ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΗΣ ΜΕ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ»

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ.Π.Μ.Σ. «ΕΠΙΣΤΗΜΗ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΠΟΛΥΜΕΡΩΝ» ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΕΙ ΙΚΕΥΣΗΣ «ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ-ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΦΥΣΙΚΗΣ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΗΣ ΜΕ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ» ΡΑΚΟΠΟΥΛΟΣ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ Α.Μ. 39 ΕΠΙΒΛΕΠΩΝ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ Γ.ΠΑΠΑΝΙΚΟΛΑΟΥ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ & ΑΕΡΟΝΑΥΠΗΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΑΤΡΑ 200

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ _ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΡΟΛΟΓΟΣ...Ι ΠΕΡΙΛΗΨΗ BRIF SUMMARY ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ. ΕΙΣΑΓΩΓΗ.2 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ.4.3 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 2.4 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ, ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΠΟΛΥΜΕΡΗ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ. 2 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΑΙ ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΑ 2. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΝΑΝΟΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑ ΡΟΜΗ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΩΝ ΑΝΘΡΑΚΑ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΩΝ ΑΝΘΡΑΚΑ ΜΕΘΟ ΟΙ ΠΑΡΑΣΚΕΥΗΣ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΩΝ ΑΝΘΡΑΚΑ ΝΑΝΟ ΟΜΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΑ ΠΟΛΥΜΕΡΙΚΗΣ ΜΗΤΡΑΣ ΕΝΙΣΧΥΜΕΝΑ ΜΕ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ.. 46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΘΕΩΡΗΤΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ 3. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟ ΥΒΡΙ ΙΚΗΣ ΕΝ ΙΑΜΕΣΗΣ ΦΑΣΗΣ ΜΟΝΤΕΛΟ ΒΙΣΚΟΕΛΑΣΤΙΚΗΣ ΕΝ ΙΑΜΕΣΗΣ ΦΑΣΗΣ ΒΙΣΚΟΕΛΑΣΤΙΚΑ ΠΡΟΤΥΠΑ ΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΑ ΦΑΙΝΟΜΕΝΑ ΜΟΝΤΕΛΟ ΠΡΟΒΛΕΨΗΣ ΤΟΥ ΜΕΤΡΟΥ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ (MODULUS PRDICTIV MODL - MPM)

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ _ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΉ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΩΝ 4. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΩΝ ΣΤΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ 3PB ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΘΕΩΡΙΑ ΚΑΜΨΗΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΑΚΑΣΙΑ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΤΗΣ ΥΒΡΙ ΙΚΗΣ ΕΝ ΙΑΜΕΣΗΣ ΦΑΣΗΣ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΒΙΣΚΟΕΛΑΣΤΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΟΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣΤΗΣ ΒΙΣΚΟΕΛΑΣΤΙΚΉΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ (LONG TRM TSTING) ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΤΩΝ ΤΕΣΣΑΡΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΒΙΣΚΟΕΛΑΣΤΙΚΗΣ ΕΝ ΙΑΜΕΣΗΣ ΦΑΣΗΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΤΗΣ ΒΡΑΧΥΠΡΟΘΕΣΜΗΣ ΒΙΣΚΟΕΛΑΣΤΙΚΗΣ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑΣ (SHORT TRM TSTING) ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ ΤΩΝ ΤΡΙΩΝ ΠΑΡΑΜΕΤΡΩΝ ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΚΥΚΛΙΚΟΥ ΘΕΡΜΙΚΟΥ ΣΟΚ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΕΠΙ ΡΑΣΗ ΤΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΥΓΡΑΣΙΑΣ ΣΤΙΣ ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΙΑ ΙΚΑΣΙΑ ΥΝΑΜΙΚΗ ΘΕΡΜΟ-ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ (DMTA) ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕΘΟ ΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΝΑΝΟΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΜΟΝΤΕΛΟΥ MPM ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 4 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΙΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΙΝΑΣ-ΜΗΤΡΑΣ ΜΕ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΚΑΙ ΑΝΑΛΥΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΥΣ 5. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΜΕΛΕΤΗ ΚΑΙ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΑΝΑΛΥΤΙΚΩΝ ΜΟΝΤΕΛΩΝ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 5 ου ΚΕΦΑΛΑΙΟΥ 87 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 ο ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ ΠΡΟΤΑΣΕΙΣ..88 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ 94

4 I ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η παρούσα µεταπτυχιακή εργασία ειδίκευσης εκπονήθηκε στο εργαστήριο του Καθηγητή Γ.Παπανικολαόυ, του τοµέα Εφαρµοσµένης Μηχανικής, Τεχνολογίας Υλικών και Εµβιοµηχανικής του τµήµατος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών. Ο χρόνος διεξαγωγής της εργασίας ήταν δύο έτη και συγκεκριµένα έλαβε χώρα κατά τα ακαδηµαϊκά έτη και στα πλαίσια του ιατµηµατικού Προγράµµατος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Επιστήµη και Τεχνολογία των Πολυµερών». Σκοπός της εργασίας ήταν η µελέτη νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυµένης µε νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώµατος, ως υποψήφια υλικά για µηχανολογικές κατασκευές. Για την πληρότητα της εργασίας έγινε τόσο πειραµατική µελέτη όσο και θεωρητική. Το πειραµατικό µέρος περιελάµβανε διάφορες µεθόδους κατασκευής, όπως µηχανική ανάδευση και ανάδευση µε υπερήχους, στατικό µηχανικό χαρακτηρισµό µε πειράµατα κάµψης τριών σηµείων, πειράµατα ερπυσµού-επανάταξης για τον πειραµατικό χαρακτηρισµό της βισκοελαστικής συµπεριφοράς, πειράµατα κάµψης τριών σηµείων σε διάφορους ρυθµούς παραµόρφωσης για τη µελέτη της βραχυπρόθεσµης βισκοελαστικής συµπεριφοράς και, τέλος, µελέτη της βλάβης που προκαλείται στα νανοσύνθετα ύστερα από κυκλικό θερµικό σοκ και απορρόφηση υγρασίας. Το θεωρητικό µέρος περιελάµβανε µελέτη της διεπιφάνειας ίνας-µήτρας µε αναλυτικά µοντέλα και µε αριθµητική ανάλυση µε τη µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων εισάγοντας την έννοια της ενδιάµεσης φάσης και της πρόσφυσης. Για τη εκπόνηση της συγκεκριµένης εργασίας πολύτιµη ήταν η βοήθεια της τριµελούς επιτροπής. Στην τριµελή επιτροπή συµµετείχαν οι Καθηγητές Γ. Παπανικολάου (επιβλέπων) και Β. Κωστόπουλος του Τµήµατος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών και ο Καθηγητής Κ. Γαλιώτης του Τµήµατος Επιστήµης Υλικών. Τα µέλη της εξεταστικής επιτροπής που ορίστηκε για το ακαδηµαϊκό έτος είναι: Γ. Βογιατζής, ρ. Χηµικός Μηχανικός, Κύριος Ερευνητής του ΙΤΕ/ΕΙΧΗΜΥΘ. Α. Βραδής, Αναπληρωτής Καθηγητής του Τµήµατος Φυσικής, Πανεπιστηµίου Πατρών. Β. Μαυραντζας, Αναπληρωτής καθηγητής του Τµήµατος Χηµικών Μηχανικών, Πανεπιστηµίου Πατρών. Ι. Μικρογιαννίδης, Καθηγητής του Τµήµατος Χηµείας, Πανεπιστηµίου Πατρών. Α. Τερζής, Αναπληρωτής Καθηγητής του Τµήµατος Φυσικής, Πανεπιστηµίου Πατρών. Γ. Ψαρράς, Επίκουρος Καθηγητής του Τµήµατος Επιστήµης Υλικών, Πανεπιστηµίου Πατρών. Στο σηµείο αυτό θα ήθελα να ευχαριστήσω τον επιβλέποντα Καθηγητή Γ. Παπανικολάου για τη συµβολή του που ήταν καθοριστική για την εκπόνηση της συγκεκριµένης εργασίας ειδίκευσης και για την εµπιστοσύνη που µου επέδειξε σε εργαστηριακό επίπεδο. Στην καθηµερινή συνεργασία και τις συµβουλές του οφείλω σε µεγάλο βαθµό τις γνώσεις που αποκόµισα στον τοµέα των Συνθέτων Υλικών. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τη τριµελή συµβουλευτική επιτροπή για τις χρήσιµες συµβουλές της. Ιδιαίτερα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον Καθηγητή Β. Κωστόπουλο, που µας παραχώρησε το εργαστήριο για τη διεξαγωγή µέρους της πειραµατικής διαδικασίας, τον Καθηγητή Ν. Ανυφαντή, ο οποίος είναι ιευθυντής του Εργαστηρίου Στοιχείων Μηχανών του Κατασκευαστικού Τοµέα του Τµήµατος Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών Πανεπιστηµίου Πατρών, η βοήθεια του οποίου στο κοµµάτι της αριθµητικής ανάλυσης µε Πεπερασµένα Στοιχεία ήταν πολύτιµη και τον

5 II Αναπληρωτή Καθηγητή Σ. Ζαούτσο του Τµήµατος Μηχανολογίας ΤΕΙ Λάρισας µε τον οποίο συνεργάστηκα για τα πειράµατα DMA ενώ παράλληλα µας προµήθευσε υλικά. Τον άνθρωπο που θέλω να ευχαριστήσω ξεχωριστά είναι η φίλη µου και συνεργάτης ρ. Τόνια Ξεπαπαδάκη, η οποία αποτέλεσε πραγµατικό στήριγµα καθ όλη τη διάρκεια των µεταπτυχιακών µου σπουδών. Στην Τόνια οφείλω και την συνέχιση των µεταπτυχιακών µου σπουδών, καθότι ήταν αυτή που µε ώθησε να σκεφτώ ότι πρέπει να συνεχίσω ένα βήµα παραπάνω. Τέλος, θέλω να ευχαριστήσω όλους τους Καθηγητές του µεταπτυχιακού προγράµµατος και ιδιαίτερα τον Καθηγητή Β. Μαυραντζά για τις χρήσιµες συµβουλές του. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συµφοιτητές µου από το µεταπτυχιακό, τους µεταπτυχιακούς φοιτητές του εργαστηρίου και τα παιδιά από το εργαστήριο µε τα οποία συνεργάστηκα. Οι άνθρωποι που αξίζουν συγχαρητήρια και τους ευχαριστώ ειλικρινά για όλη τη διάρκεια των σπουδών µου, τόσο για την ηθική όσο και για την οικονοµική βοήθεια είναι η οικογένειά µου. Τα ήθη και τις αξίες αυτής της ζωής οφείλω στους γονείς µου ηµήτρη και Χαρούλα, ενώ ο αδερφός µου Μάνος, καθότι συνεπής πάντα µε τις προπτυχιακές και µεταπτυχιακές του σπουδές στο ΕΜΠ, αποτελούσε πάντα πρότυπο για εµένα και συνεχίζει να αποτελεί ως ενεργός µηχανικός. Πάτρα 30/4/200

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΠΕΡΙΛΗΨΗ Σκοπός της συγκεκριµένης εργασίας είναι η κατασκευή, η µοντελοποίηση και η µελέτη της φυσικής και µηχανικής συµπεριφοράς συνθέτων υλικών πολυµερικής µήτρας ενισχυµένης µε νανοσωλήνες άνθρακα. Πρώτος στόχος της εργασίας είναι η µελέτη των φυσικών και µηχανικών ιδιοτήτων νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυµένης µε νανοσωλήνες άνθρακα. Για τη µελέτη αυτή πραγµατοποιήθηκαν µια σειρά διαφορετικών πειραµάτων προκειµένου να προκύψουν αξιόπιστα συµπεράσµατα. Το πρώτο και βασικότερο πρόβληµα που µελετά η συγκεκριµένη εργασία είναι η κατασκευή νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυµένης µε νανοσωλήνες άνθρακα µε τρόπους που συνδυάζεται το χαµηλό κόστος εξοπλισµού και η µικρή διάρκεια προετοιµασίας για την κατασκευή. Η κατασκευή των νανοσυνθέτων έγινε µε δύο βασικές µεθόδους, µε µηχανική ανάδευση και µε χρήση υπερήχων. Το κύριο πρόβληµα που έπρεπε να ξεπερασθεί ήταν η οµογενής διασπορά µέσα στη ρητίνη καθώς η τάση που έχουν οι νανοσωλήνες να σχηµατίζουν συσσωµατώµατα επιδρά αρνητικά. Από τη βιβλιογραφική και πειραµατική µελέτη που έγινε προκύπτει πως ο χρόνος ανάµιξης, η µέθοδος ανάµιξης και η µεθοδολογία κατασκευής παίζουν καθοριστικό ρόλο στην επίτευξη καλής διασποράς των νανοσωλήνων µέσα στη ρητίνη. Εδώ πρέπει να σηµειωθεί πως ο τύπος της ρητίνης και ο τύπος των νανοσωλήνων ανατρέπουν τη βέλτιστη µέθοδο. Για παράδειγµα στη µία ρητίνη που χρησιµοποιήθηκε, βέλτιστος χρόνος ήταν τα 0 λεπτά ενώ στην άλλη ρητίνη, βέλτιστος χρόνος ήταν τα 20 λεπτά. Για το στατικό µηχανικό χαρακτηρισµό νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυµένης µε νανοσωλήνες άνθρακα πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα κάµψης τριών σηµείων. Για πληρότητα της εργασίας χρησιµοποιήθηκαν δύο τύποι εποξικών ρητινών. Και οι δύο τύποι ρητινών ενισχύθηκαν µε νανοσωλήνες άνθρακα σε διάφορες περιεκτικότητες. Από τα συγκεκριµένα πειράµατα προέκυψε ότι υπάρχει µία συγκεκριµένη περιεκτικότητα σε νανοσωλήνες στην οποία το νανοσύνθετο εµφανίζει βελτιωµένες µηχανικές ιδιότητες. Συγκεκριµένα, για τον πρώτο τύπο εποξικής ρητίνης βρέθηκε πως το ποσοστό αυτό είναι το 0.3% κ.β. µε ποσοστιαία αύξηση 0.6% και 2.6% σε µέτρο ελαστικότητας και αντοχής σε κάµψη. Σε ποσοστό 3% κ.β., η αύξηση στο µέτρο ελαστικότητας ήταν 4.03% αλλά η αντοχή του ήταν πολύ µικρή. Για το δεύτερο τύπο εποξικής ρητίνης βρέθηκε ότι το ποσοστό αυτό είναι το 0.2% κ.β., µε ποσοστιαία αύξηση στο µέτρο ελαστικότητας σε κάµψη 22.8% και στην αντοχή σε κάµψη 29.4%. Για τον πειραµατικό χαρακτηρισµό της βισκοελαστικής συµπεριφοράς (Long term testing) των υλικών που κατασκευάσθηκαν πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα εφελκυστικού ερπυσµούεπανάταξης, ενώ για τον έλεγχο της βραχυπρόθεσµης βισκοελαστικής συµπεριφοράς πραγµατοποιήθηκαν πειράµατα κάµψης τριών σηµείων σε διαφορετικούς ρυθµούς παραµόρφωσης για τα οποία έγινε µοντελοποίηση µε εφαρµογή των βισκοελαστικών προτύπων του στερεού των τεσσάρων και τριών παραµέτρων, αντίστοιχα. Εξίσου σηµαντική ήταν και η µελέτη των υλικών σε µη ιδανικές συνθήκες, δηλαδή σε συνθήκες όπου µπορεί να βρεθούν τα υλικά αυτά όταν αποτελέσουν µέρος µιας πραγµατικής µηχανολογικής κατασκευής. Για το σκοπό αυτό έγινε µελέτη της βλάβης που εµφανίζεται σε υλικά καθαρής ρητίνης αλλά και ενισχυµένης τόσο ύστερα από κυκλικό θερµικό σοκ όσο και µετά από απορρόφηση υγρασίας. Η µελέτη που έγινε χωρίζεται σε δύο µέρη, το πειραµατικό και το θεωρητικό. Όσον αφορά το πειραµατικό σκέλος έγινε µηχανικός χαρακτηρισµός των υλικών µε

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ στατικά πειράµατα κάµψης τριών σηµείων, ενώ όσον αφορά το θεωρητικό σκέλος έγινε εξήγηση των µηχανισµών που λαµβάνουν χώρα µε αποτέλεσµα την πρόκληση βλάβης. Τα αποτελέσµατα που προκύπτουν στην περίπτωση της θερµικής κόπωσης είναι ενθαρρυντικά. Συγκεκριµένα για το µέτρο ελαστικότητας σε περιεκτικότητα 0.2%, όπου έχει γίνει µια επιτυχηµένη κατασκευή νανοσυνθέτου µε αύξηση που ξεπερνάει το 22.5%, παρατηρείται ότι η σχετική αύξηση σε πέντε κύκλους θερµικής κόπωσης ξεπερνάει το 30% (30, 40, 50, 80 και 90) και µάλιστα φτάνει το 40.2% στους 80 κύκλους. Όσον αφορά την αντοχή, αντίστοιχα είναι τα συµπεράσµατα. Φαίνεται πως τα νανοσύνθετα συνεχίζουν να υπερτερούν έναντι του παρθένου υλικού µε πιο χαρακτηριστική περίπτωση την αύξηση που παρατηρείται στους 40 κύκλους θερµικής κόπωσης όπου φτάνει το 46.7%. Τα αποτελέσµατα που προκύπτουν µετά από απορρόφηση υγρασίας δεν είναι ενθαρρυντικά καθότι τόσο στο 0.2%κ.β. όσο και στο 0.3%κ.β. η σχετική µείωση των ιδιοτήτων είναι ιδιαίτερα υψηλή. Για το δυναµικό χαρακτηρισµό των υλικών έγιναν πειράµατα δυναµικής θέρµο-µηχανικής ανάλυσης µέσω των οποίων προσδιορίσθηκε η θερµοκρασία υαλώδους µετάβασης T g και η ικανότητα απόσβέσης των νανοσυνθέτων. Από τα πειράµατα προέκυψε πως τα νανοσύνθετα έχουν Tg µεγαλύτερη από αυτή του µητρικού υλικού και συγκεκριµένα 26 C έναντι 0 C. Επίσης, η ικανότητα απόσβεσης των νανοσυνθέτων φαίνεται να είναι αισθητά µικρότερη. Τα πειραµατικά αποτελέσµατα ενισχύθηκαν µε θεωρητική µελέτη. Για το σκοπό αυτό έγινε εφαρµογή αναλυτικών µοντέλων και αριθµητική ανάλυση µε τη µέθοδο των Πεπερασµένων Στοιχείων. Το πρώτο µοντέλο που χρησιµοποιήθηκε ήταν το µοντέλο της υβριδικής ενδιάµεσης φάσης που έχει αναπτυχθεί από τον καθηγητή Γ. Παπανικολάου και την ερευνητική του οµάδα. Το µοντέλο αυτό εισάγει την έννοια του συντελεστή πρόσφυσης και της ενδιάµεσης φάσης, ως µίας φάσης που ξεκινά αµέσως µετά τη διεπιφάνεια ίνας-µήτρας και καταλήγει στη µήτρα. Κατά το πάχος της ενδιάµεσης φάσης οι ελαστικές ιδιότητες. Η ενδιάµεση φάση συµπεριφέρεται βισκοελαστικά µε αποτέλεσµα το πάχος της να µεταβάλλεται µε το χρόνο. Η υβριδική ενδιάµεση φάση είναι πολύ σηµαντική και πρέπει να λαµβάνεται υπόψη στο σχεδιασµό από τους µηχανικούς. Η άποψη αυτή ενισχύεται από την παρατήρηση που γίνεται στη συγκεκριµένη εργασία, ότι, δηλαδή, µπορεί να προκύψει ένα σύνθετο υλικό µε πλήρως τροποποιηµένη µήτρα. Στην περίπτωση αυτή, το σύνθετο σε µικροσκοπική κλίµακα εµφανίζει ιδιότητες ίνας και ιδιότητες ενδιάµεσης φάσης, αλλά όχι µήτρας. Τα µοντέλα, τόσο της υβριδικής ενδιάµεσης φάσης όσο και της βισκοελαστικής ενδιάµεσης φάσης χρησιµοποιήθηκαν στη µοντελοποίηση που έγινε µε τη µέθοδο των Πεπερασµένων Στοιχείων. Συγκεκριµένα, έγινε µοντελοποίηση ενός αντιπροσωπευτικού στοιχείου όγκου που συνδέει τις µακροσκοπικές µε τις µικροσκοπικές ιδιότητες και στη συνέχεια µελετήθηκε η εντατική κατάσταση που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια. Τα αποτελέσµατα συγκρίθηκαν µε αναλυτικά µοντέλα που µελετούν τη διεπιφάνεια.

8 SUMMARY BRIF SUMMARY Nanocomposites constitute a very special category o composite materials. Only a small amount o nano-inclusions is enough to achieve unique mechanical, electrical and other properties. Carbon nanotubes have gain the scientists interest the last ten years due their becoming a material with many prospects. Ater an extended research by Iijima, S. in 99, carbon nanotubes became a new attractive material to Nanotechnology. Thorough investigations in polymer matrix composites reinorced with carbon nanotubes are being developed in an eort to explain their properties. The aim o the present master thesis is multiple. The irst step was the experimental procedure which started with the static mechanical characterization o epoxy polymer matrices reinorced with Multi Walled Carbon Nanotubes in order to deine the actors that, mainly, come up during the mixing process and contribute to the inal mechanical properties, namely the bending modulus and the strength. High speed shearing and ultrasonication were the two main manuacturing techniques that were applied in order to disperse the nanotubes in dierent volume ractions. Neat epoxy and MWCNT s-reinorced epoxy specimens were also tested with Dynamic Thermo Mechanical Analysis bending experiments, by which the glass transition temperature, Tg, and the damping response were deined. Furthermore, three point bending tests in dierent strain rates and creeprecovery tests were executed or the deinition o the short-term and long-term viscoelastic response, respectively. Finally, the damage that occurs ater thermal shock cycling and water absorption was examined thoroughly. More speciically, the elastic properties degradation, due to damage, o the neat epoxy and o the nanocomposites was compared. Next, using the hybrid interphase concept and the viscoelastic interphase, a theoretical investigation o the iber-matrix interphase region was executed in an eort to compute both analytically and numerically its eect on the interacial stress and strain ields developed in the area close to CNT s. Analytical models that give the distribution o the normal and shear stresses were applied and the results were compared with the numerical analysis. The Finite lement Method was used or the numerical analysis. Many simpliying assumptions were necessary or both analytical and numerical technique. xperimental indings combined with analytical and numerical results gave a better understanding on the structural and mechanical perormance o epoxy resin-carbon nanotubes composites. The static mechanical characterization that is being presented shows that we can achieve better mechanical properties by using a quit simple and low cost mixing process, but it needs much better techniques to achieve high perormance materials. Glass transition temperature, Tg, o the nanocomposite is clearly higher rom that o the neat epoxy. On the other hand, the damping o the nanocomposite is much lower, especially in higher temperatures. Finally, the nanocomposites seem to have much better response ater cyclic thermal shock in contrast with the eect o water absorption, that seem to degrade the properties. The theoretical investigation showed that the third phase ormatted around the inclusion is responsible or the stress and strain ield developed in the area close to the nanotube. The interphase is not simply a geometrical concept but it mainly a property dependent concept, the thickness o which vary in compliance with the adhesion coeicient and time. Nanocomposites are materials that need urther investigation in order to achieve things that the human brain could never imagine a ew decades beore.

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ραγδαία ανάπτυξη της τεχνολογίας από το δεύτερο µισό του 20 ου αιώνα µέχρι σήµερα έχει επηρεάσει σηµαντικά µεταξύ άλλων τη βιοµηχανία των υλικών. Η ανάγκη για κατασκευές υψηλών προδιαγραφών σε συνδυασµό µε την εξέλιξη της επιστήµης και τεχνολογίας των υλικών έχουν οδηγήσει στην αντικατάσταση των παραδοσιακών υλικών από τα σύνθετα. Ως σύνθετο µπορεί να ορισθεί το υλικό εκείνο το οποίο προκύπτει από την ανάµιξη σε µακροσκοπική κλίµακα δύο ή περισσότερων υλικών µε φυσικό ή µηχανικό τρόπο και παρουσιάζει τελικές ιδιότητες διαφορετικές από αυτές των υλικών που το αποτελούν. Από τον ορισµό αυτό καταρρίπτεται ο µύθος που επικρατεί για τα σύνθετα υλικά ότι,δηλαδή, είναι αποτέλεσµα µιας πρόσφατης επιστήµης. Ο άνθρωπος από την αρχαιότητα προσπάθησε και πέτυχε την κατασκευή συνθέτων υλικών. Υλικά όπως ο πηλός, η άσφαλτος, και οι συνθετικές ρητίνες είναι από τα πρώτα σύνθετα υλικά που χρησιµοποίησε ο άνθρωπος. Υπάρχουν ενδείξεις χρησιµοποίησης τέτοιων υλικών καθώς και κάποιας τεχνικής κατασκευής σε κεραµικά του 5000 π.χ. Τα πρώτα ενισχυµένα πολυµερικά σύνθετα υλικά φαίνεται να έχουν χρησιµοποιηθεί από τους Βαβυλώνιους κατά την περίοδο π.χ., σύµφωνα µε τη Βίβλο. Το 3000 π.χ. κατασκευάσθηκαν στην Αίγυπτο και τη Μεσοποταµία σχεδίες από καλάµια παπύρου τα οποία είχαν εµβαπτισθεί σε πίσσα. Αυτές οι σχεδίες αποτελούν πρόδροµο σύγχρονων πλαστικών σκαφών που ενισχύονται µε ίνες γυαλιού. Ο πάπυρος υπήρξε η πιο διαδεδοµένη γραφική ύλη σε όλη την αρχαιότητα, µέχρι το τέλος της Ρωµαϊκής Αυτοκρατορίας. Οι κατασκευαστές χώριζαν το παχύ τριγωνικό του στέλεχος σε φύλλα, τα οποία αποτελούσαν τους κυλίνδρους του παπύρου. Έπειτα, εφάρµοζαν αυτές τις λωρίδες σταυροειδώς, τη µία µε την άλλη, τις κολλούσαν και τις χτυπούσαν µε ένα ξύλινο σφυράκι ώστε να δηµιουργηθεί µια επιφάνεια όσο το δυνατόν πιο ενιαία. Με ένα ελαφρό κολλάρισµα, µπορούσε κανείς να γράψει στον πάπυρο, ο οποίος είχε µεγάλη αντοχή και διάρκεια. Ο πάπυρος αντικαταστάθηκε από την περγαµηνή για πρώτη φορά το 97 π.χ. από το βασιλιά της Περγάµου, Ευµένη Β. Η περγαµηνή κατασκευαζόταν από δέρµα ζώου το οποίο ο τεχνίτης επεξεργαζόταν και το έκανε τόσο λεπτό όσο ένα φύλλο χαρτιού, µια διαδικασία που απαιτούσε λεπτούς χειρισµούς και χρόνο. Η περγαµηνή καθότι σπάνια και δαπανηρή αντικαταστάθηκε από το χαρτί. Ο πάπυρος και η περγαµηνή αργά µε το χρόνο σταµάτησαν να χρησιµοποιούνται και τη θέση τους πήρε το χαρτί. Το χαρτί είναι ένα φυσικό ινώδες σύνθετο υλικό και χρησιµοποιείται εδώ και εκατοντάδες χρόνια, κουβαλώντας µεγάλη ιστορία ανάπτυξης και εξέλιξης. Η εφεύρεση του χαρτιού ανήκει στους Κινέζους και χρονολογείται στα 05 µ.χ., σύµφωνα µε παραδόσεις. Το χαρτί κατασκεύαζαν από το φλοιό των δέντρων, ίνες από κάνναβη και παλιά κουρέλια από µετάξι τα οποία πολτοποιούσαν σφυροκοπώντας τα µέσα στο νερό, έχυναν έπειτα τον πολτό επάνω σε µια πλάκα και τέλος άφηναν το φύλλο που γινόταν να στεγνώσει στον ήλιο. Την τέχνη για κατασκευή χαρτιού «έκλεψαν» οι Άραβες, το 75 µ.χ. οι οποίοι χρησιµοποιούσαν ως πρώτες ύλες το λινάρι και την κάνναβη. Στην Ευρώπη φαίνεται πώς έφτασε η τέχνη κατασκευής χαρτιού τον ο αιώνα η οποία διαδόθηκε σε Ιταλία, Γερµανία και µετέπειτα σε άλλες χώρες, όπου ιδρύθηκαν εργοστάσια χαρτοποιίας. Φυσική εξέλιξη ήταν η ανακάλυψη της τυπογραφίας το 440 από τον Ιωάννη Γουτεµβέργιο.

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 2 Εικόνα. (α) Σύγγραµµα από πάπυρο και (β) ιαδικασία προετοιµασίας της περγαµηνής [Πηγή: Εικόνα.2 Οι φάσεις παραγωγής χαρτιού στη Κίνα

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 3 Η τέχνη της µουµιοποίησης που αναπτύχθηκε στην αρχαία Αίγυπτο είναι ένα άλλο παράδειγµα µίας σύνθετης κατασκευής. Σύµφωνα µε την τεχνική αυτή, τα νεκρά σώµατα µετά από κατάλληλη επεξεργασία, τυλιγόταν µε ταινίες λινού και στη συνέχεια εµποτιζόταν µε υγρή ρητίνη που χρησίµευε για εξωτερική προστασία. Το «όπλον», όπως ονοµαζόταν η ασπίδα στην Αρχαία Ελλάδα (αφότου αντικαταστάθηκε η οκτώσχηµη ασπίδα), είναι ένα χαρακτηριστικό παράδειγµα συνθέτης κατασκευής η οποία ξεχώριζε όχι µόνο για την τεχνολογική του φύση, αλλά και για την καλλιτεχνική. Υπάρχουν πολλές περιγραφές σε αρχαία ελληνικά κείµενα τα οποία αναφέρονται λεπτοµερώς στο «όπλον». Μόνο στην Ιλιάδα γίνεται περιγραφή της ασπίδας του Αγαµέµνονα, του Αχιλλέα και του Αίαντα. Σύµφωνα µε τις περιγραφές στην Ιλιάδα, η ασπίδα του Αγαµέµνονα ήταν ολόσωµη, στερεή, όµορφη και είχε κρόσσια. Τα επάλληλα στρώµατα συνδέονταν µεταξύ τους µε καρφιά από καλάι και µε χάλκινα τσέρκια, ενώ στην επιφάνεια της ήταν σχεδιασµένες φοβερές µορφές, όπως η Γοργώ και Τρόµος, για να τροµάζουν οι αντίπαλοι. Η ασπίδα του Αχιλλέα ήταν ιδιαίτερα ισχυρή αποτελούµενη από πέντε στρώσεις µετάλλων, χρυσό, άργυρο, µπρούντζο, κασσίτερο και σίδηρο. Είχε τρίφυλλο στεφάνι και ασηµένιο λουρί. Η ασπίδα του Αίαντα είχε τη δοµή ολόσωµης µυκηναϊκής ασπίδας, κατασκευασµένης από επτά στρώµατα δέρµατος βοδιών και ένα εξωτερικό χάλκινο στρώµα. Από τις παραπάνω περιγραφές προκύπτει πως το «όπλον» ήταν τεχνολογικά ένα από τα πιο προηγµένα οπλικά συστήµατα της εποχής που έδινε σηµαντική ισχύ στους Έλληνες οπλίτες. Τέλος, πρέπει να σηµειωθεί πως κάθε οπλίτης είχε τη δική του ασπίδα, η οποία σχεδιαζόταν και κατασκευαζόταν βάσει των διαστάσεων και της µυϊκής δύναµής του. Εικόνα.3 (α)εµπρός και πίσω άποψη της Λακεδαιµονικής Ασπίδας σε ανακατασκευή, (β) Εµπρός και πίσω άποψη Αργολικής Ασπίδας σε ανακατασκευή και (γ) Φοβερές µορφές που χρησιµοποιούσαν οι Έλληνες στην πρόσοψη της ασπίδας για να φοβερίζουν τους αντιπάλους [Πηγή: Μέχρι και τις αρχές του 20 ου αιώνα στην Ελλάδα οι άνθρωποι κατασκεύαζαν τα σπίτια τους από πέτρες και πλίθρες. Σε µια µεγάλη γούβα ανάδευαν λεπτό άχυρο, άµµο, χώµα και νερό και αφότου

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 4 γινόταν η ανάδευση, τοποθετούσαν το µίγµα σε µεγάλα ξύλινα καλούπια ώσπου να στερεοποιηθεί. Έπειτα, κόβανε σε µεγάλα ορθογώνια κοµµάτια (πλίθρες) τα οποία χρησιµοποιούσαν για την κατασκευή τους. Οι πέτρες τοποθετούνταν στη βάση του σπιτιού και από πάνω οι πλίθρες προκειµένου να µην περνάει η υγρασία από το έδαφος στα τοιχώµατα. Εικόνα.4 Κατοικία και τοιχίο κατασκευασµένα από πέτρα και πλίθρα [Πηγή: Από τα παραπάνω φαίνεται ότι οι άνθρωποι πέτυχαν τεχνολογικά προηγµένες, για την εποχή εκείνη, κατασκευές οι οποίες, αν και στηρίζονταν κυρίως σε εµπειρική και όχι σε επιστηµονική γνώση, διακρίνονται για την ευρηµατικότητά των..2 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Στον 2 ο αιώνα οι ολοένα και µεγαλύτερες ανάγκες για ανθεκτικότερες και ελαφρύτερες κατασκευές οδήγησαν στην ανάπτυξη νέων υλικών, στα οποία συγκαταλέγονται και τα σύνθετα υλικά. Γίνεται κατανοητό πως ο αριθµός συνθέτων υλικών που υπάρχουν ή που µπορούν να κατασκευαστούν είναι άπειρος, για αυτό και κατηγοριοποιούνται ποικιλοτρόπως σε διάφορους τύπους. Η ταξινόµηση των συνθέτων υλικών δε γίνεται µε τρόπο απόλυτο, παρ όλα αυτά µπορεί να γίνει διαχωρισµός κύρια βάσει του τύπου της µήτρας (matrix) και του τύπου του εγκλείσµατος (inclusion or iller). Ο ρόλος της µήτρας είναι πολλαπλός: Έχει συνδετικό ρόλο, ως συγκολλητική ουσία Προστατεύει το έγκλεισµα από τους περιβαλλοντικούς παράγοντες Συνεισφέρει στις τελικές ιδιότητες του συνθέτου Μεταφέρει το φορτίο µέσω της διεπιφάνειας στο έγκλεισµα Ο τύπος της µήτρας καθορίζει και το βιοµηχανικό εξοπλισµό που θα χρειαστεί

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 5 Ο ρόλος του εγκλείσµατος είναι τελείως διαφορετικός. Κατ αρχάς όταν το έγκλεισµα ενισχύει τις µακροσκοπικές ιδιότητες του συνθέτου τότε καλείται «ενισχυτικό» (reinorcement). Για παράδειγµα ίνες και κόκκοι µε υψηλό µέτρο δυσκαµψίας όταν αναµιχθούν σε µία εποξική ρητίνη θα λειτουργήσουν ως ενισχυτικά µέσα, καθώς οι τελικές ιδιότητες του συνθέτου, όπως η δυσκαµψία και η αντοχή σε εφελκυσµό, θα αυξηθεί σηµαντικά. Αυτό συµβαίνει γιατί το ενισχυτικό µέσο παραλαµβάνει δια µέσου της µήτρας το φορτίο. Η γεωµετρία του ενισχυτικού παίζει εξίσου καθοριστικό ρόλο. Χαρακτηριστικά αναφέρονται οι ίνες, οι οποίες είναι εγκαρσίως ισότροπες, εµφανίζουν, δηλαδή, ανισοτροπία τόσο στις µηχανικές όσο και στις θερµικές και ηλεκτρικές ιδιότητες. Αυτό σηµαίνει ότι έχουν διαφορετικό µέτρο ελαστικότητας, συντελεστή θερµικής διαστολής και διαφορετική αγωγιµότητα στη διαµήκη διεύθυνση της ίνας και στην εγκάρσια. Σε κάθε περίπτωση τα εγκλείσµατα είναι αυτά που ουσιαστικά συµβάλουν στις τελικές ιδιότητες του συνθέτου, τις µηχανικές, ηλεκτρικές, µαγνητικές, θερµικές, οπτικές και άλλες ενώ παράλληλα καθορίζουν τη θραυστοµηχανική συµπεριφορά του συνθέτου. Τρόποι ταξινόµησης ος. Τα σύνθετα υλικά χωρίζονται σε τρεις βασικές κατηγορίες βάσει του τύπου της µήτρας που το αποτελεί: α) Σύνθετα υλικά πολυµερικής µήτρας (Polymer Matrix Composites, PMC s): Η συγκεκριµένη κατηγορία υλικών είναι ίσως η δηµοφιλέστερη στον τοµέα συνθέτων υλικών, µε πάρα πολλές εφαρµογές αλλά και πολλά υποσχόµενη για το µέλλον. Αυτό οφείλεται στον τύπο της µήτρας, η οποία είναι ένα πολυµερές. Τα πολυµερή αποτελούν µια πολύ ξεχωριστή κατηγορία υλικών και παρά το γεγονός ότι χρησιµοποιούνται ευρέως από τα µέσα του 20 ου αιώνα για προϊόντα καθηµερινής χρήσης, η επιστηµονική µελέτη και έρευνα πάνω σε αυτά τα υλικά έχουν ανοδική πορεία καθώς προορίζονται για τεχνολογικά ανώτερες εφαρµογές. Οι αναρίθµητοι τύποι συνθέτων υλικών πολυµερικής µήτρας είναι αποτέλεσµα της ποικιλίας των πολυµερών που ήδη υπάρχει σε συνδυασµό µε τους διαφορετικούς τύπους ενίσχυσης. Για τα πολυµερή γίνεται εκτενέστερη αναφορά σε επόµενη παράγραφο (.5) καθώς τα σύνθετα υλικά πολυµερικής αποτελούν αντικείµενο µελέτης της παρούσας εργασίας. β) Σύνθετα υλικά µεταλλικής µήτρας (Metal Matrix Composites, MMC s): Τα υλικά αυτά αποτελούν µια σηµαντική κατηγορία στον τοµέα των συνθέτων υλικών. Κλασσικά µέταλλα όπως το αλουµίνιο, το νικέλιο και το τιτάνιο χρησιµοποιούνται ως µήτρα προς ενίσχυση. Οι τύποι ενίσχυσης για µεταλλικές µήτρες περιορίζονται κυρίως σε κεραµικά υλικά µορφής κόκκων ή ινών. Το βασικό πλεονέκτηµα µιας µεταλλικής µήτρας έναντι µιας πολυµερικής είναι ότι µπορεί να χρησιµοποιηθεί σε υψηλές θερµοκρασίες και συγκεκριµένα µεγαλύτερες από 300 ºC, θερµοκρασία στην οποία οι οργανικές µήτρες οξειδώνονται. Τα σύνθετα υλικά µεταλλικής µήτρας χρησιµοποιούνται, επίσης, για τις πολύ καλές µηχανικές, θερµικές και ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Παράλληλα, µπορούν να υποστούν κατεργασίες µε τις κλασικές µεθόδους και επιπρόσθετα να αποτελέσουν τµήµα µιας κατασκευής το οποίο θα ενωθεί µε µια απλή συγκόλληση ή κόλληση. Τα δύο βασικά µειονεκτήµατα των υλικών αυτών είναι η υψηλή πυκνότητά τους και η δυσκολία κατασκευής τους, που οδηγούν σε κατασκευές µεγάλου βάρους και υψηλού κόστους αντίστοιχα. Τέλος, στα σύνθετα υλικά µεταλλικής µήτρας µπορεί να προσαρτηθεί ένα µέρος των κραµάτων µετάλλων. Κράµατα αλουµινίου και τιτανίου µε ευρύτατες εφαρµογές αποτελούν αντικείµενο εκτενούς έρευνας. Στην πλειοψηφία τους, όµως, τα κράµατα δεν ανήκουν στα σύνθετα υλικά, καθώς, σύµφωνα µε τον ορισµό των συνθέτων υλικών η διεπιφάνεια εγκλείσµατος µήτρας πρέπει να εµφανίζει χηµική σταθερότητα συναρτήσει του χρόνου, κάτι που είναι δύσκολο να συµβεί στα κράµατα µετάλλων. Ο λόγος είναι ότι στα κράµατα τα εγκλείσµατα ενώνονται κατά βάση χηµικά µε το µητρικό υλικό. Επιπρόσθετα, τα µέταλλα είναι πολύ ευαίσθητα στην οξείδωση κάτι που

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 6 συµβάλλει στην χηµική τροποποίηση της διεπιφάνειας. Ένα παράδειγµα συνθέτου υλικού µεταλλικής µήτρας, που δεν αντιµετωπίζει το παραπάνω πρόβληµα, είναι το κράµα που θα προκύψει στην περίπτωση παρεµβολής µικτών µεταλλικών κρυστάλλων στο διάκενο του κρυσταλλικού πλέγµατος του µετάλλου, που παίζει το ρόλο του µητρικού υλικού, χωρίς τη δηµιουργία χηµικών δεσµών στις διεπιφάνειες των κρυστάλλων. Φυσικά ο ορισµός του τι είναι σύνθετο υλικό δεν εξαιρεί τα κράµατα από µία ξεχωριστή κατηγορία υλικών µε εξαιρετικές ιδιότητες που βρίσκουν ολοένα και περισσότερες εφαρµογές. γ) Σύνθετα υλικά κεραµικής µήτρας (Ceramic Matrix Composites, CMC s): Ως κεραµικά ορίζονται «όλα τα ανόργανα µη µεταλλικά υλικά τα οποία έχουν υποστεί θερµική κατεργασία σε υψηλές θερµοκρασίες (>000 C)». Τα κεραµικά είναι υλικά δύσκαµπτα, εµφανίζουν µεγάλη σκληρότητα, έχουν µεγάλη αντοχή σε θλίψη και πολύ µικρή σε εφελκυσµό, έχουν χαµηλή πυκνότητα ενώ το βασικότερο πλεονέκτηµα είναι ότι παρουσιάζουν υψηλότατη πυρίµαχη, αντιδιαβρωτική και αντιτριβική συµπεριφορά. Το κύριο µειονέκτηµα τους είναι ότι η µικροδοµή τους επηρεάζει σηµαντικά τη µακροµηχανική συµπεριφορά τους. Αυτό πρακτικά σηµαίνει πως ατέλειες που µπορεί να υπάρχουν ή να δηµιουργηθούν στο υλικό, όπως κενά ή µικρορωγµές, θα οδηγήσουν σε ταχεία διάδοση των ρωγµών όταν θα υποστεί κάποια φόρτιση. Για το λόγο αυτό χρησιµοποιούνται ως ενισχυτικά ίνες ή κόκκοι. Το πλέον διαδεδοµένο σύνθετο υλικό κεραµικής µήτρας είναι το οπλισµένο σκυρόδεµα. Το σκυρόδεµα είναι από µόνο του ένα σύνθετο υλικό το οποίο περιέχει ανόργανα υλικά και συγκεκριµένα άµµο, χαλίκι, γαρµπίλι και σκύρα και προκύπτει όταν συνδυαστούν µε τσιµεντοκονία και νερό. Το σκυρόδεµα χρησιµοποιείται κύρια σε κατασκευές, όχι ως αυτοτελές υλικό αλλά ενισχυµένο µε χαλύβδινες ράβδους. Έτσι προκύπτει το οπλισµένο σκυρόδεµα, το οποίο συνδυάζει την πολύ καλή αντοχή σε θλίψη του σκυροδέµατος και την πολύ καλή αντοχή σε εφελκυσµό του χάλυβα. Παραδοσιακά κεραµικά υλικά είναι ο πυλός, το τσιµέντο, η άργιλος και το γυαλί, υλικά τα οποία χρησιµοποιούνται ευρέως µε πληθώρα εφαρµογών από την αρχαιότητα. Σήµερα, κυκλοφορούν κεραµικά τα οποία χαρακτηρίζονται ως προηγµένα καθότι παρουσιάζουν αξιοσηµείωτες ηλεκτρικές, ηλεκτρονικές, οπτικές ή µαγνητικές ιδιότητες και προορίζονται για συγκεκριµένες εφαρµογές. Ενδεικτικά αναφέρονται παρακάτω µερικά από τα προηγµένα κεραµικά υλικά: Οξείδια (Al 2 O 3, ZrO 2, UO 2, πυριτικά γυαλιά) Καρβίδια (B 4 C, SiC, TiC, WC) Νιτρίδια (Si 3 N 4, TiN, AlN, BN) Βορίδια (ZrB 2, TiB 2 ) Πυριτίδια (MoSi 2, TiSi 2 ) Φθορίδια (CaF 2, LiF) 2 ος. Επιπρόσθετα, τα σύνθετα υλικά κατηγοριοποιούνται βάσει του τύπου του εγκλείσµατος σε: α) Κοκκώδη σύνθετα υλικά: Τα συγκεκριµένα υλικά έχουν µήτρα οποιασδήποτε από τις παραπάνω κατηγορίες και εγκλείσµατα τα οποία είναι σε µορφή κόκκων. Το σχήµα, το µέγεθος και το υλικό του κόκκου ποικίλουν µε αποτέλεσµα να αποτελούν µια µεγάλη κατηγορία στον τοµέα των συνθέτων υλικών. β) Ινώδη σύνθετα υλικά: Όπως και στα κοκκώδη, η µήτρα ενός ινώδους συνθέτου υλικού µπορεί να είναι πολυµερική, µεταλλική και κεραµική. Οι ίνες διακρίνονται σε κοντές και µακριές ανάλογα µε το λόγο µήκους-διαµέτρου l / d. Συγκεκριµένα για λόγο l / d 00 οι ίνες χαρακτηρίζονται ως κοντές ή ασυνεχείς ενώ για λόγο l / d 00 χαρακτηρίζονται ως µακριές ή συνεχείς. Ο προσανατολισµός και η διάταξη των ινών παίζει καθοριστικό ρόλο στις ιδιότητες των

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 7 συνθέτων και βάσει αυτών διακριτοποιούνται σε µονοδιευθυντικά και πολυδιευθυντικά. Τα πολυδιευθυντικά µπορεί να είναι σύνθετα µε ίνες τυχαίας διεύθυνσης και µε ίνες σε πλέξη ύφανσης δύο ή τριών διαστάσεων. Στο εµπόριο υπάρχει µια σειρά από ίνες, µερικές εκ των οποίων παρουσιάζονται στον Πίνακα.. Οι πλέον διαδεδοµένες είναι οι ίνες άνθρακα, γυαλιού και Kevlar καθότι βρίσκουν πολύ µεγάλη εφαρµογή. Ανάλογα µε την εφαρµογή υπάρχουν, όπως φαίνεται και στον πίνακα, ίνες του ίδιου υλικού αλλά διαφορετικού τύπου, µε διαφορετικές ιδιότητες. Πίνακας. Μηχανικές και Φυσικές Ιδιότητες Ινών Μέτρο Ελαστικότητας (GPa) Αντοχή σε εφελκυσµό (MPa) Πυκνότητα (g/cm 3 ) Θερµοκρασία τήξης ( C) Μέγιστη θερµοκρασία χρήσης ( C) Ανόργανα Γυαλί -glass C-Glass S-glass SiO 2 (χαλαζίας) Αµίαντος Άνθρακας High Modulus High Strength Graphite Κεραµικά SiC Al 2 O 3 (Αλουµίνα) Μέταλλα Χάλυβας Τιτάνιο Αργίλιο Βηρύλλιο Βόριο(αµέταλλο) Οργανικά Πολυµερή Kevlar Kevlar Kevlar P Πέρα από τις απόλυτες τιµές των ιδιοτήτων, το µεγαλύτερο ενδιαφέρον συγκεντρώνουν οι ειδικές ιδιότητες. Ως ειδική ιδιότητα ορίζεται ο λόγος της ιδιότητας προς την πυκνότητα του υλικού. Όσο µεγαλύτερη είναι η ειδική ιδιότητα ενός υλικού τόσο ελαφρύτερο είναι το υλικό ενώ παράλληλα διαθέτει υψηλότερη τιµή της συγκεκριµένης ιδιότητας. Εποµένως, πρόκειται για µια ιδιότητα βαρύνουσας σηµασίας για το σχεδιασµό µίας κατασκευής µε σύνθετα υλικά. Ενδεικτικά αναφέρεται, σύµφωνα µε τις τιµές του Πίνακα, πως το ειδικό µέτρο ελαστικότητας Ε/ρ των ινών άνθρακα υψηλού µέτρου είναι περίπου Pa/(kg/m 3 ) ενώ των ινών χάλυβα είναι Pa/(kg/m 3 ), δηλαδή οχτώ φορές µεγαλύτερο.

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 8 Στην εικόνα.5 παρατίθεται ένα συγκριτικό διάγραµµα τάσης-παραµόρφωσης σε εφελκυσµό για διάφορες ίνες. Παρατηρείται πως οι ίνες άνθρακα µπορεί να εµφανίζουν είτε µεγαλύτερο µέτρο είτε µεγαλύτερη αντοχή από το Kevlar, όµως το Kevlar έχει τη δυνατότητα αποθήκευσης µεγαλύτερης ελαστικής ενέργειας για αυτό και είναι πιο ανθεκτικό σε κρούση Carbon High Strength glass Τάση Εφελκυσµού (GPa) Carbon High Modulus Kevlar 49 S glass Παραµόρφωση Εφελκυσµού (%) Εικόνα. 5 Θεωρητικό ιάγραµµα Τάσης-Παραµόρφωσης για Ίνες Γυαλιού, Kevlar και Άνθρακα γ) Σάντουιτς υλικά: Τα σάντουιτς υλικά αποτελούν µια ξεχωριστή κατηγορία συνθέτων υλικών. Τα σύνθετα υλικά τύπου σάντουιτς παρουσιάζουν µεγάλη απορρόφηση ενέργειας µε αποτέλεσµα να αποσβαίνουν τις µηχανικές ταλαντώσεις ή ακόµη και κρουστικά φορτία ενώ παράλληλα µπορούν να χρησιµοποιηθούν και σαν ηχοµονωτικά υλικά. Χρησιµοποιούνται, επίσης, για βέλτιστες αεροδυναµικές επιφάνειες που χαρακτηρίζονται από τη διατήρηση του σχήµατός τους ακόµα και κάτω από την επίδραση υψηλών φορτίων. Η δοµή τους όπως φαίνεται και στο σχήµα είναι το εξωτερικό περίβληµα πάνω και κάτω που καλείται επιδερµίδα (skin) και το εσωτερικό του είναι ο πυρήνας (core) που µπορεί να είναι πολυµερικός αφρός, µια κυψελωτή δοµή ή µία δοµή που µπορεί να αποσβέσει κρουστικά φορτία. Ο πυρήνας συνδέεται µε την επιδερµίδα µε συγκολλητικά µέσα (adhesive) όπως εποξικές κόλλες.

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 9 Εικόνα. 6 Σχηµατική απεικόνιση δοµής σάντουιτς υλικού δ) Φυσικά σύνθετα: Τα φυσικά σύνθετα είναι αυτά τα οποία υπάρχουν στη φύση, των οποίων τόσο η δοµή όσο και η συµπεριφορά τους παρουσιάζουν οµοιότητες µε τα υπόλοιπα σύνθετα. Χαρακτηριστικά παραδείγµατα φυσικών συνθέτων υλικών είναι το ξύλο, τα οστά, το µπαµπού, οι µύες και διάφοροι άλλοι ιστοί του ανθρώπινου σώµατος. Όσον αφορά τα οστά αυτά αποτελούνται από επάλληλες στοιβάδες και συγκεκριµένα την εξωτερική, που λέγεται περιόστεο και αποτελείται από συνδετικό ιστό, την οστεΐνη, που είναι ουσία οργανική, συµπαγής και σκληρή και στο εσωτερικό της σπογγώδης και, τέλος, τον µυελό των οστών που είναι µια ουσία µαλακή. Μέσα από τα οστά περνούν, µέσω µικροσκοπικών οπών, αιµοφόρα και λεµφικά αγγεία. Η σύσταση των οστών είναι κατά 69% περίπου ανόργανες ουσίες (κυρίως φώσφορο-ασβεστούχες) και 3% οργανικές (οστεΐνη και ελαστίνη). Το δέρµα είναι το µεγαλύτερο όργανο του ανθρώπινου σώµατος και αποτελείται από την επιδερµίδα («epidermis») και το χόριο («dermis», µεσοδερµικό στρώµα επιδερµίδας) µαζί µε ένα σύµπλεγµα νεύρων και αιµοφόρων αγγείων. Ένα τρίτο στρώµα είναι το υπόδερµα («hypodermis», υποδόριος ιστός) το οποίο αποτελείται από κύρια από λιπώδη ιστό και ένα χαλαρό - µη συνεκτικό ιστό. Τα τρία αυτά στρώµατα παίζουν καθοριστικό ρόλο στην προστασία του σώµατος από οποιαδήποτε µηχανική ζηµιά, όπως ένα τραύµα. Η επιδερµίδα είναι µια λεπτή και έντονα πορώδης κυτταρική επιφάνεια, η οποία αποτελείται από κύτταρα κερατίνης (keratinocytes) ενώ στις κατώτερες επιδερµικές στρώσεις από µελανοκύτταρα (melanocytes) για την παραγωγή µελανίνης. Εντούτοις, η επιδερµίδα έχει ικανοποιητικό πάχος για να παρέχει προστασία ζωτικής σηµασίας. Σε συνδυασµό µε τα προσαρτήµατά της (τρίχες, νύχια, ιδρωτοποιοί και σµηγµατογόνοι αδένες), η επιδερµίδα επιτυγχάνει την οµοιόσταση (η τάση του οργανισµού για σταθερότητα των διαφόρων φυσιολογικών στοιχείων, π.χ. θερµοκρασίας) µε την ανανέωση του βασικού κυτταρικού στρώµατος. Το χόριο εντοπίζεται ακριβώς κάτω από την επιδερµίδα και συνθέτει το µεγαλύτερο κοµµάτι του δέρµατος, το οποίο αποτελείται από κολλαγόνο µαζί µε πρωτεΐνη-ελαστίνη και πολυσακχαρίτες (glycosaminoglycans, GAG s). Οι ινοβλάστες είναι ο µεγαλύτερος τύπος κυττάρων που εµφανίζεται στο χόριο και έχουν τη δυνατότητα να παράγουν ένζυµα όπως πρωτεάση και κολλαγενάση τα οποία παίζουν καθοριστικό ρόλο στη θεραπευτική διαδικασία για την αποκατάσταση πληγών του δέρµατος. Τέλος, το υπόδερµα περιλαµβάνει το λιπώδη ιστό ο

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 0 οποίος εµπεριέχει πολλά νεύρα και αιµοφόρα αγγεία και συµβάλλει στις θερµορυθµιστικές και µηχανικές ιδιότητες του δέρµατος. Εικόνα.7 Σχηµατική απεικόνιση του δέρµατος Από τα παραπάνω προκύπτει ότι τα σύνθετα υλικά που έχει φτιάξει η φύση από µόνη της παρουσιάζουν δοµές που ο άνθρωπος δύσκολα µπορεί να επιτύχει. Για παράδειγµα, ο άνθρωπος χρησιµοποιεί τεχνητά σύνθετα υλικά σε πληθώρα εφαρµογών αντικαθιστώντας το ξύλο και το δέρµα κάτι που δεν έχει επιτύχει στο βέλτιστο βαθµό, καθώς η αντικατάσταση φυσικών ιστών από τεχνητούς (tissue engineering) δεν είναι καθόλου απλή διαδικασία. ε) Πράσινα σύνθετα: Ως πράσινα, χαρακτηρίζονται τα σύνθετα τα οποία είναι πιο φιλικά προς το περιβάλλον. Υλικά τα οποία είναι κατεξοχήν πράσινα είναι αυτά που προέρχονται από τη φύση. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιούνται µήτρες και εγκλείσµατα τα οποία υπάρχουν στη φύση. Ως µήτρα, µπορεί να χρησιµοποιηθεί φυσική ρητίνη, η οποία αποτελείται από πολυµερισµένα οξέα, εστέρες και τερπενοειδή, η οποία παρασκευάζεται από τα δέντρα, όταν αυτά τραυµατιστούν, και εκκρίνεται στο φλοιό προκειµένου να προστατεύσει το εσωτερικό του. Από τα πλέον γνωστά είναι το ρετσίνι, φυσική ρητίνη που εκκρίνεται από τα πεύκα, το ήλεκτρο (κεχριµπάρι), το οποίο είναι και το πιο άκαµπτο, και η λάκα της ανατολής που προέρχεται από δέντρο της Κίνας και βρίσκει εφαρµογές σε βαφές ξύλων.

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Εικόνα.8 Φυσική Ρητίνη σε ρευστή κατάσταση κατά τη φάση παραγωγής της από το φλοιό [Πηγή: Φυτικές ίνες και κόκκοι βρίσκουν εφαρµογή σε πολλές κατασκευές καθότι ανταγωνίζονται τις ίνες και τους κόκκους των µη φυτικών. Χαρακτηριστικό παράδειγµα είναι µεγάλες αυτοκινητοβιοµηχανίες, όπως η Mercedes-Benz η οποία χρησιµοποιεί λινάρι, κάνναβη, ίνες αγαύης και ινδικής καρύδας οι οποίες µειώνουν σηµαντικά το κόστος παραγωγής των αυτοκινήτων αλλά και το βάρος τους. Κόκκοι ελαιοπυρήνα δρουν ως ενισχυτικό σε εποξικές πολυµερικές µήτρες, αυξάνοντας το µέτρο ελαστικότητας µέχρι και 48%, ενώ παράλληλα παρουσιάζουν πολύ καλή συµπεριφορά σε θερµική κόπωση (µελέτη, προς δηµοσίευση, της ερευνητικής οµάδας του Καθηγητή Γ. Παπανικολάου). Το κατά πόσον ένα υλικό µπορεί να χαρακτηρισθεί ως «πράσινο», εξαρτάται και από το αν το υλικό είναι ανακυκλώσιµο. Για αυτό το λόγο, σε προϊόντα καθηµερινής χρήσης χρησιµοποιείται πολύ-αιθυλένιο, χαµηλής (LDP) και υψηλής πυκνότητας (HDP) ενώ το πολύ-βινυλοχλωρίδιο (PVC) έχει αρχίσει να αντικαθίσταται από το ανακυκλώσιµο και φιλικότερο προς το περιβάλλον πολύ-προπυλένιο (PP). 3 ος. Τέλος, τα σύνθετα υλικά ταξινοµούνται σε τρεις µεγάλες κατηγορίες βάσει της τάξης µεγέθους της ενίσχυσης: α) Μάκρο-σύνθετα: Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα σύνθετα υλικά όπου το ενισχυτικό µέσο είναι τάξης µεγέθους που ξεκινά από µερικά χιλιοστά και φτάνει το µέτρο. Το πιο χαρακτηριστικό παράδειγµα είναι το σιδηροπαγές σκυρόδεµα που χρησιµοποιείται για την κατασκευή κτηρίων. Στην περίπτωση αυτή το σκυρόδεµα, το οποίο είναι ένα κεραµικό σύνθετο υλικό και παίζει το ρόλο του µητρικού υλικού, ενισχύεται µε χαλύβδινες ράβδους οι οποίες έχουν διάµετρο µερικών εκατοστών και µήκος αρκετών µέτρων. β) Μίκρο-σύνθετα: Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα σύνθετα υλικά των οποίων το ενισχυτικό µέσο έχει τουλάχιστον µία εκ των διαστάσεων του σε µίκρο-κλίµακα. Τα περισσότερα κοκκώδη και τα ινώδη σύνθετα υλικά, για τα οποία έγινε ειδική αναφορά, κατατάσσονται στα µίκρο-σύνθετα καθώς τόσο οι κόκκοι όσο και οι ίνες έχουν διάµετρο µερικών µικρών. γ) Νάνο-σύνθετα: Στην κατηγορία αυτή ανήκουν τα σύνθετα υλικά των οποίων το ενισχυτικό µέσο έχει τουλάχιστον µία εκ των διαστάσεων του σε νάνο-κλίµακα. Χρονολογικά είναι τα νεότερα υλικά και είναι µια κατηγορία υλικών στην οποία έχει στραφεί η ερευνητική δραστηριότητα. Τα νανοσύνθετα υλικά χαρακτηρίζονται ως προηγµένα (hi-tech) και θα γίνει εκτενής αναφορά στο Kεφάλαιο 2 καθώς αποτελούν αντικείµενο µελέτης της παρούσης εργασίας.

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 2.3 ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΚΑΙ ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τα σύνθετα υλικά αποτελούν και θα συνεχίσουν να αποτελούν αντικείµενο επιστηµονικής µελέτης καθότι παρουσιάζουν ξεχωριστές ιδιότητες που διεγείρουν το ενδιαφέρον όχι µόνο των επιστηµόνων αλλά και των βιοµηχανιών. Βασικό κριτήριο αξιολόγησης των υλικών είναι οι ειδικές ιδιότητές τους, για τις οποίες έγινε αναφορά στην παράγραφο.2. Ένα σύνθετο υλικό µπορεί να συνδυάζει τις ιδιότητες ενός κοινού υλικού και το χαµηλό βάρος, κάτι που συνεπάγεται ελαφριές κατασκευές. Τέτοιες κατασκευές βρίσκουν εφαρµογή κύρια στην ναυπηγική και την αεροναυπηγική και µειώνουν σηµαντικά το κόστος που προκύπτει από την κατανάλωση καυσίµων. Τα σύνθετα υλικά µπορούν να παρουσιάσουν εξαιρετικές µηχανικές ιδιότητες. Ανάλογα µε τις εκάστοτε ανάγκες µπορεί να γίνει χρήση της κατάλληλης µήτρας µε το κατάλληλο ενισχυτικό µέσο, όπως ίνες για τις οποίες έγινε αναφορά παραπάνω. Αξίζει να σηµειωθεί, πως πρέπει να γίνεται σωστή εκµετάλλευση των ιδιοτήτων, διαφορετικά θα προκύψουν καταστροφικές συνέπειες για µια κατασκευή. Μια δοκός, κατασκευασµένη από πολλές στρώσεις ινών άνθρακα µίας διεύθυνσης θα δώσει εξαιρετικό µέτρο ελαστικότητας και αντοχή θραύσης σε εφελκυσµό, ενώ τα αντίστοιχα µεγέθη σε θλίψη θα είναι πολύ µικρότερα. Αυτό συµβαίνει καθώς, οι ίνες, όχι µόνο του άνθρακα, παρουσιάζουν πολύ καλή µηχανική συµπεριφορά σε εφελκυσµό αλλά όχι και σε θλίψη κατά την οποία οι ίνες αστοχούν λόγω λυγισµού. Τα ενισχυτικά και κυρίως οι ίνες µπορεί να παίξουν καθοριστικό ρόλο στην παρεµπόδιση διάδοσης ρωγµής ξεκινά από µια εγκοπή. Επιπροσθέτως, µετά από την αστοχία του υλικού οι ίνες έχουν τη δυνατότητα να παραλαµβάνουν αρκετά µεγάλα φορτία µέχρι την πλήρη αστοχία του υλικού, όπου είναι η θραύση. Εικόνα.9 ιάδοση µίας ρωγµής σε ένα οµογενές υλικό (α) και ένα διφασικό υλικό (β) Οι µηχανικές ιδιότητες δεν είναι οι µόνες που καθιστούν τα σύνθετα υλικά ανώτερα από τα κοινά υλικά. Ιδιότητες όπως, αντίσταση σε διάβρωση, αντίσταση σε φθορά λόγω χρήσης, συµπεριφορά σε κόπωση, θερµική µόνωση, θερµική αγωγιµότητα, ακουστική µόνωση αλλά και το βάρος σε συνδυασµό µε το κόστος, που έγινε αναφορά, όταν συνδυαστούν µπορεί να επιτευχθούν κατασκευές οι οποίες στο παρελθόν έµοιαζαν ανέφικτες. Ένα από τα βασικότερα πλεονεκτήµατα, είναι ότι δύνανται να κατασκευασθούν σύνθετα υλικά τα οποία µπορεί να είναι πολύ καλοί αγωγοί θερµότητας ή ηλεκτρισµού σε µία µόνο διεύθυνση, ενώ ταυτόχρονα στις άλλες διευθύνσεις να είναι µονωτές.

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 3 Όλες οι ιδιότητες των συνθέτων υλικών επηρεάζονται σε πολύ µεγάλο βαθµό από τις διεπιφάνειες. Ως διεπιφάνεια (interace) ορίζεται η γραµµή όπου δύο επιφάνειες διαφορετικού τύπου αλληλεπιδρούν. Τα διεπιφανειακά φαινόµενα απασχολούν πολύ έντονα τους ερευνητές καθώς επηρεάζουν τις τελικές ιδιότητες ενός συνθέτου υλικού. Στις διεπιφάνειες αναπτύσσονται φυσικές, χηµικές και µηχανικές αλληλεπιδράσεις. Στα σύνθετα υλικά, όπου οι αλληλεπιδράσεις είναι περισσότερο φυσικό-µηχανικής φύσεως, κύρια αναπτύσσονται δυνάµεις van der Waals και δυνάµεις τριβής, από την πλευρά της φυσικής και µηχανικής αλληλεπίδρασης, αντίστοιχα. Οι διεπιφάνειες παίζουν σηµαντικό ρόλο και στη βλάβη ενός συνθέτου υλικού, βλάβη η οποία µπορεί να προκύψει κατά την κατασκευή του συνθέτου ή κατά τη διάρκεια λειτουργίας του..4 ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ, ΚΑΤΕΡΓΑΣΙΑ ΚΑΙ ΣΧΕ ΙΑΣΜΟΣ ΜΕ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ Η κατασκευή των συνθέτων υλικών, η κατεργασία τους αλλά και ο σχεδιασµός των κατασκευών µε σύνθετα υλικά αποτελούν τρία πολύ µεγάλα κεφάλαια στον τοµέα των συνθέτων υλικών. Για το λόγο αυτό θα γίνει σύντοµη αναφορά στα σύνθετα υλικά πολυµερικής µήτρας. Κατασκευή συνθέτων υλικών Τα πλέον διαδεδοµένα πολυµερικά σύνθετα υλικά είναι τα ινώδη (FRP). Με επεξεργασία κατασκευάζονται υφάσµατα από ίνες µε διάφορους τύπους πλέξης και µε διάφορες γωνίες πλέξης (εικ..). Υπάρχουν υφάσµατα µε ίνες προσανατολισµένες σε µία διεύθυνση (UD), σε δύο διευθύνσεις (2D) ή ακόµη και σε τρεις διευθύνσεις (3D). Στη συνέχεια, αυτά τα υφάσµατα τοποθετούνται το ένα πάνω στο άλλο και έπειτα εµποτίζονται µε ρητίνη προκειµένου να πάρουν και την τελική τους µορφή, η οποία θα είναι µια πολύστρωτη πλάκα. Η επίστρωση µπορεί να γίνει µε το χέρι (hand lay up) ή µε ψεκασµό των ινών. Συνήθως, οι κατασκευές έχουν σύνθετα σχήµατα, για αυτό και κατασκευάζονται καλούπια πάνω στα οποία γίνεται η επίστρωση των υφασµάτων (εικ..0). Εικόνα. 0 Επίστρωση µε τη µέθοδο hand lay up (α) και επίστρωση µε ψεκασµό (β)

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 4 Εικόνα. ιάφοροι τύποι ινωδών ενισχύσεων συνθέτων υλικών Για την επιθυµητή µορφοποίηση χρησιµοποιούνται πρέσσες είτε πριν την έγχυση της ρητίνης είτε µετά. Η µέθοδος που δίνει καλύτερα αποτελέσµατα είναι µορφοποίηση µε πρέσσα και µετέπειτα χύτευση µε µεταφορά ρητίνης (Resin Transer Molding, RTM). Η µεταφορά ρητίνης µπορεί να γίνει είτε µόνο µε τη βοήθεια κενού, οπότε και η ρητίνη θα διαχέεται λόγω διαφοράς πίεσης atm, ή µε τη βοήθεια εξωτερικά επιβαλλόµενης πίεσης που µπορεί να φτάσει αρκετές ατµόσφαιρες. Τα πλεονεκτήµατα της µεθόδου αυτής είναι: Χαµηλό κόστος εξοπλισµού λόγω χαµηλής πίεσης µορφοποίησης και πρώτων υλών υνατότητα µορφοποίηση πολύπλοκων σχηµάτων µε εξαιρετική ακρίβεια Πολύ καλή εξωτερική επιφάνεια συνθέτου Ελαχιστοποίηση ατελειών δοµής Ελαχιστοποίηση δευτερογενών κατεργασιών στο εξάρτηµα

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 5 υνατότητα ενίσχυση υλικού µε ατσάλινα νεύρα δυσκαµψίας Κατάλληλη για εξαρτήµατα υψηλής τεχνολογίας Εικόνα.2 Σχηµατική απεικόνιση της µεθόδου RTM µε τη βοήθεια κενού αέρος Στα κοκκώδη σύνθετα υλικά η κατασκευή εµφανίζει µεγαλύτερη δυσκολία στο πώς θα υπάρξει οµογενής διασπορά των κόκκων µέσα στη ρητίνη. Η πιο απλή µέθοδος είναι ανάδευση µε το χέρι, που κυρίως έχει θετικά αποτελέσµατα σε µικρές κατ όγκων περιεκτικότητες σε κόκκους, ενώ για µεγαλύτερες περιεκτικότητες πιο ενδεδειγµένοι τρόποι είναι η διασπορά µε µηχανική ανάδευση µε χρήση ειδικών συσκευών και διασπορά µε χρήση συσκευών παραγωγής υπερήχων. Ο λόγος που υπάρχει έντονο ενδιαφέρον σχετικά µε την µέθοδο κατασκευής είναι ότι δηµιουργούνται ατέλειες οι οποίες είναι η κύρια αιτία υποβάθµισης των ιδιοτήτων των συνθέτων υλικών γεγονός που µπορεί να προκαλέσει ακόµα και τη θραύση της κατασκευής. Τέτοιες ατέλειες είναι τα κενά (voids), οι επιφανειακές ατέλειες και οι διαστρωµατικές ατέλειες ή φυσαλίδες. Στα πολυµερικά σύνθετα υλικά σηµαντικότατο ρόλο παίζει και η διαδικασία του «curing». Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιούνται κλίβανοι κενού αέρος ώστε η διαδικασία να είναι ακριβής και το σύνθετο υλικό που θα προκύψει να έχει την επιθυµητή ποιότητα. Οι µεγάλες εταιρίες αεροναυπηγικής χρησιµοποιούν κλιβάνους µεγάλων διαστάσεων προκειµένου να τοποθετιθούν µέσα ολόκληρα µέρη των αεροσκαφών όπως για παράδειγµα τα φτερά (εικ..3). Εικόνα.3 Αυτόκλειστος φούρνος κενού αέρος της εταιρίας Boeing για τη διαδικασία curing πτερυγίων του αεροσκάφους [Πηγή:

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΣΥΝΘΕΤΑ ΥΛΙΚΑ 6 Οι µέθοδοι κατεργασίας των συνθέτων υλικών διαφέρουν σηµαντικά από τις µεθόδους που χρησιµοποιούνται στα παραδοσιακά υλικά, όπως τα µέταλλα. Η διάτρηση µια µεταλλικής πλάκας αποτελεί µια διαδικασία ρουτίνας καθότι για τη σωστή κατεργασία αρκεί η κατάλληλη επιλογή του υλικού της κεφαλής του διατρητικού εργαλείου, που σχετίζεται µε τη σκληρότητα, της ταχύτητας διάτρησης και του ψυχτικού υγρού (π.χ. νερό), που σχετίζονται µε τη ρύθµιση της θερµοκρασίας κατά την κατεργασία. Σε κάθε περίπτωση, λάθος κατεργασία συνεπάγεται, κύρια, βλάβη στο διατρητικό εργαλείο και όχι στο προς κατεργασία υλικό. Στην περίπτωση διάτρησης µιας πλάκας πολύστρωτου σύνθετου υλικού η διαδικασία αλλάζει. Κατά την κατεργασία των συνθέτων υπάρχει µεγάλος κίνδυνος να προκληθεί βλάβη, π.χ. αποκόλληση των στρώσεων στην περίπτωση των πολυστρώτων πλακών, γεγονός που καθιστά την πλάκα ακατάλληλη για χρήση. Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιούνται, κυρίως, αυτοµατοποιηµένες µέθοδοι κατεργασίας ώστε να υπάρχει πλήρης έλεγχος όλων των παραµέτρων κατεργασίας. Επιπρόσθετα, οι κεφαλές των εργαλείων κατασκευάζονται κύρια από πολυκρυσταλλικό διαµάντι (PCD) καθορισµένης γεωµετρίας. Ο λόγος είναι ότι το διαµάντι έχει πολύ υψηλή σκληρότητα και µπορεί να κόψει µε πολύ µεγάλη ακρίβεια καθώς η κεφαλή µπορεί να είναι ιδιαίτερα οξεία. Επίσης, απαιτείται κατάλληλη γεωµετρία της κεφαλής κοπής, κύρια στην περίπτωση της διάτρησης πλάκας µεγάλου πάχους, προκειµένου να αποµακρύνεται αυτόµατα το «γρέζι» και να µην αυξάνεται η θερµοκρασία. Η αύξηση της θερµοκρασίας κατά την κατεργασία µιας πολυµερικής πλάκας µπορεί να προκαλέσει την τήξη της πλάκας και εποµένως πρέπει να ψύχεται η επιφάνεια κατεργασίας χωρίς τη χρήση υγρού ψυκτικού µέσου, καθώς το υγρό µπορεί να προκαλεί περαιτέρω βλάβη στο σύνθετο (εικ..4). Εικόνα. 4 (α) ιάτρηση ινώδους πολύστρωτης πολυµερικής πλάκας µε εργαλείο κατάλληλης γεωµετρίας, (β) Ατέλειες που δηµιουργούνται κατά την κατεργασία οι οποίες µπορεί να οδηγήδουν σε αποκόλληση των στρώσεων. Σχεδιασµός µε σύνθετα υλικά Το δεύτερο µισό του 20 ου αιώνα ο άνθρωπος πέτυχε την κατασκευή ιδιαίτερα πολύπλοκων συστηµάτων. Οι µηχανικοί είχαν να αντιµετωπίσουν µεγάλες δυσκολίες καθότι έπρεπε να δηµιουργήσουν απαιτητικά σχέδια ενώ παράλληλα βρισκόντουσαν αντιµέτωποι µε πολύ δύσκολα