρητίνες που κυκλοφορούν στο εμπόριο αποτελούνται συνήθως από μίγματα μακρομορίων που φέρουν στα άκρα τους τον οξιρανικό δακτύλιο και 57

80 περιέχουν αρωματικούς δακτυλίους και συνοδεύονται απο συστήματα σκληρυντών και εκκινητών. Σχήμα 3.11 Διδραστικό μακρομόριο και εκκινητής (διαμίνη) Στο επόμενο σχήμα, φαίνεται η αντίδραση της διαμίνης με τους οξιρανικούς δακτυλίους για το σχηματισμό του τρισδιάστατου δικτύου. Σχήμα 3.12 Σχηματική αναπαράσταση αντίδρασης διαμίνης με τους οξιρανικούς δακτυλίους μακρομορίων Θερμική επεξεργασία εποξειδικών ρητινών - Curing Η θερμική επεξεργασία των εποξειδικών ρητινών γνωστή και ως curing- είναι σε μεγάλο βαθμό υπέυθυνη για την ποιότητα και τις μηχανικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος. Σε ένα τέτοιο τρισδιάστατο δίκτυο, τις τελικές ιδιότητες 58

81 καθορίζουν το πλήθος των σταυροδεσμών και το μήκος των μακροαλύσεων. Η θερμική επεξεργασία κατά τη διάρκεια της οποίας συμβαίνουν οι χημικές αντιδράσεις συνήθως περιλαμβάνει (ανάλογα με το είδος των συστατικών) διαδικασίες θέρμανσης και ψύξης με ελεγχόμενο ρυθμό και επιβολή πίεσης ή/και κενού αέρος. Μετά από τη διαδικασία αυτή, μπορεί να ακολουθεί επιπλέον θερμική κατεργασία υψηλής θερμοκρασίας (post curing) για ορισμένο χρονικό διάστημα, έτσι ώστε να σταθεροποιηθούν οι ιδιότητες του υλικού. Ο αυτόκλειστος φούρνος (autoclave), στον οποίο συνήθως εξελίσσεται η θερμική κατεργασία του συνθέτου, διασφαλίζει τον έλεγχο και την ακρίβεια των απαιτούμενων συνθηκών και παραμέτρων, είτε η ρητίνη είναι αρχικά σε υγρή μορφή, είτε στη μορφή των prepreg. Τα prepreg είναι φύλλα προ-πολυμερισμένης ρητίνης με ενσωματωμένη στην επιθυμητή διεύθυνση κάποια φάση ενίσχυσης (π.χ. ίνες άνθρακα), τα οποία τοποθετούνται σε στρώσεις για την κατασκευή του τελικού προϊόντος. Κατά την παρασκευή του συνθέτου, ανάμεσα στις στρώσεις των prepreg, μπορούν να τοποθετηθούν επιπλέον εγκλείσματα, όπως σύρματα NiTi. Η τεχνική των prepreg, είναι αυτή που χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή των υβριδικών υλικών που εξετάζονται στη συνέχεια. Η θερμική κατεργασία που θα επιλεγεί, θα πρέπει να έχει προφίλ τέτοιο, ώστε να επιτρέπει τον πολυμερισμό της ρητίνης σε όλο τον όγκο της, να βελτιστοποιεί τη διάρκεια του πολυμερισμού και να απομακρύνει τα αέρια που εκλύονται κατά τη διάρκεια της διεργασίας. Πολύ μεγάλη σημασία λοιπόν έχει ο ρυθμός ανόδου και πτώσης της θερμοκρασίας, καθώς και το θερμοκρασιακό εύρος της κατεργασίας. Επίσης, όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του curing, τόσο υψηλότερη τιμή έχει η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (T g ) της μήτρας. Ένα μεγάλο πρόβλημα της θερμικής κατεργασίας, είναι η εμφάνιση πόρων στο εσωτερικό του συνθέτου υλικού που προέρχονται από τον εγκλωβισμό φυσαλίδων αέρα κατά την παρασκευή του. Το πορώδες αντιμετωπίζεται με τον εγκλεισμό του υλικού σε σακούλα κενού (vacuum bag) και την ταυτόχρονη επιβολή πίεσης εξωτερικά της σακούλας. Η πίεση συντελεί επίσης στη σωστή συνένωση των στρώσεων, υπερβολική εφαρμογή της όμως, μπορεί να καταστρέψει το σύνθετο. Οι θερμοσκληρυνόμενες εποξειδικές ρητίνες σε σύγκριση με άλλες θερμοπλαστικές μήτρες, έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες που δεν εξαρτώνται 59

82 τόσο από τη θερμοκρασία, και παρουσιάζουν υψηλότερη T g. Το τελευταίο, είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην περίπτωση που τα εγκλείσματα είναι σύρματα SMA, αφού με την κατάλληλη επιλογή ρητίνης, δεν εξασθενεί η διεπιφάνεια σύρματος μήτρας, λόγω υψηλής θερμοκρασίας κατά την ενεργοποίηση. Επίσης, οι εποξειδικές ρητίνες ρέουν εύκολα διά μέσου των ενισχυτικών φάσεων και πετυχαίνουν πολύ καλή πρόσφυση με αυτά. Ένα από τα μειονεκτήματά τους, είναι ο μεγάλος συντελεστής θερμικής διαστολής, λόγω του οποίου αναπτύσσονται θερμικές τάσεις στο σύνθετο υλικό. Οι νεώτερες βελτιωμένες εποξειδικές ρητίνες, παρουσιάζουν πολύ μικρό θερμικό συντελεστή, αλλά αρκετά μεγαλύτερο κόστος. 3.6 Αραμιδικές ίνες - Kevlar Οι αραμιδικές ίνες ανήκουν στην κατηγορία των συνθετικών ινών υψηλής αντοχής και χρησιμεύουν όχι μόνο ως μέσο ενίσχυσης, αλλά και ως αισθητήρες τάσεων και θερμοκρασίας, με χρήση της φασματοσκοπίας laser Raman. Οι αραμιδικές ίνες παρασκευάζονται βιομηχανικά και η δομή τους αποτελείται από μακριές αλυσίδες συνθετικού πολυαμιδίου, στις οποίες τουλάχιστον το 85% των αμιδικών ομάδων συνδέεται απ ευθείας με δύο αρωματικούς δακτυλίους. Έχουν πολύ καλές μηχανικές ιδιότητες στο διαμήκη άξονά τους και μεγάλη αντίσταση στη θερμοκρασία και σε χημικά διαλύματα. Η οικογένεια περιλαμβάνει παρεμφερείς ίνες, με μικρές διαφορές μεταξύ τους, που είναι γνωστές με τις εμπορικές τους ονομασίες: Kevlar της εταιρίας Du Pont de Nemours Co. (ΗΠΑ), Technora της Teijin Ltd (Ιαπωνία) και οι Twaron της Akzo Nobel (Ολλανδία) Παρασκευή των ινών Kevlar Οι ίνες Kevlar αποτελούνται από αλυσίδες πολυ(π-φαινυλο τερεφθαλαμιδίου) (PPD-T). Η πιο κλασσική μέθοδος σύνθεσης περιλαμβάνει πολυσυμπύκνωση σε χαμηλές θερμοκρασίες π-φαινυλο διαμίνης και διχλωριδίου του τερεφθαλικού οξέος σε διαλύτη διαλκυλαμιδίου. Γενικά, οι διαδικασίες 60

83 παραγωγής στοχεύουν στον καλύτερο δυνατό προσανατολισμό των μακροαλύσεων, ώστε να επιτευχθούν οι επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες των ινών. Αυτό επιτυγχάνεται χάρη στον υγροκρυσταλλικό χαρακτήρα των αραμιδικών πολυμερικών αλυσίδων σε διάλυμα θειικού οξέος. Το διάλυμα αυτό είναι ισοτροπικό για συγκεντρώσεις κάτω από 20%. Για συγκεντρώσεις πάνω από 20% οι μακροαλυσίδες διευθετούνται με μεγαλύτερη τάξη και το διάλυμα πλέον χαρακτηρίζεται ως νηματικό. Ψύχοντας στη συνέχεια το διάλυμα κάτω από μια κρίσιμη θερμοκρασία, σχηματίζεται μια φάση με μεγαλύτερη τάξη στη διευθέτηση των αλυσίδων. Με περαιτέρω ψύξη το διάλυμα πλέον στερεοποιείται. Το ποσοστό κρυσταλλικότητας των ινών Kevlar φτάνει στο 80% 85%. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι παρασκευάζονται πολλών ειδών ίνες Kevlar που διαφέρουν κυρίως στο μέτρο ελαστικότητάς τους. Στο σύνθετο που μελετάται στην παρούσα εργασία χρησιμοποιήθηκαν ίνες Kevlar 29. Σχήμα 3.11 Αντίδραση σχηματισμού πολυαμιδίου (Kevlar) Δομή των ινών Kevlar Οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των αμινομάδων και των καρβονυλίων γειτονικών μακροαλύσεων (Βλ. Σχ. 3.12), καθώς και η ύπαρξη των πολλών π- υποκατεστημένων φαινυλίων, οδηγούν στην παράλληλη και πυκνή διευθέτηση των μακροαλύσεων και στην αδυναμία στρέψης τους. Για το λόγο αυτό οι αραμιδικές ίνες παρουσιάζουν τόσο μεγάλη ανισοτροπία και τόσο καλές μηχανικές ιδιότητες στη διεύθυνση του άξονά τους. 61

84 Σχήμα 3.12 Σχηματική αναπαράσταση των χημικών δεσμών σε μια ίνα Kevlar Η κυρίαρχη δομή στο εσωτερικό μιας ίνας Kevlar είναι αυτή των εναλλασσόμενων ακτινικά προσανατολισμένων κρυσταλλικών περιοχών κατά μήκος της ίνας. Σχηματίζονται έτσι «πτυχώσεις» κάθε 250 μm περίπου, με μια γωνία ίση με 170 ο. Με τον εφελκυσμό της ίνας οι «πτυχώσεις» αυτές εξαφανίζονται, κάτι που αποδεικνύει ότι η ύπαρξή τους προσδίδει στην ίνα ολκιμότητα, μειώνοντας το μέτρο ελαστικότητάς της. Σχήμα 3.13 Πτυχώδης δομής μιας ίνας Kevlar 62

85

86

87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΘΕΡΜΟΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΚΡΑΜΑΤΟΣ ΜΝΗΜΗΣ ΣΧΗΜΑΤΟΣ ΝΙΚΕΛΙΟΥ - ΤΙΤΑΝΙΟΥ 4.1 Εισαγωγή Ο θερμομηχανικός χαρακτηρισμός συρμάτων NiTi και η κατανόηση του τρόπου λειτουργίας τους σε πραγματικές συνθήκες, με σκοπό την ενσωμάτωση τους σε πολυμερικά σύνθετα, είναι ο στόχος του παρόντος κεφαλαίου. Επίσης, ένα μικρό τμήμα του κεφαλαίου είναι αφιερωμένο στην απόκριση των Κραμάτων Μνήμης Σχήματος σε μορφή ράβδου. μετά από στρεπτική καταπόνηση, στα πλαίσια του προγράμματος ΠΕΝΝΕΔ, που περιγράφηκε στην εισαγωγή της εργασίας. Ο χαρακτηρισμός των συρμάτων NiTi, περιλαμβάνει μηχανικά πειράματα εφελκυσμού σε μαρτενσιτική και οστενιτική κατάσταση, μέτρηση ηλεκτρικών ιδιοτήτων του υλικού σε πλήρη κύκλο μετασχηματισμού, ενεργοποίηση και μέτρηση των αναπτυσσόμενων μηχανικών τάσεων, καταγραφή της θερμοκρασιακής κατανομής στην επιφάνειά του σύρματος με χρήση θερμικής κάμερας υπερύθρου, προσδιορισμό των θερμοκρασιών μετασχηματισμού και άλλων θερμοδυναμικών παραμέτρων με χρήση της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC), μικροσκοπική παρατήρηση μέσω ηλεκτρονιακής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) και τέλος, πειράματα λειτουργικής κόπωσης του υλικού και πειράματα χαλάρωσης της αναπτυσσόμενης μηχανικής τάσης μετά τον πρώτο κύκλο θέρμανσης. 63

88 Για τη διεξαγωγή των μετρήσεων, χρησιμοποιήθηκε ο εργαστηριακός εξοπλισμός του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ, καθώς και το πρωτοποριακό σύστημα θερμομηχανικού χαρακτηρισμού υλικών με την ονομασία THERMIS, που αναπτύχθηκε στο Εργαστήριο Μηχανικής των Υλικών του Ινστιτούτου. Στην επόμενη παράγραφο, ακολουθεί η περιγραφή του συστήματος αυτού, ενώ οι υπόλοιπες πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. 4.2 Σύστημα Θερμομηχανικού Χαρακτηρισμού Κραμάτων Μνήμης Σχήματος THERMIS Η πειραματική διάταξη Τhermis αναπτύχθηκε στα πλαίσια της ανάγκης του ολοκληρωμένου χαρακτηρισμού των ιδιοτήτων και της λειτουργικότητας των Κραμάτων Μνήμης Σχήματος αλλά και των πολύ-λειτουργικών συνθέτων που τα ενσωματώνουν. Προσφέρει τη δυνατότητα διεξαγωγής πειραμάτων σε σύνθετα κυλινδρικής ή τετραγωνικής γεωμετρίας αλλά και σε κράματα σε μορφή σύρματος, ράβδου ή ταινίας, επιβάλλοντας ή μετρώντας (ανάλογα με τον τύπο του πειράματος) εφελκυστικές, θλιπτικές ή στρεπτικές τάσεις. Σχήμα 4.1 Το σύστημα θερμομηχανικού χαρακτηρισμού THERMIS 64

89 Η σύστημα Thermis αποτελείται από τα εξής συνεργαζόμενα υποσυστήματα: α) Σερβοϋδραυλικό πλαίσιο μηχανικών δοκιμών. Η διάταξη αυτή προέρχεται από την εταιρία MTS (model: 828 Bionix) και περιλαμβάνει επιτραπέζιο πλαίσιο που φέρει υδραυλικό ρυθμιζόμενο έμβολο φόρτισης μέγιστης διαδρομής 100 mm, επάνω στο οποίο προσαρμόζονται υδραυλικές αρπάγες μέγιστης πίεσης 20 kpa, ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου με πολλαπλές δυνατότητες επεξεργασίας σημάτων και ηλεκτρονικό υπολογιστή για τον προγραμματισμό των πειραματικών σταδίων και την καταγραφή των δεδομένων με ταχύτητα έως και 100 μετρήσεις ανά δευτερόλεπτο. Η μονάδα ελέγχου της μηχανής MTS, εκτός από τις βασικές ενσωματωμένες παραμέτρους (μήκος, παραμόρφωση, δύναμη, χρόνο), έχει επιπλέον τη δυνατότητα επεξεργασίας έως και 5 διαφορετικών εξωτερικών σημάτων που μπορεί να προέρχονται από αισθητήρες τοποθετημένους στο εξεταζόμενο υλικό, όπως π.χ. θερμοζεύγη ή μηκυνσιόμετρα. Τα διαθέσιμα δυναμοκελιά (load-cells) για τη διεξαγωγή των πειραμάτων ήταν τα εξής: 1Ν/10Ν, 250Ν/2500Ν και 2500Ν/2.5kN, με την ακρίβεια των μετρήσεων για το δεύτερο loadcell, το οποίο και χρησιμοποιήσαμε στην εργασία αυτή, να είναι ±0.1Ν. β) Θερμική κάμερα υπερύθρου ακτινοβολίας. Η θερμική κάμερα της εταιρίας Nikon (model: Thermal Vision Laird 3A, InfraRed) χρησιμοποιείται για την αποτύπωση του θερμοκρασιακού προφίλ της επιφάνειας των Κραμάτων Μνήμης Σχήματος αλλά και των υβριδικών συνθέτων υλικών, δίνοντας πολύτιμες πληροφορίες ακόμη και για την κατανομή των μηχανικών τάσεων, όπως θα δούμε στη συνέχεια. Η αποτύπωση σε ψηφιακή εικόνα των θερμοκρασιακών διαφορών στο υλικό, γίνεται με χρήση διαφορετικών χρωμάτων για κάθε ζώνη. με Διαθέτει φακούς κοντινής (χρησιμοποιήθηκε για την απεικόνιση της θερμοκρασιακής κατανομής στα σύρματα) και μακρινής (χρησιμοποιήθηκε στα σύνθετα) εστίασης και ελέγχεται από Η/Υ, δίνοντας τη δυνατότητα αποθήκευσης και περαιτέρω επεξεργασίας των δεδομένων. Επίσης, με τη βοήθεια της θερμικής κάμερας, μπορεί να υπολογιστεί η θερμοκρασία ενός οποιουδήποτε σημείου μιας επιφάνειας, αρκεί να γνωρίζουμε 65

90 την απόλυτη τιμή της σε κάποιο άλλο σημείο, τοποθετώντας π.χ. ένα και μόνο θερμοζεύγος. γ) Συσκευή επιλεκτικής ενεργοποίησης συρμάτων SMA. Για τις ανάγκες της συγκεκριμένης εργασίας, μελετήθηκε και κατασκευάστηκε στο Ηλεκτροτεχνείο του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ μια διάταξη που δίνει τη δυνατότητα ταυτόχρονης και ανεξάρτητης ενεργοποίησης (θέρμανσης) έως και 20 συρμάτων SMA, μέσω της διοχέτευσης κατάλληλης ποσότητας ηλεκτρικού ρεύματος (φαινόμενο Joule). Κατά τη διάρκεια του πειράματος, ελέγχονται με ακρίβεια οι χρόνοι θέρμανσης και ψύξης του υλικού και τα δεδομένα καταγράφονται από ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η συσκευή βασίζεται στον προγραμματιζόμενο λογικό ελεγκτή (PLC Programmable Logic Controller) Simatic της Siemens. H δυνατότητα των 20 ανεξάρτητων εξόδων, επιτρέπει την ταυτόχρονη ρευματοδότηση ισάριθμων αγωγών, με διαφορετικά χαρακτηριστικά ρεύματος για τον κάθε ένα, με τη χρήση ενός μόνο εξωτερικού τροφοδοτικού. δ) Σύστημα καταγραφής θερμοκρασίας. Η θερμοκρασία των εξεταζόμενων υλικών (συρμάτων SMA, ράβδων SMA και συνθέτων) αποτελεί κρίσιμο μέγεθος για τη διεξαγωγή οποιασδήποτε μέτρησης, πολύ περισσότερο μάλιστα, από τη στιγμή που ο μετασχηματισμός που σχετίζεται με το Φαινόμενο Μνήμης είναι θερμικά ενεργοποιούμενος. Η χρήση του προηγμένου συστήματος της θερμικής κάμερας, ενδείκνυται για την αποτύπωση της θερμοκρασιακής κατανομής, αλλά παρουσιάζει μικρό σφάλμα στη μέτρηση της απόλυτης τιμής της θερμοκρασίας. Η ακρίβεια στη μέτρηση του μεγέθους, εξασφαλίζεται από τη διάταξη του πολυκάναλου (δέχεται έως και 10 διαφορετικά εξωτερικά σήματα) συστήματος καταγραφής, που αποτελείται από: θερμοζεύγη τύπου J της εταιρίας RS, κάρτα μετατροπής αναλογικού σήματος (analog to digital card) της Advantech και ηλεκτρονικό υπολογιστή για την αποθήκευση των δεδομένων. Όταν το σύστημα αυτό δε χρησιμοποιείται αυτόνομα, συντελεί στη διόρθωση της θερμικής απεικόνισης των επιφανειών, εφοδιάζοντας το λογισμικό της IR κάμερας, με την ακριβέστερη τιμή της θερμοκρασίας κάποιου σημείου. 66

91 ε) Ιδιοσκευή για στρεπτικής φόρτισης SMA. Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, στα πλαίσια της έρευνας για τη χρήση των υλικών SMA ως ενεργοποιητές σε συστήματα διατατικής οστεογένεσης, εκτός από την ικανότητα παραγωγής μηχανικής τάσης από σύρματα NITi, εξετάστηκε σε συνεργασία με την υπόλοιπη ομάδα του ΠΕΝΝΕΔ, και η απόκριση ράβδου SMA σε στρεπτική παραμόρφωση. Για τις ανάγκες του πειράματος αυτού, κατασκευάστηκε ιδιοσυσκευή που δίνει τη δυνατότητα στο σύστημα Thermis, να μετρά και να καταγράφει τη ροπή επαναφοράς και τη γωνιακή παραμόρφωση των ράβδων. Σχήμα 4.2 Τμήματα του συστήματος Thermis (α) σερβοϋδραυλική μηχανή δοκιμών MTS, (β) θερμική κάμερα υπερύθρου της Nikon και (γ) ιδιοσυσκευή μέτρησης στρεπτικών τάσεων ενσωματωμένη στην MTS. Εκτός από τα παραπάνω υποσυστήματα, η διάταξη Thermis, πλαισιώνεται από ψηφιακό προγραμματιζόμενο πολύμετρο, για τη μέτρηση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των υλικών (ρεύμα, τάση, ωμική αντίσταση) της εταιρίας Fluke, το οποίο διαθέτει τη δυνατότατα απευθείας σύνδεσης με Η/Υ και καταγραφής δεδομένων, συγχρόνως με την εξέλιξη του πειράματος. Αναπτύχθηκε τέλος, και μια φορητή επιτραπέζια διάταξη για την προτάνυση των συρμάτων, αλλά και για τη μέτρηση των μηχανικών τάσεων ενεργοποίησης, που χρησιμοποιήθηκε σε περιπτώσεις που η συμμετοχή μιας συσκευή της κλίμακας μεγέθους της MTS, δεν κρίθηκε αναγκαία. 67

92 Σχήμα 4.3 Φορητή επιτραπέζια ιδιοσυσκευή προτάνυσης και μέτρησης μηχανικών τάσεων ενεργοποίησης για σύρματα SMA. 4.3 Τρόπος μέτρησης των αναπτυσσόμενων μηχανικών τάσεων ενεργοποίησης Όπως έχει ήδη αναφερθεί, η θέρμανση των υλικών SMA πραγματοποιείται με την εκμετάλλευση του φαινομένου Joule. Η διοχέτευση ηλεκτρικού ρεύματος δια μέσω ενός αγωγού, αυξάνει τη θερμική του ενέργεια, κάτι που γίνεται αισθητό με την αύξηση της θερμοκρασίας του. Ο ρυθμός μετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε θερμότητα (ισχύς, P) είναι ανάλογη του τετραγώνου της έντασης του ρεύματος (Ι) που διέρχεται από αυτόν και ανάλογη της ωμικής του αντίστασης (R), σύμφωνα με την απλή σχέση που φαίνεται πιο κάτω: Σχέση 4.1 Η παραπάνω εξίσωση, έχει κατά κανόνα ποιοτική σημασία για την περίπτωση του κράματος NiTi, αφού μπορεί να υπολογίσει κατά προσέγγιση μόνο την ενέργεια που μετατρέπεται σε θερμότητα. Ο λόγος είναι ότι η ωμική αντίσταση των υλικών γενικά, εξαρτάται από τη θερμοκρασία και μάλιστα στην περίπτωση του κράματος που μελετάμε, η εξάρτηση είναι εντονότερη: η άνοδος της θερμοκρασίας οδηγεί σε αλλαγή της κρυσταλλικής δομής του NiTi και άρα αλλάζει αρκετά τις ιδιότητές του. Ας μη ξεχνάμε ότι η μέθοδος της ωμικής αντίστασης, λόγω ακριβώς των αλλαγών που υφίσταται από τη μαρτενσιτική στην οστενιτική δομή, είναι ένας από τους τρόπους προσδιορισμού των θερμοκρασιών μετασχηματισμού, όπως είδαμε σε προηγούμενο κεφάλαιο. 68

93 Ανεξάρτητα από τη μεταβατική μεταβολή της αντίστασης του σύρματος, ο έλεγχος της ποσότητας του ρεύματος, γίνεται με βάση την τελική θερμοκρασία του δοκιμίου, η οποία πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την Α f, έτσι ώστε να έχει ολοκληρωθεί ο μετασχηματισμός. Η θερμοκρασία μετράται με τη διάταξη θερμοκρασιακής καταγραφής που περιγράφηκε στην παράγραφο 4.2 και σε κάθε δοκίμιο, για ακρίβεια στις μετρήσεις, τοποθετούνται 3 θερμοζεύγη που μετρούν ταυτόχρονα. Στη συνέχεια, η απαραίτητη ψύξη για την εκδήλωση του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού, πραγματοποιείται με φυσικό τρόπο, διακόπτοντας την παροχή ρεύματος και με απαγωγή της θερμότητας από το δοκίμιο προς το περιβάλλον. Η εκδήλωση του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος, όταν το σύρμα βρίσκεται σε ελεύθερη κατάσταση, οδηγεί σε ανάκτηση του αρχικού σχήματος, αλλά όχι και στην ανάπτυξη μηχανικών τάσεων από το υλικό (Βλ. Σχ. 4.4α). Σχήμα 4.4 Σχηματική αναπαράσταση του τρόπου μέτρησης των μηχανικών τάσεων ενεργοποίησης συρμάτων στο σύστημα Thermis. Στο Σχήμα 4.4β, φαίνεται μια απλουστευμένη εκδοχή του τρόπου μέτρησης των μηχανικών τάσεων από το σύστημα Thermis. Το σύρμα συγκρατείται 69

94 προτανυσμένο στις ακίνητες αρπάγες της μηχανής MTS και εν συνεχεία θερμαίνεται. Όπως έχουμε περιγράψει, ένα ποσοστό του POM, μετατρέπεται σε οστενίτη (P, parent phase) και το σύρμα τείνει να ανακτήσει το μήκος του. Ο περιορισμός των άκρων του όμως, δεν το επιτρέπει, με αποτέλεσμα το σύρμα να ασκεί δυνάμεις στις αρπάγες, οι οποίες καταγράφονται από το εν σειρά τοποθετημένο load cell της μηχανής. Οι δυνάμεις αυτές είναι εφελκυστικής φύσεως, παρόμοιες με αυτές που θα κατέγραφε το σύστημα εάν εφελκύαμε το σύρμα. Κατά τον τρόπο αυτό, καταγράφονται οι μηχανικές αναπτυσσόμενες τάσεις. Η ψύξη του δοκιμίου, οδηγεί στη μετατροπή της μητρικής οστενιτικής φάσης σε SAM και οι τάσεις κατά μήκος του σύρματος μηδενίζονται, εωσότου η διαδικασία επαναληφθεί. Η ίδια ακριβώς λογική επικρατεί και στην περίπτωση των πειραμάτων, όπου αντί για σύρμα SMA, έχουμε σύνθετο υλικό με ενσωματωμένα σύρματα Μνήμης Σχήματος. Το πρώτο βήμα για το θερμομηχανικό χαρακτηρισμό των συρμάτων NiTi που χρησιμοποιήθηκαν στην εργασία αυτή, είναι ο προσδιορισμός της πλέον κρίσιμης σχεδιαστικής παραμέτρου, για οποιοδήποτε ευφυές σύστημα με βάση τα SMA: των θερμοκρασιών μετασχηματισμού του κράματος. 4.4 Προσδιορισμός των θερμοκρασιών μετασχηματισμού του υλικού με χρήση DSC Η μέθοδος που επιλέχθηκε για τον προσδιορισμό των κρίσιμων αυτών θερμοκρασιών είναι αυτή της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC), για λόγους που έχουν παρουσιαστεί στην παράγραφο 2.7. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε, είναι κατασκευασμένη από την εταιρία TA Instruments (model: Q100) και ανήκει στο ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε, βασίστηκε σε αυτή που περιγράφεται στο πρότυπο ASTM F2005 [12]. Η επεξεργασία των δεδομένων και ο υπολογισμός των θερμοκρασιών και των υπολοίπων θερμοδυναμικών μεγεθών, πραγματοποιήθηκε με το λογισμικό TA Universal Analysis, της ίδιας εταιρίας. Το υλικό που εξετάστηκε και χρησιμοποιήθηκε σε όλα τα πειράματα χαρακτηρισμού καθώς και στην κατασκευή των υβριδικών συνθέτων υλικών, προέρχεται από την βελγική εταιρία AMT, είναι σε μορφή σύρματος διαμέτρου 70

95 0.291 ±0.005 mm, με οξειδωμένη επιφάνεια και δυαδική σύσταση Ni και Ti, με το Ni να περιέχεται σε ποσοστό 51% κ.β. Το σύρμα αυτό, που φέρει από την εταιρία τον εμπορικό κωδικό NT10, έχει παραχθεί με τη μέθοδο τη ψυχρής διέλασης και έχει υποστεί μετά την παραγωγή του και πριν από τη συσκευασία του, τη θερμική διαδικασία της ανόπτησης για την εξομάλυνση των θερμικών τάσεων και των εσωτερικών ατελειών της δομής του. Η αρχική απαίτηση ήταν, το υλικό να παρουσιάζει θερμοκρασία Α f στο επίπεδο των 85 ο C. Σχήμα 4.5 ΤΑ Instruments DSC Q100, η συσκευή διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης που χρησιμοποιήθηκε για τις μετρήσεις των συρμάτων NiTi. Η βασική αρχή των DSC μετρήσεων έχει παρουσιαστεί στο 2 ο κεφάλαιο. Το σύνολο των δειγμάτων που εξετάστηκαν έφθασε τα δέκα. Η μάζα του υλικού που χρησιμοποιήθηκε σε κάθε αλουμινένιο κελί, ήταν περίπου 10 mg και πριν από το τεστ, το σύρμα τοποθετήθηκε σε φούρνο για 5 min και σε θερμοκρασία 85 ο C. Αυτό έγινε για να αφαιρεθούν τυχόν παραμορφώσεις στις οποίες έχει υποβληθεί το υλικό κατά τη συσκευασία του. Το κάθε δείγμα, υποβλήθηκε σε 4 κύκλους θέρμανσηςψύξης, μεταξύ 25 ο C και 130 ο C, με το ρυθμό μεταβολής της θερμοκρασίας να είναι 10 ο C.min Αποτελέσματα Η συμφωνία των αποτελεσμάτων μεταξύ και των 10 δειγμάτων ήταν σχεδόν απόλυτη. Στο Σχήμα 4.6, φαίνεται το διάγραμμα της ενέργειας ανά μονάδα μάζας, συναρτήσει της θερμοκρασίας του δείγματος, για το σύρμα NiTi. 71

96 Σχήμα 4.6 Αποτελέσματα μετρήσεων DSC για το σύρμα NiTi, Ni 51wt%, αμέσως μετά την παραλαβή του. Είναι εμφανής η διαφορά στη συμπεριφορά του σύρματος κατά τον πρώτο κύκλο, σε αντίθεση με τους υπόλοιπους κύκλους όπου η απόκριση του είναι σταθερότατη. Είναι πολύ λογικό συνεπώς, τα δεδομένα της πρώτης ενεργοποίησης να μη συμμετέχουν στους υπολογισμούς των μεγεθών. Σε προηγούμενη παράγραφο, με θέμα το μηχανισμό παραγωγής μηχανικής τάσης από σύρματα με κινητικούς περιορισμούς, είχε γίνει λόγος για το φαινόμενο αυτό (Βλ. Σχ.3.10, κεφ.3). Παρά το γεγονός ότι το δοκίμιο θεωρείται ελεύθερο να κινηθεί κατά τη διάρκεια των μετρήσεων στο DSC, πρέπει να λάβουμε υπόψη, το ότι το σύρμα καταπονείται από μηχανικές τάσεις κατά τη συγκράτηση και την κοπή του, κατά τη μεταφορά του στο αλουμινένιο κελί, αλλά και κατά τον εγκλεισμό του σε αυτό. Επίσης, το πρεσάρισμα του αεροστεγούς κελιού, επιβάλλει περιορισμούς στην ελεύθερη κίνηση του δείγματος που ναι μεν καμία σχέση δεν έχουν με την πάκτωση των άκρων του ή με την ενσωμάτωση του σύρματος σε κάποια μήτρα, δεν παύουν όμως να υπάρχουν. Υπάρχει, συνεπώς, λόγω των μικρών, αλλά υπαρκτών παραμορφώσεων, κάποιο μικρό ποσοστό POM στο δείγμα αρχικά. Οι κινηματικοί περιορισμοί που επιβάλλει το αλουμινένιο περίβλημα επιτρέπουν μέρος μόνο του POM να μετασχηματιστεί σε οστενίτη με τη θέρμανση στον πρώτο κύκλο (το οποίο 72

97 μετατρέπεται σε SAM με την ψύξη) ενώ το υπόλοιπο ποσοστό του POM γίνεται FOM. Από τη δεύτερη ενεργοποίηση και έπειτα, το ποσοστό του FOM παραμένει ως έχει και ο μετασχηματισμός συμβαίνει μεταξύ SAM και οστενίτη (P) και για το λόγο αυτό η συμπεριφορά του δείγματος είναι σταθερή. Με πιο απλά λόγια, επικρατούν τέτοιες συνθήκες στο πείραμα, που μας επιτρέπουν να θεωρήσουμε ότι ισχύει η κατάσταση που περιγράφεται στο Σχήμα 3.10 του προηγούμενου κεφαλαίου, σε ένα μικρό μόνο μέρος του δείγματος μέσα στο κελί, ενώ το υπόλοιπο δείγμα μετασχηματίζεται χωρίς κανένα περιορισμό. Με τη βοήθεια του λογισμικού της TA, υπολογίζουμε τις θερμοκρασίες μετασχηματισμού, την υστέρηση, αλλά και την ενθαλπία της εξώθερμης και της ενδόθερμης μεταβολής. Η ενθαλπία, στο συγκεκριμένο διάγραμμα, δίνεται από το εμβαδόν που περικλείεται από την καμπύλη στην περιοχή των κορυφών. Οι υπολογισμοί φαίνονται στον πιο κάτω πίνακα (με δείκτη p, σημειώνονται οι θερμοκρασίες που αντιστοιχούν στο σημείο της κορυφής): A s ( 0 C) Austenitic transformation A p ( 0 C) A f ( 0 C) Latent heat (J/g) A f -A s ( 0 C) M s ( 0 C) Martensitic transformation M p ( 0 C) M f ( 0 C) Latent heat (J/g) M f -M s ( 0 C) Hyster. ( 0 C) Πίνακας 4.1 Υπολογισμός των χαρακτηριστικών θερμοκρασιών, της υστέρησης και της λανθάνουσας θερμότητας των μετασχηματισμών για σύρμα NiTi, Ni 50wt%, με χρήση DSC. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του DSC, ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός ξεκινά στη θερμοκρασία Μ s =62.5 ο C και ολοκληρώνεται σε θερμοκρασία Μ f =43.6 ο C, με εύρος 18.9 ο C. Ο αντίστροφος μετασχηματισμός έχει θερμοκρασία εκκίνησης Α s =73.3 ο C και θερμοκρασία ολοκλήρωσης Α f =82.6 ο C, με εύρος 9.3 ο C. Η υστέρηση του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος, υπολογίστηκε ίση με 26.8 ο C. Αξίζει να σημειώσουμε, ότι ο αντίστροφος μετασχηματισμός ολοκληρώνεται σε θερμοκρασία που απέχει ελάχιστα από αυτήν που είχαμε αρχικά απαιτήσει, από την εταιρία κατασκευής του κράματος. 73

98 4.5 Ηλεκτρικές μετρήσεις στα σύρματα NiTi Στην προηγούμενη παράγραφο, προσδιορίσαμε πειραματικά τις θερμοκρασίες μετασχηματισμού για το σύρμα Νικελίου Τιτανίου με τη μέθοδο της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης. Η μέθοδος της ηλεκτρικής αντίστασης, όπως έχουμε δει ήδη, παλαιότερα χρησιμοποιείτο για τον ίδιο λόγο, με αμφισβητούμενη όμως ακρίβεια. Οι ηλεκτρικές μετρήσεις που παρουσιάζονται στην παράγραφο αυτή, δεν έχουν ως στόχο τον υπολογισμό των κρίσιμων αυτών θερμοκρασιών, αφού η μέθοδος του DSC θεωρείται αξιόπιστη και τα αποτελέσματα που μας έδωσε για το as-received υλικό, βρίσκονται σε συμφωνία με αυτά του κατασκευαστή. Αποσκοπούν όμως, στην πιστοποίηση της ανίχνευσης του μετασχηματισμού μέσω της ωμικής αντίστασης για το υλικό μας, στον εντοπισμό της υστερητικής συμπεριφοράς, στην ποιοτική σύγκριση των μεθόδων ωμικής αντίστασης και DSC στην πράξη και στη μελέτη της απόκρισης του υλικού μας ως αγωγού ηλεκτρικού ρεύματος στο φαινόμενο Joule Πειραματική διαδικασία Όλα τα σύρματα που εξετάστηκαν προέρχονται από την εταιρία ΑΜΤ και οι προδιαγραφές τους παρουσιάστηκαν στην παράγραφο 4.4. Το ενεργό μήκος των δειγμάτων ήταν σταθερό και ίσο με 120 mm. Τα σύρματα τοποθετήθηκαν στις αρπάγες της μηχανής MTS, με κατακόρυφο προσανατολισμό και χωρίς προτάνυση. Σε κάθε δείγμα χρησιμοποιήθηκαν 3 θερμοζεύγη για μεγαλύτερη ακρίβεια, τοποθετημένα στο μέσο του δοκιμίου και σε απόσταση 30 mm εκατέρωθεν. Η επιφανειακή θερμοκρασία του δοκιμίου, υπολογίστηκε για κάθε περίπτωση, με βάση τη μέση τιμή των τριών μετρήσεων. Οι θερμοκρασίες αποθηκεύονταν στο σύστημα καταγραφής θερμοκρασιών του Thermis (βλ. 4.2). Η θέρμανση των συρμάτων πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια ηλεκτρονικού τροφοδοτικού, με δυνατότητες καταγραφής σε H/Y και επιλογή λειτουργίας μεταξύ πηγής ρεύματος ή πηγής τάσης. Η σύνδεση του σύρματος με την τροφοδοσία, έγινε με καλώδια 74

99 μηδενικής αντίστασης της εταιρίας RS, για ελαχιστοποίηση του φαινομένου της πτώσης τάσης κατά μήκος των αγωγών, έτσι ώστε η διαφορά δυναμικού της πηγής (στην έξοδο του τροφοδοτικού), να ισούται με αυτήν στα άκρα του σύρματος. Η ρευματοδότηση του σύρματος, πραγματοποιήθηκε με έλεγχο της ηλεκτρικής τάσης και βήμα 0.2 V. Στο ύψος του μέσου του δοκιμίου, υπήρχε εγκατεστημένη η θερμική κάμερα υπερύθρου, που μας έδινε τη δυνατότητα να αποτυπώνουμε τη θερμική του εικόνα σε τακτά χρονικά διαστήματα. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, ο χώρος παρέμενε ερμητικά κλειστός για να εξασφαλιστεί σταθερή θερμοκρασία περιβάλλοντος και η όσο το δυνατόν μικρότερη ταχύτητα των ρευμάτων αέρα που περιέβαλλαν το δοκίμιο Μέτρηση της Ειδικής Αντίστασης του σύρματος NiTi, για πλήρη κύκλο μετασχηματισμού Ακολουθώντας την πειραματική διαδικασία που περιγράφηκε πιο πάνω, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις της ωμικής αντίστασης των συρμάτων Νικελίου Τιτανίου σε θερμοκρασίες από 25 ο C (συνθήκες δωματίου) έως 100 ο C. Η ωμική αντίσταση δε μετρήθηκε απευθείας με παράλληλη σύνδεση του πολύμετρου, αλλά υπολογίστηκε από τις καταγεγραμμένες τιμές της τάσης στα άκρα του σύρματος και της έντασης του ρεύματος που το διαρρέει, σύμφωνα με τη σχέση: Σχέση 4.2 όπου V, είναι η τάση στα άκρα του σύρματος NiTi σε Volt (V),, είναι η ένταση του ρεύματος σε Ampere (A), και R, είναι η ωμική αντίσταση σε Ohm (Ω) Το ηλεκτρικό μέγεθος της ωμικής αντίστασης για κάποιο δεδομένο υλικό, εξαρτάται από τη γεωμετρία του, όπως άλλωστε και τα μεγέθη V και Ι. Κατά συνέπεια, είναι δύσκολο να συγκριθούν τα αποτελέσματα με αντίστοιχα της βιβλιογραφίας για παρόμοια υλικά, εφόσον μικρές διαφορές στη διάμετρο ή στο μήκος, δίνουν διαφορετικές τιμές ωμικής αντίστασης. Πολύ πιο δύσκολο θα ήταν δε, να συγκριθεί με βάση την ωμική αντίσταση, η μεταβατική συμπεριφορά δύο υλικών 75

100 ίδιας ακριβώς σύστασης, αλλά διαφορετικής γεωμετρίας, π.χ. δύο συρμάτων με το ίδιο μήκος και με διαμέτρους 0.3 mm και 0.15 mm. Για το λόγο αυτό, επιλέχθηκε να χρησιμοποιηθεί η ειδική αντίσταση (resistivity), η οποία κατά κάποιο τρόπο ακυρώνει τη συμμετοχή των γεωμετρικών παραγόντων στους υπολογισμούς. Η ειδική αντίσταση εκφράζει την ωμική αντίσταση ανά μονάδα μήκους και ανά μονάδα επιφάνειας της διατομής και για ένα κυλινδρικό συμπαγή αγωγό, δίνεται από τη σχέση: Σχέση 4.3 όπου, Α, είναι η διατομή του αγωγού σε m 2,, είναι το μήκος του σε m, και ρ, είναι η ειδική αντίσταση σε Ohm*m Στη δική μας περίπτωση, το μήκος του δοκιμίου είναι και η διατομή του είναι. Στο Σχήμα 4.7, δίνεται η ειδική αντίσταση του σύρματος NiTi, συναρτήσει της θερμοκρασίας της επιφάνειας του υλικού για ένα πλήρη κύκλο μετασχηματισμού, βασισμένη στις μετρήσεις της ωμικής αντίστασης. 9.5 Resistivity / (Ohm*mm) / (x10-4 ) Temperature / o C Σχήμα 4.7 Η ειδική αντίσταση του σύρματος NiTi σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας του για ένα πλήρη κύκλο θέρμανσης ψύξης. 76

101 Η μεταβολή στην τιμή της ειδικής αντίστασης είναι φανερή, τόσο κατά τη θέρμανση, όσο και κατά την ψύξη του υλικού, σχηματίζοντας ένα χαρακτηριστικό σκαλοπάτι στη μεταβατική περιοχή. Η συμπεριφορά αυτή, αποτελεί ένδειξη της αλλαγής της κρυσταλλογραφικής κατάστασης του κράματος. Παρατηρούμε επίσης, πως για θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 50 ο C, η ίδια τιμή ειδικής αντίστασης, επιτυγχάνεται σε μικρότερες θερμοκρασίες στη διαδικασία ψύξης από ότι στη θέρμανση. Το παραπάνω, είναι δείγμα της υστερητικής συμπεριφοράς του μετασχηματισμού, όπως ακριβώς φάνηκε και στα πειράματα με τη μέθοδο DSC. Πρέπει να σημειώσουμε, ότι η συνολική μεταβολή της ειδικής αντίστασης στο θερμοκρασιακό εύρος του μετασχηματισμού, όπως φαίνεται από το Σχήμα 4.7, είναι της τάξης του 10%. Τα αποτελέσματα αυτά, συμφωνούν με ανάλογες μετρήσεις της βιβλιογραφίας [56]. Είναι γεγονός, ότι η μεταβολή της αντίστασης, δε μπορεί να μας οδηγήσει σε ασφαλή συμπεράσματα όσον αφορά τις θερμοκρασίες ενεργοποίησης του κράματος, όπως δείχνει και το Σχήμα 4.8, στο οποίο φαίνεται η πειραματική καμπύλη της ειδικής αντίστασης συναρτήσει της θερμοκρασίας, με ταυτόχρονη απεικόνιση των θερμοκρασιακών ζωνών του μαρτενσιτικού και του αντίστροφου μετασχηματισμού όπως προέκυψαν από το DSC. Resistivity / (Ohm*mm) / (x10-4 ) DSC M f M s A s A f Temperature / o C Σχήμα 4.8 Ταυτόχρονη απεικόνιση της μεταβολής της ειδικής αντίστασης και των θερμοκρασιακών ζωνών μετασχηματισμού που υπολογίστηκαν μέσω DSC, για το σύρμα NiTi. 77

102 Οι θερμοκρασίες εκκίνησης και πέρατος του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού, σύμφωνα με τη μεταβολή της αντίστασης, είναι μετατοπισμένες προς υψηλότερες τιμές. Το ακριβώς αντίθετο συμβαίνει με τον οστενιτικό μετασχηματισμό, που οι αντίστοιχες θερμοκρασίες είναι μετατοπισμένες προς χαμηλότερες τιμές σε σχέση με αυτές που δίνει το DSC, αλλά και η εταιρία κατασκευής του σύρματος NiTi. Από το διάγραμμα, η θερμοκρασία Μ s εντοπίζεται περίπου στους 65 o C και η Μ f στους 45 ο C. Οι τιμές για τα Α s και Α f, είναι περίπου 55 ο C και 75 ο C αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα, καθώς και μια εκτίμηση της ποσοστιαίας διαφοράς των τιμών του DSC σε σχέση με τιμές της μεθόδου της αντίστασης, φαίνονται στον επόμενο πίνακα: A s A f A f -A s M s M f M f -M s ( 0 C) ( 0 C) ( 0 C) ( 0 C) ( 0 C) ( 0 C) Resistivity graph DSC % difference +33% +10% -54% -3.5% -3% -5.5% Πίνακας 4.2 Σύγκριση των θερμοκρασιών και του εύρους των μετασχηματισμών, όπως προκύπτουν από το γράφημα της ειδικής αντίστασης και από το DSC. Η μέθοδος της ηλεκτρικής αντίστασης, στη συγκεκριμένη περίπτωση, έχει προσεγγίσει πολύ καλύτερα τις θερμοκρασίες του μαρτενσιτικού μετασχηματισμού, αλλά και το εύρος του, με μικρές αποκλίσεις. Αντίθετα, οι αποκλίσεις στο εύρος και στις θερμοκρασίες του αντίστροφου μετασχηματισμού είναι μεγάλες. 78

103 4.5.3 Η θερμοκρασία του σύρματος NiTi σαν συνάρτηση της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ισχύος. Ανεξάρτητα από το εάν θα χρησιμοποιήσουμε πηγή τάσης ή πηγή ρεύματος για να ενεργοποιήσουμε το Κράμα Μνήμης Σχήματος, η τελική του θερμοκρασία, εξαρτάται από την ηλεκτρική ενέργεια που του παρέχουμε και από το ποσοστό της ενέργειας αυτής που μετατρέπεται σε θερμότητα λόγω ωμικής αντίστασης. Ο ρυθμός της ενέργειας που καταναλώνεται σε μια αντίσταση, δηλαδή η ισχύς (P), δίνεται από το γινόμενο: Σχέση 4.4 Με την ίδια ακριβώς πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε στην προηγούμενη παράγραφο, για ένα σύρμα μήκους 120 mm, καταγράψαμε τα μεγέθη V και Ι, μέχρι τη θερμοκρασία των 180 ο C. Ο στόχος ήταν, αφενός να υπολογιστεί η απαιτούμενη ισχύς για να φθάσει το σύρμα στην επιθυμητή θερμοκρασία και αφετέρου, να εξαχθεί μια μαθηματική σχέση που θα συνδέει την ισχύ με τη θερμοκρασία. Κατά τον τρόπο αυτό, στην περίπτωση που χρειαζόταν να αυξομειωθεί η θερμοκρασία του δοκιμίου, απλά θα μπορούσαμε να διοχετεύσουμε την ανάλογη ισχύ μέσω του τροφοδοτικού, χωρίς την ανάγκη να χρησιμοποιήσουμε θερμοζεύγη ή κάποιο άλλο σύστημα. Επίσης, για το λόγο ότι η ισχύς είναι ανάλογη της ωμικής αντίστασης του σύρματος (Σχέση 4.4) και η ωμική αντίσταση είναι ανάλογη του μήκους του σύρματος (Σχέση 4.3), θα μπορούσαμε να χρησιμοποιήσουμε τη μαθηματική αυτή σχέση για να θερμάνουμε σύρματα μεγαλύτερου ή μικρότερου μήκους στην επιθυμητή θερμοκρασία, χωρίς να είναι απαραίτητο να την παρακολουθούμε συνεχώς με κάποιον τρόπο. Στο επόμενο σχήμα, φαίνεται η εξάρτηση της θερμοκρασίας ενός σύρματος μήκους 120 mm, από την ηλεκτρική ισχύ: 79

104 Σχήμα 4.9 H θερμοκρασία του σύρματος σαν συνάρτηση της ηλεκτρικής ισχύος. Η εξάρτηση της θερμοκρασίας από την ηλεκτρική ισχύ είναι γραμμική, αλλά ταυτόχρονα εξαρτάται και από την ωμική αντίσταση του υλικού. Εάν παρατηρήσει κανείς προσεκτικά το γράφημα, θα διαπιστώσει ότι τα πρώτα πειραματικά σημεία, για θερμοκρασίες χαμηλότερες από την Α s, κινούνται πάνω σε διαφορετική ευθεία σε σχέση με αυτήν που κινούνται τα υπόλοιπα σημεία που αντιστοιχούν σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η κλίση της ευθείας προσαρμογής αλλάζει πριν και μετά τη ζώνη του οστενιτικού μετασχηματισμού, γεγονός απόλυτα φυσιολογικό και αναμενόμενο, εφόσον συμβαίνει μεταβολή στην ωμική αντίσταση του υλικού. Η μαθηματική εξίσωση πρώτου βαθμού που φαίνεται πιο κάτω και έχει ισχύ για θερμοκρασίες κοντά και πάνω από την Α s, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να προβλεφθεί η θερμοκρασία σύρματος NiTi, όμοιου με αυτά που χρησιμοποιήθηκαν, μήκους 120 mm ή εμμέσως, σύρματος οποιουδήποτε μήκους, εφόσον το μήκος του αγωγού είναι ανάλογο της καταναλισκόμενης ισχύος. Σχέση 4.5 όπου, Τ, είναι η επιφανειακή θερμοκρασία του σύρματος σε ο C και P, είναι η ηλεκτρική ισχύς σε Watt 80

105 Το σημείο που στο Σχήμα 4.9 έχει την ονομασία target point, είναι το σημείο που αντιστοιχεί στην επιθυμητή θερμοκρασία διεξαγωγής των πειραμάτων (περίπου 90 ο C) που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια. Η θερμοκρασία αυτή, επιλέχθηκε ώστε να βρίσκεται αισθητά πάνω από το σημείο ολοκλήρωσης του αντίστροφου μαρτενσιτικού μετασχηματισμού έτσι ώστε να υπάρχει πλήρης ανάπτυξη των μηχανικών τάσεων του κράματος. Σύμφωνα με τη Σχέση 4.5, η απαιτούμενη ισχύς για τη θέρμανση του σύρματος στη θερμοκρασία των 90 ο C, είναι. Σύμφωνα με το πειραματικό σημείο που αντιστοιχεί στην ίδια θερμοκρασία, η απαιτουμένη ισχύς είναι. Κατά τη διάρκεια των παραπάνω μετρήσεων, η θερμοκρασιακή κατανομή στην επιφάνεια του σύρματος αποτυπώθηκε με τη βοήθεια τη θερμικής κάμερας, για κάθε βήμα (ανά 0.2 V) έως την τελική θερμοκρασία των 180 ο C. O λόγος που η θερμοκρασία έφθασε σε τόσο υψηλό επίπεδο, παρά το ότι ο μετασχηματισμός τελειώνει λίγο πριν τους 85 ο C, ήταν η συλλογή όσο το δυνατόν περισσότερων πειραματικών σημείων, για μεγαλύτερη ακρίβεια στους υπολογισμούς μας. Σχήμα 4.10 Εικόνα από τη θερμική κάμερα του συστήματος Thermis για θερμοκρασία στο κέντρο του σύρματος ίση με 108 ο C. 81

106 Στο Σχήμα 4.10, φαίνεται η θερμική εικόνα του σύρματος στη θερμοκρασία των 108 ο C, με την καταναλισκόμενη ισχύ να είναι ίση με 1.7 Watt περίπου. Η αντιστοιχία των χρωμάτων και των θερμοκρασιών φαίνεται στο αριστερό τμήμα της εικόνας, ενώ στο κάτω και στο δεξιό τμήμα, υπάρχουν γραφήματα που αποτυπώνουν τη θερμοκρασιακή κατανομή στο διαμήκη και στον εγκάρσιο άξονα του δοκιμίου. Το λογισμικό της θερμικής κάμερας, επιτρέπει τη διόρθωση των τιμών της θερμοκρασίας, εάν ο χρήστης το επιθυμεί. Στην περίπτωσή μας, η διόρθωση πραγματοποιείτο με βάση τις μετρήσεις των θερμοζευγών. Ο λόγος που οι θερμοκρασιακές κατανομές ενδέχεται να εμπεριέχουν σφάλματα, είναι ο λανθασμένος υπολογισμός του συντελεστή θερμικής ακτινοβολίας (emissivity) του δείγματος, με βάση τον οποίο γίνονται οι υπολογισμοί της θερμοκρασίας του. Κάθε σώμα, όταν διεγείρεται θερμικά, ακτινοβολεί. Το μέλαν σώμα (black body) εκπέμπει το μεγαλύτερο ποσό ακτινοβολίας και το emissivity θεωρείται ίσο με τη μονάδα. Για τα υπόλοιπα σώματα, ο συντελεστής αυτός υποδηλώνει το λόγο της θερμικής ακτινοβολίας τους, προς την ακτινοβολία του μέλανος σώματος, στην ίδια θερμοκρασία και μήκος κύματος. Στην περίπτωση του σύρματος NiTi με οξειδωμένη επιφάνεια, το emissivity θεωρήθηκε αρχικά ίσο με 0.9 και μετά τη διόρθωση της θερμικής κατανομής (με τη βοήθεια των θερμοζευγών) βρέθηκε ίσο με Σχήμα 4.11 Θερμοκρασιακή κατανομή στην επιφάνεια του σύρματος (α) για θερμοκρασία στο κέντρο του ίση με 157 ο C και ισχύ 3.0 Watt και (β) για θερμοκρασία 126 ο C και ισχύ 2.19 Watt. 82

107 4.6 Μηχανικά πειράματα στο σύρμα Νικελίου Τιτανίου Απαραίτητο βήμα στο θερμομηχανικό χαρακτηρισμό του υλικού μας, αποτελεί η διεξαγωγή στατικών μηχανικών δοκιμών με σκοπό τον προσδιορισμό ιδιοτήτων όπως το μέτρο ελαστικότητας, η παραμόρφωση θραύσης, το όριο διαρροής, η αντοχή του υλικού και η τάση θραύσης και για τις δύο φάσεις του (μαρτενσίτη και οστενίτη). Τα μεγέθη αυτά είναι πολύ σημαντικά στην περίπτωση που το υλικό χρησιμοποιηθεί ως φάση ενίσχυσης σε κάποιο δομικό σύστημα, αλλά και στη δική μας περίπτωση, που παρά το ότι τα σύρματα χρησιμοποιούνται ως ενεργοποιητές, δεν παύουν να καταπονούνται θερμικά και μηχανικά, όντας τμήμα κάποιας κατασκευής. Τα Κράματα Μνήμης Σχήματος, έχουν αρκετά διαφορετική συμπεριφορά σε σχέση με άλλα συμβατικά μεταλλικά υλικά, όπως π.χ. το χάλυβα και αυτό οφείλεται στον διαφορετικό μηχανισμό μέσω του οποίου οι μηχανικές τάσεις οδηγούν σε παραμορφώσεις. Σε προηγούμενο κεφάλαιο αναφέραμε ότι οι μέγιστες ανακτήσιμες ορθές παραμορφώσεις για το NiTi, κυμαίνονται στα επίπεδα του 8-10%. Ο όρος ανακτήσιμη παραμόρφωση δεν πρέπει να συγχέεται με την ελαστική παραμόρφωση, αφού αναφέρεται στο ποσοστό της επιμήκυνσης που επανέρχεται όταν το υλικό ενεργοποιηθεί (θερμανθεί) και υποβληθεί στον αντίστροφο μαρτενσιτικό μετασχηματισμό και δεν επανέρχεται με την αφαίρεση του εξωτερικού φορτίου που την προκάλεσε. Στο σύρμα NiTi μαρτενσιτικής δομής, οι παραμορφώσεις αυτές, επιτυγχάνονται με το μηχανισμό του detwinning που έχουμε δεί στο 2 ο κεφάλαιο. Πέραν του ποσοστού του 8-10%, το υλικό υπόκειται σε πλαστικές αλλαγές των διαστάσεων του, που δεν επανέρχονται με την εκδήλωση του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος. Σε υψηλές θερμοκρασίες (οστενιτική φάση), δεν υπάρχει μηχανισμός twinning-detwinning, με αποτέλεσμα η συμπεριφορά του κράματος να είναι παρόμοια με του χάλυβα και οι μηχανικές του ιδιότητες να πλησιάζουν αυτές του Τιτανίου [20]. Πέρα από τις μηχανικές δοκιμές στις οποίες υποβλήθηκε το υλικό μας, διεξήχθησαν παρατηρήσεις με χρήση Οπτικής Μικροσκοπίας σε μαρτενσιτικά σύρματα με διάφορα επίπεδα παραμόρφωσης, με στόχο να υπολογιστεί η μείωση της πραγματικής διατομής του δοκιμίου. Αποτέλεσμα της παραπάνω διαδικασίας, 83

108 είναι η παρουσίαση διαγραμμάτων Πραγματικής Τάσης Παραμόρφωσης, εκτός από τα κλασικά της Μηχανικής Τάσης Παραμόρφωσης, στα οποία η διατομή του δείγματος θεωρείται σταθερή σε όλη τη διάρκεια του πειράματος και ίση με την αρχική Πειραματική διαδικασία Η γεωμετρία των δειγμάτων μας (σύρματα ονομαστικής διαμέτρου 0.3 mm), ήταν ο λόγος που οδήγησε στη διεξαγωγή πειραμάτων εφελκυσμού, καθώς άλλοι τύποι δοκιμών (π.χ. θλίψη ή κάμψη) δε θα μπορούσαν να δώσουν αποτελέσματα. Όλα τα πειράματα εφελκυσμού πραγματοποιήθηκαν στο σύστημα Thermis, με χρήση της σερβοϋδραυλικής μηχανής MTS. Το μήκος των δοκιμίων διατηρήθηκε στα 120 mm, όπως στην προηγούμενη παράγραφο. Οι δοκιμές έγιναν με διάφορες ταχύτητες και για τις δύο φάσεις του υλικού, δηλαδή τόσο σε μαρτενσίτη, όσο και σε οστενίτη. Στη δεύτερη περίπτωση, η θέρμανση του υλικού έγινε με τη βοήθεια του ίδιου συστήματος που χρησιμοποιήθηκε στην περίπτωση των ηλεκτρικών μετρήσεων (βλ. 4.5) και η θερμοκρασία των συρμάτων έφθασε περίπου τους 90 ο C, με καταναλισκόμενη ηλεκτρική ισχύ στο κύκλωμα του σύρματος ίση με 1.3 Watt (βλ. Σχ. 4.9). Για την παρατήρηση της αλλαγής της διατομής του σύρματος σε διάφορα επίπεδα παραμόρφωσης, χρησιμοποιήθηκαν ψηφιακές φωτογραφίες, που ελήφθησαν μέσω οπτικού μικροσκοπίου με χρήση φακού 100Χ. Σύρματα NiTi, προτανυσμένα σε διάφορα επίπεδα (από 0% έως 28%), τοποθετήθηκαν κατακόρυφα σε μήτρα εποξειδικής ρητίνης της εταιρίας Struers, με δυνατότητα θερμικής κατεργασίας (curing) σε θερμοκρασία δωματίου. Μετά από κατάλληλη επεξεργασία (polishing), η μήτρα τοποθετήθηκε στο οπτικό μικροσκόπιο, όπου και παρατηρήθηκε ξεχωριστά το κάθε σύρμα, με οριζόντια σάρωση της επιφάνειας της ρητίνης, διατηρώντας σταθερή την κατακόρυφη απόσταση του δείγματος από το φακό. Η επεξεργασία των ψηφιακών εικόνων για τον υπολογισμό της διατομής των συρμάτων, πραγματοποιήθηκε με το λογισμικό SigmaScan. 84

109 4.6.2 Εφελκυσμός συρμάτων NiTi σε μαρτενσιτική δομή Τα πειράματα του εφελκυσμού στα σύρματα NiTi, διεξήχθησαν, τόσο με έλεγχο της παραμόρφωσης σε διάφορες ταχύτητες απομάκρυνσης των εμβόλων της μηχανής (strain control), όσο και με έλεγχο του ρυθμού αύξησης της εφαρμοζόμενης δύναμης (stress control). Τα αποτελέσματα δεν έδειξαν καμία διαφοροποίηση στο μέτρο ελαστικότητας ή στην αντοχή του υλικού, παρά μόνο μικρές διαφοροποιήσεις στην παραμόρφωση θραύσης, κάτι που δεν οφείλεται στη μέθοδο του πειράματος, αλλά στις επιφανειακές ατέλειες του υλικού που τελικά οδηγούν στη μακροσκοπική του αποκόλληση. Είναι χαρακτηριστικό το γεγονός ότι υπήρχαν διαφορές της τάξης του 3-6% ακόμη και μεταξύ δοκιμίων που εφελκύστηκαν με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. Σχήμα 4.12 Καμπύλες τάσης παραμόρφωσης για σύρμα NiTi μήκους 120 mm σε μαρτενσιτική δομή με τη μέθοδο strain control, για ταχύτητες εφελκυσμού (α) 0.4mm/min, (β) 1mm/min και (γ) 4mm/min 85

110 Σχήμα 4.13 Καμπύλες τάσης παραμόρφωσης για σύρμα NiTi μήκους 120 mm σε μαρτενσιτική δομή με τη μέθοδο stress control, για ρυθμό αύξησης της δύναμης (α) 3Ν/min, (β) 10Ν/min και (γ) 12Ν/min Για το λόγο ότι η πλειοψηφία των προτύπων κατά ASTM, συνιστά κατά τις μηχανικές δοκιμές των μεταλλικών υλικών σε εφελκυσμό, η φόρτιση του δοκιμίου να γίνεται με βάση την ταχύτητα της παραμόρφωσης και όχι το ρυθμό αύξησης της δύναμης, επιλέχθηκε η ταχύτητα των 4mm/min για να πραγματοποιηθούν τα αντίστοιχα πειράματα στο σύρμα οστενιτικής δομής. Η ταχύτητα αυτή, για ενεργό μήκος δοκιμίου ίσο με 120mm, αντιστοιχεί σε ταχύτητα παραμόρφωσης (strain rate) ίση με 0.033min -1. Θα πρέπει να σημειώσουμε εδώ, ότι τα πειράματα εφελκυσμού του υλικού της εργασίας αυτής, μας δίνουν καμπύλες τάσης παραμόρφωσης που στο αρχικό τμήμα τους (για παραμορφώσεις μέχρι 10% περίπου) διαφέρουν από την κλασική συμπεριφορά των υλικών NiTi που συναντάμε στην βιβλιογραφία. Στο επόμενο σχήμα, φαίνεται το εν λόγω τμήμα μιας κλασικής καμπύλης εφελκυσμού NiTi, σε αντιπαράθεση με τη συμπεριφορά του ατσαλιού. Η μορφή της καμπύλης είναι 86

111 χαρακτηριστική του μηχανισμού detwinning, λόγω της εξωτερικής φόρτισης, που συμβαίνει για παραμορφώσεις από 1% έως 8% περίπου. Το γεγονός, ότι στη δική μας περίπτωση, το υλικό δεν παρουσιάζει παρόμοια συμπεριφορά και ότι τα πειράματα παρουσίασαν απόλυτη επαναληψιμότητα, μας οδηγεί στην υπόθεση ότι ο μηχανισμός αυτός απουσιάζει. Θα επανέλθουμε όμως, σε επόμενη παράγραφο στο φαινόμενο αυτό. Σχήμα 4.14 Τυπική καμπύλη τάσης παραμόρφωσης για υλικό NiTi με την αρχική ελαστική περιοχή (έως 1%), την περιοχή detwinning (1%-6%) και την περιοχή πλαστικής παραμόρφωσης (6% και πλέον) Εφελκυσμός συρμάτων NiTi σε οστενιτική δομή Τα σύρματα NiTi, αφού τοποθετήθηκαν στο σύστημα Thermis και ενεργοποιήθηκαν (βλ ), υποβλήθηκαν σε εφελκυσμό. Σε αναλογία με τα πειράματα εφελκυσμού του μαρτενσιτικού κράματος, για όλα τα δείγματα, τα αποτελέσματα παρουσίασαν απόλυτη συμφωνία μεταξύ τους, με μόνη διαφοροποίηση την παραμόρφωση θραύσης, όπως και στην προηγούμενη παράγραφο. Στο Σχήμα 4.15 παρουσιάζονται οι καμπύλες τάσης παραμόρφωσης για δύο διαφορετικά δοκίμια. 87

112 Σχήμα 4.15 Καμπύλες τάσης παραμόρφωσης για δύο διαφορετικά δοκίμια NiTi οστενιτικής δομής, με μετρούμενη θερμοκρασία επιφάνειας 90 ο C. Οι διαφορές στην συμπεριφορά του μαρτενσιτικού και του οστενιτικού κράματος NiTi σε εφελκυσμό, φαίνονται πολύ καλύτερα σε κοινό διάγραμμα (βλ. Σχ.4.16). Η αντοχή σε εφελκυσμό είναι μεγαλύτερη για τον μαρτενσίτη, ενώ κατά κανόνα παρουσιάζει και μεγαλύτερη παραμόρφωση θραύσης. Ο οστενίτης, έχει μικρότερη αντοχή και συνήθως θραύεται νωρίτερα, αλλά παρουσιάζει υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας, όπως ακριβώς αναμενόταν. Σχήμα 4.16 Κοινό διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης για μαρτενσιτικά και οστενιτικά σύρματα. Φαίνονται επίσης οι προσαρμοσμένες καμπύλες (fitting) για κάθε περίπτωση. 88

113 Η μαθηματική εξίσωση που χρησιμοποιήθηκε για το σχεδιασμό των προσαρμοσμένων καμπυλών είναι της μορφής: Σχέση 4.6 όπου Α 0, Α 1, είναι σταθερές. Για τον μαρτενσίτη έχουμε ότι και. Για τον οστενίτη, οι αντίστοιχες τιμές είναι και. Μετά από στατιστική επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων, υπολογίστηκαν το μέτρο ελαστικότητας των συρμάτων που χρησιμοποιήσαμε, η παραμόρφωση θραύσης, το συμβατικό όριο διαρροής στο 0.2% και η μέγιστη αντοχή σε εφελκυσμό. Όπως φαίνεται από τα διαγράμματα, η αντοχή του υλικού σχεδόν συμπίπτει με την τάση θραύσης, ενώ το συμβατικό όριο διαρροής επιλέχθηκε διότι δεν υπάρχει σαφής ένδειξη διαρροής στις καμπύλες τάσης - παραμόρφωσης. Martensite (25 o C) Austenite(90 o C) Μέτρο Ελαστικότητας Ε 20.1 GPa 48.9 GPa Αντοχή Εφελκυσμού σ max 1095 MPa 895 MPa Όριο διαρροής 0.2% σ Υ MPa 649 MPa Παραμόρφωση θραύσης ε Β Όριο θραύσης σ Β 1072 MPa 855 MPa Πίνακας 4.3 Στατικές μηχανικές ιδιότητες μαρτενσιτικής και οστενιτικής φάσης των συρμάτων NiTi που χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία Καμπύλη Πραγματικής Τάσης Παραμόρφωσης με τη βοήθεια Οπτικής Μικροσκοπίας για την μαρτενσιτική φάση Η κατασκευή ενός διαγράμματος πραγματικής τάσης παραμόρφωσης για κάποιο υλικό, δεν παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον στον τομέα του σχεδιασμού κάποιας κατασκευής για ένα πολύ απλό λόγο: η διαστασιολόγηση, σε κάθε περίπτωση, πραγματοποιείται με βάση τις αντοχές των υλικών, που έχουν υπολογιστεί ανάγοντας τα φορτία στην αρχική διατομή. Επιπλέον, η 89

114 παρακολούθηση της αλλαγής διατομής των δοκιμίων είναι μια διαδικασία με μεγάλες τεχνικές δυσκολίες και σπάνια είναι δυνατόν να εφαρμοστεί κατά τη διάρκεια της δοκιμής. Στην περίπτωση των συρμάτων NiTi, το όποιο ενδιαφέρον, μπορεί να εντοπιστεί στον υπολογισμό της αλλαγής των διαστάσεων στην εγκάρσια διεύθυνση όταν το δοκίμιο φορτίζεται στο διαμήκη άξονα. Η πειραματική διαδικασία που περιγράφηκε νωρίτερα (βλ ), βοήθησε στο να εξαχθεί μια γραμμική μαθηματική σχέση που δίνει τη μεταβολή στη διατομή του σύρματος σαν συνάρτηση του ποσοστού προτάνυσής του. Σημειώνουμε ξανά, ότι η ελαστική περιοχή (περιοχή Hooke) του κράματος NiTi περιορίζεται από 0% έως το πολύ 1% παραμόρφωση. Εάν η μαθηματική αυτή έκφραση είχε ισχύ στην ελαστική περιοχή, θα ήταν δυνατό να υπολογιστεί ό λόγος Poisson (ν) του υλικού. Λόγω του μικρού εύρους όμως της ελαστικής συμπεριφοράς (σε σύγκριση με το 8% περίπου της ανακτήσιμης παραμόρφωσης λόγω Μνήμης Σχήματος), αυτό δεν παρουσιάζει κανένα πρακτικό ενδιαφέρον. Στο Σχήμα 4.17, φαίνονται μερικές από τις εικόνες της επιφάνειας διατομής του σύρματος, που ελήφθησαν μέσω οπτικού μικροσκοπίου για διάφορα επίπεδα παραμόρφωσης. Σχήμα 4.17 Φωτογραφίες μέσω οπτικού μικροσκοπίου της διατομής σύρματος NiTi μαρτενσιτικής δομής, εμβαπτισμένου σε εποξειδική ρητίνη, για επίπεδα παραμόρφωσης από 0% έως 28%. 90

115 Αφού υπολογίστηκε η αλλαγή της διαμέτρου και της συνολικής διατομής για κάθε επίπεδο παραμόρφωσης, κατασκευάστηκε η γραφική παράσταση της επιφάνειας διατομής συναρτήσει της προτάνυσης. Σύμφωνα με τις μετρήσεις, η επιφάνεια μεταβάλλεται γραμμικά με τη αύξηση της παραμόρφωσης και με τη βοήθεια της μαθηματικής σχέσης που την περιγράφει, διορθώθηκαν τα δεδομένα των πειραμάτων εφελκυσμού του μαρτενσιτικού NiTi. Σχήμα 4.18 Μείωση της επιφάνειας διατομής του σύρματος NiTi σαν συνάρτηση της παραμόρφωσης σε θερμοκρασία δωματίου (μαρτενσίτης) Stress (MPa) real stress engineering stress (fitting) Strain (%) Σχήμα 4.19 Καμπύλη πραγματικής τάσης παραμόρφωσης για το σύρμα NiTi μαρτενσιτικής δομής με ταυτόχρονη απεικόνιση της γραφικής παράστασης της μηχανικής τάσης. 91

116 Ο λόγος που δεν πραγματοποιήθηκαν οι ανάλογες μετρήσεις σε οστενιτικής φάσης σύρμα, ήταν η μεγάλη τεχνική δυσκολία του εγχειρήματος και το ασυμβίβαστο της ταυτόχρονης παρακολούθησης της διατομής και της ρευματοδότησης. Σαν εναλλακτική λύση, η οπτική παρατήρηση των συρμάτων από το πλάι, για τη μέτρηση της διαμέτρου, εμπεριείχε μεγάλο σφάλμα, με αποτέλεσμα μη αξιόπιστες μετρήσεις. 92

117 4.7 Ανάπτυξη μηχανικών τάσεων κατά τον αντίστροφο μαρτενσιτικό μετασχηματισμό συρμάτων NiTi Στο 3 ο κεφάλαιο, έγινε λόγος για το μηχανισμό μέσω του οποίου Κράματα Μνήμης Σχήματος με κινηματικό περιορισμό, αναπτύσσουν μηχανικές τάσεις όταν θερμαίνονται και αφού προηγουμένως έχουν υποστεί παραμόρφωση, στη φάση χαμηλής θερμοκρασίας (μαρτενσιτική φάση). Οι τάσεις αυτές, συχνά αναφέρονται και ως τάσεις ενεργοποίησης. Ο στόχος αυτής της ενότητας, είναι να μελετήσει την ικανότητα ανάπτυξης παρόμοιων δυνάμεων για τα σύρματα NiTi που εξετάζουμε, αποκομίζοντας πολύτιμες πληροφορίες για τα πειράματα που θα διεξαχθούν στη συνέχεια: τη λειτουργική κόπωση και τη χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης των συρμάτων Πειραματική διαδικασία Τα πειράματα ενεργοποίησης των υλικών πραγματοποιήθηκαν στο σύστημα Thermis, με τη μηχανή MTS λειτουργεί ως αισθητήρας και καταγραφέας των αναπτυσσόμενων τάσεων (βλ. Σχ. 4.4β), το σύστημα καταγραφής θερμοκρασιών να παρακολουθεί την τιμή της θερμοκρασίας στο σύρμα και τη συσκευή ενεργοποίησης να παρέχει την απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια για τη θέρμανση. Σύμφωνα με ότι έχουμε αναφέρει στην παράγραφο 4.5.3, η ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνεται στο αρχικού μήκους 120 mm σύρμα, για να ανεβάσει τη θερμοκρασία του στους 90 ο C περίπου, είναι 1.3 Watt. Για να συγκρατηθεί το δοκίμιο στις αρπάγες της μηχανής εφελκυσμού, χρειάστηκε να προσαρμοστούν στα άκρα του ζεύγη από αλουμινένια πλακίδια (tabs) με περιεχόμενη στρώση εποξειδικής ρητίνης (Araldite) κατάλληλη για χρήση σε υψηλή θερμοκρασία. Η ρητίνη, εκτός από το ότι εξασφαλίζει τη συγκόλληση του σύρματος με το αλουμίνιο, δέχεται και το μεγαλύτερο μέρος της πίεσης από τις αρπάγες της μηχανής, ανακουφίζοντας έτσι τα άκρα του δοκιμίου. Στο επόμενο σχήμα, φαίνονται εικόνες από τα δοκίμια που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα. 93

118 Σχήμα 4.20 (α) Η διαμόρφωση των δοκιμίων NiTi που χρησιμοποιήθηκαν στα πειράματα και (β) λεπτομέρεια που δείχνει τον τρόπο συγκράτησης του σύρματος. Η εξέταση της ικανότητας ανάπτυξης μηχανικής τάσης, έγινε σε σύρματα με προτάνυση 6%, 3% και 0%. Η προτάνυση των συρμάτων, πραγματοποιήθηκε στη φορητή διάταξη που έχουμε δει σε προηγούμενη ενότητα (βλ. Σχ.4.3), όχι μόνο με έλεγχο της επιβαλλόμενης παραμόρφωσης, αλλά και της αναμενόμενης εφελκυστικής τάσης, που είναι γνωστή από τα μηχανικά πειράματα που έχουμε διεξαγάγει. Για κάθε επίπεδο προτάνυσης, έγιναν μετρήσεις σε 6 διαφορετικά δοκίμια. Ο χρόνος θέρμανσης και ψύξης κατά τη διάρκεια των δοκιμών δεν είναι αυστηρά καθορισμένος, αφού ο στόχος είναι να διαπιστώσουμε την ικανότητα παραγωγής τάσης σε συνάρτηση με την προτάνυση και μόνο. Αντίθετα, στα πειράματα λειτουργικής κόπωσης που θα γίνουν στη συνέχεια, ακολουθείται αυστηρό πρωτόκολλο όσον αφορά το χρόνο της θέρμανσης και της φυσικής ψύξης Αποτελέσματα μετρήσεων Τα πρώτα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, αφορούσαν σε σύρματα με προτάνυση 6%. Η προτάνυση επιβλήθηκε, αφού το δοκίμιο είχε πάρει τη μορφή του Σχήματος 4.20 και είχε περάσει αρκετός χρόνος (12 ώρες) έτσι ώστε να ολοκληρωθεί το curing της ρητίνης. Κατά τον τρόπο αυτό, εξασφαλίζουμε ότι η παραμόρφωση επιβάλλεται στο ενεργό μήκος του δοκιμίου και όχι στο τμήμα του που βρίσκεται 94

119 μέσα στα tabs. Οι δοκιμές που έγιναν σε αυτή τη φάση της εργασίας, αποτελούνταν από μερικές δεκάδες κύκλους ενεργοποίησης για κάθε δοκίμιο και ο συνολικός χρόνος του κάθε πειράματος δεν ξεπερνούσε τα 20 λεπτά. Οι χρόνοι θέρμανσης (ρευματοδότησης) και ψύξης (διακοπή ρευματοδότησης) ήσαν επαρκείς για την πλήρη ανάπτυξη των μηχανικών τάσεων και την επαναφορά του σύρματος σε θερμοκρασία περιβάλλοντος αντίστοιχα, και κυμαίνονταν από 10 έως 12 sec. Στο διάγραμμα που ακολουθεί, παρουσιάζεται η αναπτυσσόμενη μηχανική τάση (σε MPa) συναρτήσει του χρόνου, για ένα δοκίμιο με προτάνυση 6% και για 50 περίπου κύκλους ενεργοποίησης. Σχήμα 4.21 Ενεργοποίηση στο σύστημα Thermis, σύρματος NiTi, με 6% προτάνυση και για 50 περίπου επαναλήψεις. Όλα τα σύρματα με παραμόρφωση 6%, είχαν την ίδια συμπεριφορά. Όπως φαίνεται και από το διάγραμμα, ο πρώτος κύκλος αγγίζει τα 600 MPa, ενώ αμέσως μετά σχεδόν, η αναπτυσσόμενη μηχανική τάση σταθεροποιείται λίγο πάνω από τα 500 MPa. Στο Σχήμα 4.22 που ακολουθεί, φαίνεται το ίδιο ακριβώς πείραμα, που πραγματοποιήθηκε με σύρμα NiTi προτανυσμένο στο επίπεδο του 3%. 95

120 Σχήμα 4.22 Ενεργοποίηση σύρματος NiTi με προτάνυση 3%. Όπως είναι φυσικό, θα περίμενε κανείς μείωση των παραγόμενων μηχανικών τάσεων, λόγω μειωμένης επιμήκυνσης και συνεπώς μικρότερου ποσοστού του προτιμητέας διεύθυνσης προσανατολισμένου μαρτενσίτη (POM) στο σύρμα. Παρόλα αυτά, το σύρμα γεννά τις ίδιες περίπου τάσεις, που φαίνεται να σταθεροποιούνται ελάχιστα κάτω από τα 500 MPα. Ακολουθεί, η ενεργοποίηση του δοκιμίου χωρίς προτάνυση: Σχήμα 4.23 Ανάπτυξη μηχανικών τάσεων από σύρμα NiTi με 0% προτάνυση. 96

121 Με βάση το προηγούμενο διάγραμμα, φαίνεται ότι το σύρμα με 0% αξονική παραμόρφωση, είναι ικανό να αναπτύσσει μηχανικές τάσεις κατά την εκδήλωση του αντίστροφου μετασχηματισμού, που ελάχιστα -έως καθόλου, σε μερικές περιπτώσεις που θα δούμε πιο κάτω- υπολείπονται των τάσεων που ασκούν στις αντίστοιχες δοκιμές, σύρματα με προτάνυση. Ομοίως, δεν παρουσιάζονται ουσιαστικές διαφορές μεταξύ της συμπεριφοράς του προτανυσμένου κατά 3% σύρματος, σε σχέση με αυτό του 6%. Η περίεργη αυτή συμπεριφορά του συγκεκριμένου σύρματος NiTi, επιβεβαιώθηκε από πληθώρα δοκιμών και συνεπώς η ικανότητά του να ασκεί τάσεις όταν μετασχηματίζεται, χωρίς προηγούμενη παραμόρφωση, είναι αναμφισβήτητη. Στο επόμενο σχήμα, φαίνονται δύο ακόμα δοκιμές με το σύρμα χωρίς προτάνυση και την αναπτυσσόμενη τάση να κυμαίνεται σταθερά μεταξύ MPa, με τις ενεργοποιήσεις να συμβαίνουν με ακανόνιστο χρονισμό. Σχήμα 4.24 Δοκιμές ενεργοποίησης σύρματος NiTi (0% προτάνυση), με τη διάρκεια θέρμανσης και ψύξης να ποικίλει και την μετρούμενη μηχανική τάση να κυμαίνεται από MPa. Το γεγονός ότι η παραμόρφωση του κράματος που μελετάμε, δεν συνεισφέρει στην ανάπτυξη των τάσεων ενεργοποίησης, πιθανότατα σημαίνει ότι η διαδικασία της σχετικής κίνησης στα όρια των twins που τους παρέχει ενιαίο προσανατολισμό (βλ. 2 ο κεφάλαιο - detwinning) έχει ολοκληρωθεί. Η προτάνυση, συνεπώς, παραμορφώνει πλαστικά μεν το σύρμα, καμία σχέση δεν έχει όμως με το Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος. Αρωγός στην υπόθεσή μας αυτή, είναι τα πειράματα 97

122 εφελκυσμού του μαρτενσίτη (βλ. 4.6) από τα οποία απουσιάζει το χαρακτηριστικό εκείνο τμήμα που υποδηλώνει τη διαδικασία του detwinning. Συμπεραίνουμε λοιπόν, ότι τα συγκεκριμένα υλικά, είναι προγραμματισμένα κατά τη διαδικασία παραγωγής τους, να ασκούν τις μέγιστες δυνατές αξονικές τάσεις χωρίς την ανάγκη για προτάνυση. Φαίνεται συνεπώς, ότι η μαρτενσιτική τους φάση χαμηλής θερμοκρασίας δεν είναι SAM, αλλά POM. Η υπόθεση αυτή μάλιστα, έχει δημοσιευθεί, μαζί με τα αποτελέσματα των πειραμάτων της λειτουργικής κόπωσης και της χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης [55]. Η πληροφορία αυτή είναι ιδιαίτερα σημαντική για την κατασκευή των ευφυών συνθέτων που θα ακολουθήσει, καθώς δεν υπάρχει πλέον ανάγκη για ενσωμάτωση προτανυσμένων συρμάτων σε αυτά. Αρκεί, ένας τρόπος συγκράτησης των SMA στο αρχικό τους μήκος, κατά τη διάρκεια της θερμικής επεξεργασίας του συνθέτου. Ολοκληρώνοντας την εξέταση τις ικανότητας των συρμάτων να δρουν ως ενεργοποιητές, με πολύ ενθαρρυντικά στοιχεία, παρουσιάζονται στο Σχήμα 4.25, δύο μόνο διαδοχικοί κύκλοι ενεργοποίησης, έτσι όπως έχουν καταγραφεί από το σύστημα Thermis. Φαίνεται καθαρά, ο τρόπος που χτίζεται η τάση όταν το σύρμα θερμαίνεται, καθώς και ο αντίστοιχος που η τάση σβήνει, όταν ψύχεται. Ο χρόνος που χρειάζεται το κράμα για να αποκριθεί και ο χρόνος που απαιτείται μέχρι ενεργοποιηθεί ξανά, είναι πολύ σημαντικές σχεδιαστικές παράμετροι για οποιοδήποτε ευφυές σύστημα. Σχήμα 4.25 Λεπτομερής απεικόνιση διαδοχικών κύκλων ενεργοποίησης. 98

123 4.8 Λειτουργική κόπωση (transformation fatigue) και χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης (1-cycle stress relaxation) για τα σύρματα NiTi Ανάλογα με τον τρόπο που τα υλικά SMA χρησιμοποιούνται στις διάφορες εφαρμογές, η λειτουργική κόπωσή τους ή/και η χαλάρωση της μηχανικής τάσης που ασκούν, είναι δύο παράγοντες που καθορίζουν το όριο ζωής του ευφυούς συστήματος. Ως λειτουργική κόπωση, ορίζουμε το φαινόμενο της σταδιακής απώλειας της ικανότητας του ενεργοποιητή, να ασκεί μηχανική τάση κατά τον αντίστροφο μετασχηματισμό, όταν υποβάλλεται σε κυκλική θερμική καταπόνηση, υπό συνθήκες περιορισμού (βλ. Σχ.3.10 & Σχ.4.4). Η χαλάρωση της μηχανικής τάσης ενεργοποίησης, είναι η εξασθένιση της δύναμης που ασκεί ο ενεργοποιητής με την πάροδο του χρόνου, όταν έχει εκδηλωθεί το Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος και το υλικό συνεχίζει να διατηρείται σε φάση υψηλής θερμοκρασίας (ενεργοποιημένο). Ο όρος κόπωση, για τα υλικά με μνήμη σχήματος, περιλαμβάνει τόσο τη λειτουργική κόπωση, με την οποία θα ασχοληθούμε σε αυτή την ενότητα, όσο και τη μηχανική ή δομική κόπωση, που έχει την ίδια έννοια, όπως σε όλα τα συμβατικά υλικά: μείωση της ικανότητας του υλικού να φέρει εξωτερικά φορτία, υπό τη επίδραση επαναλαμβανόμενων εξωτερικών δυνάμεων, με αποτέλεσμα τη μακροσκοπική του θραύση. Και τα δύο είδη κόπωσης περιορίζουν τη διάρκεια ζωής των υλικών SMA [57]. H δομική, σε αντίθεση με τη λειτουργική κόπωση του NiTi, έχει μελετηθεί αρκετά. Πολλές δοκιμές, έχουν πραγματοποιηθεί σε υλικά NiTi, με συνδυασμένη φόρτιση στρέψης κάμψης [58], ενώ άλλες έρευνες έχουν δείξει ότι τα πειράματα στρέψης κάμψης, αποτελούν πολύ καλό μέσο πρόβλεψης της διάρκειας ζωής του υλικού και για άλλου τύπου φορτίσεις, όπως εφελκυσμό εφελκυσμό ή εφελκυσμό - κάμψη [40]. Πειράματα δομικής κόπωσης υπό σταθερή παραμόρφωση, έχουν δείξει ότι σύρματα NiTi, με Α f =77 ο C, έχουν διάρκεια ζωής κύκλους στους 125 ο C και κύκλους στους 50 ο C, με προτάνυση 3%. Για προτάνυση 1%, η διάρκεια ζωής για τις ίδιες θερμοκρασίες είναι αντίστοιχα και κύκλοι [26]. Γενικά, το NiTi, συμπεριφέρεται καλά σε κόπωση με σταθερό εύρος παραμόρφωσης, αλλά υποβαθμίζεται έντονα όταν η κόπωση γίνεται με έλεγχο του εφαρμοζόμενου φορτίου. Έρευνες σε κόπωση κάμψης στρέψης, έχουν δείξει την 99

124 επίπτωση του μεγέθους της παραμόρφωσης και των περιβαλλοντικών παραγόντων στη διάρκεια ζωής του κράματος, ενώ κατέληξαν και στο συμπέρασμα ότι η σχετικά μεγάλη αντοχή σε κόπωση, οφείλεται στο μικρό μέγεθος των κόκκων του NiTi [58]. Ενδεικτικά, αναφέρουμε επίσης, ότι η διάρκεια ζωής σε πείραμα εφελκυσμού εφελκυσμού σε υπερ-ελαστικό NiTi, κυμαίνεται από έως κύκλους, ενώ σε πραγματικές εφαρμογές, μια θερμική βαλβίδα μπορεί να λειτουργήσει 10 4 φορές ή μια ρομποτική αρπάγη, 10 6 φορές, πριν προκληθεί θραύση στο υλικό SMA. Στον τομέα της λειτουργικής κόπωσης των υλικών, έχει συντελεστεί ελάχιστη έρευνα και σχεδόν μηδαμινή στον τομέα της χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης. Έχει μελετηθεί η ολιγοκυκλική λειτουργική κόπωση συρμάτων TiNiCu [59], η λειτουργική κόπωση ελατηρίων CuZnAl [60] και η αντίστοιχη ελατηρίων NiTi, όπου βρέθηκε ότι μετά τους 100 πρώτους κύκλους, το ελατήριο είχε υποστεί μη ανακτήσιμη παραμόρφωση, φαινόμενο το οποίο δεν εξελίχθηκε σε μεγαλύτερο ποσοστό μέχρι το πέρας του πειράματος, στους 10 3 κύκλους [61]. Τα αποτελέσματα και των δύο ειδών πειραμάτων (λειτουργική κόπωση και χαλάρωση τάσης), θα αξιολογηθούν μέσω DSC μετρήσεων, αλλά και μικροσκοπικών παρατηρήσεων με τη βοήθεια της Ηλεκτρονιακής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM). Περισσότερες λεπτομέρειες για τα πειράματα και τις μετρήσεις, δίνονται στην επόμενη παράγραφο Πειραματική διαδικασία Και τα δύο πειράματα διεξήχθησαν στο σύστημα Thermis, όπως ακριβώς και οι δοκιμές ενεργοποίησης των συρμάτων στην παράγραφο 4.7. Οι βασικές διαφορές εντοπίζονται στο ότι πλέον οι χρόνοι θέρμανσης και ψύξης στο πείραμα της λειτουργικής κόπωσης είναι αυστηρά καθορισμένοι και οι κύκλοι μετασχηματισμού συνεχίζονται για πολύ περισσότερο χρόνο, ενώ στο πείραμα της χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης, συμβαίνει μία μόνο θέρμανση και το σύρμα ασκεί μηχανική τάση για όσο διαρκεί η δοκιμή. Το ενεργό μήκος των δοκιμίων παραμένει στα 120 mm και η μορφή τους είναι η ίδια με αυτήν που παρουσιάστηκε νωρίτερα ( 4.7). Η θερμοκρασία των 100

125 συρμάτων (στο πείραμα της λειτουργικής κόπωσης) στην οστενιτική φάση διατηρείται λίγο πάνω από τους 90 ο C, με μέγιστη μετρούμενη τιμή τους 100 ο C, καταναλώνοντας ηλεκτρική ισχύ ίση με 1.3 Watt. Σύμφωνα με έρευνες τρίτων, η θερμοκρασία Α f, για σύρματα NiTi με κινηματικούς περιορισμούς, συνήθως αυξάνει, αλλά δεν υπερβαίνει τους 5-10 ο C ακόμα και αν η προτάνυση φθάσει το 6% [18,19]. Τα σύρματα που χρησιμοποιήσαμε, δεν είχαν προτανυθεί, για λόγους που επίσης αναλύσαμε στην προηγούμενη παράγραφο. Η θερμοκρασία του περιβάλλοντος για όλα τα πειράματα ήταν ελεγχόμενη (25 ο C), ενώ το δοκίμιο περιβαλλόταν από ειδικά κατασκευασμένο κάλυμμα, έτσι ώστε να μην επηρεάζεται η συμπεριφορά του από τα ρεύματα του αέρα στο δωμάτιο. Στο πείραμα της κόπωσης, το ηλεκτρικό ρεύμα που διέρρεε το κύκλωμα του σύρματος και προερχόταν από τη συσκευή επιλεκτικής ενεργοποίησης, είχε τη μορφή τετραγωνικού παλμού (Σχήμα 4.26α). Ο χρόνος θέρμανσης ισούται με τη διάρκεια του παλμού (t 1 ), ενώ το t 2 αντιπροσωπεύει τη διάρκεια της φυσικής ψύξης. Σε χρόνο t 1 +t 2 συνεπώς, έχει ολοκληρωθεί ένας πλήρης κύκλος για το υλικό μας. Τα προηγούμενα πειράματα, έδειξαν ότι χρόνος μεγαλύτερος των 10 sec, είναι αρκετός για την ολοκληρωμένη ψύξη του σύρματος. Στην περίπτωση της λειτουργικής κόπωσης, ο χρόνος t 2 διατηρήθηκε σταθερός και ίσος με 15 sec. Σχήμα 4.26 Η μορφή του ρεύματος που διέρρεε το σύρμα, συναρτήσει του χρόνου (α) για το πείραμα της λειτουργικής κόπωσης και (β) για το πείραμα της χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης 101

126 Δύο από τους σημαντικότερους παράγοντες που αρχικά θεωρήσαμε ότι επηρεάζουν την απόκριση του υλικού μας στο επαναλαμβανόμενο θερμομηχανικό φορτίο, είναι ο αριθμός των κύκλων ενεργοποίησης και η διάρκεια της θέρμανσης ανά κύκλο, δηλαδή ο χρόνος t 1. Στο σημείο αυτό, θα πρέπει να εισάγουμε ένα συντελεστή, τον οποίο ονομάζουμε συντελεστή φόρτου,k, και ισούται με το λόγο του χρόνου θέρμανσης προς τη συνολική διάρκεια του παλμού. Σχέση 4.7 Με στόχο να εξετάσουμε τη συμβολή του χρόνου θέρμανσης στη διάρκεια ζωής του NiTi ως ενεργοποιητή, τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης έγιναν για διάφορες τιμές του συντελεστή k: 0.44, 0.50, 0.53 και 0.57, ρυθμίζοντας το χρόνο t 1 (12, 15, 17 και 20 sec, αντίστοιχα). Το πείραμα της χαλάρωσης της μηχανικής τάσης ενεργοποίησης, εξετάζει τη δυνατότητα του σύρματος-ενεργοποιητή, να διατηρεί τη μηχανική τάση που αναπτύσσεται κατά τον αντίστροφο μετασχηματισμό με την πάροδο του χρόνου. Η μορφή του ρεύματος που διέρρεε το σύρμα φαίνεται στο Σχήμα 4.26β και η συνολική διάρκεια του πειράματος ήταν 225 ώρες, που αντιστοιχούν σε 9.5 περίπου ημέρες συνεχούς ενεργοποίησης, σε σταθερή θερμοκρασία. Για να εξεταστεί η συμβολή της θερμοκρασίας λειτουργίας στο φαινόμενο της υποβάθμισης της αναπτυσσόμενης τάσης, η δοκιμή πραγματοποιείται σε διάφορες θερμοκρασίες, εκτός της φυσιολογικής. Εάν προσέξουμε τα αποτελέσματα της παραγράφου 4.7, θα δούμε ότι η τιμή της παραγόμενης τάσης κατά την εκκίνηση των ενεργοποιήσεων, διαφέρει από το σχεδόν σταθερό επίπεδο των MPa που μετράται στη συνέχεια. Για το λόγο αυτό, πριν από την έναρξη των πειραμάτων, τα σύρματα υποβλήθηκαν σε μικρό πλήθος κύκλων ενεργοποίησης (4 έως 5), με στόχο την όσο το δυνατόν μεγαλύτερη σταθερότητα της λειτουργικής τους κατάστασης. Μετά το πέρας των πειραμάτων της λειτουργικής κόπωσης και της χαλάρωσης τάσης, χρησιμοποιημένα δείγματα εξετάστηκαν μέσω DSC, με σκοπό τον εντοπισμό αλλαγών στα χαρακτηριστικά του μετασχηματισμού. Η σύγκριση, έγινε με βάση τα αντίστοιχα αποτελέσματα του as-received υλικού, αλλά και τα αποτελέσματα DSC μετρήσεων σε υλικό που είχαμε υποβάλλει στη διαδικασία του training, απουσία οποιουδήποτε εξωτερικού περιορισμού. Ο 102

127 επαναπρογραμματισμός της μνήμης σχήματος του υλικού, έγινε σε εργαστηριακό κλίβανο του Τμήματος Επιστήμης των Υλικών, με εφαρμογή του θερμικού πεδίου των 510 ο C, για χρόνο 5 min και το σύρμα να βρίσκεται σε ελεύθερη μορφή. Κατά τον τρόπο αυτό, αναμέναμε ότι κατά την ενεργοποίηση του, δεν θα ανέπτυσσε μηχανικές τάσεις, αφού όλες οι διεργασίες της παραγωγής του, θα ακυρώνονταν. Πράγματι, η άποψη αυτή επιβεβαιώθηκε πλήρως, αφού δοκιμές ενεργοποίησης στο σύστημα Thermis, έδειξαν ότι το trained υλικό δεν ασκούσε παρά ελάχιστη τάση, της τάξης των 10 MPa. Το γεγονός αυτό, στηρίζει εκτός των άλλων και την υπόθεση της προηγούμενης παραγράφου, ότι το υλικό μας ήταν σχεδιασμένο από την παραγωγή του, να ασκεί το μέγιστο επίπεδο μηχανικών τάσεων χωρίς προτάνυση (βλ ). Μεγάλη βοήθεια επίσης προσέφεραν στην ερμηνεία των πειραματικών αποτελεσμάτων και των διαγραμμάτων DSC, οι παρατηρήσεις μέσω Ηλεκτρονιακής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM), σε δείγματα as-received, trained, αλλά και σε δείγματα που ελήφθησαν μετά το πέρας των δύο πειραμάτων που παρουσιάζονται σε αυτή την ενότητα. Η διάταξη SEM που χρησιμοποιήθηκε για τη λήψη των εικόνων, προερχόταν από την εταιρία Zeiss (model: Supra 35VP) και η τάση του ηλεκτρικού πεδίου που εφαρμόστηκε ανήλθε στα 10 kv. Οι παρατηρήσεις διεξήχθησαν στο ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ, στο οποίο και ανήκει το ανωτέρω σύστημα. Θα πρέπει να σημειώσουμε ότι των παρατηρήσεων αυτών, προηγήθηκε χημικός καθαρισμός των δειγμάτων (chemical etching) με εμβάπτιση των δειγμάτων σε διάλυμα θειικού οξέως. Αυτό, έγινε με σκοπό την απομάκρυνση των οξειδίων, αλλά και ενός στρώματος υλικού πολύ μικρού πάχους, για καλύτερη ποιότητα εικόνας και ακριβέστερη αποτύπωση των λεπτομερειών, σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο βάθος Αποτελέσματα πειραμάτων Ξεκινώντας με το πείραμα της λειτουργικής κόπωσης, όπως είδαμε σε προηγούμενη ενότητα, το σύρμα NiTi, αρχικά αναπτύσσει μηχανικές τάσεις της τάξης των 500 MPa, κάτι που παρατηρήθηκε σε όλα τα δείγματα που εξετάστηκαν. 103

128 Η διάταξη του Thermis, κατά τη διάρκεια των κύκλων θέρμανσης ψύξης, κατέγραφε ανά 0.3 sec την απόκριση του δοκιμίου, με αποτέλεσμα να έχουμε διαθέσιμη ολόκληρη την εξέλιξη του πειράματος σε διαγράμματα της μηχανικής αναπτυσσόμενης τάσης σαν συνάρτηση του αριθμού των κύκλων ενεργοποίησης. Στο Σχήμα 4.27, παρατίθεται ένα διάγραμμα λειτουργικής κόπωσης σύρματος NiTi, με το συντελεστή k να έχει την τιμή 0.5 (t 1 =t 2 =15 sec) και το πλήθος των συνεχών ενεργοποιήσεων να αγγίζει τις Σχήμα 4.27 Διάγραμμα της αναπτυσσόμενης μηχανικής τάσης για σύρμα NiTi, χωρίς προτάνυση, με k=0.50, μέγιστη θερμοκρασία δοκιμίου 100 ο C και για καταπόνηση 2100 συνεχών ενεργοποιήσεων. Η μέγιστη μηχανική τάση ανά κύκλο, είναι η παράμετρος που μας ενδιαφέρει στο συγκεκριμένο πείραμα. Επειδή από κάθε μέτρηση προέκυπτε τεράστιος όγκος δεδομένων, όπως φαίνεται εξάλλου και από το παραπάνω σχήμα, μετά το πέρας των πειραμάτων, για τη μελέτη του φαινομένου κατασκευάστηκαν απλούστερα διαγράμματα, που απεικονίζουν τη μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση συναρτήσει του πλήθους των ενεργοποιήσεων. Η πολύ μικρή διακύμανση της παραγόμενης αξονικής τάσης στην πρώτη ενεργοποίηση (σ min =495 MPa, σ max =510 ΜPa) σε όλα τα δείγματα, που αντιστοιχεί σε διαφορά δύναμης ίση με 0.99 Ν, μας 104

129 επιτρέπει στα διαγράμματα αυτά, να κανονικοποιήσουμε τον κατακόρυφο άξονα. Έτσι λοιπόν, η τιμή της μονάδας (1), αντιστοιχεί σε αξονική τάση στο σύρμα ίση με 500 MPa. Στο Σχήμα 4.28, φαίνονται συγκεντρωτικά τα πειραματικά αποτελέσματα της λειτουργικής κόπωσης και για τους τέσσερις συντελεστές φόρτου, k, που επιλέξαμε, μέχρι το σημείο που η αναπτυσσόμενη τάση αγγίζει το 10% της μέγιστης αρχικής τιμής, οπότε και θεωρούμε ότι το υλικό SMA δε μπορεί πλέον να λειτουργήσει ως ενεργοποιητής. Σχήμα 4.28 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα πειράματος λειτουργικής κόπωσης. Στον κάθετο άξονα, απεικονίζεται η κανονικοποιημένη μέγιστη μηχανική τάση, που δίνεται σαν συνάρτηση του αριθμού των ενεργοποιήσεων, για κάθε συντελεστή k. Όπως φαίνεται από το πιο πάνω διάγραμμα, η μέγιστη αναπτυσσόμενη αξονική τάση, μειώνεται όσο το πλήθος των ενεργοποιήσεων αυξάνει, αλλά δεν παρουσιάζει καμία εξάρτηση από το συντελεστή k, αφού όλα τα πειραματικά σημεία φαίνεται να ακολουθούν την ίδια καμπύλη. Η τιμή του k, από τη στιγμή που ο χρόνος της ψύξης είναι σταθερός, εξαρτάται μόνο από τη διάρκεια του χρόνου θέρμανσης, t 1. Έτσι, σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, η λειτουργική κόπωση του σύρματος, επηρεάζεται μόνο από τον αριθμό των εναλλαγών μεταξύ 105

130 οστενιτικής και μαρτενσιτικής φάσης. Θα πρέπει όμως να σημειώσουμε, ότι η διαφορά στη διάρκεια του χρόνου θέρμανσης ανά κύκλο, μεταξύ των ακραίων τιμών k=0.44 και k=0.57, είναι 8 sec, συνεπώς η παραπάνω διαπίστωση δε μπορεί να γενικευτεί, αφού δε γνωρίζουμε τη συμπεριφορά του υλικού για μεγαλύτερες διαφορές. Μπορούμε όμως με ασφάλεια να πούμε, ότι για τις δεδομένες πειραματικές συνθήκες, η παράμετρος t 1, δεν είναι κρίσιμη για την εξέλιξη του φαινομένου. Η συμφωνία μεταξύ των πειραματικών αποτελεσμάτων είναι τέτοια, που μας επιτρέπει να κατασκευάσουμε μια κοινή προσαρμοσμένη καμπύλη, χρησιμοποιώντας μια εκθετική συνάρτηση με δύο παραμέτρους, a και b. Η εξίσωση που χρησιμοποιήσαμε φαίνεται αμέσως πιο κάτω: Σχέση 4.8 Τα πειραματικά σημεία και η προσαρμοσμένη καμπύλη μαζί με τις τιμές των παραμέτρων, φαίνονται στο Σχήμα Σχήμα 4.29 Προσαρμοσμένη καμπύλη με βάση εκθετική συνάρτηση δύο παραμέτρων, για τη λειτουργική κόπωση σύρματος NiTi. Φαίνεται επίσης, η γραφική παράσταση του ρυθμού μείωσης της αξονικής μηχανικής τάσης συναρτήσει του πλήθους των κύκλων φόρτισης. 106

131 Χρησιμοποιώντας την εξίσωση της προσαρμοσμένης καμπύλης, κατασκευάστηκε και παρουσιάζεται στο ίδιο διάγραμμα και ο ρυθμός της μείωσης της μηχανικής τάσης, που έχει άμεση σχέση με την ένταση του φαινομένου της λειτουργικής κόπωσης. Σε αναλογία με τη μηχανική κόπωση των υλικών, όπου η διάρκεια ζωής τους ισούται με τον αριθμό των επαναλαμβανόμενων καταπονήσεων μέχρι τη θραύση, η διάρκεια ζωής των υλικών SMA ως ενεργοποιητών, καθορίζεται από την παύση της ικανότητάς τους να ασκούν δυνάμεις. Έτσι λοιπόν, σύμφωνα με το Σχήμα 4.29, η ημίσεια ζωή του σύρματος NiTi (ικανότητα ανάπτυξης τάσης ίση με το 50% της αρχικής) που εξετάζουμε, εντοπίζεται στους κύκλους περίπου, ενώ το πέρας της ζωής του (μηδενική ικανότητα ανάπτυξης τάσης) ξεπερνά τους κύκλους. Στην πράξη βέβαια, το υλικό έχει χάσει την ενεργοποιητική του ικανότητα πολύ νωρίτερα, ανάλογα πάντα με τις απαιτήσεις της κάθε εφαρμογής. Βλέπουμε επίσης ότι ο ρυθμός μείωσης της μέγιστης μηχανικής τάσης, άρα και η ένταση του μηχανισμού που κοπώνει το υλικό, είναι πολύ υψηλός κατά τη διάρκεια των πρώτων εκατοντάδων μετασχηματισμών, ενώ μειώνεται όσο εξελίσσεται το φαινόμενο. Τα επόμενα αποτελέσματα, αφορούν στο πείραμα της χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης. Ακολουθώντας την πειραματική διαδικασία που περιγράφηκε στην παράγραφο 4.8.1, εξετάσαμε τη συμπεριφορά του σύρματος σε κατάσταση συνεχούς ενεργοποίησης σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Καταγράφηκε η αναπτυσσόμενη από το σύρμα δύναμη στα επίπεδα των 100, 138, 156 και 164 ο C. Τα δοκίμια διατηρήθηκαν στην οστενιτική αυτή κατάσταση, για περισσότερο από 9 διαδοχικές ημέρες, χρόνος που πιθανότατα ξεπερνά οποιαδήποτε πραγματική εφαρμογή του NiTi. Στο Σχήμα 4.30, φαίνονται τα πειραματικά αποτελέσματα. Ο κατακόρυφος άξονας, για λόγους που έχουμε ήδη αναφέρει, είναι κανονικοποιημένος, ενώ για κάθε θερμοκρασία, απεικονίζεται και η προσαρμοσμένη καμπύλη στα πειραματικά δεδομένα. Χρησιμοποιήθηκε η εξίσωση δύο παραμέτρων που φαίνεται πιο κάτω: Σχέση 4.9 Οι τιμές των a,b για κάθε θερμοκρασία, φαίνονται στο διάγραμμα. 107

132 Σχήμα 4.30 Αποτελέσματα του πειράματος χαλάρωσης της μηχανικής τάσης ενεργοποίησης σύρματος NiTi. για θερμοκρασίες 100, 138, 156 και 164 ο C. Απεικονίζονται επίσης, οι προσαρμοσμένες καμπύλες για κάθε περίπτωση. Η επίπτωση της θερμοκρασίας λειτουργίας στο φαινόμενο της υποβάθμισης της μηχανικής αναπτυσσόμενης τάσης, είναι εμφανής. Υπάρχει λοιπόν μηχανισμός, που μειώνει την ικανότητα παραγωγής δύναμης του υλικού, λόγω συνεχούς παραμονής σε οστενιτική φάση και του οποίου η ένταση εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Στο τέλος του πειράματος, μετά από 225 συνεχείς ώρες ενεργοποίησης, τα δοκίμια μπορούσαν να ασκήσουν τάση ίση με το 85, 70, 50 και 45% της αρχικής μέγιστης τιμής, για θερμοκρασίες λειτουργίας 100, 138, 156 και 164 ο C, αντίστοιχα. Ενδεικτικά αναφέρουμε, ότι μετά τις 24 πρώτες ώρες, το σύρμα στους 100 ο C, είχε χάσει το 12% της ικανότητάς του να ασκεί τάση. Τα αντίστοιχα νούμερα για τις υπόλοιπες θερμοκρασίες κατά αύξουσα σειρά είναι 20, 32 και 39%. Η εξάρτηση του ρυθμού της μείωσης της αναπτυσσόμενης δύναμης και συνεπώς, του μηχανισμού υποβάθμισης από τη θερμοκρασία, φαίνεται πολύ πιο καθαρά στο Σχήμα 4.31, που απεικονίζονται οι καμπύλες του ρυθμού μεταβολής της τάσης ανά ώρα ενεργοποίησης, για κάθε θερμοκρασία λειτουργίας του δοκιμίου. 108

133 Σχήμα 4.31 Γραφική παράσταση του ρυθμού μεταβολής της αναπτυσσόμενης μηχανικής τάσης, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, βασισμένη στις προσαρμοσμένες καμπύλες του Σχ Στην παράγραφο που ακολουθεί, γίνεται εκτίμηση των αποτελεσμάτων με τη βοήθεια μετρήσεων DSC και παρατηρήσεων SEM, τόσο σε δείγματα που προέρχονται από τα πειράματα που μόλις παρουσιάστηκαν, όσο και σε δείγματα υλικού που έχει υποστεί τη διαδικασία του επαναπρογραμματισμού (training), σε σύγκριση πάντα, με το υλικό στη μορφή που το προμηθευτήκαμε (as-received) Ο μηχανισμός υποβάθμισης της αναπτυσσόμενης τάσης υπό το πρίσμα μετρήσεων DSC και παρατηρήσεων SEM. Την αρχική μας υπόθεση, ότι το υλικό NiTi που είχαμε στη διάθεση μας είχε υποστεί τέτοια κατεργασία κατά την παραγωγή του, ώστε να αναπτύσσει μηχανικές τάσεις χωρίς προτάνυση, στήριζαν μέχρι στιγμής, τόσο τα μηχανικά πειράματα εφελκυσμού με την απουσία της χαρακτηριστικής περιοχής de-twinning, όσο και τα αρχικά πειράματα ενεργοποίησης, με την πιστοποίηση της ικανότητας παραγωγής 109

134 τάσης σε συνθήκες περιορισμού, με μηδενική αξονική παραμόρφωση πριν τη θέρμανση (βλ ). Η διαδικασία του training, όπως αυτή περιγράφηκε στην παράγραφο 4.8.1, επιβεβαίωσε το γεγονός αυτό, αφού το υλικό πλέον ήταν αδύνατο να αναπτύξει ορθές τάσεις με το επίπεδο προτάνυσης να είναι μηδενικό, όπως επιβεβαιώνουν και οι μετρήσεις που φαίνονται στο Σχήμα Σχήμα 4.32 Ενεργοποίηση σύρματος NiTi, με προτάνυση 0%, σε θερμοκρασία 95 ο C περίπου, για υλικό που έχει υποβληθεί στη διαδικασία του training. Η κόκκινη γραμμή αντιστοιχεί στη μέγιστη αναπτυσσόμενη τάση, για τις ίδιες ακριβώς συνθήκες, από σύρμα as-received. Στα δείγματα που υποβλήθηκαν στην παραπάνω διαδικασία, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις DSC ακριβώς με τον ίδιο τρόπο όπως και στα asreceived δοκίμια. Τα αποτελέσματα αυτά, φαίνονται στο σχήμα 4.33, σε αντιπαράθεση με την αντίστοιχη καμπύλη για το υλικό στη μορφή που παραλήφθηκε από την εταιρία. Η αλλαγή στη θερμοδυναμική συμπεριφορά του υλικού κατά τη διάρκεια των κρυσταλλογραφικών μετασχηματισμών είναι εμφανής. 110

135 Σχήμα 4.33 Μετρήσεις DSC για υλικό as-received και για υλικό που έχει υποβληθεί στη διαδικασία του training Το θερμοκρασιακό παράθυρο του αντίστροφου μαρτενσιτικού μετασχηματισμού έχει μετατοπιστεί προς υψηλότερες τιμές, με Α s =82.2 o C και Α f =93.2 o C. Κατά την ψύξη, ο μαρτενσιτικός μετασχηματισμός ξεκινά σε θερμοκρασία Μ s =61.9 o C και ολοκληρώνεται με Μ f =41.1 o C. Είναι ξεκάθαρο ότι η μετάβαση από την οστενιτική στη μαρτενσιτική φάση ολοκληρώνεται σε δύο διαδοχικές και πλήρως διαχωρισμένες μεταξύ τους φάσεις, περιλαμβάνοντας δύο αντίστοιχους κρυσταλλογραφικούς μετασχηματισμούς. Η θερμική κατεργασία σε υψηλή θερμοκρασία (500 ο C), που εφαρμόσαμε στο δείγμα, οδήγησε στη μετάβαση από την κυβική χωροκεντρωμένη κρυσταλλογραφική δομή (Β2) στη ρομβοεδρική δομή της φάσης R (βλ 2.4). Όταν ο μετασχηματισμός αυτός ολοκληρώθηκε, ακολούθησε η μετάβαση από τη R-φάση στη μονοκλινή δομή (Β19 ) του μαρτενσίτη. Επειδή δεν εφαρμόστηκε η διαδικασία της ανόπτησης (βλ. 2.6) μετά το training, η φάση R κάνει έντονη την παρουσία της, μέσω της απόλυτα ξεκάθαρης κορυφής στο διάγραμμα DSC κατά την ψύξη. 111

136 Στο Σχήμα 4.34 που ακολουθεί, φαίνονται οι καμπύλες του DSC για δείγματα σύρματος NiTi, που έχουν κοπωθεί λειτουργικά για κύκλους με συντελεστή φόρτου, k, 0.44 και 0.53 αντίστοιχα. Για σύγκριση, αποτυπώνεται στο ίδιο διάγραμμα η ανάλογη καμπύλη DSC του υλικού, πριν από το πείραμα Heat flow (W/g) as received 2X10 4 cycles, k=0.44 2X10 4 cycles, k= Temperature ( o C) Σχήμα 4.34 Μετρήσεις DSC σε δείγματα που προέρχονται από το πείραμα της λειτουργικής κόπωσης για k=0.44 και k=0.53. Με το πέρας του πειράματος της κόπωσης, η δυνατότητα ανάπτυξης μηχανικής τάσης εξετάστηκε εκ νέου και βρέθηκε ότι το υλικό ασκούσε μέγιστη τάση που άγγιζε το επίπεδο των 30 MPa. Οι θερμοκρασίες μετασχηματισμού κατά τη θέρμανση, παρουσιάζουν αυξητική τάση, ενώ παράλληλα αυξάνεται και η τιμή της λανθάνουσας θερμότητας, με το ρυθμό απορρόφησης ενέργειας ανά μονάδα μάζας, να σημειώνει υψηλότερες τιμές. Αντίστοιχη αύξηση στην ενέργεια του μετασχηματισμού παρατηρείται και στο εξώθερμο κομμάτι της διαδικασίας, δηλαδή κατά την ψύξη. Παρατηρούμε επίσης, ότι το εύρος και των δύο μετασχηματισμών, (η διαφορά της θερμοκρασίας ολοκλήρωσης από τη θερμοκρασία εκκίνησης), μειώνεται. Μικρή μείωση σε σύγκριση με το as-received υλικό παρουσιάζει και η υστέρηση του φαινομένου. Μια πιο προσεκτική παρατήρηση στις κορυφές που 112

137 αντιστοιχούν στο μαρτενσιτικό μετασχηματισμό, αφήνει την αίσθηση ότι η αλλαγή φάσης τείνει πλέον να ολοκληρωθεί σε δύο στάδια. Αν και δεν είναι ξεκάθαρα ορατό, η θερμομηχανική κατεργασία της λειτουργικής κόπωσης, φαίνεται πως οδηγεί στην αποκάλυψη του μετασχηματισμού της φάσης R. Στο Σχήμα 4.35, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τα δείγματα που προέρχονται από το πείραμα της χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης σε θερμοκρασίες 138, 156 και 164 ο C Heat flow (W/g) as received 164 o C 156 o C 138 o C Temperature ( o C) Σχήμα 4.35 Μετρήσεις DSC σε δείγματα που προέρχονται από τα πειράματα χαλάρωσης της μηχανικής τάσης ενεργοποίησης σε θερμοκρασίες 138, 156 και 164 ο C. Το θερμοκρασιακό παράθυρο του οστενιτικού μετασχηματισμού, παρουσιάζει αισθητή μετατόπιση της τάξης των 10 ο C προς υψηλότερες τιμές και το φαινόμενο δείχνει να εντείνεται για δείγματα που έχουν καταπονηθεί σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Η λανθάνουσα θερμότητα, τόσο κατά τη θέρμανση, όσο και κατά την ψύξη, αυξάνεται αρκετά σε σύγκριση με το as-received υλικό, ενώ αυξάνεται σε μεγάλο ποσοστό και το θερμοκρασιακό εύρος των μετασχηματισμών. Σε αντίθεση με την περίπτωση της λειτουργικής κόπωσης, η υστέρηση του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος παρουσιάζει αύξηση. Η ολοκλήρωση του 113

138 μαρτενσιτικού μετασχηματισμού σε δύο φάσεις, λόγω της εμφάνισης του μετασχηματισμού Β2 R phase, είναι πιο ξεκάθαρη, υποδεικνύοντας ότι η εφαρμογή υψηλού θερμοκρασιακού πεδίου, ευνοεί περισσότερο την ενδιάμεση φάση R, από την επαναλαμβανόμενη λειτουργική κόπωση σε θερμοκρασίες κοντά στην Α f. Στον πίνακα που ακολουθεί, παρουσιάζονται συνοπτικά οι βασικότερες μετρήσεις μεγεθών, με βάση τα διαγράμματα που κατασκευάστηκαν με τη βοήθεια της μεθόδου DSC. Σε σύγκριση με τις αντίστοιχες τιμές του υλικού, πριν τη διεξαγωγή των πειραμάτων, δίνονται οι θερμοκρασίες μετασχηματισμού, η λανθάνουσα θερμότητα, το εύρος των μετασχηματισμών και η τιμή της υστέρησης για κάθε περίπτωση. Οι δείκτες s,p και f, αντιστοιχούν στη θερμοκρασία εκκίνησης, στη θερμοκρασία της κορυφής και στη θερμοκρασία ολοκλήρωσης του μετασχηματισμού. Πίνακας 4.4 Συγκεντρωτικά αποτελέσματα μετρήσεων DSC για δείγματα υλικού προερχόμενα από τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης και της χαλάρωσης τάσης ενεργοποίησης σε σύγκριση με τα αντίστοιχα του as-received υλικού. 114

139 Όπως έχουμε ήδη αναφέρει, σύμφωνα με τα αποτελέσματα του πειράματος της λειτουργικής κόπωσης και πάντα για τις πειραματικές συνθήκες που εφαρμόστηκαν, η διάρκεια του χρόνου θέρμανσης (t 1 ), δεν αποτελεί κρίσιμη παράμετρο για τη μείωση της ικανότητας του υλικού να αναπτύσσει αξονικές δυνάμεις όταν εκδηλώνεται ο αντίστροφος μετασχηματισμός. Αντίθετα, φαίνεται πως η συχνότητα εναλλαγής μεταξύ των δύο φάσεων, είναι η συνιστώσα που προκαλεί τη μεγαλύτερη βλάβη στον ενεργοποιητή και μάλιστα στην αρχική φάση της λειτουργίας του, όπου ο ρυθμός μείωσης της αναπτυσσόμενης τάσης έχει τις υψηλότερες τιμές. Τα κοπωμένα σύρματα, μπορούσαν να ασκήσουν μικρές μόνο μηχανικές τάσεις με το πέρας των δοκιμών, εντούτοις, σε ελεύθερη κατάσταση ανακτούσαν πλήρως το σχήμα τους, όταν παραμορφώνονταν. Τα αποτελέσματα DSC που μόλις είδαμε, παρά τις θερμοδυναμικές αλλαγές σε σχέση με το as-received σύρμα, δείχνουν ότι ο μαρτενσιτικός και ο αντίστροφος μετασχηματισμός πραγματοποιούνται απρόσκοπτα. Το ίδιο ισχύει φυσικά και για την περίπτωση του πειράματος της χαλάρωσης τάσης. Συμπεραίνουμε λοιπόν, ότι η απώλεια της ικανότητας ενός σύρματος NiTi που έχει υποστεί λειτουργική κόπωση, να δράσει ως ενεργοποιητής ή αλλιώς να ασκήσει δυνάμεις όταν περιορίζεται με κάποιο τρόπο, δεν πρέπει να συνδέεται άμεσα με την εκδήλωση του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος και την ικανότητά του να μετασχηματίζεται κρυσταλλογραφικά. Ένα υλικό NiTi, ανταποκρίνεται σε κάποια εξωτερική δύναμη, αλλάζοντας τον προσανατολισμό της κρυσταλλικής του δομής, μέσω της σχετικής κίνησης στα όρια των twins (δημιουργία POM). Αυτή η διεργασία περιγράφηκε ως de-twinning στο 2 ο Κεφάλαιο. Η μετάβαση μέσω θέρμανσης σε οστενιτική δομή, είναι αυτή που οδηγεί σε μακροσκοπική αλλαγή στη γεωμετρία του υλικού και υπεύθυνη για την ανάπτυξη δυνάμεων, όταν το υλικό παρεμποδιστεί. Όσο το κράμα κοπώνεται θερμομηχανικά, ο μηχανισμός αυτός υποβαθμίζεται και αδυνατίζει, με αποτέλεσμα τις μειωμένες μηχανικές τάσεις, οι οποίες καμία σχέση δεν έχουν με το μετασχηματισμό του υλικού σε ελεύθερη κατάσταση. Η Ηλεκτρονιακή Μικροσκοπία Σάρωσης (SEM), μας βοήθησε ρίχνοντας λίγο περισσότερο φως στο μηχανισμό μέσω του οποίου πραγματοποιείται η σταδιακή απώλεια της ικανότητας των συρμάτων NiTi να ασκούν μηχανικές τάσεις, κατά τη 115

140 διάρκεια των δοκιμών που διεξήχθησαν. Εξετάστηκαν δείγματα υλικού προερχόμενα από τα δύο είδη πειραμάτων καθώς και δείγματα as-received και trained υλικού. Στις επόμενες σελίδες, παρουσιάζονται εικόνες που ελήφθησαν μέσω υψηλής ανάλυσης SEM, από την επιφάνεια του υλικού για κάθε περίπτωση. Σχήμα 4.36 Εικόνα SEM από την επιφάνεια as-received υλικού. Σχήμα 4.37 Εικόνα SEM από την επιφάνεια υλικού που έχει υποστεί training. 116

141 Ευφυή Σύνθετα Υλικά με Ενσωματωμένα Κράματα Μνήμης Σχήματος Σχήμα 4.38 Εικόνα SEM από την επιφάνεια δείγματος προερχόμενο από λειτουργική κόπωση. Σχήμα 4.39 Εικόνα SEM από την επιφάνεια δείγματος προερχόμενο από το πείραμα χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης. 117

142 Ξεκινώντας τις παρατηρήσεις μας από το Σχήμα 4.36, στο οποίο απεικονίζεται επιφάνεια δείγματος NiTi, από σύρμα που δεν έχει καταπονηθεί θερμομηχανικά, πρέπει να επισημάνουμε τον ενιαίο προσανατολισμό όλων των περιοχών του υλικού. Δεν υπάρχουν ενδείξεις παρουσίας αυτό-διευθετούμενου μαρτενσίτη (SAM), αλλά αντίθετα η εικόνα των ενιαία προσανατολισμένων περιοχών που λάβαμε από όλα τα σχετικά δείγματα, συνηγορεί στην ύπαρξη μεγάλου ποσοστού μαρτενσίτη προτιμητέας διεύθυνσης προσανατολισμού (POM). Αυτό, αποτελεί άλλη μία ισχυρή ένδειξη για την ορθότητα του συλλογισμού, σύμφωνα με τον οποίο τα σύρματα NiTi που εξετάζουμε, εκ κατασκευής περιέχουν κυρίως POM και μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως ενεργοποιητές χωρίς περαιτέρω προτάνυση. Όσον αφορά στα υπόλοιπα τρία δείγματα, όπως φαίνεται και από τις αντίστοιχες εικόνες, δεν υπάρχει ενιαίος προσανατολισμός περιοχών, αλλά αντίθετα υπάρχουν δομικά χαρακτηριστικά στην επιφάνεια που σχετίζονται με τη μορφή του SAM, δηλαδή γειτονικά τμήματα υλικού με διαφορετικό προσανατολισμό, όπως ακριβώς συμβαίνει και με τα twins. Θεωρητικά, το δείγμα που αναμφίβολα περιέχει το μεγαλύτερο ποσοστό αυτό-διευθετούμενου μαρτενσίτη, είναι αυτό που έχει υποστεί το training (Σχ. 4.37), όχι μόνο γιατί η έντονη θερμική κατεργασία έχει σβήσει τη μνήμη σχήματος, αλλά και επειδή το σύρμα αυτό, αποδείχθηκε πειραματικά ότι δε μπορεί να ασκήσει μηχανική τάση χωρίς προτάνυση. Συνεπώς, μπορούμε να θεωρήσουμε την εικόνα του, ως αντιπροσωπευτική του SAM. Θα ήταν πιο ασφαλές, να χαρακτηρίσουμε τη μορφή των δύο θερμομηχανικά καταπονημένων δειγμάτων (Σχ & 3.39), ως δομή που μοιάζει με SAM για δύο λόγους: ο πρώτος είναι η διαφορετική θερμοδυναμική συμπεριφορά των δειγμάτων στο DSC σε σχέση με το trained δείγμα και ο δεύτερος είναι ότι οι συνθήκες κάτω από τις οποίες σχηματίστηκε η δομή ήταν περιοριστικές, άρα είναι πολύ πιθανό να υπάρχουν στη δομή του υλικού περιοχές με πλαστικές παραμορφώσεις ή άλλες μη ανακτήσιμες ατέλειες. Ολόκληρο σχεδόν το ποσοστό του κράματος NiTi είναι καθαρό SAM, όταν αυτό ψύχεται και μεταβαίνει στην μαρτενσιτική δομή, απουσία εξωτερικών περιορισμών και με την προϋπόθεση ότι προηγουμένως δεν έχει παραμορφωθεί περισσότερο από το όριο της ανακτήσιμης επιμήκυνσης. 118

143 Μετατροπή του οστενίτη σε 100% SAM, όπως έχουν δείξει έρευνες τρίτων, είναι απίθανο να υπάρξει, ακόμα και σε απόλυτα μη περιοριστικές συνθήκες [62]. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων στα οποία υποβάλαμε το υλικό, η έντονη θερμομηχανική καταπόνηση και ο κινηματικός περιορισμός στα άκρα, είτε λόγω της μεγάλης συχνότητας εναλλαγών φάσης σε φυσιολογική θερμοκρασία λειτουργίας (transformation fatigue), είτε λόγω υψηλής θερμοκρασίας (stress relaxation), φαίνεται ότι οδήγησε στο σχηματισμό της δομής που προσομοιάζει τον SAM, μέσω ενός μηχανισμού που προϋποθέτει χαλάρωση μέσω σχετικής κίνησης (slipping) στα όρια των twins. Ο μηχανισμός αυτός ουσιαστικά είναι της ίδιας φύσης με αυτόν που είναι υπεύθυνος για τη διαδικασία twinning και de-twinning. Σε αυτή την υπόθεση, συνηγορούν απόλυτα τα αποτελέσματα DSC που παρουσιάσαμε, όπου φαίνεται ότι ο μετασχηματισμός φάσης συνεχίζει να συμβαίνει απρόσκοπτα σε όλα τα εξεταζόμενα δείγματα. Εάν η υποβάθμιση της ικανότητας των συρμάτων να ασκούν τάση οφειλόταν σε διαφορετικού τύπου μηχανισμό από αυτόν που προτείνεται, τότε, θα επηρεαζόταν αρνητικά και η εκδήλωση του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος. Το αποτέλεσμα της χαλάρωσης αυτής, ουσιαστικά μειώνει το ποσοστό της προτάνυσης του σύρματος και συνεπώς μειώνει και τη μηχανική τάση που μπορεί το υλικό να αναπτύξει. Σύμφωνα με τα παραπάνω, το αποτέλεσμα της λειτουργικής κόπωσης (ή της χαλάρωσης της τάσης υπό συνεχή ενεργοποίηση) και της διαδικασίας του training, υπό το πρίσμα των μετρήσεων DSC και των παρατηρήσεων SEM, είναι ουσιαστικά κοινό: μια μαρτενσιτική δομή που είναι ή μοιάζει με SAM. Σημειωτέον, ότι η εικόνα που φαίνεται στο Σχήμα 4.39, αποτελεί μια από τις πλέον χαρακτηριστικές (δομή fishbone ) απεικονίσεις αυτό-διευθετούμενου μαρτενσίτη, που συναντώνται στη διεθνή βιβλιογραφία. Στο Σχήμα 4.40 που ακολουθεί, φαίνεται η σχηματική επεξήγηση του προτεινόμενου μηχανισμού υποβάθμισης της αναπτυσσόμενης μηχανικής τάσης και το κοινό αποτέλεσμα (δομή SAM) τόσο για τα δύο είδη πειραμάτων που πραγματοποιήθηκαν, όσο και για το training του υλικού μας. 119

144 Σχήμα 4.40 Σχηματική απεικόνιση (α) του προτεινόμενου μηχανισμού κατά τη διάρκεια των πειραμάτων που οδηγεί σε μαρτενσιτική δομή παρόμοια με του SAM και (β) της διαδικασίας του training του υλικού Παρά το γεγονός ότι η φύση των πειραμάτων της λειτουργικής κόπωσης και της χαλάρωσης τάσης ενεργοποίησης είναι διαφορετική, κυρίως ως προς την κρίσιμη παράμετρο που κυριαρχεί σε κάθε περίπτωση (συχνότητα εναλλαγών φάσης ή θερμοκρασία αντίστοιχα), θα ήταν πολύ ενδιαφέρον εάν μπορούσαμε να δούμε τα αποτελέσματα από κοινή οπτική γωνία. Το πρώτο βήμα προς αυτή την κατεύθυνση, είναι να επικεντρωθούμε καταρχήν σε μετρήσεις που αφορούν στην ίδια θερμοκρασία. Εστιάζουμε λοιπόν στα αποτελέσματα της χαλάρωσης τάσης για το σύρμα που βρισκόταν σε θερμοκρασία ο C, αφού όλα τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης διεξήχθησαν επίσης στη θερμοκρασία αυτή. Το δεύτερο βήμα, είναι η μετάφραση του αριθμού των κύκλων ενεργοποίησης στο πείραμα της κόπωσης, σε χρόνο συνεχούς ενεργοποίησης. Υπενθυμίζουμε ότι η χρονική διάρκεια του κάθε κύκλου ήταν t 1 +t 2, με t 1 να είναι η διάρκεια της θέρμανσης και t 2 120

145 να είναι η διάρκεια της ψύξης. Άρα, εάν με i συμβολίσουμε το πλήθος των κύκλων, ο αντίστοιχος χρόνος συνεχούς ενεργοποίησης για i κύκλους θα είναι: Σχέση 4.10 Μετατρέποντας λοιπόν, κάθε μια από τις καμπύλες κόπωσης, μπορούμε να κατασκευάσουμε διάγραμμα της αναπτυσσόμενης τάσης σαν συνάρτηση του ισοδύναμου χρόνου συνεχούς ενεργοποίησης. Στο Σχήμα 4.41, φαίνονται οι τροποποιημένες γραφικές παραστάσεις, μαζί με την προσαρμοσμένη καμπύλη στα πειραματικά αποτελέσματα της χαλάρωσης της τάσης του ενεργοποιημένου σύρματος για την ίδια θερμοκρασία. Σχήμα 4.41 Λειτουργική κόπωση και χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης υπό το πρίσμα του συνεχούς χρόνου ενεργοποίησης. Για να γίνει πιο κατανοητή η σύγκριση, ας χρησιμοποιήσουμε σαν παράδειγμα την καμπύλη κόπωσης που αντιστοιχεί σε συντελεστή φόρτου, k=0.57 και για συνεχή χρόνο ενεργοποίησης ίσο με το χρόνο μιας ημέρας (βλ. Σχήμα 4.41). Για k=0.57, η διάρκεια του κάθε κύκλου είναι t 1 +t 2 =20+15 sec=35 sec. Άρα, πολύ εύκολα υπολογίζουμε ότι σε 24 h, έχουν πραγματοποιηθεί 2469 κύκλοι μετασχηματισμού. Το σημείο λοιπόν που φαίνεται στο σχήμα, έχει καταπονηθεί με 121

146 2469 θερμομηχανικούς κύκλους που αντιστοιχούν σε 24 h συνεχούς θέρμανσης. Όπως φαίνεται, μετά από καταπόνηση μιας ημέρας, το σύρμα ασκεί το 32% της αρχικής του τάσης, άρα έχει απολέσει το 68% της ικανότητάς του. Θα μπορούσαμε να πούμε λοιπόν, συνδυάζοντας τα δύο πειράματα, ότι το 18% της απώλειας οφείλεται στη χαλάρωση λόγω του τασικού και του θερμοκρασιακού πεδίου και το υπόλοιπο 82% οφείλεται στις συνεχείς εναλλαγές μεταξύ οστενιτικής και μαρτενσιτικής φάσης. Εάν επαναλάβουμε τους πιο πάνω υπολογισμούς για το αντίστοιχο σημείο με k=0.44, θα δούμε ότι το ποσοστό του 18% μειώνεται και αυξάνεται το ποσοστό του 82%, κάτι που είναι πολύ λογικό, αφού το t 1 είναι πλέον μικρότερο και οι κυκλικές καταπονήσεις για διάρκεια 24 h, είναι περισσότερες. Καταλήγουμε λοιπόν, ότι το φαινόμενο της υποβάθμισης τάσης που παρατηρείται στο αντίστοιχο πείραμα της χαλάρωσης, εμπεριέχεται σε κάποιο ποσοστό και στο φαινόμενο της λειτουργικής κόπωσης, ανάλογο του χρόνου θέρμανσης ανά κύκλο. Κλείνοντας την ενότητα αυτή, θα πρέπει να αναφέρουμε ότι η εξέταση της επιφάνειας των δειγμάτων μετά τη θερμομηχανική τους καταπόνηση στα πειράματα που περιγράψαμε, αποκάλυψε την ύπαρξη αυξημένης πυκνότητας επιφανειακών ρωγμών σε σχέση με το as-received υλικό. Όπως ήταν φυσικό, πιο εκτεταμένες μικρο-ρωγμές έφερε το δείγμα που είχε υποβληθεί σε λειτουργική κόπωση. Μετά τη διαπίστωση αυτή, ακολούθησαν μηχανικά πειράματα εφελκυσμού, τα οποία δεν έδειξαν καμία απολύτως διαφοροποίηση στις μηχανικές ιδιότητες του υλικού. Συνεπώς, δεν υπάρχει βάσιμη ένδειξη που να συνδέει την εμφάνιση των επιφανειακών αυτών ατελειών με την υποβάθμιση της μηχανικής τάσης ενεργοποίησης, για τα συγκεκριμένα υλικά που εξετάζουμε. Στο σχήμα που ακολουθεί, φαίνονται χαρακτηριστικές εικόνες της επιφάνειας των δειγμάτων που ελήφθησαν με χρήση του SEM, σε κατάλληλη μεγέθυνση, ώστε να γίνεται αντιληπτή, τόσο η ύπαρξη των επιφανειακών ρωγμών, όσο και η σύγκριση της πυκνότητάς τους μεταξύ των δοκιμίων. 122

147 transformation fatigue stress relaxation as received Σχήμα 4.42 Εικόνες SEM από την επιφάνεια καταπονημένων δειγμάτων και asreceived υλικού, που αποκαλύπτουν την ύπαρξη επιφανειακών μικρο-ρωγμών, οι οποίες όμως δεν επηρεάζουν τις μηχανικές ιδιότητες των υλικών. 123

148

149 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΥΡΜΑΤΑ ΝΙΚΕΛΙΟΥ - ΤΙΤΑΝΙΟΥ 5.1 Εισαγωγή Στο 4 ο κεφάλαιο, εξετάσαμε τις στατικές μηχανικές ιδιότητες, τη θερμοδυναμική συμπεριφορά και την ικανότητα παραγωγής μηχανικής τάσης συρμάτων Μνήμης Σχήματος Νικελίου-Τιτανίου. Επιλέχθηκαν οι δοκιμές της λειτουργικής κόπωσης και της χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης, ως αντιπροσωπευτικές της πραγματικής λειτουργίας σε ενδεχόμενες εμπορικές εφαρμογές, έτσι ώστε να προκύψουν χρήσιμα πρακτικά στοιχεία όσον αφορά στη χρήση του συγκεκριμένου υλικού σε ευφυή συστήματα στο ρόλο του αισθητήρα ή/και του ενεργοποιητή. Το επόμενο βήμα, είναι η ενσωμάτωση του σύρματος NiTi σε υβριδικές σύνθετες δομές, στο ρόλο της γεννήτριας εσωτερικών μηχανικών τάσεων και η εξέταση της ανάπτυξης δυνάμεων από το σύνθετο υλικό σε πειραματικές συνθήκες ανάλογες με αυτές του προηγούμενου κεφαλαίου. Η προσπάθεια κατασκευής συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας με ενσωμάτωση Κραμάτων Μνήμης Σχήματος, στη διεθνή επιστημονική κοινότητα δεν είναι κάτι καινοτόμο και ουσιαστικά αναπτύχθηκε ταυτόχρονα με την έρευνα στον τομέα των ευφυών υλικών. Οι περιπτώσεις που μπορούμε να απαριθμήσουμε είναι αρκετές και αυτό που ουσιαστικά τις κατηγοριοποιεί, είναι η διαφορά στο κίνητρο της κατασκευής και στην ιδιότητα που μελετάται. Ενδεικτικά αναφέρουμε, ότι μεγάλο τμήμα της έρευνας στον τομέα των πολύ-λειτουργικών συνθέτων υλικών, 124

150 έχει καταλάβει η εξέταση της αποσβεστικής τους ικανότητας, λόγω της παρουσίας του κράματος NiTi και της εξαιρετικής του ικανότητας στην απορρόφηση της ενέργειας. Έτσι λοιπόν, έχει εκπονηθεί εκτεταμένη έρευνα στη συμπεριφορά πολυμερικών συνθέτων με ενσωματωμένα κράματα NiTi έναντι κρουστικών φορτίων [58,40,41]. Έχει μελετηθεί επίσης η δυνατότητα ελέγχου της αλλαγής του σχήματος πολυμερικών ράβδων και πλακών με εγκλείσματα NiTi και NiTiCu, σε μορφή σύρματος [63,64] ή σε μορφή λωρίδων (NiTi strips) [65]. H μελέτη της διεπιφάνειας κράματος-μήτρας και οι συνθήκες κάτω από τις οποίες παύει αυτή να υφίσταται, έχει αποτελέσει στο παρελθόν κίνητρο για την κατασκευή συνθέτων με ενσωματωμένα σύρματα NiTi [13]. Το κράμα NiTi, έχει επίσης χρησιμοποιηθεί ως ενισχυτική φάση για τη δομική ενίσχυση συνθέτων [44] ή σαν ενεργοποιητής στην προσπάθεια ελεγχόμενης αλλαγής γεωμετρίας σε παραπάνω από μία διευθύνσεις, με επιλεκτική ενεργοποίηση των ενσωματωμένων σε διαφορετικά επίπεδα και κατευθύνσεις συρμάτων [50]. Μέχρι τη στιγμή αυτή, η μεγαλύτερης κλίμακας γνωστή σύνθετη πολύ-λειτουργική δομή, που ενσωματώνει Κράματα Μνήμης Σχήματος, είναι μια πτέρυγα ουραίου τμήματος αεροσκάφους στη βιομηχανία EADS [51]. Το σύνθετο υλικό που επιλέξαμε να χρησιμοποιήσουμε στην παρούσα εργασία, αποτελείται από εποξειδική ρητίνη ως μητρική φάση, ενισχυμένη με πολυμερικές ίνες Kevlar 29 και σύρματα Μνήμης Σχήματος NiTi, στο ρόλο των ενεργοποιητών. Η επιλογή αυτή, κάθε άλλο παρά τυχαία θα μπορούσε να χαρακτηριστεί, αφού το συγκεκριμένο σύνθετο σύστημα των τριών φάσεων, ικανοποιεί κάποιες πολύ βασικές προϋποθέσεις για την επιτυχημένη κατασκευή μιας πολύ-λειτουργικής δομής: παρουσιάζει περιορισμένη μεταβολή των γεωμετρικών του χαρακτηριστικών κατά την εφαρμογή θερμικού πεδίου, η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (T g ) της ρητίνης, είναι αρκετά υψηλότερη από τη θερμοκρασία ενεργοποίησης των συρμάτων (Α f ) και τέλος, η ποιότητα της διεπιφάνειας μεταξύ σύρματος και μήτρας είναι τέτοια, που δεν παρουσιάζονται φαινόμενα αποκόλλησης (debonding ) σε φυσιολογικές συνθήκες λειτουργίας. Περισσότερες λεπτομέρειες για τα παραπάνω, θα δοθούν στις παραγράφους που ακολουθούν, οπού θα γίνει λόγος για το διεπιφανειακό δεσμό και τον τρόπο μεταφοράς της μηχανικής τάσης από το σύρμα στη μήτρα, θα προσδιοριστεί 125

151 πειραματικά η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης της εποξειδικής ρητίνης που χρησιμοποιήσαμε, θα παρουσιαστεί η διαδικασία παρασκευής των υλικών μας, θα μετρηθούν πειραματικά οι θερμικές τάσεις χωρίς την παρουσία συρμάτων NiTi στο εσωτερικό του συνθέτου, θα παρουσιαστούν τα αποτελέσματα από στατικά μηχανικά πειράματα, αλλά και από πειράματα Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης (DMA) στα παραγόμενα σύνθετα. Θα ακολουθήσει η ενεργοποίηση των υβριδικών δοκιμίων στο σύστημα Thermis, όπου και θα εξεταστεί η ικανότητα ανάπτυξης μηχανικής τάσης από το σύνθετο και η διεξαγωγή πειραμάτων λειτουργικής κόπωσης και χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης, κατά αναλογία με τις αντίστοιχες δοκιμές του προηγούμενου κεφαλαίου στο σύρμα. Θα πρέπει να σημειώσουμε εδώ, ότι η ίνες Kevlar, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως αισθητήρες μηχανικών τάσεων, μέσω της φασματοσκοπίας laser Raman [66]. Η τεχνική αυτή, έχει εφαρμοστεί με επιτυχία από συνεργάτες, σε σύνθετα υλικά ιδίου τύπου με αυτά που μελετώνται στην παρούσα εργασία, με ενσωματωμένα σύρματα NiTiCu μικρότερης διαμέτρου, παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες για την κατανομή των μηχανικών τάσεων στο εσωτερικό του συνθέτου [16,67]. 5.2 Μεταφορά Μηχανικής Τάσης από το Σύρμα στο Σύνθετο Υλικό - Διεπιφάνεια Η βασικότερη διαφορά μεταξύ των πολύ-λειτουργικών συνθέτων υλικών και των συμβατικών δομικών συνθέτων που χρησιμοποιούνται ευρέως σε πάσης φύσεως κατασκευές, όπως σε τμήματα οχημάτων και αεροσκαφών, σε πτερύγια ανεμογεννητριών, στην κατασκευή προστατευτικού εξοπλισμού αναβατών (κράνη) και λοιπού αθλητικού υλικού (ρακέτες), είναι η εκ διαμέτρου αντίθετη φιλοσοφία λειτουργίας τους σε πραγματικές συνθήκες. Τα συμβατικά σύνθετα υλικά, καλούνται, με το πλεονέκτημα του μικρού βάρους και της μεγάλης ειδικής αντοχής, να αντικαταστήσουν μονοφασικές δομές και να ανταπεξέλθουν σε εξωτερικά επιβαλλόμενα στατικά και δυναμικά φορτία (π.χ. κρούσεις, δονήσεις, ίδιο βάρος κατασκευής κ.α.). Τα υβριδικά σύνθετα υλικά που μας απασχολούν, εκτός από τις δομικές δυνατότητες που ούτως ή άλλως διαθέτουν, προορίζονται να μεταβάλλουν 126

152 τις μηχανικές, τις φυσικές ή τις γεωμετρικές τους ιδιότητες, μέσω δυνάμεων που γεννώνται και αναπτύσσονται από το ίδιο το σύστημα. Στην περίπτωσή μας, για να μπορέσει το σύνθετο υλικό που κατασκευάζουμε να χαρακτηριστεί λειτουργικό, θα πρέπει να είναι ικανό να μεταφέρει μηχανικές τάσεις, όταν τα σύρματα που περιέχει ενεργοποιούνται. Ο μηχανισμός μεταφοράς τάσεων από το σύρμα στη μητρική φάση, μπορεί να υλοποιηθεί μόνο στην περίπτωση ενός ισχυρού διεπιφανειακού δεσμού κράματος-εποξειδικής ρητίνης. Το 1986, ο Budiasnsky, με σκοπό να δώσει μια εξήγηση για τον τρόπο μεταφοράς του φορτίου από μια ίνα SMA προς την πολυμερική μήτρα που την περιβάλει, πρότεινε τη χρήση του κυλινδρικού μοντέλου διατμητικής μεταφοράς τάσεων και παραμορφώσεων (shear-lag model) [68]. Το μοντέλο αυτό, χρησιμοποιείται ακόμα και σήμερα ως βάση για την ανάπτυξη πιο πολύπλοκων μοντέλων, που προβλέπουν την αλλαγή του σχήματος πολυμερικών συνθέτων υλικών με ενσωματωμένα σύρματα Μνήμης Σχήματος [48, 69]. Σχήμα 5.1 Το shear-lag model που πρότεινε το 1986 ο Budiansky για να περιγραφεί η μεταφορά της μηχανικής τάσης από το ενεργοποιημένο SMA στη μητρική φάση Σύμφωνα με το Σχήμα 5.1, η αξονική παραμόρφωση του σύρματος, λόγω του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος, μεταφέρεται στη μητρική φάση μέσω της διατμητικής παραμόρφωσης μιας στρώσης υλικού (shear layer) που περιβάλλει το 127

153 σύρμα. Είναι εμφανές, ότι η σημασία της ισχυρής διεπιφάνειας για τα υλικά αυτά είναι τεράστια. Αρκετές προσπάθειες κατασκευής πολύ-λειτουργικών συνθέτων υλικών στο παρελθόν απέτυχαν, διότι τα υλικά που επιλέχθηκαν δεν διασφάλιζαν ισχυρό διεπιφανειακό δεσμό [70,71], ενώ σε άλλες περιπτώσεις, η πρόσφυση μεταξύ εγκλείσματος και μήτρας εξασφαλιζόταν με καθαρά μηχανικό τρόπο με χρήση εξωτερικών σφιγκτήρων ή άλλων μεταλλικών εξαρτημάτων [71, 72]. Όταν το υλικό SMA στο εσωτερικό του συνθέτου ενεργοποιηθεί, η τάση για μεταβολή των γεωμετρικών του χαρακτηριστικών, λόγω φυσικά του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος, οδηγεί στην ανάπτυξη μεγάλων διατμητικών δυνάμεων στην διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ εγκλείσματος και μήτρας. Όσο ισχυρότερη είναι η διεπιφάνεια, τόσο πιο αποδοτική είναι η μεταφορά τάσεων και παραμορφώσεων στο σύνθετο υλικό [73]. Ο διεπιφανειακός δεσμός υλοποιείται γενικά μέσω των παρακάτω μηχανισμών [74]: - διαβροχή και προσρόφηση - διάχυση και χημικές αντιδράσεις - ηλεκτροστατική έλξη, και - μηχανική πρόσφυση Στην περίπτωση των μεταλλικών ινών NiTi που περιβάλλονται από πολυμερική μήτρα, επιδιώκουμε σε πρώτη φάση την όσο το δυνατόν καλύτερη διαβροχή του μετάλλου από την υγρή ρητίνη κατά τη φάση του curing και την εξασφάλιση ισχυρής διεπιφάνειας μέσω δυνάμεων τριβής όταν το σύνθετο έχει πια κατασκευαστεί. Για το λόγο αυτό, η επιφανειακή κατεργασία των συρμάτων, διαδραματίζει πολύ σημαντικό ρόλο στη λειτουργική ικανότητα του υλικού μας. Στο παρελθόν, έχει πραγματοποιηθεί έρευνα με σκοπό τη μέτρηση της ποιότητας του διεπιφανειακού δεσμού μεταξύ σύρματος NiTi και πολυμερικής μήτρας [13], για διάφορες περιπτώσεις επιφανειακής κατεργασίας του μετάλλου, όπως π.χ. χημικό καθαρισμό, επεξεργασία με γυαλόχαρτο, αμμοβολή κ.α. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα των ανωμαλιών της επιφάνειας του σύρματος, τόσο ισχυρότερη είναι η διεπιφάνεια (βλ. Σχ. 5.2α). Με το σκεπτικό αυτό, τα σύρματα που χρησιμοποιήσαμε, επιλέχθηκαν να διαθέτουν οξειδωμένη επιφάνεια (βλ. 4.4), για όσο το δυνατόν μεγαλύτερη προσρόφηση 128

154 υγρής ρητίνης και όσο το δυνατόν μεγαλύτερη μηχανική πρόσφυση. Χημικός καθαρισμός των συρμάτων (chemical etching) πραγματοποιήθηκε μόνο στην περίπτωση των παρατηρήσεων μέσω Ηλεκτρονιακής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM). Παρατήρηση με οπτικό μικροσκόπιο της οξειδωμένης επιφάνειας των συρμάτων που χρησιμοποιήσαμε φαίνεται στο Σχήμα 5.2β. Σχήμα 5.2 (α) Τάση αποκόλλησης σύρματος NiTi-μήτρας, για διάφορες περιπτώσεις επιφανειακής κατεργασίας του σύρματος και (β) παρατήρηση με οπτικό μικροσκόπιο της οξειδωμένης επιφάνειας των συρμάτων που χρησιμοποιήσαμε στα πειράματα Παρατηρήσεις SEM, έχουν δείξει πολύ καλές διεπιφανειακές ιδιότητες όταν το επίπεδο της προτάνυσης των συρμάτων παραμένει κάτω από το 8%. Μεγαλύτερη προτάνυση, οδηγεί σε αστοχία του διεπιφανειακού δεσμού λόγω των αυξημένων μηχανικών τάσεων που αναπτύσσονται κατά τη συρρίκνωση των συρμάτων με την ταυτόχρονη θερμική διαστολή της πολυμερικής μήτρας [75]. Παράλληλα, η ενίσχυση της μήτρας με ίνες αρνητικού συντελεστή θερμικής διαστολής (ίνες Kevlar), ανακουφίζει τις διατμητικές τάσεις στη διαχωριστική επιφάνεια σύρματοςμήτρας και μετατοπίζει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες την αποκόλληση, ενώ θερμοκρασίες curing μέχρι και 150 ο C, δεν επηρεάζουν την ικανότητα ενεργοποίησης των συρμάτων NiTi, εφόσον φυσικά αυτά διατηρούν το μήκος τους με κάποιου είδους μηχανική συγκράτηση [76]. 129

155 Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η επιφάνεια των συρμάτων που χρησιμοποιήσαμε ευνοεί τη μηχανική πρόσφυση, ότι η μητρική φάση είναι ενισχυμένη σε μεγάλο ποσοστό με ίνες Kevlar και ότι η μέγιστη θερμοκρασία κατά την παρασκευή του συνθέτου αγγίζει για λίγα μόνο λεπτά τους 130 ο C, συμπεραίνουμε ότι ικανοποιούνται οι προϋποθέσεις για ένα ισχυρό διεπιφανειακό δεσμό που θα διασφαλίσει την ομαλή μεταφορά των εσωτερικά αναπτυσσόμενων μηχανικών τάσεων. Πέρα από αυτό, στην περίπτωση που ο δεσμός της διαχωριστικής επιφάνειας σύρματος και μήτρας αστοχήσει, αυτό θα γίνει άμεσα αντιληπτό από την απότομη υποβάθμιση της μετρούμενης μηχανικής τάσης από το σύστημα Thermis. Λεπτομέρειες για τον τρόπο παρασκευής και τα υλικά θα δοθούν σε επόμενη παράγραφο. 5.3 Θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης της μητρικής φάσης Πριν προχωρήσουμε στην περιγραφή της διαδικασίας παραγωγής των υβριδικών συνθέτων υλικών και στα είδη των δοκιμίων που χρησιμοποιήσαμε, θα αφιερώσουμε λίγο χρόνο στον προσδιορισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης (Τ g ) της εποξειδικής ρητίνης που επιλέχθηκε. Η τιμή αυτής της παραμέτρου είναι ιδιαίτερα κρίσιμη, για τον απλό λόγο ότι εάν η θερμοκρασία λειτουργίας του συνθέτου υπερβεί την τιμή της T g, υπάρχει δραματική μείωση της ισχύος του διεπιφανειακού δεσμού. Βασική προϋπόθεση για την κατασκευή ενός λειτουργικού υλικού με ενσωματωμένα SMA, είναι η θερμοκρασία ενεργοποίησης του κράματος, A f, να είναι χαμηλότερη από την θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης της πολυμερικής μήτρας. Η υαλώδης μετάβαση είναι ένα φαινόμενο που εμφανίζεται στα άμορφα και ημικρυσταλλικά πολυμερή και συμβαίνει λόγω περιορισμού στην κίνηση των μοριακών αλυσίδων κατά την ψύξη. Η θερμοκρασία στην οποία το πολυμερές μεταβαίνει από την ελαστόμορφη κατάσταση υψηλής θερμοκρασίας στην άκαμπτη κατάσταση της χαμηλής θερμοκρασίας, ονομάζεται θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης (ή μετάβασης), Τ g. [6]. Φυσικά, αυτή η διαδικασία είναι συμβαίνει και κατά τη θέρμανση των πολυμερών, όπου έχουμε μετάβαση από την συμπαγή 130

156 κατάσταση στην ελαστομερική συμπεριφορά, το υλικό δηλαδή μαλακώνει. Αυτό ακριβώς είναι το φαινόμενο που θέλουμε να αποφύγουμε στη δική μας περίπτωση, όταν θερμαίνουμε και ενεργοποιούμε τα ενσωματωμένα σύρματα NiTi στο σύνθετο υλικό μας. Η εποξειδική ρητίνη δύο συστατικών που χρησιμοποιήσαμε έχει την εμπορική ονομασία LTM217 και προέρχεται από την εταιρία ACG (UK). Ανάλογα με τη θερμική διαδικασία που ακολουθείται, σύμφωνα πάντα με τις προδιαγραφές της κατασκευάστριας εταιρίας, η θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης ξεπερνά τους 150 ο C. Για τον πειραματικό προσδιορισμό της T g, χρησιμοποιήσαμε τη μέθοδο της Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης (DMA) και δοκίμια καθαρής ρητίνης LTM217, ενώ τα σύνθετα υλικά που θα μελετήσουμε στη συνέχεια κατασκευάστηκαν, όπως θα δούμε, από φύλλα προεμβαπτισμένων ινών Kevlar 29 σε προπολυμερισμένη ρητίνη του ιδίου τύπου Δυναμική Μηχανική Ανάλυση Βασικές έννοιες και υπολογισμός T g Εάν σε ένα ιξωδοελαστικό υλικό εφαρμόσουμε περιοδική εξωτερική παραμόρφωση ε, με πλάτος ε ο και κυκλική συχνότητα ω, τότε η παραμόρφωση αυτή μπορεί να εκφραστεί από την παρακάτω σχέση: Σχέση 5.1 Λόγω ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς, η αναπτυσσόμενη μηχανική τάση, θα είναι επίσης περιοδική συνάρτηση του χρόνου, με πλάτος σ 0, κυκλική συχνότητα ω και με διαφορά φάσης δ, σε σχέση με την παραμόρφωση και εκφράζεται από τη σχέση: Σχέση 5.2 Με τη βοήθεια του νόμου του Hooke και σχέσεων τις τριγωνομετρίας, προκύπτει η παρακάτω έκφραση της μηχανικής τάσης: Σχέση 5.3 Όπου Ε, είναι το μέτρο αποθήκευσης (storage modulus) και Ε, είναι το μέτρο απωλειών (loss modulus) του υλικού μας. 131

157 Το μιγαδικό μέτρο ελαστικότητας ορίζεται από τη σχέση: Σχέση 5.4 Ανάλογα με τη θερμοκρασία και τη συχνότητα της διέγερσης, η συμπεριφορά του πολυμερούς μεταβάλλεται μεταξύ τεσσάρων διακριτών περιοχών: υαλώδης περιοχή (glassy), περιοχή μετάβασης (transition), ελαστόμορφη (rubbery) περιοχή και περιοχή ιξώδους ροής (flow). H θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης, συνήθως υπολογίζεται από το διάγραμμα της εφαπτομένης της διαφοράς φάσης (tanδ), συναρτήσει της θερμοκρασίας και αντιστοιχεί στη θερμοκρασία της κορυφής της καμπύλης (βλ. Σχ. 5.3). Βέβαια, για να είμαστε πιο ακριβείς, πρόκειται για μια περιοχή θερμοκρασιών μικρού εύρους και όχι για ένα και μόνο σημείο. Σχήμα 5.3 Τυπικό διάγραμμα των Ε, Ε και tanδ για ιξωδοελαστικό πολυμερές συναρτήσει της θερμοκρασίας. Η κορυφή της καμπύλης tanδ=f(t), αντιστοιχεί στη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης. 132

158 5.3.2 Πειραματικός υπολογισμός του T g H διάταξη Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης (DMA) που χρησιμοποιήσαμε προέρχεται από την εταιρία ΤΑ Instruments (Model: Q800) και ανήκει στο ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ. Η συγκεκριμένη συσκευή δέχεται δοκίμια σχήματος ορθογωνίου παραλληλογράμμου μήκους 5-60 mm, πλάτους 5-15 mm και το μέγιστο πάχος φθάνει τα 7 mm. Ένας γραμμικός κινητήρας οδηγεί μια κινούμενη αρπάγη, η οποία είναι τοποθετημένη σε έδρανα πεπιεσμένου αέρα. Το είδος των αρπαγών ποικίλει, ανάλογα με τις διαστάσεις του δοκιμίου και το είδος του πειράματος. Το παραπάνω σύστημα συγκράτησης βρίσκεται στο εσωτερικό ενός θαλάμου ελεγχόμενης θερμοκρασίας. Η διάταξη DMA, φορτίζει το δοκίμιο είτε ελέγχοντας την επιβαλλόμενη αξονική δύναμη, είτε εφαρμόζοντας συγκεκριμένη παραμόρφωση, για μεγάλο εύρος θερμοκρασιών ή κυκλικών συχνοτήτων. Η μέγιστη δύναμη μπορεί να αγγίξει τα 20 Ν με ακρίβεια 10-4 Ν, ενώ έχει τη δυνατότητα μέτρησης παραμορφώσεων της τάξης του 1 nm. Σχήμα 5.4 Η συσκευή DMA του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ και σχεδιάγραμμα με τομή, στο οποίο απεικονίζονται τα εσωτερικά τμήματα της διάταξης. 133

159 Το πείραμα που επιλέχθηκε για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης της εποξειδικής ρητίνης LTM217, ήταν αυτό της κάμψης τριών σημείων (3 point bending). Κατασκευάστηκαν και μετρήθηκαν πέντε (5) δοκίμια καθαρής ρητίνης μήκους 20 mm, πλάτους 6.4 mm και πάχους 1.15 mm, τα οποία κόπηκαν από μια ενιαία πλάκα υλικού. Η διαδικασία της θερμικής κατεργασίας (curing) της ρητίνης, ήταν ακριβώς η ίδια με αυτή που ακολουθήθηκε στην περίπτωση των συνθέτων και η οποία θα παρουσιαστεί στην επόμενη ενότητα, αφού δεν αποτελεί αντικείμενο της παρούσης παραγράφου. Στα άκρα του δοκιμίου, εφαρμόστηκε εναλλασσόμενη παραμόρφωση ημιτονοειδούς μορφής με πλάτος 20μm και συχνότητα ίση με 1 Hz και καταγράφηκαν η αντίστοιχη κάθετη δύναμη, η αξονική μηχανική τάση, το μέτρο αποθήκευσης, το μέτρο απωλειών και το tanδ, για θερμοκρασίες από ο C. Τα αποτελέσματα του πειράματος δεν παρουσίασαν σημαντικές διαφοροποιήσεις μεταξύ των δοκιμίων και έτσι μπορέσαμε με ασφάλεια να υπολογίσουμε τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης της εποξειδικής ρητίνης, η οποία ξεπερνά τους 160 ο C. Στο επόμενο σχήμα φαίνονται τα πειραματικά αποτελέσματα που αφορούν στο tanδ συναρτήσει της θερμοκρασίας και για τα πέντε δοκίμια που εξετάσαμε. Σχήμα 5.5 Υπολογισμός της T g για την εποξειδική ρητίνη LTM217, με βάση το διάγραμμα της tanδ συναρτήσει της θερμοκρασίας. 134

160 Έχοντας πλέον εξασφαλίσει και πειραματικά ότι η θερμοκρασία ενεργοποίησης των συρμάτων NiTi (Α f = 82.6 o C) απέχει αρκετά από την T g, καθώς και ότι ικανοποιούνται οι συνθήκες για ένα ισχυρό διεπιφανειακό δεσμό, όπως ήδη αναφέραμε στην παράγραφο 5.2, το επόμενο βήμα είναι η παρασκευή των συνθέτων υλικών, η οποία και παρουσιάζεται στην ενότητα που ακολουθεί. 135

161 5.4 Παρασκευή συνθέτων υλικών Για την παρασκευή των υβριδικών δοκιμίων με τα οποία διεξήχθησαν τα πειράματα που θα ακολουθήσουν, χρησιμοποιήθηκαν ταινίες προεμβαπτισμένων ινών σε προπολυμερισμένη ρητίνη (prepregs), καθώς και τα σύρματα NiTi που παρουσιάσαμε και μελετήσαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο, χωρίς προτάνυση. Τα prepegs προέρχονταν από την εταιρία Advanced Composites Group (ACG, UK) και αποτελούνταν από την εποξειδική ρητίνη LTM217, ενισχυμένη με συνεχείς ίνες Kevlar 29 σε μία και μόνη διεύθυνση. Οι ίνες προέρχονταν από την εταιρία Du Pont, USA, με διάμετρο περίπου 16 μm, ενώ το ογκομετρικό κλάσμα τους στα prepregs, ήταν, σύμφωνα με τον κατασκευαστή, ίσο με 53.5%. Όλα τα δοκίμια κατασκευάστηκαν έτσι ώστε οι ίνες ενίσχυσης, αλλά και τα σύρματα NiTi, να είναι ευθυγραμμισμένα κατά το διαμήκη άξονα, δηλαδή η διεύθυνση των εγκλεισμάτων να σχηματίζει γωνία 0 ο με τη διεύθυνση φόρτισης (ή τη διεύθυνση ανάπτυξης των εσωτερικών ορθών τάσεων). Η θερμική κατεργασία των προπολυμερισμένων φύλλων, έτσι ώστε να αποκτήσουν τις βέλτιστες μηχανικές ιδιότητες, είναι αυστηρά καθορισμένη από την κατασκευάστρια εταιρία, με συγκεκριμένες συνθήκες πίεσης, θερμοκρασίας και χρόνου: άνοδος της θερμοκρασίας από συνθήκες δωματίου με ρυθμό 3 ο C/min έως τους 70 ο C, παραμονή στο επίπεδο αυτό για 12 ώρες με ταυτόχρονη επιβολή κενού, και μείωση με τον ίδιο ρυθμό στους 50 ο C. Ακολουθεί αύξηση της θερμοκρασίας έως το επίπεδο των 140 ο C με ρυθμό 0.3 ο C/min, παραμονή για 30 min και ψύξη με τον ίδιο ρυθμό πάλι έως τους 50 ο C, οπότε και η διαδικασία του curing ολοκληρώνεται. Η επιβολή του κενού στο πρώτο στάδιο της διαδικασίας, έχει σαν σκοπό την αφαίρεση του αέρα που έχει εγκλωβιστεί εν μέσω των prepregs και εφόσον η ρητίνη βρίσκεται ακόμα σε ρευστή μορφή. Στο επόμενο σχήμα, φαίνεται το προφίλ της θερμικής κατεργασίας στην οποία υποβλήθηκαν τα υλικά μας, με ταυτόχρονη απεικόνιση της θερμοκρασίας αλλά και του κενού (υποπίεσης), συναρτήσει του χρόνου. 136

162 Σχήμα 5.6 Γραφική παράσταση συναρτήσει του χρόνου, της θερμοκρασίας και της πίεσης της θερμικής κατεργασίας πολυμερισμού των prepregs, σύμφωνα με την ACG, UK. Το curing των δοκιμίων, πραγματοποιήθηκε με τη βοήθεια του αυτόκλειστου φούρνου (autoclave) που διαθέτει το Εργαστήριο Μηχανικής των Υλικών του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ (βλ. Σχ. 5.7). Το σύστημα αυτό, προέρχεται από την εταιρία Aeroform Ltd., και έχει τη δυνατότητα να αναπτύξει θερμοκρασία έως 225 ο C και μέγιστη πίεση που αγγίζει τα 10 bar. Σχήμα 5.7 O αυτόκλειστος φούρνος που χρησιμοποιήθηκε στην κατασκευή των δοκιμίων 137

163 Η αντλία κενού της διάταξης, μπορεί να ασκήσει υποπίεση στο θάλαμο του φούρνου που φθάνει τα 950 mbar. Ο αυτόκλειστος φούρνος έχει κυλινδρικό σχήμα με εσωτερική διάμετρο 60 cm και βάθος 1.1 m. Σύμφωνα με τις γενικές οδηγίες της εταιρίας ACG, η κατασκευή συνθέτων υλικών με χρήση prepreg, υλοποιείται ως εξής: Χρησιμοποιούμε σαν βάση μια μεταλλική άκαμπτη πλάκα (tool) με εξαιρετική επιφανειακή λείανση, πάνω στην οποία στρώνουμε ένα λεπτό αντικολλητικό φιλμ (release film) με αντοχή στη θερμοκρασία. Στη συνέχεια, τοποθετούμε διαδοχικά τις στρώσεις των προπολυμερισμένων φύλλων ρητίνης, των οποίων το πλήθος και η διεύθυνση προσανατολισμού ποικίλει. Εάν το επιθυμούμε, παρεμβάλλουμε μεταξύ των prepreg και άλλου είδους εγκλείσματα, όπως π.χ. ύφασμα ή μεταλλικές ίνες. Στη φάση αυτή, πρέπει να εισάγουμε και να συγκρατήσουμε με ειδική κολλητική ταινία τα θερμοζεύγη, σε θέση κοντά στο πολύστρωτο υλικό. Στη συνέχεια, καλύπτουμε επίσης με αντικολλητικό φιλμ το επάνω μέρος του υλικού και τοποθετούμε άλλη μια μεταλλική πλάκα με διαστάσεις παρεμφερείς αυτών του δοκιμίου. Αυτό, γίνεται για να επιτευχθεί όσο το δυνατόν καλύτερη ποιότητα επιφανειών (απουσία κυματισμών, άμβλυνση ανωμαλιών) και στις δύο πλευρές του συνθέτου. Σχήμα 5.8 Σχηματική απεικόνιση μιας τυπικής διάταξης θερμικής κατεργασίας prepreg σε αυτόκλειστο φούρνο, για την κατασκευή πολύστρωτων σύνθετων υλικών 138

164 Η διάταξη, καλύπτεται στη συνέχεια με ειδικό απορροφητικό υλικό (breather) που θα συλλέξει την περίσσεια ρητίνης κατά την θερμική κατεργασία. Ακολουθεί η κατασκευή της σακούλας κενού (vacuum bag), δηλαδή μιας ανθεκτικής μεμβράνης, που καλύπτει ολόκληρο το σύστημα και προσαρμόζεται ερμητικά επάνω στην αρχική πλάκα (tool) με ειδικό εύπλαστο κολλητικό υλικό. Αφού τέλος εγκατασταθούν δια μέσου της μεμβράνης αυτής οι βαλβίδες μέτρησης και επιβολής κενού, ολόκληρη η διάταξη τοποθετείται στον αυτόκλειστο φούρνο για να ξεκινήσει η θερμική κατεργασία. Η διαδικασία που ακολουθήσαμε για την κατασκευή των δοκιμίων μας, διαφοροποιείται στα σημεία (όχι όμως στην ουσία) από αυτήν που μόλις περιγράφηκε. Ο λόγος είναι, ότι προέκυψε η ανάγκη για ενσωμάτωση στη διάταξη ενός μηχανισμού, που θα μπορούσε να διατηρεί τα σύρματα NiTi περιορισμένα στα άκρα και σε σταθερή απόσταση μεταξύ τους, έτσι ώστε να μην καταστεί δυνατή η εκδήλωση του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος κατά τη διάρκεια του curing. Κάτι τέτοιο, θα είχε ως αποτέλεσμα, τα σύρματα να παγώσουν στην οστενιτική φάση μέσα στο σύνθετο, οπότε η ενεργοποίησή τους θα ήταν άσκοπη. Σχήμα 5.9 Η διάταξη-καλούπι που χρησιμοποιήθηκε για την παρασκευή δοκιμίων στον αυτόκλειστο φούρνο 139

165 Επάνω σε μια κατάλληλα επεξεργασμένη μεταλλική πλάκα μεγάλου πάχους (tool), προσαρμόσαμε σταθερά μέσω κοχλιών, ένα λυόμενο καλούπι επτά τεμαχίων, κατασκευασμένο από Teflon (βλ. Σχ. 5.9). Το ορθογώνιο παραλληλεπίπεδο σχήμα του καλουπιού, είχε εσωτερικές διαστάσεις (μήκος Χ πλάτος Χ ύψος) 100 Χ 40 Χ 10 mm. Η κατασκευή έχει πραγματοποιηθεί με τέτοιο τρόπο, ώστε κατά μήκος των δύο κοντύτερων πλευρών να προσαρμοστούν δύο ανοξείδωτα μεταλλικά κτένια, με εγκοπές σε απόσταση 1 mm μεταξύ τους, υπεύθυνα για τη συγκράτηση σε παράλληλη θέση των συρμάτων SMA. Έτσι, η απόσταση των συρμάτων, μπορεί να ρυθμιστεί σε ακέραια πολλαπλάσια του ενός χιλιοστού. Τα άκρα των συρμάτων, συγκρατούνται στα δύο πλαϊνά τμήματα του tool, με μηχανικό τρόπο. Αφού στρωθούν τα φύλλα prepreg διάστασης 100 Χ 40 mm και τοποθετηθούν τα υλικά SMA με τον επιθυμητό τρόπο, εναποτίθεται στο επάνω μέρος του καλουπιού ένα κομμάτι Teflon με διαστάσεις 99 Χ 39 mm (ελάχιστα μικρότερο από τη διάσταση του δοκιμίου), στο ρόλο της μεταλλικής πλάκας που περιγράψαμε νωρίτερα (βλ. Σχ. 5.8). Αφού εγκατασταθεί η σακούλα κενού, η διάταξη είναι έτοιμη να εισέλθει στον αυτόκλειστο φούρνο. Η χρήση του Teflon, ενός υλικού γνωστού για τις εξαιρετικές αντικολλητικές του ιδιότητες, μας επιτρέπει να μη χρησιμοποιήσουμε release film στο κάτω και στο επάνω μέρος του πολύστρωτου, κάνοντας τη διαδικασία πιο απλή. Η μεταβολή του σχήματος του καλουπιού λόγω αυξημένης θερμοκρασίας, αποτρέπεται από τη σταθερή συγκράτηση όλων των τμημάτων του, με μεταλλικές πλάκες και κοχλίες, στο tool, όπως φαίνεται στο Σχήμα 5.9. Η ύπαρξη των πλαϊνών τοιχωμάτων, εξασφαλίζει τις σταθερές διαστάσεις του συνθέτου υλικού και παράλληλα αποτρέπει τη ροή της ρητίνης εκτός του προκαθορισμένου χώρου. Κατά συνέπεια, δε χρειάζεται να τοποθετήσουμε απορροφητικό υλικό για την περίσσεια του πολυμερούς (breather), ενώ, χρησιμοποιώντας σταθερό αριθμό στρώσεων prepreg, παράγουμε δοκίμια με απειροελάχιστες διαφορές στο πάχος τους. Για τη στεγανοποίηση των επαφών μεταξύ των τμημάτων του Teflon, χρησιμοποιήθηκε ειδικό ελαστομερές, με αντοχή στην υψηλή θερμοκρασία. Η θερμική επεξεργασία ακολούθησε πιστά το προφίλ που παρουσιάστηκε στο Σχήμα

166 5.4.1 Χαρακτηριστικά δοκιμίων Τα δοκίμια κατασκευάστηκαν με την τεχνική που περιγράφηκε στην προηγούμενη παράγραφο, χρησιμοποιώντας έξι (6) φύλλα prepreg. Μετά τις τρεις πρώτες στρώσεις υλικού, τοποθετήθηκαν τα σύρματα NiTi, ονομαστικής διαμέτρου 0.3 mm και στη συνέχεια οι υπόλοιπες τρείς στρώσεις των prepreg, όλες με ενιαίο προσανατολισμό 0 ο. Το μήκος των δοκιμίων L, ήταν ίσο με το μήκος του καλουπιού (100 mm), ενώ το πλάτος D, διατηρήθηκε ίσο με 11 mm. Κατά τον τρόπο αυτό, μια πλάκα πολύστρωτου συνθέτου, με τομές κατά μήκος, μπορούσε να δώσει τρία δοκίμια. Όσον αφορά το πάχος d, κυμαινόταν από 0.99 έως 1.00 mm για όλα τα δείγματα. Στο Σχήμα 5.10, φαίνεται η διάταξη των υλικών κατά την παρασκευή του συνθέτου. Σχήμα 5.10 Η αρχιτεκτονική των συνθέτων υλικών που κατασκευάστηκαν. Το συγκεκριμένο δείγμα, περιέχει 4 σύρματα NiTi σε απόσταση Η μεταξύ τους. Όπως είδαμε, οι εξωτερικές διαστάσεις των υλικών, επιλέχθηκαν να παραμείνουν σταθερές. Εντούτοις, κατασκευάστηκαν και χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι δοκιμίων που διέφεραν στον αριθμό των συρμάτων SMA που περιείχαν. Διακρίνουμε λοιπόν, τον τύπο Α, με τέσσερα (4) ενσωματωμένα σύρματα και τον τύπο Β, με έξι (6) ενσωματωμένα σύρματα. Η απόσταση μεταξύ των SMA στην πρώτη περίπτωση είναι Η=2 mm, ενώ στη δεύτερη, έχουμε ότι Η=1 mm. Η τιμή αυτή 141

167 διαφέρει, έτσι ώστε, εφόσον το πλάτος των δοκιμίων είναι σταθερό, να έχουμε όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφη κατανομή των αναπτυσσόμενων μηχανικών τάσεων. Στο εξής, το είδος του δείγματος στο οποίο αναφερόμαστε, θα καθορίζεται από την ονομασία του τύπου του, δηλαδή Α ή Β. Σχήμα 5.11 Οι δύο μορφές δοκιμίων που χρησιμοποιήσαμε: τύπος Α με 4 σύρματα και τύπος Β με 6 σύρματα. Στον πίνακα που ακολουθεί, φαίνονται συγκεντρωτικά τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των δοκιμίων, ο αριθμός των συρμάτων και η μεταξύ τους απόσταση, καθώς και το ογκομετρικό κλάσμα των SMA για κάθε τύπο. Οι μετρήσεις των μηκών, πραγματοποιήθηκαν με ηλεκτρονικό μικρόμετρο ακρίβειας 0.01 mm. ΤΥΠΟΣ ΔΟΚ. ΑΡΙΘΜΟΣ ΣΥΡΜΑΤΩΝ ΜΗΚΟΣ (mm) L ΠΛΑΤΟΣ (mm) D A B ΠΑΧΟΣ (mm) d ΑΠΟΣΤΑΣΗ (mm) H ΟΓΚ. ΚΛΑΣΜΑ ΣΥΡΜ. V f συρμ Πίνακας 5.1 Γεωμετρικά και κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των δοκιμίων και για τους δύο τύπους. Αμέσως μετά την κοπή τους από την αρχική πλάκα, τα δοκίμια έχουν τη μορφή που φαίνεται στο Σχήμα Για την ενεργοποίησή τους όμως στο σύστημα Thermis, απαιτείται επιπλέον προετοιμασία. Η θέρμανση των συρμάτων μέσα στο 142

168 σύνθετο, φυσικά θα πραγματοποιηθεί με τον ίδιο τρόπο που ενεργοποιήθηκαν τα σύρματα στο 4 ο κεφάλαιο, δηλαδή μέσω του φαινομένου Joule. Επειδή δεν επιθυμούμε επιλεκτική θέρμανση, αλλά ταυτόχρονη αύξηση της θερμοκρασίας σε όλα τα σύρματα (4 για τον τύπο Α και 6 για τον τύπο Β), θα χρησιμοποιήσουμε μία μόνο πηγή τροφοδοσίας και τα σύρματα θα συνδεθούν όπως ακριβώς οι εν σειρά ωμικές αντιστάσεις. Για να επιτύχουμε την καλύτερη δυνατή ποιότητα σύνδεσης, με μηδενική πρακτικά αντίσταση, χρησιμοποιήσαμε ειδικές πρεσαριστές ενώσεις αλουμινίου, κατάλληλες για χρήση σε ηλεκτρονικά κυκλώματα και πλακέτες. Στη συνέχεια, στα άκρα των δοκιμίων επικολλήθηκαν πλακίδια (tabs) με χρήση εποξειδικής κόλλας δύο συστατικών, κατάλληλη για υψηλές θερμοκρασίες. Τα tabs, προέρχονταν από πλάκα σύνθετου πολυμερούς, ενισχυμένου με ίνες γυαλιού, με πάχος 2 mm, μήκος 12 mm και πλάτος 18 mm. Η χρήση των tabs είναι απαραίτητη, γιατί αυξάνουν τοπικά το πάχος του δοκιμίου ώστε να μπορέσει να συγκρατηθεί στις υδραυλικές αρπάγες της μηχανής MTS, αποτρέπουν το γλίστρημα του δείγματος σε μεγάλες φορτίσεις και κατανέμουν ομοιόμορφα την πίεση συγκράτησης στα άκρα του δοκιμίου. Σχήμα 5.12 (α) Δοκίμιο τύπου Α, αμέσως μετά την κοπή του στις επιθυμητές διαστάσεις, (β) σύνδεση των συρμάτων εν σειρά με πρεσαριστές ενώσεις αλουμινίου και (γ) τελική μορφή, με την προσαρμογή των tabs στα άκρα. 143

169 5.5 Ανάπτυξη θερμικών τάσεων στα δοκίμια Η άνοδος της θερμοκρασίας των συρμάτων NiTi σε επίπεδα που αγγίζουν τους 100 ο C, έτσι ώστε να εκδηλωθεί το Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος, δε μας επιτρέπει να αγνοήσουμε τις θερμικές παραμορφώσεις και κατά συνέπεια τις θερμικές τάσεις που θα αναπτυχθούν στο σύνθετο υλικό που εξετάζουμε. Το τασικό πεδίο κατά το διαμήκη άξονα του δείγματος, που μετράται μακροσκοπικά μέσω του συστήματος Thermis, προκύπτει με επαλληλία των τάσεων που αναπτύσσονται από τα σύρματα και μεταφέρονται στη μητρική φάση και των τάσεων λόγω θερμικής διαστολής/συστολής. Γενικά, γνωρίζοντας το συντελεστή θερμικής διαστολής (thermal coefficient of expansion TCE) ενός υλικού, είμαστε σε θέση να υπολογίσουμε το ποσοστό μεταβολής των διαστάσεών του ανά μονάδα αύξησης της θερμοκρασίας. Στην περίπτωση των συνθέτων υλικών, ο υπολογισμός αυτός δεν είναι τόσο απλός, αφού συνήθως έχουμε δύο ή περισσότερες φάσεις με διαφορετικούς συντελεστές διαστολής και επιπλέον υπάρχει μεγάλη εξάρτηση από το είδος, το σχήμα και τον προσανατολισμό των εγκλεισμάτων [74]. Στην περίπτωση ενός συνθέτου υλικού με ενίσχυση συνεχών και ενιαία προσανατολισμένων ινών, θα μπορούσαμε να έχουμε μια έκφραση του TCE, χρησιμοποιώντας τον νόμο των μιγμάτων. Έτσι λοιπόν, ο συντελεστής θερμικής διαστολής στη διεύθυνση των ινών μπορεί θεωρητικά να υπολογιστεί από τη σχέση: Σχέση 5.5 όπου, με 1 συμβολίζεται η διεύθυνση των ινών (διαμήκης διεύθυνση) α 1, ο συντελεστής θερμικής διαστολής του συνθέτου στη διεύθυνση 1 Ε 1, το μέτρο ελαστικότητας του συνθέτου στη διεύθυνση 1 α f, α m, οι συντελεστές θερμικής διαστολής των ινών και της μήτρας Ε f, E m, τα μέτρα ελαστικότητας των ινών και της μήτρας V f, το ογκομετρικό κλάσμα των ινών ενίσχυσης 144

170 Η παραπάνω σχέση, θα μπορούσε να δώσει μια εκτίμηση του ζητούμενου μεγέθους και στη δική μας περίπτωση. Πειραματικές μετρήσεις που έχουν διεξαχθεί στο παρελθόν, τόσο από την ερευνητική ομάδα του Εργαστηρίου Μηχανικής Υλικών του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ, όσο και από άλλους ερευνητές, έχουν δείξει ότι το σύνθετο που μελετάμε, παρουσιάζει ένα πολύ μικρό αρνητικό συντελεστή θερμικής διαστολής [77,78]. Η ελαχιστοποίηση των θερμικών τάσεων κατά την ενεργοποίηση των συρμάτων, όπως έχουμε ήδη αναφέρει, αποτέλεσε κριτήριο επιλογής για το συγκεκριμένο σύστημα LTM217/Kevlar 29/SMA. Θεωρητικά λοιπόν, οι θερμικές τάσεις αναμένονται να έχουν αρκετά μικρή τιμή. Η φύση των πειραμάτων ενεργοποίησης, επιβάλλει τη μακροσκοπική μέτρηση των αναπτυσσόμενων μηχανικών τάσεων στο σύστημα Thermis. Δεν θα είχε λοιπόν, για τη συγκεκριμένη εργασία, ιδιαίτερο νόημα ο θεωρητικός ακριβής υπολογισμός του TCE, εάν αυτός προκαλούσε τόσο μικρές θερμικές τάσεις, που το σύστημα μας δεν θα μπορούσε να ανιχνεύσει. Σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρία [79], η εποξειδική ρητίνη LTM217 που χρησιμοποιήσαμε, παρουσιάζει θερμικό συντελεστή διαστολής που κυμαίνεται από 2.5 έως 3.5 / ο C. Οι ίνες Kevlar όμως, έχουν ανισότροπη συμπεριφορά σε θερμικά φορτία. Η άνοδος της θερμοκρασίας, προκαλεί συστολή στη διεύθυνση προσανατολισμού των πολυμερικών αλυσίδων και διαστολή στις εγκάρσιες διευθύνσεις [80]. Η συμπεριφορά αυτή του Kevlar, που παρουσιάζεται και σε άλλα υλικά, όπως το πολυαιθυλένιο και οι ίνες άνθρακα, αποδίδεται στην αυξημένη περιστροφή γύρω από τους δεσμούς C-C και έχει σαν αποτέλεσμα οι ίνες αυτές να παρουσιάζουν αρνητικό θερμικό συντελεστή στη διαμήκη διεύθυνση, με τιμές που κυμαίνονται από -6 έως -4 / ο C [81,80] Πειραματική μέτρηση θερμικών τάσεων στο Thermis Η απόφαση για τη μέτρηση των τάσεων λόγω θερμικής διαστολής ή συστολής των δοκιμίων στο Thermis, ουσιαστικά δεν αποσκοπεί στον ακριβή υπολογισμό του μεγέθους τους, πόσο μάλλον όταν υπάρχουν διαθέσιμες άλλες, πιο κατάλληλες πειραματικές τεχνικές, όπως το DMA. Ο στόχος είναι, να διευκρινιστεί 145

171 εάν το σύστημα χαρακτηρισμού που χρησιμοποιούμε, επηρεάζεται και σε ποιο βαθμό, από τις θερμικές παραμορφώσεις των υλικών μας. Το απλό αυτό πείραμα, μπορεί να μας δώσει πολύτιμες απαντήσεις στο ερώτημα, εάν όλες οι μετρούμενες μηχανικές τάσεις των πειραμάτων ενεργοποίησης οφείλονται στη δράση του ενεργοποιητή (σύρμα NiTi) ή εμπεριέχεται σε αυτές και η συνεισφορά των θερμικών τάσεων, εφελκυστικών ή θλιπτικών. Για τις ανάγκες των μετρήσεων αυτών, κατασκευάστηκε δοκίμιο ακριβώς με την ίδια διαδικασία και τα ίδια γεωμετρικά χαρακτηριστικά που παρουσιάστηκαν στην παράγραφο 5.4, με τη διαφορά ότι δεν ενσωματώθηκαν σε αυτό σύρματα NiTi. Το δοκίμιο τοποθετήθηκε στη μηχανή δοκιμών MTS του συστήματος Thermis, με δύο θερμοζεύγη στην εμπρός επιφάνεια, σε απόσταση 1 cm εκατέρωθεν του μέσου του. Το δείγμα, θερμάνθηκε με χρήση φορητής συσκευής παροχής ζεστού αέρα, βιομηχανικού τύπου, της εταιρίας DWT (model: HLP 1500), με μέγιστη παροχή αέρα 200 L/min, ρυθμιζόμενη θερμοκρασία δέσμης έως 256 ο C και ηλεκτρικής ισχύος 20W. Η συσκευή αυτή, τοποθετήθηκε σε ευθυγράμμιση με το δοκίμιο και σε απόσταση 30 cm από αυτό. Η θερμοκρασία του δείγματος ελεγχόταν με βάση τις ενδείξεις των δύο θερμοζευγών και η ισχύς της συσκευής θέρμανσης, ρυθμίστηκε έτσι, ώστε η θερμοκρασία να φθάσει τους 100 ο C, πάνω από το επίπεδο δηλαδή της θερμοκρασίας λειτουργίας των συρμάτων NiTi. Το πείραμα επαναλήφθηκε τέσσερις (4) φορές σε διάστημα μιας ημέρας, χωρίς διαφοροποιήσεις στις καταγεγραμμένες τιμές των μηχανικών τάσεων κατά το διαμήκη άξονα. Η θέρμανση είχε διάρκεια 6 λεπτών και η ελεύθερη ψύξη από 2 έως 5 λεπτά. Στη διάρκεια του πειράματος, καταγράφονταν συνεχώς οι τιμές της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του δείγματος, μέσω των θερμοζευγών και οι τιμές της αξονικής δύναμης, μέσω του κελίου φόρτισης της MTS. Στο σχήμα που ακολουθεί, φαίνεται η γραφική παράσταση της αναπτυσσόμενης μηχανικής τάσης συναρτήσει του χρόνου, για ένα από τα πειράματα. Με TC1, TC2 συμβολίζονται οι ενδείξεις των θερμοζευγών 1 και 2 αντίστοιχα. Στο γράφημα, δίνεται ενδεικτικά η τιμή της θερμοκρασίας για το 1 ο και το 6 ο λεπτό της θέρμανσης, καθώς και η τιμή της θερμοκρασίας του δοκιμίου στο τέλος του πειράματος, μετά από 2 min ψύξης. Η θερμοκρασία περιβάλλοντος του χώρου, διατηρήθηκε σταθερή και ίση με 25 ο C. 146

172 Σχήμα 5.13 Καταγραφή στο σύστημα Thermis των αναπτυσσόμενων θερμικών τάσεων δοκιμίου, χωρίς σύρματα NiTi, μετά από θέρμανσή του στους 100 ο C περίπου, με χρήση θερμού αέρα Από το παραπάνω διάγραμμα, είναι εμφανές ότι δεν παρουσιάζεται καμία αυξομείωση στην καταγραφή των αξονικών μηχανικών τάσεων, ανεξάρτητα από την επιφανειακή θερμοκρασία του δείγματος. Σε καμία φυσικά περίπτωση δε μπορούμε να ισχυριστούμε ότι δεν υπάρχουν θερμικές τάσεις ή διαφορετικά, ότι ο συντελεστής θερμικής διαστολής στη διαμήκη διεύθυνση του συνθέτου είναι μηδενικός. Ο σχεδιασμός και η φύση του πειράματος εξάλλου, δεν επιτρέπουν κάτι τέτοιο. Αυτό όμως που μπορούμε με ασφάλεια να συμπεράνουμε, είναι ότι η μετρητική διάταξη του συστήματος Thermis, δεν επηρεάζεται από τη διαστολή ή τη συστολή του συνθέτου. Συνεπώς, οι μηχανικές τάσεις που ενδεχομένως θα καταγραφούν όταν ενεργοποιηθούν τα υβριδικά σύνθετα υλικά, θα οφείλονται αποκλειστικά στο Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος των συρμάτων NiTi. Το πιο πιθανό, είναι ότι οι θερμικές τάσεις του συνθέτου, είναι μικρότερες ακόμη και από τον θόρυβο της μετρητικής διάταξης, ο οποίος φαίνεται ξεκάθαρα στο προηγούμενο σχήμα. Σε όρους δύναμης, η μικρομεταβολές αυτές της τάσης, 147

173 είναι της τάξης των Ν. Το μέγεθος αυτό, ουδεμία σχέση έχει με την ακρίβεια των μετρήσεων της σερβοϋδραυλικής μηχανής ΜTS, που φθάνει το 0.1 Ν. O θόρυβος προκαλείται από το σύστημα ανάδρασης της μηχανής, που καλείται να διορθώνει συνεχώς και με απειροελάχιστες μετακινήσεις τη θέση του εμβόλου, ώστε η απόσταση μεταξύ των αρπαγών να παραμείνει σταθερή, σύμφωνα με τις απαιτήσεις του λογισμικού που χρησιμοποιήσαμε τόσο για το χαρακτηρισμό των συρμάτων NiTi (4 ο κεφάλαιο), όσο και για το χαρακτηρισμό των υβριδικών συνθέτων που αποτελεί αντικείμενο του παρόντος κεφαλαίου. Κλείνοντας την παράγραφο αυτή, θα πρέπει να σημειώσουμε ότι τα συμπεράσματα που αφορούν στην ανάπτυξη των θερμικών τάσεων και στην καταγραφή τους στο σύστημα Thermis, ισχύουν μόνο για τον συγκεκριμένο τύπο συνθέτου που κατασκευάσαμε και φυσικά, μόνο για τα συγκεκριμένα γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Ακολουθεί, η περιγραφή και τα αποτελέσματα των ηλεκτρικών μετρήσεων στα δοκίμια, κατά αναλογία με τις μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν στα σύρματα στο προηγούμενο κεφάλαιο. 5.6 Ηλεκτρικές μετρήσεις στα σύνθετα υλικά Οι μετρήσεις ηλεκτρικών ιδιοτήτων των συρμάτων NiTi, που χρησιμοποιήθηκαν ως ενεργοποιητές στα υβριδικά σύνθετα που παρασκευάσαμε, όπως ήδη έχουμε δει, περιελάμβαναν τον προσδιορισμό της ωμικής και της ειδικής αντίστασης των υλικών για πλήρη κύκλο μετασχηματισμού καθώς και τον ακριβή υπολογισμό της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ισχύος σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας του σύρματος. Έτσι λοιπόν, καταγράφηκε η μεταβολή της αντίστασης του υλικού, μέσω της οποίας εντοπίστηκε ο μαρτενσιτικός και ο αντίστροφος κρυσταλλογραφικός μετασχηματισμός και εξήχθηκε μαθηματική σχέση που συνδέει άμεσα την επιθυμητή θερμοκρασία του κράματος, με την απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια που πρέπει να διαθέσουμε στο σύστημα (βλ και 4.5.3). Πλέον, έχουμε ενσωματώσει τα σύρματα NiTi που εξετάσαμε σε πολυμερική μήτρα ενισχυμένη με αραμιδικές ίνες και ανάλογες μετρήσεις θα 148

174 πραγματοποιηθούν και σε αυτή την περίπτωση. Η ενεργοποίηση των υβριδικών δοκιμίων, προϋποθέτει φυσικά τις ίδιες ακριβώς συνθήκες με την ενεργοποίηση των συρμάτων, δηλαδή την αύξηση της θερμοκρασίας τους σε επίπεδο πάνω από τη θερμοκρασία A f. Επίσης, για να γίνει δυνατή η σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ των πειραμάτων ίδιας φύσης (λειτουργική κόπωση και χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης) για σύρμα και σύνθετο, θα πρέπει ο ενεργοποιητής να λειτουργεί στα ίδια θερμοκρασιακά επίπεδα. Δεν είναι δυνατόν όμως, να λάβουμε άμεσες μετρήσεις από την επιφάνεια των συρμάτων, αφού τα περιβάλει η μητρική φάση. Επιπρόσθετα, ο έλεγχος της θερμοκρασίας των συρμάτων στην περίπτωση των συνθέτων δε μπορεί με ασφάλεια να πραγματοποιηθεί με χρήση της σχέσης 4.5, για λόγους όπως: - η σχέση αυτή, εξήχθηκε για σύρμα του οποίου η επιφάνεια βρισκόταν σε επαφή με το περιβάλλον. - στην περίπτωση των συνθέτων έχουμε σύνδεση εν σειρά 4 ή 6 συρμάτων, με τις ανάλογες ηλεκτρικές ενώσεις, οπότε εμπεριέχεται σφάλμα στον ακριβή προσδιορισμό του συνολικού μήκους αγωγού (βλ. Σχ. 5.12). - η σχέση ισχύει για σύρμα NiTi, το οποίο ήταν περιορισμένο κινηματικά στα άκρα του, ενώ στην περίπτωση του συνθέτου έχουμε περιοριστικές συνθήκες από τη μήτρα σε ολόκληρο το μήκος του αγωγού, καθώς επίσης και τμήματα σύρματος στα άκρα του δοκιμίου που βρίσκονται εκτός μήτρας (βλ. Σχ. 5.12). Η ύπαρξη του συστήματος καταγραφής θερμοκρασιών με θερμοζεύγη και η θερμική κάμερα υπερύθρου του συστήματος Thermis, μας επιτρέπει να έχουμε μια πολύ καλή εικόνα της επιφανειακής θερμοκρασίας των δοκιμίων μας. Για τα πειράματα που θα ακολουθήσουν, κριτήριο ενεργοποίησης παραμένει η θερμοκρασία των συρμάτων, η οποία όμως θα μετράται εμμέσως, από την καταγραφή της θερμοκρασίας της επιφάνειας των δειγμάτων μας. Για να γίνει αυτό, θα θεωρήσουμε ένα απλό πρόβλημα μετάδοσης θερμότητας με αγωγή σε μία διάσταση, στη μόνιμη κατάσταση. Τα αποτελέσματα του 4 ου κεφαλαίου, θα χρησιμοποιηθούν όχι για τον ακριβή υπολογισμό της θερμοκρασίας, αλλά σαν βάση για την εκτίμηση της διαφοράς μεταξύ θερμοκρασίας επιφάνειας σύρματος και επιφάνειας συνθέτου. 149

175 5.6.1 Διαφορά θερμοκρασίας σύρματος και επιφάνειας δοκιμίου Για τους υπολογισμούς μας, θα κάνουμε την παραδοχή ότι η διαβάθμιση της θερμοκρασίας είναι μονοδιάστατη (κατά τον άξονα Χ) και θα εστιάσουμε το πρόβλημα τοπικά στην περιοχή ενός σύρματος SMA και στην επιφάνεια δοκιμίου ακριβώς επάνω από αυτό. Συνεπώς, δε θα ληφθεί υπόψη η συνεισφορά των γειτονικών συρμάτων για το σημείο που εξετάζουμε. Θα δεχθούμε επίσης, ότι έχει παρέλθει αρκετός χρόνος από τη στιγμή της ενεργοποίησης, ώστε να βρίσκεται το σύστημα σε μόνιμη και όχι σε μεταβατική κατάσταση. Άρα, αποκλείουμε την παράμετρο του χρόνου από τους υπολογισμούς μας. Η γεωμετρία του προβλήματος φαίνεται στο Σχ Με Τ 1, συμβολίζουμε τη θερμοκρασία της επιφάνειας του σύρματος και με Τ 2, τη θερμοκρασία στην επιφάνεια του δοκιμίου ακριβώς επάνω από το σύρμα. Η μετάδοση της θερμότητας γίνεται με αγωγή μέσω της μητρικής φάσης, της οποίας η θερμική αγωγιμότητα συμβολίζεται με k (W/m K). Το πάχος d, του δοκιμίου, όπως έχουμε δει ήδη, είναι 1mm. Η διάμετρος του σύρματος είναι 0.3mm, άρα η οριζόντια απόσταση Δχ είναι ίση με 0.35mm. Σχήμα 5.14 Η γεωμετρία του προβλήματος εκτίμησης της διαφοράς θερμοκρασίας σύρματος επιφάνειας δοκιμίου 150

176 Η εξίσωση του Fourier, για τη μετάδοση θερμότητας στη μόνιμη κατάσταση, στη μια διάσταση (χ), δίνει ότι [135]: Σχέση 5.6 όπου, Q, είναι η θερμική ισχύς (ρυθμός ενέργειας, W) που διέρχεται μέσω μιας επιφάνειας εμβαδού Α, k, είναι η θερμική αγωγιμότητα του μέσου, Α, είναι το εμβαδόν της επιφάνειας, και Τ, η θερμοκρασία Η ολοκλήρωση της σχέσης 5.6, για υλικό επιφάνειας Α και πάχους Δχ, μας δίνει: Σχέση 5.7 όπου, Τ 1, Τ 2, είναι οι θερμοκρασίες στα σύνορα της θεωρούμενης επιφάνειας με πάχος Δχ. Ο λόγος, μας δίνει τη ροή ενέργειας (heat flux) q, ανά μονάδα επιφάνειας σε W/m 2. Η σχέση 5.7 γράφεται: Σχέση 5.8 Στην περίπτωση που εξετάζουμε, το πάχος Δχ είναι ίσο με 0.35mm, ενώ το μέγεθος ΔΤ, είναι το ζητούμενο. Σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρία των prepreg [79], ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού είναι ίσος με 0.25 W/m K. Από το 4 ο κεφάλαιο, θυμίζουμε ότι η ηλεκτρική ισχύς που καταναλώνεται σε ένα σύρμα μήκους 120 mm για να ανεβάσει τη θερμοκρασία του στους 100 ο C, υπολογίστηκε ίση με 1.3 Watt περίπου. Η συνολική εξωτερική επιφάνεια του σύρματος Α, ισούται με. Για μήκος σύρματος L=120 mm και διάμετρο d=0.3 mm, η επιφάνεια Α υπολογίζεται ίση με m 2. Άρα, η ροή ενέργειας από το σύρμα προς τα έξω, δια μέσω της επιφάνειας Α, είναι: Σχέση 5.9 Εφόσον πλέον γνωρίζουμε το q, μπορούμε να εκτιμήσουμε τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της επιφάνειας του σύρματος και της επιφάνειας του δοκιμίου. Με αντικατάσταση των k,q και Δχ στη σχέση 5.8, υπολογίζουμε ότι: 151

177 Σχέση 5.10 Με την παραπάνω διαδικασία, καταφέραμε μέσω απλών παραδοχών και υπολογισμών, να ξεπεράσουμε το εμπόδιο που δημιουργεί η απουσία δυνατότητας για απευθείας μετρήσεις της θερμοκρασίας του ενεργοποιητή μέσα στο σύνθετο υλικό. Χρησιμοποιώντας τα θερμοζεύγη και την θερμική κάμερα υπερύθρου, θα ελέγχουμε στο εξής τη θερμοκρασία των συρμάτων (δηλαδή την ισχύ στα άκρα του ηλεκτρικού κυκλώματος), μέσω της θερμοκρασίας της επιφάνειας του δοκιμίου. Σύμφωνα με τους υπολογισμούς που προηγήθηκαν, θεωρητικά, ισχύει το εξής: Για θερμοκρασία επιφάνειας σύρματος περίπου ίση με 100 ο C, η αντίστοιχη θερμοκρασία στην επιφάνεια του δείγματος ακριβώς επάνω από το σύρμα, αναμένεται 15 με 20 ο C χαμηλότερη Πειραματική διαδικασία Οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν, είχαν ως στόχο την καταγραφή της μεταβολής της ωμικής αντίστασης των δοκιμίων κατά τη διάρκεια ενός πλήρους κύκλου ενεργοποίησης. Χρησιμοποιήθηκαν τα δοκίμια τύπου Α και τύπου Β, των οποίων τα χαρακτηριστικά περιγράφηκαν στην παράγραφο Στην περίπτωση των συνθέτων υλικών, αντίθετα με την περίπτωση των συρμάτων, ο υπολογισμός της ειδικής αντίστασης κρίθηκε σκόπιμο να μην πραγματοποιηθεί. Ο λόγος ήταν το μεγάλο σφάλμα που θα προέκυπτε στους υπολογισμούς του μήκους αγωγού, λόγω των ηλεκτρικών ενώσεων στα άκρα των συρμάτων. Τα δοκίμια τύπου Α και Β, χρησιμοποιήθηκαν με τη μορφή που φαίνεται στο Σχ. 5.12β, δηλαδή με τα σύρματα SMA συνδεδεμένα εν σειρά. Δεν υπήρχε η ανάγκη για τοποθέτηση tabs στα άκρα τους, αφού δεν έγιναν μετρήσεις των αναπτυσσόμενων μηχανικών τάσεων σε αυτή τη φάση. Η θέρμανση των δοκιμίων πραγματοποιήθηκε με χρήση ηλεκτρονικού τροφοδοτικού με δυνατότητα καταγραφής της διαφοράς δυναμικού και της έντασης του ρεύματος στο κύκλωμα, ενώ για τις ενώσεις χρησιμοποιήθηκαν καλώδια μηδενικής αντίστασης, όπως ακριβώς και στην περίπτωση των συρμάτων στο 4 ο κεφάλαιο. Η ρευματοδότηση 152

178 έγινε με έλεγχο της διαφοράς δυναμικού στα άκρα του δοκιμίου και με βήμα 0.3 V 0.5 V. Ο χρόνος αναμονής μεταξύ των μετρήσεων ήταν 1.5 min, διάστημα αρκετό, έτσι ώστε να έχει σταθεροποιηθεί η θερμοκρασία του υλικού μας. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας των SMA, πραγματοποιήθηκε με βάση τις ενδείξεις 3 θερμοζευγών τοποθετημένων επάνω ακριβώς στα σύρματα με τον τρόπο που φαίνεται στο Σχ Η θερμοκρασία για κάθε μέτρηση, θεωρήθηκε ίση με το μέσο όρο των τριών ενδείξεων. Θα πρέπει να σημειωθεί, ότι η διαφορά στις μετρήσεις μεταξύ των θερμοζευγών, δεν ξεπέρασε σε καμία περίπτωση τους 5 ο C. Σχήμα 5.15 Σχηματική αναπαράσταση των θέσεων των θερμοζευγών για κάθε τύπο δοκιμίου. Η πιο πάνω χωροθέτηση των θερμοζευγών διατηρήθηκε σε όλα τα είδη πειραμάτων που θα παρουσιαστούν στο εξής. Τα θερμοζεύγη, σταθεροποιήθηκαν στις θέσεις τους με χρήση θερμοαγώγιμης αλοιφής και θερμοανθεκτικής κολλητικής ταινίας. Οι τιμές, αποθηκεύονταν στο σύστημα καταγραφής θερμοκρασιών του Thermis, ενώ ο χώρος των πειραμάτων βρισκόταν σε σταθερή θερμοκρασία 25 ο C. 153

179 5.6.3 Μετρήσεις ωμικής αντίστασης δοκιμίων Στα πιο κάτω σχήματα, φαίνονται τα αποτελέσματα των μετρήσεων που αφορούν στην ωμική αντίσταση των δοκιμίων τύπου Α και τύπου Β, σαν συνάρτηση της θερμοκρασίας της επιφάνειας του δοκιμίου. Σχήμα 5.16 Γραφική παράσταση της ωμικής αντίστασης δοκιμίου τύπου Α, συναρτήσει της επιφανειακής του θερμοκρασίας. Σχήμα 5.17 Γραφική παράσταση της ωμικής αντίστασης δοκιμίου τύπου Β, σαν συνάρτηση της επιφανειακής του θερμοκρασίας. 154

180 Συγκρίνοντας τις παραπάνω καμπύλες, με την καμπύλη της ειδικής αντίστασης του σύρματος NiTi (βλ. Σχ. 4.7), δε μπορούμε παρά να συμφωνήσουμε ότι περιγράφουν το ίδιο ακριβώς φαινόμενο, με παρατηρήσεις φυσικά από διαφορετική οπτική γωνία. Είναι γεγονός, ότι και στις δύο περιπτώσεις η αντίσταση των ρευματοφόρων αγωγών μειώνεται με την αύξηση της θερμοκρασίας, ενώ χαρακτηριστική είναι η υστερητική της συμπεριφορά, κατά τη διάρκεια ενός κύκλου μετασχηματισμού, που αποδίδεται στην αναδιάταξη των ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα του κράματος. Η συμπεριφορά αυτή, αποδεικνύει ότι και στην περίπτωση που τα σύρματα τελούν υπό τον ολοκληρωτικό κινηματικό περιορισμό της μήτρας, η μετάβαση από τη μαρτενσιτική φάση, στη φάση του οστενίτη, συμβαίνει απρόσκοπτα. Οι μετρήσεις της ηλεκτρικής αντίστασης, έδειξαν ότι το Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος εκδηλώνεται στο εσωτερικό του συνθέτου, με ερωτηματικό όμως, όσον αφορά στη δυνατότητα ανάπτυξης ή στο μέγεθος των αναπτυσσόμενων μηχανικών τάσεων. Η διαφορά στις τιμές των μετρήσεων μεταξύ των δύο τύπων δοκιμίων, είναι η αναμενόμενη. Το δοκίμιο τύπου Α περιέχει 4 σύρματα NiTi, ενώ το δοκίμιο τύπου Β, περιέχει 6 σύρματα. Συνεπώς, υπάρχει αύξηση του μήκους του αγωγού κατά 50% περίπου, συνυπολογίζοντας και το σφάλμα στην περιοχή των ενώσεων. Η ωμική αντίσταση, είναι ευθέως ανάλογη του μήκους του αγωγού (βλ. Σχ. 4.3), άρα αναμένουμε κατά 50% αυξημένη αντίσταση για το δοκίμιο τύπου Β. Πράγματι, βλέπουμε ότι η αντίσταση σε υψηλές θερμοκρασίες σταθεροποιείται λίγο κάτω από τα 7.5 Ω για την περίπτωση Α και λίγο κάτω από τα 11.5 Ω για την περίπτωση Β. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, η αρχική τιμή της αντίστασης είναι 9 Ω και 13.5 Ω, αντίστοιχα. Μια πιο προσεκτική ματιά στα αποτελέσματα που μόλις παρουσιάστηκαν, μπορεί να στηρίξει τους υπολογισμούς και τα συμπεράσματα της παραγράφου 5.6.1, ότι δηλαδή για θερμοκρασίες κοντά στη θερμοκρασία ενεργοποίησης, η διαφορά μεταξύ επιφάνειας σύρματος και επιφάνειας δοκιμίου είναι της τάξης των 20 ο C. Το μέσο του χαρακτηριστικού σκαλοπατιού που παρουσιάζει η ειδική αντίσταση του σύρματος, σύμφωνα με το Σχήμα 4.7, τοποθετείται περίπου στους 55 με 60 ο C, ενώ στην περίπτωση των μετρήσεων της ωμικής αντίστασης για τα σύνθετα, όπως φαίνεται από τα Σχήματα 5.16 και 5.17, αυτό συμβαίνει κάτω από 155

181 τους 40 ο C. Επιπρόσθετα, η τιμή της ειδικής αντίστασης σταθεροποιείται μετά τους 75 ο C, ενώ οι μετρήσεις για τα σύνθετα φαίνονται να μη μεταβάλλονται σχεδόν καθόλου από τους 60 ο C και για μεγαλύτερες θερμοκρασίες. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα πειράματα αφορούν στο ίδιο ακριβώς υλικό, του οποίου οι θερμοκρασίες μετασχηματισμού είναι καθορισμένες, αλλά και το γεγονός ότι οι μετρήσεις της θερμοκρασίας στην περίπτωση των συνθέτων αναφέρονται στην επιφάνεια των δοκιμίων, συμπεραίνουμε ότι στηρίζεται και πειραματικά το συμπέρασμα ότι όταν το σύρμα είναι πλήρως ενεργοποιημένο στους 100 ο C περίπου, η αντίστοιχη θερμοκρασία της επιφάνειας επάνω ακριβώς από αυτό, θα είναι 15 με 20 ο C χαμηλότερη. Στα πλαίσια ενός όσο το δυνατόν πιο πλήρους θερμομηχανικού χαρακτηρισμού των υβριδικών συνθέτων που εξετάζουμε, θα παρουσιαστούν στην επόμενη παράγραφο τα μηχανικά πειράματα που διεξήχθησαν στα υλικά μας, το τελευταίο βήμα, πριν από την ενεργοποίησή τους στο σύστημα Thermis και τη μέτρηση των μηχανικών τάσεων που μπορούν να αναπτύξουν. 156

182 5.7 Μηχανικά πειράματα στα σύνθετα υλικά Η διεξαγωγή πειραματικών μετρήσεων για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων, αποτελεί κατά κανόνα το πρώτο βήμα της διαδικασίας του χαρακτηρισμού ενός οποιουδήποτε υλικού. Στην περίπτωση των συνθέτων υλικών, όπου έχουμε συνύπαρξη δύο ή περισσότερων φάσεων με διαφορετικές ιδιότητες, εκτός ελαχίστων εξαιρέσεων, η μηχανική τους συμπεριφορά χαρακτηρίζεται από ανισοτροπία και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το είδος της πειραματικής διαδικασίας και κυρίως από τη διεύθυνση της φόρτισης. Για παράδειγμα, ένα σύνθετο υλικό με ενίσχυση συνεχών και προσανατολισμένων ινών, θα παρουσιάσει εντελώς διαφορετικές ιδιότητες στις περιπτώσεις φόρτισης παράλληλα και κάθετα στη διεύθυνση των ινών. Με το σκεπτικό ότι στοχεύουμε στη δημιουργία ευφυών υβριδικών συστημάτων και στην παρούσα εργασία η ανάπτυξη των εσωτερικών μηχανικών τάσεων από τα σύρματα, γίνεται σε παράλληλη διεύθυνση με τις ίνες ενίσχυσης, διεξήχθησαν μηχανικά πειράματα με σκοπό τη μέτρηση των ιδιοτήτων κατά το διαμήκη άξονα των δοκιμίων. Τα πειράματα που θα ακολουθήσουν, χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: στα κλασικά στατικά πειράματα εφελκυσμού και στις μετρήσεις με χρήση Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης με σάρωση θερμοκρασίας Πειραματική διαδικασία Το υβριδικό σύνθετο υλικό που μελετάμε, αποτελείται από τρείς φάσεις με διαφορετική μηχανική συμπεριφορά. Οι μηχανικές ιδιότητες των συρμάτων SMA σε μαρτενσιτική και οστενιτική δομή, παρουσιάστηκαν στο 4 ο κεφάλαιο. Οι ίνες Kevlar 29, παρουσιάζουν γραμμικά ελαστική συμπεριφορά μέχρι το σημείο θραύσης τους και παρά το ότι ανήκουν στην κατηγορία των πολυμερών, χαρακτηρίζονται από την απουσία του ορίου διαρροής. Σύμφωνα με την κατασκευάστρια εταιρία, το μέτρο ελαστικότητας των ινών είναι ίσο με 122 GPa, η παραμόρφωση θραύσης φθάνει το 157

183 2.5 % και η τάση θραύσης είναι ίση με 3024 ΜPa [82]. H εποξειδική ρητίνη LTM217, ανάλογα με το curing που έχει προηγηθεί, παρουσιάζει μέτρο ελαστικότητας από 3 έως 6 GPa, αντοχή σε εφελκυσμό από 70 έως 100 GPa και παραμόρφωση θραύσης από 3 έως 5 % [79]. Το σύνθετο υλικό, αναμένεται να έχει μέτρο ελαστικότητας του οποίου η τιμή εξαρτάται από το ογκομετρικό κλάσμα της φάσης ενίσχυσης, ενώ η παραμόρφωση θραύσης του, θεωρητικά θα πρέπει να ταυτίζεται με την αντίστοιχη της ρητίνης, εφόσον αυτή θραύεται σε παραμορφώσεις μεγαλύτερες από αυτές του Kevlar. Ο υπολογισμός της αντοχής ή της παραμόρφωσης θραύσης του συνθέτου, δεν αποτελεί τόσο σημαντική παράμετρο για ένα ευφυές υλικό, από τη στιγμή που αυτό δε χρησιμοποιείται ταυτόχρονα και ως δομικό στοιχείο, όσο το μέτρο ελαστικότητας. Το μέτρο ελαστικότητας, είναι κρίσιμο μέγεθος στη μοντελοποίηση ευφυών συστημάτων με ενσωματωμένα κράματα SMA και μάλιστα η εξάρτησή του από τη θερμοκρασία καθορίζει σε σημαντικό βαθμό την μετάδοση των αναπτυσσόμενων εσωτερικών τάσεων. Τα πειράματα εφελκυσμού, πραγματοποιήθηκαν στη σερβοϋδραυλική μηχανή MTS του Thermis και σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D3039, που είναι κατάλληλο για τον τύπο τον δοκιμίων που εξετάζουμε. Για τη μέτρηση των μηχανικών τάσεων, χρησιμοποιήθηκε το κελί φόρτισης της MTS με εύρος 25kN, ενώ για την ακριβή μέτρηση των παραμορφώσεων χρησιμοποιήθηκε μηκυνσιόμετρο της εταιρίας Kyowa (model: KFG/5/120), κατάλληλο για πολυμερή σύνθετα με ενίσχυση ινών μεγάλου μέτρου ελαστικότητας, με δυνατότητα μέτρησης παραμορφώσεων λίγο πάνω από το 2.0%. Για μεγαλύτερες παραμορφώσεις, οι τιμές είναι προσεγγιστικές, με βάση τις μετρήσεις της μετατόπισης του εμβόλου της μηχανής και του αρχικού ελεύθερου μήκους δοκιμίου. Τα διαγράμματα που θα παρουσιαστούν στη συνέχεια, περιέχουν τιμές μέχρι το σημείο που το μηκυνσιόμετρο καταστρέφεται. 158

184 Σχήμα 5.18 Στιγμιότυπο από πείραμα εφελκυσμού σε σύνθετο υβριδικό δοκίμιο στη μηχανή MTS του συστήματος χαρακτηρισμού Thermis. Τα δοκίμια που χρησιμοποιήσαμε για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, είναι τα δοκίμια τύπου Α και τύπου Β που παρουσιάστηκαν σε προηγούμενη ενότητα (βλ ), καθώς και δοκίμια με τα ίδια ακριβώς χαρακτηριστικά, αλλά χωρίς ενσωματωμένα σύρματα NiTi. Κάθε πείραμα, επαναλήφθηκε πέντε φορές για πέντε διαφορετικά δοκίμια από το κάθε είδος. Η θερμοκρασία του χώρου διατηρήθηκε σταθερή και ίση με 25 ο C. Το μέτρο ελαστικότητας, υπολογίστηκε με βάση την κλίση της προσαρμοσμένης ευθείας μέχρι 0.01 παραμόρφωση, όπου η συμπεριφορά του υλικού είναι γραμμικά ελαστική. Ως παραμόρφωση θραύσης για όλα τα δοκίμια, ορίζεται η αντίστοιχη τιμή κατά την οποία συμβαίνει μακροσκοπικός διαχωρισμός του δοκιμίου δηλαδή θραύση ινών και μήτρας, παρά το ότι οι τύποι δοκιμίων Α και Β περιέχουν σύρματα NiTi με πολύ μεγαλύτερη παραμόρφωση θραύσης. Πρακτικά όμως, η ουσιαστική θραύση συμβαίνει σε όλες τις περιπτώσεις γύρω στο της παραμόρφωσης, οπότε και αστοχούν οι ίνες Kevlar. Σαν τάση θραύσης ορίζεται η τιμή της τάσης κατά τη στιγμή της θραύσης, ενώ σαν αντοχή του υλικού, η υψηλότερη τιμή της τάσης στο διάγραμμα. Στην πράξη, στα σύνθετα υλικά ο υπολογισμός της αντοχής και της τάσης θραύσης εμπεριέχει μεγάλο σφάλμα, αφού η ενεργός διατομή του δοκιμίου μειώνεται δραματικά κατά την εξέλιξη του πειράματος. 159

185 Τα πειράματα με χρήση της τεχνικής της Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης, διεξήχθησαν σε αντίστοιχη συσκευή DMA, που έχει ήδη παρουσιαστεί στην παράγραφο Τα δοκίμια που χρησιμοποιήσαμε είχαν μήκος 20mm, πλάτος 6.4mm και πάχος 1.15mm και το είδος του πειράματος, ήταν αυτό της κάμψης τριών σημείων. Εξετάστηκαν τρία δείγματα με σύρματα SMA και τρία χωρίς σύρματα SMA. Το πρώτο είδος, περιείχε 3 σύρματα σε απόσταση 1mm μεταξύ τους. Σχήμα 5.19 Δοκίμιο, τοποθετημένο στις αρπάγες 3-point bending της συσκευής DMA, πριν από την έναρξη του πειράματος. Όπως και στο πείραμα για τον υπολογισμό της θερμοκρασίας υαλώδους μετάπτωσης, εφαρμόστηκε στο δοκίμιο εναλλασσόμενη ημιτονοειδής παραμόρφωση με πλάτος ταλάντωσης 20μm και συχνότητα 1Hz. Καταγράφηκε μεταξύ άλλων, το μιγαδικό μέτρο ελαστικότητας, (δηλ. το μέτρο αποθήκευσης και το μέτρο απωλειών του υλικού, βλ ) για εύρος θερμοκρασιών από 10 έως 230 ο C. Να σημειώσουμε στο σημείο αυτό, ότι η τιμή του μέτρου αποθήκευσης σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, ουσιαστικά εκφράζει το μέτρο ελαστικότητας του υλικού για ένα στατικό πείραμα εφελκυσμού που διεξάγεται στη θερμοκρασία αυτή. Έτσι λοιπόν, μέσω του πειράματος DMA, λαμβάνουμε πληροφορίες για τη μεταβολή του μέτρου ελαστικότητας των συνθέτων, συναρτήσει της θερμοκρασίας, κάτι ιδιαίτερα σημαντικό στην περίπτωση των θερμικά ενεργοποιούμενων συρμάτων NiTi. 160

186 5.7.2 Στατικά εφελκυστικά πειράματα Στο επόμενο διάγραμμα, φαίνεται η καμπύλη τάσης παραμόρφωσης για ένα από τα πέντε δοκίμια τύπου Α. Σχήμα 5.20 Καμπύλη τάσης παραμόρφωσης για δοκίμιο τύπου Α (4 σύρματα NiTi) μέχρι το σημείο που το μηκυνσιόμετρο παύει να δίνει τιμές. Όπως φαίνεται από το διάγραμμα, η συμπεριφορά του συνθέτου είναι γραμμική, ενώ η μέση τιμή του μέτρου ελαστικότητας για τα πέντε δείγματα που εξετάστηκαν υπολογίστηκε ίση με GPa. Στο τέλος της παραγράφου, υπάρχει συγκεντρωτικός πίνακας με τις μηχανικές ιδιότητες όπως αυτές προέκυψαν από τα στατικά μηχανικά πειράματα εφελκυσμού. Στο επόμενο σχήμα, φαίνεται το διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης για ένα δοκίμιο τύπου Β και ακολουθεί το αντίστοιχο διάγραμμα για ένα δοκίμιο χωρίς σύρματα SMA. H μέση τιμή του E, για τα δοκίμια τύπου Β, υπολογίστηκε ίση με GPa, ενώ για τα δοκίμια χωρίς σύρματα η αντίστοιχη τιμή ήταν GPa. 161

187 Σχήμα 5.21 Καμπύλη τάσης παραμόρφωσης για δοκίμιο τύπου Β (6 σύρματα NiTi) Σχήμα 5.22 Διάγραμμα τάσης παραμόρφωσης για σύνθετο δοκίμιο χωρίς ενσωματωμένα σύρματα NiTi. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, η απόκριση σε εφελκυστική φόρτιση των συνθέτων υλικών παρουσιάζει ιδιαίτερη σταθερότητα και μπορούμε να συμπεράνουμε με βεβαιότητα ότι η συμμετοχή των συρμάτων SMA, δεν επηρεάζει καθόλου τη μηχανική τους συμπεριφορά. Στον πίνακα που ακολουθεί, 162

188 φαίνονται συγκεντρωτικά οι μηχανικές ιδιότητες για κάθε ένα από τα δοκίμια που εξετάστηκαν, η μέση τιμή τους και η αντίστοιχη τυπική απόκλιση. μέτρο παραμόρφωση αντοχή ελαστικότητας θραύσης τάση θραύσης συμβολισμός Ε σ max ε b σ b μονάδες GPa MPa -- MPa δοκίμιο τύπου Α , , , , , , , , , ,87 μέση τιμή , ,49 τυπική απόκλιση 1,43 24,44 0, ,38 δοκίμιο τύπου Β , , , , , , , , , ,78 μέση τιμή , ,14 τυπική απόκλιση 1,84 47,16 0, ,14 δοκίμιο χωρίς σύρματα NiTi , , , , , , , , , ,88 μέση τιμή , ,52 τυπική απόκλιση 1,94 44,78 0, ,70 Πίνακας 5.2 Μέτρο ελαστικότητας, αντοχή, παραμόρφωση θραύσης και τάση θραύσης, όπως προέκυψαν από τα στατικά μηχανικά πειράματα εφελκυσμού στα σύνθετα υβριδικά δοκίμια. 163

189 5.7.3 Δυναμικά πειράματα με χρήση DMA Αντιπροσωπευτικά αποτελέσματα των πειραμάτων Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης για τα δύο είδη δοκιμίων που εξετάσαμε φαίνονται στο Σχήμα 5.23, όπου αποτυπώνονται το μέτρο αποθήκευσης (Ε ) και το μέτρο απωλειών (Ε ) για θερμοκρασία από 10 έως 230 ο C. Σχήμα 5.23 Μέτρο αποθήκευσης και μέτρο απωλειών για σύνθετα δοκίμια, όπως προέκυψαν από πειράματα DMA, με και χωρίς ενσωματωμένα σύρματα SMA. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η εξάρτηση του μέτρου αποθήκευσης από τη θερμοκρασία είναι έντονη, ενώ αντίθετα το μέτρο απωλειών δεν παρουσιάζει αξιόλογες μεταβολές και παράλληλα κυμαίνεται σε χαμηλές τιμές, υποδηλώνοντας τη σαφή υπεροχή της ελαστικής έναντι της ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς. Σε γενικές γραμμές, οι τιμές του μέτρου αποθήκευσης για τα δείγματα που περιέχουν SMA, είναι χαμηλότερες σε σχέση με τις αντίστοιχες των δειγμάτων που αποτελούνται μόνο από prepreg. Στο μέτρο απωλειών, υπάρχει σχεδόν ταύτιση των μετρήσεων. Το Ε, στη θερμοκρασία των 25 ο C, έχει τιμή περίπου ίση με 39.3 GPa και GPa αντίστοιχα, που μεταφράζεται σε διαφορά της τάξης των 5 GPa, σε σχέση με τη μέση τιμή του μέτρου ελαστικότητας από τα στατικά πειράματα. 164

190 Στον πίνακα που ακολουθεί, φαίνονται τα Ε και Ε για όλα τα δοκίμια που εξετάστηκαν με τη συγκεκριμένη μέθοδο, στη θερμοκρασία εκκίνησης του πειράματος (10 ο C), στη θερμοκρασία περιβάλλοντος (25 ο C) και λίγο πάνω από τη θερμοκρασία ενεργοποίησης των συρμάτων (100 ο C). Ε Ε 10 ο C 25 ο C 100 ο C 10 ο C 25 ο C 100 ο C GPa LTM217/Kevlar ,3 38,9 32,5 0,85 0,83 1, ,5 38,5 33,5 0,88 0,90 0, ,9 40,0 32,0 0,90 0,93 0,94 μέση τιμή 39,2 39,10 32,7 0,88 0,89 0,99 LTM217/Kevlar 29/SMA 1 40,2 39,3 33,9 0,76 0,75 1, ,0 38,9 33,0 0,75 0,87 1, ,8 39,4 34,5 0,88 0,90 0,95 μέση τιμή 40,6 39,2 33,8 0,79 0,84 1,03 Πίνακας 5.3 Το μέτρο αποθήκευσης και το μέτρο απωλειών στους 10, 25 και 100 ο C, όπως υπολογίστηκαν από πειράματα DMA σε σύνθετα δοκίμια με και χωρίς σύρματα SMA. 165

191 5.8 Ενεργοποίηση και ανάπτυξη μηχανικών τάσεων στα σύνθετα υλικά Ακολουθώντας την ίδια λογική με την περίπτωση των συρμάτων SMA που εξετάστηκαν στο 4 ο κεφάλαιο, πριν διεξαχθούν τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης και της χαλάρωσης τάσης ενεργοποίησης στα σύνθετα υβριδικά υλικά, θα πρέπει να διερευνηθεί η δυνατότητα ανάπτυξης μηχανικών τάσεων, το εύρος των τάσεων αυτών, αλλά και οι συνθήκες κάτω από τις οποίες θα πραγματοποιηθούν οι επόμενες δοκιμές (όπως ο χρόνος θέρμανσης και ο χρόνος φυσικής ψύξης, η καταναλισκόμενη ηλεκτρική ισχύς κ.α.). Για την επιτυχή έκβαση των μετρήσεων, θα εκμεταλλευτούμε όλες τις δυνατότητες του συστήματος Thermis, όπως τη σερβοϋδραυλική μηχανή δοκιμών, το σύστημα καταγραφής θερμοκρασιών, τη θερμική κάμερα υπερύθρου και το σύστημα επιλεκτικής ενεργοποίησης συρμάτων SMA. Παρά το ότι έχει ήδη αναφερθεί στην αρχή του παρόντος κεφαλαίου, θα επαναλάβουμε στο σημείο αυτό, ότι σε αντίθεση με την περίπτωση των συρμάτων, στα σύνθετα δοκίμια δεν είναι δυνατόν να μετρήσουμε απευθείας τη θερμοκρασία των υλικών NiTi. Για το λόγο αυτό, μετράμε την επιφανειακή θερμοκρασία σε συγκεκριμένα σταθερά σημεία του δοκιμίου (βλ. Σχ. 5.15) και θεωρούμε, για λόγους που έχουμε αναφέρει στην παράγραφο 5.6.1, ότι τα σύρματα είναι πλήρως ενεργοποιημένα όταν η μετρούμενη θερμοκρασία επιφάνειας των υλικών είναι 80 ο C Πειραματική διαδικασία Στο σύστημα Thermis, ενεργοποιήθηκαν και οι δύο τύποι δοκιμίων που κατασκευάσαμε (Α και Β), ακριβώς με τον ίδιο τρόπο και με χρήση των ίδιων πειραματικών διατάξεων. Η μοναδική διαφορά εντοπίζεται στην καταναλισκόμενη ηλεκτρική ισχύ για θέρμανση των υλικών με το φαινόμενο Joule, αφού ο τύπος Β περιείχε μεγαλύτερο συνολικό μήκος αντίστασης, λόγω της ύπαρξης περισσότερων συρμάτων. Η μορφή που είχαν τα δείγματα, είναι αυτή του Σχ. 5.12γ. 165

192 Τα δοκίμια, τοποθετήθηκαν και συγκρατήθηκαν ακίνητα στις αρπάγες της μηχανής εφελκυσμού MTS, η οποία εκτελώντας το ανάλογο λογισμικό, διατηρούσε σε όλη τη διάρκεια των μετρήσεων την απόσταση μεταξύ των άκρων του δοκιμίου σταθερή, ανεξάρτητα από τις αναπτυσσόμενες μηχανικές τάσεις και παράλληλα μετρούσε τις αναπτυσσόμενες μηχανικές δυνάμεις. Η συσκευή επιλεκτικής ενεργοποίησης, συνδεδεμένη στους ακροδέκτες των δοκιμίων, παρείχε την απαιτούμενη ηλεκτρική ισχύ για τη θέρμανση των συρμάτων. Σε αυτή τη φάση, οι χρόνοι θέρμανσης και ψύξης δεν ήταν καθορισμένοι, αφού επιδίωξή μας ήταν η πραγματοποίηση μερικών μόνο δεκάδων κύκλων ενεργοποίησης με σκοπό τη μέτρηση του μεγέθους των μηχανικών τάσεων. Η θερμική κάμερα υπερύθρου, εστιασμένη στην πίσω πλευρά του δοκιμίου, κατέγραφε τη θερμοκρασιακή κατανομή στην επιφάνεια. Σχήμα 5.24 Ενεργοποίηση δοκιμίου τύπου Α στο Thermis, με καταγραφή της θερμοκρασίας και της θερμοκρασιακής κατανομής από τη θερμική κάμερα υπερύθρου. 166

193 Σχήμα 5.25 Ενεργοποίηση δοκιμίου τύπου Α στο Thermis, με την καταγραφή της θερμοκρασίας να πραγματοποιείται μέσω τριών θερμοζευγών, τοποθετημένων σύμφωνα με το Σχ Η απόλυτη τιμή της θερμοκρασίας στην επιφάνεια των δοκιμίων, θεωρήθηκε ίση με το μέσο όρο των μετρήσεων των τριών θερμοζευγών, των οποίων οι ενδείξεις αποθηκεύονταν από το σύστημα καταγραφής θερμοκρασιών του Thermis. Πλήρη ενεργοποίηση των συρμάτων, έχουμε όταν η θερμοκρασία τους, υπερβεί την Α f. Κριτήριο ενεργοποίησης των συνθέτων, σύμφωνα με όσα έχουμε πει, είναι η θερμοκρασία της επιφάνειας του δοκιμίου να έχει τιμή γύρω στους 80 ο C. Η θερμοκρασία περιβάλλοντος για όλα τα πειράματα διατηρήθηκε σταθερή και ίση με 25 ο C. Στα πρώτα δοκίμια που εξετάσαμε, η ρευματοδότηση γινόταν σταδιακά, συνήθως με βήμα 0.3V, εάν είχαμε έλεγχο της τάσης στα άκρα του κυκλώματος ή 0.2Α, εάν είχαμε έλεγχο του ρεύματος. Όπως θα δούμε από τις μετρήσεις, η απαιτούμενη ηλεκτρική ισχύς για ενεργοποίηση του τύπου Α, ήταν 3 Watt, ενώ για τον τύπο Β, ήταν 4.2 Watt περίπου. Στα υπόλοιπα πειράματα ενεργοποίησης, χρησιμοποιήσαμε κατευθείαν την απαιτουμένη ηλεκτρική ισχύ. 167

194 5.8.2 Αποτελέσματα μετρήσεων Στο σχήμα που ακολουθεί, φαίνεται η σταδιακή ενεργοποίηση ενός δοκιμίου τύπου Β, μέσω της οποίας υπολογίστηκε η απαιτούμενη ηλεκτρική ισχύς, έτσι ώστε η θερμοκρασία της επιφάνειας στο δοκίμιο να πάρει τιμή γύρω στους 80 ο C. Το διάγραμμα αποτυπώνει την αναπτυσσόμενη αξονική δύναμη από το δείγμα, σαν συνάρτηση του χρόνου. Φαίνονται επίσης, ενδεικτικές τιμές της ηλεκτρικής ισχύος με τις ανάλογες τιμές της επιφανειακής θερμοκρασίας καθώς και δύο στιγμιότυπα της θερμοκρασιακής κατανομής για καταναλισκόμενη ισχύ 3 και 4.2 Watt. Σχήμα 5.26 Σταδιακή ενεργοποίηση στο Thermis, ενός δοκιμίου τύπου Β, με παράλληλη καταγραφή της θερμοκρασιακής κατανομής από την κάμερα υπερύθρου. Η καταναλισκόμενη ισχύς για πλήρη ενεργοποίηση, υπολογίστηκε ίση με 4.2 Watt. Η χαρακτηριστική μορφή σκάλας που έχει το διάγραμμα, υποδηλώνει τη δυνατότητα ύπαρξης αρκετών επιπέδων ενεργοποίησης ενός ευφυούς συνθέτου υλικού, ανάλογα με τη θερμοκρασία στην οποία βρίσκεται το SMA. Φαίνεται επίσης, ότι σε κάθε επίπεδο θερμοκρασίας, το SMA ισορροπεί και παρά το ότι βρισκόμαστε 168

195 χαμηλότερα από την Α f, έχει την ικανότητα να διατηρεί την αναπτυσσόμενη δύναμη, όντας μερικά ενεργοποιημένο. Την ίδια ακριβώς διαδικασία ακολουθήσαμε και για τα δοκίμια τύπου Α. Σύμφωνα με τις πειραματικές μετρήσεις, η θερμοκρασία της επιφάνειας έφθανε τους 80 ο C, με κατανάλωση ισχύος 3 Watt για τον τύπο Α και 4.2 Watt για τον τύπο Β. Στα επόμενα δύο σχήματα, απεικονίζονται οι ενεργοποιήσεις για μερικές δεκάδες κύκλους, των δοκιμίων τύπου Α και τύπου Β, στα 3 και 4.2 Watt αντίστοιχα, για θερμοκρασία επιφάνειας 80 ο C. Ο χρόνος θέρμανσης (ισοδύναμος με το χρόνο που το ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει το κύκλωμα) και ο χρόνος ψύξης (ίσος με το χρόνο που το κύκλωμα δεν διαρρέεται από ρεύμα, μεταξύ δύο διαδοχικών ενεργοποιήσεων) δεν ακολουθούν κάποιο πρωτόκολλο και οι ενεργοποιήσεις γίνονται με τυχαίο τρόπο. Σχήμα 5.27 Πειραματικά αποτελέσματα ενεργοποίησης δοκιμίου τύπου Α. Δίνεται η αναπτυσσόμενη μηχανική δύναμη σαν συνάρτηση του χρόνου. Το επίπεδο της τάσης φθάνει τα 40 Ν. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων, τα οποία επιβεβαιώθηκαν από τουλάχιστον τέσσερα διαφορετικά δείγματα για το κάθε είδος, αποκάλυψαν ότι τα 169

196 δοκίμια τύπου Α, με τέσσερα ενσωματωμένα σύρματα NiTi, έχουν τη δυνατότητα να ασκούν αξονική δύναμη ίση με 40 Ν περίπου, όταν τα υλικά SMA ενεργοποιηθούν πλήρως. Τα δοκίμια τύπου Β, με έξι ενσωματωμένα σύρματα NiTi, ασκούν αξονική δύναμη κατά την πλήρη ενεργοποίηση, ίση με περίπου 62 Ν, χωρίς να εμφανίζονται φαινόμενα εξασθένισης του διεπιφανειακού δεσμού. Με βάση τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των υλικών, οι δυνάμεις αυτές μεταφράζονται σε αναπτυσσόμενες μηχανικές τάσεις της τάξης των 3.65 και 5.65 MPa, αντίστοιχα. Όπως φαίνεται από τα αποτελέσματα, τα σύνθετα υλικά, κατά τους πρώτους κύκλους λειτουργίας τους, επέδειξαν σταθερή συμπεριφορά, χωρίς αυξομειώσεις ή φαινόμενα υποβάθμισης της μηχανικής τάσης. Σχήμα 5.28 Τα αποτελέσματα της ενεργοποίησης δοκιμίου τύπου Β. Η αναπτυσσόμενη μηχανική δύναμη αγγίζει τα 62 Ν. Μια πολύ σημαντική παράμετρος στο πείραμα της λειτουργικής κόπωσης που θα ακολουθήσει, είναι ο απαιτούμενος χρόνος για το υλικό μας, έτσι ώστε να αναπτύξει το μέγιστο επίπεδο μηχανικών τάσεων κατά τη θέρμανση και να μηδενιστεί η αξονική τάση κατά την ψύξη. Το θέμα αυτό, αποτελεί στη βάση του ένα κλασικό πρόβλημα μετάδοσης θερμότητας στη μεταβατική κατάσταση. Οι 170

197 μετρήσεις που μόλις παρουσιάσαμε, είναι μια πολύ καλή ευκαιρία να δούμε στην πράξη τις χρονικές απαιτήσεις του συστήματός μας έτσι ώστε να μη βασιστούμε σε θεωρητικούς υπολογισμούς. Το Σχήμα 5.29, εστιάζει στο εύρος ενός κύκλου ενεργοποίησης και μας παρέχει πολύτιμες πληροφορίες. Σχήμα 5.29 Γραφική παράσταση της αναπτυσσόμενης μηχανικής δύναμης συναρτήσει του χρόνου, για δοκίμιο τύπου Α και ένα μόνο κύκλο ενεργοποίησης. Με τη βοήθεια του παραπάνω σχήματος, μπορούμε να υπολογίσουμε προσεγγιστικά τον απαιτούμενο χρόνο ρευματοδότησης, ώστε να έχουμε πλήρη ανάπτυξη τάσεων στο εσωτερικό του υλικού, αλλά και τον απαιτούμενο χρόνο ελεύθερης ψύξης, σε συνθήκες δωματίου, ώστε να μηδενιστούν οι αναπτυσσόμενες τάσεις. Μια καλή προσέγγιση για το χρόνο θέρμανσης, είναι τα 48 sec, και για το χρονικό διάστημα της ψύξης τα 41 sec. Όπως βλέπουμε, μετά το πέρας των περίπου- 48 sec, δε συμβαίνει περαιτέρω αύξηση της δύναμης, συνεπώς η τιμή της δύναμης που σημειώνεται στο γράφημα, είναι η μέγιστη δυνατή στις δεδομένες συνθήκες. Στην περίπτωση του δοκιμίου τύπου Β, από το αντίστοιχο γράφημα, 171

198 υπολογίζουμε το χρόνο θέρμανσης ίσο με 45 sec περίπου, ενώ ο χρόνος ψύξης παραμένει στα ίδια επίπεδα. Στα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης, όπως ακριβώς έγινε και στην περίπτωση των συρμάτων, ο χρόνος ψύξης διατηρήθηκε σταθερός και ίσος με 60 sec > 41 sec, ενώ το duty cycle (βλ ), μεταβαλλόταν για διάφορες τιμές του χρόνου θέρμανσης, πάντα όμως μεγαλύτερες των 48 sec. Πριν κλείσουμε την ενότητα αυτή, στην οποία εξετάστηκε η δυνατότητα των υβριδικών συνθέτων που κατασκευάσαμε να αναπτύξουν δυνάμεις όταν τα σύρματα εκδηλώσουν το Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος, θα παρουσιάσουμε στο επόμενο σχήμα, ένα χαρακτηριστικό στιγμιότυπο από το περιβάλλον του λογισμικού της θερμικής κάμερας υπερύθρου, κατά τη διάρκεια της ενεργοποίησης ενός δοκιμίου τύπου Α. Σχήμα 5.30 Το παράθυρο του λογισμικού ελέγχου της θερμικής κάμερας, κατά τη διάρκεια ενεργοποίησης ενός δοκιμίου με τέσσερα σύρματα SMA. H θερμοκρασία, ακριβώς επάνω από το σύρμα, είναι 70 ο C. 172

199 Φαίνονται πολύ καθαρά, τα όρια του δοκιμίου, αλλά και τα τέσσερα σύρματα στο εσωτερικό του, πάνω από τα οποία σημειώνονται οι υψηλότερες θερμοκρασίες. Έχοντας μέχρι στιγμής, αποκομίσει πολύτιμες πληροφορίες για τη δυνατότητα ανάπτυξης μηχανικών τάσεων από τα υλικά μας, στην επόμενη παράγραφο, παρουσιάζονται τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης και της χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης των υβριδικών συνθέτων υλικών. 173

200 5.9 Λειτουργική κόπωση και χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης συνθέτων υλικών Οι μετρήσεις στις προηγούμενες παραγράφους, πιστοποίησαν την ικανότητα ανάπτυξης μηχανικών τάσεων από τα σύνθετα υλικά με ενσωματωμένα σύρματα SMA. Οι λόγοι για τους οποίους επιλέξαμε τη διεξαγωγή των πειραμάτων της λειτουργικής κόπωσης και της χαλάρωσης τάσης ενεργοποίησης στα υλικά μας, καθώς και η βασική περιγραφή των δύο αυτών καταστάσεων, έχουν παρουσιαστεί στην παράγραφο 4.8, στην ενότητα που πραγματεύεται το χαρακτηρισμό των συρμάτων NiTi. Στην παρούσα φάση, είναι εύλογα τα ερωτήματα που προκύπτουν σχετικά με την ικανότητα των συρμάτων - ενεργοποιητών, να διατηρούν τα λειτουργικά χαρακτηριστικά τους, όντας ενσωματωμένα σε ένα σύνθετο υλικό και υπό πλήρη κινητικό περιορισμό σε όλο τους το μήκος όχι απλά στα άκρα τους. Οι συγκεκριμένες μετρήσεις στα υβριδικά σύνθετα υλικά, αποσκοπούν κυρίως στη συλλογή πρακτικών πληροφοριών για το εάν και σε ποιό βαθμό, τα ευφυή αυτά συστήματα, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σε πραγματικές εφαρμογές. Η έλλειψη βιβλιογραφικών δεδομένων στο θέμα που μελετάμε, έχει σαν αποτέλεσμα, να μην υπάρχει μέχρι στιγμής σαφής απάντηση στο ερώτημα, εάν ένα σύνθετο υλικό με ενσωματωμένα SMA, θα μπορούσε να ανταποκριθεί σε κάποια εφαρμογή που θα απαιτούσε την αλλαγή θέσης ή σχήματος ενός εξαρτήματος μερικές χιλιάδες φορές ή παραμονή σε φάση ενεργοποίησης για μεγάλο χρονικό διάστημα. Οι περισσότερες υπάρχουσες ή μελλοντικές εφαρμογές τέτοιων συστημάτων, προϋποθέτουν ελεγχόμενη αλλαγή σχήματος. Για να επιτευχθεί αυτό, τα SMA, θα πρέπει να τοποθετηθούν στις κατάλληλες θέσεις μέσα στο υλικό (π.χ. σε κάποια απόσταση από τον άξονα συμμετρίας ενός κυλίνδρου ή το επίπεδο συμμετρίας μιας παραλληλόγραμμης πλάκας), έτσι ώστε οι εσωτερικά αναπτυσσόμενες τάσεις να ευνοήσουν την επιθυμητή αλλαγή. Στη δική μας περίπτωση, που στόχος είναι η μέτρηση των αξονικών τάσεων στο δείγμα, τα σύρματα είναι θεωρητικά πάντα, γιατί στην πράξη υπάρχουν αποκλίσεις - τοποθετημένα στο επίπεδο συμμετρίας των δοκιμίων, έτσι ώστε η ενεργοποίησή τους να μην επιφέρει καμπτικές, αλλά μόνο ορθές τάσεις. 174

201 Τα αποτελέσματα των πειραμάτων της λειτουργικής κόπωσης και της χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης των υβριδικών συνθέτων, θα έχαναν μέρος της ουσίας τους, εάν δεν ήταν δυνατή η αντιπαράθεσή τους με τα αντίστοιχα αποτελέσματα των συρμάτων NiTi. Για το λόγο αυτό, έγινε προσπάθεια, η θερμοκρασία των ενσωματωμένων συρμάτων, αλλά και οι πειραματικές συνθήκες, να διατηρηθούν κοινά και στις δύο περιπτώσεις. Στην επόμενη παράγραφο, περιγράφεται η πειραματική διαδικασία και για τα δύο πειράματα που θα ακολουθήσουν Πειραματική διαδικασία Τα σύνθετα υλικά που εξετάστηκαν, είναι τα δοκίμια τύπου Α και Β με τέσσερα και έξι ενσωματωμένα σύρματα NiTi, αντίστοιχα. Ο τρόπος κατασκευής και τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά τους, έχουν παρουσιαστεί στην παράγραφο 5.4. Και τα δύο πειράματα διεξήχθησαν στο σύστημα Thermis. Τα δοκίμια τοποθετήθηκαν στη σερβοϋδραυλική μηχανή MTS, ακριβώς όπως και στην περίπτωση των μετρήσεων της τάσης ενεργοποίησης των συνθέτων (βλ ) με ταυτόχρονη χρήση της θερμικής κάμερας, του συστήματος μέτρησης και καταγραφής θερμοκρασιών και του συστήματος επιλεκτικής ενεργοποίησης συρμάτων. Σε σχέση με τις πειραματικές μετρήσεις της παραγράφου 5.8, η μοναδική ουσιαστική διαφορά, είναι ότι η θέρμανση και η ψύξη του υλικού συμβαίνουν σε αυστηρά καθορισμένους χρόνους στην περίπτωση της λειτουργικής κόπωσης και ότι η ενεργοποίηση είναι συνεχής, χωρίς να περιλαμβάνει ψύξη στην περίπτωση της χαλάρωσης τάσης. Θα πρέπει να σημειώσουμε στο σημείο αυτό, ότι σε αντίθεση με άλλου τύπου πειράματα, όπως π.χ. τις μηχανικές δοκιμές, η διάρκεια των συγκεκριμένων τεστ, έφθανε ή και ξεπερνούσε σε κάποιες περιπτώσεις τις δώδεκα συνεχείς ημέρες, υπό την προϋπόθεση ότι δεν παρουσιαζόταν κάποιο άλλο πρόβλημα. Για το λόγο αυτό, εξετάστηκαν δύο δοκίμια για κάθε κατηγορία πειράματος, με απόλυτα επαναλήψιμα όμως αποτελέσματα, κάτι που συμβάλλει στην αυξημένη αξιοπιστία των μετρήσεων. 175

202 Η λειτουργική κόπωση, πραγματοποιήθηκε με παροχή της κατάλληλης ηλεκτρικής ισχύος στα εν σειρά συνδεδεμένα σύρματα NiTi, έτσι ώστε η θερμοκρασία της επιφάνειας του δοκιμίου ακριβώς επάνω από τα σύρματα, να φθάνει τους 80 ο C. Σύμφωνα με τα όσα έχουμε πει μέχρι τώρα (βλ ), η θερμοκρασία της επιφάνειας του σύρματος στο εσωτερικό, εκτιμάται ότι θα βρίσκεται λίγο κάτω από τους 100 ο C. Η καταναλισκόμενη ηλεκτρική ισχύς για τα δοκίμια τύπου Α, έφθανε τα 3 Watt και για τα δοκίμια τύπου Β, τα 4.2 Watt. Ο χρόνος της φυσικής ψύξης ανά κύκλο, διατηρήθηκε σταθερός και ίσος με 60 sec, διάστημα αρκετό, ώστε να συμβεί μηδενισμός των αναπτυσσόμενων τάσεων (βλ. Σχ. 5.29). Ο συντελεστής φόρτου k (duty cycle), είχε για κάθε πείραμα κόπωσης, τις ίδιες τιμές με τις αντίστοιχες των πειραμάτων στα σύρματα NiTi, δηλαδή, 0.44, 0.50, 0.53 και Με δεδομένο το σταθερό χρόνο ψύξης, οι αντίστοιχοι χρόνοι θέρμανσης, ήταν 48, 60, 68 και 80 sec. Τα πειράματα της χαλάρωσης τάσης ενεργοποίησης, πραγματοποιήθηκαν για θερμοκρασία επιφάνειας δοκιμίου 80 ο C και 100 ο C. Ο λόγος που δεν πραγματοποιήθηκαν πειράματα σε μεγαλύτερες θερμοκρασίες, ήταν ότι η θερμοκρασία επιφάνειας του σύρματος στο εσωτερικό του συνθέτου, πλησίαζε επικίνδυνα το σημείο υαλώδους μετάπτωσης της μήτρας, με αποτέλεσμα τη γρήγορη υποβάθμιση του διεπιφανειακού δεσμού. Η καταναλισκόμενη ηλεκτρική ισχύς για τα δοκίμια τύπου Α, ήταν 3 Watt (80 o C) και 3.7 Watt (100 o C), ενώ για τα δοκίμια τύπου Β, ήταν 4.2 Watt (80 o C) και 5.1 Watt (100 ο C). Η διάρκεια του κάθε πειράματος, ήταν περίπου 230 ώρες. Για όλες ανεξαιρέτως τις δοκιμές, η θερμοκρασία περιβάλλοντος διατηρήθηκε σταθερή και ίση με 25 ο C. Τα πειραματικά αποτελέσματα και οι σχετικές αναλύσεις, περιγράφονται στην παράγραφο που ακολουθεί. Αρχικά, παρουσιάζονται οι μετρήσεις της λειτουργικής κόπωσης σε σταθερή θερμοκρασία για διάφορες τιμές του k και γίνεται σύγκριση των αποτελεσμάτων με τα αντίστοιχα των συρμάτων NiTi. Στη συνέχεια, περιγράφονται τα αποτελέσματα της χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης και ακολουθεί επίσης σύγκριση, με τα αντίστοιχα αποτελέσματα στα σύρματα, για την ίδια θερμοκρασία λειτουργίας. 176

203 5.9.2 Αποτελέσματα πειραμάτων Όπως έχει ήδη αναφερθεί, τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης, περιελάμβαναν δοκιμές στα σύνθετα τύπου Α και Β για τέσσερις διαφορετικές τιμές του συντελεστή φόρτου, k. Στο επόμενο σχήμα, δίνονται τα πειραματικά αποτελέσματα για τον τύπο Α, με έξι ενσωματωμένα σύρματα NiTi. Στο δεξιό κατακόρυφο άξονα, αντιστοιχούν οι τιμές της μέγιστης αναπτυσσόμενης μηχανικής τάσης και στον αριστερό, αντιστοιχούν οι τιμές της δύναμης, σαν συνάρτηση του αριθμού των κρυσταλλογραφικών μετασχηματισμών, για θερμοκρασία επιφάνειας δοκιμίου ίση με 80 o C. Σχήμα 5.31 Λειτουργική κόπωση υβριδικού συνθέτου υλικού τύπου Α, για k=0.5, 0.53, 0.57 και 0.44, με θερμοκρασία επιφάνειας 80 ο C. Δίνεται η μέγιστη αναπτυσσόμενη δύναμη (σε N) ή τάση (σε ΜPa), συναρτήσει του αριθμού των κύκλων μετασχηματισμού. 177

204 Το ίδιο ακριβώς πείραμα, επαναλήφθηκε και για τα σύνθετα δοκίμια τύπου Β, τα οποία περιείχαν 6 σύρματα NiTi. Το αντίστοιχο διάγραμμα με τα πειραματικά αποτελέσματα της μέγιστης αναπτυσσόμενης δύναμης και τάσης, συναρτήσει των κύκλων θερμικής φόρτισης, φαίνεται πιο κάτω. Σχήμα 5.32 Λειτουργική κόπωση υβριδικού συνθέτου υλικού τύπου Β, για k=0.5, 0.53, 0.57 και 0.44, με θερμοκρασία επιφάνειας 80 ο C. Στο διάγραμμα, αποτυπώνεται η μέγιστη αναπτυσσόμενη δύναμη (ή τάση, ανάγοντας τη δύναμη στη διατομή των δοκιμίων) σαν συνάρτηση του αριθμού των κύκλων μετασχηματισμού. Όπως φαίνεται από τα διαγράμματα, η αρχική μέγιστη αναπτυσσόμενη δύναμη, είναι σε απόλυτη συμφωνία με τις αντίστοιχες μετρήσεις της παραγράφου 5.8. Πιο συγκεκριμένα, για τον τύπο Α, η αρχική μέγιστη αναπτυσσόμενη δύναμη κατά τη διάρκεια του πρώτου κύκλου, για k=0.44, 0.50, 0.53 και 0.57, ήταν αντίστοιχα 41.25, 41.00, και Ν. Σε όρους μηχανικής τάσης, οι τιμές αυτές μεταφράζονται σε 3.79, 3.76, 3.69 και 3.82 MPa. Όσον αφορά στον τύπο Β, για 178

205 κάθε τιμή του k, η αντίστοιχη δύναμη που ασκούσε το δοκίμιο στην αρχή του πειράματος ήταν 61.34, 61.35, και Ν, με τις μηχανικές τάσεις να ανέρχονται σε 5.63, 5.63, 5.69 και 5.59 MPa. Κατά μέσο όρο, η αρχική δύναμη για τα δοκίμια τύπου Α, ήταν περίπου 41 Ν, ενώ για τον τύπο Β, ήταν γύρω στα 61.4 Ν, παρουσίασε δηλαδή αύξηση της τάξης του 50%. Το ποσοστό αύξησης της δύναμης, ταυτίζεται με τη διαφορά του ογκομετρικού κλάσματος των συρμάτων, που είναι επίσης 50% μεταξύ των δυο τύπων (2.58% για το είδος Α και 3.87% για το είδος Β). Η επαλήθευση του απλού συλλογισμού, ότι περισσότερα σύρματα τοποθετημένα παράλληλα μεταξύ τους, θα επιφέρουν αύξηση στην αναπτυσσόμενη ορθή τάση, ανάλογη του αριθμού τους, ενισχύει την ποιότητα και την ακρίβεια των μετρήσεων της λειτουργικής κόπωσης που μόλις παρουσιάστηκαν. Η ποιοτική εκτίμηση των αποτελεσμάτων, όπως και στην περίπτωση των συρμάτων, μπορεί να πραγματοποιηθεί ευκολότερα, κανονικοποιώντας τον κατακόρυφο άξονα, με βάση τη μέγιστη δύναμη ή τάση, για κάθε καμπύλη. Σχήμα 5.33 Πειραματικά αποτελέσματα λειτουργικής κόπωσης συνθέτου τύπου Α, με κανονικοποιημένες τιμές μηχανικής τάσης 179

206 Στο Σχήμα 5.33, φαίνονται τα πειραματικά αποτελέσματα των δοκιμών λειτουργικής κόπωσης για το δοκίμιο τύπου Α, έχοντας κανονικοποιήσει την αναπτυσσόμενη τάση, έτσι ώστε να αμβλυνθούν οι διακυμάνσεις μεταξύ των καμπυλών, λόγω των μικροδιαφορών στην αρχική αξονική δύναμη κατά τον πρώτο κύκλο ενεργοποίησης. Το επόμενο σχήμα, περιέχει τα αντίστοιχα αποτελέσματα για τα δοκίμια τύπου Β. Σχήμα 5.34 Πειραματικά αποτελέσματα λειτουργικής κόπωσης συνθέτου τύπου Β. Αποτυπώνεται η κανονικοποιημένη αναπτυσσόμενη τάση σαν συνάρτηση των κύκλων ενεργοποίησης. Στα πιο πάνω σχήματα, εκτός από τα πειραματικά σημεία, φαίνονται και οι προσαρμοσμένες καμπύλες (fitting curves) για κάθε περίπτωση. Η εξίσωση που επιλέχθηκε είναι της ίδιας μορφής με την αντίστοιχη της λειτουργικής κόπωσης των συρμάτων NiTi, εφόσον φαίνεται ότι η υποβάθμιση της ικανότητας ανάπτυξης 180

207 μηχανικών τάσεων παρουσιάζει παρόμοια ποιοτική συμπεριφορά. Η προσαρμοσμένες καμπύλες ακολουθούν τη σχέση: Σχέση 5.11 Για τα πειραματικά σημεία που αφορούν στο δοκίμιο τύπου Α, οι παράμετροι έχουν τις εξής τιμές: a=0.159, b= και y 0 = Οι αντίστοιχες τιμές για το δοκίμιο τύπου Β είναι a=0.285, b= και y 0 = Όπως φαίνεται από τα σχήματα, η προσαρμογή των καμπυλών υλοποιείται με τρόπο αρκετά αποτελεσματικό και τα πειραματικά δεδομένα προσομοιάζονται ικανοποιητικά. Σύμφωνα με τα πιο πάνω αποτελέσματα, η λειτουργική κόπωση των υβριδικών συνθέτων υλικών, δεν εξαρτάται από το duty cycle, k. Στο συμπέρασμα αυτό, καταλήγουμε παρατηρώντας τα πειραματικά σημεία, όπου δεν υπάρχει σαφής διαχωρισμός μεταξύ των πειραμάτων διαφορετικού συντελεστή φόρτου k, ανεξάρτητα από το εάν πρόκειται για το είδος συνθέτου Α ή Β. Για παράδειγμα, στα δοκίμια με τέσσερα ενσωματωμένα SMA (βλ. Σχ και Σχ. 5.31), τα σημεία με k=0.57 φαίνεται να διέρχονται πάνω από τα υπόλοιπα σημεία του διαγράμματος, ενώ τα σημεία με k=0.50, στο μεγαλύτερο τμήμα του πειράματος, βρίσκονται πάνω από αυτά που αντιστοιχούν στην τιμή Εξετάζοντας τα αποτελέσματα που αφορούν στο δοκίμιο με έξι ενσωματωμένα σύρματα (βλ. Σχ και Σχ. 5.34), βλέπουμε ότι μετά από ένα ορισμένο αριθμό κύκλων ενεργοποίησης, τα σημεία για k=0.57, διέρχονται χαμηλότερα από τα υπόλοιπα, ενώ δε μπορεί να γίνει κανένας διαχωρισμός μεταξύ των υπόλοιπων πειραματικών δεδομένων. Ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των πρώτων εκατοντάδων κύκλων, δεν υπάρχει απολύτως καμία διαφοροποίηση μεταξύ των δεδομένων διαφορετικού συντελεστή k, για κανένα από τα δύο είδη δοκιμίων. Από τη στιγμή που έχουμε διατηρήσει το χρόνο ψύξης ανά κύκλο φόρτισης σταθερό (60 sec), το duty cycle εξαρτάται μόνο από τη διάρκεια της ενεργοποίησης. Φαίνεται λοιπόν, ότι ο χρόνος θέρμανσης (δηλ. ρευματοδότησης) δεν επηρεάζει με εμφανή τρόπο τη λειτουργική κόπωση των συνθέτων υλικών. Στο ίδιο ακριβώς συμπέρασμα είχαμε καταλήξει, μελετώντας τα πειραματικά αποτελέσματα των συρμάτων NiTi. Αναμφισβήτητα, η κρίσιμη παράμετρος που οδηγεί στην υποβάθμιση της ικανότητας των συνθέτων υλικών να ασκούν μηχανικές τάσεις, είναι το πλήθος των 181

208 κρυσταλλογραφικών εναλλαγών μεταξύ της μαρτενσιτικής και της οστενιτικής φάσης. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα που δείξαμε και βασιζόμενοι τόσο στα πειραματικά σημεία, όσο και στις καμπύλες προσαρμογής, το σύνθετο τύπου Α, έχει χάσει το 50% της αρχικής του ικανότητας έπειτα από κύκλους ενεργοποίησης, ενώ μετά από περίπου κύκλους, σταθεροποιείται στο ελάχιστο επίπεδο του 10% αυτής. Όσον αφορά στον τύπο Β, φθάνει στο 50% της αρχικής του τάσης, ύστερα από περίπου κρυσταλλογραφικές εναλλαγές, ενώ η σταθεροποίηση επέρχεται μετά από σχεδόν κύκλους στο 15% της αρχικής τάσης. Να υπενθυμίσουμε στο σημείο αυτό, ότι η ημίσεια ζωή των συρμάτων NiTi (βλ ), εντοπίζεται στους κύκλους και το πέρας της ικανότητάς τους να ασκούν μηχανική τάση, αγγίζει τους κύκλους. Στο σχήμα που ακολουθεί, φαίνεται σε κοινό διάγραμμα, η κανονικοποιημένη μέγιστη αναπτυσσόμενη μηχανική τάση για το πείραμα της λειτουργικής κόπωσης, τόσο για τα σύνθετα δοκίμια, όσο και για το σύρμα. Σχήμα 5.35 Κοινό διάγραμμα της συμπεριφοράς σε λειτουργική κόπωση των υβριδικών συνθέτων υλικών και των συρμάτων SMA, με βάση τις προσαρμοσμένες καμπύλες. 182

209 Με δεδομένο ότι τα αποτελέσματα του προηγούμενου διαγράμματος έχουν κοινό παρονομαστή την ίδια περίπου θερμοκρασία σύρματος, μπορούμε να πραγματοποιήσουμε ποιοτική σύγκριση μεταξύ των καμπυλών. Είναι εμφανές, ότι το πλήθος των κρυσταλλογραφικών εναλλαγών επηρεάζει σε σημαντικά μεγαλύτερο βαθμό το σύνθετο υλικό και λιγότερο το σύρμα SMA. Ο ρυθμός υποβάθμισης της τάσης ενεργοποίησης του υβριδικού δοκιμίου, είναι μεγαλύτερος, με αποτέλεσμα τη μικρότερη ωφέλιμη ζωή του υλικού. Η συμπεριφορά αυτή, δεν θα πρέπει να αποδοθεί σε κάποιο διαφορετικό μηχανισμό κόπωσης, από αυτόν που περιγράφηκε διεξοδικά στο 4 ο κεφάλαιο, αλλά παράλληλα επιβεβαιώνει την επιπλέον συνεισφορά του κινηματικού περιορισμού που επιβάλλει η παρουσία της μήτρας γύρω από το κράμα και παρεμποδίζει την κίνηση των περιοχών επάνω και πολύ κοντά στην επιφάνεια του δείγματος. Φαίνεται επίσης, από τις δύο καμπύλες που αφορούν στα δείγματα Α και Β, ότι υπάρχει η τάση να διαχωριστεί η απόκριση σε λειτουργική κόπωση, μεταξύ των δύο τύπων συνθέτου. Πιο συγκεκριμένα, το υβριδικό σύνθετο που περιέχει περισσότερα σύρματα, παρουσιάζει ελαφρώς αυξημένη αντοχή στις επαναλαμβανόμενες αλλαγές φάσης σε ολόκληρο το εύρος των τιμών. Υπάρχει η ένδειξη, ότι όσο το ογκομετρικό κλάσμα των ενεργοποιητών, μέσα στη μήτρα μεγαλώνει, τόσο η συμπεριφορά του συνθέτου θα προσεγγίζει αυτή του σύρματος. Το παραπάνω, μπορεί να επιβεβαιωθεί πειραματικά μόνο με διαδοχικές μετρήσεις σε σειρά δοκιμίων με αυξανόμενες συγκεντρώσεις συρμάτων NiTi και θα μπορούσε να αποτελέσει μελλοντική εργασία. Στη συνέχεια, θα παρατεθούν τα αποτελέσματα που αφορούν στα πειράματα της χαλάρωσης τάσης ενεργοποίησης στα υβριδικά σύνθετα δοκίμια. Στα επόμενα σχήματα, φαίνεται η υποβάθμιση της αναπτυσσόμενης μηχανικής τάσης (ή δύναμης) σαν συνάρτηση του χρόνου, έπειτα από συνεχή ενεργοποίηση, για τα σύνθετα τύπου Α και Β και για θερμοκρασίες επιφάνειας 80 ο C και 100 ο C. H συνολική διάρκεια του πειράματος, ήταν ίση με τη διάρκεια της αντίστοιχης δοκιμής, που πραγματοποιήθηκε στα σύρματα NiTi. 183

210 Σχήμα 5.36 Τα πειραματικά δεδομένα της χαλάρωσης της τάσης ενεργοποίησης για δοκίμιο τύπου Α και για θερμοκρασίες επιφάνειας 80 ο C και 100 ο C. Σχήμα 5.37 Χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης για δοκίμιο τύπου Β και για θερμοκρασίες επιφάνειας 80 ο C και 100 ο C. 184

211 Η συμβολή της θερμοκρασίας στην υποβάθμιση της ικανότητας διατήρησης της μηχανικής τάσης, είναι εμφανής, όπως ακριβώς και στην περίπτωση των συρμάτων. Για το δοκίμιο τύπου Α, η αρχική αναπτυσσόμενη δύναμη ήταν Ν ( για τη θερμοκρασία των 80 ο C και 41.2 Ν στους 100 ο C. Για το δοκίμιο τύπου Β, οι αντίστοιχες τιμές ήταν Ν και 61.9 Ν. Κατά αναλογία με τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης, για να γίνει δυνατή η καλύτερη παρατήρηση των πειραματικών μας δεδομένων, κανονικοποιήσαμε τον κατακόρυφο άξονα με βάση τη μέγιστη αρχική μηχανική τάση και σχεδιάσαμε τις προσαρμοσμένες καμπύλες σε κάθε περίπτωση. Η μαθηματική σχέση που χρησιμοποιήσαμε για το λόγο αυτό, φαίνεται πιο κάτω και για τους ίδιους λόγους που ίσχυσαν στη λειτουργική κόπωση, είναι της ίδιας μορφής με τη σχέση που εφαρμόσαμε στη χαλάρωση τάσης των συρμάτων NiTi. Σχέση 5.12 Οι τιμές των παραμέτρων a και b, είχαν ως εξής για κάθε περίπτωση: Για τα δοκίμια τύπου Α είχαμε a=1.028, b=0.038 στους 80 ο C και a=1.040, b=0.060 στους 100 ο C. Για τον τύπο Β, είχαμε a=1.007, b=0.042 στους 80 ο C και a=1.010, b=0.068 στους 100 ο C. Όπως φαίνεται από τα διαγράμματα, η συνεχής ενεργοποίηση επιφέρει σαφή μείωση του μεγέθους της αναπτυσσόμενης τάσης με το χρόνο, με το ρυθμό μείωσης να εξαρτάται από τη θερμοκρασία λειτουργίας. Κατά συνέπεια, όταν τα υλικά λειτουργούν σε θερμοκρασίες υψηλότερες από τις φυσιολογικές, δηλαδή αρκετά πιο πάνω από τη θερμοκρασία Α f, διατηρούν για λιγότερο χρόνο τα αρχικά επίπεδα δύναμης. Στα ίδια ακριβώς συμπεράσματα είχαμε καταλήξει και στην περίπτωση των συρμάτων SMA στο 4 ο κεφάλαιο. Όσον αφορά όμως στα σύνθετα, η υποβάθμιση συμβαίνει αρκετά πιο γρήγορα. Είναι ενδεικτικό, ότι κατά τις 24 πρώτες ώρες λειτουργίας, το σύνθετο στη θερμοκρασία των 80 ο C, έχει χάσει το 18% περίπου της αρχικής του ικανότητας να ασκεί μηχανική τάση. Για τα σύρματα, το αντίστοιχο ποσοστό ήταν 12% στη θερμοκρασία των 100 ο C. Η διαφορά αυτή αυξάνεται, όσο αυξάνεται και ο χρόνος της συνεχούς ενεργοποίησης. 185

212 Σχήμα 5.38 Χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης για δοκίμιο τύπου Α, με κανονικοποιημένες τιμές της αναπτυσσόμενης τάσης. Στο σχήμα φαίνονται και οι αντίστοιχες καμπύλες προσαρμογής. Σχήμα 5.39 Οι αντίστοιχες καμπύλες του Σχ για δοκίμια τύπου Β 186

213 Στο σχήμα που ακολουθεί, φαίνονται με βάση τις καμπύλες προσαρμογής, συγκεντρωμένα τα πειραματικά αποτελέσματα για τα σύνθετα, καθώς επίσης και η καμπύλη από τη χαλάρωση τάσης σύρματος στους 100 ο C. H καμπύλη αυτή, μπορεί να συγκριθεί με την αντίστοιχη των συνθέτων στους 80 ο C, εφόσον επαναλαμβάνουμε, υπάρχει η εκτίμηση ότι η θερμοκρασία επιφάνειας του σύρματος μέσα στο σύνθετο, είναι επίσης 100 ο C. Θα πρέπει να σημειώσουμε, ότι μέχρι τις 50 περίπου ώρες συνεχούς λειτουργίας, δεν υπάρχει καμία διαφοροποίηση μεταξύ της συμπεριφοράς των συνθέτων υλικών, αλλά από το σημείο αυτό και έπειτα, το δοκίμιο τύπου Α, φαίνεται να διατηρεί ελαφρώς υψηλότερη τάση σε σχέση με το Β. Σχήμα 5.40 Χαλάρωση τάσης για τα σύνθετα δοκίμια σε θερμοκρασίες 80 ο C και 100 ο C, σε σύγκριση με τη χαλάρωση τάσης σύρματος NiTi στους 100 ο C. 187

214

215 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΕΚΤΙΜΗΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ - ΣΥΖΗΤΗΣΗ 6.1 Περιληπτική ανασκόπηση Ο στόχος της εργασίας αυτής, ήταν η μελέτη ενός υβριδικού ευφυούς συστήματος, με τη μορφή συνθέτου υλικού, στο οποίο οι λειτουργίες της αίσθησης και της ενεργοποίησης θα επιτελούνταν από σύρματα μνήμης σχήματος. Το σύνθετο υλικό που κατασκευάσαμε για τις ανάγκες αυτής της μελέτης, αποτελείτο από εποξειδική ρητίνη στο ρόλο της μητρικής φάσης, ενισχυμένη από προσανατολισμένες (0 ο ) και συνεχείς ίνες Kevlar 29, με ενσωματωμένα στην ίδια διεύθυνση, σύρματα μνήμης σχήματος Νικελίου-Τιτανίου, διαμέτρου 300μm. Θεωρήθηκε μείζονος σημασίας, της κατασκευής των συνθέτων υλικών, να προηγηθεί ο όσο το δυνατόν πιο πλήρης θερμομηχανικός χαρακτηρισμός του κράματος NiTi σε μορφή σύρματος. Το υλικό αυτό, αποτελεί τόσο το αισθητήριο όργανο του συστήματος, αποκρινόμενο στην αλλαγή της θερμοκρασίας μεταβάλλοντας την κρυσταλλογραφική του κατάσταση, όσο και τον ενεργοποιητή του, αφού είναι υπεύθυνο για την ανάπτυξη εντατικής κατάστασης στο σύνθετο με σκοπό την αλλαγή σχήματος, τη μεταβολή των μηχανικών του ιδιοτήτων, την αλλαγή της συχνότητας ιδιοταλάντωσης κ.α. Αυτή ακριβώς η ανάγκη για το χαρακτηρισμό, τόσο των Κραμάτων Μνήμης Σχήματος, όσο και των υβριδικών συνθέτων υλικών, οδήγησε στην ανάπτυξη της ολοκληρωμένης πειραματικής 188

216 διάταξης, που περιγράφηκε διεξοδικά στην παράγραφο 4.2 και την οποία ονομάσαμε σύστημα Thermis. Εκτός από τα κλασικά μηχανικά πειράματα, μέσω των οποίων εκτιμώνται οι μηχανικές ιδιότητες των υλικών μας και κατά κανόνα αποτελούν το πρώτο βήμα του χαρακτηρισμού σε οποιαδήποτε περίπτωση, οι πειραματικές τεχνικές που υιοθετήθηκαν, είχαν ως στόχο να πραγματοποιήσουμε ένα μικρό βήμα, πιο πέρα από τη μακροσκοπική θεώρηση του συστήματός μας, εφόσον όπως έχουμε δει, το Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος, οφείλει την ύπαρξή του σε ένα, κατεξοχήν, θερμικά ενεργοποιούμενο κρυσταλλογραφικό μετασχηματισμό. Έτσι λοιπόν, οι τεχνικές της Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC), της Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης (DMA) και της Ηλεκτρονιακής Μικροσκοπίας Σάρωσης (SEM), χρησιμοποιήθηκαν με στόχο τον καλύτερο δυνατό προσδιορισμό των ιδιοτήτων των υλικών που μελετήσαμε. Το μεγαλύτερο και σημαντικότερο όμως τμήμα της εργασίας, καταλαμβάνουν δύο είδη πειραματικών μετρήσεων, που διεξήχθησαν στα σύρματα NiTi, αλλά και στα υβριδικά σύνθετα υλικά: το πείραμα της λειτουργικής κόπωσης (transformation fatigue) και το πείραμα της χαλάρωσης τάσης (activation stress relaxation) εν μέσω συνεχούς ενεργοποίησης. Αποσκοπώντας στην παροχή πρακτικών πληροφοριών, απαραίτητων κατά τη φάση του σχεδιασμού και της υλοποίησης ενός ευφυούς συστήματος, η επιλογή των δοκιμών αυτών, δεν ήταν προϊόν τύχης. Το κατά πόσο ένα σύρμα μνήμης σχήματος NiTi, μπορεί να ανταποκριθεί επαρκώς σε εφαρμογές που απαιτούν χιλιάδες, ενδεχομένως, κυκλικές ενεργοποιήσεις, είναι ένα ερώτημα που δε βρίσκει σαφή απάντηση από τη μέχρι στιγμής έρευνα στον τομέα αυτό. Στον τομέα των συνθέτων υλικών με ενσωματωμένους ενεργοποιητές ιδιαίτερα, υπάρχει παντελής έλλειψη πειραματικών δεδομένων. Όσον αφορά στο φαινόμενο της υποβάθμισης της μηχανικής τάσης κατά τη συνεχή ενεργοποίηση των συρμάτων και των συνθέτων, που είναι μια κατάσταση στην οποία τέτοιου είδους υλικά, σε μελλοντικές εφαρμογές, πιθανότατα θα πρέπει να ανταποκριθούν, τα πειράματα του stress relaxation, φιλοδοξούν να καλύψουν το κενό πληροφορίας που υπάρχει μέχρι στιγμής. 189

217 Μια πολύ σημαντική παράμετρος της παρούσας δουλειάς, είναι το γεγονός ότι μέσω των πειραμάτων, τις εκτίμησης των αποτελεσμάτων και της εν γένει τριβής με τον τομέα των ευφυών συνθέτων υλικών με ενσωματωμένα Κράματα Μνήμης Σχήματος, σίγουρα προέκυψαν ερωτήματα που αναζητούν απαντήσεις, αλλά και ακόμα περισσότερες ιδέες, που αφήνουν ευρύ πεδίο μελλοντικής πειραματικής εργασίας. Συνοψίζοντας, εάν από το σύνολο της εργασίας, έπρεπε να υπογραμμίσουμε λίγους μόνο τομείς, στους οποίους θεωρούμε ότι πραγματικά προσφέρθηκε το έναυσμα για νέα γνώση ή νέες δυνατότητες πειραματικής διερεύνησης, θα ξεχωρίζαμε τα εξής: την ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος χαρακτηρισμού ευφυών υλικών και την προσπάθεια καταγραφής και κατανόησης της συμπεριφοράς των υλικών αυτών σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας, που περιλαμβάνουν τη θερμομηχανική λειτουργική κόπωση και την υποβάθμιση της ικανότητας ανάπτυξης μηχανικών δυνάμεων, υπό συνεχή ενεργοποίηση σε διαφορετικά θερμοκρασιακά επίπεδα. 6.2 Το σύστημα θερμομηχανικού χαρακτηρισμού Thermis Από τις αρχές της δεκαετίας του 1960, που παρατηρήθηκαν για πρώτη φορά οι ιδιότητες μνήμης σχήματος του κράματος NiTi, οι προσπάθειες χαρακτηρισμού και μελέτης του διφασικού αυτού συστήματος είναι συνεχείς, από διάφορες ερευνητικές ομάδες ανά τον κόσμο. Η δική μας συνεισφορά στον πειραματικό αυτό τομέα, έγκειται στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη μιας ολοκληρωμένης διάταξης, με ικανότητα ταυτόχρονης καταγραφής πολλαπλών παραμέτρων σε πραγματικό χρόνο, με εφαρμογή όχι μόνο στα Κράματα Μνήμης Σχήματος, αλλά και σε υβριδικά σύνθετα υλικά. Εάν υπάρχει κάτι πρωτοπόρο στη λειτουργία του συστήματος Thermis, αυτό σίγουρα δεν είναι οι επιμέρους πειραματικές διατάξεις που το αποτελούν (βλ. 4.2), αλλά ο τρόπος της συνδυασμένης λειτουργίας αυτών. Μεταξύ άλλων, θα πρέπει να ξεχωρίσουμε τη χρησιμοποίηση του σύγχρονου σερβοϋδραυλικού πλαισίου δοκιμών της MTS, σε ρόλο παθητικό, που έρχεται σε αντίθεση με τη συνήθη χρήση του ως εξαιρετικού εργαλείου μηχανικών 190

218 δοκιμών. Εκμεταλλευόμενοι τις αυξημένες δυνατότητες που προσφέρει για την καταγραφή μεγεθών (δυνάμεων, μετατοπίσεων, εξωτερικών ψηφιακών σημάτων κ.α.) με μεγάλη ακρίβεια, χρησιμοποιήσαμε, μέσω του κατάλληλου λογισμικού, τη διάταξη αυτή ως αισθητήρα των μηχανικών τάσεων για τα δοκίμιά μας, αλλά και ως μέσο για τον κινηματικό περιορισμό τους, έτσι ώστε να καταστεί εφικτή και μετρήσιμη η ανάπτυξη αυτών των δυνάμεων. Εκτός των αξονικών δυνάμεων, με τη χρήση ιδιοσκευής (βλ. Σχ.4.2), είναι επίσης δυνατή, η μέτρηση της ροπής επαναφοράς στρεπτικά παραμορφωμένων ράβδων SMA ή αντίστοιχων υβριδικών συνθέτων υλικών. Η ενσωμάτωση σε παράλληλη λειτουργία στο σύστημα, της θερμικής κάμερας υπερύθρου, παράγει πληροφορία, που στον τομέα της ενεργοποίησης συνθέτων υλικών με ενσωματωμένα σύρματα SMA, μέχρι στιγμής δεν είχε καταγραφεί πειραματικά. Ταυτόχρονα με τη διεξαγωγή των πειραμάτων, μπορέσαμε να καταγράψουμε τη θερμοκρασιακή κατανομή στην επιφάνεια των υλικών (κυρίως στα σύνθετα), αλλά και να χρησιμοποιήσουμε τις μετρήσεις αυτές, σε συνδυασμό με τις ενδείξεις των θερμοζευγών, έτσι ώστε να ελεγχθεί με ακρίβεια η καταναλισκόμενη ηλεκτρική ισχύς και κατά συνέπεια η θερμοκρασία των συρμάτων. Τα καταγεγραμμένα θερμοκρασιακά δεδομένα της εξωτερικής επιφάνειας των ενεργοποιημένων συνθέτων, αποτελούν πολύτιμη πηγή πληροφοριών, όχι μόνο για την κατανομή της θερμοκρασίας στο εσωτερικό τους, αλλά και για τη συσχέτιση της θερμοκρασίας με την κατανομή των εσωτερικών μηχανικών τάσεων. Σύμφωνα με πειραματικά δεδομένα που έχουμε ήδη δημοσιεύσει, η μορφή της κατανομής των μηχανικών τάσεων στην εξωτερική επιφάνεια του συνθέτου, ακολουθεί την αντίστοιχη της θερμοκρασίας [83]. Εξαιρετικές δυνατότητες θέρμανσης υλικών SMA μέσω φαινομένου Joule, παρέχει στο σύστημα Thermis, η συσκευή επιλεκτικής ενεργοποίησης, που κατασκευάστηκε ειδικά για της ανάγκες αυτής της εργασίας. Το σημαντικότερο πλεονέκτημά της, εντοπίζεται στη δυνατότητα ταυτόχρονης ρευματοδότησης έως και είκοσι (20) ανεξάρτητων αγωγών (στην περίπτωσή μας, αγωγός = σύρμα NiTi) με χρήση ενός μόνο εξωτερικού τροφοδοτικού. Κάθε ένα από τα είκοσι διαφορετικά κανάλια, είναι πλήρως προγραμματιζόμενο ως προς τα χαρακτηριστικά του ρεύματος που παρέχει. Στα πειράματα που διεξήχθησαν, ελάχιστο μέρος των 191

219 δυνατοτήτων της συσκευής χρησιμοποιήθηκε, αφού όλα τα σύρματα SMA στο εσωτερικό των δοκιμίων ήσαν συνδεδεμένα εν σειρά, σαν να επρόκειτο για έναν μόνο αγωγό. Ο σχεδιασμός της διάταξης πραγματοποιήθηκε με το βλέμμα στο μέλλον, έτσι ώστε να μπορέσει να ανταποκριθεί στις ανάγκες για πολύπλοκες αλλαγές σχήματος υβριδικών συνθέτων, με ενσωματωμένα σύρματα σε διάφορα επίπεδα και με ποικιλία προσανατολισμών. Το σύστημα θερμομηχανικού χαρακτηρισμού Thermis, αποτέλεσε ένα σημαντικότατο εργαλείο για την ολοκλήρωση της παρούσας διατριβής και δίχως αμφιβολία, διαθέτει τις δυνατότητες να υποστηρίξει μεγάλο μέρος της μελλοντικής πειραματικής εργασίας στον τομέα των ευφυών υλικών. 6.3 Λειτουργική κόπωση συρμάτων NiTi και συνθέτων υλικών Τα αποτελέσματα των συγκεκριμένων πειραμάτων, μαζί με τα συνοδευτικά διαγράμματα, έχουν παρουσιαστεί ήδη στα κεφάλαια 4 και 5. Στο σημείο αυτό, θα πραγματοποιήσουμε μια πολύ σύντομη ανασκόπηση, που θα μας βοηθήσει στην εκτίμηση των μετρήσεων που λάβαμε. Η μέγιστη αρχική αναπτυσσόμενη τάση για τα σύρματα NiTi που χρησιμοποιήσαμε, ήταν σταθερή και ίση με 500 MPa περίπου, για όλα τα δοκίμια που εξετάσαμε, με τη θερμοκρασία λειτουργίας τους να αγγίζει τους 100 ο C. Τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης, έδειξαν ότι η αρχική αυτή τάση, μειώνεται εκθετικά, συναρτήσει των κύκλων ενεργοποίησης και μάλιστα η υποβάθμισή της, είναι ανεξάρτητη του συντελεστή φόρτου, k. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα, η κοπωτική συμπεριφορά του σύρματος, δεν εξαρτάται από τη διάρκεια του χρόνου θέρμανσης ανά κύκλο, αλλά από τον αριθμό των κρυσταλλογραφικών μετασχηματισμών μεταξύ οστενιτικής - μαρτενσιτικής φάσης και αντίστροφα. Ο ρυθμός υποβάθμισης της ικανότητας του κράματος να ασκεί μηχανική τάση, είναι πολύ έντονος κατά τη διάρκεια των πρώτων εκατοντάδων κύκλων και μειώνεται όσο το φαινόμενο εξελίσσεται. Τα σύρματα NiTi, έχουν απολέσει το 50% της αρχικής τους ικανότητας, έπειτα από κύκλους, ενώ διατηρούν μια ελάχιστη τάση 192

220 ακόμα και μετά από αλλαγές φάσης, έστω και εάν αυτό δεν παρουσιάζει κανένα πρακτικό ενδιαφέρον. Όσον αφορά στα αντίστοιχα αποτελέσματα των υβριδικών συνθέτων, η αρχική μέγιστη δύναμη για τα δοκίμια τύπου Α ήταν περίπου 41 Ν ( 3.8 MPa), ενώ για τα δοκίμια τύπου Β, έφθανε τα 61.5 Ν ( 5.7 MPa) περίπου. Η διαφορά της αρχικής μέγιστης τάσης μεταξύ των δοκιμίων Α και Β, σχεδόν ταυτίζεται με τη διαφορά του ογκομετρικού κλάσματος των συρμάτων για κάθε περίπτωση, που είναι 50%. Όπως και στην περίπτωση των συρμάτων SMA, η υποβάθμιση της λειτουργικής ικανότητας των υβριδικών συνθέτων, φαίνεται ότι δεν εξαρτάται από το χρόνο της θέρμανσης ανά κύκλο, αλλά μόνο από το πλήθος των κρυσταλλογραφικών εναλλαγών. Καταλήγουμε στο συμπέρασμα αυτό, αφού παρά το γεγονός ότι τα πειραματικά σημεία για τις διαφορετικές τιμές του duty cycle, παρουσιάζουν ελαφρώς αυξημένη διασπορά σε σχέση με τα αντίστοιχα των συρμάτων, δεν υπάρχει σαφής διαχωρισμός τους σε καμία περίπτωση. Τα σύνθετα υλικά, φθάνουν στο 50% της αρχικής τους τάσης, έπειτα από περίπου μετασχηματισμούς, ενώ μετά από το επίπεδο των κύκλων, σταθεροποιούν τη λειτουργία τους γύρω από μια ελάχιστη τιμή. Σύμφωνα με τα πειραματικά δεδομένα, αυτό το ελάχιστο όριο διαφέρει για τους δύο τύπους συνθέτων και ισούται με 5 Ν περίπου για τα δοκίμια με 4 σύρματα SMA και με 10 Ν, για τα δοκίμια με 6 σύρματα. Η διαφοροποίηση αυτή, με δεδομένο ότι η θερμοκρασία των δειγμάτων ήταν σταθερή και ότι, όπως έχουμε δείξει, οι θερμικές τάσεις δεν επηρεάζουν τις μετρήσεις του Thermis, μας υποχρεώνει να υποθέσουμε ότι κάθε ενσωματωμένο σύρμα διατηρεί ένα ελάχιστο επίπεδο ικανότητας άσκησης δύναμης. Επειδή οι ενεργοποιητές είναι ενσωματωμένοι παράλληλα μέσα στο σύνθετο, οι ελάχιστες αυτές δυνάμεις αθροίζονται και συνεπώς είναι φυσιολογικό να παρατηρείται αυτή η διαφορά μεταξύ των δοκιμίων τύπου Α και Β. Θα πρέπει να σημειώσουμε τέλος, ότι παρά το ότι οι διαφορές μεταξύ των πειραματικών δεδομένων για τα δύο είδη συνθέτων είναι δυσδιάκριτες μέχρι τους κύκλους, υπάρχει η ένδειξη, ότι από το σημείο αυτό και μετά, το σύνθετο με το μεγαλύτερο ογκομετρικό κλάσμα συρμάτων διατηρεί ελαφρώς υψηλότερη μηχανική τάση. 193

221 6.4 Χαλάρωση τάσης ενεργοποίησης συρμάτων NiTi και συνθέτων υλικών Το πείραμα της υποβάθμισης της αναπτυσσόμενης τάσης υπό συνεχή ενεργοποίηση, πραγματοποιήθηκε για τα σύρματα NiTi, σε τέσσερις διαφορετικές θερμοκρασίες και για χρονικό διάστημα 225 ωρών. Η μικρότερη θερμοκρασία, αντιστοιχούσε στα φυσιολογικά επίπεδα λειτουργίας των υλικών, άγγιζε δηλαδή τους 100 ο C. Όπως είναι λογικό, η αρχική τάση των συρμάτων ήταν γύρω στα 500MPa και σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα, με την πάροδο του χρόνου και υπό την επίδραση της θερμοκρασίας, λαμβάνει χώρα εκθετική μείωση του μεγέθους της. Το επίπεδο της θερμοκρασίας λειτουργίας, φάνηκε ότι επηρεάζει δραματικά την υποβάθμιση της μηχανικής αναπτυσσόμενης τάσης, της οποίας ο ρυθμός είναι ιδιαίτερα αυξημένος κατά τις πρώτες ώρες λειτουργιάς του υλικού. Στο τέλος του πειράματος, το σύρμα που βρισκόταν σε θερμοκρασία 100 ο C, παρουσίασε απώλεια της τάξης του 15% στη μηχανική τάση που ασκούσε, ενώ το αντίστοιχο ποσοστό για το σύρμα στη μεγαλύτερη θερμοκρασία των 164 ο C, ήταν 65%. Είναι ενδεικτικό, ότι μετά από 24 συνεχείς ώρες λειτουργίας, τα ποσοστά υποβάθμισης ήταν 12% και 29%, αντίστοιχα. Ποιοτικά, το ίδιο φαινόμενο συμβαίνει και στην περίπτωση της χαλάρωσης τάσης ενεργοποίησης των υβριδικών συνθέτων, με τη διαφορά ότι η υποβάθμιση είναι σαφώς πιο έντονη. Η αρχική δύναμη και για τους δύο τύπους δοκιμίων, Α και Β, βρίσκεται, όπως έχουμε δει, στα επίπεδα των 40 N και 60 Ν αντίστοιχα. Το επίπεδο της θερμοκρασίας επιδεινώνει το φαινόμενο της χαλάρωσης τάσης, ενώ και σε αυτή την περίπτωση, στις αρχικές ώρες λειτουργίας, παρουσιάζεται ο μεγαλύτερος ρυθμός υποβάθμισης. Το σύνθετο στη θερμοκρασία των 80 ο C (με 100 ο C περίπου, θερμοκρασία συρμάτων στο εσωτερικό του), μετά τις 24 πρώτες ώρες λειτουργίας, παρουσιάζει απώλεια 18% σε σχέση με την αρχική του τάση και περίπου 35%, στο τέλος του πειράματος, μετά από 225 ώρες λειτουργίας. Όπως και στην περίπτωση της λειτουργικής κόπωσης, δεν υπάρχουν ιδιαίτερες διαφορές μεταξύ των πειραματικών σημείων για τους δύο τύπους συνθέτου, αλλά θα μπορούσε κάποιος να παρατηρήσει, ότι, αντίθετα με το προηγούμενο πείραμα, το σύνθετο τύπου Α, φαίνεται να διατηρεί ελαφρώς υψηλότερη τάση από σύνθετο τύπου Β. Εάν κάτι τέτοιο ισχύει, πιθανότατα μπορεί να αποδοθεί στη μεγαλύτερη 194

222 επίδραση του θερμοκρασιακού παράγοντα στα σύρματα, αφού στο σύνθετο τύπου Β, αυτά βρίσκονται σε κοντινότερες αποστάσεις μεταξύ τους, οπότε η κατανομή της θερμοκρασίας στο εσωτερικό, είναι περισσότερο πυκνή. 6.5 Ο μηχανισμός της υποβάθμισης Μεγάλη βοήθεια στις θεωρητικές προσεγγίσεις των μηχανισμών των φαινομένων της κόπωσης και της χαλάρωσης που μελετήθηκαν πειραματικά, προσέφεραν οι μετρήσεις DSC και οι παρατηρήσεις SEM, σε δείγματα as-received, trained και σε δείγματα προερχόμενα από τα πειράματα που πραγματοποιήσαμε, όπως είδαμε αναλυτικά στο 4 ο κεφάλαιο. Μέσω των παρατηρήσεων σε δοκίμια που προέρχονται κατευθείαν από τη γραμμή παραγωγής, έχουμε τη θερμοδυναμική συμπεριφορά, αλλά και μια εκτίμηση της εσωτερικής δομής των υλικών μας, κατά τη χρονική στιγμή της εκκίνησης των πειραμάτων. Η εξέταση των δοκιμίων που έχουν υποβληθεί στη διαδικασία του training, μας δίνει τις ίδιες πληροφορίες για το υλικό, όταν όμως αυτό έχει υποστεί την ακραία θερμική κατεργασία και η συμπεριφορά του δεν εξαρτάται πλέον από την προϊστορία του. Όπως έχουμε ήδη δείξει, τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης και της χαλάρωσης τάσης, αποτελούν ουσιαστικά, μορφές θερμομηχανικών κατεργασιών, όχι τόσο ακραίων όσο το training, με σαφή επίπτωση όμως, στα θερμοδυναμικά αλλά και στα κρυσταλλογραφικά χαρακτηριστικά του υλικού. Η σημαντικότερη αλλαγή στη θερμοδυναμική συμπεριφορά των κραμάτων που εξετάσαμε μετά τα πειράματα, εκτός από τη μετατόπιση των θερμοκρασιακών περιοχών μετασχηματισμού, είναι η τάση για εμφάνιση δύο κορυφών στα διαγράμματα DSC, κατά την ψύξη. Αυτό, οφείλεται στη σταδιακή αποκάλυψη του φιμωμένου μετασχηματισμού της R-φάσης. Η εμφάνιση του ενδιάμεσου αυτού μετασχηματισμού, είναι, όπως έχουμε δει, χαρακτηριστικό γνώρισμα των κραμάτων NiTi που έχουν κοπωθεί θερμομηχανικά και κατά τη διαδικασία παραγωγής, ενσωματώνεται με το μαρτενσιτικό μετασχηματισμό, μέσω ανόπτησης. Για παράδειγμα, το διάγραμμα DSC του δείγματος που έχει υποβληθεί σε training, 195

223 παρουσιάζει κατά την ψύξη δύο πολύ έντονες και σαφώς διαχωρισμένες κορυφές (βλ. Σχ. 4.33). Είδαμε επίσης, ότι ο μηχανισμός της υποβάθμισης της ικανότητας των συρμάτων να ασκούν μηχανικές τάσεις, είτε πρόκειται για λειτουργική κόπωση, είτε για χαλάρωση τάσης, δε θα πρέπει να συνδεθεί άμεσα με την εκδήλωση του Φαινομένου Μνήμης Σχήματος. Οι παρατηρήσεις που έγιναν μετά το πέρας των πειραμάτων, έδειξαν ότι τα σύρματα είχαν απολέσει σχεδόν την ικανότητα να αναπτύσσουν δυνάμεις, εντούτοις, τα διαγράμματα DSC απέδειξαν ότι ο μαρτενσιτικός και ο αντίστροφος μετασχηματισμός, συνέχιζαν να εκδηλώνονται κανονικά. Το παραπάνω γεγονός, συνηγορεί στην πρόταση για ένα μηχανισμό υποβάθμισης (βλ ) που ουσιαστικά υιοθετεί τη φύση του μηχανισμού twinning detwinning του κράματος NiTi σε μη περιοριστική κατάσταση. Υπό συνθήκες περιορισμού, φαίνεται ότι συμβαίνει χαλάρωση (slipping), μέσω σχετικής κίνησης στα όρια μεταξύ των δίδυμων κρυσταλλογραφικών περιοχών (twins), αλλά και στα όρια των μαρτενσιτικών πλακών (βλ. Σχ. 4.40), λόγω των μηχανικών τάσεων που αναπτύσσονται. Δείξαμε επίσης μέχρι τώρα, ότι το μηχανισμό αυτό, εντείνουν τόσο ο αριθμός των κρυσταλλογραφικών εναλλαγών, όσο και το υψηλό θερμικό πεδίο. Εάν η φύση του προτεινόμενου μηχανισμού διέφερε από αυτή που μόλις περιγράψαμε, με δεδομένο ότι τα υλικά με το πέρας των πειραμάτων, δε μπορούν πλέον να ασκήσουν μηχανικές τάσεις, το Φαινόμενο Μνήμης Σχήματος, πιθανότατα δε θα μπορούσε να εκδηλωθεί, λόγω εκτεταμένων πλαστικών παραμορφώσεων και άλλων μη ανακτήσιμων ατελειών στην εσωτερική δομή του κράματος. Οι παρατηρήσεις των υλικών, με χρήση Ηλεκτρονιακής Μικροσκοπίας Σάρωσης, ενισχύουν την υπόθεση ότι τα as-received σύρματα περιέχουν σε μεγάλο ποσοστό POM, εφόσον διαπιστώθηκε ο ενιαίος προσανατολισμός των περιοχών. Το κράμα NiTi, που έχει υποστεί training, έδωσε εικόνα που παραπέμπει σε SAM, όπως αναμενόταν, ενώ τα δείγματα που προέρχονταν από τα πειράματα, εμφάνισαν σε πολύ μεγάλο ποσοστό δομή που μοιάζει με SAM. Η δομή αυτή, δε χαρακτηρίζεται ως καθαρός αυτό-διευθετούμενος μαρτενσίτης, απλά, επειδή οι συνθήκες κάτω από τις οποίες σχηματίστηκε είναι περιοριστικές. Η παρουσία αυτών των περιοχών που μοιάζουν με SAM, δικαιολογείται, εάν η υπόθεση του μηχανισμού χαλάρωσης υπό 196

224 κινηματικό περιορισμό (slipping under constrained conditions) που αναπτύχθηκε νωρίτερα, ευσταθεί. Οι ποιοτικές ομοιότητες των πειραματικών δεδομένων και για τα δύο είδη δοκιμών, μεταξύ συρμάτων και υβριδικών συνθέτων, μας οδηγούν στο συμπέρασμα ότι ο ίδιος κοπωτικός μηχανισμός λαμβάνει χώρα και στα ενσωματωμένα σύρματα. Η εντονότερη υποβάθμιση της ικανότητας των συνθέτων από την άλλη, μας υποχρεώνει να θεωρήσουμε ότι η παρουσία της μητρικής φάσης γύρω από το σύρμα, εντείνει το φαινόμενο. Ο ολοκληρωτικός κινηματικός περιορισμός που επιβάλλεται στην εξωτερική επιφάνεια του ενεργοποιητή, μέσω της μηχανικής κυρίως πρόσφυσης μεταξύ σύρματος μήτρας, φαίνεται ότι αυξάνει το φαινόμενο της σχετικής κίνησης στα όρια των περιοχών που περιγράψαμε πριν. Το slipping δηλαδή, είναι εντονότερο μεταξύ των ορίων των περιοχών που βρίσκονται στην εξωτερική επιφάνεια του υλικού και παρεμποδίζονται από τη μήτρα και αυτών που βρίσκονται στο εσωτερικό του σύρματος και μπορούν να κινηθούν υπό την επίδραση των αναπτυσσόμενων εσωτερικών μηχανικών τάσεων. 6.6 Η λειτουργική κόπωση υπό την οπτική μιας γενικότερης θεώρησης και η μελλοντική εργασία Η μορφή των καμπυλών που αποτυπώνουν την εξέλιξη της λειτουργικής κόπωσης και της χαλάρωσης τάσης, σαν συνάρτηση του αριθμού των κύκλων μετασχηματισμού και του χρόνου αντίστοιχα, που φαίνεται να ακολουθούν κάποιο είδος εκθετικής μείωσης, αναπόφευκτα προκαλεί συγκρίσεις με άλλα φαινόμενα της φυσικής ή της μηχανικής, όπως την εκφόρτιση ενός ηλεκτρικού κυκλώματος RC ή τη δομική κόπωση ενός μεταλλικού δοκιμίου. Τα μηχανικά ανάλογα των δύο ειδών δοκιμών που πραγματοποιήσαμε για τις ανάγκες αυτής της εργασίας, θα μπορούσαν να είναι ο προσδιορισμός της διάρκειας ζωής του υλικού, όταν αυτό υποβάλλεται σε εναλλασσόμενη φόρτιση μεταξύ δύο ακραίων τιμών μηχανικής παραμόρφωσης και η μελέτη της χαλάρωσης της ορθής μηχανικής τάσης, όταν στο υλικό εφαρμόσουμε σταθερή παραμόρφωση. 197

225 Η αντοχή σε λειτουργική κόπωση των υβριδικών συνθέτων και η αντίστοιχη αντοχή τους σε μηχανική κόπωση, αποτελούν δύο ασυμβίβαστες παραμέτρους, που όμως θα μπορούσαν να συγκριθούν, εάν τελικά διαπιστώναμε ότι η εξέλιξη των δύο φαινομένων, ακολουθεί κοινό μονοπάτι. Ο συνηθέστερος τρόπος αποτύπωσης της αντοχής σε μηχανική κόπωση ενός υλικού, είναι τα διαγράμματα S/N f. Στα διαγράμματα αυτά, παρουσιάζονται οι κύκλοι φόρτισης μετά τους οποίους επέρχεται η θραύση (Ν f ), σαν συνάρτηση του πλάτους της εφαρμοζόμενης τάσης ή παραμόρφωσης (S=σ max -σ min ). Κάθε τέτοια καμπύλη, αναφέρεται και σε μια διαφορετική αναλογία των ακραίων τιμών, R (=σ max /σ min ). Τα περισσότερα διαγράμματα S/N f, είτε πρόκειται για μονολιθικά, είτε για σύνθετα υλικά, παρουσιάζουν εξαιρετική ομοιότητα με της καμπύλες λειτουργικής κόπωσης των κραμάτων NiTi και των υβριδικών συνθέτων που παρουσιάσαμε [84]. Σχήμα 6.1 (α) σχηματική αναπαράσταση καμπυλών S/N f, για διάφορες τιμές του R, (β) κόπωση χάλυβα σε διάφορες περιβαλλοντικές συνθήκες και (γ) συγκριτικό διάγραμμα με καμπύλες S/N f για χάλυβα και αλουμίνιο 198

226 Σε αρκετές περιπτώσεις, όταν τα πειραματικά δεδομένα επαρκούν, πραγματοποιείται ανάλυση με στατιστικές μεθόδους και τα μηχανικά κοπωτικά φαινόμενα προσεγγίζονται με χρήση Συναρτήσεων Πυκνότητας Πιθανότητας (Probability Density Functions, PDFs), με ποιο χαρακτηριστικές περιπτώσεις αυτές της Κανονικής Κατανομής (Normal Distribution) και της Κατανομής Weibull (Weibull Distribution [85]. Κατά τον τρόπο αυτό, είναι δυνατόν να γίνει πρόβλεψη του αριθμού επαναλήψεων της φόρτισης μέχρι τη θραύση και να υπολογιστεί το Ν f, χωρίς να πραγματοποιηθεί το ανάλογο χρονοβόρο πείραμα έως το τέλος. H μαθηματικές εκφράσεις των Συναρτήσεων Πυκνότητας Πιθανότητας (κυρίως της Weibull), χρησιμοποιούνται για την προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων σε διαγράμματα S/N f, για μεταλλικά υλικά, για σύνθετα πολυμερικής ή κεραμικής μήτρας, αλλά και για μηχανισμούς, όπως έδρανα κύλισης, διωστήρες και τροχούς [86,87,88]. Έτσι λοιπόν, το φαινόμενο της κόπωσης αντιμετωπίζεται ως μια ακολουθία υποβαθμιστικών δράσεων και παραγόντων σε ένα σύστημα, που τελικά επιφέρει βλάβη (και όχι απαραίτητα θραύση), ξεφεύγοντας από τα στενά όρια των ορισμών της μηχανικής. Εξετάζοντας το πρόβλημα της λειτουργικής κόπωσης υπό το πρίσμα αυτό, παρά το ότι έχουμε ήδη προσαρμόσει εμπειρικές καμπύλες στα πειραματικά μας δεδομένα, χρησιμοποιήσαμε τη γενική έκφραση της συνάρτησης Weibull, έτσι ώστε να διαπιστώσουμε εάν θα μπορούσε να περιγράψει την εκδήλωση του φαινομένου, τόσο για το σύρμα NiTi, όσο και για τα υβριδικά σύνθετα υλικά. Η γενική συνάρτηση Weibull, περιέχει τρείς παραμέτρους και εκφράζεται ως εξής: Σχέση 6.1 όπου γ, μ, α, είναι σταθερές (shape, location και scale parameter αντίστοιχα). Επειδή η παραπάνω συνάρτηση αποτελεί συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας και κατά συνέπεια η ολοκλήρωσή της στο διάστημα Χ που εξετάζουμε αντιστοιχεί σε εμβαδό ίσο με τη μονάδα και επειδή τα πειραματικά δεδομένα της λειτουργικής κόπωσης, φαίνεται ότι καταλήγουν σε ελάχιστη τιμή διάφορη του μηδενός, χωρίς να αλλοιώσουμε τη μορφή της κατανομής, προσθέσαμε δύο ακόμα σταθερές, έτσι ώστε να προσαρμόσουμε την καμπύλη, η οποία τελικά παίρνει τη μορφή που φαίνεται στη σχέση 6.2, πιο κάτω: 199

227 Σχέση 6.2 όπου Υ, είναι η συνάρτηση Weibull και C 1,C 2 είναι σταθερές. Η πρώτη σταθερά, ουσιαστικά μεγεθύνει την καμπύλη για χρήση στην κλίμακα του ορθογωνίου συστήματος αξόνων που χρησιμοποιούμε και η δεύτερη εκφράζει το μη μηδενικό επίπεδο τάσης γύρω από το οποίο οι μετρήσεις ισορροπούν στο πέρας του πειράματος. Στο επόμενο σχήμα, φαίνονται τα πειραματικά δεδομένα της λειτουργικής κόπωσης για το σύνθετο τύπου Α (για k=0.5), τα αντίστοιχα του σύρματος NiTi, καθώς και οι προσαρμοσμένες καμπύλες Weibull για κάθε περίπτωση. Stress (norm.) exp.data composite exp.data wire weibull fit. composite weibull fit. wire x10 3 2x10 3 3x10 3 4x10 3 5x10 3 Transformation cycles Σχήμα 6.2 Προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων της λειτουργικής κόπωσης σύρματος και συνθέτου, με τη βοήθεια της εξίσωσης Weibull Στον επόμενο πίνακα, δίνονται οι τιμές των παραμέτρων α, β και γ, της συνάρτησης Weibull, καθώς και οι τιμές των σταθερών C 1 και C 2, που 200

228 χρησιμοποιήσαμε. To r 2, εκφράζει το συντελεστή συσχέτισης της προσαρμογής της καμπύλης, στα πειραματικά δεδομένα. Παράμετροι Συντ. συσχ. γ α μ C 1 C 2 r 2 Σύνθετο Σύρμα NiTi Πίνακας 6.1 Οι τιμές των παραμέτρων, για τις προσαρμοσμένες καμπύλες Weibull του Σχ. 6.2 Όπως φαίνεται στο Σχήμα 6.2, η μαθηματική έκφραση της κατανομής Weibull, καταφέρνει να ακολουθήσει πολύ ικανοποιητικά τα πειραματικά δεδομένα της λειτουργικής κόπωσης, τόσο του σύρματος, όσο και του συνθέτου. Είναι πολύ ενδιαφέρον το γεγονός, ότι μεταβάλλοντας της παραμέτρους της κατανομής, είναι δυνατόν, από την καμπύλη που περιγράφει την υποβάθμιση της αναπτυσσόμενης τάσης του συνθέτου, να μεταβούμε στην αντίστοιχη καμπύλη του σύρματος, που θεωρητικά αποτελεί την καλύτερη δυνατή συμπεριφορά για ένα σύνθετο. Το γεγονός αυτό, αποτελεί κίνητρο, έτσι ώστε να συσχετιστούν οι παράμετροι της εξίσωσης, εάν αυτό είναι δυνατόν, με τα κατασκευαστικά και γεωμετρικά χαρακτηριστικά των υλικών, όπως το ογκομετρικό κλάσμα των συρμάτων, το πλήθος των συρμάτων, την απόσταση μεταξύ τους, τη θερμοκρασία λειτουργίας κ.α. Αυτό φυσικά, προϋποθέτει την κατασκευή περισσότερων δοκιμίων με ποικιλία χαρακτηριστικών και δεν ήταν δυνατό να πραγματοποιηθεί στα πλαίσια αυτής της εργασίας. Αποτελεί όμως, πρόταση για μελλοντική εργασία, που θα συμπληρώσει με τον καλύτερο τρόπο τη διαπίστωση ότι η λειτουργική κόπωση των ευφυών υλικών και συνθέτων, πιθανότατα θα μπορούσε να μελετηθεί με στατιστικά εργαλεία, όπως ακριβώς η δομική κόπωση υλικών και μηχανισμών. Μια βασική διαπίστωση των πειραμάτων της λειτουργικής κόπωσης, ήταν ότι η υποβάθμιση των υλικών δεν παρουσίαζε εξάρτηση από το duty cycle, k, αλλά μόνο από το πλήθος των κύκλων ενεργοποίησης. Αυτό βέβαια, έχουμε ήδη 201

229 επισημάνει ότι ισχύει για μικρές διακυμάνσεις του χρόνου θέρμανσης ανά κύκλο, t 1, και φυσικά δε μπορεί να γενικευθεί. Άρα λοιπόν, το ερώτημα που γεννάται είναι εάν το duty cycle, που αποτελεί βασική πειραματική παράμετρο για τη λειτουργική κόπωση, εξακολουθεί να μην επηρεάζει το φαινόμενο, ακόμα και για χρόνους θέρμανσης ανά κύκλο, μεγαλύτερης τάξης μεγέθους. Διατυπώνοντας το ίδιο ερώτημα με διαφορετικό τρόπο, θα μπορούσαμε να ερευνήσουμε το κατά πόσο το φαινόμενο του stress relaxation, μπορεί να χωρέσει σε ένα πείραμα λειτουργικής κόπωσης με πολύ μεγαλύτερους χρόνους ενεργοποίησης. Από τα πειράματα της λειτουργικής κόπωσης στα σύνθετα υλικά, προέκυψαν ενδείξεις ότι τα δοκίμια με περισσότερα ενσωματωμένα σύρματα, διατηρούν ελαφρώς υψηλότερη αναπτυσσόμενη τάση. Το αντίθετο, φάνηκε ότι συμβαίνει στα πειράματα της χαλάρωσης τάσης ενεργοποίησης. Υπάρχει συνεπώς η ανάγκη, μέσω της μελέτης περισσότερων δοκιμίων, να διερευνηθεί η επίπτωση του ογκομετρικού κλάσματος των συρμάτων NiTi και στις δύο περιπτώσεις. Το πλήθος των πειραματικών μετρήσεων που λάβαμε, θέτει τις βάσεις για μοντελοποίηση των συγκεκριμένων υλικών, με τη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, υπό την επίδραση θερμικού και μηχανικού πεδίου. Έχοντας προσδιορίσει πειραματικά την επιφανειακή θερμοκρασιακή κατανομή, τις τάσεις που αναπτύσσουν τα σύρματα στο εσωτερικό, αλλά και τη συνολική ορθή τάση του συνθέτου, έχουμε τη δυνατότητα, όχι μόνο να υπολογίσουμε την κατανομή των μηχανικών τάσεων και της θερμοκρασίας στο εσωτερικό και γύρω από τα σύρματα, αλλά και να διορθώσουμε διάφορες παραμέτρους της μοντελοποίησης, όπως τις ελαστικές σταθερές της μητρικής φάσης, τις διατμητικές διεπιφανειακές δυνάμεις, το λόγο Poisson των φάσεων κ.α. Κλείνουμε στο σημείο αυτό την παρούσα εργασία, με την πεποίθηση ότι η βασική έρευνα που πραγματοποιήθηκε στον τομέα των ευφυών συνθέτων υλικών με ενσωματωμένα κράματα NiTi, οδήγησε στη συλλογή νέας και πρακτικής πληροφορίας. Μιας πληροφορίας που μπορεί να αξιοποιηθεί στο σχεδιασμό έξυπνων συστημάτων, με τα Κράματα Μνήμης Σχήματος στο ρόλο του αισθητήρα και του ενεργοποιητή. Εκφράζουμε τέλος την ελπίδα, ότι το επίπεδο αλλά και το κίνητρο της παρούσας δουλειάς, είναι τέτοια, ώστε να αξίζει για κάποιον που 202

230 ενδιαφέρεται να ασχοληθεί με τον τομέα αυτό, να τη συνεχίσει και να την επεκτείνει σε επίπεδα που αγγίξαμε μόνο θεωρητικά ή δεν πλησιάσαμε καθόλου. 203

231

232

233 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Design and fabrication of intelligent composites based on shape memory alloys, Journal of Materials Processing Technology, Volume 69, Issues 1-3, September 1997, Pages 68-74, Z. G. Wei, C. Y. Tang and W. B. Lee 2. Smart materials, applications, SMA Inc. 3. Επιστήμη και τεχνολογία των υλικών, 5 η Έκδοση, 2004, William D. Callister, Jr. 4. Composites get smart, Materialstoday, 30-35, 2002, D.D.L. Chung 5. Σύνθετα υλικά, Σημειώσεις Πανεπιστημιακών Παραδόσεων, Κ. Γαλιώτης 6. Composites, Scientific American, Vol. 255, No. 4, October 1986, pp , Chou, T. W., R.L. McCullough, and R.B. Pipes 7. Fundamental Principles of Fiber Reinforced Composites, 2 nd edition, Technomic Publishing Company, Inc., Lancaster, PA, 1993, Ashbee, K.H.G. 8. An Introduction to Composite Materials, 2 nd edition, Cambridge University Press, 1996, p. 179, D. Hull and T.W. Clyne 9. Materials Engineering s Materials Selector 10. Engineering Materials Handbook, Vol. 1, Composites, ASM International, Metals Park, OH, Fundamental characteristics and design method for Nickel-Titanium shape memory alloy, Periodica Polytechnica Ser. Mech. Eng, Volume 45, 2001, pages 75-86, Istvan Mihalcz 12. A study on thermomechanical deformation of elastic beam with embedded shape memory alloy wires, Materials & Design, Volume 21, Issue 6, 1 December 2000, Pages , Guojun Sun, Shuangshuang Sun, Xiaodong Wu and Jianshen Wu 13. Local displacements and load transfer in shape memory alloy composites, Experimental Mechanics, Volume 37, March 1997, K. Johnagallada, G.E. Kline and N.R. Sottos 14. Nitinol technical information, John Matthey. Inc. 15. On the mechanical behavior of single crystal NiTi shape memory alloys and related polycrystalline phenomenon, Materials Science and Engineering A, Volume 317, Issues 1-2, 31 October 2001, Pages 85-92, Ken Gall, Huseyin Sehitoglu, Rob Anderson, Ibrahim Karaman, Yuriy I. Chumlyakov and Irina V. Kireeva 16. Adaptive composites incorporating shape memory alloy wires. Part 2: development of internal recovery stresses as a function of activation temperature, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 32, Issue 12, December 2001, Pages , J. Parthenios, G. C. Psarras and C. Galiotis 17. Constitutive equations for martensitic reorientation and detwinning in shape-memory alloys, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, P. Thamburaja 18. Effect of thermomechanical treatment on the two-way shape memory effect of NiTi alloy spring, Materials Letters, Volume 54, Issue 1, May 2002, Pages 55-61, Zhiguo Wang, Xiaotao Zu, Xiangdong Feng and Jingyi Dai

234 19. Design of TiNi alloy two-way shape memory coil extension spring, Materials Science and Engineering A, Volume 345, Issues 1-2, 25 March 2003, Pages , Z. G. Wang, X. T. Zu, X. D. Feng, L. B. Lin, S. Zhu, L. P. You and L. M. Wang 20. Engineering Aspects of Shape Memory Alloys by Thomas W. Duerig, K. N. Melton, D. Stockel, C. M. Wayman 21. Transformation behavior in rolled NiTi, Journal of Alloys and Compounds, Volume 381, Issues 1-2, 3 November 2004, Pages , Takamitsu Kurita, Hitoshi Matsumoto and Hiroshi Abe 22. Effect of thermal cycling on the transformation temperature ranges of a Ni Ti shape memory alloy, Materials Science and Engineering A, Volume 378, Issues 1-2, 25 July 2004, Pages 92-96, A. S. Paula, J. P. H. G. Canejo, R. M. S. Martins and F. M. Braz Fernandes 23. Two-stage R phase transformation in a cold-rolled and annealed Ti 50.6 at.%ni alloy, Scripta Materialia, Volume 52, Issue 8, April 2005, Pages , D. Chrobak and D. Stróż 24. Space group and crystal structure of the R-phase in binary NiTi shape memory alloys, Acta Materialia, Volume 54, Issue 12, July 2006, Pages , Jafar Khalil-Allafi, Wolfgang W. Schmahl and D.M. Toebbens 25. Design of Shape Memory Alloy Actuators, Journal of Mechanical Design, 114 June 1992, pp , Liang, C. Rogers, C. A. 26. The nonlinear relationship between transformation strain and applied stress for nitinol, Materials Letters, Volume 57, Issue 7, January 2003, Pages , X. D. Wu, G. J. Sun and J. S. Wu 27. Thermal analysis of the effect of aging on the transformation behaviour of Ti 50.9at.% Ni, Materials Science and Engineering A, Yinong Liu, Hong Yang and Arne Voigt 28. Issues concerning the measurement of transformation temperatures of NiTi alloys, Smart Mater. Struct. 13 (2004), pages , Eric Abel, Hongyan Luo, Mark Pridham & Alan Slade 29. Thermal Analysis (London: Academic), pp 141 5, 1990, Wunderlich B 30. Metals, Handbook vol 2 Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials ed ASM (Metals Park, OH: ASM International, pp , 1991, Hodgson D E, Wu M H and Biermann R J 31. Experimental characterization of Ni Ti shape memory alloy wires under complex loading conditions Proc. SPIE , 1999, Prahlad H and Chopra I 32. Smart Materials and Structures, 1st Edition, Chapman and Hall, London, 1992, Gandhi, M.V. and Thompson, B.S. 33. J. of Int. Mat. And Str., 4, 1993, p.p. 4-12, Rogers A. C. 34. Encyclopedia of Comprehensive Composite Materials, Chapter 5, http//: 36. Magnetostrictive materials, MRS Bulletin, pp , 1993, Hathaway K. and Clark A.E. 37. Smart Materials, Structures and Mathematical Issues, 1st Edition, Technomic, Lancaster, 1989, Rogers C. A. 38. J. of Mat. Sci. 33, 1998, p.p , Wei G. Z., Sandstrom R., Miyazaki S 39. Adaptive Composites With Embedded Shape Memory Alloy Wires, Balta A. J., Parlinska M., Michaud V., Gotthardt R., Manson E. J.-A.

235 40. Adaptability of hybrid smart composite plate under low velocity impact, Composites Part B: Engineering, Volume 34, Issue 2, March 2003, Pages , Jin-Ho Roh and Ji-Hwan Kim 41. Hybrid smart composite plate under low velocity impact, Composite Structures, Volume 56, Issue 2, May 2002, Pages , Jin-Ho Roh and Ji-Hwan Kim 42. Increased Impact damage Resistance of Shape Memory Alloy Composites, Tsoi A. K., Stalmans R., Wevers M., Schrooten J., Mai Y.-W. 43. Shape memory alloy and smart hybrid composites-advanced materials for the 21st century. Mater Des 2000, 21:503 5, Yang D 44. Structural modification of simply-supported laminated plates using embedded shape memory alloy fibers, Computers & Structures, Volume 38, Issues 5-6, 1991, Pages , C. A. Rogers, C. Liang and J. Jia 45. On the Intelligent Materials and Structures; the Emerging Technology, Proceedings of the SMA Conference, Prague, 1995, Friend, C.M. 46. Comp. Appl. St. Manuf., 32, 2001, pp , Parthenios J., Psarras G. C. and Galiotis, C. 47. Modeling of a flexible beam actuated by shape memory alloy wires, Smart Material Structures, Steven G. Shu, Dimitris C. Lagoudas, Declan Hughes and John T. Wen 48. Active flexible rods with embedded SMA fibers, 1992 Smart Mater. Struct. 1 pages 162-7, Lagoudas D C and Tadjbakhsh I G 49. Shape control of NITINOL-reinforced composite beams, Composites Part B: Engineering, Volume 31, Issue 8, 2000, Pages , A. Baz, T. Chen and J. Ro 50. Active position control of a shape memory alloy wire actuated composite beam, Smart Material Structures, 9 (2000) pages , Gangbing Song, Brian Kelly and Brij N Agrawai 51. Proceedings of SPIE; Smart Structure and Materials 2002; Industrial and Commercial Applications of Smart Structures Technologies, vol. 4698, 2002, pp , J. Simpson, C. Boller, A.-M.R. McGowan 52. Proposal of an active composite with embedded sensor, Science and Technology of Advanced Materials, Volume 3, Issue 2, March 2002, Pages , Hiroshi Asanuma, Osamu Haga, Jun-ichiro Ohira, Genji Hakoda and Kazuhito Kimura 53. Constrained thermoelastic martensitic transformation studied by modulated DSC, Acta Materialia, Volume 51, Issue 18, 20 October 2003, Pages , Yanjun Zheng, Jan Schrooten, Lishan Cui and Jan Van Humbeeck 54. Transformational behaviour of constrained shape memory alloys, Acta Materialia, Volume 50, Issue 14, 16 August 2002, Pages , K. A. Tsoi, R. Stalmans and J. Schrooten 55. Transformation fatigue and stress relaxation of shape memory alloy wires, Smart Mater. Struct. 16, 2007, , P Pappas, D Bollas, J Parthenios, V Dracopoulos and C Galiotis 56. Transformation and detwinning induced electrical resistance variations in NiTiCu, Materials Science and Engineering A, Volume 359, Issues 1-2, 25 October 2003, Pages , T. Kotil, H. Sehitoglu, H. J. Maier and Y. I. Chumlyakov 57. On thermodynamic active control of shape memory alloy wires, Systems & Control Letters, Volume 48, Issues 3-4, 15 March 2003, Pages , Petr Klou ek, Daniel R. Reynolds and Thomas I. Seidman

236 58. Impact damage behaviour of shape memory alloy composites, Materials Science and Engineering A, Volume 342, Issues 1-2, 15 February 2003, Pages , Kelly A. Tsoi, Rudy Stalmans, Jan Schrooten, Martine Wevers and Yiu-Wing Mai 59. Effect of thermal cycling on martensitic transformation temperatures in Ti Ni Cu shape memory alloys, Materials Science and Technology, Volume 16, Number 9, September 2000, pp (5), Nam T.H.; Ha G.S.; Lee H.W.; Hur S.G. 60. Modeling of thermomechanical fatigue behavior in shape memory alloys using dual kriging, Materials & Design, Volume 17, Issue 3, 1996, Pages , M. -A. Meunier, F. Trochu and P. Charbonnier 61. Structural and functional fatigue of NiTi shape memory alloys, Materials Science and Engineering A 378 (2004) pages 24 33, G. Eggeler, E. Hornbogen, A. Yawny1, A. Heckmann, M. Wagner 62. Influence of the recovery and recrystallization processes on the martensitic transformation of cold worked equiatomic Ti Ni alloy, Materials Science and Engineering A, Volume 355, Issues 1-2, 25 August 2003, Pages , F. Khelfaoui and G. Guénin 63. A SMA/CFRP hybrid composite with damage suppression effect at ambient temperature, Scripta Materialia, Volume 49, Issue 6, September 2003, Pages , Y. Xu, K. Otsuka, H. Nagai, H. Yoshida, M. Asai and T. Kishi 64. Design, prototyping and computer simulations of a novel large bending actuator made with a shape memory alloy contractile wire, Smart Material Structures 6 (1997) pages , Guoping Wang and Mohsen Shahinpoor 65. Shape control of NITINOL-reinforced composite beams, Composites Part B: Engineering, Volume 31, Issue 8, 2000, Pages , A. Baz, T. Chen and J. Ro 66. Adaptive composites incorporating shape memory alloy wires. Part I, probing the internal stress and temperature distributions with a laser Raman sensor, J. Parthenios, G. C. Psarras and C. Galiotis 67. Stress generation by shape memory alloy wires embedded in polymer composites, Acta Materialia 55, 2007, , D. Bollas, P. Pappas, J. Parthenios, C. Galiotis 68. Matrix fracture in fiber-reinforced ceramics J. Mech. Phys. Solids , 1986, Budiansky B, Hutchinson J W and Evans A G 69. Deformations of active flexible rods with embedded line actuators, 1993 Smart Mater. Struct. 2 pages Lagoudas D C and Tadjbakhsh I G 70. Behavior of Shape memory Alloy Reinforced Composite Plates Part II, Proc. 30 th Structures, Structural Dynamics and materials conf. 1989, C. Liang, J. Lia and C. Rogers 71. Active Vibration and Structural Control of Shape Memory Alloy Hybrid Composites, Acoustical Society of America, 88 (6), , 1990, C. Rogers 72. Thermo-dynamic Characteristics of Nitinol Reinforced Composite Beams, Composites Eng. 2, , 1992, A. Baz and J. Ro 73. Nitinol Actuator to Host Composite Interfacial Adhesion in Adaptive Hybrid Composites, Proc. 33 rd Structural Dynamics and materials conf. J.S.N. Paine, W.M. Jones and C. Rogers 74. An Introduction to composite materials, 2 nd edition, 1996, D. Hull and T. W. Clyne

237 75. Debond induced by strain recovery of an embedded NiTi wire at a NiTi/epoxy interface: micro-scale observation, Materials & Design, Volume 23, Issue 3, May 2002, Pages , Kin-Tak Lau, Alik Wai-Lik Chan, San-Qiang Shi and Li-Min Zhou 76. Basic design guidelines for SMA/epoxy smart composites, Materials science & Engineering, A 390 (2005) pages , Y.J Zheng, L.S. Cui & J. Schrooten 77. Thermal stress development in fibrous composites, Materials Letters, Volume 62, Issue 3, 15 February 2008, Pages , G. Anagnostopoulos, J. Parthenios, C. Galiotis 78. Vibrational Response of Adaptive Composites, Journal de physique. IV ISSN , Parlinska M., Balta J., Micaud V., Bidaux J.-E., Manson J, Gotthardt R. 79. LTM 210 Series Manual, ACG Group 80. Thermal Expansion of Kevlar 29 Yarns, G. Guimaraes and C. Burgoyne 81. Kevlar 49 fibres: Thermal Expansion coefficients from high temperature Χ-ray data, Current Scince, Vol. 78, 3, pp , 2000, A. Jain and K. Vijayan 82. DuPont Kevlar 29 official Guide 83. Stress generation by shape memory alloy wires embedded in polymer composites, Acta Materialia 55, 2007, , D. Bollas, P. Pappas, J. Parthenios, C. Galiotis 84. An Introduction to Composite Materials, Oxford University Press, D. Hull and T.W. Clyne 85. Metal Fatigue in Engineering, Ralph Ivan Stephens, Henry Otten Fuchs, Ali Fatemi, Robert R. Stephens 86. Program for Weibull Analysis of Fatigue Data, NASA tech. briefs. T.L. Krantz 87. Fatigue life prediction of ZE41A magnesium alloy using Weibull distribution, Materials and Design, Vol.29, 8, pp Weibull analysis of fatigue test data, Quality and Reliability Engineering International, Vol.10, pp , K. E. Olsson 89. A space release/deployment system actuated by shape memory wires, Acta Astronautica, Volume 51, Issue 11, November 2002, Pages , Marino Fragnito and Sergio Vetrella 90. A sensitivity analysis of the dynamic performance of a composite plate with shape memory alloy wires, Composite Structures, Volume 60, Issue 2, May 2003, Pages , Arkadiusz J. ak, Matthew P. Cartmell and W. M. Ostachowicz 91. Enhancement of mechanical strength by shape memory effect in TiNi fiber-reinforced composites, Engineering Fracture Mechanics, In Press, Corrected Proof, Available online 8 April 2003, Akira Shimamoto, Hiroshi Ohkawara and Fumio Nogata 92. Study of the effect of curing treatment in fabrication of SMA/polymer composites on deformational behavior of NiTi 5at.%Cu SMA wires, Scripta Materialia, Volume 48, Issue 5, 3 March 2003, Pages , D. Vokoun, P. ittner and R. Stalmans 93. Two-way shape memory effect of TiNi alloy coil extension springs, Materials Science and Engineering A, Z. G. Wang, X. T. Zu, P. Fu, J. Y. Dai, S. Zhu and L. M. Wang

238 94. Damping characteristics of TiNi binary and ternary shape memory alloys, Journal of Alloys and Compounds, Volume 355, Issues 1-2, 30 June 2003, Pages 72-78,S. K. Wu and H. C. Lin 95. TEM studies of the R-phase transformation in a NiTi shape memory alloy after thermo-mechanical treatment, Materials Chemistry and Physics, Volume 81, Issues 2-3, 28 August 2003, Pages , D. Stró 96. A microscopic approach to the magnetic-field-induced deformation of martensite (magnetoplasticity), Journal of Magnetism and Magnetic Materials, P. Müllner, V. A. Chernenko and G. Kostorz 97. Damping capacity of thermoelastic martensite in shape memory alloys, Journal of Alloys and Compounds, Volume 355, Issues 1-2, 30 June 2003, Pages 58-64, J. Van Humbeeck 98. Shape memory wire improves sealing of aircraft doors, Sealing Technology, Volume 2000, Issue 78, June 2000, Pages 7-8, Roy Szweda 99. Quasi-static extension of shape memory wires under constant load, Acta Materialia, Volume 45, Issue 1, January 1997, Pages 67-74, T. W. Shield, P. H. Leo and W. C. C. Grebner 100. Modeling the dynamic behavior of shape memory alloys, International Journal of Non-Linear Mechanics, Volume 37, Issue 8, December 2002, Pages , Stefan Seelecke 101. Thermal expansion of composites with shape memory alloy inclusions and elastic matrix, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, Volume 33, Issue 5, May 2002, Pages , G. K. Hu and Q. P. Sun 102. Morphological study on twisted NiTi wires for smart composite systems, Materials Letters, Volume 57, Issue 2, December 2002, Pages , Kin-tak Lau, Wai-yin Tam, Xiang-long Meng and Li-min Zhou 103. Experimental and analytical studies of smart composite reinforcement, Composites Part B: Engineering, Volume 29, Issue 1, 1998, Pages 21-30, A. L. Kalamkarov, H. Q. Liu and D. O. MacDonald 104. SMA-induced snap-through of unsymmetric fiber-reinforced composite laminates, International Journal of Solids and Structures, M. -L. Dano and M. W. Hyer 105. Finite element analysis of a new shape memory alloy composite actuator, M. Mansour Ghomshei, N. Tabandeh, A. Khajepour and K. Behdinan 106. Shape memory alloys characterization techniques, Pramana Journal of physics, Volume 58, Jayagopal Uchil 107. On the selection of shape memory alloys for actuators, Materials & Design, Volume 23, Issue 1, February 2002, Pages 11-19, W. Huang 108. Design of shape memory linear actuators, V. Brailovski, F. Trochu and A. Leboeuf 109. The true power of SMA micro-actuation, J. Peirs, D. Reynaerts and H. Van Brussel 110. A thermodynamical constitutive model for shape memory materials. Part I. The monolithic shape memory alloy, International Journal of Plasticity, Volume 12, Issue 6, 1996, Pages , J. G. Boyd and D. C. Lagoudas 111. A thermodynamical constitutive model for shape memory materials. Part II. The SMA composite material, International Journal of Plasticity, Volume 12, Issue 7, 1996, Pages , James G. Boyd and Dimitris C. Lagoudas 112. Matrix fracture in fiber-reinforced ceramics, Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Volume 34, Issue 2, 1986, Pages , Bernard Budiansky, John W. Hutchinson and Anthony G. Evans

239 113. Torsional Behavior of Shape Memory Alloys, Andrew C. Keefe, Greg P. Carman, A. Peter Jardine 114. A study on the deflection of shape memory alloy (SMA) reinforced thermo-viscoelastic beam, Composites Science & Technology, Volume 64, 2004, pages , X.W. Du, G. Sun and S.S. Sun 115. Mechanical behavior of shape memory alloys for seismic applications. 1. Martensite and austenite NiTi bars subjected to torsion, Mechanical Sciences, Volume 43, 2001, pages , Mauro Dolce and Donatello Cardone 116. Superelastic behavior in tension-torsion of an initially textured Ti-Ni shape memory alloy, International Journal of Plasticity, Volume 18, 2002, pages , P. Thamburaja and L. Anand 117. Shape memory effects under combined forces, Materials Science Engineering, 1997, pages , P. Sittner, M. Takakura and M. Tokuda 118. On the lattice parameters of phases in binary Ti Ni shape memory alloys, Acta Materialia, Volume 52, Issue 15, 6 September 2004, Pages , S. D. Prokoshkin, A. V. Korotitskiy, V. Brailovski, S. Turenne, I. Yu. Khmelevskaya and I. B. Trubitsyna 119. Very high strain-rate response of a NiTi shape-memory alloy, Mechanics of Materials, Sia Nemat-Nasser, Jeom-Yong Choi, Wei-Guo Guo and Jon B. Isaacs 120. Development of shape memory actuated ITU Robot Hand and its mine clearance compatibility, Journal of Materials Processing Technology, Savas Dilibal, R. Murat Tabanli and Adnan Dikicioglu 121. On the Fremond s constitutive model for shape memory alloys, Mechanics Research Communications, Alessandro P. Baêta-Neves, Marcelo A. Savi and Pedro M.C.L. Pacheco 122. Mesomechanical Modelling of Shape Memory Effect, David Vokoun and Vratislav Kafka 123. Thermomechanical characterization of NiTiCu and NiTi SMA actuators: influence of plastic strains, Smart Material Structures, Volume 9 (2000), pages , D. A. Miller & D. Lagoudas 124. Crystal structures and shape-memory bahaviour of NiTi, Nature Materials, Volume 2, May 2003, pages , X. Huang, G. Ackland & K. Rabe 125. Fatigue life characterization of shape memory alloys undergoing thermomechanical cyclic loading, Olivier W. Bertacchini, Dimitris C. Lagoudas, Etienne Patoor 126. Modeling of thermomechanical fatigue behavior in shape memory alloys using dual kriging, Materials & Design. Vol. 17, No. 3, pages , 1996, M.-A. Meunier, F. Trochu, * and P. Charbonnier 127. Shape memory-based multifunctional structural actuator panels, Dana M. Elzey*, Aarash Y.N. Sofla, Haydn N.G. Wadley 128. Mean stress effects on fatigue of NiTi, Materials Science and Engineering A, Volumes , 15 December 1999, Pages , R. M. Tabanli, N. K. Simha and B. T. Berg 129. Fatigue of NITI thermoelastic martensites, Acta Metallurgica, Volume 27, Issue 1, January 1979, Pages , K. N. Melton and O. Mercier 130. Fatigue life of Ti 50 at.% Ni and Ti 40Ni 10Cu (at.%) shape memory alloy wires, Materials Science and Engineering A, Volumes , 15 December 1999, Pages , S. Miyazaki, K. Mizukoshi, T. Ueki, T. Sakuma and Yinong Liu 131. An overview of nitinol medical applications, Materials Science and Engineering A, Volumes , 15 December 1999, Pages , T. Duerig, A. Pelton and D. Stöckel

240 132. Rotating-bending fatigue of a TiNi shape-memory alloy wire, Mechanics of Materials, Volume 26, Issue 1, July- August 1997, Pages 35-42, Hisaaki Tobushi, Takashi Hachisuka, Sinya Yamada and Ping-Hua Lin 133. Crystal structures of the shape memory alloy NiTi: Comments on recent publications in Acta metall. mater, Scripta Metallurgica et Materialia, Volume 26, Issue 7, 1 April 1992, Pages , W. Bührer, M. Zolliker and R. Gotthardt 134. Phase transformation characteristics of laser gas nitrided NiTi shape memory alloy, Surface and Coatings Technology, Volume 200, Issues 18-19, 8 May 2006, Pages , H.C. Man and N.Q. Zhao 135. In situ TEM observation of two-step martensitic transformation in aged NiTi shape memory alloy, Scripta Materialia, Volume 50, Issue 6, March 2004, Pages , L. Tan and W. C. Crone 136. Effects of heat treatment and ECAE process on transformation behaviors of TiNi shape memory alloy, Materials Letters, Volume 59, Issue 6, March 2005, Pages , Zhenhua Li, Xianhua Cheng and Qianqian ShangGuan 137. A study on the wire drawing of TiNi shape memory alloys, Materials Science and Engineering A, Volume 215, Issues 1-2, 15 September 1996, Pages , S.K. Wu, H.C. Lin and Y.C. Yen 138. Fibre Reinforcement, Copenhagen: Akademik Forlag, 1964 [33], H. Krenchel 139. Handbook of Polymer Fibre Composites, Longman Scientific & Technical, Harlow, England, 1994, Jones, F.R MuscleWires Project Book, Mondo-Tronics Inc., San Anselmo, 1994, Gilbertson, Roger G A Summary of Recent Research on the NITINOL Alloys and their Potential Application in Ocean Engineering, Ocean Engineering, 1, 1967, pp , Pergamon Press, Buehler, William J. Wang, Frederick E PZT application manual 143. Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 5 th Edition, F.P. Incropera and D.P. DeWitt

241 Παράρτημα ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ Δημοσιευμένες εργασίες σε επιστημονικά διεθνή περιοδικά, στα πλαίσια της εκπόνησης της παρούσας Διδακτορικής Διατριβής.

242 IOP PUBLISHING Smart Mater. Struct. 16 (2007) SMART MATERIALS AND STRUCTURES doi: / /16/6/060 Transformation fatigue and stress relaxation of shape memory alloy wires P Pappas 1,2, D Bollas 1,3, J Parthenios 1,3, V Dracopoulos 1 and C Galiotis 1,2,3 1 Foundation for Research and Technology Hellas, Institute of Chemical Engineering and High Temperature Chemical Processes, Patras, Greece 2 Materials Science Department, University of Patras, Greece 3 Inter-Departmental Programme of Graduate Studies in Polymer Science and Technology, University of Patras, Greece Received 8 March 2007, in final form 14 August 2007 Published 31 October 2007 Online at stacks.iop.org/sms/16/2560 Abstract The present work deals with the stress generation capability of nickel titanium shape memory alloys (SMAs) under constrained conditions for two well-defined loading modes: recurrent crystalline transformation (transformation fatigue) and a one-step continuous activation (generated stress relaxation). The data acquired will be very useful during the design process of an SMA Ni Ti element as a functional part of an assembly. Differential scanning calorimetry (DSC) was employed in order to investigate the transformation characteristics of the alloy before and after the tests. Transformation fatigue tests revealed that the parameter that affects more the rate of the functional degradation is the number of crystalline transitions the wire undergoes. Thus, the service life limit of this material as a stress generator can be reduced to a few thousand working cycles. For stress relaxation, the main factor that affects the ability for stress generation is the working temperature: the higher the temperature above the austenite finish (TA f ) limit the higher the relaxation effect. Thermomechanical treatment of the alloy during the tests reveals the hidden transformation from the cubic structure (B2) of austenite to the rhombohedral structure of the R-phase. It is believed that the gradual loss of the stress generation capability of the material under constrained conditions must be associated to a gradual slipping relaxation mechanism. Scanning electron microscopy (SEM) observations on as-received, re-trained, fatigued and stress-relaxed specimens in the martensitic state provide further support for this hypothesis. (Some figures in this article are in colour only in the electronic version) 1. Introduction Shape memory alloys (SMAs), under deformed and constrained conditions, exhibit the ability to generate mechanical stress, a characteristic that makes them ideal actuators in several modern applications. SMA-based actuators are capable of replacing complex and heavyweight driving motors with simple and lightweight components. Automotive and aerospace engineering are only two of the fields where SMAbased smart structures can be incorporated in several applications [1]. They can also withstand static or dynamic external loading with their actuating function. The most widely used alloy that exhibits shape memory behavior is the binary nickel titanium (Ni Ti) alloy. The wide use of Ni Ti in the form of rod, strip, tube, spring or wire, as an actuator is mainly due to its ability to generate large mechanical stresses to retrieve large deformations in the range of 6 8% and to be compatible for example with human body tissues. One can also modify its behavior by slightly changing the alloy composition. The Ni Ti alloy exists in the form of two different temperature-dependent stable crystalline structures: the hightemperature body centered cubic phase of austenite and the low-temperature monoclinic phase of martensite [2, 3]. If the SMA is deformed while being in the martensitic state, upon /07/ $ IOP Publishing Ltd Printed in the UK 2560

243 Transformation fatigue and stress relaxation of shape memory alloy wires Figure 1. The shape memory effect. heating, austenite will be formed and the original shape will be restored. During cooling, the inverse crystalline transformation from austenite to martensite will occur, without any change in the shape of the specimen (shape memory effect, SME, figure 1). The maximum recoverable strain reaches 6 8%. Further martensitic deformation results in unrecoverable strain which tends to reduce not only the force generation ability of the SMA material but also its ability to retrieve the original shape. If the SMA material is kept constrained during shape recovery a significant amount of mechanical stress will be induced. In the case of constrained SMA wires, the axial force upon shape recovery can reach values corresponding to 700 MPa of stress [4]. Depending on the way the SMAs are designed to operate in a particular application, their transformation fatigue and/or stress relaxation under constrained conditions are two important issues that define the operational life of a particular adaptive component. Cyclic loading of an SMA element must be associated with both structural and transformation (or functional) fatigue. Both of them limit the service life of the SMA component [5]. Fatigue of a structural material is the gradual reduction of its ability to support forces under a recurring external mechanical load, leading ultimately to fracture due to accumulating microstructural damage. For example, the accepted fatigue life of an SMA thermal valve is 10 4 cycles and that of an SMA robot gripper is 10 6 cycles [5, 6]. On the other hand, transformation fatigue is a phenomenon that occurs every time the SMA element functions as an actuator. It describes the gradual loss of its ability to generate mechanical stress under constrained conditions and retrieve its shape under cyclic martensitic austenitic transformation (activation). In this case, the SMA component cannot perform as an actuator although it may be still be effective as a structural element. Regarding structural fatigue, Tobushi et al [7] and Miyazaki et al [8] introduced the bending rotation fatigue test for SMA materials. Duerig et al [9] claimed that the bending rotation test is a good way to predict other types of fatigue behavior. Constant strain amplitude fatigue tests on Ni Ti wires (TA f = 77 C) revealed a fatigue life of cycles at 125 Cand cycles at 50 C for 3% strain amplitude. For 1% strain amplitude, the measured fatigue life was cycles and greater than 10 6 cycles, respectively [8]. In general, Ni Ti performs better in fatigue under strain controlled environments but it degrades rapidly under stress controlled experiments. Tobushi et al [7] performed bending rotation tests on Ni Ti wires and examined the influence of the strain amplitude, the air/water environment and the rotational speed of the assembly. They concluded that the measured relatively long structural fatigue life of Ni Ti is due to the small size of the material grains. Finally, Tabanli et al [10] examined the effect of mean stress during a recurring external load in super-elastic Ni Ti specimens. Depending on the value of the mean stress, the fatigue life varied from 10 4 to 10 5 cycles. In the field of transformation fatigue of Ni Ti shape memory alloys there is no or very little work reported. Eggeler et al [5] performed functional fatigue tests on Ni Ti 0.80 mm diameter springs in order to investigate the fatigue life of Ni Ti wires under cyclic thermomechanical loading. During the first 100 cycles the actuator spring suffered irreversible plastic deformation in both high and low temperature phases. This effect did not seem to progress further at higher working cycles. In this paper, we conduct a detailed examination of the transformation fatigue and stress relaxation during activation of Ni Ti wires under constrained conditions, in terms of the maximum generated axial mechanical stress. The stress relaxation test was conducted at the recommended working temperature of the alloy. The effect of elevated working temperature was recorded by studying the transformation fatigue behavior of the SMA wires at four different thermal environments. Post-experiment differential scanning calorimetry (DSC) tests were employed to assess possible alterations in the transformational characteristics of the tested specimens. 2561

244 P Pappas et al Table 1. Transformation temperatures (measured by DSC). Heating Cooling Hysteresis TA s ( C) TA f ( C) TA p ( C) TM s ( C) TM f ( C) TM p ( C) TA p TM p ( C) Figure 2. As-received Ni Ti SMA wire DSC test results. 2. Experimental details The present work was carried out by testing a binary, oneway, shape memory Ni Ti alloy in the form of a 300 μm diameter cold-rolled wire, with oxidized surface, produced by AMT (Belgium). Based on experimental results derived from tests conducted almost simultaneously with the work presented here [11], the shape memory of the as-received wires appears to have been set during the manufacturing process. It is believed that the tested material is well designed to perform as an actuator and, hence, to generate mechanical stress under constrained conditions very close to the maximum level, without prior plastic deformation of the martensite. The transformation characteristics were determined by DSC tests on a TA Instruments apparatus (Q100 model) according to the F2005 ASTM standard [12]. Analysis of the DSC data was performed using the TA Instruments DSC software TA Universal Analysis. During the austenitic transformation upon heating, the austenite start (TA s ), the austenite finish (TA f )and the austenite peak (TA p ) temperatures of the material were measured. The corresponding temperatures for the inverse transformation into martensite, TM s, TM f and TM p were also determined upon cooling. The pre-test DSC results for the Ni Ti SMA wire are shown in figure 2. The transformation temperatures, calculated using the tangential method, are also presented in table 1. It is important to note the anomalous shift of the austenitic transformation to higher temperatures which is observed during the first DSC thermal cycle of the SMA specimen. Before proceeding to the main set of experiments, a few samples of SMA wire were subjected to a re-training procedure [13]. The wires were placed in a fully controlled laboratory oven for 5 min at 510 C under no external load (0% strain). The re-training procedure aimed at the complete removal of any plastic deformation due to manufacturing or packaging of the product. It is also expected that the re-trained wires will no longer be able to act as force generators unless they are plastically deformed. DSC characterization of these specimens was performed between ambient temperature and 130 C, following exactly the same cooling and heating rates as those employed in the DSC tests of the as-received material. Finally, the trained wires were activated under constrained conditions in order to confirm the initial premise that the stress generating ability of the as-received wires was due to prestraining during manufacture. All transformation fatigue and stress relaxation tests were conducted on a tailor-made experimental system (THERMIS) developed for the needs of this project [11]. The system is capable of performing thermomechanical tests on SMAs in the form of wire, strip, rod or tube. It is also capable of testing and characterizing composites incorporating SMAs. As showninfigure3(a), it consists of several sub-components, capable of real-time data acquisition: (i) a fully controlled and programmable hydraulic mechanical testing system (MTS) to record the mechanical axial stress upon wire activation at fixed strain values, (ii) a thermal IR camera system (Nikon, Thermal Vision Laird 3A) to record the wire surface temperature at specific points and the wire surface temperature distribution, (iii) a fully programmable SMA wire activation device by means of an electric power unit, (iv) a multi-channel temperature recording system using J-type thermocouples obtained from RS, UK and, finally, (v) a specially developed torsional SMA tester mounted on the MTS. It is worth mentioning here that the SMA wire transformation fatigue and stress relaxation experiments do not require real-time recording of the generated mechanical stress, therefore using a mechanical frame such as an MTS was not deemed necessary. Thus, in order to conduct less demanding but time-consuming tests, a portable SMA wire-tester (figure 3(b)) was developed, capable of recording the generated force during activation. In order to activate the specimen, we take advantage of the wire resistance and the Joule effect, letting a certain amount of electric current pass through the wire and thus raising its temperature. The SMA transformation fatigue tests were carried out using a 120 mm long, 0% pre-strained Ni Ti wire, kept constrained on the portable device described above. The device was placed into an isolation box to avoid environmental disturbances and to maintain the temperature distribution as uniform as possible. During activation, the maximum temperature of the Ni Ti wire was just above 110 C, while the controlled room temperature was maintained at 25 C by air conditioning. Constrained conditions tend to shift the transformation temperatures upwards [19, 20]. In the case of constrained (embedded in a polymer matrix) Ni Ti wires it has been found that the TA f temperature increase does not exceed the range of 5 10 C, even if the pre-strain level reaches 6% [20]. The difference of about 30 C between the wire maximum temperature and TA f is therefore enough to ensure that the austenitic transformation has been completed 2562

245 'Thermis' system Transformation fatigue and stress relaxation of shape memory alloy wires (a) (b) LOAD CELL SMA WIRE Figure 3. (a) THERMIS thermomechanical characterization system. (b) Portable SMA wire activation force measuring device. Ι Time Figure 4. The squared waveform of the activation electric current. and that the 0% pre-strained SMA wire is fully activated. The applied electric current had the form of a squared waveform (figure 4). The heating time is equal to the pulse duration t 1, while t 2 represents the wire cooling time. Hence, one transformation cycle is completed at t 1 + t 2. The cooling time during all experiments was kept constant at 15 s. Two of the most important parameters affecting the Ni Ti wire functional fatigue behavior are the number of the transformation cycles the material is subjected to and the activation time (heating time) in each cycle. In order to study how the activation time affects the transformation fatigue behavior of the wires, the experiment was repeated for different duty cycles, k [14] as defined below: Duty cycle, k = t 1. (1) t 1 + t 2 The mechanical stress relaxation test investigates the ability of the Ni Ti wires to maintain the generated axial force when activated. After activating the 120 mm long, 0% pre-strained wires, the magnitude of the generated force was being recorded as a function of time. The effect of the working temperature on the stress relaxation was also studied by varying the magnitude of the electric current heating the wires. Similar to the transformation fatigue tests, the SMA wire was kept protected from surrounding air fluctuations and the environment temperature was also kept at 25 C. In all experiments, the maximum time of continuous activation was 225 h (9.4 days). Prior to testing, unconstrained SMA wires were subjected to a few activation cycles in order to establish a steady functional state. On completion of the above tests, both types of specimen were subjected to post-mortem DSC measurements, in an attempt to track down possible irreversible changes in the transformational characteristics of the alloy. In addition, aiming to obtain useful information about the thermomechanical fatigue mechanism in the Ni Ti alloy, four different types of wire specimens were observed using the SEM technique: as-received wires, re-trained wires and of course specimens originating from the stress relaxation and fatigue experiments conducted. All the SEM observations were conducted on a Zeiss Supra 35VP system with a field emission gun under a voltage of kv. 3. Results Precise control of the wire temperature was a critical parameter in order to achieve reliable results from both types of test. Relating the wire resistance to temperature is problematic; therefore, the wire surface temperature was monitored by employing sensitive thermocouples and the IR camera. For the 120 mm long Ni Ti wire, the temperature data were related to 2563

246 P Pappas et al Figure 5. Thermal IR camera image of an activated SMA wire specimen; the temperature distribution from the wire axis to the outside is shown on the right. austenitic transformation zone Figure 6. Temperature of a 120 mm long Ni Ti wire versus electric power. Figure 7. Resistivity of a 0.3 mm diameter Ni Ti wire versus temperature during heating and cooling. the amount of electric power required to heat the specimen. In figure 5, the surface temperature distribution of the Ni Ti test wire is shown. It is clearly visible that the body of the SMA wire is not uniformly heated and that temperature decreases from the inside to the outer surface due to the fact that the specimen is exposed to the open air. It is expected that the temperature at the center of the wire is a few degrees higher than that measured by using thermocouples on the surface. In figure 6, the recorded temperature of the wire surface at the middle of its length is plotted as a function of the input power; the results can be considered as exhibiting two linear relationships corresponding to martensite and austenite phases, respectively. If this relationship holds true, then, inversely, the resistance of the two phases can be estimated by conducting independent temperature measurements. Since the working temperature for all fatigue and stress relaxation tests was well above TA f, it is reasonable to employ a linear equation, which for the austenite region is given by T = P , T > TA f, (2) where T stands for temperature in CandP stands for electric power in watts. Equation (2) is only valid for a 120 mm long wire. The electric power is proportional to the resistance of the wire. The resistance is also proportional to the length of the wire, according to R = ρ L (3) A where ρ stands for resistivity, A is the cross-sectional area of the wire, and L stands for wire length. By testing unconstrained as-received Ni Ti wires on the THERMIS system it was made possible to measure the alterations of the resistivity, ρ, during activation, as well as the hysteresis effect upon cooling. The results are presented in figure 7. Fromthe above, it follows that the temperature is proportional to the electric power and that the electric power is proportional to the wire length. This makes it possible to predict and control the temperature of a 0.3 mm diameter Ni Ti wire in the open air by adjusting the input electric power (equation (2)) Re-trained wire tests The DSC results for the trained SMA wires are presented in figure 8. It is obvious that the shift observed earlier (figure 2) of the austenitic transformation to higher values at the first thermal cycle is also obtained here. On cooling, as the martensitic transformation takes place, two different crystalline transitions are present, as manifested by the two peaks in the 2564

ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΣ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΝΗΜΗΣ ΣΧΗΜΑΤΟΣ

ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΣ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΝΗΜΗΣ ΣΧΗΜΑΤΟΣ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟΣ ΚΡΑΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΝΗΜΗΣ ΣΧΗΜΑΤΟΣ Το φαινόµενο της µνήµης σχήµατος συνδέεται µε τη δυνατότητα συγκεκριµένων υλικών να «θυµούνται» το αρχικό τους σχήµα ακόµα και µετά από εκτεταµένες παραµορφώσεις

Διαβάστε περισσότερα

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2016

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2016 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2016 Κεραμικών και Πολυμερικών Υλικών Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών galiotis@chemeng.upatras.gr 1 Εισαγωγή Όπως ήδη είδαμε, η μηχανική συμπεριφορά των υλικών αντανακλά

Διαβάστε περισσότερα

Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές CMNG_2197- Κώστας Γαλιώτης

Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές CMNG_2197- Κώστας Γαλιώτης Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές CMNG_2197- Κώστας Γαλιώτης Κεφάλαιο 1. Σύνθετα Υλικά Υλικά για Ενεργειακές Εφαρμογές/ Κεφάλαιο 1 - Σύνθετα Υλικά 1 Περιεχόμενα Μαθήματος 1. Εισαγωγικές έννοιες. Είδη σύνθετων

Διαβάστε περισσότερα

Χρήστος Β. Κατσιρόπουλος

Χρήστος Β. Κατσιρόπουλος ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΔΙΑΤΜΗΜΑΤΙΚΟ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΩΝ ΣΠΟΥΔΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Παρασκευή και Μελέτη Συνθέτων Υλικών πολυμερικής Μήτρας με ενίσχυση υπερ-ελαστικών

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών Θερμικές Ιδιότητες Callister Κεφάλαιο 20, Ashby Κεφάλαιο 12

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών Θερμικές Ιδιότητες Callister Κεφάλαιο 20, Ashby Κεφάλαιο 12 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών Θερμικές Ιδιότητες Callister Κεφάλαιο 20, Ashby Κεφάλαιο 12 Πως αντιδρά ένα υλικό στην θερμότητα. Πως ορίζουμε και μετράμε τα ακόλουθα μεγέθη: Θερμοχωρητικότητα Συντελεστή

Διαβάστε περισσότερα

Διεπιφανειακοί Δεσμοί

Διεπιφανειακοί Δεσμοί Διεπιφανειακοί Δεσμοί (a) Διάφοροι τύποι μοριακή διάχυση (b) (c) ηλεκτροστατική έλξη δευτερογενής πρόσφυση (d) (e) χημικός (ομοιοπολικός) δεσμός μηχανική πρόσφυση 1 Είδη Διεπιφανειακών Δεσμών Yπάρχουν

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστηριακή Άσκηση 01 Κατηγοριοποιήση υλικών-επίδειξη δοκιμίων Διδάσκοντες: Δρ Γεώργιος Ι. Γιαννόπουλος Δρ Θεώνη Ασημακοπούλου Δρ ΘεόδωροςΛούτας Τμήμα Μηχανολογίας ΑΤΕΙ Πατρών

Διαβάστε περισσότερα

Έλεγχος Ποιότητας και Τεχνολογία Δομικών Υλικών

Έλεγχος Ποιότητας και Τεχνολογία Δομικών Υλικών ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Έλεγχος Ποιότητας και Τεχνολογία Δομικών Υλικών Ενότητα 4: Δοκιμή Εφελκυσμού Χάλυβα Οπλισμού Σκυροδέματος Ευάγγελος Φουντουκίδης

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστηριακή Άσκηση 09 Σύνθετα Υλικά Διδάσκοντες: Δρ Γεώργιος Ι. Γιαννόπουλος Δρ Θεόδωρος Λούτας Δρ Χρήστος Κατσιρόπουλος Τμήμα Μηχανολογίας ΑΤΕΙ Πατρών Πάτρα 2011 1 Σύσταση

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστηριακή Άσκηση 02 Μεταλλογραφική Παρατήρηση Διδάσκοντες: Δρ Γεώργιος Ι. Γιαννόπουλος Δρ Θεώνη Ασημακοπούλου Δρ ΘεόδωροςΛούτας Τμήμα Μηχανολογίας ΑΤΕΙ Πατρών Πάτρα 2011

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ. Δυσκαμψία & βάρος: πυκνότητα και μέτρα ελαστικότητας

ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ. Δυσκαμψία & βάρος: πυκνότητα και μέτρα ελαστικότητας ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Δυσκαμψία & βάρος: πυκνότητα και μέτρα ελαστικότητας Αντοχή και Δυσκαμψία (Strength and Stiffness) Η τάση (stress) εφαρμόζεται σ ένα υλικό μέσω της φόρτισής του Παραμόρφωση

Διαβάστε περισσότερα

7. Στρέψη. Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών. 7. Στρέψη/ Μηχανική Υλικών

7. Στρέψη. Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών. 7. Στρέψη/ Μηχανική Υλικών 7. Στρέψη Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών 7. Στρέψη/ Μηχανική Υλικών 2015 1 Εισαγωγή Σε προηγούμενα κεφάλαια μελετήσαμε πώς να υπολογίζουμε τις ροπές και τις τάσεις σε δομικά μέλη τα

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Συνθέτων Υλικών

Εργαστήριο Συνθέτων Υλικών Εργαστήριο Συνθέτων Υλικών Εργαστηριακή Άσκηση 04 ΥΛΙΚΑ ΕΝΙΣΧΥΣΗΣ Διδάσκων Δρ Κατσιρόπουλος Χρήστος Τμήμα Μηχανολογίας ΑΤΕΙ Πατρών 2014-15 1 Ταξινόμηση ΣΥ 2 Διάφοροι Τύποι ινών 3 Ίνες Άνθρακα -υψηλές ειδικές

Διαβάστε περισσότερα

ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ I

ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ I ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΜΕΤΑΛΛΩΝ I 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μηχανική συμπεριφορά αντανακλά την σχέση παραμόρφωση ασκούμενο φορτίο/δύναμη Να γνωρίζουμε τα χαρακτηριστικά του υλικού - να αποφευχθεί υπερβολική παραμόρφωση,

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ. Πλαστικότητα, Διαρροή, Ολκιμότητα

ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ. Πλαστικότητα, Διαρροή, Ολκιμότητα ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Πλαστικότητα, Διαρροή, Ολκιμότητα Διαρροή (Yielding) Αντοχή σε διαρροή (yield strength) είναι η τάση πέρα από την οποία το υλικό επιδεικνύει πλαστική συμπεριφορά

Διαβάστε περισσότερα

Μηχανικές ιδιότητες υάλων. Διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης (stress-stain)

Μηχανικές ιδιότητες υάλων. Διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης (stress-stain) Μηχανικές ιδιότητες υάλων Η ψαθυρότητα των υάλων είναι μια ιδιότητα καλά γνωστή που εύκολα διαπιστώνεται σε σύγκριση με ένα μεταλλικό υλικό. Διάγραμμα τάσης-παραμόρφωσης (stress-stain) E (Young s modulus)=

Διαβάστε περισσότερα

6. ΘΕΡΜΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ

6. ΘΕΡΜΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ 6-1 6. ΘΕΡΜΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ 6.1. ΙΑ ΟΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Πολλές βιοµηχανικές εφαρµογές των πολυµερών αφορούν τη διάδοση της θερµότητας µέσα από αυτά ή γύρω από αυτά. Πολλά πολυµερή χρησιµοποιούνται

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών

Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστηριακή Άσκηση 07 Εφελκυσμός Διδάσκοντες: Δρ Γεώργιος Ι. Γιαννόπουλος Δρ Θεώνη Ασημακοπούλου Δρ Θεόδωρος Λούτας Τμήμα Μηχανολογίας ΑΤΕΙ Πατρών Πάτρα 2011 1 Μηχανικές

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ. Οικογενειακά δένδρα: οργάνωση υλικών και διεργασιών

ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ. Οικογενειακά δένδρα: οργάνωση υλικών και διεργασιών ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Οικογενειακά δένδρα: οργάνωση υλικών και διεργασιών 1 Επιτυχημένο προϊόν: Αποδίδει καλά. Καλή αξία σε σχέση με το κόστος. Προσφέρει ευχαρίστηση στον χρήστη. ΥΛΙΚΑ

Διαβάστε περισσότερα

Δρ. Μηχ. Μηχ. Α. Τσουκνίδας. Σχήμα 1

Δρ. Μηχ. Μηχ. Α. Τσουκνίδας. Σχήμα 1 Σχήμα 1 Εξαιτίας της συνιστώσας F X αναπτύσσεται εντός του υλικού η ορθή τάση σ: N σ = A N 2 [ / ] Εξαιτίας της συνιστώσας F Υ αναπτύσσεται εντός του υλικού η διατμητική τάση τ: τ = mm Q 2 [ N / mm ] A

Διαβάστε περισσότερα

Η ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ, ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΩΝ ΜΝΗΜΕΙΩΝ-II

Η ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ, ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΩΝ ΜΝΗΜΕΙΩΝ-II Η ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ, ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΩΝ ΜΝΗΜΕΙΩΝ-II Άρης Αβδελάς Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης B. ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΚΑΙ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ

Διαβάστε περισσότερα

Γραπτή εξέταση προόδου «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών ΙΙ»-Απρίλιος 2016

Γραπτή εξέταση προόδου «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών ΙΙ»-Απρίλιος 2016 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ-ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΘΕΜΑ 1 ο (25 Μονάδες) (Καθ. Β.Ζασπάλης) Σε μια διεργασία ενανθράκωσης κάποιου

Διαβάστε περισσότερα

2. Σύνθετα υλικά µε ενίσχυση. ινών (fibrous composites) σωµατιδίων (particulate composites) 3. Στρωµατικά σύνθετα υλικά (laminar composites)

2. Σύνθετα υλικά µε ενίσχυση. ινών (fibrous composites) σωµατιδίων (particulate composites) 3. Στρωµατικά σύνθετα υλικά (laminar composites) ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1..Ι. Παντελής (2008) «Μη µεταλλικά τεχνικά υλικά», Εκδ. Παπασωτηρίου (2 η έκδοση), Αθήνα 2. Μ. Ashby, H. Shercliff, D. Cebon (2011) «Υλικά: Μηχανική, επιστήµη, επεξεργασία και

Διαβάστε περισσότερα

ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ. Χ. Κορδούλης

ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ. Χ. Κορδούλης ΔΟΜΗ ΚΑΙ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ Χ. Κορδούλης ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ Τα κεραμικά υλικά είναι ανόργανα µη μεταλλικά υλικά (ενώσεις μεταλλικών και μη μεταλλικών στοιχείων), τα οποία έχουν υποστεί θερμική κατεργασία

Διαβάστε περισσότερα

1.2. Ο ΣΙΔΗΡΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΚΡΑΜΑΤΑ ΤΟΥ.

1.2. Ο ΣΙΔΗΡΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΚΡΑΜΑΤΑ ΤΟΥ. 1.2. Ο ΣΙΔΗΡΟΣ ΚΑΙ ΤΑ ΚΡΑΜΑΤΑ ΤΟΥ. Ο σίδηρος πολύ σπάνια χρησιμοποιείται στη χημικά καθαρή του μορφή. Συνήθως είναι αναμεμειγμένος με άλλα στοιχεία, όπως άνθρακα μαγγάνιο, νικέλιο, χρώμιο, πυρίτιο, κ.α.

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Εφελκυσμού. ΕργαστηριακήΆσκηση2 η

ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Εφελκυσμού. ΕργαστηριακήΆσκηση2 η ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Εφελκυσμού ΕργαστηριακήΆσκηση2 η Κατηγορίες υλικών Μέταλλα Σιδηρούχαµέταλλα (ατσάλι, ανθρακούχοι, κραµατούχοι και ανοξείγωτοιχάλυβες, κ.α. Πολυµερικά υλικά Πλαστικά Ελαστοµερή Μη

Διαβάστε περισσότερα

1 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (ΕΙΣΑΓΩΓΗ)

1 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (ΕΙΣΑΓΩΓΗ) ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΜΠ ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 1 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ (ΕΙΣΑΓΩΓΗ) Ε. Βιντζηλαίου (Συντονιστής), Ε. Βουγιούκας, Ε. Μπαδογιάννης Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες

Διαβάστε περισσότερα

ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ (DISLOCATIONS )

ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ (DISLOCATIONS ) ΔΙΑΤΑΡΑΧΕΣ (DISLOCATIONS ) 1. ΕΙΣΑΓΩΓΉ Η αντοχή και η σκληρότητα είναι μέτρα της αντίστασης ενός υλικού σε πλαστική παραμόρφωση Σε μικροσκοπική κλίμακα, πλαστική παραμόρφωση : - συνολική κίνηση μεγάλου

Διαβάστε περισσότερα

ΤΕΙ ΠΑΤΡΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΤΟΧΗΣ ΥΛΙΚΩΝ. Γεώργιος Κ. Μπαράκος Διπλ. Αεροναυπηγός Μηχανικός Καθηγητής Τ.Ε.Ι. ΚΑΜΨΗ. 1.

ΤΕΙ ΠΑΤΡΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΤΟΧΗΣ ΥΛΙΚΩΝ. Γεώργιος Κ. Μπαράκος Διπλ. Αεροναυπηγός Μηχανικός Καθηγητής Τ.Ε.Ι. ΚΑΜΨΗ. 1. ΤΕΙ ΠΑΤΡΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΝΤΟΧΗΣ ΥΛΙΚΩΝ Γεώργιος Κ. Μπαράκος Διπλ. Αεροναυπηγός Μηχανικός Καθηγητής Τ.Ε.Ι. ΚΑΜΨΗ 1. Γενικά Με τη δοκιμή κάμψης ελέγχεται η αντοχή σε κάμψη δοκών από διάφορα

Διαβάστε περισσότερα

Επιστήμη και Τεχνολογία Συγκολλήσεων. Ενότητα 9: Θραύση και κόπωση συγκολλήσεων Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών

Επιστήμη και Τεχνολογία Συγκολλήσεων. Ενότητα 9: Θραύση και κόπωση συγκολλήσεων Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Επιστήμη και Τεχνολογία Συγκολλήσεων Ενότητα 9: Θραύση και κόπωση συγκολλήσεων Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ

ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ Πετούσης Μάρκος, Δρ. Μηχανολόγος Μηχανικός Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. ΤΕΙ Κρήτης Σύνθετα υλικά Σύνθετα υλικά

Διαβάστε περισσότερα

5. Θερμικές τάσεις και παραμορφώσεις

5. Θερμικές τάσεις και παραμορφώσεις 5. Θερμικές τάσεις και παραμορφώσεις Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών 5. Θερμικές Τάσεις και Παραμορφώσεις/ Μηχανική Υλικών 2015 1 Περιεχόμενα ενότητας Επίδραση ορθών τάσεων στη μεταβολή

Διαβάστε περισσότερα

Επιστήμη των Υλικών. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τμήμα Φυσικής

Επιστήμη των Υλικών. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τμήμα Φυσικής Επιστήμη των Υλικών Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τμήμα Φυσικής 2017 Α. Δούβαλης Μηχανικές ιδιότητες των στερεών (μεταλλικά στερεά) Τάση και παραμόρφωση Τάση (stress): αίτιο (δύναμη/ροπή) που προκαλεί παραμόρφωση

Διαβάστε περισσότερα

Δρ. Μηχ. Μηχ. Α. Τσουκνίδας. Σχήμα 1

Δρ. Μηχ. Μηχ. Α. Τσουκνίδας. Σχήμα 1 Σχήμα 1 Τεχνικής Μηχανικής Διαγράμματα Ελευθέρου Σώματος (Δ.Ε.Σ.) Υπολογισμός Αντιδράσεων Διαγράμματα Φορτίσεων Διατομών (MNQ) Αντοχή Φορέα? Αντικείμενο Τεχνικής Μηχανικής Σχήμα 2 F Y A Γ B A Y B Y 1000N

Διαβάστε περισσότερα

3 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

3 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΣΧΟΛΗ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΜΠ ΤΕΧΝΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 3 η ΕΝΟΤΗΤΑ ΦΥΣΙΚΕΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ Ε. Βιντζηλαίου (Συντονιστής), Ε. Βουγιούκας, Ε. Μπαδογιάννης Άδεια Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε

Διαβάστε περισσότερα

Ανθεκτικότητα Υλικών και Περιβάλλον

Ανθεκτικότητα Υλικών και Περιβάλλον Ανθεκτικότητα Υλικών και Περιβάλλον Ν. Μ. Μπάρκουλα, Επίκουρη Καθηγήτρια, Δρ. Μηχ/γος Μηχανικός 1 Τι είναι: Περίγραμμα Μαθήματος Επιλογής Μάθημα Επιλογής στο 9ο Εξάμηνο του ΤΜΕΥ Με τι ασχολείται: Με την

Διαβάστε περισσότερα

Μάθημα: Πειραματική Αντοχή Υλικών Πείραμα εφελκυσμού

Μάθημα: Πειραματική Αντοχή Υλικών Πείραμα εφελκυσμού Μάθημα: Πειραματική Αντοχή Υλικών Πείραμα εφελκυσμού Κατασκευαστικός Τομέας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Περιεχόμενα Σχήμα 1 οκίμια εφελκυσμού

Διαβάστε περισσότερα

«Αριθμητική και πειραματική μελέτη της διεπιφάνειας χάλυβασκυροδέματος στις σύμμικτες πλάκες με χαλυβδόφυλλο μορφής»

«Αριθμητική και πειραματική μελέτη της διεπιφάνειας χάλυβασκυροδέματος στις σύμμικτες πλάκες με χαλυβδόφυλλο μορφής» ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΤΗΣ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗΣ ΔΙΑΤΡΙΒΗΣ «Αριθμητική και πειραματική μελέτη της διεπιφάνειας χάλυβασκυροδέματος στις σύμμικτες πλάκες με χαλυβδόφυλλο μορφής» του Θεμιστοκλή Τσαλκατίδη, Δρ. Πολιτικού Μηχανικού

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή. 1.1 Ο κόσμος των υλικών

Εισαγωγή. 1.1 Ο κόσμος των υλικών Εισαγωγή 1 1 Εισαγωγή Βατάλης Αργύρης 1.1 Ο κόσμος των υλικών Tα υλικά αποτελούν μέρος της βάσης όλων των τεχνολογικών εξελίξεων. Όλες οι ανθρώπινες δραστηριότητες και το επίπεδο ζωής επηρεάζονται σε μεγάλο

Διαβάστε περισσότερα

Εργαστήριο Συνθέτων Υλικών

Εργαστήριο Συνθέτων Υλικών Εργαστήριο Συνθέτων Υλικών Εργαστηριακή Άσκηση 03 ΔΟΚΙΜΕΣ(TEST) ΤΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ Διδάσκων Δρ Κατσιρόπουλος Χρήστος Τμήμα Μηχανολογίας ΑΤΕΙ Πατρών 2014-15 1 Καταστροφικές μέθοδοι 1. Τεχνική διάλυσης της μήτρας

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Κρούσης. ΕργαστηριακήΆσκηση 6 η

ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Κρούσης. ΕργαστηριακήΆσκηση 6 η ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Κρούσης ΕργαστηριακήΆσκηση 6 η Σκοπός Σκοπός του πειράµατος είναι να κατανοηθούν οι αρχές του πειράµατος κρούσης οπροσδιορισµόςτουσυντελεστήδυσθραυστότητας ενόςυλικού. Η δοκιµή, είναι

Διαβάστε περισσότερα

Τελική γραπτή εξέταση «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών ΙΙ»-Ιούνιος 2016

Τελική γραπτή εξέταση «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών ΙΙ»-Ιούνιος 2016 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ-ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΘΕΜΑ 1 ο (25 Μονάδες) (Καθ. Β.Ζασπάλης) Δοκίμιο από PMMA (Poly Methyl MethAcrylate)

Διαβάστε περισσότερα

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ - 2017 Β3. Κόπωση Υλικών Κώστας Γαλιώτης, καθηγητης Τμήματος Χημικών Μηχανικών galiotis@chemeng.upatras.gr Β3. Κόπωση/Μηχανική Υλικών 1 Εισαγωγή (1/2) Η κόπωση είναι μία μορφή αστοχίας

Διαβάστε περισσότερα

Φυσική ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ. Ενότητα 3: Στερεά διαλύματα και ενδομεταλλικές ενώσεις. Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών

Φυσική ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ. Ενότητα 3: Στερεά διαλύματα και ενδομεταλλικές ενώσεις. Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Φυσική ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ Ενότητα 3: Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό

Διαβάστε περισσότερα

dq dt μεταβολή θερμοκρασίας C = C m ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ J mole Θερμικές ιδιότητες Θερμοχωρητικότητα

dq dt μεταβολή θερμοκρασίας C = C m ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ J mole Θερμικές ιδιότητες Θερμοχωρητικότητα ΥΛΙΚΑ Ι ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ 7 κές Ιδιότητες ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ κές ιδιότητες Θερμοχωρητικότητα κή διαστολή κή αγωγιμότητα γμ κή τάση Θερμοχωρητικότητα Η θερμοχωρητικότητα

Διαβάστε περισσότερα

1 Η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΛΥΒΕΣ

1 Η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΛΥΒΕΣ Η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΧΑΛΥΒΕΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΤΡΙΩΡΟ ΟΝΟΜΑΤΕΠΩΝΥΜΟ Α.Μ. ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΑΣΚΗΣΗ Α. ΟΠΤΙΚΗ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΑ. Στο μεταλλογραφικό μικροσκόπιο Leitz μελετήθηκαν κατάλληλα προετοιμασμένα δοκίμια χάλυβα. 2.

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ. Ενότητα 8: ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΛΙΤΣΑΡΔΑΚΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΤΗΜΜΥ

ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ. Ενότητα 8: ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΛΙΤΣΑΡΔΑΚΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΤΗΜΜΥ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ Ενότητα 8: ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΛΙΤΣΑΡΔΑΚΗΣ ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΤΗΜΜΥ Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης

Διαβάστε περισσότερα

Η ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ, ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΩΝ ΜΝΗΜΕΙΩΝ-II

Η ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ, ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΩΝ ΜΝΗΜΕΙΩΝ-II Η ΧΡΗΣΗ ΤΟΥ ΧΑΛΥΒΑ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ, ΣΥΝΤΗΡΗΣΗ ΚΑΙ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΩΝ ΜΝΗΜΕΙΩΝ-II Άρης Αβδελάς Εργαστήριο Μεταλλικών Κατασκευών Αριστοτέλειο Πανεπιστήµιο Θεσσαλονίκης B. ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΚΑΙ ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ

Διαβάστε περισσότερα

ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ (ΕΝΑΕΡΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΑ ΣΥΡΜΑΤΑ)

ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ (ΕΝΑΕΡΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΑ ΣΥΡΜΑΤΑ) ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ (ΕΝΑΕΡΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΦΟΡΑ ΣΥΡΜΑΤΑ) Οι ηλεκτρικές εφαρµογές του αλουµινίου εκµεταλλεύονται πρώτιστα την πολύ καλή ηλεκτρική αγωγιµότητα (χαµηλή ειδική αντίσταση) του µετάλλου,

Διαβάστε περισσότερα

ΥΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ

ΥΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ ΥΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ Ι 2 Κατηγορίες Υλικών ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Παραδείγματα Το πεντάγωνο των υλικών Κατηγορίες υλικών 1 Ορυκτά Μέταλλα Φυσικές πηγές Υλικάπουβγαίνουναπότηγημεεξόρυξηήσκάψιμοή

Διαβάστε περισσότερα

Ερωτήσεις-Θέματα προηγούμενων εξετάσεων

Ερωτήσεις-Θέματα προηγούμενων εξετάσεων Ερωτήσεις-Θέματα προηγούμενων εξετάσεων Μέρος Α Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή 1.1. Ποια είναι η διάκριση μεταξύ Μεσοφάσεων και Υγροκρυσταλλικών φάσεων; Κεφάλαιο ο Είδη και Χαρακτηριστικά των Υγρών Κρυστάλλων.1.

Διαβάστε περισσότερα

ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΜΕ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ. Πλαστική παραμόρφωση με διατήρηση όγκου

ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΜΕ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ. Πλαστική παραμόρφωση με διατήρηση όγκου ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΤΑΛΛΩΝ ΜΕ ΔΙΑΜΟΡΦΩΣΗ Πλαστική παραμόρφωση με διατήρηση όγκου Περιοχή ευσταθούς πλαστικής παραμόρφωσης Η πλαστική παραμορφωση πέρα από το σημείο διαρροής απαιτεί την αύξηση της επιβαλλόμενης

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Ερπυσμού. ΕργαστηριακήΆσκηση 4 η

ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Ερπυσμού. ΕργαστηριακήΆσκηση 4 η ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Ερπυσμού ΕργαστηριακήΆσκηση 4 η Σκοπός Σκοπός του πειράµατος είναι ο πειραµατικός προσδιορισµός της καµπύλης ερπυσµού, υπό σταθερό εξωτερικό φορτίο και ελεγχοµένη θερµοκρασία εκτέλεσης

Διαβάστε περισσότερα

Αγωγιμότητα στα μέταλλα

Αγωγιμότητα στα μέταλλα Η κίνηση των ατόμων σε κρυσταλλικό στερεό Θερμοκρασία 0 Θερμοκρασία 0 Δ. Γ. Παπαγεωργίου Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων dpapageo@cc.uoi.gr http://pc164.materials.uoi.gr/dpapageo

Διαβάστε περισσότερα

ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Στρέψης. ΕργαστηριακήΆσκηση 3 η

ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Στρέψης. ΕργαστηριακήΆσκηση 3 η ΑΝΤΟΧΗ ΥΛΙΚΩΝ Πείραμα Στρέψης ΕργαστηριακήΆσκηση 3 η Σκοπός Σκοπός του πειράµατος είναι ηκατανόησητωνδιαδικασιώνκατάτηκαταπόνησηστρέψης, η κατανόηση του διαγράµµατος διατµητικής τάσης παραµόρφωσης η ικανότητα

Διαβάστε περισσότερα

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Θεωρούµε ινώδες σύνθετο υλικό ενισχυµένο µονοδιευθυντικά µε συνεχείς ίνες. Για τη µελέτη της µηχανικής συµπεριφοράς µιας τυχαίας στρώσης, πρέπει να είναι γνωστές οι

Διαβάστε περισσότερα

Γραπτή εξέταση προόδου «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών ΙΙ»-Απρίλιος 2017

Γραπτή εξέταση προόδου «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών ΙΙ»-Απρίλιος 2017 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ-ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Θέμα 1 ο (25 μονάδες) Σε ένα στάδιο της διεργασίας παραγωγής ολοκληρωμένων

Διαβάστε περισσότερα

ηλεκτρικό ρεύμα ampere

ηλεκτρικό ρεύμα ampere Ηλεκτρικό ρεύμα Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ο ρυθμός με τον οποίο διέρχεται ηλεκτρικό φορτίο από μια περιοχή του χώρου. Η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού ρεύματος στο σύστημα SI είναι το ampere (A). 1 A =

Διαβάστε περισσότερα

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΓENIKA Θερµική κατεργασία είναι σύνολο διεργασιών που περιλαµβάνει τη θέρµανση και ψύξη µεταλλικού προϊόντος σε στερεά κατάσταση και σε καθορισµένες θερµοκρασιακές και χρονικές συνθήκες.

Διαβάστε περισσότερα

Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων. Ανόργανη Χημεία. Ενότητα 8 η : Υγρά, Στερεά & Αλλαγή Φάσεων. Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής.

Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων. Ανόργανη Χημεία. Ενότητα 8 η : Υγρά, Στερεά & Αλλαγή Φάσεων. Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής. Τμήμα Τεχνολογίας Τροφίμων Ανόργανη Χημεία Ενότητα 8 η : Υγρά, Στερεά & Αλλαγή Φάσεων Οκτώβριος 2018 Δρ. Δημήτρης Π. Μακρής Αναπληρωτής Καθηγητής Πολικοί Ομοιοπολικοί Δεσμοί & Διπολικές Ροπές 2 Όπως έχει

Διαβάστε περισσότερα

2η Εργαστηριακή Άσκηση Εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης από τη θερμοκρασία Θεωρητικό μέρος

2η Εργαστηριακή Άσκηση Εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης από τη θερμοκρασία Θεωρητικό μέρος 2η Εργαστηριακή Άσκηση Εξάρτηση της ηλεκτρικής αντίστασης από τη θερμοκρασία Θεωρητικό μέρος Όπως είναι γνωστό από την καθημερινή εμπειρία τα περισσότερα σώματα που χρησιμοποιούνται στις ηλεκτρικές ηλεκτρονικές

Διαβάστε περισσότερα

ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗΣ. Δρ. Φ. Σκιττίδης, Δρ. Π. Ψυλλάκη

ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗΣ. Δρ. Φ. Σκιττίδης, Δρ. Π. Ψυλλάκη ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗΣ Δρ. Φ. Σκιττίδης, Δρ. Π. Ψυλλάκη ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Ορυκτά Πρώτες ύλες Κεραμικά Οργανικά υλικά (πετρέλαιο, άνθρακας) Μέταλλα (ελατά και όλκιμα) Μεταλλικός δεσμός Κεραμικά

Διαβάστε περισσότερα

ΜΕΘΟ ΟΙ ΣΚΛΗΡΥΝΣΗΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΜΕΘΟ ΟΙ ΣΚΛΗΡΥΝΣΗΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕΘΟ ΟΙ ΣΚΛΗΡΥΝΣΗΣ ΜΕΤΑΛΛΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΓΕΝΙΚΑ ΟΡΙΣΜΟΣ Σκλήρυνση µεταλλικού υλικού είναι η ισχυροποίησή του έναντι πλαστικής παραµόρφωσης και χαρακτηρίζεται από αύξηση της σκληρότητας, του ορίου διαρροής

Διαβάστε περισσότερα

Κεφάλαιο 2 Χημικοί Δεσμοί

Κεφάλαιο 2 Χημικοί Δεσμοί Κεφάλαιο 2 Χημικοί Δεσμοί Σύνοψη Παρουσιάζονται οι χημικοί δεσμοί, ιοντικός, μοριακός, ατομικός, μεταλλικός. Οι ιδιότητες των υλικών τόσο οι φυσικές όσο και οι χημικές εξαρτώνται από το είδος ή τα είδη

Διαβάστε περισσότερα

Αγωγιμότητα στα μέταλλα

Αγωγιμότητα στα μέταλλα Η κίνηση των ατόμων σε κρυσταλλικό στερεό Θερμοκρασία 0 Θερμοκρασία 0 Δ. Γ. Παπαγεωργίου Τμήμα Μηχανικών Επιστήμης Υλικών Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων dpapageo@cc.uoi.gr http://pc164.materials.uoi.gr/dpapageo

Διαβάστε περισσότερα

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ-ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ

ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ-ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ-ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Γραπτό τεστ (συν-)αξιολόγησης στο μάθημα: «ΔΙΑΓΝΩΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΤΗ ΜΕΛΕΤΗ

Διαβάστε περισσότερα

Μάθημα: Πειραματική αντοχή των υλικών Σύνθετη καταπόνηση

Μάθημα: Πειραματική αντοχή των υλικών Σύνθετη καταπόνηση Μάθημα: Πειραματική αντοχή των υλικών Σύνθετη καταπόνηση Κατασκευαστικός Τομέας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Σχήμα 1 Μέσω των πειραμάτων

Διαβάστε περισσότερα

Φυσική ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ. Ενότητα 2: Κρυσταλλική Δομή των Μετάλλων. Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών

Φυσική ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ. Ενότητα 2: Κρυσταλλική Δομή των Μετάλλων. Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Φυσική ΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑ Ενότητα 2: Κρυσταλλική Δομή των Μετάλλων Γρηγόρης Ν. Χαϊδεμενόπουλος Πολυτεχνική Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative

Διαβάστε περισσότερα

Μάθημα: Πειραματική Αντοχή των Υλικών Πείραμα Κάμψης

Μάθημα: Πειραματική Αντοχή των Υλικών Πείραμα Κάμψης Μάθημα: Πειραματική Αντοχή των Υλικών Πείραμα Κάμψης Κατασκευαστικός Τομέας Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Σερρών Περιεχόμενα Σχήμα 1 Α. Ασημακόπουλος

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ. Διδάσκων Καθηγητής Γιάννακας Νικόλαος Δρ. Πολιτικός Μηχανικός

ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ. Διδάσκων Καθηγητής Γιάννακας Νικόλαος Δρ. Πολιτικός Μηχανικός ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Διδάσκων Καθηγητής Γιάννακας Νικόλαος Δρ. Πολιτικός Μηχανικός Κεφαλαιο 4 Ενίσχυση Δομικών Στοιχείων με σύνθετα υλικά Σύνθετα υλικά από ινοπλισμένα πολυμερή Fiber

Διαβάστε περισσότερα

Γραπτή «επί πτυχίω» εξέταση «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών ΙΙ»-Ιανουάριος 2017

Γραπτή «επί πτυχίω» εξέταση «Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών ΙΙ»-Ιανουάριος 2017 Ερώτηση 1 (10 μονάδες) - ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ-ΤΟΜΕΑΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ (Καθ. Β.Ζασπάλης) Σε μια διεργασία ενανθράκωσης

Διαβάστε περισσότερα

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΔΗΜΟΚΡΙΤΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΕΙΟ ΘΡΑΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ κ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΥΛΙΚΩΝ, ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ κ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ Παραουσίαση μαθήματος με διαφάνειες στο

Διαβάστε περισσότερα

6. Κάμψη. Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών

6. Κάμψη. Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών 6. Κάμψη Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών 1 Περιεχόμενα ενότητας Ανάλυση της κάμψης Κατανομή ορθών τάσεων Ουδέτερη γραμμή Ροπές αδρανείας Ακτίνα καμπυλότητας 2 Εισαγωγή (1/2) Μελετήσαμε

Διαβάστε περισσότερα

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2017

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2017 ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2017 Β5. Κάμψη Κώστας Γαλιώτης, καθηγητής Τμήμα Χημικών Μηχανικών galiotis@chemeng.upatras.gr 1 Περιεχόμενα ενότητας Ανάλυση της κάμψης Κατανομή ορθών τάσεων Ουδέτερη γραμμή Ροπές αδρανείας

Διαβάστε περισσότερα

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Πειραματική Αντοχή Υλικών. Ενότητα: Μονοαξονικός Εφελκυσμός

ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα. Πειραματική Αντοχή Υλικών. Ενότητα: Μονοαξονικός Εφελκυσμός ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Πειραματική Αντοχή Υλικών Ενότητα: Μονοαξονικός Εφελκυσμός Κωνσταντίνος Ι.Γιαννακόπουλος Τμήμα Μηχανολογίας Άδειες Χρήσης Το παρόν

Διαβάστε περισσότερα

Υλικά Ηλεκτρονικής & Διατάξεις

Υλικά Ηλεκτρονικής & Διατάξεις Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Υλικά Ηλεκτρονικής & Διατάξεις 4 η σειρά διαφανειών Δημήτριος Λαμπάκης Ορισμός και ιδιότητες των μετάλλων Τα χημικά στοιχεία διακρίνονται σε μέταλλα (περίπου 70 τον αριθμό)

Διαβάστε περισσότερα

Αντοχή κατασκευαστικών στοιχείων σε κόπωση

Αντοχή κατασκευαστικών στοιχείων σε κόπωση 11.. ΚΟΠΩΣΗ Ενώ ο υπολογισμός της ροπής αντίστασης της μέσης τομής ως το πηλίκο της ροπής σχεδίασης προς τη μέγιστη επιτρεπόμενη τάση, όπως τα μεγέθη αυτά ορίζονται κατά ΙΑS, προσβλέπει στο να εξασφαλίσει

Διαβάστε περισσότερα

Σύνθετα και Νανοσύνθετα Υλικά CHM_Ε83- Κώστας Γαλιώτης

Σύνθετα και Νανοσύνθετα Υλικά CHM_Ε83- Κώστας Γαλιώτης Σύνθετα και Νανοσύνθετα Υλικά CHM_Ε83- Κώστας Γαλιώτης Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 1 Περιεχόμενα Μαθήματος (1/2) 1. Εισαγωγικές έννοιες. Είδη σύνθετων υλικών.

Διαβάστε περισσότερα

Καταστάσεις της ύλης. Αέρια: Παντελής απουσία τάξεως. Τα µόρια βρίσκονται σε συνεχή τυχαία κίνηση σε σχεδόν κενό χώρο.

Καταστάσεις της ύλης. Αέρια: Παντελής απουσία τάξεως. Τα µόρια βρίσκονται σε συνεχή τυχαία κίνηση σε σχεδόν κενό χώρο. Καταστάσεις της ύλης Αέρια: Παντελής απουσία τάξεως. Τα µόρια βρίσκονται σε συνεχή τυχαία κίνηση σε σχεδόν κενό χώρο. Υγρά: Τάξη πολύ µικρού βαθµού και κλίµακας-ελκτικές δυνάµεις-ολίσθηση. Τα µόρια βρίσκονται

Διαβάστε περισσότερα

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΤΟΧΗΣ ΣΤΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΤΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΑΝΟΔΙΩΣΗ

ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΤΟΧΗΣ ΣΤΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΤΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΑΝΟΔΙΩΣΗ Εισαγωγή ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΑΝΤΟΧΗΣ ΣΤΗ ΔΙΑΒΡΩΣΗ ΤΟΥ ΑΛΟΥΜΙΝΙΟΥ ΑΝΟΔΙΩΣΗ Το γαλβανικό κελί (γαλβανική διάβρωση) είναι μια ηλεκτροχημική αντίδραση οξείδωσης-αναγωγής (redox), η οποία συμβαίνει όταν δύο ανόμοια μέταλλα

Διαβάστε περισσότερα

Διαδικασίες Υψηλών Θερμοκρασιών

Διαδικασίες Υψηλών Θερμοκρασιών Διαδικασίες Υψηλών Θερμοκρασιών Ενότητα: Εργαστηριακή Άσκηση 4 Τίτλος: Μελέτη της συμπεριφοράς δομικού υλικού σε θερμοκρασιακή περιοχή πέραν της θερμοκρασίας παραγωγής του Ονόματα Καθηγητών: Κακάλη Γ.,

Διαβάστε περισσότερα

Πίνακες σχεδιασμού σύμμικτων πλακών με τραπεζοειδές χαλυβδόφυλλο SYMDECK 100

Πίνακες σχεδιασμού σύμμικτων πλακών με τραπεζοειδές χαλυβδόφυλλο SYMDECK 100 Πίνακες σχεδιασμού σύμμικτων πλακών με τραπεζοειδές χαλυβδόφυλλο SYMDECK 100 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ ΠΑΤΡΑ 26504 Ομάδα εκτέλεσης έργου: Αθανάσιος

Διαβάστε περισσότερα

Δομικά Υλικά. Μάθημα ΙΙ. Μηχανικές Ιδιότητες των Δομικών Υλικών (Αντοχές, Παραμορφώσεις)

Δομικά Υλικά. Μάθημα ΙΙ. Μηχανικές Ιδιότητες των Δομικών Υλικών (Αντοχές, Παραμορφώσεις) Δομικά Υλικά Μάθημα ΙΙ Μηχανικές Ιδιότητες των Δομικών Υλικών (Αντοχές, Παραμορφώσεις) Μηχανικές Ιδιότητες Υλικών Τάση - Παραμόρφωση Ελαστική Συμπεριφορά Πλαστική Συμπεριφορά Αντοχή και Ολκιμότητα Σκληρότητα

Διαβάστε περισσότερα

ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ

ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ 105 Κεφάλαιο 5 ΘΕΩΡΙΕΣ ΑΣΤΟΧΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ 5.1 Εισαγωγή Στα προηγούμενα κεφάλαια αναλύσαμε την εντατική κατάσταση σε δομικά στοιχεία τα οποία καταπονούνται κατ εξοχήν αξονικά (σε εφελκυσμό ή θλίψη) ή πάνω

Διαβάστε περισσότερα

Τίτλος Μαθήματος: Βασικές Έννοιες Φυσικής. Ενότητα: Στερεά. Διδάσκων: Καθηγητής Κ. Κώτσης. Τμήμα: Παιδαγωγικό, Δημοτικής Εκπαίδευσης

Τίτλος Μαθήματος: Βασικές Έννοιες Φυσικής. Ενότητα: Στερεά. Διδάσκων: Καθηγητής Κ. Κώτσης. Τμήμα: Παιδαγωγικό, Δημοτικής Εκπαίδευσης Τίτλος Μαθήματος: Βασικές Έννοιες Φυσικής Ενότητα: Στερεά Διδάσκων: Καθηγητής Κ. Κώτσης Τμήμα: Παιδαγωγικό, Δημοτικής Εκπαίδευσης 7. Στερεά Η επιβεβαίωση ότι τα στερεά σώματα αποτελούνται από μια ιδιαίτερη

Διαβάστε περισσότερα

Σύνθετα Υλικά: Χαρακτηρισμός και Ιδιότητες

Σύνθετα Υλικά: Χαρακτηρισμός και Ιδιότητες Σύνθετα Υλικά: Χαρακτηρισμός και Ιδιότητες Εργαστηριακή Άσκηση 3: Μηχανικός Χαρακτηρισμός της Διεπιφάνειας Ίνας- Μήτρας Χρήση Ακουστικής Εκπομπής και Μικροσκοπίας Διδάσκοντες: Α. Παϊπέτης, Αν. Καθηγητής,

Διαβάστε περισσότερα

Επιστήμη των Υλικών. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τμήμα Φυσικής

Επιστήμη των Υλικών. Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων. Τμήμα Φυσικής Επιστήμη των Υλικών Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων Τμήμα Φυσικής 2017 Α. Δούβαλης Ατέλειες, διαταραχές και σχέση τους με τις μηχανικές ιδιότητες των στερεών (μεταλλικά στερεά) μικτή διαταραχή διαταραχή κοχλία

Διαβάστε περισσότερα

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών Διαγράμματα Φάσεων Callister Κεφάλαιο 11, Ashby Οδηγός μάθησης Ενότητα 2

Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών Διαγράμματα Φάσεων Callister Κεφάλαιο 11, Ashby Οδηγός μάθησης Ενότητα 2 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών Διαγράμματα Φάσεων Callister Κεφάλαιο 11, Ashby Οδηγός μάθησης Ενότητα 2 Έννοιες που θα συζητηθούν Ορισμός Φάσης Ορολογία που συνοδεύει τα διαγράμματα και τους μετασχηματισμούς

Διαβάστε περισσότερα

6/5/2017. Δρ. Σωτήρης Δέμης. Σημειώσεις Εργαστηριακής Άσκησης Θλίψη Σκυροδέματος. Πολιτικός Μηχανικός (Λέκτορας Π.Δ.

6/5/2017. Δρ. Σωτήρης Δέμης. Σημειώσεις Εργαστηριακής Άσκησης Θλίψη Σκυροδέματος. Πολιτικός Μηχανικός (Λέκτορας Π.Δ. Σημειώσεις Εργαστηριακής Άσκησης Θλίψη Σκυροδέματος Δρ. Σωτήρης Δέμης Πολιτικός Μηχανικός (Λέκτορας Π.Δ. 407/80) Έως τώρα Καταστατικός νόμος όλκιμων υλικών (αξονική καταπόνιση σε μία διεύθυνση) σ ε Συμπεριφορά

Διαβάστε περισσότερα

20/3/2016. Δρ. Σωτήρης Δέμης. Σημειώσεις Εργαστηριακής Άσκησης Εφελκυσμός χαλύβδινης ράβδου. Πολιτικός Μηχανικός (Πανεπιστημιακός Υπότροφος)

20/3/2016. Δρ. Σωτήρης Δέμης. Σημειώσεις Εργαστηριακής Άσκησης Εφελκυσμός χαλύβδινης ράβδου. Πολιτικός Μηχανικός (Πανεπιστημιακός Υπότροφος) Σημειώσεις Εργαστηριακής Άσκησης Εφελκυσμός χαλύβδινης ράβδου Δρ. Σωτήρης Δέμης Πολιτικός Μηχανικός (Πανεπιστημιακός Υπότροφος) Εργαστηριακή Άσκηση 1 Εισαγωγή στη Δοκιμή Εφελκυσμού Δοκίμιο στερεωμένο ακλόνητα

Διαβάστε περισσότερα

δακτυλίου ανοίγματος 1.8 mm και διαμέτρου 254 mm. Ποιος είναι ο ρυθμός διατμητικής παραμόρφωσης στα τοιχώματα

δακτυλίου ανοίγματος 1.8 mm και διαμέτρου 254 mm. Ποιος είναι ο ρυθμός διατμητικής παραμόρφωσης στα τοιχώματα Επεξεργασία Πολυμερών - η σειρά ασκήσεων: Ρεολογία/Ρεομετρία Πολυμερών. Σε εργαστήριο πραγματοποιούνται οι ακόλουθες μετρήσεις του ιξώδους με τη χρήση τριχοειδούς ιξωδομέτρου στους ο C: (s ) 5.5 8.3 55

Διαβάστε περισσότερα

ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΕ ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΥΛΙΚΟΥ

ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΕ ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΥΛΙΚΟΥ 19 Γ ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΕΣ ΜΕ ΑΦΑΙΡΕΣΗ ΥΛΙΚΟΥ 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Οι βασικότερες κατεργασίες με αφαίρεση υλικού και οι εργαλειομηχανές στις οποίες γίνονται οι αντίστοιχες κατεργασίες, είναι : Κατεργασία Τόρνευση Φραιζάρισμα

Διαβάστε περισσότερα

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΜΕΤΑΔΟΣΗ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Η Επιστήμη της Θερμοδυναμικής ασχολείται με την ποσότητα της θερμότητας που μεταφέρεται σε ένα κλειστό και απομονωμένο σύστημα από μια κατάσταση ισορροπίας σε μια άλλη

Διαβάστε περισσότερα

Υλικά Ηλεκτρονικής & Διατάξεις

Υλικά Ηλεκτρονικής & Διατάξεις Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Υλικά Ηλεκτρονικής & Διατάξεις 3 η σειρά διαφανειών Δημήτριος Λαμπάκης Τύποι Στερεών Βασική Ερώτηση: Πως τα άτομα διατάσσονται στο χώρο ώστε να σχηματίσουν στερεά? Τύποι Στερεών

Διαβάστε περισσότερα

ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ

ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΚΟΝΙΟΜΕΤΑΛΛΟΥΡΓΙΑΣ Η πρώτη ύλη με τη μορφή σωματιδίων (κόνεως) μορφοποιείται μέσα σε καλούπια, με μηχανισμό που οδηγεί σε δομική διασύνδεση των σωματιδίων με πρόσδοση θερμότητας.

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ. Διδάσκων Καθηγητής Γιάννακας Νικόλαος Δρ. Πολιτικός Μηχανικός

ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ. Διδάσκων Καθηγητής Γιάννακας Νικόλαος Δρ. Πολιτικός Μηχανικός ΕΠΙΣΚΕΥΕΣ ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΣΕΙΣ ΤΩΝ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ Διδάσκων Καθηγητής Γιάννακας Νικόλαος Δρ. Πολιτικός Μηχανικός Κεφαλαιο 2 Μηχανισμοί μεταφοράς δυνάμεων Τα τελευταία χρόνια έχει γίνει συστηματική προσπάθεια για

Διαβάστε περισσότερα

Μηχανικές ιδιότητες των μεταλλικών υλικών. Πλαστική συμπεριφορά

Μηχανικές ιδιότητες των μεταλλικών υλικών. Πλαστική συμπεριφορά Μηχανικές ιδιότητες των μεταλλικών υλικών Πλαστική συμπεριφορά Πλαστική παραμόρφωση των μετάλλων Πλαστική παραμόρφωση σημαίνει Μόνιμη παραμόρφωση. 2 Tensile strength (TS) Fracture strength Necking Διάγραμμα

Διαβάστε περισσότερα

Πίνακες σχεδιασμού σύμμικτων πλακών με τραπεζοειδές χαλυβδόφυλλο SYMDECK 50

Πίνακες σχεδιασμού σύμμικτων πλακών με τραπεζοειδές χαλυβδόφυλλο SYMDECK 50 Πίνακες σχεδιασμού σύμμικτων πλακών με τραπεζοειδές χαλυβδόφυλλο SYMDECK 50 Εγχειρίδιο σχεδιασμού σύμμικτων πλακών σύμφωνα με τον Ευρωκώδικα 3 (ΕΝ 1993.01.03:2006) και τον Ευρωκώδικα 4 (EN 1994.01.04:

Διαβάστε περισσότερα

Από πού προέρχεται η θερμότητα που μεταφέρεται από τον αντιστάτη στο περιβάλλον;

Από πού προέρχεται η θερμότητα που μεταφέρεται από τον αντιστάτη στο περιβάλλον; 3. ΗΛΕΚΤΡΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ Ένα ανοικτό ηλεκτρικό κύκλωμα μετατρέπεται σε κλειστό, οπότε διέρχεται από αυτό ηλεκτρικό ρεύμα που μεταφέρει ενέργεια. Τα σπουδαιότερα χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής ενέργειας είναι

Διαβάστε περισσότερα

ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ. Υλικά-ιστορία και χαρακτήρας

ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ. Υλικά-ιστορία και χαρακτήρας ΕΠΙΛΟΓΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΠΡΟΪΟΝΤΩΝ Υλικά-ιστορία και χαρακτήρας ΥΛΙΚΑ: Αντοχή σε φορτία. Μονωτές ή αγωγοί θερμότητας /ηλεκτρισμού. Διαπερατά ή μη από μαγνητική ροή. Να διαδίδουν ή να αντανακλούν το

Διαβάστε περισσότερα