Χρήστος Β. Κατσιρόπουλος

Transcript

1 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 Κραμάτων Μνήμης Σχήματος με στόχο τη βελτίωση της αποσβεστικής ικανότητας των Υλικών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Χρήστος Β. Κατσιρόπουλος Α.Μ. 185 Επιβλέπων Καθηγητής Κ. ΓΑΛΙΩΤΗΣ Καθηγητής Τμήματος Χημικών Μηχανικών Πάτρα, Ιανουάριος 2017

2

3 ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ Παρασκευή και Μελέτη Συνθέτων Υλικών πολυμερικής Μήτρας με ενίσχυση υπερ-ελαστικών Κραμάτων Μνήμης Σχήματος με στόχο τη βελτίωση της αποσβεστικής ικανότητας των Υλικών Χρήστος Β. Κατσιρόπουλος Δρ.Μηχ/γος και Αερ/γός Μηχ/κός Πτυχιούχος Τμ.Επιστήμης των Υλικών ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΓΑΛΙΩΤΗΣ, Καθηγητής Τμήματος Χημικών Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών ΕΞΕΤΑΣΤΙΚΗ ΕΠΙΤΡΟΠΗ ΚΩΝΣΤΑΝΤΙΝΟΣ ΓΑΛΙΩΤΗΣ, Καθηγητής Τμήματος Χημικών Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών ΧΡΙΣΤΟΦΟΡΟΣ ΚΡΟΝΤΗΡΑΣ, Καθηγητής Τμήματος Φυσικής Πανεπιστημίου Πατρών ΛΕΩΝΙΔΑΣ ΠΑΛΙΛΗΣ, Επίκουρος Καθηγητής Τμήματος Φυσικής Πανεπιστημίου Πατρών 3

4 4

5 5 Στη Γιόλα, τον Βασίλη, την Αγγελική και την Αρετή

6 6

7 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η διπλωματική αυτή εργασία είναι αποτέλεσμα έρευνας που έγινε, και εξακολουθεί να γίνεται, στο ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ καθώς και στο τμήμα Χημικών Μηχανικών του Πανεπιστημίου Πατρών. Η εκτέλεση των πειραμάτων της εργασίας διεξήχθη στο Εργαστήριο Μηχανικής των Υλικών του ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ, το οποίο διαθέτει όλη την απαραίτητη υλικοτεχνική υποδομή για τη πραγματοποίηση της έρευνας. Η εργασία εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη και καθοδήγηση του Καθηγητή Κωνσταντίνου Γαλιώτη, ο οποίος είναι και ο επικεφαλής όλης αυτής της ερευνητικής προσπάθειας πάνω στο θέμα της παρασκευής και μελέτης της συμπεριφοράς συνθέτων υλικών, της οποίας ένα κομμάτι είναι η παρούσα διπλωματική εργασία. Τον ευχαριστώ ιδιαίτερα για την εμπιστοσύνη που έδειξε στο πρόσωπό μου καθώς και για τις πολύτιμες συμβουλές του. Πολύτιμη και καθοριστική ήταν και η συμβολή του μεταδιδακτορικού ερευνητή Δρ.Παναγιώτη Παππά, ο οποίος σε ότι του ζητήθηκε στάθηκε πάντα αρωγός και τον ευχαριστώ θερμά γι αυτό. 7

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΕΡΙΛΗΨΗ ABSTRACT ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΠΡΟΒΛΗΜΑ ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΥΝΘΕΤΑ ΜΕ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΚΟΚΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΑ ΜΕ ΕΝΙΣΧΥΣΗ ΙΝΩΝ Σύνθετα με ενίσχυση ινών διαμήκης φόρτιση Σύνθετα με ενίσχυση ινών εγκάρσια φόρτιση Σύνθετα με ενίσχυση ινών ασυνεχή ΔΟΜΙΚΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΤΥΠΟΙ ΜΗΤΡΙΚΗΣ ΦΑΣΗΣ Μεταλλικές μήτρες Κεραμικές μήτρες Πολυμερικές μήτρες ΤΥΠΟΙ ΕΝΙΣΧΥΣΕΩΝ-ΕΓΚΛΕΙΣΜΑΤΩΝ ΚΡΑΜΑΤΑ ΝΙΚΕΛΙΟΥ-ΤΙΤΑΝΙΟΥ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΥΠΕΡΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΣΤΟ ΚΡΑΜΑ NITI Μαρτενσιτικός Μετασχηματισμός Υστέρηση μαρτενσιτικού μετασχηματισμού Η ΕΝΔΙΑΜΕΣΗ ΚΡΥΣΤΑΛΛΟΓΡΑΦΙΚΗ ΦΑΣΗ (THE R-PHASE) ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΚΡΑΜΑΤΩΝ NITI ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΥ ΕΜΠΟΡΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΟΛΥ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΗΤΕΣ ΣΥΝΗΘΗ ΠΟΛΥ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ Οπτικές Ίνες Πιεζοηλεκτρικά Υλικά Ηλεκτρορεολογικά-Μαγνητορεολογικά Υλικά Μαγνητοδιαγνωστικά Υλικά ΕΥΦΥΗ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΚΡΑΜΑΤΑ ΜΝΗΜΗΣ ΣΧΗΜΑΤΟΣ ΕΠΟΞΕΙΔΙΚΕΣ ΡΗΤΙΝΕΣ Θερμική Επεξεργασία ΑΡΑΜΙΔΙΚΕΣ ΊΝΕΣ-KEVLAR Παρασκευή Δομή Ιδιότητες ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΓΕΝΙΚΑ

9 5.2 ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δοκίμια UD - [0]2s Δοκίμια CD - [±45]2s ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΥΒΡΙΔΙΚΩΝ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΕΝΣΩΜΑΤΩΜΕΝΑ ΣΥΡΜΑΤΑ ΥΠΕΡΕΛΑΣΤΙΚΟΥ ΚΡΑΜΑΤΟΣ NI-TI ΜΗΧΑΝΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Δοκιμή Εφελκυσμού Δοκιμή Κάμψης 3 σημείων Δοκιμή Κόπωσης ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΣΥΡΜΑΤΩΝ NITI Προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων των συρμάτων NiTi Θερμομηχανικός Χαρακτηρισμός-Δοκιμή Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC) ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ Συμπεριφορά σε Εφελκυσμό Σύρματα NiTi Σύνθετο υλικό Συμπεριφορά σε Κάμψη 3 σημείων Σύνθετο υλικό Υβριδικό Σύνθετο υλικό με ενσωματωμένα Σύρματα κράματος Ni-Ti Συμπεριφορά σε Κόπωση Σύνθετο υλικό Υβριδικό Σύνθετο υλικό με ενσωματωμένα Σύρματα κράματος Ni-Ti ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΘΕΡΜΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ Σύρματα Κράματος Ni-Ti ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΗΣ ΣΕ ΟΠΤΙΚΟ ΜΙΚΡΟΣΚΟΠΙΟ Σύρματα Κράματος Ni-Ti Υβριδικό Σύνθετο υλικό με ενσωματωμένα Σύρματα κράματος Ni-Ti ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΑΠΟΚΡΙΣΗΣ ΣΕ ΕΛΕΥΘΕΡΗ ΤΑΛΑΝΤΩΣΗ Σύγκριση υλικού αναφοράς και Υβριδικού Σύνθετου υλικού με ενσωματωμένα Σύρματα κράματος Ni- Ti Περίοδος Ταλάντωσης Τ Χρόνος ημισείας ζωής t 1/ Συντελεστής απόσβεσης ζ Προτεινόμενο εργαλείο πρόβλεψης των χαρακτηριστικών μεγεθών ταλάντωσης ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ - ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΠΟΣΒΕΣΤΙΚΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΤΟΥ ΥΒΡΙΔΙΚΟΥ ΣΥΝΘΕΤΟΥ ΥΛΙΚΟΥ ΕΠΟΞΕΙΔΙΚΗΣ ΡΗΤΙΝΗΣ ΜΕ ΙΝΕΣ KEVLAR ΚΑΙ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΟΥ ΜΕ ΥΠΕΡΕΛΑΣΤΙΚΑ ΣΥΡΜΑΤΑ ΚΡΑΜΑΤΟΣ NITI ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ ΓΙΑ ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ

10 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα εργασία γίνεται μια συστηματική μελέτη της συμπεριφοράς υβριδικών συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας με ενίσχυση υπερ-ελαστικών κραμάτων μνήμης σχήματος, με στόχο την της βελτίωσης της αποσβεστικής ικανότητας των υπό εξέταση υλικών. Προς τούτο ορίστηκε αρχικά το τεχνολογικό πρόβλημα και πραγματοποιήθηκε λεπτομερής βιβλιογραφική ανασκόπηση και έρευνα. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά παρασκευάστηκε το σύνθετο υλικό αναφοράς και το υπό εξέταση απαιτούμενο υβριδικό σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες Kevlar σε δύο διαφορετικούς προσανατολισμούς και σύρματα υπερ-ελαστικού κράματος Ni-Ti σε διάφορα ποσοστά περιεκτικότητας και επίπεδα προτάνυσης. Στην συνέχεια εκτελέστηκαν μία σειρά από αρχικές δοκιμές μηχανικού, θερμο-μηχανικού και μικροσκοπικού χαρακτηρισμού με σκοπό την επιλογή των βέλτιστων χαρακτηριστικών Εν συνεχεία, για τον επιλεγέντα προσανατολισμό έγινε πλήρης πειραματική σειρά δοκιμών ελεύθερης ταλάντωσης με πειραματική διαδικασία και διάταξη που σχεδιάστηκε από την αρχή για τις ανάγκες της εργασίας. Αφού αποτιμήθηκαν τα αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών ελεύθερης ταλάντωσης και μέσω της σύγκρισης των, εξαχθήκαν χρήσιμα συμπεράσματα. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η ταλαντωτική συμπεριφορά των υπό εξέταση υλικών μπορεί να ρυθμιστεί ανάλογα με τις εκάστοτε απαιτήσεις και ως εκ τούτου η αποσβεστική τους ικανότητα σαφώς και βελτιώνεται με την προσθήκη των συρμάτων υπερελαστικού κράματος Ni-Ti, ενώ αμφότερα το ποσοστό προτάνυσης και ο αριθμός των συρμάτων δείχνουν να έχουν προφανή επιρροή στην εν λόγω ικανότητα. 10

11

12 ABSTRACT In the present work, a concept for the assessment of damping response of hybrid composite materials enhanced with super-elastic NiTi alloy wires is introduced. The present thesis deals initially with the selection of the optimal fiber orientation of composite materials comprised of epoxy resin and Kevlar fibers in terms of its critical mechanical properties. Afterwards, a complete experimental investigation of the damping response is performed, using an innovative test procedure designed by the author. In detail: The 1 st chapter is an introductive presentation of the technology difficulties which are involved and the present thesis is trying to solve, the scope of the present thesis as well as the thesis structure. The 2 nd chapter is dedicated to the theoretical background presentation of composite materials. Several definitions are presented and various ways of reinforcement are analyzed, while there is also a brief reference to structural composite materials. The 3 rd chapter analyzes the properties of the Nickel Titanium (NiTi) alloy. It starts with a historical flashback of the first studies on the alloy and the phenomena it displays. The Shape Memory effect is analyzed and both the mechanism behind it and the Super-elasticity effect are explained. Moreover, the ways of construction for the NiTi alloy and Shape Memory programming are mentioned. This chapter also includes the various ways of transition temperatures measurement as well as many other applications of the NiTi alloy. The 4 th chapter includes a presentation of representative multi-functional materials. In this frame, apart from the NiTi Alloy the materials that are used as multi-functional are presented. Furthermore, the concept of embodying Shape Memory Alloys to composite materials as well as the procedure of epoxy resin thermal processing is presented. At the end of this chapter the process of Kevlar aramid fibers construction is given. In the 5 th chapter of this thesis, the entire experimental investigation is presented. Hence, the Kevlar-reinforced epoxy resin composites manufacturing process in two different reinforcement orientations is analyzed and used for the selection of the optimal material, as well as the enhanced with NiTi wires hybrid composite material manufacturing is described. Tensile tests, 3-point bending tests and fatigue tests procedure are presented for the aforementioned materials. Moreover, the newly designed damping test procedure is presented. For the better comprehension of the mechanical tests results, a limited thermo-mechanical characterization of the as-received Super-elastic NiTi wire as well as Differential Scanning Calorimetry (DSC) tests were performed. Light microscopy was also used for the observation of both the wires surface as well as enhanced composites cross section. The 6 th chapter constitutes the presentation and evaluation of all the results excluded from the tests mentioned above, and leads to valuable conclusions and remarks which us is the end of this thesis. 12

13

14 1.1 Τεχνολογικό πρόβλημα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται πλέον ευρέως ως κύρια κατασκευαστικά υλικά σε πολλές εφαρμογές της ανθρώπινης δραστηριότητας όπως, αεροπορικές και αεροδιαστημικές δομές, λοιπά μέσα μαζικής μεταφοράς, αγωνιστικά αυτοκίνητα, κτιριακές δομές κ.α. και αναπτύχθηκαν για να άρουν διάφορους περιορισμούς που έθετε η χρήση μονοφασικών συμβατικών υλικών. Παρά την εξαιρετική επίδοση τους ως φέροντα υλικά και των εξαιρετικών ειδικών τους μηχανικών ιδιοτήτων (συνδυασμός ιδιοτήτων και χαμηλού ειδικού βάρους), διαπιστώθηκε ότι υστερούν σε άλλες ιδιότητες (πχ. αποσβεστική ικανότητα), σε σύγκριση πάντα με άλλα πολυμερή υλικά και διάφορα μέταλλα, ιδιαίτερα για απαιτητικές εφαρμογές που η απόκριση σε ταλαντώσεις είναι κρίσιμη, όπως π.χ. σε στέγαστρα κτηρίων ή πτερύγια αεροσκαφών. Έτσι, η ανάγκη να ξεπεραστούν και αυτές οι ελλείψεις των ήδη αναπτυγμένων συνθέτων υλικών και έτσι ώστε να ικανοποιηθεί το αίτημα για συστήματα υλικών με ασυνήθιστους συνδυασμούς ιδιοτήτων οδήγησε στην ανάπτυξη των πολύ-λειτουργικών υλικών, υλικών δηλαδή που συνδυάζουν ιδιότητες και χαρακτηριστικά από διάφορα άλλα υλικά. Χαρακτηριστικά παραδείγματα τέτοιων πολυφασικών δομών που χρησιμοποιούνται στις κατασκευές είναι τα πολυμερή ενισχυμένα με ίνες άνθρακα και με σωληνίσκους άνθρακα, το οπλισμένο σκυρόδεμα ενισχυμένο με ίνες γυαλιού κ.α.. Στο πλαίσιο αυτό, η ενσωμάτωση υλικών με δυνατότητες αίσθησης και ενεργοποίησης σε ένα σύνθετο, το κατατάσσει στη σχετικά νέα οικογένεια των πολύ-λειτουργικών υλικών (ή εναλλακτικά ευφυών συνθέτων 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 σημαντικότερες κατηγορίες πολύ-λειτουργικών υλικών. Μεγάλο τμήμα της έρευνας στον τομέα των πολύ-λειτουργικών συνθέτων υλικών, έχει καταλάβει η μελέτη της δυνατότητας ελέγχου της αλλαγής σχήματος συνθέτων πολυμερικής μήτρας με εγκλείσματα κραμάτων μνήμης σχήματος (NiTi, NiTiCu κ.α.), σε μορφή σύρματος ή σε μορφή λωρίδων (NiTi strips) [1-3] και εν γένει η εκμετάλλευση του φαινόμενου μνήμης σχήματος με στόχο την αλλαγή των μορφολογικών χαρακτηριστικών[1-5]. Το κράμα NiTi, έχει επίσης χρησιμοποιηθεί ως ενισχυτική φάση για τη δομική ενίσχυση συνθέτων ή σαν ενεργοποιητής στην προσπάθεια ελεγχόμενης αλλαγής γεωμετρίας σε παραπάνω από μία διευθύνσεις, με επιλεκτική ενεργοποίηση των ενσωματωμένων σε διαφορετικά επίπεδα και κατευθύνσεις συρμάτων [6-8].Η μελέτη της αποσβεστικής ικανότητας των συρμάτων NiTi έχει επίσης μελετηθεί [9-10]. Πάραυτα, η μελέτη της συμπεριφοράς σε ταλάντωση και της αποσβεστικής ικανότητας υβριδικών συνθέτων υλικών όταν αυτά ενισχύονται με υπερ-ελαστικά σύρματα NiTi παραμένει ακόμα πολύ περιορισμένη [11], παρότι έχει μελετηθεί η απόκριση τέτοιων υλικών μετά από κρούση [12]. 1.2 Σκοπός της εργασίας Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η διερεύνηση της διαδικασίας παρασκευής υβριδικών σύνθετων υλικών με υπερελαστικά σύρματα NiTi και η μελέτη της ταλαντωτικής τους συμπεριφοράς, με απώτερο στόχο τον έλεγχο της αποσβεστικής τους ικανότητας. Για την πραγματοποίηση της εργασίας αυτής, έγινε κατασκευή υβριδικών πολυμερικών συνθέτων υλικών ενισχυμένων με ίνες αραμιδίου (Kevlar) και με σύρματα υπερ-ελαστικού κράματος NiTi, πραγματοποιήθηκε ένας μεγάλος αριθμός πειραματικών 14

15 Εισαγωγή δοκιμών εφελκυσμού, κάμψης τριών σημείων και κόπωσης, σχεδιάστηκε εξ αρχής και κατασκευάστηκε πειραματική διάταξη μελέτης αποσβεστικής ικανότητας (ελεύθερη ταλάντωση), πραγματοποιήθηκαν δοκιμές αποσβεστικής ικανότητας σε διάφορους συνδυασμούς συνθέτων υλικών με διαφορετικά ποσοστά προτάνυσης και διαφορετική περιεκτικότητα σε σύρματα NiTi, ενώ έγιναν και θερμομηχανικές δοκιμές Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (DSC), παράλληλα με τις παρατηρήσεις οπτικής και μικροσκοπίας. 1.3 Ανάπτυξη της εργασίας Η εργασία αναπτύσσεται σε 6 Κεφάλαια. Στο Κεφ. 1 ορίζεται το αντικείμενο και αιτιολογείται η αναγκαιότητα διερεύνησης του τεχνολογικού προβλήματος, ορίζεται ο σκοπός και τα κύρια βήματα της εργασίας και δίνονται επιγραμματικά τα περιεχόμενα των κεφαλαίων της εργασίας. Στο Κεφ. 2 γίνεται μία αναφορά στα Σύνθετα Υλικά και τα χαρακτηριστικά τους ενώ στο Κεφ. 3 περιγράφονται λεπτομερώς τα κράματα NiTi. Στο Κεφ. 4 παρουσιάζεται επιγραμματικά η κατηγορία των πολύ-λειτουργικών υλικών. Στο Κεφ. 5 γίνεται μια αναλυτική περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας που πραγματοποιήθηκε και στο Κεφ. 6 παρουσιάζονται όλα τα αποτελέσματα και η αποτίμηση των πειραμάτων που διενεργήθηκαν. Στο τέλος συνοψίζονται τα συμπεράσματα της εργασίας και δίνονται οι βιβλιογραφικές αναφορές που έγιναν καθώς και κατάλογος των πινάκων και των σχημάτων που περιέχονται στην παρούσα εργασία. 15

16 2.1 Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Οι ολοένα αυξανόμενες απαιτήσεις για ανθεκτικότερες και ελαφρύτερες κατασκευές οδήγησαν στην ανάπτυξη νέων υλικών. Η αύξηση της αντοχής και η ταυτόχρονη μείωση του βάρους έχουν σαν τελικό αποτέλεσμα την εξοικονόμηση ενέργειας. Έτσι, το χαρακτηριστικό μέγεθος των νέων υλικών είναι οι υψηλές, σε σχέση με τα παραδοσιακά υλικά τιμές του λόγου αντοχής / βάρους, των ειδικών ιδιοτήτων δηλαδή. Στην κατηγορία των νέων υλικών συγκαταλέγονται και τα σύνθετα υλικά (composite materials) των οποίων η βασική ιδέα ανάπτυξης είναι η εξής: Η φυσική ανάμιξη σε μακροσκοπική κλίμακα δύο ή περισσοτέρων υλικών και η δημιουργία ενός νέου υλικού με τελικές ιδιότητες διαφορετικές από τις αντίστοιχες των υλικών που το αποτελούν [13]. Δηλαδή, 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 [1,14-16]. Κατά συνέπεια, και με δεδομένες τις συνεχώς αυξανόμενες απαιτήσεις, η εξέλιξη των συνθέτων μέχρι και σήμερα, επεκτείνει το συνδυασμό και το εύρος των ιδιοτήτων των υλικών, Σχήμα 2.1. Σχήμα 2.1 Τα σύνθετα πλέον συναγωνίζονται τα συμβατικά μονοφασικά υλικά καθώς έχουν ισοδύναμες ιδιότητες και μικρότερο βάρος, δηλαδή καλύτερες ειδικές ιδιότητες [15] Το σύνθετο υλικό 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 [15,17]. Η φάση που βρίσκεται σε μεγαλύτερο ποσοστό και είναι συνεχής ονομάζεται μητρική φάση ή απλά μήτρα και περιβάλει τη διασπαρμένη φάση ή φάση

17 Σύνθετα Υλικά ενίσχυσης. Το σχήμα, το μέγεθος, η κατανομή και ο προσανατολισμός της φάσης ενίσχυσης κατατάσσει τα σύνθετα υλικά σύμφωνα με το Σχήμα 2.2 [13-16]. Οι διαστάσεις των κόκκων είναι περίπου ίδιες σε όλες τις διευθύνσεις ενώ ο λόγος μήκους της ίνας προς τη διάμετρο της είναι μεγάλος. Τα δομικά σύνθετα είναι συνδυασμός ομογενών υλικών και συνθέτων υλικών. Σχήμα 2.2 Κατάταξη τεχνητών συνθέτων υλικών ανάλογα με τη γεωμετρία της φάσης ενίσχυσης 2.2 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 [13-16]. Χαρακτηριστικότερο παράδειγμα σύνθετου υλικού με ενίσχυση κόκκου αποτελεί το σκυρόδεμα που χρησιμοποιείται ευρύτατα στις κατασκευές. 2.3 Σύνθετα με Ενίσχυση Ινών Η πιο σημαντική από τις κατηγορίες των συνθέτων, όπως αυτές φαίνονται στο σχήμα 2.2, 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 [15]: (2.1) 17

18 Κεφάλαιο 2 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 2.3 : Σχηματική αναπαράσταση (α) συνεχών και ευθυγραμμισμένων ινών, (β) ασυνεχών ευθυγραμμισμένων και (γ) ασυνεχών τυχαίας κατανομής [1] Ο τύπος του υλικού που θα μελετηθεί στην παρούσα εργασία ανήκει στα σύνθετα υλικά με συνεχείς και προσανατολισμένες ίνες. Εύλογα λοιπόν, θα δοθεί περισσότερο βάρος στην ανάλυση της συμπεριφοράς υλικών της ίδιας οικογένειας Σύνθετα με ενίσχυση ινών διαμήκης φόρτιση Ως παραδοχή 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 [16]. 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. Σχήμα 2.3 α), εάν ε c είναι η συνολική παραμόρφωση του υλικού και ε f, ε m είναι η παραμορφώσεις των ινών και της μήτρας, λόγω της ισο-παραμορφωτικής παραδοχής, θα ισχύει: (2.2) Το συνολικό φορτίο F c, που φέρει το υλικό ισούται με το άθροισμα των επίμέρους φορτίων που φέρουν η μήτρα, F m και οι ίνες, F f : (2.3) Εάν σ c,f,m είναι οι τάσεις στο σύνθετο, της 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. 2.3 μπορεί να γραφεί: (2.4) 18

19 Σύνθετα Υλικά 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. 2.4 γράφεται: (2.5) Διαιρώντας με την παραμόρφωση του υλικού η οποία είναι κοινή τόσο για τη μήτρα όσο και για την ενισχυτική φάση, η Εξ. 2.5 παίρνει τη μορφή: (2.6) Η παραπάνω εξίσωση εκφράζει το μέτρο ελαστικότητας της ινώδους σύνθετου υλικού με προσανατολισμένη φάση ενίσχυσης κατά τη διαμήκη φόρτισή του στην ελαστική περιοχή παραμορφώσεων. Ο λόγος του φορτίου που μεταφέρουν οι ίνες της το φορτίο της μήτρας δίνεται από τη σχέση: (2.7) Στο Σχήμα 2.4β [1], φαίνεται η σχηματική αναπαράσταση της συμπεριφοράς της τέτοιου συνθέτου υλικού. Στο ίδιο σχήμα για αντιπαραβολή υπάρχει και το διάγραμμα τάσηςπαραμόρφωσης για μόνο-αξονικό εφελκυσμό της ίνας (ψαθυρή συμπεριφορά) και της μήτρας (όλκιμη συμπεριφορά). Σχήμα 2.4: Σχηματική αναπαράσταση συνθέτου υλικού με συνεχείς και προσανατολισμένες ίνες και εξεταζόμενες διευθύνσεις φόρτισης και (β) διαγράμματα σ-ε του σύνθετου υλικού, της ίνας και της μητρικής φάσης Της φαίνεται από το διάγραμμα, η μήτρα επιδεικνύει όλκιμη συμπεριφορά με παραμόρφωση θραύσης ε bm, και όριο διαρροής ε ym. Η ίνα συμπεριφέρεται γραμμικά ελαστικά μέχρι το όριο θραύσης της υπό τάση σbf 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. Της, στην ιδανική πάντα περίπτωση, συμπεριφέρεται γραμμικά ελαστικά μέχρι το σημείο αστοχίας του με δύο διαφορετικές κλίσεις πριν και μετά το όριο εym. 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. 19

20 Κεφάλαιο 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: (2.8) Η παραμόρφωση του συνθέτου στην εγκάρσια διεύθυνση δίνεται από την παρακάτω σχέση: (2.9) Χρησιμοποιώντας τη σχέση σ = Ε*ε, 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: (2.10) 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: (2.11) Στον παρακάτω πίνακα [19], φαίνονται η διαμήκης και η εγκάρσια αντοχή σε εφελκυσμό για τρία ενδεικτικά σύνθετα με ινώδη πλήρως προσανατολισμένη ενίσχυση. Πίνακας 2.1: Αντοχή σε εφελκυσμό για διαμήκη και εγκάρσια φόρτιση για τρία διαφορετικά σύνθετα με προσανατολισμένη ινώδη ενίσχυση [19] Σύνθετο Υλικό Αντοχή σε εφελκυσμό Διαμήκης φόρτιση (Mpa) Αντοχή σε εφελκυσμό Εγκάρσια φόρτιση (Mpa) Glass-polyester Carbon-epoxy Kevlar-epoxy 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 σχήμα 2.1) και την αύξηση της αντοχής Σύνθετα με ενίσχυση ινών ασυνεχή 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 [14]. Ένα από τα σοβαρά μειονεκτήματα των προσανατολισμένων ινωδών συνθέτων, είναι η εντελώς ανισότροπη συμπεριφορά τους. Τα υλικά αυτά, παρουσιάζουν τεράστιες διακυμάνσεις στις 20

21 Σύνθετα Υλικά 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 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. Πίνακας 2.2 : Ιδιότητες σύνθετου υλικού πολυκαρβονικής μήτρας με ενίσχυση τυχαία προσανατολισμένων ινών γυαλιού. Φυσική ή Μηχανική Ιδιότητα Ποσοστό (% κ.ο.) ενίσχυσης Ειδικό βάρος Αντοχή σε εφελκυσμό (MPa) Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Παραμόρφωση θραύσης (%) Στον πίνακα 2.2 [20], 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 [19]: Πίνακας 2.3: Αποτελεσματικότητα ενίσχυσης ινωδών συνθέτων υλικών συναρτήσει του προσανατολισμού των ινών και της διεύθυνσης του εξωτερικού φορτίου [19] 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 κατεύθυνση στο επίπεδο 38% Κάθετα στο επίπεδο 0 Οποιαδήποτε 20% 21

22 Κεφάλαιο 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. (α) (β) Σχήμα 2.5: Σχηματική αναπαράσταση (α) πολύστρωτου σύνθετου υλικού και (β) δομικού σύνθετου 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. 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 [20]. 2.5 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 22

23 Σύνθετα Υλικά ενισχυτικής φάσης κατά τη διάρκεια της ζωής του υλικού [16,19]. 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 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, Si3N4, Al2O3 και ZrO2, 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 [14] 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 ημι-κρυσταλλικές 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 ημι-κρυσταλλικό στερεό. 23

24 Κεφάλαιο 2 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 πολύσουλφονικά 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. 2.6 Τύποι Ενισχύσεων-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 [14,16]: 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 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, 24

25 Σύνθετα Υλικά 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 προ-εμποτισμένα φύλλα σε διαφορετικής διεύθυνσης ίνες (prepreg), σύνθετα τύπου υφάσματος πεπλεγμένων ινών (fabrics), πεπλεγμένων ινών σε τρισδιάστατο πλέγμα κ.α., Σχήμα 2.6. Σχήμα 2.6: Σχηματική αναπαράσταση των διαφόρων αρχιτεκτονικών πλέξης 25

26 3.1 Εισαγωγή ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ΚΡΑΜΑΤΑ ΝΙΚΕΛΙΟΥ-ΤΙΤΑΝΙΟΥ Στις αρχές της δεκαετίας του 1960 και με εφαλτήριο την παρατήρηση του φαινομένου μνήμης σχήματος (shape memory) στο ισο-ατομικό κράμα ΝiTi, από τον Buehler στο Εργαστήριο Ναυτικών Ερευνών στις Η.Π.Α, ανακαλύφτηκε μια εξίσου μοναδική ιδιότητα του κράματος αυτού, η υπερελαστικότητα (super elasticity). Το κράμα αυτό έγινε γνωστό με την εμπορική ονομασία Νitinol (Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratory) κυρίως λόγω των πολύ καλών του ιδιοτήτων σε σχέση με άλλα κράματα, κάτι το οποίο και το έχει καταστήσει 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) [21], Σχήμα 3.1. Σχήμα 3.1: Σχηματική αναπαράσταση των δύο βασικών ιδιοτήτων του κράματος NiTi, της υπερ-ελαστικότητας και της μνήμης σχήματος Η εφαρμογή ενός εξωτερικού φορτίου μπορεί να οδηγήσει στο σχηματισμό μαρτενσιτικών περιοχών στο υλικό, με τη θερμοκρασία να βρίσκεται πολύ πάνω από το σημείο Μs, 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 Μd και τοποθετείται αρκετά πάνω από την Αs (βλ. Σχ.

27 Κράματα Νικελίου-Τιτανίου 3.5). Το φαινόμενο της υπερ-ελαστικότητας εμφανίζεται στο θερμοκρασιακό εύρος μεταξύ Αs και Μd και η βέλτιστη ελαστική συμπεριφορά επιτυγχάνεται σε θερμοκρασίες ελαφρώς μεγαλύτερες της Αs [22]. Συνοψίζοντας, τα κράματα Νικελίου-Τιτανίου, ανάλογα με τη στοιχειομετρική τους σύσταση και τη θερμοκρασία λειτουργίας τους, μπορούν να δράσουν είτε ως ένα σύστημα αισθητήρα - ενεργοποιητή (θερμικά ενεργοποιούμενη αλλαγή γεωμετρίας), είτε ως ενα σύστημα επιβολής εξαιρετικά μεγάλων ανακτήσιμων παραμορφώσεων. Χρησιμοποιούνται σε διάφορες εφαρμογές όπως σύνδεσμοι σε σωλήνες, διάφοροι ενεργοποιητές σε ηλεκτρικές συσκευές, εφαρμογές σε αυτοκίνητα οχήματα, κεραίες για κινητά τηλέφωνα, ιατρικά εμφυτεύματα, σε μικρομηχανικές εφαρμογές, στη ρομποτική κ.ά. 3.2 Μηχανισμός υπερελαστικότητας στο κράμα NiTi Το κράμα Νικελίου-Τιτανίου, εντός ενός καθορισμένου εύρους θερμοκρασιών, υπόκειται σε θερμοελαστικό, στερεού τύπου μετασχηματισμό, μεταξύ της φάσης υψηλής θερμοκρασίας, του ωστενίτη (austenitic phase) και της φάσης χαμηλότερης θερμοκρασίας, του μαρτενσίτη (martensitic phase). Ο μετασχηματισμός αυτός, δεν περιλαμβάνει διάχυση και εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία και το εξωτερικά επιβαλλόμενο τασικό πεδίο και όχι από το χρόνο [5]. Παρόμοια αλλαγή φάσης μεταξύ ωστενιτικής 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 προαναφερθείσα ικανότητα του κράματος να εκδηλώνει το φαινόμενο μνήμης σχήματος (Shape Memory Effect - SME) [23] Μαρτενσιτικός Μετασχηματισμός 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 [24]. Η ωστενιτική φάση έχει κυβική δομή Ce-Cl (Cesium-Chloride, δομή Β2) ενώ η μαρτενσιτική φάση έχει μια λιγότερο συμπαγή μονοκλινή δομή (δομή Β19 ) [21]. Σχήμα 3.2: Σχηματική αναπαράσταση στοιχειώδους κυψελίδας ωστενίτη (Β2) και μαρτενσίτη(β19') για το κράμα NiTi 27

28 Κεφάλαιο 3 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 παράγραφο-κυρίως πραγματοποιώντας μικρές μεταβολές στη σύσταση του υλικού. Η θερμοκρασία εκκίνησης της αλλαγής φάσης συμβολίζεται ως Μs (martensite start temperature) και η αντίστοιχη θερμοκρασία ολοκλήρωσής της, ως Mf (martensite finish temperature). Κατά τον αντίστροφο μετασχηματισμό και ενώ το υλικό θερμαίνεται, ορίζονται οι θερμοκρασίες εκκίνησης και ολοκλήρωσης της ωστενιτικής φάσης που συμβολίζονται αντίστοιχα ως Αs και Αf [25]. Εάν υποθέσουμε ότι ένας μονοκρύσταλλος ωστενίτη (σε ελεύθερη κατάσταση, χωρίς επιβολή εξωτερικών τάσεων), ψύχεται σε θερμοκρασία χαμηλότερη της Μf, τότε, προκύπτει γενικά μαρτενσιτική δομή, με 24, διαφορετικού προσανατολισμού, ισότιμα κρυσταλλογραφικά επίπεδα. Αντίθετα, κατά τη θέρμανση, υπάρχει μόνο ένας πιθανός προσανατολισμός της αυστηρά συμμετρικής ωστενιτικής φάσης, οπότε προκύπτει η δομή Β2 που είδαμε πιο πάνω [4]. 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 [21]. 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 [25]. Ψύχοντας τον ωστενίτη, 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 [21,25]. 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 διεύθυνση (βλ. Σχήμα 3.3). Η διαδικασία αυτή περιγράφεται με τον όρο de-twinning [21]. 28

29 Κράματα Νικελίου-Τιτανίου Σχήμα 3.3: Σχηματική αναπαράσταση (α) ωστενίτη, (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 ωστενιτικής φάσης, μπορεί να μας δώσει περισσότερες πληροφορίες για τη φύση του μηχανισμού (βλ. Σχήμα 2.3). Αρχικά, το υλικό βρίσκεται σε θερμοκρασία μεγαλύτερη της Αf, συνεπώς η μόνη φάση που παρατηρείται είναι αυτή του ωστενίτη (single crystal austenite). Με την ψύξη και εφόσον δεν ασκούνται εξωτερικά φορτία, συμβαίνει πλήρης μετατροπή του ωστενίτη 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) [26]. 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 εξωτερική φόρτιση αποσυρθεί και το υλικό θερμανθεί θα υπάρξει πλήρης μετατροπή στη μονοκρυσταλλική ωστενιτική φάση. Σχήμα 3.4: Σχηματική επεξήγηση του μηχανισμού κίνησης στα όρια διδυμιών κατά την παραμόρφωση του μαρτενσίτη και επαναφορά σε μονοκρυσταλλική ωστενιτική φάση με τη θέρμανση 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 (Αs Αf), διαφέρουν από τα αντίστοιχα της αλλαγής φάσης που λαμβάνει χώρα κατά την ψύξη του 29

30 Κεφάλαιο 3 υλικού (Μs Μf). Ως υστέρηση, ορίζεται η διαφορά μεταξύ των θερμοκρασιών μετασχηματισμού 50% σε ωστενίτη κατά την θέρμανση και 50% σε μαρτενσίτη κατά την ψύξη. Μια συνήθης τιμή για τη διαφορά αυτή κυμαίνεται από 15 ο C έως 30 ο C [4]. Στo σχήμα 3.5 παρουσιάζεται γραφικά το υστερητικό φαινόμενο για ένα κράμα ΝiTi. Σχήμα 3.5: Σχηματική απεικόνιση του φαινομένου της υστεριτικής συμπεριφοράς κράματος NiTi σε διάγραμμα ποσοστού μετατροπής σε ωστενίτη 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. Στην παρούσα εργασία θα γίνει χρήση υπερελαστικών συρμάτων NiTi. Αυτό σημαίνει ότι τα σύρματα έχουν σύσταση τέτοια, έτσι ώστε σε θερμοκρασία δωματίου (~ 25 ο C) να βρίσκονται πάνω από τη θερμοκρασία ολοκλήρωσης του ωστενιτικού μετασχηματισμού (Af), η οποία σηματοδοτεί και το ανώτατο όριο θερμοκρασίας όπου μπορεί να συμβεί η εν λόγω θερμικά ενεργοποιούμενη κρυσταλλογραφική μεταβολή. Η πλέον σημαντική ικανότητα των υπερελαστικών υλικών σε σχέση με τα συμβατικά μέταλλα είναι ότι μπορούν να υποστούν μεγάλες ανακτήσιμες παραμορφώσεις. Επιπλέον έχουν την ιδιότητα να ασκούν σταθερή μηχανική τάση όταν η ψευδοελαστική παραμόρφωση παρουσιάζει συγκεκριμένο εύρος (2% - 8%). Αυτή η ιδιότητα τα καθιστά κατάλληλα για πληθώρα εφαρμογών, είτε ως αυτόνομα μεταλλικά στοιχεία, είτε ως εγκλείσματα σε σύνθετες δομές (χειρουργικά εμφυτεύματα, ορθοδοντικά προϊόντα, μικροεργαλεία, ενισχυτική φάση σκυροδέματος σε κτήρια κ.α.) 3.3 Η ενδιάμεση κρυσταλλογραφική φάση (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 ωστενίτη (Β2) και του μαρτενσίτη (Β19 ). Υπάρχουν όμως περιπτώσεις, που κατά τη διάρκεια της μετάβασης, το κράμα διέρχεται από μία ενδιάμεση φάση, με την ονομασία φάση R (R-phase) [27]. 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 30

31 Κράματα Νικελίου-Τιτανίου Μs 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 Μs, οπότε η R-φάση μπορεί να εμφανιστεί και κατά τη θέρμανση [28]. Πρόσφατες έρευνες, έχουν δείξει ότι ακόμη και η R-φάση, σχηματίζεται μέσω δύο άλλων διαδοχικών μετασχηματισμών [29]. 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) [27]. 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 Νi4Ti3 στο εσωτερικό του κράματος που έχει ισοατομική σύνθεση [30]. 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 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. Στην Σχήμα 3.6, 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 3.6: 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. 3.4 Μέθοδοι παρασκευής κραμάτων NiTi 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 [4]. Αρχικά, τα συστατικά του κράματος τήκονται σε συσκευή επαγωγικής 31

32 Κεφάλαιο 3 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 (Αs, Αf, Μs, Μf), με μικρομεταβολές στην ισοατομική σύνθεση ή προσθήκη στοιχείων όπως Cu ή Al. Στη συνέχεια, ακολουθεί νέα τήξη υπό κενό με χρήση ηλεκτρικού τόξου (arcmelting), έτσι ώστε να σταθεροποιηθεί η χημική σύνθεση του κράματος, να επιτευχθεί η ομογενοποίησή του και η σταθερότητα της εσωτερικής του δομής. Σχήμα 3.7: Πρωτογενείς μορφές κράματος NiTi πριν τη μορφοποίησή του (α) μετά από την πρώτη επαγωγική τήξη και (β) μετά από την δεύτερη τήξη ηλεκτρικού τόξου Το παραγόμενο προϊόν, μπορεί πλέον να διαμορφωθεί το 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 3.8: 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 πυροσυσσωμάτωσης (sintering), αλλά παρουσιάζουν μειωμένο ενδιαφέρον στις εφαρμογές τους. 32

33 3.6 Μέθοδοι μέτρησης των θερμοκρασιών μετασχηματισμού Κράματα Νικελίου-Τιτανίου Οι κρίσιμες θερμοκρασίες μετασχηματισμού του κράματος και το εύρος της υστέρησης αποτελούν ίσως τις σημαντικότερες παραμέτρους που πρέπει να ληφθούν υπόψη. 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 (Αs, Αf, Μs, Μf), 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 [31]. - 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 300sec, 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 [32]. - 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. 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 [33]. 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. 33

34 Κεφάλαιο 3 Σχήμα 3.9: 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 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<Mf, T>Af). 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 [34]. Από τα δεδομένα αυτά, με υπολογιστικές μεθόδους εξάγονται οι θερμοκρασίες μετασχηματισμού και το εύρος της υστέρησης για το δείγμα (Βλ. Σχήμα 3.9). 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 ωστενίτη 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 [35]. 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 34

35 Κράματα Νικελίου-Τιτανίου 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 [36]. 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 [33]. 3.7 Εμπορικές εφαρμογές H ιδιότητα της Υπερελαστικότητας, πέρα από το ερευνητικό ενδιαφέρον που παρουσιάζει, καθιστά το κράμα NiTi υποψήφιο για πληθώρα εφαρμογών σε πολλούς τομείς. Σχήμα 3.10: Εφαρμογές του κράματος NiTi (α) σε συνενώσεις εξαρτημάτων, (β) σε βιομηχανικά συστήματα εξαερισμού, (γ) σε ηλεκτρικές ενώσεις 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 3.11: Εφαρμογές στη Ρομποτική 35

36 Κεφάλαιο 3 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. 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 3.12: Εφαρμογές του κράματος NiTi (α) σε δορυφόρους, (β) σε πτυσσόμενες κεραίες, (γ) σε πολυμερικά αυτο-επισκευαζόμενα μέρη οχημάτων και (δ) σε πτέρυγες 36

37

38 Κεφάλαιο 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ΠΟΛΥ-ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 4.1 Εισαγωγή Σε προηγούμενο 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 πολυ-λειτουργικά υβριδικά σύνθετα υλικά. Τα τελευταία, προκύπτουν από την ενσωμάτωση ευφυών υλικών στις κατάλληλες (συνήθως πολυμερικές) μήτρες, παράλληλα βέβαια με την χρήση της εκάστοτε ενίσχυσης. Επιγραμματική αναφορά στα πολύ-λειτουργικά υλικά έγινε στην εισαγωγή της εργασίας και στη συνέχεια θα δοθούν περισσότερες λεπτομέρειες για αυτά. Ένα πολύ-λειτουργικό σύστημα συνδυάζει ιδιότητες από διάφορα υλικά και στις περισότερες περιπτώσεις ενσωματώνει ενεργοποιητές και αισθητήρες, οι οποίοι συνδέονται μεταξύ τους με έναν κατάλληλο βρόγχο ελέγχου [37]. 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) [38]. Σε απευθείας αντιπαράθεση με ένα ζωντανό οργανισμό, οι ενεργοποιητές είναι το ανάλογο του μυϊκού συστήματος, οι αισθητήρες αντιπροσωπεύουν το νευρικό σύστημα και ο βρόχος ελέγχου αποτελεί το ανάλογο του εγκεφάλου (Βλ. Σχήμα 4.1). Σχήμα 4.1: Σχηματική αναπαράσταση των χαρακτηριστικών ενός ευφυούς συστήματος [1] 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. 38

39 4.2 Αισθητήρες και Ενεργοποιητές Πολύ-λειτουργικά Υλικά 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 συνδυάζουν τις ιδιότητες διαφορετικών υλικών και ενσωματώνουν τις λειτουργίες τόσο της αίσθησης όσο και της ενεργοποίησης. Επίσης, οι μηχανικές ιδιότητες ορισμένων πολυ-λειτουργικών υλικών είναι τέτοιες, που μπορεί αυτά να χρησιμοποιούνται και ως δομικά στοιχεία του συστήματος [37]. Στο προηγούμενο κεφάλαιο, αναπτύχθηκε ο Μαρτενσιτικός μετασχηματισμός για το κράμα NiTi, 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 υλικών, χρησιμοποιούνται και άλλα υλικά, τα οποία θα παρουσιαστούν συνοπτικά στις επόμενες παραγράφους. 4.3 Συνήθη Πολύ-λειτουργικά Υλικά Εκτός των πολυ-λειτουργικών υλικών πολυμερικής μήτρας που μελετάται στη παρούσα εργασία, η κατηγορία των υλικών αυτών 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 Οπτικές Ίνες Οι 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. 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. 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), ενώ 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 [39]. 39

40 Κεφάλαιο 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 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 Ηλεκτρορεολογικά-Μαγνητορεολογικά Υλικά Τα ηλεκτρορεολογικά (electrorheological ER fluids) και τα μαγνητορεολογικά (magnetorheological MR fluids) υλικά, είναι πολυ-λειτουργικά 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 105 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 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 άξονας συμπίπτει με τον μαγνητικό προσανατολισμό [40]. 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 προ-φορτίσουμε το υλικό και δώσουμε μεγαλύτερη κλίση στις ελλειπτικές περιοχές. Αυτή είναι μια πρακτική που χρησιμοποιείται σε όλες 40

41 Πολύ-λειτουργικά Υλικά σχεδόν τις εφαρμογές του Terfenol-D, γιατί με τον απλό αυτό τρόπο αυξάνεται η ικανότητα χρήσης του υλικού ως ενεργοποιητή. 4.4 Ευφυή σύνθετα υλικά με ενσωματωμένα Κράματα Μνήμης Σχήματος 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 [41]. 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 [42]. 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 [42]. 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 [43-45]. 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 [46]. 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 [47]. Η κατεύθυνση όμως προς την οποία πλέον κινείται η τεχνολογία των ευφυών συνθέτων υλικών και το μεγαλύτερο κομμάτι της σχετικής έρευνας, είναι αυτή της ανάπτυξης δομών που να μπορούν να μεταβάλλουν μακροσκοπικά το σχήμα τους [πχ. 37], 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. Σχήμα 4.2). Σχήμα 4.2: 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 41

42 Κεφάλαιο 4 σύρματα NiTi [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 πολύλειτουργικού 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]. 4.5 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 αυτόμόριο 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 περιέχουν αρωματικούς δακτυλίους και συνοδεύονται απο συστήματα σκληρυντών και εκκινητών. Σχήμα 4.3: Διδραστικό μακρομόριο και εκκινητής (διαμίνη) Στο επόμενο σχήμα, φαίνεται η αντίδραση της διαμίνης με τους οξιρανικούς δακτυλίους για το σχηματισμό του τρισδιάστατου δικτύου. 42

43 Πολύ-λειτουργικά Υλικά Σχήμα 4.4: Σχηματική αναπαράσταση αντίδρασης διαμίνης με τους οξιρανικούς δακτυλίους μακρομορίων Θερμική Επεξεργασία 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 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 (Tg) 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 τονεγκλεισμό 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. 43

44 Κεφάλαιο 4 Οι θερμοσκληρυνόμενες εποξειδικές ρητίνες σε σύγκριση με άλλες θερμοπλαστικές μήτρες, έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες που δεν εξαρτώνται τόσο από τη θερμοκρασία, και παρουσιάζουν υψηλότερη Tg. 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. 4.6 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 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 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 [1]. Σχήμα 4.5: Αντίδραση σχηματισμού πολυαμιδίου (Kevlar) 44

45 4.6.2 Δομή Πολύ-λειτουργικά Υλικά Οι δεσμοί υδρογόνου μεταξύ των αμινομάδων και των καρβονυλίων γειτονικών μακροαλύσεων (Βλ. Σχήμα 4.6), 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. Σχήμα 4.6: 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 o. 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 4.7: Πτυχώδης δομή μιας ίνας Kevlar, Dobb et al [53] Ιδιότητες 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, οι ίνες έχουν τις παρακάτω ιδιότητες [1]: Μέτρο ελαστικότητας ίσο με 122 Gpa, Παραμόρφωση θραύσης ίση με 2.5% Τάση θραύσης είναι ίση με 3024 ΜPa Αντίστοιχα, οι ιδιότητες της εποξειδικής ρητίνης LTM217, ανάλογα με το curing που έχει προηγηθεί, και με βάση τα στοιχεία του κατασκευαστή είναι: 45

46 Κεφάλαιο 4 Μέτρο ελαστικότητας από 3 έως 6 GPa, Αντοχή σε εφελκυσμό από 70 έως 100 GPa Παραμόρφωση θραύσης από 3 έως 5 %. 46

47 47 Πολύ-λειτουργικά Υλικά

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 5.1 Γενικά Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, σκοπός της εργασία αυτής είναι η πειραματική μελέτη της αποσβεστικής ικανότητας υβριδικών συνθέτων υλικών μέσω της ενίσχυσης τους με σύρματα από υπερ-ελαστικό κράμα NiTi. Για να γίνει εφικτή μια τέτοια διερεύνηση στα πλάισια της εργασίας παρασκευάστηκαν τα απαιτούμενα δοκίμια, σχεδιάστηκε και κατασκευάσθηκε κατάλληλη πειραματική διαδικασία και διάταξη δοκιμής ελεύθερης ταλάντωσης, και εν συνεχεία πραγματοποιήθηκε μια σειρά από διάφορες πειραματικές δοκιμές σε διαφορετικά είδη δοκιμίων. Στο πλαίσιο αυτό, αρχικά παρασκευάστηκε το σύνθετο υλικό αναφοράς και το υπό εξέταση απαιτούμενο υβριδικό σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες Kevlar σε δύο διαφορετικούς προσανατολισμούς και σύρματα υπερ-ελαστικού κράματος Ni-Ti σε διάφορα ποσοστά περιεκτικότητας και επίπεδα προτάνυσης. Στην συνέχεια, εκτελέστηκαν μία σειρά από αρχικές δοκιμές μηχανικού, θερμο-μηχανικού και μικροσκοπικού χαρακτηρισμού με σκοπό την επιλογή των βέλτιστων χαρακτηριστικών, και τέλος, για τον επιλεγέντα προσανατολισμό, έγινε πλήρης πειραματική σειρά δοκιμών ελεύθερης ταλάντωσης. Για την κατασκευή των συνθέτων υλικών επελέγη η εποξειδική ρητίνη LTM217 υπο μορφήν προεμποτισμένων φύλλων (prepregs) ενισχυμένων με ίνες Kevlar29. Τα prepregs προέρχονταν από την εταιρία Advanced Composites Group (ACG, UK) και διέθεταν ενίσχυση ινών ενός προσανατολισμού. Οι ίνες Kevlar προέρχονται από την εταιρία Du Pont,USA, με διάμετρο περίπου 16 μm, και το ογκομετρικό τους κλάσμα στα prepregs ήταν ίσο με 53.5%. Το βασικό κριτήριο επιλογής του εν λόγω προεμποτισμένου συστήματος είναι ότι χρησιμοποιείται ευρέως σε διάφορες εφαρμογές (αεροδιαστημική, αυτοκινητοβιομηχανία κλπ.) όπου ούτως ή άλλως οι απαιτήσεις για έλεγχο της απόκρισης σε ταλάντωση είναι αυξημένες. Τα σύρματα που χρησιμοποιήθηκαν για την παρασκευή του σύνθετου υλικού είχαν διάμετρο 0.25mm και παραλήφθηκαν από την εταιρία Flexmet ως υπερελαστικά σύρματα με Oxidised Surface. Όλες οι δοκιμές έλαβαν χώρα στο Εργαστήριο Μηχανικής των Υλικών του ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ, το οποίο διαθέτει όλη την απαραίτητη υλικοτεχνική υποδομή για τη πραγματοποίηση της έρευνας. Αξίζει επίσης να τονιστεί πως όλες οι δοκιμές πραγματοποιήθηκαν βάσει προδιαγραφών που ορίζει η ASTM (Αmerican Society for Testing and Materials), οι οποίες θα περιγραφούν παρακάτω. Η κατανομή των δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν φαίνεται στοv Πίνακα 5.1. Βλέπουμε δηλαδή ότι ο αριθμός των δοκιμών ήταν 112 συνολικά, σε διαφορετικά είδη δοκιμίων. Η γεωμετρία των δοκιμίων θα περιγραφεί παρακάτω.

49 Πίνακας 5.1: Κατανομή δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν Πειραματική Διαδικασία Υλικό Αριθμός δοκιμίων συνθέτου υλικού Αναφοράς Αριθμός δοκιμίων σύρματος NiTi Αριθμός δοκιμίων συνθέτου υλικού με ενσωματωμένο κράμα NiTi [0] 2s [±45] 2s [0] 2s [±45] 2s Δοκιμές Εφελκυσμού Δοκιμές Κάμψης 3-σημείων Δοκιμές Κόπωσης Δοκιμές Ελεύθερης Ταλάντωσης Δοκιμές DSC Δοκιμές Μικροσκοπίας Σύνολο Δοκιμών Παρασκευή Συνθέτων Υλικών Δοκίμια UD - [0]2s Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, τα υπό εξέταση σύνθετα υλικά που μελετώνται σε αυτή την εργασία είναι παρασκευασμένα από prepregs προεμποτισμένων ινών Kevlar29 σε εποξειδική ρητίνη LTM217. Το κύριο πλεονέκτημα της χρήσης προεμποτισμένων ινών Kevlar σε εποξειδική ρητίνη είναι ότι είναι εύκολα στη διαχείριση και στη ρύθμιση των διαστάσεων του σύνθετου. Επίσης, λόγω της συγκεκριμένης ποσότητας ρητίνης που περιέχουν, δεν παρουσιάζεται εκκροή της ρητίνης κατά τη διαδικασία curing. Το πάχος του τελικού δοκιμίου εξαρτάται από τον αριθμό των στρώσεων prepregs που χρησιμοποιούνται. Σε αυτή την εργασία χρησιμοποιήθηκαν 4 στρώσεις για την παρασκευή των σύνθετων υλικών, οι οποίες ανέρχονται σε πάχος γύρω στα mm, όπως αυτό μετρήθηκε μετά το πέρας της παρασκευής των υλικών. Σχήμα 5.1: Σχεδιασμός κοπής των prepregs με τη διεύθυνση ινών Kevlar σε γωνία 0 ο με τον διαμήκη άξονα του σύνθετου υλικού Αρχίζοντας την διαδικασία παρασκευής, το πρώτο βήμα είναι η σταδιακή αύξηση της θερμοκρασίας των prepregs από τη θερμοκρασία κατάψυξης σε φυσιολογική θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αυτά αποθηκεύονται σε χαμηλή θερμοκρασία (-18 ο C) με σκοπό τη δραστική μείωση της ταχύτητας της χημικής αντίδρασης του πολυμερισμού. Επόμενο βήμα είναι η κοπή των prepregs στις επιθυμητές διαστάσεις. Η διάσταση της πλάκας που παρασκευάστηκε ήταν 250mm*100mm. Για την παρασκευή του σύνθετου με προσανατολισμό ινών 0 ο, τα prepregs κόβονται με τις ίνες Kevlar παράλληλες στη διάσταση των 25cm (σχήμα 5.1). Ακολουθώντας την κοπή των prepregs σε 4 κομμάτια ίδιων 49

50 Κεφάλαιο 5 διαστάσεων, τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο, έχοντας αφαιρέσει τα προστατευτικά φύλλα (release films), με προσοχή στον προσανατολισμό των ινών. Για την μείωση του φαινομένου παγίδευσης αέρα ανάμεσα στις στρώσεις του prepreg, εφαρμόζεται αρχικά ελαφρά συμπίεση με χρήση μεταλλικού κυλίνδρου πάνω στην επιφάνεια της στοίβας των prepregs, ενώ κατά τη διάρκεια της θέρμανσης εντός του autoclave επιβάλλεται κενό. Σχήμα 5.2: Βάση με Teflon Στην συνέχεια τοποθετήθηκαν οι 4 στρώσεις prepreg σε μια ειδικά σχεδιασμένη βάση, η οποία έχει αντικολλητική επιφάνεια Teflon στο επάνω μέρος της, γεγονός που διευκολύνει την αποκόλληση του σύνθετου. Στο παραπάνω σχήμα φαίνεται και η μεγαλύτερη βάση (tool) πάνω στην οποία τοποθετείται η βάση με το Teflon, μέσω της οποίας επιτυγχάνεται η στήριξη της κατασκευής στις πλευρικές ράγες του Autoclave. Σχήμα 5.3: 4 στρώσεις prepreg πάνω σε βάση Teflon Η επιφάνεια της βάσης Teflon λειάνθηκε με λεπτόκοκκο γυαλόχαρτο πριν την τοποθέτηση των prepregs, για την αποφυγή τυχόν ατελειών της κάτω επιφάνειας του 50

51 Πειραματική Διαδικασία σύνθετου. Στη συνέχεια, για την αποφυγή της εκκροής ρητίνης στα άκρα της πλάκας, η κατασκευή οριοθετήθηκε με χρήση μαστιχοταινίας υψηλών θερμοκρασιών. Σχήμα 5.4: Εύκαμπτη μεταλλική επιφάνεια, πάνω από το σύνθετο Πάνω από τα prepregs τοποθετήθηκε μία εύκαμπτη μεταλλική επιφάνεια ίδιων διαστάσεων. Η μεταλλική επιφάνεια είναι τυλιγμένη με ειδικό αντικολλητικό υλικό (release film). Πρόκειται για ένα λεπτό film που χρησιμοποιείται για την αποφυγή συγκόλλησης της ρητίνης πάνω σε μεταλλικές επιφάνειες σε θερμοκρασίες πολυμερισμού. Η εύκαμπτη μεταλλική επιφάνεια συμβάλλει στην πιο ομοιόμορφη κατανομή της εφαρμοζόμενης πίεσης εντός του Autoclave, απο τα πρώτα ακόμα στάδια της διαδικασίας. Σχήμα 5.5: Αισθητήρας θερμοκρασίας για αυτόκλειστο φούρνο Κατόπιν, έγινε τοποθέτηση των αισθητήρων θερμοκρασίας (K type thermocouples), απαραίτητα για τη λειτουργία του αυτόκλειστου και το σωστό έλεγχο της θερμικής διεργασίας. Στο παραπάνω σχήμα, διακρίνονται οι αισθητήρες θερμοκρασίας, οι οποίοι στερεώθηκαν με ειδική θερμοανθεκτική ταινία. Στη συνέχεια, με προσοχή μεταφέρεται όλος ο εξοπλισμός μαζί με το σύνθετο μέσα στον φούρνο, όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. 51

52 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.6: Τοποθέτηση σύνθετου στον αυτόκλειστο φούρνο Το τελευταίο βήμα στην παρασκευή σύνθετου υλικού είναι η ρύθμιση των παραμέτρων του curing μέσω Η/Υ δηλαδή η μεταβολή της πίεσης, του κενού και της θερμοκρασίας συναρτήσει του χρόνου. Για τη συγκεκριμένη ρητίνη συνίσταται από τον κατασκευαστή ένας κύκλος curing 12 ωρών, μια μέγιστη πίεση 6 bar, και θερμοκρασία 180 ο C. Έτσι, χρησιμοποιήθηκε το προφίλ που φαίνεται στο σχήμα 5.7. Με το πέρας των 12 ωρών, το υλικό παραμένει στο θάλαμο ώστε να ακολουθήσει η σταδιακή πτώση σε θερμοκρασία περιβάλλοντος και στη συνέχεια αφαιρείται προσεκτικά από τη βάση. Σχήμα 5.7: Στιγμιότυπο από το curing της εποξειδικής ρητίνης ltm

53 Πειραματική Διαδικασία Δοκίμια CD - [±45]2s Η διαδικασία παρασκευής του σύνθετου υλικού με προσανατολισμό ινών ±45 ο είναι παρόμοια με αυτή της παρασκευής σύνθετου με προσανατολισμό ινών 0 ο. Οι μόνες διαφορές βρίσκονται στον τρόπο κοπής και στοίβαξης των prepreg. Επιγραμματικά οι 4 φάσεις παρασκευής, όπως και πριν, είναι: 1 η φάση-σχεδιασμός των διαστάσεων του υλικού όπου καθορίζονται οι διαστάσεις κοπής του prepreg και ο αριθμός στρώσεων prepreg που θα χρησιμοποιηθούν 2 η φάση-στοίβαξη των στρώσεων prepreg και τοποθέτηση πάνω στη βάση από Teflon 3 η φάση-προετοιμασία του εξοπλισμού και εισαγωγή στον αυτόκλειστο φούρνο 4 η φάση-προγραμματισμός του curing). Στην κοπή του prepreg, χρειάζεται ιδιαίτερη προσοχή στις γωνίες κοπής και στις διαστάσεις των στρώσεων. Είναι ιδιαίτερα δύσκολη η κοπή ινών Kevlar, και η ύπαρξη της ρητίνης κάνει τη διαδικασία ακόμα πιο δύσκολη. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται ο σχεδιασμός και η διαδικασία κοπής των στρώσεων. Σχήμα 5.8: Κοπή του prepreg σε στρώσεις για παρασκευή σύνθετου με προσανατολισμό ινών +45 o /-45 o Μετά την κοπή, οι στρώσεις prepreg τοποθετούνται σε στοίβα με εναλλασσόμενο προσανατολισμό ινών. Εάν αριθμήσουμε τις στρώσεις του prepreg από τις οποίες αποτελείται η στοίβα με αριθμούς από το 1 έως το 4, με τη σειρά τοποθέτησης, οι στρώσεις 1,3 έχουν προσανατολισμό 45 ο, ενώ οι στρώσεις 2,4 έχουν προσανατολισμό -45 ο. Στο σχήμα 5.9 φαίνεται και σχηματικά αυτή η διάταξη. Σχήμα 5.9: Σχεδιασμός των στρώσεων prepregs για την παρασκευή σύνθετων υλικών με ενίσχυση ινών σε διεύθυνση ±45 ο 53

54 Κεφάλαιο 5 Όσον αφορά στο υπόλοιπο της διαδικασίας παρασκευής του σύνθετου με προσανατολισμό ινών ±45 ο, ακολουθούνται τα ίδια βήματα με τη διαδικασία της προηγούμενης παραγράφου,. Μετά το curing, εξάγεται το σύνθετο και αποθηκεύεται σε ασφαλές μέρος. Στα παρακάτω σχήματα φαίνεται το σύνθετο με προσανατολισμό ινών ±45 ο και η οπτική σύγκριση μεταξύ αυτού και του σύνθετου με προσανατολισμό ινών 0 ο. Στο σχήμα 5.10 μπορεί κανείς να διακρίνει τις διασταυρούμενες στρώσεις των ινών, όπως επίσης και η γωνία 45 ο που αυτές σχηματίζουν με τον κύριο άξονα του υλικού. Για τη μελέτη των υλικών αυτών η κοπή τους σε μικρότερα δοκίμια είναι απαραίτητη, διότι το επιβάλλουν οι εκάστοτε προδιαγραφές που χρησιμοποιούνται. Σχήμα 5.10: Σύνθετο υλικό εποξειδικής ρητίνης με Cross Directional ίνες Kevlar Σχήμα 5.11: Σύνθετο υλικό εποξειδικής ρητίνης με CD ίνες Kevlar (πάνω), και με UD ίνες Kevlar (κάτω) 54

55 Πειραματική Διαδικασία 5.3 Παρασκευή Υβριδικών Συνθέτων Υλικών με ενσωματωμένα Σύρματα υπερελαστικού κράματος Ni-Ti Για την παρασκευή των υβριδικών σύνθετων υλικών με μήτρα εποξειδικής ρητίνης, ενίσχυση ινών Kevlar29 και εγκλείσματα υπερελαστικών συρμάτων NiTi, ακολουθήθηκε η διαδικασία που περιγράφεται πιο κάτω, με μικρές διαφοροποιήσεις σε σχέση με όσα έχουν περιγραφεί ως τώρα.. Εκτός από τις 4 φάσεις των παραγράφων 5.1 και 5.2, στην εν λόγω φάση της κατασκευής θα πρέπει να ενσωματωθούν εισαχθούν τα υπερελαστικά σύρματα NiTi. Εξ ορισμού, η βέλτιστη θέση των εγκλεισμάτων για την αποφυγή ασύμμετρων εσωτερικών τάσεων είναι μεταξύ των δύο κεντρικών στρώσεων preperg, κάτι που σχηματικά δείχνεται στο Σχήμα 5.12: Σχηματική αναπαράσταση σύνθετου υλικού με 2 στρώσεις prepreg πάνω και κάτω από σύρματα NiTi Η στοίβαξη των στρώσεων prepreg γίνεται πλέον ξεχωριστά σε 2 στάδια. Το πρώτο μέρος είναι η εναπόθεση 2 στρώσεων prepreg και η τοποθέτησή τους πάνω στην βάση από Teflon, όπως ακριβώς θα γινόταν στην παρασκευή σύνθετου χωρίς σύρματα. Σειρά έχει η τοποθέτηση των συρμάτων στο σύνθετο, αφού πρώτα γίνει κατάλληλη επεξεργασία της επιφάνειας των συρμάτων, ώστε να εξασφαλίσουμε τις βέλτιστες διεπιφανειακές συνθήκες. Η ποιότητα της διεπιφάνειας εξαρτάται από πολλούς παράγοντες (πχ. Συντελεστής θερμικής διαστολής μήτρας, ιξώδες, ηλεκτροστατική έλξη, μηχανική πρόσφυση κ.α.). Στα πλαίσια της εργασίας η στόχευση ήταν η κατά το δυνατόν ενίσχυση της μηχανικής πρόσφυσης μεταξύ του υλικού NiTi και της μήτρας. Αυτό επετεύχθη με ελαφρύ scrubbing, δηλαδή μηχανική επεξεργασία της επιφάνειας των συρμάτων με λεπτόκοκκο γυαλόχαρτο. Οι επιφανειακές ατέλειες που δημιουργούνται με τη μηχανική επεξεργασία των συρμάτων βοηθούν στην καλύτερη διαβροχή του σύρματος από την ρητίνη, και, επομένως, στην αποδοτικότερη μεταφορά τάσεων, λόγω αύξησης της μηχανικής τριβής. Στις παρακάτω εικόνες φαίνεται η οπτική διαφοροποίηση ης επιφάνειας του σύρματος πριν και μετά τη διαδικασία scrubbing, Σχήμα Σχήμα 5.13: As received (polished) σύρμα NiTi πάνω αριστερά (10x) και πάνω δεξιά (20x), scrubbed σύρμα NiTi κάτω αριστερά (10x) και δεξιά (20x) 55

56 Κεφάλαιο 5 Είναι πολύ σημαντικό σε αυτό το σημείο να αναφερθεί ότι η τοποθέτηση των συρμάτων σε απόλυτη παραλληλότητα και ευθυγράμμιση σε γωνία 0 ο με τον κύριο άξονα του σύνθετου δεν είναι δυνατή, χωρίς τη χρήση ειδικού εξοπλισμού. Για αυτόν τον λόγο, έγινε χρήση της ιδιοσυσκευής του παρακάτω σχήματος. Σχήμα 5.14: Ιδιοσυσκευή τοποθέτησης και ευθυγράμμισης συρμάτων Πρόκειται για μια κατασκευή που επιτρέπει την τοποθέτηση των συρμάτων σε συγκεκριμένες θέσεις και αποστάσεις μεταξύ τους. Η συγκεκριμένη κατασκευή έχει κατασκευαστεί κατόπιν παραγγελίας από την ελβετική Swatch και επιτρέπει την τήρηση αποστάσεων μεταξύ των συρμάτων ανά 1 mm με μεγάλη ακρίβεια. Προϋποθέτει τη χρήση ενός μεγάλου τμήματος σύρματος, το οποίο τυλίγεται, στην ουσία, γύρω από τις ειδικές εγκοπές μεγάλης ακρίβειας στα άκρα της κατασκευής. Η εν λόγω ιδιοκατασκευή είναι κατασκευασμένη για χρήση σε συνδυασμό με τη βάση Teflon, εννοώντας ότι το πλάτος της είναι τόσο ώστε να χωράει μέσα στο πλαίσιό της η βάση. Έτσι εξασφαλίζεται η παραλληλότητα και η ευθυγράμμιση των συρμάτων με το σύνθετο. Στο παρακάτω σχήμα 5.15 φαίνεται η τοποθέτηση των συρμάτων στην κατασκευή. 56

57 Πειραματική Διαδικασία Σχήμα 5.15: Τοποθέτηση συρμάτων στην κατασκευή Με τη χρήση της ίδιας ιδιοκατασκευής είναι επίσης δυνατή και η προτάνυση των συρμάτων σε συγκεκριμένο επίπεδο, όταν αυτό απαιτείται. Τα σύρματα τοποθετήθηκαν σε απόσταση 2mm μεταξύ τους. Η συσκευή τοποθετήθηκε με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε η βάση Teflon να είναι μέσα στο πλαίσιο, και τα σύρματα να ακουμπούν πάνω στις 2 στρώσεις prepreg, οι οποίες ήταν ήδη τοποθετημένες από πριν πάνω στη βάση. Η διάταξη σε αυτή τη φάση φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 5.16: Διάταξη μετά την τοποθέτηση συρμάτων πάνω στις 2 στρώσεις prepreg Στη συνέχεια, τοποθετούνται οι 2 τελευταίες στρώσεις prepreg πάνω από τα σύρματα, έτσι ώστε να είναι ευθυγραμμισμένες με τις 2 στρώσεις που είχαν τοποθετηθεί από την αρχή, σχήμα

58 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.17: Διάταξη μετά τη στοίβαξη των 2 τελευταίων στρώσεων Αφού ολοκληρωθεί η στοίβαξη των prepregs μαζί με σύρματα NiTi, το σύνθετο είναι έτοιμο για εισαγωγή στον αυτόκλειστο φούρνο. Τα υπόλοιπα βήματα είναι τα ίδια βήματα που θα ακολουθούσε κανείς για την παραγωγή σύνθετου χωρίς τα σύρματα, και έχουν αναφερθεί σε προηγούμενα κεφάλαια. Για να είναι δυνατήν στη συνέχεια η παραμετρική διερεύνηση της επιρροής που πραγματικά έχουν τα σύρματα NiTi στην συμπεριφορά των υλικών, κατασκευάστηκαν διάφορες κατηγορίες υβριδικού συνθέτου, εναλλάσοντας κάθε φορά είτε τον αριθμό των συρμάτων NiTi είτε το ποσοστό προτάνυσης αυτών, Πίνακας 5.2. Πίνακας 5.2: Οι διάφορες κατηγορίες δοκιμίων που κατασκευάστηκαν ΑΡΙΘΜΟΣ ΔΟΚΙΜΙΩΝ ΠΡΟΤΑΝΥΣΗ [%] ΑΡΙΘΜΟΣ ΣΥΡΜΑΤΩΝ ,

59 Πειραματική Διαδικασία 5.4 Μηχανικός Χαρακτηρισμός Συνθέτων Υλικών Δοκιμή Εφελκυσμού Οι δοκιμές εφελκυσμού πραγματοποιήθηκαν σύμφωνα με τη προδιαγραφή ASTM D3039 [54], σύμφωνα με την οποία οι διαστάσεις των δοκιμών ήταν 110mm*11mm*1mm, σχήμα Η μηχανή που χρησιμοποιήθηκε ήταν η σερβουδραυλική μηχανή γενικών δοκιμών MTS 858 του εργαστηρίου Μηχανικής των Υλικών του ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ, η οποία έχει δυνατότητα επιβολής φορτίου ς 25 kn. Σε όλες τις δοκιμές εφελκυσμού η ταχύτητα μετατόπισης της αρπάγης ήταν σταθερή και ίση με 3mm/min.. Τα πειράματα διεξάγονται σε θερμοκρασία δωματίου 24 o C. L w t = 1mm w = 11mm L = 110mm Σχήμα 5.18: Δοκίμια σύμφωνα με την ASTM D3039 Το 1 ο στάδιο της πειραματικής διαδικασίας του εφελκυσμού περιλαμβάνει και την επικόλληση των tabs, με χρήση εποξειδικής κόλλας δύο συστατικών, για πιο ομοιόμορφη κατανομή των τάσεων σύσφιξης στα άκρα του υλικού. Τα μεταλλικά αυτά tabs συγκολλήθηκαν στα άκρα του κάθε δοκιμίου, καλύπτοντας ακριβώς την επιφάνεια προς πάκτωση από την αρπάγη της μηχανής. Σχήμα 5.19: Συγκόλληση μεταλλικών tabs σε δοκίμια σύνθετου υλικού Η συγκεκριμένη κόλλα απαιτεί το πέρας 10 ωρών για την πλήρη σκλήρυνση. Μετά από αυτό, γίνεται η μέτρηση του ενεργού μήκους όλων των δοκιμίων. 59

60 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.20: Επαγωγικό μηχανικό μηκυνσιόμετρο κατάλληλου μήκους αναφοράς Στα πλαίσια της εργασίας κατασκευάστηκαν σύνθετα υλικά με διαφορετικά χαρακτηριστικά, αλλά όλα κόπηκαν σε δοκίμια διαστάσεων 100mm*15mm, με πάχος περίπου 1mm. Κατά το στάδιο της αποτίμησης των αποτελεσμάτων η σχέση που χρησιμοποιήθηκε για τη μετατροπή δύναμης σε τάση είναι η παρακάτω: όπου: σ = Τάση σε MPa N = Δύναμη σε Newton A = Επιφάνεια εγκάρσιας διατομής σε mm 2 Το τέλος του πειράματος εφελκυσμού σηματοδοτείται από τη θραύση του δοκιμίου. Παραδείγματα θραύσης φαίνονται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 5.21: Θραύση δοκιμίου με CD ίνες Kevlar (αριστερά), με UD ίνες Kevlar (δεξιά) 60

61 5.4.2 Δοκιμή Κάμψης 3 σημείων Πειραματική Διαδικασία Το πείραμα κάμψης τριών σημείων (three-point-bending, 3PB) δίνει πληροφορίες για τις ιδιότητες σε κάμψη ενός υλικού (flexural properties) όπως το μέτρο ελαστικότητας σε κάμψη E f chord, που υπολογίζεται καταγράφοντας την τάση σ, την παραμόρφωση ε, έτσι όπως ορίζονται παρακάτω. Κατά την κάμψη δοκού, η άνω επιφάνεια της δοκού θλίβεται, και η κάτω επιφάνεια εφελκύεται, σχήμα Η εσωτερική μεριά, όπως αποκαλείται η μεριά που θλίβεται, υπόκειται στην ίδια παραμόρφωση με την εξωτερική μεριά, που εφελκύεται. Αυτές οι τάσεις που προκαλούν αυτήν την παραμόρφωση είναι παράλληλες με τον κύριο άξονα της δοκού, και είναι μέγιστες σε αυτές τις 2 επιφάνειες, στο κέντρο του δοκιμίου, μιας και μιλάμε για κάμψη 3 σημείων. Σχήμα 5.22: Κατά την κάμψη δοκού, η άνω επιφάνεια της δοκού θλίβεται, και η κάτω επιφάνεια εφελκύεται Για την εργασία αυτή, το πείραμα κάμψης τριών σημείων έγινε σύμφωνα με το ASTM D [55]. Πρόκειται για μια απλή διάταξη όπου το δοκίμιο στερεώνεται οριζόντια πάνω σε 2 στηρίγματα κυλινδρικής διατομής κοντά στις άκρες του, και του ασκείται κατακόρυφη δύναμη στο μέσο του, από έμβολο που κατεβαίνει με σταθερό ρυθμό. Το διάγραμμα που δείχνει τις δυνάμεις που ασκούνται στη διάταξη φαίνεται στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 5.23: Εφαρμογή Δυνάμεων στο πείραμα κάμψης 3 σημείων Ως συσκευή υποστήριξης για το πείραμα κάμψης 3 σημείων χρησιμοποιήθηκε η παρακάτω ιδιοσυσκευή. 61

62 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.24: Συσκευή υποστήριξης για το πείραμα κάμψης 3 σημείων Το πείραμα διεξήχθη με τη χρήση της σερβοϋδραυλικής μηχανής μηχανικών δοκιμών MTS 858, και τοποθετώντας τη βάση υποστήριξης πάνω στην κάτω αρπάγη του μηχανήματος, η οποία είναι εν σειρά συνδεδεμένη με το δυναμοκελίο της συσκευής (loadcell). Το έμβολο που ασκεί την δύναμη στο κέντρο του δοκιμίου πακτώθηκε στην πάνω αρπάγη της MTS, η ελεγχόμενη κίνηση της οποίας ασκεί τις απαιτούμενες δυνάμεις. Η αρχική θέση του πειράματος ορίστηκε ως η θέση όπου το δοκίμιο στερεώνεται στη διάταξη και το έμβολο βρίσκεται 1-2mm πάνω από το κέντρο του, χωρίς να ασκείται καμία δύναμη στο δοκίμιο. Η θέση τερματισμού του πειράματος ορίστηκε ως θέση πέρα από την οποία το δοκίμιο δεν παρουσίαζε αύξηση στην τάση, όσο η παραμόρφωση αυξανόταν. Με δεδομένη την ενδοτικότητα των δοκιμίων, κατά τη διάρκεια των πειραμάτων δεν παρατηρήθηκε θραύση των υλικών και το πέρας των πειραμάτων λάμβανε χώρα όταν η μέγιστη παραμόρφωση στην εξωτερική ίνα του υλικού προσέγγιζε το 3%. Ο ρυθμός κάθετης καταπόνησης ήταν σταθερός και ίσος με 1mm/min για όλα τα πειράματα. Σύμφωνα με την ΑSTM D [55], η τάση στο κέντρο του δοκιμίου και στο ακρότατο σημείο της εξωτερικής επιφάνειάς του ακολουθεί την παρακάτω σχέση: όπου: 3PL 2 2bh σ = Τάση της εξωτερικής επιφάνειας στο κέντρο του δοκιμίου σε MPa P = ασκούμενη δύναμη σε N L = μήκος υποστήριξης σε mm b = πλάτος δοκιμίου σε mm h = πάχος δοκιμίου σε mm. Η παραμόρφωση στην εξωτερική επιφάνεια στο κέντρο του δοκιμίου, σύμφωνα με την προδιαγραφή, ακολουθεί την παρακάτω σχέση: όπου: 6 h 2 L ε = παραμόρφωση της εξωτερικής επιφάνειας σε mm δ = επιμήκυνση σημείου εφαρμογής τάσης σε mm 62

63 Πειραματική Διαδικασία L = μήκος υποστήριξης σε mm h = πάχος δοκιμίου σε mm. Για τη δημιουργία των διαγραμμάτων τάσης παραμόρφωσης χρησιμοποιήθηκαν οι παραπάνω σχέσεις, και υπολογίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες του σύνθετου σε κάμψη Δοκιμή Κόπωσης Οι δοκιμές κόπωσης που πραγματοποιήθηκαν βάσει της προδιαγραφής ASTM D [56] ήταν περιορισμένες και είχαν σαν σκοπό όχι τόσο την μελέτη της μηχανικής συπεριφοράς των υλικών που εξετάστηκαν σε κόπωση, αλλά τον έλεγχο της τυχόν επιρροής που μπορεί να έχει η ύπαρξη των συρμάτων στην απόκριση των υλικών σε κόπωση. Δηλαδή μέσω της εν λόγω μελέτης έγινε προσπάθεια έμμεσα να εξαχθούν συμπεράσματα για την αποσβεστική ικανότητα των υλικών. Τα υλικά προς μελέτη ήταν 2 ορθογώνιες παραλληλεπίπεδες πλάκες 4 plies prepreg εποξειδικής ρυτίνης ltm217 με kevlar29 από τις οπίες προέκυψαν δοκίμια των ίδιων διαστάσεων με παραπάνω. Η μία πλάκα περιείχε 6 σύρματα NiTi διαμέτρου 0.25 mm, κατά μήκος των ινών kevlar, ενώ η άλλη δεν περιείχε σύρματα (αναφοράς). Το φάσμα παραμορφώσεων επιλέχθηκε στο 0.01%-0.3%, και οι συχνότητες της κυκλικής φόρτισης για κάθε δοκίμιο ήταν (στη σειρά που αναφέρονται) 1 Ηz, 2 Hz, 3 Hz, 4 Hz, και τελικά πάλι 1 Hz. 5.5 Χαρακτηρισμός συρμάτων NiTi Εκτός από την ακριβή μέτρηση των διαστάσεων των συρμάτων που παραλήφθηκαν με παχύμετρο, η μέτρηση συγκεκριμένων ιδιοτήτων τους θεωρήθηκε απαραίτητη, μιας και κάποιες από τις ιδιότητες αυτές καθορίζουν τα όρια στα οποία μπορεί να κινηθεί κάποιος στη χρήση τους για την παρασκευή σύνθετων υλικών. Για παράδειγμα, η μέγιστη ανακτήσιμη παραμόρφωση υπερελαστικού σύρματος είναι άκρως σημαντική στην παρασκευή σύνθετου με προτανυσμένα σύρματα ως ενίσχυση. Στο πλαίσιο αυτό, ο χαρακτηρισμός των συρμάτων NiTi, περιλαμβάνει πειράματα εφελκυσμού σε ωστενιτική κατάσταση και προσδιορισμό των θερμοκρασιών μετασχηματισμού και άλλων θερμοδυναμικών παραμέτρων με χρήση της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC), καθώς και παρατήρηση μέσω οπτικού μικροσκοπίου. Για τη διεξαγωγή των μετρήσεων, χρησιμοποιήθηκε ο εργαστηριακός εξοπλισμός του ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ Προσδιορισμός μηχανικών ιδιοτήτων των συρμάτων NiTi Οι μηχανικές ιδιότητες που μελετήθηκαν είναι το μέτρο του Young της ωστενιτικής ελαστικής περιοχής, η παραμόρφωση ένδοσης, η μέγιστη ανακτήσιμη παραμόρφωση και η τάση θραύσης. Οι μηχανικές ιδιότητες του σύρματος μελετήθηκαν με δοκιμή εφελκυσμού στην μηχανή γενικών δοκιμών MTS. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η τυπική απόκριση ενός υπερελαστικού σύρματος NiTi σε πειράματα εφελκυσμού. Το παρακάτω σχήμα δείχνει μια τέτοια απόκριση. 63

64 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.25: Βιβλιογραφική τυπική καμπύλη εφελκυσμού υπερελαστικού σύρματος NiTi Όπως φαίνεται παραπάνω, υπό την επίδραση εφελκυστικών τάσεων, τα υπερελαστικά σύρματα NiTi παρουσιάζουν 3 ξεκάθαρες φάσεις στην καμπύλη Stress Strain. Η πρώτη είναι η ελαστική φάση του ωστενίτη, η δεύτερη είναι η φάση μετατροπής του ωστενίτη σε μαρτενσίτη λόγω μηχανικών τάσεων (stress induced martensite), και η τρίτη είναι η ελαστική φάση του μαρτενσίτη. Η παραμόρφωση μέχρι περίπου 8% είναι πλήρως ανακτήσιμη. Για την παρασκευή σύνθετου με ενίσχυση συρμάτων NiTi, είναι σημαντικό να προσδιοριστούν τα σημεία αλλαγής φάσης, έτσι ώστε να εκμεταλλευτούν πλήρως οι ιδιότητες των υπερελαστικών συρμάτων. Στο παρακάτω σχήμα παριστάνεται σχηματικά η μετατροπή του ωστενίτη σε μαρτενσίτη μέσω ψύξης και εφαρμογής εξωτερικών τάσεων. Σχήμα 5.26: Θερμοελαστικός μαρτενσιτικός μετασχηματισμός Για τον προσδιορισμό των μηχανικών ιδιοτήτων, έγιναν πειράματα εφελκυσμού στη μηχανή MTS 858 και για τη διεξαγωγή των πειραμάτων, κόπηκαν μικρά τμήματα σύρματος, περίπου 10cm, και πακτώθηκαν σε μεταλλικές πλάκες όπως φαίνεται στο σχήμα

65 Πειραματική Διαδικασία Σχήμα 5.27: Κάτοψη και πλάγια όψη της πειραματικής διάταξης για εφελκυσμό συρμάτων Το υπερελαστικό σύρμα NiTi στερεώθηκε ανάμεσα στην μεταλλική πλάκα και σε ροδέλα, τα οποία διαπερνούσε μια βίδα και παξιμάδι, σχήμα Σχήμα 5.28: Μέτρηση ενεργού μήκους στη διάταξη για εφελκυσμό συρμάτων Μετά την στερέωση του σύρματος ανάμεσα στις μεταλλικές πλάκες, οι 2 μεταλλικές πλάκες τοποθετήθηκαν στην επάνω και κάτω αρπάγη της MTS, και το πείραμα εφελκυσμού ολοκληρώθηκε τη στιγμή αστοχίας του κάθε σύρματος Θερμομηχανικός Χαρακτηρισμός-Δοκιμή Διαφορικής Θερμιδομετρίας Σάρωσης (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 3.6. Η πειραματική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε, είναι κατασκευασμένη από την εταιρία TA Instruments (model: Q100) και ανήκει στο ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ. Η διαδικασία που ακολουθήθηκε, βασίστηκε σε αυτή που περιγράφεται στο πρότυπο ASTM F2005 [57]. 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 ήταν το ίδιο με παραπάνω. Το σύρμα αυτό 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 Αf στο επίπεδο των 85 ο C. 65

66 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.29: 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 2ο κεφάλαιο. Το σύνολο των δειγμάτων που εξετάστηκαν ήταν 3. 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 θέρμανσης-ψύξης, μεταξύ 25 ο C και 130 ο C, με το ρυθμό μεταβολής της θερμοκρασίας να είναι 10 ο C.min Μικροσκοπικός Χαρακτηρισμός Για τον ακριβή προσδιορισμό και επιβεβαίωση των θεωρητικών μεγεθών της διαμέτρου του κάθε σύρματος η εγκάρσια τομή του παρατηρήθηκε στο οπτικό μικροσκόπιο, μετά από τον κατάλληλο εγκιβωτισμό του δοκιμίου σε ρητίνη, και προέκυψαν διάφορες εικόνες οι οποίες παρουσιάζονται στα αποτελέσματα. Επίσης, μετά την εξαγωγή του σύνθετου υλικού από τον αυτόκλειστο φούρνο και αφού αφαιρέθηκε από τη βάση Teflon και κόπηκαν τα τμήματα του σύρματος που εξέρχονταν του υλικού, το υβριδικό σύνθετο εποξειδικής ρητίνης με ίνες Kevlar και σύρματα NiTi παρατηρήθηκε στο οπτικό μικροσκόπιο, για τον έλεγχο τυχόν κενών στο εσωτερικό του, την ευθυγράμμιση των συρμάτων NiTi κ.α. 5.7 Ελεύθερη Ταλάντωση Για την μελέτη της αποσβεστικής ικανότητας των υπό εξέταση υλικών πραγματοποιήθηκαν δοκιμές ελεύθερης ταλάντωσης, σε δοκίμια ίδιων διαστάσεων με αυτά που χρησιμοποιήθηκαν στις παραπάνω δοκιμές. Στο πλαίσιο αυτό και για τις ανάγκες της εργασίας σχεδιάστηκε η απαιτούμενη πειραματική διαδικασία ελεύθερης ταλάντωσης καθώς και η απαραίτητη ιδιοσυσκευή, σχήμα 5.30, η οποία τοποθετείται στην υπάρχουσα μηχανή MTS. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται και η απαραίτητη ιδιοσυκευή για δοκιμές εξαναγκασμένης ταλάντωσης, οι οποίες όμως δεν αποτελούν αντικείμενο της παρούσας εργασίας αλλά πρόταση για περαιτέρω έρευνα. Η ιδιοσυσκευή κατασκευάστηκε εξ ολοκλήρου στο Μηχανουργείο του ΙΤΕ/ΙΕΧΜΗ και ήταν από χαλυβα St33. 66

67 Πειραματική Διαδικασία Σχήμα 5.30: Τα σχέδια autocad της πειραματικής διάταξης που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε για τις δοκιμές της ελεύθερης ταλάντωσης Η ελεύθερη ταλάντωση ξεκινούσε με την ακαριαία αποκοπή του συνθετικού νήματος που συγκρατούσε το κάθε δοκίμιο στην ίδια αρχική μετατόπιση, η οποία αντιστοιχούσε σε γωνιακή απόκλιση 10 ο από τη θέση ισορροπίας.το σημείο πρόσδεσης ήταν κοινό για όλα τα δοκίμια και σε απόσταση 10cm από το ελεύθερο άκρο τους, ενώ το άλλο άκρο τους συγκρατείτο μέσα στην ιδιοσυσκευή σε μήκος 45cm. Σχήμα

68 Κεφάλαιο 5 10cm 45cm Σχήμα 5.31: Το δοκίμιο συγκρατείτο με την βοήθεια νήματος στην ίδια κάθε φορά θέση Με την βοήθεια κατάλληλα διαβαθμισμένης κλίμακας 1:1 ως υπόβαθρο, η οποία ήταν κατακόρυφα στερεωμένη και ευθυγραμμισμένη με το δοκίμιο, έγινε δυνατή η καταγραφή της ακριβούς θέσης του δοκιμίου για κάθε χρονική στιγμή. Σχήμα 5.32: Διαβαθμισμένη σε 1:1 κλίμακα κολλημένη και ευθυγραμμισμένη με το δοκίμιο Για να γίνει δυνατή όμως μια σωστή και αποτελεσματική αποτίμηση των δοκιμών αυτών οι οποίες διαρκούσαν συνολικά λιγότερο από 2 δευτερόλεπτα η κάθε μία, χρησιμοποιήθηκε εξειδικευμένη φωτογραφική μηχανή για λήψη πλάνων σε αργή κίνηση, Σχήμα Έτσι κατέστη δυνατή η καταγραφή όλων των φάσεων του πειράματος, από την έναρξη του (κόψιμο νήματος) μέχρι και την πλήρη ακινητοποίηση του δοκιμίου. 68

69 Πειραματική Διαδικασία Σχήμα 5.33: Η εξειδικευμένη φωτογραφική μηχανή που χρησιμοποιήθηκε για λήψη πλάνων σε αργή κίνηση Στην συνέχεια, το κάθε video επεξεργάστηκε με κατάλληλο λογισμικό απομόνωσης του κάθε πλάνου (virtual-dub) και ελήφθησαν όλοι οι χρόνοι και οι μετατοπίσεις που είναι απαραίτητα για τον υπολογισμό των χαρακτηριστικών μεγεθών της απόκρισης σε ελεύθερη ταλάντωση., Σχήμα Ενδεικτικά να αναφερθεί ότι για τη κάθε δοκιμή πραγματικής διάρκειας μικρότερης από 2 δευτερόλεπτα, προέκυψε video αργής κίνης 2 λεπτών το οποίο και χωρίστηκε με χρήση του λογισμικού σε παραπάνω από 2500 πλάνα. Για το κάθε δοκίμιο έγιναν 2 δοκιμές και ελήφθησαν 2 video, τα οποία αποτιμήθηκαν ξεχωριστά για την πληρότητα και επαναληψιμότητα των αποτελεσμάτων. 69

70 Κεφάλαιο 5 Σχήμα 5.34: Το κάθε video αναλύθηκε ξεχωριστά με χρήση του κατάλληλου λογισμικού που απομόνωσε κάθε πλάνο Παρά την χρήση διαβαθμισμένης κλίμακας και για καλύτερη καταγραφή των χρόνων και των μετατοπίσεων, χρησιμοποιήθηκε λογισμικό (engauge digitizer) με το οποίο σε κάθε πλάνο του video δημιουργείτο σύστημα συντεταγμένων με βάση γνωστά μεγέθη, και στην συνέχεια καταγράφοταν με ακρίβεια η μετατόπιση του δοκιμίου (απόσταση από το σημείο ισορροπίας) για κάθε χρόνο που μας ενδιέφερε. Σχήμα 5.35: Χρησιμοποιήθηκε λογισμικό (engauge digitizer) με το οποίο σε κάθε πλάνο του video δημιουργείτο σύστημα συντεταγμένων με βάση γνωστά μεγέθη Με χρήση των μεγεθών που μετρήθηκαν (περίοδος, εύρος, ιδιοσυχνότητες, λογαριθμική μείωση κ.α.), υπολογίστηκε ο συντελεστής απόσβεσης της κάθε κατηγορίας δοκιμίων που εξετάστηκε καθώς και η διαφορά φάσης που δημιουργείται μεταξύ των ενισχυμένων με σύρματα NiTi δοκιμίων και των δοκιμίων αναφοράς (χωρίς σύρματα NiTi). 70

71 71 Πειραματική Διαδικασία

72 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Οι δοκιμές που περιγράφηκαν παραπάνω πραγματοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των μηχανικών ιδιοτήτων καθώς και των άλλων ιδιοτήτων και μεγεθών απαραίτητων για την μελέτη της ταλαντωτικής συμπεριφορά των υβριδικών σύνθετων υλικών με μήτρα εποξικής ρητίνης, προ-ενίσχυση ινών Kevlar29 και ενίσχυση υπερελαστικών συρμάτων NiTi και κατ επέκταση της βελτίωσης της αποσβεστικής τους ικανότητας. Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις παραπάνω δοκιμές παρέχουν τη δυνατότητα εκτίμησης της συμπεριφοράς των υλικών σε ελεύθερη ταλάντωση. Η ενίσχυση των υλικών που εξετάστηκαν με σύρματα NiTi οδήγησε στην βελτίωση της αποσβεστικής ικανότητας των εν λόγω υλικών αφού παρατηρήθηκε προφανής μεταβολή στον χρόνο ημισείας ζωής καθώς και τον συντελεστή απόσβεσης του υλικού. Επιπλέον, μεταβάλλεται σημαντικά η περίοδος της ταλάντωσης του υλικού που ενισχύεται με σύρματα NiTi, μεταβάλλοντας σημαντικά τα χαρακτηριστικά της ταλάντωσης. 6.1 Αποτελέσματα Μηχανικής Συμπεριφοράς Τα αποτελέσματα των μηχανικών δοκιμών που προέκυψαν από τη διαδικασία όπως περιγράφηκε στην παράγραφο 5.4, παρουσιάζονται στους παρακάτω Πίνακες και τα αντίστοιχα σχήματα Συμπεριφορά σε Εφελκυσμό Σύρματα NiTi Συνολικά εξετάστηκαν 8 σύρματα τα οποία παρουσίασαν τις χαρακτηριστικές καμπύλες Τάσης Παραμόρφωσης οι οποίες συμπίπτουν απόλυτα με την θεωρητική συμπεριφορά των εν λόγω υλικών, Σχήμα 6.1. (α) Σχήμα 6.1: (α) Θεωρητική και (β) μετρηθείσα Καμπύλη Stress - Strain υπερελαστικού σύρματος NiTi Στο παραπάνω διάγραμμα αποτυπώνεται κλασσική υπερελαστική συμπεριφορά συρμάτων NiTi. Όλα τα σύρματα εμφανίζουν τις 3 διακριτές φάσεις στις καμπύλες Τάσης Παραμόρφωσης.. Μετά από την τρίτη αυτή φάση, το υλικό εισέρχεται σε πλαστική περιοχή παραμόρφωσης, και σε τιμή παραμόρφωσης 12.75% κατά μέσο όρο σπάει. (β)

73 Βιβλιογραφία Στον παρακάτω πίνακα συνοψίζονται οι μηχανικές ιδιότητες των συρμάτων, έτσι όπως υπολογίστηκαν από το συγκεκριμένο πείραμα. Πίνακας 6.1: Μηχανικές ιδιότητες υπερελαστικών συρμάτων NiTi Μέτρο ελαστικότητα [GPa] Τάση ένδοσης [MPa] Παραμόρφωση ένδοσης [%] Μέγιστη Ανακτήσιμη Παραμόρφωση [%] Τάση θραύσης [MPa] Παραμόρφωση θραύσης [%] συμβολισμός E σ y ε y ε max σ b ε b Μέση τιμή Τυπική Απόκλιση Σύνθετο υλικό Δοκίμια UD - [0] 2s Τα πειράματα εφελκυσμού έγιναν σε 5 δοκίμια με βάση την προδιαγραφή ASTM D3039, και στην συνέχεια σχεδιάστηκαν οι καμπύλες Τάσης Παραμόρφωσης, πχ. Σχήμα 6.2, και υπολογίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες που φαίνονται παρακάτω, Πίνακας 6.2. Σχήμα 6.2: Καμπύλη Stress - Strain σύνθετου υλικού με Unidirectional ίνες Kevlar Πίνακας 6.2: Μηχανικές ιδιότητες σύνθετων εποξειδικής ρητίνης με UD ίνες Kevlar 73

74 μέτρο ελαστικότητας [GPa] όριο θραύσης [GPa] παραμόρφωση θραύσης τάση θραύσης [GPa] συμβολισμός Ε σ max εf σ b Μέση τιμή Τυπική Απόκλιση Όπως φαίνεται από το διάγραμμα, η συμπεριφορά του δοκιμίου είναι γραμμική σε μικρά επίπεδα παραμόρφωσης, παρουσιάζει ένα μέτρο ελαστικότητας GPa κατά μέσο όρο, όριο θραύσης 916 MPa, παραμόρφωση θραύσης 4.5%, και τάση θραύσης 920 MPa. Οι ιδιότητες του κάθε δοκιμίου αναγράφονται σε πίνακα παρακάτω. Δοκίμια CD - [±45] 2s Τα πειράματα εφελκυσμού έγιναν σε 5 δοκίμια με βάση την προδιαγραφή ASTM D3039, και στην συνέχεια σχεδιάστηκαν οι καμπύλες Τάσης Παραμόρφωσης, πχ. Σχήμα 6.3, και υπολογίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες που φαίνονται παρακάτω, Πίνακας 6.3. Σχήμα 6.3: Καμπύλη Stress - Strain δοκιμίου με Cross Directional ίνες Kevlar Πίνακας 6.3: Μηχανικές ιδιότητες σύνθετων εποξειδικής ρητίνης με CD ίνες Kevlar 74

75 Βιβλιογραφία μέτρο ελαστικότητας [GPa] όριο θραύσης [GPa] παραμόρφωση θραύσης τάση θραύσης [GPa] συμβολισμός Ε σ max ε f σ b Μέση τιμή Τυπική Απόκλιση Τα δοκίμια με Cross-Directional ίνες Kevlar παρουσίασαν μέτρο ελαστικότητας 3.36 GPa κατά μέσο όρο, όριο θραύσης 61 MPa, παραμόρφωση θραύσης 3.5%, και τάση θραύσης 54 MPa. Στη σύγκριση με τα δοκίμια με UD ίνες Kevlar, έχουν ξεκάθαρα μειωμένες τις μετρηθείσες μηχανικές ιδιότητες εφελκυσμού, όπως αναμενόταν άλλωστε θεωρητικά, αφού στα UD η ενισχυτική φάση συνεισφέρει ενεργά στο μηχανισμό μεταφοράς των τάσεων., Σχήμα 6.4. Σχήμα 6.4: Σύγκριση όλων των ιδιοτήτων εφελκυσμού που μετρήθηκαν για τα δοκίμια με Unidirectional και Cross Directional ίνες Kevlar όπου σ max -όριο θραύσης, Ε-μέτρο ελαστικότητας, ε f -παραμόρφωση θραύσης, σ b -τάση θραύσης Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι και για τις δύο παραπάνω κατηγορίες προσανατολισμού των ινών (UD, CD) πραγματοποιήθηκαν 10 δοκιμές εφελκυσμού και σε δοκίμια που είχαν παρασκευαστεί κάτω από διαφορετικές συνθήκες στον αυτόκλειστο φούρνο (single stage curing), αλλά επειδή η μηχανική τους απόκριση, εν συγκρίσει με τα αντίστοιχα που προκύπτουν έπειτα από το συνιστώμενο post curing, είναι υποβαθμισμένη, αυτά δεν παρατίθενται στην εργασία Συμπεριφορά σε Κάμψη 3 σημείων Σύνθετο υλικό Δοκίμια UD - [0] 2s 75

76 Τα πειράματα κάμψης 3 σημείων έγιναν σε 5 δοκίμια με βάση την προδιαγραφή ASTM D7264, και στην συνέχεια σχεδιάστηκαν οι καμπύλες Τάσης Παραμόρφωσης, πχ. Σχήμα 6.5, και υπολογίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες που φαίνονται παρακάτω, Πίνακας 6.4. Σχήμα 6.5: Καμπύλη Stress - Strain σύνθετου εποξειδικής ρητίνης με UD ίνες Kevlar σε κάμψη 3 σημείων Πίνακας 6.4: Αποτελέσματα πειράματος κάμψης 3 σημείων σε Unidirectional δοκίμια συμβολισμός flexural modulus [GPa] Ε f chord Μέση τιμή Τυπική απόκλιση 4 Δοκίμια CD - [±45] 2s Τα πειράματα κάμψης 3 σημείων έγιναν σε 5 δοκίμια με βάση την προδιαγραφή ASTM D7264, και στην συνέχεια σχεδιάστηκαν οι καμπύλες Τάσης Παραμόρφωσης, πχ. Σχήμα 6.6, και υπολογίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες που φαίνονται παρακάτω, Πίνακας

77 Βιβλιογραφία Σχήμα 6.6: Καμπύλη Stress - Strain σύνθετου εποξειδικής ρητίνης με CD ίνες Kevlar σε κάμψη 3 σημείων Πίνακας 6.5: Αποτελέσματα πειράματος κάμψης 3 σημείων σε Cross - Directional δοκίμια συμβολισμός flexural modulus [GPa] E f chord Μέση τιμή 5.7 Τυπική απόκλιση 0.7 Τα δοκίμια με Unidirectional ίνες Kevlar παρουσίασαν μέτρο ελαστικότητας σε κάμψη GPa κατά μέσο όρο, ενώ η αντίστοιχη τιμή των δοκιμίων με Cross-Directional ίνες Kevlar ήταν 5.7 GPa. Στη σύγκριση μεταξύ τους, τα δοκίμια με UD ίνες Kevlar, έχουν ξεκάθαρα καλύτερες ιδιότητες κάμψης, αφού και πάλι παραλαμβάνουν μεγαλύτερα φορτία οι ίνες, Σχήμα 6.7. Εδώ να σημειωθεί ότι κατά τη διεξαγωγή των πειραμάτων κάμψης 3 σημείων, τα δοκίμια δεν παρουσίασαν αστοχία, καθώς το ενεργό μήκος τους ήταν πολύ μεγάλο για την αντίστοιχη ευκαμψία που εμφάνισαν. 77

78 Σχήμα 6.7: Σύγκριση όλων των ιδιοτήτων εφελκυσμού που μετρήθηκαν για τα δοκίμια με Unidirectional και Cross Directional ίνες Kevlar Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι και για τις δύο παραπάνω κατηγορίες προσανατολισμού των ινών (UD, CD) πραγματοποιήθηκαν 10 δοκιμές εφελκυσμού και σε δοκίμια που είχαν παρασκευαστεί κάτω από διαφορετικές συνθήκες στον αυτόκλειστο φούρνο (single stage curing), αλλά επειδή η μηχανική τους απόκριση, εν συγκρίσει με τα αντίστοιχα που προκύπτουν έπειτα από το συνιστώμενο post curing, είναι υποβαθμισμένη, αυτά δεν παρατίθενται στην εργασία Υβριδικό Σύνθετο υλικό με ενσωματωμένα Σύρματα κράματος Ni-Ti Στο πλαίσιο αυτό, τα πειράματα κάμψης 3 σημείων έγιναν σε 8 δοκίμια με Unidirectional ίνες Kevlar και με βάση την προδιαγραφή ASTM D , και στην συνέχεια σχεδιάστηκαν οι καμπύλες Τάσης Παραμόρφωσης, πχ. Σχήμα 6.8, και υπολογίστηκαν οι μηχανικές ιδιότητες που φαίνονται παρακάτω, Πίνακας 6.6. Οι ενδεικτικές κατηγορίες δοκιμίων που εξετάστηκαν ήταν: - 2 Δοκίμια υβριδικού συνθέτου ενισχυμένου με 5 NiTi σύρματα και 7% προτάνυση - 4 Δοκίμια υβριδικού συνθέτου ενισχυμένου με 6 NiTi σύρματα και 4% προτάνυση - 4 δοκίμια συνθέτου υλικού αναφοράς, χωρίς σύρματα Η δοκιμή κάμψης 3 σημείων έγινε για κάθε παραπάνω κατηγορία μία φορά ασκώντας το φορτίο από την πάνω πλευρά του δοκιμίου, και άλλη μία φορά ασκώντας το φορτίο από την κάτω πλευρά του δοκιμίου, για να εξεταστεί επίσης αν παίζει κάποιο ρόλο ο τρόπος που ενσωματώνονται τα σύρματα NiTi κατά την παρασκευή του υλικού και τυχόν ασυμμετρίες ως προς το πάχος. 78

79 Βιβλιογραφία Πάνω πλευρά Κάτω πλευρά Σχήμα 6.8: Καμπύλη Stress - Strain σε κάμψη 3 σημείων υβριδικού σύνθετου εποξειδικής ρητίνης με UD ίνες Kevlar ενσωματωμένα 5 σύρματα NiTi με προτάνυση 7% Πίνακας 6.6: Αποτελέσματα πειράματος κάμψης 3 σημείων σε διάφορες κατηγορίες υβριδικού συνθέτου ενισχυμένου με σύρματα NiTi συμβολισμός 5 NiTi σύρματα και 7% προτάνυση 6 NiTi σύρματα και 4% προτάνυση 6 NiTi σύρματα και 4% προτάνυση flexural modulus [GPa] chord E f Πάνω πλευρά Κάτω πλευρά 19,8 24,1 15,2 21,4 19,4 28,1 Αναφοράς 24,7 37,13 Αναφοράς 27,1 31,9 Τα δοκίμια υβριδικού συνθέτου ενισχυμένα με Unidirectional ίνες Kevlar και σύρματα NiTi παρουσίασαν μέτρο ελαστικότητας σε κάμψη χαμηλότερο σε σχέση με το υλικό αναφοράς το οποίο δεν περιείχε σύρματα NiTi. Μάλιστα, ο αριθμός των συρμάτων όσο μικρότερος είναι σε συνδυασμό με υψηλότερο ποσοστό προτάνυσης των συρμάτων, φαίνεται να οδηγεί σε χαμηλότερες τιμές του μέτρου ελαστικότητας, Σχήμα 6.9. Επίσης, γίνεται φανερό πως υφίσταται μια μικρή ασυμμετρία της ιδιότητας που μετρήθηκε, ως προς το πάχος του υλικού, αφού σε όλες τις περιπτώσεις η τιμή της ιδιότητας είναι μεγαλύτερη όταν η δοκιμή πραγματοποιείται στην κάτω πλευρά. Αυτό εξηγείται λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι τα δοκίμια μόλις βγούν από το φούρνο λόγω παραμενουσών τάσεων από τα σύρματα έχουν ήδη μια καμπύλωση (άρα και προένταση) και αυτό οδηγεί στην ενίσχυση αυτής της επιφάνειας. 79

80 Stress (GPa) Strain (%) Stress (GPa) Strain (%) Σχήμα 6.9: Σύγκριση των ιδιοτήτων κάμψης που μετρήθηκαν για τα υβριδικά δοκίμια με Unidirectional ίνες Kevlar και ενσωματωμένα σύρματα NiTi Συμπεριφορά σε Κόπωση Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, οι δοκιμές κόπωσης που πραγματοποιήθηκαν ήταν περιορισμένες και είχαν σαν σκοπό όχι τόσο την μελέτη της μηχανικής συπεριφοράς των υλικών που εξετάστηκαν σε κόπωση, αλλά τον έλεγχο της τυχόν επιρροής που μπορεί να έχει η ύπραξει των συρμάτων στην απόκριση των υλικών σε κόπωση. Ασκήθηκε λοιπόν ημιτονοειδές φάσμα παραμορφώσεων στο 0.01%-0.3%, και σε συχνότητες της κυκλικής φόρτισης 1 Ηz, 2 Hz, 3 Hz, 4 Hz, και τελικά πάλι 1 Hz. Αυτές οι αλλαγές στη συχνότητα είναι διακριτές στην αλλαγή των μέγιστων τάσεων στα παρακάτω γραφήματα. Στο πλαίσιο αυτό, τα πειράματα κόπωσης έγιναν σε 4 δοκίμια με Unidirectional ίνες Kevlar και στην συνέχεια σχεδιάστηκαν οι καμπύλες Τάσης Παραμόρφωσης, πχ. Σχήμα 6.10 και 6.11, για κάθε συχνότητα. Οι ενδεικτικές κατηγορίες δοκιμίων που εξετάστηκαν ήταν: - 2 Δοκίμια υβριδικού συνθέτου ενισχυμένου με 6 NiTi σύρματα και 0% προτάνυση - 2 δοκίμια συνθέτου υλικού αναφοράς, χωρίς σύρματα Σύνθετο υλικό 0,10 0,08 0,06 1 Hz 0,35 0,10 2 Hz 0,30 0,08 0,25 0,06 0,20 0,30 0,25 0,20 0,04 0,15 0,04 0,15 0,02 0,10 0,02 0,10 0,00 0,05 0,00 0,05 0,00 47,8 48,0 48,2 48,4 48,6 48,8 49,0 49,2 49,4 49,6 Time (Sec) 149,5 149,6 149,7 149,8 149,9 150,0 150,1 150,2 Time (Sec) 80

81 Stress (GPa) Strain (%) Stress (GPa) Strain (%) Stress (GPa) Strain (%) Stress (GPa) Strain (%) Stress (GPa) Strain (%) Stress (GPa) Strain (%) Βιβλιογραφία 0,08 3 Hz 0,30 0,08 4 Hz 0,25 0,07 0,30 0,25 0,06 0,06 0,20 0,05 0,20 0,04 0,02 0,15 0,10 0,04 0,03 0,02 0,15 0,10 0,00 0,05 0,01 200,55 200,60 200,65 200,70 200,75 200,80 200,85 200,90 200,95 201,00 Time (Sec) 0,00 231,45 231,50 231,55 231,60 231,65 231,70 231,75 231,80 Time (Sec) 0,05 Σχήμα 6.10: Kαμπύλες Τάσης Παραμόρφωσης κατά το πείραμα κόπωσης σε δοκίμια σύνθετου υλικού αναφοράς σε συχνότητες 1,2,3,4 Ηz Υβριδικό Σύνθετο υλικό με ενσωματωμένα Σύρματα κράματος Ni-Ti 0,08 1 Hz 2 Hz 0,08 0,30 0,07 0,30 0,06 0,25 0,06 0,25 0,04 0,20 0,15 0,05 0,04 0,03 0,20 0,15 0,02 0,10 0,02 0,01 0,10 0,00 0,05 0,00 0,05 17,6 17,8 18,0 18,2 18,4 18,6 18,8 19,0 Time (Sec) 0,00-0,01 100,1 100,2 100,3 100,4 100,5 100,6 100,7 100,8 Time (Sec) 0,08 0,07 0,06 0,30 3 Hz 0,07 4 Hz 0,25 0,06 0,30 0,25 0,05 0,20 0,05 0,20 0,04 0,04 0,03 0,15 0,03 0,15 0,02 0,01 0,00 150,9 151,0 151,1 151,2 151,3 151,4 Time (Sec) 0,10 0,05 0,02 0,01 0,00 0,10 0,05 180,10 180,15 180,20 180,25 180,30 180,35 180,40 180,45 180,50 Time (Sec) Σχήμα 6.11: Kαμπύλες Τάσης Παραμόρφωσης κατά το πείραμα κόπωσης σε υβριδικά δοκίμια με Unidirectional ίνες Kevlar και ενσωματωμένα σύρματα NiTi σε συχνότητες 1,2,3,4 Ηz Από την συνολική απόκριση και των δύο υλικών που εξετάστηκαν, Σχήμα 6.12, παίρνουμε μια πρώτη ενθαρυντική εικόνα για την ενδεχόμενη αυξημένη αποσβεστική ικανότητα των υβριδικών συνθέτων υλικών ενισχυμένων με υπερ-ελαστικά κράματα NiTi. Αυτό προκύπτει από την τάση που μετράται και στις δύο περιπτώσεις των υλικών, η οποία για εφαρμογή δεδομένης παραμόρφωσης (strain control fatigue) παρατηρείται σημαντικά 81

82 Stress (GPa) Strain (%) Stress (GPa) Strain (%) μειωμένη στην περίπτωση των υβριδικών υλικών, ενδεικτικό της ικανότητας των να αποσβαίνουν την ασκούμενη παραμόρφωση και να δέχονται μικρότερη τάση. Ωστόσο, η κόπωση είναι τύπου εφελκυσμού-εφελκυσμού και φυσικά γίνεται αξονικά σε αντίθεση με το πείραμα της ελεύθερης ταλάντωσης, όπου παρατηρούμε εγκάρσια το δοκίμιο. 0,12 Αναφοράς 0,7 0,6 0,12 Υβριδικό 0,7 0,6 0,10 0,5 0,10 0,5 0,08 0,4 0,08 0,4 0,06 0,3 0,06 0,3 0,2 0,2 0,04 0,1 0,04 0,1 0,02 0,0 0,02 0,0 0, Time (Sec) -0,1-0,2-0,1 0,00-0, Time (Sec) Σχήμα 6.12: Συνολική απόκριση κατά το πείραμα κόπωσης σε δοκίμια αναφοράς και σε υβριδικά δοκίμια με Unidirectional ίνες Kevlar και ενσωματωμένα σύρματα NiTi σε συχνότητες 1,2,3,4 Ηz Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, όλες οι πειραματικές δοκιμές που παρουσιάστηκαν παραπάνω δεν είχαν ως κύριο σκοπό την καταγραφή νέων ιδιοτήτων, οι ιδιότητες των υλικών αυτών έχουν μελετηθεί ήδη. Ο σκοπός της παρασκευής και μελέτης αυτών των δύο συστημάτων διαφορετικής αρχιτεκτονικής είναι η σύγκριση και επιλογή εκείνης της γεωμετρίας που δυνητικά θα είχε τις περισσότερες πιθανότητες εφαρμογής σε πραγματικές συνθήκες (συνεπώς, την καλύτερη μηχανική συμπεριφορά) Συγκρίνοντας την απόκριση των σύνθετων με παράλληλες ίνες προς τον κύριο άξονα και σύνθετων με ίνες σε γωνία 45 ο /-45 ο, φτάνουμε σε ένα ξεκάθαρο συμπέρασμα, όπως άλλωστε αναμενόταν, βάσει της θεωρίας των ινωδών συνθέτων. Τα σύνθετα με ίνες παράλληλες στον άξονα φόρτισης παρουσιάζουν μέτρο ελαστικότητας και μέτρο ελαστικότητας κάμψης σχεδόν μιας τάξης μεγέθους μεγαλύτερο από το αντίστοιχο των σύνθετων με ίνες σε γωνίες 45 ο /-45 ο. Αυτό σημαίνει ότι κατά την μηχανική τους καταπόνηση και για μικρές παραμορφώσεις τα σύνθετα με παράλληλες ίνες προς τον άξονα θα παρουσιάζουν μεγαλύτερη αντοχή. Σε πραγματικές εφαρμογές, και με απότερο σκοπό τον έλεγχο της ταλαντωτικής συμπεριφοράς,, είναι εύλογη η επιλογή του συνθέτου που εμφανίζει τις καλύτερες μηχανικές ιδιότητες σε κάμψη. Για την περαιτέρω μελέτη της απόκρισης σε ελεύθερη ταλάντωση, επιλέχθηκε το σύνθετο υλικό εποξειδικής ρητίνης με ενίσχυση UniDirectional (σε γωνία 0 ο με το διαμήκη άξονα) ινών Kevlar ως εκέινο στο οποίο θα ενσωματωθούν τα υπερελαστικά εγκλείσματα NiTi σε μορφή σύρματος. 6.2 Αποτελέσματα Θερμομηχανικής Συμπεριφοράς Σύρματα Κράματος Ni-Ti Για την εξακρίβωση των θεωρητικών θερμοκρασιών του θερμοελαστικού μετασχηματισμού του σύρματος NiTi που παρελήφθη, Σχήμα 6.13, έγιναν πειράματα διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης. Βασικός σκοπός του πειράματος ήταν η επιβεβαίωση ότι τα σύρματα βρίσκονται σε ωστενιτική μορφή, δηλαδή πάνω από τη θερμοκρασία Af, αλλά και ο προσδιορισμός των κρίσιμών τιμών μετασχηματισμού 82

83 Βιβλιογραφία Σχήμα 6.13: Θεωρητική καμπύλη DSC για σύρμα NiTi Η συμφωνία των αποτελεσμάτων μεταξύ και των 3 δειγμάτων ήταν σχεδόν απόλυτη. Στο Σχήμα 6.14 φαίνεται το σχετικό κομμάτι του διαγράμματος της ενέργειας ανά μονάδα μάζας, συναρτήσει της θερμοκρασίας του δείγματος, για το σύρμα NiTi. A s A f Σχήμα 6.14: Πειραματική καμπύλη DSC για σύρμα NiTi Η πειραματική καμπύλη του παραπάνω σχήματος αποτελεί μόνο το τμήμα θέρμανσης του σύρματος, καθώς αυτό που μας ενδιαφέρει είναι να υπολογίσουμε τη θερμοκρασία που έχει ολοκληρωθεί ο ωστενιτικός μετασχηματισμός, την Af. Υπολογίσθηκε ότι η Af είναι 23 ο C για το είδος σύρματος που εξετάστηκε. Όλες οι δοκιμές και η κατασκευή του υβριδικού σύνθετου υλικού έγινε σε μέση θερμοκρασία 28 ο C, επομένως, μπορούμε να είμαστε σίγουροι ότι το σύρμα βρίσκεται σε ωστενιτική μορφή και εμφανίζει όλες τις υπερελαστικές του ιδιότητες. 83

84 6.3 Αποτελέσματα παρατήρησης σε οπτικό μικροσκόπιο Σύρματα Κράματος Ni-Ti Όπως προαναφέρθηκε, για τον ακριβή προσδιορισμό και επιβεβαίωση των θεωρητικών μεγεθών της διαμέτρου του κάθε σύρματος η εγκάρσια τομή του παρατηρήθηκε στο οπτικό μικροσκόπιο Τα παρακάτω σχήματα αποτελούν ενδεικτικές φωτογραφίες της εγκάρσιας τομής ενός σύρματος που επιλέχθηκε. Σχήμα 6.15: Διατομή σύρματος NiTi (250 μm) κάτω από οπτικό μικροσκόπιο Σχήμα 6.16: Διατομή σύρματος NiTi (250μm) κάτω από οπτικό μικροσκόπιο 84

85 6.3.2 Υβριδικό Σύνθετο υλικό με ενσωματωμένα Σύρματα κράματος Ni-Ti Βιβλιογραφία Η εγκάρσια τομή του υβριδικού σύνθετου παρατηρήθηκε στο οπτικό μικροσκόπιο, και από τις εικόνες που προέκυψαν παρουσιάζεται ενδεικτικά η παρακάτω: Σχήμα 6.17: Εγκάρσια τομή υβριδικού σύνθετου εποξεικής ρητίνης με ίνες Kevlar και υπερελαστικά σύρματα NiTi (500x) Στο σχήμα 6.17 φαίνεται πως η ικανότητα διαβροχής της ρητίνης είναι ικανοποιητική. Επίσης, οι ίνες Kevlar εμφανίζονται ως κηλίδες πάνω στην επιφάνεια του υλικού, μιας και είναι κομμένες εγκάρσια, όπως το δοκίμιο. Φαίνεται να υπάρχει μια ομοιόμορφη κατανομή των ινών, πράγμα που είναι αναμενόμενο, λόγω της χρήσης των prepregs. Οι οριζόντιες χαράξεις στην εγκάρσια τομή του σύρματος που παρατηρούνται προκλήθηκαν κατά τη μηχανική επεξεργασία της επιφάνειας του δοκιμίου με λεπτόκοκκο γυαλόχαρτο. Τέλος, η διαβροχή των συρμάτων δείχνει να είναι ικανοποιητική, και δεν παρατηρούνται κενά στη ρητίνη γύρω από το σύρμα. 6.4 Αποτελέσματα Απόκρισης σε Ελεύθερη Ταλάντωση Τα συγκεντρωτικά αποτελέσματα των πειραματικών δοκιμών σε ελεύθερη ταλάντωση φαίνονται στον παρακάτω πίνακα, Πίνακας

86 Πίνακας 6.7: Αποτελέσματα πειράματος ελεύθερης ταλάντωσης Υλικό t 0 [s] H 0 [mm] t 1 [s] H 1 [mm] t 2 [s] H 2 [mm] t 3 [s] H 3 [mm] t 4 [s] H 4 [mm] t 5 [s] H 5 [mm] t 6 [s] H 6 [mm] t 7 [s] H 7 [mm] t 8 [s] H 8 [mm] t 9 [s] H 9 [mm] t 10 [s] H 10 [mm] 0% 0 wires 0 1 0,233-0,908 0,5 0,798 0,734-0,748 0,967 0,700 1,234-0,669 1,468 0,573 1,701-0,527 1,968 0,459 2,202-0,400 2,469 0,392 0% 1 wires 0 1 0,234-0,920 0,501 0,756 0,734-0,680 1,001 0,605 1,235-0,512 1,502 0,510 1,735-0,445 2,002 0,408 2,236-0,380 2,536 0,371 0% 4 wires 0 1 0,267-0,986 0,501 0,884 0,768-0,822 1,001 0,709 1,235-0,698 1,469 0,609 1,702-0,574 1,969 0,542 2,203-0,521 2,47 0,449 0% 5 wires 0 1 0,267-0,912 0,534 0,779 0,734-0,696 1,001 0,642 1,234-0,602 1,468 0,530 1,701-0,497 1,935 0,466 2,169-0,451 2,436 0,435 0% 6 wires 0 1 0,233-0,863 0,467 0,787 0,667-0,732 0,867 0,632 1,067-0,613 1,301 0,517 1,501-0,495 1,723 0,464 1,935-0,442 2,135 0,379 2% 3 wires 0 1 0,267-0,884 0,5 0,776 0,734-0,715 0,967 0,605 1,201-0,591 1,434 0,506 1,668-0,471 1,935 0,435 2,135-0,410 2,402 0,366 5,5% 3 wires 0 1 0,233-0,837 0,467 0,613 0,7-0,592 0,967 0,471 1,201-0,458 1,434 0,430 1,668-0,397 1,901 0,358 2,135-0,343 2,369 0,307 7% 1 wires 0 1 0,233-0,944 0,5 0,840 0,767-0,779 1,034 0,664 1,301-0,601 1,568 0,486 1,802-0,450 2,069 0,412 2,302-0,375 2,569 0,346 7% 4 wires 0 1 0,267-0,827 0,534 0,796 0,801-0,719 1,068 0,642 1,302-0,546 1,602 0,512 1,836-0,457 2,103 0,417 2,37-0,416 2,636 0,325 7% 6 wires 0 1 0,267-0,929 0,534 0,761 0,801-0,659 1,068 0,599 1,301-0,496 1,568 0,439 1,835-0,423 2,102 0,341 2,369-0,332 2,636 0,225 7% 9 wires 0 1 0,3-0,698 0,534 0,648 0,801-0,608 1,001 0,590 1,301-0,508 1,501 0,478 1,768-0,424 2,035 0,366 2,269-0,338 2,536 0,317 όπου: t j = ο χρόνος που πέρασε από την έναρξη του πειράματος σε sec στο εκάστοτε χρονικό σημείο j H j = η απόσταση από την θέση ισορροπίας σε mm στο εκάστοτε χρονικό σημείο j Εδώ θα πρέπει να σημειωθεί ότι ο ανωτέρω πίνακας δεν αντικατοπτρίζει το σύνολο των μετρήσεων και υπολογισμών, αλλά για λόγους οικονομίας χώρου και -κυρίως- ουσίας περιλαμβάνει μέσες τιμές μεγεθών, έτσι όπως αυτές υπολογίστηκαν μετά το πέρας της ανάλυσης και αφορά σε πεπερασμένο αριθμό ταλαντωτικών επαναλήψεων (περιόδων, Τ). Τα πρωτογενή δεδομένα που συλλέχθηκαν μετά τη σχολαστική ανάλυση των video, πάνω στα οποία κτίστηκε η παρούσα μελέτη, είναι η απομάκρυνση απο τη θέση ισορροπίας ενός σταθερά καθορισμένου σημείου του δοκιμίου και φυσικά ο χρόνος. Απο το σύνολο των 86

87 Βιβλιογραφία πειραματικών σημείων επιλέχθηκαν, απομονώθηκαν εκείνα που αντιστοιχούν στις μέγιστες και ελάχιστες απομακρύνσεις απο τη Θ.Ι. (πλάτη ελεύθερης ταλάντωσης). Στη συνέχεια και με χρήση κατάλληλου λογισμικού (Origin της OriginLab) προσαρμόστηκαν σε αυτά προσεγγιστικές καμπύλες. Για την περίπτωση της ελεύθερης ταλάντωσης με απόσβεση που περιγράφει το πείραμά μας, χρησιμοποιήθηκε η παρακάτω εξίσωση: y y0 A* exp x / t0 * sin( * x xc / w) (6.1) όπου: y = η εκάστοτε απόσταση από την θέση ισορροπίας σε cm y 0 = αρχική μετατόπιση σε mm A = πλάτος ταλάντωσης σε mm x = χρόνος από την έναρξη της ταλάντωσης σε sec xc = διαφορά φάσης σε sec t 0 = σταθερά απομείωσης w = το μισό της περιόδου σε sec Κατά τον τρόπο αυτό για κάθε εξεταζόμενο δοκίμιο προέκυψε η γραφική παράσταση Απομάκρυνσης - Χρόνου (βλ. Σχήμα 6.20 και 6.21), για κάθε κατηγορία που φαίνεται στον πίνακα 6.8. Σε επόμενο βήμα και με χρήση της καμπύλης προσαρμογής, σχεδιάστηκε για κάθε περίπτωση η καμπύλης απομείωσης του πλάτους της ταλάντωσης, θεωρώντας την εξίσωση εκθετικής μείωσης (6.2). y y0 A* exp( R0* x) (6.2) όπου: y = η εκάστοτε απόσταση από την θέση ισορροπίας σε mm y 0 = αρχική μετατόπιση σε mm A = πλάτος ταλάντωσης σε mm Ro = ρυθμός μεταβολής x = χρόνος από την έναρξη της ταλάντωσης σε sec η οποία επίσης φαίνεται στα σχήματα 6.20 και

88 Πλάτος Ταλάντωσης [mm] Πλάτος Ταλάντωσης [mm] 1,0 0%-0wires Πειραματικά σημεία Non-linear fitting upper exponential fit lower exponential fit 0,5 0,0-0,5-1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Χρόνος [sec] Σχήμα 6.18: Πειραματικά σημεία και καμπύλες προσαρμογής για την Απομάκρυνση και την απομείωση του Πλάτους, συναρτήσει του χρόνου (χωρίς σύρματα NiTi - δοκίμιο αναφοράς) 1,0 0%-6wires Πειραματικά σημεία Non-linear fitting upper exponential fit lower exponential fit 0,5 0,0-0,5-1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Χρόνος [sec] Σχήμα 6.19: Πειραματικά σημεία και καμπύλες προσαρμογής για την Απομάκρυνση και την απομείωση του Πλάτους, συναρτήσει του χρόνου (0% προτάνυση - 6 σύρματα NiTi) 88

89 Πλάτος Ταλάντωσης [mm] Πλάτος Ταλάντωσης [mm] Βιβλιογραφία Στη συνέχεια παρατίθενται συγκεντρωτικά οι καμπύλες προσαρμογής στα πειραματικά σημεία για τα υβριδικά σύνθετα δοκίμια, χωρισμένες σε δύο διακριτές κατηγορίες: Α) Διαγράμματα απομάκρυνσης από τη Θ.Ι. συναρτήσει του χρόνου για διάφορες συγκεντρώσεις συρμάτων με μηδενική προτάνυση, και Β) Διαγράμματα απομάκρυνσης από τη Θ.Ι. συναρτήσει του χρόνου για διάφορες συγκεντρώσεις συρμάτων με τη μέγιστη επιβαλλόμενη προτάνυση (7% στην περίπτωσή μας). Σε κάθε περίπτωση δίνεται ταυτόχρονα και η αντίστοιχη συμπεριφορά του δοκιμίου αναφοράς (σύνθετο υλικό ακριβώς ίδιων χαρακτηριστικών χωρίς εγκλεισμό υπερελαστικών συρμάτων), στοχεύοντας στην καταγραφή της επίπτωσης στην ταλαντωτική συμπεριφορά του υλικού της κάθε μιας εκ των δύο παραμέτρων ξεχωριστά (αριθμός συρμάτων και επίπεδο προτάνυσης αυτών). 1,0 0% προτάνυση 0%-1wires 0%-0wires 0%-6wires 0%-4wires 0,5 0,0-0,5-1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Χρόνος [sec] Σχήμα 6.20: Καμπύλες προσαρμογής Απομάκρυνσης Χρόνου για τα δοκίμια με 0% προτάνυση 1,0 0,5 7% προτάνυση 7%-1wire 7%-6wires 7%-4wires 7%-9wires 0%-0wires 0,0-0,5-1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Χρόνος [sec] Σχήμα 6.21: Καμπύλες προσαρμογής Απομάκρυνσης Χρόνου για τα δοκίμια με μέγιστη προτάνυση (7%) 89

90 Πλάτος Ταλάντωσης [mm] Πλάτος Ταλάντωσης [mm] Πλάτος Ταλάντωσης [mm] Όπως έχει ήδη αναφερθεί, εξετάστηκαν επίσης και άλλες ενδιάμεσες περιπτώσεις με διάφορες τιμές για τον αριθμό συρμάτων και το επίπεδο προτάνυσης (mixed mode). Κυρίως λόγω της εξαιρετικά χρονοβόρας ανάλυσης που απαιτεί η εξέταση των καταγεγραμμένων πειραμάτων ελεύθερης ταλάντωσης (βίντεο), η παρούσα εργασία εστιάζει πρωτίστως στις περιπτώσεις που αναφέρθηκαν πιο πάνω. Στη συνέχεια δίνονται συνοπτικά οι καμπύλες προσαρμογής απομάκρυνσης χρόνου για κάποιες από τις περιπτώσεις αυτές. 3-4 σύρματα 1,0 0,5 0%-4wires 2%-3wires 5,5%-3wires 7%-4wires 0,0-0,5-1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Χρόνος [sec] Σχήμα 6.22: Καμπύλες προσαρμογής Απομάκρυνσης Χρόνου για τα δοκίμια με διάφορα επίπεδα προτάνυσης και αριθμό συρμάτων Για κάθε μια από τις περιπτώσεις που παρουσιάστηκαν νωρίτερα, υπολογίστηκε η γραφική αναπαράσταση της απομείωσης του πλάτους της ελεύθερης ταλάντωσης σε σχέση με το χρόνο, η οποία συνδέεται απευθείας με τα αποσβεστικά χαρακτηριστικά του συστήματος. 1,0 0,9 0,8 0% προτάνυση-θετικό σκέλος 0%-0wires 0%-1wire 0%-4wires 0%-5wires 0%-6wires -0,4-0,5-0,6 0% προτάνυση-αρνητικό σκέλος 0,7 0,6 0,5-0,7-0,8 0%-0wires 0%-1wire 0%-4wires 0%-5wires 0%-6wires 0,4-0,9 0,3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Χρόνος [sec] -1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Χρόνος [sec] Σχήμα 6.23: Καμπύλες προσαρμογής της απομείωσης του πλάτους ταλάντωσης συναρτήσει του χρόνου για το θετικό και το αρνητικό σκέλος των διαγραμμάτων της απομάκρυνσης από τη Θ.Ι. (προτάνυση συρμάτων 0%) 90

91 Πλάτος Ταλάντωσης [mm] Πλάτος Ταλάντωσης [mm] Βιβλιογραφία 1,1-0,3 7% προτάνυση-αρνητικό σκέλος 1,0 7% προτάνυση-θετικό σκέλος -0,4 0,9 0,8 0,7 0,6 7%-1wire 7%-4wires 7%-6wires 7%-9wires -0,5-0,6-0,7 7%-1wire 7%-4wires 7%-6wires 7%-9wires 0,5-0,8 0,4-0,9 0,3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Χρόνος [sec] -1,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Χρόνος [sec] Σχήμα 6.24: Καμπύλες προσαρμογής της απομείωσης του πλάτους ταλάντωσης συναρτήσει του χρόνου για το θετικό και το αρνητικό σκέλος των διαγραμμάτων της απομάκρυνσης από τη Θ.Ι. (προτάνυση συρμάτων 7%) Σύγκριση υλικού αναφοράς και Υβριδικού Σύνθετου υλικού με ενσωματωμένα Σύρματα κράματος Ni-Ti Με σκοπό την μελέτη της ταλαντωτικής συμπεριφοράς του κάθε υπό εξέταση υλικού και συνεπώς την αποτίμηση της αποσβεστικής του ικανότητας, καθώς και την μεταβολή την χαρακτηριστικών μεγεθών της ταλάντωσης υπολογίστηκαν ορισμένα χαρακτηριστικά μεγέθη, ώστε να ποσοτικοποιηθούν οι καταγεγραμμένες διαφορές: η περίοδος της κίνησης, ο χρόνος ημισείας ζωής αναφορικά με το πλάτος της κίνησης και ο ισοδύναμος συντελεστής απόσβεσης, χαρακτηριστικά που ούτως ή άλλως αποτελούν το αντικείμενο μελέτης κατά την απόκριση δομικών συστημάτων σε ελεύθερες ταλαντώσεις Περίοδος Ταλάντωσης Τ Ως περίοδος ταλάντωσης Τ ορίζεται ο χρόνος που χρειάζεται ένα ταλαντούμενο σύστημα για μια πλήρη ενεργειακή αλλαγή. Ή πιο πρακτικά, ο χρόνος που χρειάζεται το σύστημα να περάσει από κάποιο προκαθορισμένο σημείο τις καμπύλες των σχημάτων δύο συνεχόμενες φορές (πχ. χρόνος μεταξύ δύο μέγιστων, ή δύο ελάχιστων κλπ.). Η περίοδος της ταλάντωσης θεωρητικά παραμένει σταθερή κατά την διάρκεια της ίδιας ταλάντωσης και εφόσον αυτή είναι ελεύθερη και όχι εξαναγκασμένη. Με βάση αυτά, προέκυψε ο πίνακας 6.8 και το σχήμα Πίνακας 6.8: Η περίοδος Τ της ταλάντωσης για κάθε κατηγορία υλικού που εξετάστηκε Υλικό T [sec] 0%-0wires 0,4938 0%-1wires 0,5072 0%-4wires 0,494 0%-5wires 0,4872 0%-6wires 0,427 2%-3wires 0,4804 5,5%-3wires 0,4738 7%-1wires 0,5138 7%-4wires 0,5272 7%-6wires 0,5272 7%-9wires 0,

92 Σχήμα 6.25: Η περίοδος της ταλάντωσης για κάθε κατηγορία υλικού Στην περίπτωση των δοκιμίων με εγκλείσματα μηδενικής προτάνυσης, φαίνεται μια ξεκάθαρη τάση μείωσης της περιόδου της ελεύθερης ταλάντωσης με την αύξηση του αριθμού των συρμάτων. Επίσης είναι φανερό ότι το ογκομετρικό κλάσμα της NiTi φάσης στο σύνθετο υλικό είναι μια κρίσιμη σχεδιαστική παράμετρος, αφού μπορεί να οδηγήσει σε ένα νέο σύστημα το οποίο να ταλαντώνεται σε συχνότητες μεγαλύτερες, αλλά και μικρότερες σε σχέση με αυτές του συστήματος αναφοράς. Αντίθετα, στην περίπτωση των δοκιμίων με τη μεγαλύτερη προτάνυση η συμβολή του ογκομετρικού κλάσματος της NiTi φάσης δεν είναι ξεκάθαρη, αφού μετά από μεγάλο αριθμό επαναλήψεων των πειραμάτων, δε μπορεί να εξαχθεί ασφαλές συμπέρασμα για την τιμή της συχνότητας της περιοδικής κίνησης. Το γεγονός αυτό θα πρέπει να συνδεθεί με το μικρότερο διαθέσιμο ποσοστό μαρτενσιτικής φάσης που ούτως ή άλλως υπάρχει στα σύρματα, αφού λόγω της μεγάλης προτάνυσης, υπάρχει αντίστοιχα μεγάλο ποσοστό SIM φάσης (Stress- Induced Martensite). Το παραπάνω συμπέρασμα αναπόφευκτα οδηγεί στην αισθητή μείωση της υπερελαστικής συμπεριφοράς που βασίζεται στην εγγενή δυνατότητα του κράματος να επανέλθει από την SIM φάση στην καθαρά ωστενιτική κατάσταση. Εξετάζοντας μεμονωμένα την κάθε περίπτωση με τις διαθέσιμες ακραίες καταστάσεις της παρούσας πειραματικής προσέγγισης, είναι φανερό ότι στην περίπτωση χρήσης εγκλεισμάτων χωρίς προτάνυση, ο έλεγχος της συχνότητας (ή περιόδου) της ελεύθερης ταλάντωσης του συστήματος είναι εφικτός με τη ρύθμιση του ογκομετρικού κλάσματος των υπερελαστικών συρμάτων. 92

93 Βιβλιογραφία Σχήμα 6.26: Η περίοδος της ταλάντωσης για δύο ακραίες περιπτώσεις αριθμού συρμάτων για τα ποσοστά προτάνυσης 0% και 7% που εξετάστηκαν Η ίδια παρατήρηση με παραπάνω ισχύει και στην σύγκριση της περιόδου για δοκίμια με τον ίδιο ή παραπλήσιο αριθμό συρμάτων αλλά με διαφορετικό ποσοστό προτάνυσης, Σχήμα Σχήμα 6.27: Η περίοδος της ταλάντωσης για όλες τις περιπτώσεις με αριθμό συρμάτων 3 ή 4 και για όλα τα ποσοστά προτάνυσης που εξετάστηκαν Χρόνος ημισείας ζωής t 1/2 Ως χρόνος ημισείας ζωής t 1/2 ορίζεται ο χρόνος που χρειάζεται ένα ταλαντούμενο σύστημα για να φτάσει στο μισό του αρχικού του πλάτους A 0, και αποτελεί χαρακτηριστικό μέγεθος μια ελεύθερης ταλάντωσης με απόσβεση αφού δείχνει κατά πόσο γρήγορα ή αργά αποσβαίνει ένα σύστημα και επανέρχεται στη θέση ισορροπίας του. Ο χρόνος αυτός, εκτός του ότι μπορεί να προσδιοριστεί απευθείας και γραφικά από τα διαγράμματα απομείωσης του πλάτους συναρτήσει του χρόνου, υπολογίζεται από τον τύπο: ln 2 t (6.1) 1/2 93

94 όπου Λ μία σταθερά που εξαρτάται από τον συντελεστή απόσβεσης. Τις τιμές του Λ τις παίρνουμε από τις καμπύλες προσαρμογής που αποτυπώνονται στα σχήματα Με βάση τα παραπάνω προκύπτει ο πίνακας 6.9 και το σχήμα Πίνακας 6.9: Ο χρόνος ημισείας ζωής t 1/2 της ταλάντωσης για κάθε κατηγορία υλικού που εξετάστηκε Υλικό Λ t 1/2 [sec] 0%-0wires 0,1099 2,1027 0%-1wires 0,7665 1,7722 0%-4wires 0,3456 1,9826 0%-5wires 0,7733 0,8964 0%-6wires 0,7128 1,5974 2%-3wires 0,7296 1,6067 5,5%-3wires 1,6158 1,2706 7%-1wires 0,4116 1,9338 7%-4wires 0,3979 1,8286 7%-6wires 0,3982 1,3907 7%-9wires 0,8914 1,4243 Σχήμα 6.28: Ο χρόνος ημισείας ζωής για κάθε κατηγορία υλικού Παρόμοιες παρατηρήσεις με αυτές της προηγούμενης παραγράφου προκύπτουν και σχετικά με τον χρόνο ημισείας ζωής. Έτσι και πάλι στην περίπτωση των δοκιμίων με εγκλείσματα μηδενικής προτάνυσης, φαίνεται μια τάση μείωσης του χρόνου ημισείας ζωής του πλάτους της ελεύθερης ταλάντωσης με την αύξηση του αριθμού των συρμάτων. Ενισχύεται περισσότερο η προηγούμενη παρατήρηση ότι ο αριθμός των συρμάτων (ογκομετρικό κλάσμα της NiTi φάσης στο σύνθετο υλικό) είναι μια κρίσιμη σχεδιαστική παράμετρος, αφού μπορεί να οδηγήσει σε ένα νέο σύστημα το οποίο να έχει χρόνους ημισείας ζωής του πλάτους της ταλάντωσης του μεγαλύτερους ή μικρότερους σε σχέση με αυτούς του συστήματος αναφοράς. 94

95 Βιβλιογραφία Σε αντίθεση με παραπάνω, στην περίπτωση των δοκιμίων με τη μεγαλύτερη προτάνυση η συμβολή του ογκομετρικού κλάσματος της NiTi φάσης είναι πλέον ξεκάθαρη, αφού μετά από μεγάλο αριθμό επαναλήψεων των πειραμάτων, η τιμή του χρόνου ημισείας ζωής του πλάτους της ταλάντωσης μεταβάλλεται αισθητά. Το γεγονός αυτό πάλι συνδέεται άμεσα με το μικρότερο διαθέσιμο ποσοστό μαρτενσιτικής φάσης που ούτως ή άλλως υπάρχει στα σύρματα, αφού λόγω της μεγάλης προτάνυσης, υπάρχει αντίστοιχα μεγάλο ποσοστό SIM φάσης (Stress-Induced Martensite). Το παραπάνω συμπέρασμα αναπόφευκτα οδηγεί στην αισθητή μείωση της υπερελαστικής συμπεριφοράς που βασίζεται στην εγγενή δυνατότητα του κράματος να επανέλθει από την SIM φάση στην καθαρά ωστενιτική κατάσταση, όπως και παραπάνω. Εξετάζοντας μεμονωμένα την κάθε περίπτωση με τις διαθέσιμες ακραίες καταστάσεις της παρούσας πειραματικής προσέγγισης, είναι φανερό ότι στην περίπτωση χρήσης εγκλεισμάτων χωρίς προτάνυση, ο έλεγχος του χρόνου ημισείας ζωής του πλάτους της ελεύθερης ταλάντωσης του συστήματος είναι εφικτός με τη ρύθμιση του ογκομετρικού κλάσματος των υπερελαστικών συρμάτων. Σχήμα 6.29: Ο χρόνος ημισείας ζωής της ταλάντωσης για δύο ακραίες περιπτώσεις αριθμού συρμάτων για τα ποσοστά προτάνυσης 0% και 7% που εξετάστηκαν Η ίδια παρατήρηση με παραπάνω ισχύει και στην σύγκριση του χρόνου ημισείας ζωής του πλάτους της ταλάντωσης για δοκίμια με τον ίδιο ή παραπλήσιο αριθμό συρμάτων αλλά με διαφορετικό ποσοστό προτάνυσης, Σχήμα Σχήμα 6.30: Ο χρόνος ημισείας ζωής της ταλάντωσης για όλες τις περιπτώσεις με αριθμό συρμάτων 3 ή 4 και για όλα τα ποσοστά προτάνυσης που εξετάστηκαν 95

96 Συντελεστής απόσβεσης ζ Ο συντελεστής απόσβεσης ζ σε ένα ταλαντούμενο σύστημα δηλώνει την επίδραση που έχει ένα στοιχείο διάχυσης πάνω στην ταλάντωση. Δηλαδή δείχνει κατά πόσο ένα ταλαντούμενο σύστημα, στην περίπτωση μας ένα υλικό, αποσβαίνει γρήγορα η αργά την αρχική ενέργεια που πήρε. Αποτελεί το πλέον χαρακτηριστικό μέγεθος μια ταλάντωσης με απόσβεση αφού δείχνει κατά πόσο γρήγορα ή αργά αποσβαίνει ένα σύστημα. Ο συντελεστής αυτός εμπεριέχεται στον εκθέτη της σχέσης που περιγράφει την εκθετική μείωση του πλάτους [y=y0+a*exp(r0*x)], το υπολογίζουμε μέσω του fitting του origin, και με την βοήθεια της θεωρίας προκύπτει ο πίνακας 6.11 και το σχήμα Πίνακας 6.10: Ο συντελεστής απόσβεσης ζ της ταλάντωσης για κάθε κατηγορία υλικού που εξετάστηκε Υλικό 0%-0wires 0,0261 0%-1wires 0,0315 0%-4wires 0,0272 0%-5wires 0,0375 0%-6wires 0,0295 2%-3wires 0,0328 5,5%-3wires 0,0411 7%-1wires 0,0297 7%-4wires 0,0319 7%-6wires 0,0416 7%-9wires 0,0395 ζ Σχήμα 6.31: Ο συντελεστής απόσβεσης για κάθε κατηγορία υλικού Όπως αναμενόταν ήδη από αποτελέσματα της προηγούμενης παραγράφου, οι παρατηρήσεις που αφορούν τον συντελεστή απόσβεσης είναι παραπλήσιες και επιβεβαιώνουν και αυτές των προηγούμενων παραγράφων. Έτσι και πάλι στην περίπτωση 96

97 Βιβλιογραφία των δοκιμίων με εγκλείσματα μηδενικής προτάνυσης, φαίνεται μια τάση αύξησης του συντελεστή απόσβεσης της ελεύθερης ταλάντωσης με την αύξηση του αριθμού των συρμάτων. Επιβεβαιώνεται ότι ο αριθμός των συρμάτων (ογκομετρικό κλάσμα της NiTi φάσης στο σύνθετο υλικό) είναι μια κρίσιμη σχεδιαστική παράμετρος, αφού μπορεί να οδηγήσει σε ένα νέο σύστημα το οποίο να έχει συντελεστή απόσβεσης ρυθμισμένο ανάλογα με τις εκάστοτε απαιτήσεις της εφαρμογής. Σε απόλυτη συμφωνία με τα αποτελέσματα της προηγούμενης παραγράφου, στην περίπτωση των δοκιμίων με τη μεγαλύτερη προτάνυση η συμβολή του ογκομετρικού κλάσματος της NiTi φάσης είναι ξεκάθαρη, αφού μετά από μεγάλο αριθμό επαναλήψεων των πειραμάτων, η τιμή του συντελεστή απόσβεσης αυξάνει. Το γεγονός αυτό πάλι συνδέεται άμεσα με το μικρότερο διαθέσιμο ποσοστό μαρτενσιτικής φάσης που ούτως ή άλλως υπάρχει στα σύρματα, αφού λόγω της μεγάλης προτάνυσης, υπάρχει αντίστοιχα μεγάλο ποσοστό SIM φάσης (Stress-Induced Martensite). Το παραπάνω συμπέρασμα αναπόφευκτα οδηγεί στην αισθητή μείωση της υπερελαστικής συμπεριφοράς που βασίζεται στην εγγενή δυνατότητα του κράματος να επανέλθει από την SIM φάση στην καθαρά ωστενιτική κατάσταση, όπως και παραπάνω. Εξετάζοντας μεμονωμένα την κάθε περίπτωση με τις διαθέσιμες ακραίες καταστάσεις της παρούσας πειραματικής προσέγγισης, είναι φανερό ότι στην περίπτωση χρήσης εγκλεισμάτων χωρίς προτάνυση, ο έλεγχος του συντελεστή απόσβεσης του συστήματος είναι εφικτός με τη ρύθμιση του ογκομετρικού κλάσματος των υπερελαστικών συρμάτων. Σχήμα 6.32: Ο συντελεστής απόσβεσης για δύο ακραίες περιπτώσεις αριθμού συρμάτων για τα ποσοστά προτάνυσης 0% και 7% που εξετάστηκαν 97

98 Σχήμα 6.33: Ο συντελεστής απόσβεσης της ταλάντωσης για όλες τις περιπτώσεις με αριθμό συρμάτων 3 ή 4 και για όλα τα ποσοστά προτάνυσης που εξετάστηκαν Προτεινόμενο εργαλείο πρόβλεψης των χαρακτηριστικών μεγεθών ταλάντωσης Με σκοπό την πρακτική εφαρμογή των παραπάνω αποτελεσμάτων, με ευκολία και αμεσότητα από οποιονδήποτε χρήστη, έγινε προσπάθεια στην παρούσα εργασία να εξαχθεί μία σχέση που να συνδέει τον συντελεστή απόσβεσης με τις παραμέτρους του υβριδικού συνθέτου που μελετήθηκαν και ήταν μεταβλητές, δηλαδή τον αριθμό των συρμάτων NiTi και το ποσοστό προτάνυσης του. Στο πλαίσιο αυτό, και χρησιμοποιώντας το λογισμικό datafit, πραγματοποιήθηκε regression analysis χρησιμοποιώντας τα πειραματικά αποτελέσματα και δεδομένα που είχαμε. Ως αποτέλεσμα, ήταν να εξαχθούν τα αποτελέσματα του πίνακα Πίνακας 6.11: Τα αποτελέσματα που προέκυψαν από το regression analysis που έγινε Y = a+b*x1+c*x1^2+d*x1^3+e*x2 a b c d e 2,67E-02-1,69E-03 1,99E-03-2,4E-04 1,11E-03 Με βάση τον παραπάνω πίνακα, ο συντελεστής απόσβεσης ζ (y) μπορεί να συνδεθεί με τον αριθμό των συρμάτων NiTi nw (x1) και το ποσοστό προτάνυσης τους ptns (x2) σύμφωνα με την σχέση: ζ 2, , , ptns nw nw nw e (6.2) 98

99 Βιβλιογραφία Έχοντας βέβαια ένα αρκετά μεγάλο ποσοστό λάθους, σχήμα 6.33, το οποίο βέβαια με περισσότερα πειράματα μπορεί να μειωθεί. Σχήμα 6.34: Η πιθανότητα που έχει η εξαχθείσα σχέση να οδηγήσει σε ασφαλή αποτελέσματα Προκύπτει δηλαδή τελικά, ένας χάρτης, σχήμα 6.34, τον οποίο μπορεί ο οποιοσδήποτε να συμβουλεύεται προκειμένου να γνωρίζει εκ των προτέρων και κατά την φάση του σχεδιασμού, ένα σύνθετο υλικό με πόσα σύρματα και με τι ποσοστό προτάνυσης θα πρέπει να ενισχυθεί για να έχει τον απαιτούμενο συντελεστή απόσβεσης. Αντίστροφα, μπορεί κάποιος να γνωρίζει χωρίς την διενέργεια κανενός πειράματος, πόσο συντελεστή απόσβεσης θα έχει ένα υλικό αν έχει ως δεδομένα τα υπόλοιπα στοιχεία, δηλαδή τον αριθμό των συρμάτων ή/και το ποσοστό προτάνυσης τους. Σχήμα 6.35: Χάρτης που συνδέει τον συντελεστή απόσβεσης ενός υλικού με τον αριθμό των συρμάτων NiTi που περιέχει και το ποσοστό προτάνυσης τους 99