Ε Υ Χ Α Ρ Ι Σ Τ Ι Ε Σ

Transcript

1 Μεταπτυχιακό Δίπλωμα Ειδίκευσης : «Σχεδίαση Διαδραστικών και Βιομηχανικών Προϊόντων & Συστημάτων» Τμήμα Μηχανικών Σχεδίασης Προϊόντων & Συστημάτων ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΑΙΓΑΙΟΥ Διπλωματική Εργασία: Περιιοριισμοίί στη σχεδίίαση ελαφρών σκαφών με ενιισχυμένα με ίίνες σύνθετα υλιικά Επιβλέπων : Δρ.. Νίκκοςς ΖΖαχχαρόπουλλοςς Σύρος, Σεπτέμβριος 2009

2 Αφιερώνεται στον υιό μου Ε Υ Χ Α Ρ Ι Σ Τ Ι Ε Σ Ευχαριστώ θερμά τον επιβλέποντα καθηγητή μου κ.νίκο Ζαχαρόπουλο για την αμέριστη βοήθεια στην επιλογή του συγκεκριμένου θέματος, που συνδυάζει άψογα το βασικό γνωστικό μου πεδίο, όντας πτυχιούχος Ναυπηγός Μηχανολόγος Μηχανικός Ε.Μ.Π., και το πεδίο του παρόντος μεταπτυχιακού κύκλου σπουδών, στην οριοθέτηση των κατευθυντηρίων γραμμών και στόχων της παρούσας διπλωματικής εργασίας καθώς και στην αδιάλειπτη του συμπαράσταση και βοήθεια κατά την διάρκεια της εκπόνησης της εργασίας όχι μόνο για τις ουσιαστικές και πολύτιμες συμβουλές του, αλλά και για την συμπαράσταση του σε ανθρώπινο επίπεδο για τις δυσκολίες που αντιμετώπισα στην ζωή μου τα τελευταία χρόνια. Οφείλω να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον υιό μου, Παναγιώτη Βίκτωρα, που γεννήθηκε σχεδόν ταυτόχρονα με την έναρξη του μεταπτυχιακού κύκλου σπουδών το 2003, και ουσιαστικά ήταν το κίνητρο για να προσπαθήσω να αποκτήσω πολύτιμες πρόσθετες εκπαιδευτικές γνώσεις σε ένα ιδιαίτερα ενδιαφέρον γνωστικό πεδίο και ένα επιπλέον εφόδιο για την επαγγελματική μου σταδιοδρομία. Την γυναίκα μου, Αστέρω Χαραλαμπίδη, για την ηθική και υλική υποστήριξη της στην διάρκεια των σπουδών και προπάντων για την κατανόηση του επιπρόσθετου φορτίου στο καθημερινό πρόγραμμα μου. Επίσης, τους γονείς μου για την ηθική υποστήριξη τους. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τον καθηγητή κ.νίκο Σαπίδη που με παρότρυνε να κάνω αίτηση για τον μεταπτυχιακό κύκλο σπουδών, την επιτροπή που αποδέχθηκε την αίτηση μου, τους φίλους μου, Χημικούς μηχανικούς και Ναυπηγούς μηχανικούς, που συνέβαλλαν με τις συμβουλές τους, ιδιαίτερα δε τον κ.νίκο Τσούβαλη, καθηγητή στο Ε.Μ.Π., Σχολή Ναυπηγών Μηχανολόγων Μηχανικών, για την πολύτιμη βοήθεια του και την παροχή αντιγράφων εξειδικευμένης βιβλιογραφίας. ii

3 Περιεχόμενα Σελίδα Περίληψη. vii Εισαγωγή.. ix Κεφάλαιο 1 ο : Τα Σύνθετα Υλικά Ορισμός και ταξινόμηση των σύνθετων υλικών Υλικά για μήτρες Τύποι θερμοσκληρυνόμενων ρητινών Πολυεστερικές ρητίνες Βινυλεστερικές ρητίνες Εποξικές ρητίνες Φαινολικές ρητίνες Ίνες Ίνες Γυαλιού Ίνες Γραφίτη / άνθρακα Ίνες Aramid Σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες Σύγκριση σύνθετων υλικών με μέταλλα 15 Κεφάλαιο 2 ο : Η εφαρμογή των ενισχυμένων με ίνες σύνθετων υλικών στα ελαφριά σκάφη Τα Ελαφριά Σκάφη Τα βασικά μέρη του σκάφους Τεχνολογία κατασκευής των ελαφριών σκαφών από σύνθετα υλικά Κατασκευή απλού τοιχώματος Πολύστρωτο Κατασκευή τύπου Sandwich Τα βασικά «ενδιάμεσα» υλικά για την κατασκευή τύπου Sandwich Κατασκευαστικές μέθοδοι Μορφοποίηση με απλή επαφή Επίστρωση με ψεκασμό (spray up) Επίστρωση με το χέρι (hand lay up) Μορφοποίηση με πίεση. 30 iii

4 Μορφοποίηση με ασκό κενού (vacuum bag molding) Μορφοποίηση σε θερμαινόμενο θάλαμο πίεσης (autoclave molding) Μέθοδος περιέλιξης ινών Μέθοδοι έγχυσης ρητίνης (infusion methods) Άλλες μέθοδοι 36 Κεφάλαιο 3 ο : Tα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί στην σχεδίαση και κατασκευή των ελαφρών σκαφών από ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά. Σύγκριση κόστους με άλλα υλικά και κύκλος ζωής Γενικά Μηχανικές Ιδιότητες των ενισχυμένων με ίνες σύνθετων υλικών Πλεονεκτήματα στη χρήση των σύνθετων υλικών στα ελαφριά σκάφη Βάρος Υψηλή αντοχή και δυνατότητα προσανατολισμού των κύριων διευθύνσεων Αντίσταση στο θαλάσσιο περιβάλλον Κόστος Εξαιρετική συμπεριφορά έναντι των χημικών ενώσεων Ευκαμψία Απόσβεση Ανάλυση κόστους κατασκευής μικρού σκάφους από σύνθετα υλικά Σύγκριση του κόστους κατασκευής σκαφών από FRP με άλλα υλικά Κατασκευής Ανακύκλωση σύνθετων υλικών Περιορισμοί και μειονεκτήματα στην σχεδίαση, κατασκευή και λειτουργία ελαφρών σκαφών από ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά Γενικά Ερπυσμός Έλλειψη ολκιμότητας Εύφλεκτα Συμπεριφορά των συνθέτων υλικών στην πυρκαγιά Κεφάλαιο 4 ο : Μηχανική Συμπεριφορά των ενισχυμένων με ίνες πολύστρωτων σύνθετων υλικών Πολύστρωτα (laminates) 52 iv

5 Ανάλυση των τάσεων των πολύστρωτων Ανάλυση Αστοχίας Σύνθετων Υλικών Σφάλματα κατά την επιστρωμάτωση Ο ρόλος και η σημασία της διεπιφάνειας στα σύνθετα υλικά Μηχανισμοί πρόσφυσης στη διεπιφάνεια Τεχνικές τροποποίησης διεπιφάνειας Επίδραση του προσανατολισμού της ίνας και της συγκέντρωσης Συνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες Διαμήκης Φόρτιση Συνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες Εγκάρσια Φόρτιση Ασυνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες Ασυνεχείς και τυχαία προσανατολισμένες ίνες Η επίδραση του προσανατολισμού των ινών στην αντοχή των σκαφών Είδη και συμβολισμός πολύστρωτων Συμπεριφορά των ενισχυμένων με ίνες σύνθετων υλικών στην κρούση.. 73 Κεφάλαιο 5: Η επίδραση του θαλάσσιου περιβάλλοντος στις ιδιότητες των σκαφών από σύνθετα υλικά Μηχανισμοί Απορρόφησης Υγρασίας σε Σύνθετα Υλικά Επίδραση χαρακτηριστικών των συνθέτων στην απορρόφηση υγρασίας Επιδράσεις της απορρόφησης νερού στις μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών Η επίδραση του θαλάσσιου περιβάλλοντος στις ιδιότητές των σύνθετων υλικών Ώσμωση Παράμετροι που επηρεάζουν την όσμωση Αποφυγή Πρόληψη της Ώσμωσης Συντήρηση και επιδιόρθωση των μικρών σκαφών από σύνθετα υλικά. 84 Κεφάλαιο 6 ο : Ο σχεδιασμός των ελαφρών σκαφών από FRP Γενικά Επιλογή υλικού Κατασκευαστική μέθοδος Σχεδίαση συνδέσεων Αντοχή μηχανικών συνδέσεων πολύστρωτων πλακών Σχεδίαση και ανάλυση αντοχών ενός πολύστρωτου.. 98 v

6 6.7. Ποιοτικός έλεγχος 101 Κεφάλαιο 7 ο : Επίλογος Μελλοντικές εξελίξεις. 104 Βιβλιογραφία vi

7 Περίληψη Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να αναδείξει το σκάφος και τη σχεδίαση του σαν ένα ιδιαίτερο προϊόν με απαιτήσεις ικανοποιητικής λειτουργίας σε ένα δυναμικό θαλάσσιο περιβάλλον. Τα υλικά που πρέπει να επιλεγούν ιδιαίτερα για τη γάστρα (εξωτερικό) του, που υπόκειται στην άμεση επίδραση του θαλασσίου περιβάλλοντος είναι ένα δύσκολο οικονο μοτεχνικό πρόβλημα και η αιτιολόγηση της επιλογής σύνθετων υλικών ενισχυμένων με ίνες στα μικρά σκάφη και οι περιορισμοί στη σχεδίαση τους γενικότερα είναι το αντικείμενο έρευνας αυτής της διπλωματικής εργασίας. Στο Πρώτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται τα σύνθετα υλικά και γίνεται μία εκτενής αναφορά στα μέρη που τα απαρτίζουν (μήτρα ρητίνη και μέσο ενίσχυσης ίνα). Το Δεύτερο Κεφάλαιο ξεκινά με την παρουσίαση των μικρών σκαφών που κατασκευάζονται από σύνθετα υλικά και γίνεται ενδελεχής παρουσίαση των τρόπων κατασκευής των σκαφών από αυτά τα υλικά. Το αντικείμενο του Τρίτου Κεφαλαίου είναι τα πλεονεκτήματα των σύνθετων υλικών και αναπτύσσονται με λεπτομέρεια οι λόγοι για τους οποίους προτιμούνται στην κατασκευή των μικρών σκαφών. Επίσης οι περιορισμοί (μειονεκτήματα) στην σχεδίαση των ελαφρών σκαφών με σύνθετα υλικά που πρέπει να γνωρίζει ο σχεδιαστής του σκάφους έτσι ώστε να λάβει τα απαραίτητα μέτρα έτσι ώστε να μην επηρεάσουν ή τουλάχιστον να μειώσουν την επιρροή τους στο τελικό προϊόν. Τέλος, εκτίμηση συνολικού συγκριτικού κόστους και κύκλου ζωής. Το Τέταρτο Κεφάλαιο πραγματεύεται τους μηχανισμούς που αναπτύσσονται στα σύνθετα υλικά, δηλαδή μηχανισμοί μεταξύ ίνας μήτρας, μηχανισμοί των στρωμάτων (laminates), ο προσανατολισμός των ινών και η επίδρασή τους στις μηχανικές ιδιότητες του τελικού προϊόντος, συμπεριφορά σε κρούση. Στα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες, οι μηχανικές τους ιδιότητες αναπτύσσονται κατά τη φάση της κατασκευής του τελικού προϊόντος (σκάφους), οπότε ο σχεδιαστής μηχανικός πρέπει να κατέχει όλους αυτούς τους μηχανισμούς που αναπτύσσονται κατά τη φάση αυτή. Στο Πέμπτο Κεφάλαιο αναφέρονται οι επιδράσεις που μπορεί να έχει στο σύνθετο υλικό το αφιλόξενο θαλάσσιο περιβάλλον. Δεδομένου ότι τα σκάφη διαβρέχονται από θαλασσινό νερό εξετάζεται η απόδοση των σύνθετων υλικών στην απορρόφηση υγρασίας, και στη θερμοκρασία. vii

8 Στο Έκτο Κεφάλαιο γίνεται αναφορά στον καθεαυτό σχεδιασμό των ελαφριών σκαφών, πως επιλέγονται δηλαδή τα υλικά, η μέθοδος κατασκευής, η σύνθεση των επιμέρους τμημάτων του σκάφους και φυσικά οι συνιστώσες αντοχές ενός σκάφους που είναι κατασκευασμένο από σύνθετο ενισχυμένο πολυμερές (στην κόπωση και το λυγισμό). Το κεφάλαιο ολοκληρώνεται με τον ποιοτικό έλεγχο που οφείλεται να τελείται σε κάθε κατασκευή σκάφους. Τέλος, στο Έβδομο Κεφάλαιο (Επίλογος) αναφέρονται η παρούσα κατάσταση και οι μελλοντικές εξελίξεις στην χρήση ενισχυμένων με ίνες συνθέτων υλικών στις ναυπηγικές εφαρμογές viii

9 Εισαγωγή Στην σημερινή εποχή, η ποικιλία των διατιθεμένων υλικών είναι πολύ μεγάλη και καθιστά δύσκολη την επιλογή τους ακόμα και για µια σχετικά απλή κατασκευή. Τα τελευταία χρόνια η συσσώρευση επιστημονικών γνώσεων, επαγγελματικής εμπειρίας, τα σύγχρονα υπολογιστικά μέσα καθώς και η ανάπτυξη της τεχνολογίας κυρίως στον τομέα των ηλεκτρονικών και κατ επέκταση στον ηλεκτρονικό εξοπλισμό έχουν καταστήσει εφικτό και τον πολυπλοκότερο θεωρητικό σχεδιασμό ενός προϊόντος µε μεγάλη ακρίβεια. Τα προβλήματα παρουσιάζονται στο στάδιο της υλοποίησης. Όταν μελετάται η κατασκευή ενός προϊόντος τίθενται τα ερωτήματα: πως θα κατασκευαστεί το συγκεκριμένο προϊόν, από ποιά υλικά και πως θα μπορέσει να ελεγχθεί ώστε να πληροί τις αναγκαίες προϋποθέσεις για την σωστή λειτουργία του. Καθήκον του σχεδιαστή και του κατασκευαστή μηχανικού είναι να συνεργαστεί µε επιστήμονες ειδικευμένους στην επιστήμη και την τεχνολογία των υλικών, προκειμένου τα υλικά που θα χρησιμοποιηθούν να καλύπτουν τις πραγματικές απαιτήσεις του σχεδιασμού της συγκεκριμένης εφαρμογής. Κάθε φορά θα πρέπει να είναι, εκ των προτέρων, γνωστές οι κύριες ιδιότητες του υλικού που βαρύνουν στην συγκεκριμένη εφαρμογή του, οι ακριβείς ειδικές τιμές των ιδιοτήτων τους στο εκτιθέμενο περιβάλλον και κατά την λειτουργία κατασκευής, η επίδραση του συνδυασμού τους στην τελική συμπεριφορά της κατασκευής και φυσικά το οικονομικό κόστος κάθε δυνατής επιλογής υλικού. Μια παράληψη ή µια λανθασμένη εκτίμηση μπορεί να οδηγήσει σε υψηλές δαπάνες ή και σε σοβαρά ατυχήματα. Στις σύγχρονες ναυπηγικές κατασκευές το υλικό που κυριαρχεί είναι ο κοινός χάλυβας, βέβαια, οι νέες εξελίξεις έχουν φέρει και σύγχρονα υλικά όπως: νέοι τύποι χαλύβων (HSLA, Ανοξείδωτοι χάλυβες, αντιδιαβρωτικοί χάλυβες), κράματα αλουμινίου και σύνθετα υλικά. Οι μικροκραματωμένοι χάλυβες υψηλής αντοχής (HSLA steels) είναι υλικά εξαιρετικής αντοχής (όριο διαρροής > 275 MPa, έως 900 MPa), έχουν μικρότερο ειδικό βάρος από τον κοινό χάλυβα, έχουν πολύ καλή δυσθραυστότητα και ιδιαίτερα υψηλή συγκολλησιμότητα. Για τα κράματα αλουμινίου, η ναυπηγική βιομηχανία αναζητά συνεχώς βελτιωμένες κατασκευές και νέες μεθόδους ανέγερσης που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε επανάσταση όσον αφορά στα μελλοντικά αλουμινένια πλοία [1]. Τα σύνθετα υλικά, που αποτελούν αντικείμενο της παρούσας εργασίας, λόγω του χαμηλού τους ειδικού βάρους, του γεγονότος ότι δεν διαβρώνονται, την ευκολία και την ταχύτητα εφαρμογής τους και της ix

10 υψηλής τους αντοχής χρησιμοποιούνται όλο και συχνότερα στις ναυπηγικές κατασκευές ιδιαίτερα των ελαφριών σκαφών [2]. Στην αρχαιότητα, τα πλοία (π.χ. οι τριήρεις) κατασκεύαζονταν με βασική ύλη το ξύλο το οποίο είναι ένα φυσικό σύνθετο υλικό και με μεθόδους αρκετά διαφορετικές απ' τις σημερινές. Τεχνικά σύνθετα υλικά χρησιμοποιήθηκαν από τους Αιγύπτιους σε άλλες εφαρμογές όπως η κατασκευή δομικών υλικών, τούβλων (ενισχυμένα με άχυρο). Στα πλοία λοιπόν, αρχικά κατασκευαζόταν το εξωτερικό κέλυφος και στην συνέχεια τοποθετούταν εσωτερικά οι ενισχύσεις. Σε κάποια απ' αυτά μάλιστα έχουν βρεθεί μέχρι και ενώσεις που γινόταν με ένα είδος ραφής. Τα συνηθέστερα μεγέθη ήταν μέχρι 6 μέτρα πλάτος και μέχρι 40 μήκος. Για να αποφύγουν την διάβρωση του ξύλου απ' τους μικροοργανισμούς του νερού, αν το πλοίο δεν χρησιμοποιούταν για κάποιο χρονικό διάστημα (όπως τα πολεμικά πλοία) ανελκυόταν στην ξηρά. Οι εγκαταστάσεις στέγασης και συντήρησης των ανελκυόμενων πλοίων ονομαζόταν νεώσοικοι και υπολείμματα τους βρίσκουμε σε πολλά αρχαία λιμάνια. Στο λιμάνι του Πειραιά λέγεται ότι υπήρχαν 372 νεώσοικοι [3]. Αρχαία Τριήρης Στην σύγχρονη ναυπηγική τα υλικά που χρησιμοποιούνται πρέπει να πληρούν τις παρακάτω προϋποθέσεις [4]: (α)υψηλή ειδική αντοχή, (β) Υψηλή δυσθραυστότητα, (γ) Υψηλή αντοχή σε κόπωση, (γ) Υψηλή αντοχή σε διάβρωση, και (δ) Καλή συγκολλησιμότητα. Τα πρώτα τεχνικά σύνθετα υλικά στην ναυπήγηση σκαφών χρονολογούνται από τα τέλη του 19ου αιώνα και είχαν ως συστατικά φυσικές ρητίνες και ίνες, όπως πίσσα και ίνες ξύλου. Η μαζική παραγωγή τους όμως ξεκινά στο τέλος της δεκαετίας του 1930 όπου αρχικά η χρήση τους περιορίζεται στην αεροναυπηγική, τη χημική βιομηχανία και τη ναυπηγική εξαιτίας κυρίως του υπερβολικού τους κόστους, ενώ τα σύγχρονα σύνθετα υλικά βρίσκουν εφαρμογή και σε υπόγειες δεξαμενές καυσίμων, έως ύφαλα πλοίων και πολεμικά αεροσκάφη. Γενικά η χρήση τους έχει εξαπλωθεί σε εφαρμογές που απαιτούν χαμηλό ειδικό βάρος, υψηλές τάσεις και μη διαβρωτικές δομικές ιδιότητες. Η επικόλληση στρώσεων ενισχυμένων με ίνες άνθρακα πολυμερών σε δομικά στοιχεία κατασκευών με σκοπό την επισκευή και ενίσχυσή τους, πρωτοεφαρμόστηκε στην Ελβετία το 1984, ενώ την x

11 τελευταία εικοσαετία βρίσκει πολλές εφαρμογές με επιτυχία σε χώρες με δυσμενείς κλιματολογικές συνθήκες ή με ιδιαίτερα υψηλή σεισμική επικινδυνότητα, όπως οι Η.Π.Α., ο Καναδάς, η Ιαπωνία, η Ελβετία, η Αυστραλία, κ.ά.. Στην Ελλάδα οι πρώτες εφαρμογές πραγματοποιούνται στις αρχές της δεκαετίας του 1990 και εξαπλώνονται ιδιαίτερα στις κατασκευές πολιτικού μηχανικού μετά τον σεισμό της Πάρνηθας το 1999 [4]. Τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται κατά κόρων σε πολλές εφαρμογές όπως στην κατασκευή των κτηρίων από σκυρόδεμα, στη αεροναυπηγική, στη ναυπηγική βεβαίως, αλλά είναι ιδιαίτερα ελκυστική και στις μεταφορές, όπου το κόστος υλικού αντισταθμίζεται από την οικονομία σε κάυσιμα, κ.ο.κ. Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει την παγκόσμια χρήση των σύνθετων υλικών το 2002 [2]. Η Παγκόσμια Αγορά το 2005 στα σύνθετα υλικά υπολογίζεται στα 45 δισ. US $. Παγκόσμια χρήση των σύνθετων υλικών το 2002 [2] Τα σύνθετα υλικά έχουν προκύψει ως αποτέλεσμα της ανάπτυξης της γνώσης της τεχνολογίας των υλικών και της ανάγκης σχεδιασμού υλικών με βάση τις ανάγκες που καθορίζουν οι εκάστοτε υψηλών απαιτήσεων εφαρμογές. Δύο ή περισσότερα διακριτά υλικά μπορούν να συνδυαστούν σχηματίζοντας ένα σύνθετο υλικό, το οποίο να κατέχει βελτιωμένες ιδιότητες σε σχέση με τις ιδιότητες των συστατικών υλικών του για ένα συγκεκριμένο πεδίο εφαρμογών. xi

12 Κεφάλαιο 1: Τα Σύνθετα Υλικά 1.1. Ορισμός και ταξινόμηση των σύνθετων υλικών Πολλές από τις τεχνολογίες του σήμερα απαιτούν υλικά με εξειδικευμένες απαιτήσεις σχετικά με τις ιδιότητές τους (φυσικές, μηχανικές, κλπ) και τους συνδυασμούς αυτών, οι οποίες δεν μπορούν να ικανοποιηθούν από τα συμβατικά υλικά, όπως τα κράματα μετάλλων, τα πολυμερή υλικά και τα κεραμικά. Αυτό συμβαίνει σε υλικά που χρησιμοποιούνται στην ναυπηγική, στην αεροδιαστημική, στις υποβρύχιες χρήσεις και στις μεταφορές. Επιπρόσθετα, ο συνδυασμός και το εύρος των ιδιοτήτων των υλικών διαρκώς επεκτείνονται με την εξέλιξη των σύνθετων υλικών [5]. Για να καταταχθούν συγκεκριμένα υλικά στην κατηγορία των συνθέτων, πρέπει να αποτελούν συνδυασμό συστατικών μερών [6]: (α) Οι ιδιότητες του ενός από τα μέρη αυτά να είναι μεγαλύτερες από του άλλου, δηλαδή μεγαλύτερη από 5 φορές, και (β) η περιεκτικότητα κατ όγκο του ενός στο σύνθετο να μην είναι πολύ μικρή, δηλαδή μικρότερη από 10%. Ως σύνθετα υλικά, λοιπόν, μπορούν να οριστούν τα υλικά, τα οποία μακροσκοπικά αποτελούνται από δύο ή περισσότερα χημικά ευδιάκριτα συστατικά μέρη που έχουν μια συγκεκριμένη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ τους [7]. Ένα σύνθετο υλικό είναι ένα πολυφασικό υλικό του οποίου οι συνιστώσες φάσεις είναι χημικά ανόμοιες και διαχωρίζονται με μία διακριτή επιφάνεια [5]. Οπωσδήποτε τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από δύο (2) (ή περισσότερες φάσεις σε σημαντική αναλογία, με την ελάχιστη περιεκτικότητα να καθορίζεται από το αν το σύνθετο είναι αισθητώς αναβαθμισμένο σε σχέση με το υλικό της μήτρας ως προς την κυρίως επιθυμητή ιδιότητα χωρίς να υποβαθμίζει αισθητά τις υπόλοιπες επιθυμητές για την εφαρμογή ιδιότητες. Τα σύνθετα υλικά έχουν δημιουργηθεί από του επιστήμονες και τους μηχανικούς για να βελτιωθούν οι συνδυασμοί των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών όπως η ακαμψία, η δυσθραυστότητα καθώς και η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες. Ένας τύπος σύνθετου υλικού είναι τα FRP (Fiber Reinforced Polymers), τα οποία αποτελούνται από μία δέσμη ινών που είναι ενσωματωμένη σε μία μήτρα ρητίνης. Ο όρος FRP περιγράφει μια ομάδα υλικών τα οποία κατασκευάζονται από ανόργανες ή και οργανικές ίνες συγκολλημένες με ρητίνη. Οι ίνες, οι οποίες αναλαμβάνουν κυρίως Σελίδα 1 από 110

13 εφελκυστικές τάσεις παράλληλα στη διεύθυνση τους, είναι εμποτισμένες με κάποιο θερμοσκληρυνόμενο πολυμερές (εποξειδική ρητίνη, πολυεστέρας κ.α.). Οι πιο συνηθισμένες κατηγορίες αυτού του σύνθετου υλικού είναι τα FRP με ίνες άνθρακα (CFRP), με ίνες Kevlar (AFRP) και με ίνες από γυαλί (GFRP). Οι ίνες παρέχουν αντοχή και ακαμψία στο σύνθετο υλικό και γενικά συντελούν ώστε το σύνθετο υλικό να φέρει ασφαλώς, χωρίς να αστοχεί, τα εφαρμοζόμενα φορτία. Η μήτρα ενεργεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε να συνδέει και να προστατεύει τις ίνες καθώς και να φροντίζει για τη μεταφορά της τάσης από ίνα σε ίνα μέσω διατμητικών τάσεων. Πολλά σύνθετα υλικά αποτελούνται από δύο φάσεις: (α) (β) Τη μήτρα, η οποία είναι συνεχής, και τη διασπαρμένη φάση, η οποία περιβάλλεται μέσα στη μήτρα. Οι ιδιότητες των σύνθετων υλικών είναι συνάρτηση των ιδιοτήτων των συνιστωσών τους φάσεων, των σχετικών ποσών και της γεωμετρίας της διασπαρμένης φάσης. Δηλαδή, η συγκέντρωση, το μέγεθος, το σχήμα, η κατανομή και ο προσανατολισμός της διασπαρμένης φάσης επηρεάζει τις ιδιότητες των σύνθετων υλικών [8] Ένας απλός τρόπος ταξινόμησης των συνθέτων υλικών είναι ανάλογα με τη μορφή τους και διακρίνονται σε τρείς κατηγορίες, βλ. Σχ [9]: (α) (β) (γ) Τα σύνθετα υλικά σωματιδίων, Τα ινώδη σύνθετα υλικά, και Τα πολύστρωτα σύνθετα υλικά. Τα σύνθετα υλικά σωματιδίων ή αλλιώς κοκκώδη σύνθετα υλικά έχουν τη διασπαρμένη φάση ίδια σε όλους τους άξονες (με άλλα λόγια οι διαστάσεις των κόκκων είναι περίπου η ίδια για όλες τις διευθύνσεις). Τα ινώδη σύνθετα υλικά έχουν μέσα στη μήτρα είτε άτακτα κατανεμημένες ίνες, είτε με συγκεκριμένη πλέξη και προσανατολισμό.. Ως ίνες θεωρούνται εκείνες οι ενισχύσεις που έχουν τη μία διάσταση τους (μήκος), πολύ μεγαλύτερη από τις υπόλοιπες δύο. Τα πολύστρωτα σύνθετα υλικά αποτελούνται από στρώσεις δύο τουλάχιστον διαφορετικών υλικών ή και ενός με διαφορετικούς προσανατολισμούς, οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους. Ινώδες σύνθετο υλικό Σύνθετο υλικό σωματιδίων Πολύστρωτο σύνθετο υλικό Σχήμα 1.1: Σχηματική αναπαράσταση των διαφόρων ειδών συνθέτων. Σελίδα 2 από 110

14 Τα σύνθετα υλικά ινών αποτελούνται από ίνες εμποτισμένες με ρητίνη ή μη. Ανάλογα με τον προσανατολισμό των ινών, διακρίνονται σε: προσανατολισμένα directional), με ίνες συνεχείς και ίδιας διεύθυνσης, και σε μη προσανατολισμένα (random), με ίνες τυχαία τοποθετημένες στο συνδετικό υλικό (Σχ. 1.2.). Σχήμα 1.2. : (α) Προσανατολισμένο σύνθετο υλικό (β) Μη προσανατολισμένο σύνθετο υλικό [53] Ανάλογα με τον τρόπο τοποθέτησης και τον συνδυασμό των ινών τα σύνθετα υλικά διακρίνονται σε: Πλεκτών ινών (woven fiber), που αποτελούν συνεχές σώμα χωρίς επιμέρους στρώματα, οπότε δεν παρουσιάζουν πιθανότητες αποκόλλησης. Έχουν όμως μικρή αντοχή λόγω της μεγάλης συγκέντρωσης τάσεων και του μεγάλου ποσοστού ρητίνης (Σχ. 1.3 (α)). Ασυνεχών ινών (chopped fiber), τα οποία έχουν κοντές ίνες διάσπαρτες μέσα στο συνδετικό υλικό, και μηχανική αντοχή κατώτερη απ αυτήν των συνεχών ινών (Σχ (β)). Υβριδικά (hybrid), τα οποία αποτελούνται είτε από ασυνεχείς, ή από συνεχείς ίνες, ή από περισσότερους του ενός τύπους ινών. Χρησιμοποιούνται για να πετύχουν επιθυμητές ιδιότητες που το σύνθετο υλικό δεν διαθέτει (Σχ (γ)). Συνεχών ινών (continuous fiber), που στρώματα συνεχών ινών ρητίνης τοποθετούνται στην κατάλληλη διεύθυνση και συνδέονται αποτελώντας ένα σώμα, παρουσιάζοντας έτσι, μεγάλη αντοχή, Η αποκόλληση μεταξύ των στρωμάτων συνεχών ινών ρητίνης είναι πιθανή (Σχ. 1.3 (δ)). [1] Σελίδα 3 από 110

15 Σχήμα 1.3: Τύποι σύνθετων υλικών ινών. [4] Στη ναυπηγική επιλέγονται τα πολύστρωτα σύνθετα υλικά που οι επιμέρους στρώσεις τους είναι ινώδη σύνθετα υλικά. Οι στρώσεις αυτές μπορούν να έχουν διαφορετικό προσανατολισμό των ινών μεταξύ τους, προσδιορίζοντας στο πολύστρωτο (laminate) τα χαρακτηριστικά της ορθοτροπικότητας ή ανισοτροπικότητας [6] Υλικά για μήτρες Διάφορες κατηγορίες μήτρας (matrix) οι οποίες είναι το συνδετικό υλικό των ινών και εξασφαλίζει συνέχεια στο σύνθετο χρησιμοποιούνται προκειμένου να επιτευχθεί κάθε δυνατός συνδυασμός μήτρας ίνας, με στόχο τη βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων του τελικού προϊόντος. Η συνήθης αναλογία είναι 80% μήτρα και 20% ενισχυτικές ίνες. Οι μήτρες διακρίνονται σε τρεις κατηγορίες τις Οργανικές, τις Μεταλλικές, και τις Κεραμικές. Στην περιγραφή των υλικών που χρησιμοποιούνται ως μήτρες θα περιοριστούμε στα πολυμερή υλικά ρητίνες που χρησιμοποιούνται στη ναυπηγική [5]. Οι Θερμοσκληρυνομένες ρητίνες (thermosetting resins) χρησιμοποιούνται σχεδόν πάντα στις ναυπηγικές κατασκευές σε αντίθεση με τις Θερμοπλαστικές που είναι πολυμερή που μαλακώνουν σε αυξημένες θερμοκρασίες (150 ο 200 ο C) και μπορούν να μορφοποιηθούν, για το λόγο αυτό η χρήση τους περιορίζεται σε μερικές μικρές γάστρες και σε εξειδικευμένα τμήματα όπως κεραίες και θόλους ραντάρ [6]. Σελίδα 4 από 110

16 Οι θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες σκληραίνουν μόνιμα κατά τη διάρκεια της χημικής αντίδρασης του πολυμερισμού, όπου ακόρεστοι διπλοί δεσμοί του μονομερούς «σπάνε» σε απλούς και σχηματίζεται η πολυμερική αλυσίδα. Κατά τη διάρκεια της χημικής αντίδρασης, η ρευστότητα των ρητινών μειώνεται σταδιακά ώσπου στο τέλος σκληραίνει τελείως και η αντίδραση του πολυμερισμού έχει ολοκληρωθεί. Ο πολυμερισμός θα ήταν πολύ αργός αν δεν προσθέταμε στο μίγμα έναν καταλύτη και έναν εσωτερικό επιταχυντή. Εκτός του επιταχυντή και του καταλύτη, στις ρητίνες επίσης αναμιγνύονται και ορισμένα άλλα πρόσθετα, τα οποία σκοπό έχουν να βελτιώσουν ορισμένα χαρακτηριστικά τους, όπως: Πρόσθετα κατά της γήρανσης όπως αντιοξειδωτικά, σταθεροποιητές υπεριώδους ακτινοβολίας, μυκητοκτόνα Τριοξείδιο του αντιμονίου, προκειμένου να αυξηθεί η αντοχή σε φωτιά Διοξείδιο του πυριτίου, προκειμένου να αυξηθεί το ιξώδες της ρητίνης Τύποι θερμοσκληρυνόμενων ρητινών [10] Οι παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή της ρητίνης είναι οι μηχανικές ιδιότητες, η ανθεκτικότητα στο θαλάσσιο περιβάλλον, η συμπεριφορά σε υψηλές θερμοκρασίες και σε συνθήκες πυρκαγιάς καθώς και η καταλληλότητα για χρήση σε μία οικονομικά συμφέρουσα διαδικασία παραγωγής. Οι Θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες διακρίνονται σε πολυεστερικές, βινυλεστερικές, εποξικές ή εποξειδικές και φαινολικές. Εξ αυτών στη Ναυπηγική τεχνολογία χρησιμοποιούνται ευρέως οι πολυεστερικές και οι βινυλεστερικές για τους παρακάτω λόγους: Είναι φθηνότερες Πολλά εποξειδικά έχουν την τάση να χάνουν το ιξώδες τους με τη θέρμανση Εύκολη παραγωγή Καλύτερη χημική και θερμική ανθεκτικότητα Ιδιαίτερα οι βινυλεστερικές ρητίνες έχουν καλύτερες μηχανικές και φυσικές ιδιότητες (επιμήκυνση, κόπωση, διαβρωτική ανθεκτικότητα) Σελίδα 5 από 110

17 Πολυεστερικές ρητίνες [11] Οι ακόρεστες πολυεστερικές ρητίνες είναι οι περισσότερο χρησιμοποιούμενες ρητίνες στις ναυπηγικές κατασκευές, αλλά και αρκετά επιβλαβείς στην υγεία του ανθρώπου. Η ευρεία χρήση τους οφείλεται στο λογικό κόστος τους, στην ευκολία παρασκευής τους και στην ευκολία στη χρήση τους κατά τη μέθοδο επίστρωσης με το χέρι, αλλά και με ψεκασμό καθώς και στην καλή συμπεριφορά τους στο θαλάσσιο περιβάλλον. Οι πολυεστέρες χωρίζονται σε τρεις μεγάλες κατηγορίες : Αλειφατικοί πολυεστέρες Αρωματικοί πολυεστέρες Πολυεστέρες με διασταυρούμενες αλυσίδες Από τις ανωτέρω κατηγορίες μόνο η τελευταία σχετίζεται με τα θερμοσκληρυνόμενα πολυμερή και σε αυτήν την κατηγορία θα αναφερθούμε μόνο. Οι πολυεστερικές ρητίνες παρασκευάζονται από βηματικό πολυμερισμό γλυκόλων με κορεσμένα ή ακόρεστα οξέα ή ανυδρίτες. Οι γλυκόλες που χρησιμοποιούνται για την παρασκευή των πολυεστερικών ρητινών είναι συνήθως η γλυκόλη προπυλενίου, αιθυλενογλυκόλη και η διφαινόλη Α/PG. Τα κορεσμένα οξέα και οι ανυδρίτες που χρησιμοποιούνται συνήθως είναι ο φθαλικός ανυδρίτης, το ισοφθαλικό οξύ και το αδιπικό οξύ. Τα ακόρεστα οξέα και ανυδρίτες που χρησιμοποιούνται συνήθως, είναι ο μηλεϊνικός ανυδρίτης και το φουμαρικό οξύ. Οι πολυεστερικές ρητίνες υπάρχουν διαθέσιμοι σε δύο κύριους τύπους, που διαφέρουν μεταξύ τους στη χημική σύσταση, στις ρητίνες από ισοφθαλικούς ή ορθοφθαλικούς πολυεστέρες. Ανάλογα, δηλαδή, με τα συστατικά, τον τρόπο παρασκευής του κάθε πολυεστέρα και τις μηχανικές ιδιότητες κατατάσσεται σε έναν από τους δύο τύπους. Οι ορθοφθαλικοί πολυεστέρες είναι οι πιο φθηνοί και οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι στην κατασκευή μικρών σκαφών, ενώ οι ισοφθαλικοί πολυεστέρες είναι πιο ακριβοί, έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες και αντοχή στο νερό και χρησιμοποιούνται συνήθως σε ναυπηγικές κατασκευές υψηλότερων απαιτήσεων. Οι πολυεστερικές ρητίνες προέρχονται από πολυεστέρα, ο οποίος διαλύεται σε μονομερές στυρενίου. Η περιεκτικότητα σε στυρένιο φθάνει έως και 50% και βοηθά την ρητίνη να έχει χαμηλότερο ιξώδες, ώστε να είναι ευκολότερη η κατεργασία της. Επιπλέον, εκτελεί βασικές λειτουργίες ώστε να μετατραπεί η ρητίνη από υγρή μορφή σε στερεά δημιουργώντας διασταυρούμενες αλυσίδες χωρίς την παραγωγή παραπροϊόντων. Το στυρένιο επηρεάζει την ανθρώπινη υγεία και το περιβάλλον, γι αυτό θα αναλυθεί παρακάτω εκτενώς. Σελίδα 6 από 110

18 Η διαδικασία πολυμερισμού ή σκλήρυνσης των πολυεστερικών ρητινών είναι εξώθερμη, εκλύοντας θερμότητα που βοηθάει τη διαδικασία σκλήρυνσης, η οποία όμως μπορεί, εάν το πάχος είναι υπερβολικό, να δημιουργήσει τέτοια αύξηση θερμοκρασίας, ικανή να καταστρέψει το υλικό, λόγω θερμικών παραμένουσων τάσεων. Για το λόγο αυτό υπάρχει περιορισμός στο πάχος της στρώσης που μπορεί να δημιουργηθεί κάθε φορά, συνήθως μέχρι 2 mm. Κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης εμφανίζεται συρρίκνωση της ρητίνης κατά 5 με 8 %. Με τη πάροδο του χρόνου οι πολυεστερικές ρητίνες σκληραίνουν μόνιμα και γι αυτό oι συνιστώμενοι χρόνοι αποθήκευσης των πολυεστερικών ρητινών είναι συνήθως από 6 έως 12 μήνες. Πολλές φορές προκειμένου να παραταθεί η διάρκεια ζωής τους προστίθενται μικρές ποσότητες επιβραδυντή. Η διαδικασία, όμως, πολυμερισμού τους (βηματικός πολυμερισμός) είναι πολύ αργή, γι αυτό οι ρητίνες παρέχονται από τον προμηθευτή προ αναμεμειγμένες με επιταχυντή, έτσι ώστε η σκλήρυνση να αρχίζει προσθέτοντας απλά τον καταλύτη. Ο καταλύτης δε λαμβάνει μέρος στη χημική αντίδραση, απλά ενεργοποιεί τον μηχανισμό της. Συνηθισμένος καταλύτης που χρησιμοποιείται είναι κάποιο οργανικό υπεροξείδιο. Ο χρόνος από την προσθήκη του καταλύτη στην πολυεστερική ρητίνη μέχρι τη σκλήρυνση, δηλαδή ο ωφέλιμος για την εργασία χρόνος επεξεργασίας, εξαρτάται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος και την ποσότητα του καταλύτη και μπορεί να είναι από μερικά λεπτά μέχρι μερικές ώρες. Τέλος, συχνά προστίθενται χρωστικές ουσίες που αν και βρίσκονται σε ποσοστό μέχρι 3%, μπορούν να επηρεάσουν τη διαδικασία σκλήρυνσης αλλοιώνοντας το τελικό προϊόν. Όπως προαναφέρθηκε, οι πολυεστερικές ρητίνες αποτελούνται κατά ένα πολύ μεγάλο μέρος από στυρένιο. Το στυρένιο αναφέρεται και ως στυρόλη, βινυλοβενζόλιο και αιθενυλοβενζόλιο ή φαινυλοαιθυλένιο και αποτελεί χημικό συνθετικό. Σε βιομηχανική κλίμακα παράγεται τα τελευταία 70 χρόνια. Είναι άχρωμο υγρό, το οποίο εξατμίζεται εύκολα. Οι ατμοί του είναι βαρύτεροι του αέρα και εκρηκτικοί. Το μονομερές στυρενίου παράγεται καταλυτικά με αφυδρογόνωση του αιθυλοβενζολίου Βινυλεστερικές ρητίνες [11] Οι Βινυλεστερικές ρητίνες παράγονται από τις εποξικές και μοιάζουν χημικά με αυτές. Λόγω της ομοιότητας τους στον τρόπο σκλήρυνσης και επεξεργασίας οι βινυλεστερικές ρητίνες συχνά κατατάσσονται στην κατηγορία των ακόρεστων πολυεστέρων. Σε σχέση με τις ισοφθαλικές πολυεστερικές ρητίνες, οι βινυλεστερικές Σελίδα 7 από 110

19 προσφέρουν καλύτερη αντίσταση στο νερό και στα διάφορα χημικά, καλύτερη διατήρηση της αντοχής και της δυσκαμψίας σε σχετικά υψηλές θερμοκρασίες, καλύτερη αντοχή σε κρούση και σε κόπωση και μεγαλύτερη «δυσθραυστότητα», δηλαδή μεγαλύτερες τιμές της παραμόρφωσης μέχρι τη θραύση. Στο εμπόριο υπάρχει μεγάλη ποικιλία από βινυλεστερικές ρητίνες. Η πιο συνηθισμένη μορφή των βινυλεστέρων είναι τα προϊόντα της αντίδρασης μεθακρυλικού οξέος και εποξικής ρητίνης από διφαινόλη Α διαλυμένη σε μονομερές στυρενίου. Η προσθήκη της μεθακρυλικής ομάδας επιτρέπει στις βινυλεστερικές ρητίνες να σκληραίνουν με τρόπο παρόμοιο με αυτόν των ακόρεστων πολυεστέρων. Οι βινυλεστέρες σκληραίνουν με πολυμερισμό είτε σε θερμοκρασία περιβάλλοντος είτε υπό υψηλή θερμοκρασία. Ο συνηθέστερος τρόπος σκλήρυνσης σε θερμοκρασία περιβάλλοντος είναι με υπεροξείδιο μεθυλ αιθυλ κετόνης (Methyl Ethyl Ketone Peroxide MEKP) και κυκλοπαραφινικό κοβάλτιο. Το κυκλοπαραφινικό κοβάλτιο είτε προστίθεται στη ρητίνη σε μικρές ποσότητες, είτε προϋπάρχει. Το υπεροξείδιο μεθυλ αιθυλ κετόνης είναι ο καταλύτης ενώ το κυκλοπαραφινικό κοβάλτιο ο προωθητής, δηλαδή βοηθά στη μεταφορά μάζας για να γίνει η κατάλυση. Προκειμένου να επιταχυνθεί η χημική αντίδραση της σκλήρυνσης, προστίθενται κι άλλες ουσίες ως επιταχυντές με συνηθέστερη τη διμεθυλανιλίνη. Τέλος, προστίθενται ουσίες προκειμένου να προστατευθεί η ρητίνη από τη διάβρωση, όπως διάφοροι τύποι κινόνης (υδροκινόνη, τολουδροκινόνη, παραβενζοκινόνη) Εποξικές ρητίνες [11] Από όλες τις μήτρες οι εποξικές ή εποξειδικές είναι αυτές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πολλαπλές εφαρμογές. Το κόστος τους, όμως, είναι ιδιαίτερα αυξημένο σε σχέση με τις πολυεστερικές, γι αυτό οι δεύτερες είναι πιο χρησιμοποιούμενες στις ναυπηγικές κατασκευές. Βέβαια, λόγω του εύρους των φυσικών ιδιοτήτων, των μηχανικών ικανοτήτων και των συνθηκών επεξεργασίας τους, σε κάποιες περιπτώσεις ειδικών εφαρμογών παραβλέπεται το υψηλό κόστος τους. Οι εποξικές ρητίνες απαιτούν προσθήκη σκληρυντικής ουσίας και σε ορισμένες περιπτώσεις αυξημένη θερμοκρασία (μεταξύ 60 ο C και 150 ο C), ώστε να πραγματοποιηθεί η διαδικασία της σκλήρυνσης. Υπάρχουν και εποξικές ρητίνες ψυχρής σκλήρυνσης, έχουν όμως, χαμηλότερες μηχανικές ιδιότητες από τις προηγούμενες και παρουσιάζουν αρκετά προβλήματα, ιδίως στο ιξώδες, που ανεβάζουν το κόστος παραγωγής. Σελίδα 8 από 110

20 Κατά τη διαδικασία της σκλήρυνσης δεν δημιουργούνται παραπροϊόντα και η συρρίκνωση που υπόκειται η ρητίνη μετά τη σκλήρυνση είναι μικρή. Το τελικό προϊόν της σκλήρυνσης εμπεριέχει στοιχεία από τη σκληρυντική ουσία. Όλες οι εποξικές ρητίνες περιέχουν την εποξική ρίζα ή αιθοξυλένιο ή οξιράνιο. Ο πιο βασικός τύπος εποξικής ρητίνης αποτελεί προϊόν αντίδρασης της επιχλωρυδρίνης με τη διφαινόλη Α, παρουσία αλκαλικού περιβάλλοντος και είναι ο διγλυσιδιλαιθέρας από διφαινόλη Α. (Diglycidyl Ether of Bisphenol A). Στο τελικό προϊόν συχνά ανιχνεύονται ποσότητες επιχλωρυδρίνης. H επιχλωρυδρίνη είναι ένα ενδιάμεσο προϊόν στην επεξεργασία της συνθετικής γλυκερίνης, ενώ η διφαινόλη Α είναι προϊόν της βιομηχανίας πετρελαίου και προκύπτει από τη συμπύκνωση της ακετόνης με φαινόλη. Η δεύτερη μεγαλύτερη και σημαντικότερη κατηγορία των εποξικών ρητινών αποτελεί προϊόν της αντίδρασης της επιχλωρυδρίνης με διάφορα φαινολικά novolacs και είναι οι γλυσιδιλυκοί αιθέρες από διάφορες ρητίνες novolac. Τα novolacs είναι κατηγορία πολυμερών τα οποία παράγονται με όξινη συμπύκνωση φαινολών αλδεϋδών με μοριακή αναλογία 2 : Φαινολικές ρητίνες [11] Το βασικό πλεονέκτημα των φαινολικών ρητινών έναντι των υπολοίπων αναφερόμενων είναι η καλή αντοχή τους σε πυρκαϊά, αφού διατηρούν την αντοχή και τη δυσκαμψία τους, ενώ ταυτόχρονα έχουν καλή συμπεριφορά στη διάδοση της φλόγας. Οι φαινολικές ρητίνες, όμως, δεν χρησιμοποιούνται στη Ναυπηγική Τεχνολογία, αφού παρουσιάζονται αμφιβολίες για τη μακροπρόθεσμη ανθεκτικότητα τους στο θαλάσσιο περιβάλλον λόγω των επιπέδων απορρόφησης νερού που δημιουργούνται κατά τη σκλήρυνση, τα οποία είναι περίπου τρεις φορές υψηλότερα από αυτά των ισοφθαλικών πολυεστερικών ρητινών. Οι φαινολικές ρητίνες παρασκευάζονται από την αντίδραση συμπύκνωσης φαινόλης και φορμαλδεΰδης. Κατά την παραγωγή των φαινολικών ρητινών δημιουργούνται δύο διαφορετικοί τύποι προϊόντων, Resol ή Novolac. Το Resol δημιουργείται από φαινόλη και φορμαλδεΰδη χρησιμοποιώντας αλκαλικό καταλύτη. Η αντίδραση πραγματοποιείται με περίσσεια φορμαλδεΰδης και η διαδικασία ξεκινά με τη συμπύκνωση υπό την επιβολή θερμότητας κάποιων ενεργών ομάδων μεθυλόλης που υπάρχουν στη ρητίνη. Στη συνέχεια κατά την διαδικασία της σκλήρυνσης, Σελίδα 9 από 110

21 χωρίς επιπλέον προσθήκη καταλύτη, δημιουργείται ένα τρισδιάστατο, αδιάλυτο πολυμερές με διασταυρούμενες αλυσίδες. Το Novolac δημιουργείται από φαινόλη και φορμαλδεΰδη χρησιμοποιώντας όξινο καταλύτη. Επειδή στη μοριακή αλυσίδα του Νovolac δεν υπάρχουν ενεργές ομάδες μεθυλόλης, είναι αδύνατο να δημιουργηθούν διασταυρούμενες αλυσίδες, όπως στην περίπτωση του Resol. Έτσι, για τη δημιουργία των διασταυρούμενων αλυσίδων απαιτείται η προσθήκη σκληρυντικής ουσίας, όπως η εξαμεθυλενιοτετραμίνη (hexa hexamethylenetetramine), η οποία υπό την επιβολή θερμότητας διασπάται και δημιουργεί αμμωνία. Πίνακας 1.1. Συγκριτικός πίνακας ιδιοτήτων οπλισμένων συνθετικών ρητινών και συνηθισμένων κατασκευαστικών υλικών Ειδικό βάρος (tons/m 3 ) Αντοχή σε εφελκυσμό (MPa) Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας (W/mK) Χημική αντοχή Εποξειδική ρητίνη 1, ,28 Πολύ καλή έως άριστη Πολυεστερική ρητίνη 1, ,30 Πολύ καλή έως άριστη Χάλυβας 7, ,90 Κακή Ανοξείδωτος 7, Μέτρια χάλυβας Αλουμίνιο 2, Κακή Σκυρόδεμα 2, ,00 Κακή 1.3. Ίνες Οι ίνες αποτελούν το κύριο συστατικό ενίσχυσης των ρητινών για την δημιουργία των ενισχυμένων με ίνες πλαστικών. Οι ενισχυτικές ίνες που χρησιμοποιούνται στην ναυπηγική τεχνολογία είναι οι ίνες γυαλιού, οι ίνες άνθρακα και γραφίτη και οι ίνες Aramid (αραμιδικές ίνες). Εξ αυτών κατά συντριπτική πλειοψηφία χρησιμοποιούνται οι ίνες γυαλιού, αφού κοστίζουν λιγότερο από τις προαναφερθείσες, οι οποίες επιλέγονται να χρησιμοποιούνται σε κατασκευές υψηλών προδιαγραφών [6]. Σελίδα 10 από 110

22 Διάφορα γεωμετρικά χαρακτηριστικά των ινών επηρεάζουν τις ιδιότητες σύνθετων υλικών. Το σχήμα που ακολουθεί δείχνει διάφορους παράγοντες που επηρεάζουν τις ιδιότητες των σύνθετων υλικών όπως [12]: (α) συγκέντρωση, (β) μέγεθος, (γ) σχήμα, (δ) κατανομή και (ε) προσανατολισμός των ινών στο σύνθετο. Σχήμα 1.4.: Σχηματική αναπαράσταση των διαφόρων γεωμετρικών και διαστατικών χαρακτηριστικών των σωματιδίων της διασπαρμένης φάσης που επηρεάζουν τις ιδιότητες των συνθέτων Ίνες Γυαλιού Το είδος των ενισχύσεων που προτιμάται στην κατασκευή σκαφών είναι οι ίνες γυαλιού τύπου Ε. Αυτές διατίθενται σε διάφορες μορφές, με πιο συχνά χρησιμοποιούμενες τη μορφή υαλοπιλήματος (Chopped Strand Mat, CSM) κατασκευασμένο από νημάτια γυαλιού κομμένα σε μήκος 6 έως 50 mm τα οποία συνδέονται με τη βοήθεια ειδικού συνδετικού (binder) σχηματίζοντας ένα χαλαρό ύφασμα με τυχαίο προσανατολισμό ινών (Φωτ. 1.1), τη μορφή υαλοϋφάσματος (Woven Roving, WR) κατασκευασμένο από μη στριμμένα νήματα πλεγμένα κάθετα μεταξύ τους δημιουργώντας ένα τραχύ και Σελίδα 11 από 110

23 χοντροκομμένο ύφασμα. (Φωτ. 1.2) και τη μορφή μονοαξονικών υφασμάτων (Unidirectional Roving or Clothes, UD) κατασκευασμένα από παράλληλες ίνες που ράβονται ή συγκρατούνται παράλληλα μεταξύ τους με συνδετικό υλικό, προσανατολισμένες προς μία διεύθυνση [13]. Φωτογραφία 1.1. Ίνες γυαλιού σε μορφή υαλοπιλήματος (Chopped Strand Mat CSM). Φωτογραφία 1.2. Ίνες γυαλιού σε μορφή υαλοϋφάσματος (Woven Roving WR) Ίνες Γραφίτη / άνθρακα Οι ίνες γραφίτη και άνθρακα διαχωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, τις ίνες υψηλής αντοχής (high strength) και τις ίνες υψηλού μέτρου ελαστικότητας (high modulus), οι οποίες είναι ακριβότερες από τις πρώτες. Ως «ίνες γραφίτη» εννοούμε τις ίνες που έχουν πολύ υψηλό ποσοστό άνθρακα μεγαλύτερο από 99%, ενώ ως «ίνες άνθρακα» εννοούμε τις ίνες που έχουν περιεκτικότητα σε άνθρακα από 80 έως 95 %. Ωστόσο η διαδικασία παρασκευής τους είναι η ίδια, ενώ οι τιμές της θερμοκρασίας είναι αυτές που καθορίζουν το τελικό Σελίδα 12 από 110

24 προϊόν. Οι ίνες γραφίτη και άνθρακα παρασκευάζονται από πολυμερή όπως είναι το πολυακρυλονιτρίλιο, μετά από συγκεκριμένη διαδικασία και κάτω από συγκεκριμένες τιμές θερμοκρασίας [14]. Φωτογραφία 1.3: Ίνες άνθρακα / γραφίτη Ίνες Aramid Οι ίνες aramid κατατάσσονται στην κατηγορία των πολυμερών ινών, είναι ανθεκτικές σε υψηλές θερμοκρασίες και η ονομασία aramid αποτελεί συντομογραφία των λέξεων Aromatic Polyamide. Συμπεριλαμβάνουν τις ίνες Kevlar, Nomex που δημιουργήθηκαν από την εταιρεία Du Pont (1973), καθώς και τις ίνες Twaron που δημιουργήθηκαν από την εταιρεία Teijin(1987). Η χημική σύσταση των ινών Kevlar είναι το αραφαινυλενιοτερεφθαλαμίδιο, έχουν το χρώμα του χρυσού και είναι δύσκολο να κοπούν με ατσαλένια λεπίδα, ενώ τέλος δεν «δένουν» σωστά με τις πολυεστερικές ρητίνες. Οι ίνες aramid παρουσιάζουν τα κάτωθι χαρακτηριστικά : καλή αντίσταση στην τριβή καλή αντίσταση σε οργανικούς διαλύτες χαμηλή ευφλεκτότητα ευαισθησία σε οξέα και άλατα ευαισθησία σε υπεριώδη ακτινοβολία υψηλή ειδική αντοχή σε εφελκυσμό, λόγω μικρού ειδικού βάρους υψηλό συντελεστή απόσβεσης σε κραδασμούς πλέκονται εύκολα δημιουργώντας υφάσματα πυκνής πλέξης (Roving Mat) Το κόστος των ινών Aramid είναι αρκετά υψηλότερο από το κόστος των ινών γυαλιού και λίγο μεγαλύτερο από των ινών άνθρακα [14]. Σελίδα 13 από 110

25 ΙΝΕΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ (kg/m 3 ) Πίνακας 1.2.: Ιδιότητες των ινών ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ (GPa) ΕΦΕΛΚΥΣΤΙΚΗ ΑΝΤΟΧΗ (MPa) ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ ΘΡΑΥΣΗΣ (%) ΓΥΑΛΙ ΑRAMID ΑΝΘΡΑΚΑΣ Πίνακας 1.3.:Σύγκριση ιδιοτήτων ινών γυαλιού άνθρακα Aramid Ιδιότητες Ίνες Aramid Ίνες Άνθρακα Ίνες Γυαλιού Υψηλή αντοχή συμπίεσης Υψηλή αντοχή σε εφελκυσμό Xαμηλή Πυκνότητα Υψηλή αντοχή σε κόπωση Yψηλή πυροπροστασία Υψηλή θερμομόνωση Υψηλή ηλεκτρική μόνωση Χαμηλό κόστος Υπόμνημα: Πολύ καλό Καλό Μέτριο 1.4. Σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες Τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες έχουν ιδιότητες, οι οποίες διατηρούνται σταθερές για μεγάλα χρονικά διαστήματα και δεν αλλοιώνονται όταν έρχονται σε επαφή με το νερό ή όταν βυθίζονται στο νερό. Δεν διαβρώνονται, είναι ανθεκτικά στο αλάτι, στη ρύπανση και σε αλκαλικό περιβάλλον, καθώς και στις υψηλές και στις χαμηλές θερμοκρασίες [15]. Τα πλαστικά υλικά θα αποτελούσαν ιδεώδη κατασκευαστικά υλικά, αν οι μηχανικές αντοχές τους ήταν επαρκείς για φέροντα στοιχεία. Ο συνδυασμός των συνθετικών ρητινών με οπλισμό με τη μορφή ινών, φυσικών ή τεχνητών, όπως είναι κυρίως, η γιούτα, ο χάλυβας, αλλά και το γυαλί (υαλονήματα) και ο άνθρακας (ανθρακονήματα), οδηγεί τελικά στην παρασκευή εξαιρετικά ανθεκτικών υλικών. Με το συνδυασμό αυτό, οι μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών βελτιώθηκαν και είναι δυνατόν να παρασκευαστούν υλικά Σελίδα 14 από 110

26 με μηχανικές αντοχές μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες του χάλυβα και κατά πολύ μεγαλύτερες από εκείνες του σκυροδέματος (Πίνακας 1.4.). Βασικά χαρακτηριστικά των ανωτέρω ινών είναι οι μεγάλες αντοχές σε εφελκυσμό και η γραμμική ελαστική συμπεριφορά μέχρι τη θραύση. Πίνακας 1.4.: Οι ιδιότητες σύνθετων υλικών εποξειδικής μήτρας ενισχυμένων με συνεχείς και προσανατολισμένες ίνες γυαλιού, άνθρακα και aramid σε διαμήκεις και εγκάρσιες διευθύνσεις. Σε όλες τις περιπτώσεις το ογκομετρικό κλάσμα είναι 0,60 [16] Ιδιότητα Γυαλί (τύπου Ε) Άνθρακας (Υψηλής αντοχής) Aramid (Kevlar 49) Ειδικό Βάρος 2,1 1,6 1,4 Εφελκυστικό μέτρο ελαστικότητας Διάμηκες (GPa) Εγκάρσιο (GPa) Εφελκυστική Αντοχή Διάμηκες (ΜPa) Εγκάρσιο (ΜPa) Τελική εφελκυστική παραμόρφωση Διάμηκες (%) Εγκάρσιο (%) Σύγκριση σύνθετων υλικών με μέταλλα [17] Τα συμπεράσματα μιας σύγκρισης των σύνθετων υλικών και των χρησιμοποιούμενων υλικών στις κατασκευές μετάλλων ή κραμάτων ενισχύουν ακόμη περισσότερο το γεγονός ότι τα πρώτα αποτελούν μια πολύ ελκυστική επιλογή για το σχεδιαστή μηχανικό των ναυπηγικών κατασκευών. Οι γενικές διαφορές που παρατηρούνται συνοψίζονται ως εξής: Η ειδική αντοχή σε εφελκυσμό των σύνθετων υλικών (λόγος αντοχής προς πυκνότητα) είναι μέχρι έξι φορές μεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα ή του αλουμινίου. Ως αντοχή μπορεί κανείς να θεωρήσει είτε το όριο διαρροής είτε τη μέγιστη αντοχή του υλικού. Σελίδα 15 από 110

27 Το ειδικό μέτρο ελαστικότητας των σύνθετων (λόγος της ακαμψίας του υλικού προς την πυκνότητα) είναι μέχρι πέντε φορές μεγαλύτερο από αυτό του χάλυβα ή του αλουμινίου. Το όριο κόπωσης των σύνθετων υλικών μπορεί να φτάσει το 60% του ορίου διαρροής. Για το χάλυβα και το αλουμίνιο η τιμή αυτή είναι σημαντικά χαμηλότερη. Η απορροφούμενη ενέργεια κατά την κρούση είναι για κάποια σύνθετα σημαντικά υψηλότερη από αυτή των κραμάτων αλουμινίου που χρησιμοποιούνται στις αεροδιαστημικές κατασκευές. Τα σύνθετα μπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να έχουν πολύ καλά χαρακτηριστικά απόσβεσης, με αποτέλεσμα να είναι λιγότερο θορυβώδη και με μικρότερη μετάδοση κραδασμών από ότι τα μέταλλα. Όταν χρησιμοποιούνται ως επιφάνειες τριβής, μερικά σύνθετα παρουσιάζουν, χωρίς λίπανση, τα ίδια χαρακτηριστικά που παρουσιάζει και ο χάλυβας με λίπανση. Σελίδα 16 από 110

28 Κεφάλαιο 2: Η εφαρμογή των ενισχυμένων με ίνες σύνθετων υλικών στα ελαφριά σκάφη 2.1. Τα Ελαφριά Σκάφη [18] Πριν προχωρήσουμε στην ανάλυση του παρόντος κεφαλαίου θα ορίσουμε τα ελαφριά σκάφη, τα οποία μπορούν να διακριθούν ανάλογα με την ταχύτητα που αναπτύσσουν ή με το σχήμα της γάστρας τους. Γάστρα (Hull) ονομάζεται το τμήμα του σκάφους, που περικλείεται από το εξωτερικό περίβλημα «Shell» και καλύπτεται από ένα συνεχές υδατοστεγές κατάστρωμα, που βρίσκεται έξω από το νερό στη κανονική οριζόντια θέση ισορροπίας του πλοίου σε ήρεμο νερό. Μερικές φορές χρησιμοποιείται ο όρος γάστρα, για να εκφραστεί ο όγκος του τμήματος του πλοίου, που βρίσκεται μέσα στο νερό. Εκτός από το συνεχές υδατοστεγές κατάστρωμα, ένα σκάφος μπορεί να έχει και άλλα καταστρώματα «Decks» μη υδατοστεγανά, καθώς επίσης και υπερκατασκευές «Superstructures» [19]. Παραθέτουμε κατωτέρω τους βασικούς τύπους σκαφών ανάλογα με την μορφή της γάστρας τους, την στατική ή/και δυναμική άνωση αυτής, που σχετίζεται με την ταχύτητα που μπορούν να επιτύχουν: Τα συμβατικά σκάφη εκτοπίσματος, τα οποία μπορούν να τρέξουν με μία ταχύτητα που δεν υπερβαίνει μια τιμή που εξαρτάται από το μήκος της ισάλου (L WL ). Τα σκάφη ημι εκτοπίσματος έχουν σαν κύριο χαρακτηριστικό ότι η γάστρα τους κατά την πλεύση τους αντιμετωπίζει σημαντική δυναμική άνωση. Πρόκειται για σκάφη με στρογγυλό πυθμένα (round bottom). Ο τύπος των γαστρών αυτών χρησιμοποιείται για όλους τους τύπους σκαφών αναψυχής, επαγγελματικών σκαφών, περιπολικών και μικρών πολεμικών σκαφών. Αρκετές σειρές σκαφών ημι εκτοπίσματος έχουν αναπτυχθεί κατά την τελευταία εικοσαετία οπότε η ανάγκη για μεγαλύτερες ταχύτητες είναι επιτακτικότερη. Οι ολισθράκατοι (planning hulls) είναι σκάφη που λειτουργούν σε μεγάλες ταχύτητες. Οι γάστρες τους χαρακτηρίζονται από: οξείες ακμές, ευθείες διαμήκεις τομές, ανύψωση πυθμένα και λεπτές γραμμές στην είσοδο. Οι ολισθράκατοι χρησιμοποιούνται εκτεταμένα σαν πολεμικά περιπολικά, σκάφη αναψυχής, ταχύπλοα μεταφοράς επιβατών και αγωνιστικά. Σελίδα 17 από 110

29 Κυριότεροι τύποι ταχύπλοων σκαφών και σκαφών προηγμένης τεχνολογίας Μονή Γάστρα Διπλή Γάστρα Υδροπτέρυγα Αερόστρωμνα Hμι εκτοπίσματος Ολισθάκατοι SWATH Catamaran Βυθισμένα Επιφανείας SES ACV Διάγραμμα 2.1.: Κυριότεροι τύποι ταχύπλοων. Επίσης, στην κατηγορία των μικρών σκαφών διακρίνονται άλλες τρεις κατηγορίες ταχυπλόων. Στην πρώτη από αυτές κατηγορία υπάγονται τα σκάφη με διπλή γάστρα (SWATH[Small.Waterplane.Area.Twin.Hull] Catamaran). Στην δεύτερη κατηγορία υπάγονται τα σκάφη που χρησιμοποιούν πτερύγια για την επίτευξη της υδροδυναμικής άνωσης. Τα πτερύγια αυτά μπορούν να είναι είτε βυθισμένα (υδροπτέρυγα σκάφη, submerged foil hydrofoil crafts) είτε επιφανείας (surface piercing). Στην τρίτη κατηγορία ανήκουν τα σκάφη που δημιουργούν ένα στρώμα αέρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, πάνω στο οποίο ολισθαίνουν. Και εδώ διακρίνουμε τα δίγαστρα σκάφη που δημιουργούν το στρώμα αέρα ανάμεσα στις δύο γάστρες (Surface Εffect Ship SES) και τα μονόγαστρα σκάφη που το στρώμα αέρα δημιουργείται ανάμεσα στον πυθμένα και την επιφάνεια της θάλασσας (Air Cushion Vehicles ACV). (βλ. Δ. 2.1.) Τα ιστιοπλοϊκά σκάφη (Εικ. 2.1.) αποτελούν μια ιδιαίτερη κατηγορία μικρών σκαφών. Η ευρεία χρήση τους σαν σκάφη αναψυχής αλλά κυρίως οι ιστιοπλοϊκοί αγώνες οδήγησαν στη λεπτομερή διερεύνηση των χαρακτηριστικών τους τόσο στο ήρεμο Σελίδα 18 από 110 Εικόνα 2.1. Ιστιοπλοϊκό σκάφος

30 νερό όσο και υπό την επίδραση των ανεμογενών θαλασσίων κυματισμών Τα βασικά μέρη του σκάφους Στο σημείο αυτό θα αναφερθούν τα βασικά μέρη ενός σκάφους. Τα πλοία αποτελούνται από τα εξής βασικά μέρη, που η διάταξή τους παρουσιάζεται με παραλλαγές σε όλες τις κατηγορίες [20]: Το κύριο σώμα του πλοίου, η γάστρα (hull), διακρίνεται σε τρία μέρη: Το μπροστινό καλούμενο πλώρη (fore body / bow), το μεσαίο και μεγαλύτερο, καλούμενο μέσο (amidships body) και το πίσω μέρος, καλούμενο πρύμνη (aft body / stern). Η γραμμή περιφερειακά του πλοίου όπου ακριβώς και η επιφάνεια της θάλασσας, όταν αυτό πλέει ασφαλώς, καλείται ίσαλος γραμμή ή ίσαλος (water line). Όλα τα ορατά μέρη του πλοίου δηλ. από την ίσαλο και πάνω λέγονται έξαλα (freeboard) σε αντίθεση με τα υπό την ίσαλο μέρη του πλοίου καλούμενα ύφαλα (bottom). Η πλευρική επιφάνεια των εξάλων προς τη πλώρη που καμπυλώνει (εσωκοίλωμα), καλείται παρειά ή μάσκα (bow) ενώ η αντίστοιχη στη πρύμη λέγεται ισχύο ή γοφός (quarter). "Διαμήκης γραμμή" (Center Line) λέγεται η νοητή εκείνη γραμμή που χωρίζει το πλοίο σε δύο ίσα μέρη από πλώρη μέχρι πρύμη, το δεξιό (starboard) και το αριστερό (port) και έτσι νοείται και ο όρος "διαμήκης άξονας". Ναυπηγικά τα δύο αυτά μέρη πλευρές ενώνονται στο κάτω μέρος την τρόπιδα ή καρένα (keel) η οποία στη μεν πλώρη καταλήγει στη "στείρα" ή "κοράκι" εις δε τη πρύμη στο "ποδόστημα" (sternpost or skeg). Ευκολονόητο ότι η "διαμήκης" ενώνει τα άνω ακραία σημεία της στείρας και του ποδοστήματος. Επ αυτής της διαμήκους οριζόμενη επιφάνεια καλείται κατάστρωμα ή κουβέρτα (deck) διακρινόμενο σε κατώτατο (lower deck), μέσο (middle deck or orlop), κύριο (main deck), και ανώτατο (upper deck) (όχι απαραίτητα όλα σε ένα πλοίο). Όλες οι κατασκευές από το ανώτατο ή κύριο κατάστρωμα καλούνται "υπερκατασκευές" ή υπερκατασκευάσματα (superstructures). Η υπερκατασκευή στη πλώρη ονομάζεται πρόστεγο ή καμπούνι (forecastle). Η υπερκατασκευή στο μέσον ονομάζεται μεσόστεγο ή γέφυρα (bridge) και εκείνη της πρύμνης επίστεγο (poop). (Σημ.: Σήμερα τα μεγάλα Δ/Ξ φέρουν μια υπερκατασκευή στη πρύμνη, τα αεροπλανοφόρα στο μέσον όπου επιπρόσθετα και ο πύργος ελέγχου. Μεγάλα πλοία εμπορευματοκιβωτίων (container ships) έχουν υπερκατασκευή στην πλώρη (γέφυρα) για να υπάρχει επαρκής ορατότητα στο οιακιστήριο). Το εσωτερικό του πλοίου, ανάλογα με το τύπο του, χωρίζεται σε κύτη ή αμπάρια (holds) ή σε δεξαμενές (tanks) για φορτίο, σε δεξαμενές για εφόδια (πχ καύσιμα, νερό, έρμα Σελίδα 19 από 110

31 κλπ), στο μηχανοστάσιο (engine room), στο λεβητοστάσιο (boilers room), στο αντλιοστάσιο (pumps room) μόνο για δεξαμενόπλοια και στα διαμερίσματα του πληρώματος (crew quarters). Επίσης για λόγους ασφαλείας υπάρχουν οι δεξαμενές "ζυγοστάθμισης" πλώρης (fore peak tank) και πρύμνης (after peak tank). Το κατώτατο μέρος του πλοίου εσωτερικά ονομάζεται πυθμήν (πυθμένας) ή γάστρα (bottom) και για λόγους επίσης ασφαλείας τα περισσότερα πλοία είναι "διπύθμενα" (double bottoms) δηλ. με δυό πυθμένες. Στην υπερκατασκευή της "γέφυρας" φέρονται σχεδόν το σύνολο των ναυτιλιακών οργάνων, το διαμέρισμα του Πλοιάρχου και των Αξιωματικών του πλοίου, οι τραπεζαρίες και η κουζίνα του πλοίου. Τέλος, τα πλοία φέρουν διάφορους "μηχανισμούς" όπως πηδαλιουχίας (steering gear), φορτοεκφορτώσεων (cargo cranes or derricks), αγκυροβολίας (capstan, mooring winches), σωστικούς, ιστιοφορικούς, πτερύγια κ.ά. Σχήμα 2.1.: Μέρη του πλοίου (γενικό σχέδιο) 1:Πλώρη, 2:Βολβοειδής πλώρη, 3:Άγκυρα 4:Έξαλα πλοίου, 5:Έλικας και Πηδάλιο, 6:Πρύμνη, 7:Καπνοδόχος, 8:Μεσόστεγο ή Γέφυρα πλοίου, και 9:Κατάστρωμα [20] Τα απαραίτητα ναυπηγικά στοιχεία που πρέπει να διαθέτει κάθε πλοίο για την ασφαλή πλεύση του, είναι: α) Η ευστάθεια στην άθικτη κατάσταση, β) η ευελιξία του συστήματος πρόωσης και η ταχεία απόκριση του πηδαλίου, γ) η διατήρηση σε σταθερή άνωση (αντοχή υπολογισμένη για δεδομένη κατάσταση ήρεμου νερού και κάμψης (shagging /hogging) και δ) η αντίσταση στην πρόωση (ίση με την ώση του προωστήριου συστήματος). Σελίδα 20 από 110

32 2.2. Τεχνολογία κατασκευής των ελαφριών σκαφών από σύνθετα υλικά Δύο είναι οι βασικοί τύποι κατασκευής ελαφριών σκαφών από σύνθετα υλικά εκείνος του απλού τοιχώματος (single skin) και ο δεύτερος του διπλού τοιχώματος τύπου sandwich Κατασκευή απλού τοιχώματος Η στρώση του τοιχώματος γίνεται με επίπεδη (πολλές φορές και καμπύλη, π.χ. σε ένα κέλυφος) διαμόρφωση ινών πάνω σε μία μήτρα (ρητίνη). Οι ίνες διατίθενται στο εμπόριο με μορφή νήματος. Με βάση το νήμα, διατίθενται στο εμπόριο οι διάφοροι τύποι ενισχυτικού, ως κάτωθι [6] : Υαλοπίλημα (Chopped Strand Mat C.S.M) Μονοαξονικό ύφασμα (Unidirectional Roving U.R) Υαλούφασμα (Woven Roving W.R) Δισδιάστατο πεπλεγμένο ύφασμα (Biaxial Roving B.R) Τρισδιάστατο πεπλεγμένο ύφασμα (Triaxial Roving T.R) Ύφασμα πυκνής πλέξης (Rovi Mat R.M) Η κατασκευή απλού τοιχώματος είναι πιο συνηθισμένη και δεν διαφέρει από τη συμβατική ξύλινη ή μεταλλική. Όπως και στη μεταλλική το σύστημα νομέων μπορεί να είναι εγκάρσιο, διάμηκες ή μικτό. Το διάμηκες σύστημα προτιμάται στο πυθμένα, τις πλευρές και κύριο κατάστρωμα ενισχύεται δέ από ζυγά, νομείς, έδρες και φρακτές. Οι πλευρές είναι χωρίς ενισχύσεις στα μικρά σκάφη καθόσον οι ενσωματωμένες ενισχύσεις των κλινών, οι εγκάρσιοι νομείς και οι φρακτές που υπάρχουν, ενισχύουν ικανοποιητικά το σκάφος. Ιδιαίτερες ενισχύσεις θα πρέπει να προβλεφθούν στην περιοχή του μηχανοστασίου, της στήριξης των ελίκων και των αξόνων, την πρωραία και πρυμναία δεξαμενή ζυγοστάθμισης. Υδατοστεγείς φρακτές προβλέπονται για σκάφη μεγαλύτερα των 15 m, όπως δύο στο μηχανοστάσιο, η πρωραία στεγανή φρακτή συγκρούσεως καθώς και στεγανό φρεάτιο αλύσεων (chain locker). Στα μικρότερα σκάφη οι φρακτές προβλέπονται κυρίως για λόγους διευθέτησης χώρων [13]. Σελίδα 21 από 110

33 Πολύστρωτο Περιορισμοί στη σχεδίαση ελαφρών σκαφών με ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά Το πολύστρωτο (laminate) είναι μια στοιβάδα στρώσεων, η μία πάνω στην άλλη, όπου η κάθε στρώση μπορεί να έχει διαφορετικούς προσανατολισμούς των κύριων διευθύνσεων υλικού σε σχέση με τα γεωμετρικά άκρα του πολύστρωτου. Οι στρώσεις αυτές δεν είναι απαραίτητο να είναι προσανατολισμένες συμμετρικά ως προς το μέσο επίπεδο του πολύστρωτου. Οι στρώσεις ενός πολύστρωτου κολλιούνται μεταξύ τους με το ίδιο υλικό που υπάρχει σε κάθε μεμονωμένη στρώση. Τα πολύστρωτα μπορούν να κατασκευαστούν από διαφορετικές μεταξύ τους στρώσεις. Ο κύριος σκοπός της επίστρωσης επάλληλων στρώσεων είναι η ρύθμιση των αντοχών και των δυσκαμψιών στις διάφορες διευθύνσεις, έτσι ώστε να συμπέσουν με τις διευθύνσεις των φορτίων ενός συγκεκριμένου κατασκευαστικού στοιχείου. Τα πολύστρωτα είναι πλέον κατάλληλα για το σκοπό αυτό, αφού οι κύριες διευθύνσεις υλικού μιας στρώσεις μπορούν να προσανατολισθούν αναλόγως με τις ανάγκες [6]. Σχήμα 2.2.: Στρώσιμο διαδοχικών φύλλων ενισχυμένων με προσανατολισμένες ίνες για την παραγωγή σύνθετου υλικού με φύλλα στρώσης Κατασκευή τύπου Sandwich Η κατασκευή τύπου Sandwich ενισχύει την ακαμψία του τοιχώματος εξαιτίας της αύξησης του πάχους του, ενώ το βάρος αυξάνεται λίγο. Αυτό επιτυγχάνεται με τη σύνδεση δύο λεπτών στρωμάτων, που συνήθως είναι κατασκευασμένα από κάποιο σύνθετο υλικό (fibreglass), πάνω στο ενδιάμεσο υλικό «ψίχα» που είναι από ελαφρύ υλικό με αρκετά μεγαλύτερο πάχος: Ξύλινοι πυρήνες : κόντρα πλακέ θαλάσσης, διάφορα μαλακά ξύλα και balsa Σελίδα 22 από 110

34 Αφρώδεις πυρήνες : PVC, PU και συντακτικοί αφροί Κυψελοειδής πυρήνες : αλουμίνιο ή Fiberglass. Αυτό δηλαδή το τοίχωμα συμπεριφέρεται όπως η δοκός τύπου I (διπλό Τ). Οι πλευρές φορτίζονται σε κάμψη (επάνω πλευρά σε θλίψη, η κάτω σε εφελκυσμό), ενώ το ενδιάμεσο υλικό σε θλίψη [21]. Σχήμα 2.3.: Διαστρωμάτωση των υλικών κατά την κατασκευή Sandwich [46] Το μεγάλο πλεονέκτημα, επομένως, της κατασκευής ενός σκάφους με τη μέθοδο Sandwich σε σύγκριση με τη μέθοδο κατασκευής με ενισχυμένο με ίνες πλαστικό είναι ότι κατά την κατασκευή μπορούμε να αυξήσουμε την αντοχή του σκάφους χωρίς να αυξήσουμε το βάρος του, αφού το βάρος του πυρήνα είναι κατά πολύ μικρότερο από το βάρος του ενισχυμένου πολύστρωτου. Τα βασικά, λοιπόν, πλεονεκτήματα μειονεκτήματα της κατασκευής Sandwich έχουν ως ακολούθως [22]: Πλεονεκτήματα: Μεγαλύτερη ακαμψία της κατασκευής Μικρότερο βάρος Καλύτερη μόνωση και ηχομόνωση Επιπλέον άντωση Μειονεκτήματα: Δυσκολία στη διαμόρφωση Τάση για αποκόλληση στρωμάτων Ευκολία βλαβών και δυσκολία στην επισκευή αυτών Χαμηλή αντοχή σε κρούση Σελίδα 23 από 110

35 Διαπερατότητα νερού μέσω του λεπτού περιβλήματος Τα υλικά των πυρήνων Sandwich ποικίλλουν και εκτός από το ότι συγκρατούν τα εξωτερικά περιβλήματα έχουν και το ρόλο να μεταφέρουν τις διατμητικές δυνάμεις, ενώ επιπροσθέτως απαιτείται να έχουν τις κάτωθι ιδιότητες [6]: Ελαφριά και ανθεκτικά στο νερό (σάπισμα, μυκητίαση) Ικανοποιητική αντοχή σε διάτμηση, λυγισμό και φορτία θλίψης Χαμηλό κόστος και συμβατότητα με τους πολυεστέρες Εύκολη διαμόρφωση, επισκευή και χαμηλή ευφλεκτικότητα. Σχήμα2.4.: Παραδείγματα κατασκευών τύπου Sandwich Τα βασικά «ενδιάμεσα» υλικά για την κατασκευή τύπου Sandwich [23] (α) Balsa και άλλα είδη ξύλινων πυρήνων Το ξύλο balsa έχει τα «νερά» του προσανατολισμένα στη διεύθυνση του πάχους και είναι ένα από τα πιο αποτελεσματικά και σχετικά φθηνά υλικά πυρήνα. Τα πλεονεκτήματά του είναι ότι παρουσιάζει μικρό βάρος, εξαιρετική δυσκαμψία και αντοχή στους δεσμούς του με τα περιβλήματα. Το κυριότερο μειονέκτημά του είναι ότι είναι επιρρεπές στη διείσδυση (απορρόφηση) του νερού το οποίο στη συνέχεια επιφέρει φούσκωμα, αποκόλληση και τελικά σάπισμα. Για το λόγο αυτό δεν συνηθίζεται να χρησιμοποιείται ο πυρήνας balsa στην κυρίως γάστρα και το κατάστρωμα των σκαφών. Ο πυρήνας balsa στο εμπόριο είναι διαθέσιμος σε μορφή πλακών για την κατασκευή επίπεδων επιφανειών ή σε μορφή μικρών ορθογωνίων τεμαχίων ενωμένων μεταξύ τους μέσω ενός λεπτού υφάσματος, για την κατασκευή καμπύλων επιφανειών. Το κόντρα πλακέ θαλάσσης (plywood) παρουσιάζει το ίδιο μειονέκτημα με αυτό του ξύλου balsa, δηλαδή τη διείσδυση του νερού και το σάπισμα, έτσι δεν προτείνεται για κατασκευές Σελίδα 24 από 110

36 εξωτερικών μερών του σκάφους. Άλλα είδη ξύλινων πυρήνων που χρησιμοποιούνται είναι το έλατο, το μαόνι, το ερυθρόξυλο, καθώς και το πεύκο. Το ξύλο είναι ένα πορώδες, φυσικό, οργανικό υλικό. Τα κύρια συστατικά του ξύλου είναι η κυτταρίνη, η ημι κυτταρίνη και η λιγνίνη. Η ποσότητα και η διάταξη των συστατικών αυτών επηρεάζουν την ικανότητα σύνδεσης του ξύλου με τα περιβλήματα. Υψηλή περιεκτικότητα σε κυτταρίνη οδηγεί σε ξύλο μεγάλης ολκιμότητας, ενώ υψηλή περιεκτικότητα σε λιγνίνη οδηγεί σε ξύλο με μεγάλη αντοχή σε θλίψη παράλληλα στα νερά. (β) Αφρώδεις πυρήνες Οι αφρώδεις πυρήνες που χρησιμοποιούνται ευρέως στη Ναυπηγική τεχνολογία είναι ο αφρός πολυβινυλοχλωριδίου (PVC) και ο αφρός πολυουρεθάνης (PU). Στο εμπόριο διατίθενται και άλλοι τύπου αφρωδών πυρήνων, αλλά είναι λιγότερο χρησιμοποιούμενοι. Αφρός πολυβινυλοχλωριδίου (PVC Poly Vinyl Chloride) To πολυβινυλοχλωρίδιο είναι το συχνότερα χρησιμοποιούμενο υλικό πυρήνα για κατασκευές sandwich. Είναι φθηνό και εύκολο στη χρήση, αλλά εμφανίζονται πολλές θεωρίες σχετικά με τις επιπτώσεις του στο περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία. Οι δύο βασικές κατηγορίες στις οποίες διακρίνονται οι αφρώδεις πυρήνες PVC είναι οι γραμμικοί και με διασταυρούμενες αλυσίδες. Ο γραμμικός αφρός παράγεται σχεδόν αποκλειστικά για τη Ναυπηγική βιομηχανία και οι εξαιρετικές ιδιότητές του είναι αποτέλεσμα της μη ύπαρξης διασταυρούμενων αλυσίδων, οι οποίες δεν οδηγούν σε μεγάλες παραμορφώσεις πριν τη θραύση. Το πολυβινυλοχλωρίδιο είναι προϊόν της αντίδρασης πολυμερισμού του βινυλοχλωριδίου (monomer vinyl chloride). Το βινυλοχλωρίδιο είναι αέριο, ευχάριστης οσμής, άχρωμο και εύφλεκτο. Αφρός πολυουρεθάνης (PU) Ο αφρός πολυουρεθάνης δεν χρησιμοποιείται τόσο συχνά όσο ο αφρός PVC στη ναυπηγική τεχνολογία. Σε αντίθεση με τον αφρό PVC διατηρεί τις μηχανικές του ιδιότητες σε υψηλές θερμοκρασίες. Χρησιμοποιείται κυρίως για ενισχυτικά τύπου «καπέλο» και σε κατασκευές όπου ο αφρός ψεκάζεται μέσα στα περιβλήματα sandwich. Καίγονται πολύ εύκολα, παράγοντας εξαιρετικά δηλητηριώδη αέρια. Στην κατηγορία των πολυουρεθανών ανήκουν όλες οι ουσίες που έχουν στον χημικό τους τύπο έναν τουλάχιστον δεσμό ουρεθάνης. Συντακτικοί Αφροί Σελίδα 25 από 110

37 Οι συντακτικοί αφροί αποτελούν το προϊόν της ανάμιξης μικρών σφαιρών γυαλιού, με διάμετρο περίπου μm, σε πολυεστερική, εποξική ή φαινολική ρητίνη, ώστε να δημιουργείται ένας συμπαγής πυρήνας sandwich ή υλικό άντωσης με υψηλή αντοχή σε θλίψη. (γ) Κυψελοειδείς πυρήνες Οι πλάκες και τα κελύφη από sandwich με πολύ ελαφρούς κυψελοειδούς πυρήνες από αλουμίνιο, FRP ή εμποτισμένο με ρητίνη χαρτί Nomex είναι γενικά πολύ ακριβά υλικά και δεν χρησιμοποιούνται στη ναυπηγική βιομηχανία πέραν εξαιρετικών περιπτώσεων όπως σε καταστρώματα και φρακτές πολύ ελαφρών σκαφών (hovercrafts, υψηλών επιδόσεων ιστιοπλοϊκά). Οι κυψελοειδείς πυρήνες δεν προτιμώνται στην κατασκευή εξωτερικών τμημάτων των σκαφών λόγω της δυσκολίας διαμόρφωσης καμπύλων επιφανειών, του κίνδυνου διείσδυσης (απορρόφησης) νερού και αποκόλλησης του πυρήνα από τα περιβλήματα υπό την επίδραση των κρουστικών φορτίων από τα κύματα στον πυθμένα. Τελευταία, όμως, χρησιμοποιούνται εκτενώς στην κατασκευή αγωνιστικών σκαφών, όπου η αντοχή της κατασκευής θυσιάζεται για χάρη της υψηλής επίδοσης. (η αντοχή σε διάτμηση των κυψελοειδών είναι η μισή του διασταυρωμένου PVC αλλά στο 1/3 της πυκνότητας. σε θλίψη είναι τριπλάσια) Κατασκευαστικές μέθοδοι Τα σύνθετα υλικά κατασκευάζονται με ποικιλία μεθόδων. Ανάλογα με τον τύπο της μήτρας και του μέσου ενίσχυσης, μπορούν να χρησιμοποιηθούν κλασικές τεχνικές μορφοποίησης πολυμερών, ενώ παράλληλα έχουν αναπτυχθεί και μέθοδοι ειδικά για την κατασκευή συνθέτων. Στη συνέχεια θα αναλύσουμε τους τρόπους κατασκευής των ελαφριών σκαφών από τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες Μορφοποίηση με απλή επαφή [23] Η πιο συνηθισμένη μέθοδος κατασκευής σκαφών από Fiber Reinforced Polymers (Plastics) είναι η μορφοποίηση με απλή επαφή (contact moulding) σε ανοικτό καλούπι. Κατά τη μέθοδο αυτή χρησιμοποιούνται συνήθως ίνες γυαλιού τύπου Ε και πολυεστερική ρητίνη, η οποία στερεοποιείται εν ψυχρώ. Σελίδα 26 από 110

38 Η διαδικασία παραγωγής που ακολουθείται, μέχρι την ολοκλήρωση του τελικού προϊόντος χωρίζεται σε στάδια, τα οποία έχουν ως ακολούθως : 1ο Στάδιο: Προετοιμασία/ Κατασκευή Καλουπιού Το καλούπι κατασκευάζεται από ένα αρσενικό πρότυπο από ξύλο, φινιρισμένο στις λεπτομέρειες, διαμορφωμένο στο σχήμα που επιθυμούμε. Στην εξωτερική επιφάνεια του προτύπου επιστρώνεται το υλικό του καλουπιού (συνήθως GFRP) και όταν αυτό στερεοποιηθεί, αποκολλάται από το πρότυπο. Το καλούπι μπορεί να είναι μονοκόμματο ή διαιρετό και εξαρτάται από το μέγεθος του σκάφους (στα μικρά σκάφη είναι μονοκόμματο). Το πρώτο στάδιο ολοκληρώνεται με το γυάλισμα του καλουπιού με κερί, ώστε να επιτευχθούν ομαλές επιφάνειες, και με την τοποθέτηση μιας λεπτής στρώσης αποκολλητικού μέσου, ώστε να επιτευχθεί ο εύκολος διαχωρισμός της κατασκευής από το καλούπι [22]. 2ο Στάδιο: Επίστρωση Επικαλυπτικού (Gel Coat) Εφόσον το αποκολλητικό μέσο έχει στεγνώσει και σταθεροποιηθεί, ξεκινά η επίστρωση του επικαλυπτικού, το οποίο εναποτίθεται πάνω στο καλούπι είτε με ψεκασμό (spray up) είτε με το χέρι (hand lay up). Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην παρασκευή του επικαλυπτικού, στη μέθοδο και στο πάχος επίστρωσης, καθώς και στον χρόνο σκλήρυνσης. 3ο Στάδιο: Επίστρωση ενισχυτικών ινών και ρητίνης. Η επίστρωση των ενισχυτικών ινών και της ρητίνης πραγματοποιείται πριν την πλήρη στερεοποίηση του επικαλυπτικού. Η προαναφερόμενη επίστρωση εκτελείται με μία από τις παρακάτω μεθόδους: Επίστρωση με ψεκασμό (spray up) Κατά τη μέθοδο ψεκασμού, πλεξίδες νημάτων γυαλιού, κόβονται σε μήκος mm, μέσω ενός πιστολιού κοπής και ψεκάζονται ταυτόχρονα με πολυεστερική ρητίνη απευθείας πάνω στο ανοικτό καλούπι μέσω ενός πιστολιού ψεκασμού. Η πολυεστερική ρητίνη πριν τον ψεκασμό αναμειγνύεται με τις κατάλληλες ποσότητες καταλύτη και επιταχυντή στο πιστόλι ψεκασμού. Στη συνέχεια, το μίγμα μορφοποιείται στην τελική του κατάσταση πιεζόμενο με ρολά με το χέρι [24]. Τα βασικά πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι: Ευρεία χρήση για πολλά χρόνια Σελίδα 27 από 110

39 Χαμηλό κόστος με γρήγορη εναπόθεση των ενισχυτικών ινών γυαλιού και της ρητίνης Χαμηλό κόστος απαραίτητων εργαλείων Τα βασικά μειονεκτήματα της μεθόδου είναι: Μόνο κοντές ενισχυτικές ίνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν, με αποτέλεσμα την οριοθέτηση των μηχανικών ιδιοτήτων της επίστρωσης Οι ρητίνες πρέπει να έχουν χαμηλό ιξώδες προκειμένου να είναι κατάλληλες για τη μέθοδο ψεκασμού Επίστρωση με το χέρι (hand lay up) H μέθοδος επίστρωσης με το χέρι είναι η πιο παλιά και απλή μέθοδος επίστρωσης σε ανοικτό καλούπι, αφού δεν χρειάζεται κάποιος ιδιαίτερος εξοπλισμός για την πραγματοποίησή της. Σε αυτή την περίπτωση ρητίνη σε υγρή μορφή αναμεμιγμένη με καταλύτη και επιταχυντή εναποτίθεται ελεύθερα πάνω στο επικαλυπτικό ή σε προηγούμενη επίστρωση με τη βοήθεια ενός πινέλου, ρολού ή ενός πιστολιού ψεκασμού. Κατόπιν, απλώνονται πάνω στην υγρή ρητίνη οι ενισχυτικές ίνες σε μορφή φύλλων (woven roving, chopped strand mat) κομμένων ανάλογα με τις απαιτήσεις της εκάστοτε κατασκευής, με τρόπο τέτοιο ώστε τα φύλλα των ενισχυτικών ινών να διαβρέχονται πλήρως από τη ρητίνη. Ο παγιδευμένος αέρας απομακρύνεται με ρολά ώστε το μίγμα να μορφοποιηθεί στην τελική του κατάσταση, σε κανονικές ατμοσφαιρικές συνθήκες [25]. Σελίδα 28 από 110

40 Εικόνα 2.2.: Μέθοδος hand lay up Τα βασικά πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι [22]: Ευρεία χρήση για πολλά χρόνια Απλή μέθοδος, η οποία μαθαίνεται εύκολα Χαμηλό κόστος εργαλείων, εάν χρησιμοποιούνται ρητίνες οι οποίες στερεοποιούνται σε θερμοκρασία δωματίου Πολλές επιλογές υλικών και τροφοδοτών Υψηλότερη περιεκτικότητα σε ενισχυτικές ίνες σε σχέση με τη μέθοδο ψεκασμού Μακρύτερες ενισχυτικές ίνες, σε σχέση με τη μέθοδο ψεκασμού Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κατασκευές sandwich Τα βασικά μειονεκτήματα της μεθόδου είναι [22]: Η ανάμιξη της ρητίνης, τα συστατικά της επίστρωσης της ρητίνης και η ποιότητα της ρητίνης εξαρτώνται από την εμπειρία και τις ικανότητες του τεχνίτη. Πιο επικίνδυνη μέθοδος σε σχέση με την υγεία του ανθρώπου Οι ρητίνες πρέπει να έχουν χαμηλό ιξώδες προκειμένου να μπορούν να απλωθούν με το χέρι, το οποίο υποβαθμίζει τις χημικές / θερμικές τους ιδιότητες. Αρκετά χρονοβόρα μέθοδος Σελίδα 29 από 110

41 Η κατασκευή των τοιχωμάτων sandwich συνήθως πραγματοποιείται με τη μέθοδο επίστρωσης με το χέρι. Στο ενδιάμεσο υλικό (πυρήνας) απλώνεται ρητίνη και στη συνέχεια τοποθετείται επάνω στη μία πλευρά του τοιχώματος, του οποίου η ρητίνη δεν έχει πλήρως στερεοποιηθεί, και πιέζεται με βάρη τα οποία τοποθετούνται επάνω του (όπως σάκοι άμμου). Μετά τη στερεοποίηση η άλλη πλευρά του τοιχώματος γίνεται με απευθείας επίστρωση ρητίνης και ενισχυτικού υλικού επί του ενδιάμεσου υλικού. Για να συμπεριφερθεί η κατασκευή sandwich ως ενιαία, απαιτείται πολύ καλή συγκόλληση του πυρήνα με τα λεπτά τοιχώματα (περιβλήματα), η οποία εξασφαλίζεται με συγκολλητικές ουσίες, όπως πολυεστερικοί ή εποξικοί στόκοι και ακρυλική ουρεθάνη. Οι συνθήκες κατά την πραγματοποίηση των τριών προαναφερόμενων σταδίων διαμόρφωσης ενισχυμένων με ίνες πλαστικών σκαφών έχουν μεγάλη σημασία και πολλές φορές αποτελούν την αιτία για σοβαρές ζημιές σε αυτό [23]: Θερμοκρασία : Ο χρόνος στερεοποίησης των πολυεστερικών και εποξικών ρητινών εξαρτάται άμεσα από τη θερμοκρασία, η οποία για σοβαρές εν σειρά κατασκευές πρέπει να διατηρείται σταθερή στους 18 ο C ± 3 ο C. Σε κρύο περιβάλλον επιμηκύνεται ο χρόνος στερεοποίησης και γι αυτό το λόγο αυξάνεται το ποσοστό του καταλύτη, ενώ σε ζεστό περιβάλλον στερεοποιείται πολύ γρήγορα, οπότε μειώνεται το ποσοστό του καταλύτη (όχι όμως κάτω του 1%). Υγρασία : Το ποσοστό της υγρασίας δεν θα πρέπει να υπερβαίνει το 80%. Στις περιπτώσεις όπου η υγρασία υπερβαίνει το προαναφερόμενο όριο, υπάρχει ο κίνδυνος να σχηματισθούν συμπυκνώσεις στη στρωμάτωση με επακόλουθο την αποκόλληση. Αερισμός : Εάν κατά τη διάρκεια της διαμόρφωσης υπάρχει ρεύμα αέρος, είτε φυσικό είτε τεχνητό μέσω ανεμιστήρων, παρουσιάζεται αλλοίωση του χρόνου στερεοποίησης. Στερεοποίηση : Η κρισιμότερη περίοδος είναι οι πρώτες τρεις εβδομάδες, κατά την διάρκεια των οποίων, η κατασκευή θα πρέπει να μείνει σε περιβάλλον ελεγχόμενων συνθηκών [13] Μορφοποίηση με πίεση Οι μέθοδοι μορφοποίησης με πίεση (compression molding) χρησιμοποιούνται συνήθως για την κατασκευή σκαφών υψηλών επιδόσεων. Οι μέθοδοι αυτοί περιλαμβάνουν την άσκηση πίεσης στην επιφάνεια του μη στερεοποιημένου μίγματος ίνας ρητίνης, Σελίδα 30 από 110

42 προκειμένου να αυξηθεί η περιεκτικότητα σε ίνες, να δημιουργηθεί μία ομοιόμορφη επιφάνεια χωρίς κενά αέρος, να απομακρυνθεί η περίσσεια ρητίνης και να εμποτιστούν πλήρως οι ίνες από την ρητίνη. Συνήθως η επιβαλλόμενη πίεση συνοδεύεται και με επιβολή θερμότητας ώστε να μειωθεί ο χρόνος πολυμερισμού και σκλήρυνσης του μίγματος [23]. Οι μέθοδοι μορφοποίησης με πίεση απαιτούν ειδικό εξοπλισμό και είναι κατάλληλες για την παραγωγή μεγάλου αριθμού μικρών κατασκευών Μορφοποίηση με ασκό κενού (vacuum bag molding) H μορφοποίηση με ασκό κενού ουσιαστικά αποτελεί επέκταση της μεθόδου επίστρωσης με το χέρι. Κατά τη μέθοδο αυτή, πάνω από το καλούπι όπου έχει παρασκευασθεί το πολύστρωτο (στρώσεις μίγματος ενισχυτικών ινών ρητίνης ) και πριν τη στερεοποίησή του, τοποθετείται μία ελαστική μεμβράνη, η οποία αναφέρεται ως «ασκός». Κατόπιν κλείνεται αεροστεγώς στα άκρα με ειδικές ταινίες και με αντλία αναρροφάται ο αέρας που βρίσκεται ανάμεσα στον ασκό και το πολύστρωτο. Μετά την πλήρη απομάκρυνση του αέρα, η πίεση που εφαρμόζεται στο πολύστρωτο είναι 1 bar. Τέλος, το καλούπι μαζί με τον «ασκό» τοποθετούνται μέσα σε ειδικό φούρνο προκειμένου να επιτευχθεί η σκλήρυνση. Βέβαια, το τελευταίο στάδιο της διαδικασίας μορφοποίηση με ασκό κενού μπορεί να αποφευχθεί με τη χρήση θερμαινόμενου καλουπιού [24]. Τα βασικά πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι [22]: Μπορεί να επιτευχθεί υψηλότερη περιεκτικότητα σε ενισχυτικές ίνες σε σχέση με την απλή μέθοδο επίστρωσης με το χέρι. Επιτυγχάνεται μικρότερη περιεκτικότητα κενών Καλύτερη επίστρωση ινών λόγω της πίεσης Ο ασκός κενού μειώνει το ποσό των εκρηκτικών αερίων που εκπέμπονται κατά τη στερεοποίηση. Τα βασικά μειονεκτήματα της μεθόδου είναι [22]: Η επιπρόσθετη επεξεργασία απαιτεί επιπλέον εργασία Απαιτούνται τεχνίτες υψηλών επιδόσεων Η ανάμιξη και ο έλεγχος της ρητίνης εξαρτάται από τον τεχνίτη. Σελίδα 31 από 110

43 Σχήμα 2.5.: Μηχανισμός μορφοποίησης με ασκό κενού Επεξήγηση συμβόλων Σχήματος 2.5. : Peel Ply: θυσιαζόμενο όχι πυκνής πλέξης, υαλούφασμα, το οποίο τοποθετείται μεταξύ του πολύστρωτου και του υφάσματος απορρόφησης (breather cloth) για την παροχή καθαρής επιφάνειας απαραίτητης για επιπλέον επίστρωση. Breather cloth: υλικό χαλαρής πλέξης το οποίο χρησιμοποιείται για την παροχή ροής αέρα πάνω από το πολύστρωτο, ώστε να εξασφαλισθεί η ομοιόμορφη πίεση κενού πάνω στο πολύστρωτο. Release film: αποκολλητική ταινία Μορφοποίηση σε θερμαινόμενο θάλαμο πίεσης (autoclave molding) Η μέθοδος αυτή αποτελεί παραλλαγή των μεθόδων μορφοποίησης με ασκό κενού και ασκό πίεσης. Με τη διαδικασία μορφοποίησης σε θερμαινόμενο θάλαμο παράγονται πυκνά, ελεύθερα κενών πολύστρωτα λόγω των υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων που ασκούνται. Οι θερμαινόμενοι θάλαμοι πίεσης (autoclaves) ουσιαστικά είναι θάλαμοι άσκησης πίεσης και θερμοκρασίας, οι οποίοι διαθέτουν συστήματα αερίων χαμηλής πίεσης. Οι πιέσεις που ασκούνται κυμαίνονται από 50 έως 100 psi (~3.5 7 bar) και ο χρόνος που απαιτείται για τη σκλήρυνση είναι αρκετές ώρες [6]. Τα βασικά πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι [22]: Υψηλότερη περιεκτικότητα σε ενισχυτικές ίνες Επιτυγχάνεται μικρότερη περιεκτικότητα κενών Καλύτερη επίστρωση ινών λόγω της πίεσης Ο θάλαμος μειώνει το ποσό των εκρηκτικών αερίων που εκπέμπονται κατά τη στερεοποίηση. Σελίδα 32 από 110

44 Υψηλή ποιότητα τελικού προϊόντος Καλές μηχανικές ιδιότητες τελικού προϊόντος Τα βασικά μειονεκτήματα της μεθόδου είναι [22]: Η επιπρόσθετη επεξεργασία απαιτεί επιπλέον εργασία Το μέγεθος του θαλάμου περιορίζει το μέγεθος των κατασκευών Μέθοδος περιέλιξης ινών Η μέθοδος περιέλιξης ινών (filament winding) χρησιμοποιείται για την κατασκευή κυλινδρικών, σφαιρικών, κυκλικών και ημι σφαιρικών κατασκευών, όπως σωληνώσεις και δεξαμενές. Ο εξοπλισμός που απαιτείται για αυτή τη μέθοδο είναι ένα περιστρεφόμενο αξονικό καλούπι (mandrel), πάνω στο οποίο τυλίγονται πλεξίδες νημάτων ενισχυτικών ινών, οι οποίες είτε έχουν πρωτίστως εμποτιστεί σε μερικά στερεοποιημένη ρητίνη είτε διαποτίζονται με ρητίνη αμέσως μόλις τυλιχτούν στο καλούπι. Το καλούπι είναι κατασκευασμένο από χάλυβα λόγω των ισχυρών θλιπτικών τάσεων και των υψηλών θερμοκρασιών που δέχεται [23]. Η τροφοδοσία των πλεξίδων νημάτων πραγματοποιείται μέσω ενός βραχίονα, ο οποίος πηγαινοέρχεται κατά μήκος του περιστρεφόμενου καλουπιού. Με αυτόν τον τρόπο οι πλεξίδες νημάτων ενισχυτικών ινών τυλίγονται σε όλη την επιφάνεια του περιστρεφόμενου καλουπιού. Η ταχύτητα κίνησης του βραχίονα είναι συγκεκριμένη και σύγχρονη με την περιστροφή του καλουπιού. Παραλλαγή του προαναφερόμενου μηχανισμού συνίσταται σε ακίνητο καλούπι και περιστρεφόμενο βραχίονα. Η σκλήρυνση πραγματοποιείται είτε πάνω στο καλούπι, σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, είτε μέσα σε φούρνο, εάν απαιτούνται υψηλές θερμοκρασίες [18]. Σελίδα 33 από 110

45 Σχήμα 2.6.: Μηχανισμός μορφοποίησης με μέθοδο περιέλιξης ινών Μέθοδοι έγχυσης ρητίνης (infusion methods) Η διεργασία αυτή χρησιμοποιεί κλειστό καλούπι, όπου τοποθετείται αρχικά το μέσο ενίσχυσης. Στη συνέχεια, η ρητίνη εγχύεται (δηλαδή μεταφέρεται) στο καλούπι και εμπλουτίζει το ενισχυτικό μέσο. Στην απλούστερη περίπτωση αρκεί να χρησιμοποιηθεί ένα δοχείο πίεσης που περιέχει τη ρητίνη. Με εφαρμογή πίεσης στο δοχείο αυτό, η ρητίνη εξωθείται μέσω ενός σωλήνα που συνδέεται με το καλούπι στο σημείο έγχυσης [26]. Πίνακας 2.1.: Βασικά βήματα μηχανισμού της μεθόδου έγχυσης ρητίνης: 1. προσχηματισμός κατασκευής 2. επίστρωση ξηρού υαλουφάσματος ή υαλοπιλήματος 3. κλείσιμο θηλυκού & αρσενικού καλουπιού 4. τροφοδοσία ρητίνης με πίεση 5. αποκόλληση προϊόντος από το καλούπι και τελική επεξεργασία Σελίδα 34 από 110

46 Τα βασικά πλεονεκτήματα της μεθόδου είναι [22]: Υψηλότερη περιεκτικότητα σε ενισχυτικές ίνες Μείωση των επιπτώσεων που προκαλεί η ρητίνη στο περιβάλλον και την ανθρώπινη υγεία, λόγω του εγκλεισμού της ρητίνης σε κλειστό καλούπι, με αποτέλεσμα να αποφεύγονται οι επικίνδυνες εκπομπές αερίων. Πιθανή μείωση εργατοωρών Και οι δύο πλευρές του τελικού προϊόντος (εσωτερική και εξωτερική) έχουν καθορισμένη γεωμετρία και λεία επιφάνεια Παράγονται προϊόντα πολύ καλής ποιότητας Δυνατότητα επίστρωσης με επικαλυπτικό και από τις δύο πλευρές Τα βασικά μειονεκτήματα της μεθόδου είναι [22]: Ακριβός εξοπλισμός λόγω ανάγκης ύπαρξης ανθεκτικών και δύσκαμπτων καλουπιών Σχήμα 2.7.: Διάταξη μεθόδου εν κενώ έγχυσης ρητίνης [1] Σελίδα 35 από 110

47 Εικόνες 2.3.: Εφαρμογές της μεθόδου έγχυσης ρητίνης στη ναυπηγική [1] Άλλες μέθοδοι Άλλες μέθοδοι που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ενισχυμένων με ίνες πλαστικών προϊόντων, που χρησιμοποιούνται σπάνια στη ναυπηγική βιομηχανία είναι : Η μέθοδος μορφοποίησης με διαιρετό καλούπι (matched die molding) Η μέθοδος μορφοποίησης με έλξη (pultrusion) Επιγραμματικά, κατά την πρώτη μέθοδο χρησιμοποιείται ένα ζευγάρι καλουπιών, θηλυκό και αρσενικό, όπου το μη στερεοποιημένο σύνθετο υλικό συμπιέζεται μεταξύ τους με ταυτόχρονη επιβολή θερμότητας, εάν απαιτείται, ενώ η δεύτερη μέθοδος χρησιμοποιείται για την κατασκευή μορφοδοκών σταθερής διατομής από ενισχυμένα με ίνες πλαστικά [23]. Σελίδα 36 από 110

48 Κεφάλαιο 3: Ta πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί στην σχεδίαση και κατασκευή των ελαφρών σκαφών από ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά. Σύγκριση κόστους με άλλα υλικά και κύκλος ζωής Γενικά Η πρώτη απόπειρα κατασκευής σκάφους από ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά έγινε από το ναυτικό των Ηνωμένων Πολιτειών στις αρχές της δεκαετίας του 1940 [27]. Στη συνέχεια από το 1950 και μετά τα σύνθετα ενισχυμένα με ίνες γυαλιού χρησιμοποιούνταν όλο και περισσότερο. Χαρακτηριστικά αναφέρεται ότι στο Ηνωμένο Βασίλειο η χρήση των υλικών αυτών στα ελαφριά σκάφη αυξήθηκε από 4% το 1955 σε 80% της συνολικής παραγωγής το 1972 [28]. Σήμερα, τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στη ναυπηγική χάρη στα πολλά πλεονεκτήματά τους. Η επιτυχία των υλικών αυτών στο τομέα αυτό όπου το ξύλο ήταν παραδοσιακά το υλικό κατασκευής των σκαφών οφείλεται [29]: (α) (β) (γ) στο ανταγωνιστικό αρχικό κόστος, πρακτικά πολλές γάστρες μπορούν να παραχθούν από το ίδιο καλούπι, συγκρινόμενο με την διαρκή αύξηση των τιμών του ξύλου και την έλλειψη σε εξειδικευμένο προσωπικό, στη χωρίς προβλήματα εφαρμογή τους και στο χαμηλό κόστος συντήρησης, μιας και οι γάστρες από GRP δεν παρουσιάζουν διαρροές, δεν σαπίζουν, δεν απορροφούν μεγάλη ποσότητα νερού όσο οι ξύλινες κατασκευές, δεν επηρεάζονται από τους θαλάσσιους μικροοργανισμούς και έχουν χαμηλό κόστος επιδιόρθωσης, στην ευκολία κατά την κατασκευή σύνθετων σχημάτων, όπου υδροδυναμικοί, αισθητικοί ή κατασκευαστικοί λόγοι το απαιτούν. Βέβαια, ο σχεδιασμός και η κατασκευή των σκαφών από σύνθετα υλικά αποτελεί μεγάλη πρόκληση γιατί πρέπει να αντιμετωπιστεί το μοναδικό και αφιλόξενο θαλάσσιο περιβάλλον, δηλαδή η παρουσία του θαλασσινού νερού, της υγρασίας, των ακραίων θερμοκρασιών, τα κύματα, η υδροστατική πίεση και άλλοι παράγοντες. Επιπρόσθετα, η ναυπηγική σχεδίαση απαιτεί αντοχή σε μεγάλα δυναμικά φορτία όπως η επίδραση από όπλα, ή από τον αέρα ή την έκθεση κάτω από το νερό [30]. Σελίδα 37 από 110

49 3.2. Μηχανικές Ιδιότητες των ενισχυμένων με ίνες σύνθετων υλικών Πριν προχωρήσουμε στην ανάπτυξη του κεφαλαίου θα παραθέσουμε τις μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών που χρησιμοποιούνται στη ναυπηγική. Τα σύνθετα υλικά εμφανίζουν κυρίως ανισοτροπική συμπεριφορά, δηλαδή εμφανίζουν ιδιότητες που σε κάθε σημείο τους είναι διαφορετικές προς όλες τις διευθύνσεις. Τις περισσότερες φορές εμφανίζουν μόνο ορθοτροπικότητα, δηλαδή οι ιδιότητές τους σε κάθε σημείο τους είναι διαφορετικές σε τρεις κάθετες μεταξύ τους διευθύνσεις και, επιπρόσθετα, έχουν τρία κάθετα μεταξύ τους επίπεδα συμμετρίας. Μόνη εξαίρεση αποτελούν τα σύνθετα με ενίσχυση από CSM τα οποία εμφανίζουν ισοτροπική συμπεριφορά, λόγω του τυχαίου τρόπου με τον οποίο είναι τοποθετημένες οι ίνες εκ κατασκευής. Γενικά η μηχανική συμπεριφορά των σύνθετων είναι αρκετά διαφορετική από αυτή των συμβατικών ισοτροπικών υλικών (π.χ. χάλυβα). Επίσης, και ο τρόπος αστοχίας τους είναι διαφορετικός, αφού στα πολύστρωτα ελάσματα αστοχεί κάθε φορά και από μία τους στρώση, προκαλώντας στα ενδιάμεσα στάδια αλλαγές στην αντοχή και στη δυσκαμψία, οδηγώντας τελικά σε καταστροφική αστοχία. Η συμπεριφορά τους είναι γενικά ελαστική (στην πλειοψηφία των περιπτώσεων) μέχρι τη θραύση, όπως φαίνεται και στο Σχ [31], όπου η καμπύλη τάσεων (stress) παραμορφώσεων (strain), σ ε, που απεικονίζεται μπορεί να θεωρηθεί γραμμική χωρίς σημαντικό σφάλμα. Λεπτομερέστερη ανάλυση απαιτεί τη θεώρηση κάποιας μορφής ελαστικότητας ή/και ιξωδοελαστικότητας. τάση (ΜPa) παραμόρφωση (%) Σχήμα 3.1. Τυπική καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων ενός μονοαξονικού σύνθετου υλικού. Σελίδα 38 από 110

50 Άλλα χαρακτηριστικά γνωρίσματα των σύνθετων υλικών είναι η μικρότερη δυσκαμψία τους σε σχέση με τα μεταλλικά υλικά που χρησιμοποιούνται στην ναυπηγική και το γεγονός ότι οι τιμές αντοχής και δυσκαμψίας που παρουσιάζουν είναι διαφορετικές σε συνθήκες εφελκυσμού, θλίψης ή κάμψης. Οι μηχανικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού με ινώδη ενίσχυση εξαρτώνται όχι μόνο από τις ιδιότητες της ίνας αλλά και από το βαθμό κατά τον οποίο η εφαρμογή ενός φορτίου μεταφέρεται στις ίνες μέσω της πολυμερικής μήτρας. Η μεταφορά αυτή εξαρτάται από το διεπιφανειακό δεσμό μεταξύ μήτρας και ίνας. Υπό την επίδραση τάσης, ο δεσμός αυτός παύει στα άκρα της ίνας, με αποτέλεσμα να αναπτύσσεται πεδίο παραμόρφωσης στη μήτρα όπως φαίνεται στο Σχ.3.2., όπου δεν μεταφέρεται φορτίο από τη μήτρα στα άκρα της ίνας. Σχήμα 3.2.: Πεδίο παραμόρφωσης σε μήτρα που περιβάλλει ίνα, η οποία υφίσταται εφαρμοσμένη φόρτιση εφελκυσμού. Για την αποτελεσματική ενίσχυση της μήτρας, χρειάζεται να υπάρχει κάποιο κρίσιμο μήκος της ίνας lc, που εξαρτάται από τη διάμετρο της ίνας d και την αντοχή σε εφελκυσμό σ f, και από την αντοχή του δεσμού μήτρας ίνας (ή αντίστοιχα το όριο διαρροής της μήτρας) τ c σύμφωνα με τη σχέση: (3.1) Για αρκετούς συνδυασμούς ινών υάλου και ινών άνθρακα σε πολυμερική μήτρα, το κρίσιμο μήκος είναι της τάξης του 1 mm, το οποίο είναι περίπου μεταξύ 20 και 150 φορές την διάμετρο της ίνας. Σελίδα 39 από 110

51 Οι μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών σε σχέση με αυτές του χάλυβα διακρίνονται στον πίνακα 3.1. Πίνακας 3.1.: Μηχανικές ιδιότητες ινών και χάλυβα [32] Σύνθετα υλικά με ίνες από: Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Παραμόρφωση θραύσης σε ποσοστό (%) Γυαλί 50 3 Aramid Άνθρακας ,5 Χάλυβας Η παραμόρφωση διαρροής του χάλυβα είναι περίπου 0,2%. Η εφελκυστική αντοχή που είναι της τάξης των MPa σε βραχυχρόνια φόρτιση, μειώνεται στο 40%, 50%, και 85% της αρχικής τιμής για ίνες γυαλιού, aramid και άνθρακα αντίστοιχα [32]. Στα σύνθετα υλικά ιδιαίτερα η δυσθραυστότητα εκφράζει την ενέργεια που απορροφάται μέσω διαφόρων μηχανισμών. Για παράδειγμα, κατά τη διάδοση ρωγμής σε κάποιο σύνθετο ενδέχεται να παρατηρηθούν διάφοροι μηχανισμοί αστοχίας όπως διεπιφανειακή αποκόλληση, τριβή μετά την αποκόλληση, ανακατανομή τάσεων, εξόλκηση ινών ή δημιουργία νέας επιφάνειας μαζί με την αντίστοιχη έκφραση απορρόφησης ενέργειας. Φυσικά, οι μηχανισμοί αυτοί δεν δρουν πάντα ταυτόχρονα, και αναφέρονται αντιφατικές απόψεις σχετικά με τη συμβολή τους στη δυσθραυστότητα. Οι αντιφάσεις αυτές οφείλονται στους διαφορετικούς τύπους συνθέτων που έχουν εξεταστεί, στην ποικιλία των μεθόδων δοκιμής και τις διάφορες γεωμετρίες των δοκιμίων που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της δυσθραυστότητας. Επομένως, δεν υπάρχει μια συγκεκριμένη θεωρία για την πρόβλεψη της δυσθραυστότητας για όλους τους τύπους συνθέτων [33]. Πρακτικά, η δυσθραυστότητα ενός υλικού έχει μεγαλύτερη σημασία όταν το υλικό φορτίζεται απότομα. Η αντοχή των πολυμερών στην ταχεία φόρτιση (επιβολή τάσης με πολύ υψηλό ρυθμό παραμόρφωσης), δηλαδή η αντοχή σε κρούση (impact strength) είναι μια από τις σημαντικότερες ιδιότητές τους. Η αντοχή σε κρούση εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ικανότητα παραμόρφωσης του υλικού. Έτσι, υλικά με υψηλή παραμόρφωση έχουν γενικά καλή αντοχή σε κρούση, ιδιαίτερα αν εμφανίζουν και υψηλή αντοχή. Δεν πρόκειται, πάντως, για ενδογενή ιδιότητα του πλαστικού, καθώς επηρεάζεται και από πλήθος εξωτερικών παραγόντων όπως η θερμοκρασία, ο ρυθμός παραμόρφωσης, το Σελίδα 40 από 110

52 σύστημα τάσεων, η ανισοτροπία, η γεωμετρία του δοκιμίου, κλπ. Έτσι, τα αποτελέσματα των δοκιμίων κρούσης έχουν έναν μάλλον εμπειρικό χαρακτήρα και χρησιμοποιούνται για σύγκριση πλαστικών [34] Πλεονεκτήματα στη χρήση των σύνθετων υλικών στα ελαφριά σκάφη Βάρος Το βάρος της κατασκευής ενός σκάφους από σύνθετα υλικά είναι κατά πολύ μικρότερο από εκείνης ίδιου μεγέθους ξύλινης ή μεταλλικής, και μάλιστα μπορεί να φτάσει μέχρι το 50% έως 60 % του βάρους αυτών. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των κατασκευών από σύνθετα υλικά είναι το μικρό τους βάρος, πιστοποιούμενο από τις υψηλές ειδικές ιδιότητες (λόγος τιμής ιδιότητας προς ειδικό βάρος), βλ. Πίνακα 3.2. Η δυνατότητα τοποθέτησης των ενισχυτικών ινών ακριβώς στα σημεία που χρειάζονται (π.χ. στις διευθύνσεις των επιβαλλόμενων φορτίων.), χρησιμοποιώντας με αυτόν τον τρόπο το λιγότερο αναγκαίο υλικό περιορίζει το βάρος της κατασκευής [35]. Πίνακας 3.2.: Η πυκνότητα διάφορων υλικών [35] Υλικό Πυκνότητα ρ (g.cm 3 ) Χάλυβας 7.8 Τιτάνιο 4.5 Αλουμίνιο 2.8 CFRP Υψηλή αντοχή και δυνατότητα προσανατολισμού των κύριων διευθύνσεων Οι ενισχυτικές ίνες κατά τη διαμόρφωση της κατασκευής με αλλεπάλληλα στρώματα μπορούν να προσανατολιστούν προς τη μία διεύθυνση με τις μεγαλύτερες τάσεις με τέτοιο τρόπο ώστε ο μελετητής να ενισχύσει εκείνα τα μέρη που απαιτούνται, χρησιμοποιώντας έτσι το λιγότερο αναγκαίο υλικό και περιορίζοντας συνεπώς το βάρος της κατασκευής. Ο ρόλος των ινών στα πολύστρωτα σύνθετα υλικά θα αναφερθεί σε επόμενο κεφάλαιο αναλυτικότερα. Σελίδα 41 από 110

53 Αντίσταση στο θαλάσσιο περιβάλλον Σε επαφή με το θαλάσσιο περιβάλλον τα ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά δεν οξειδώνονται (δηλαδή δεν μειώνεται το πάχος τους, όπως συμβαίνει στα μέταλλα), δεν σαπίζουν (όπως συμβαίνει στο ξύλο) και γενικά δεν αλλοιώνονται ακόμα και αν εκτεθούν για μεγάλη χρονική περίοδο σε θαλάσσιο περιβάλλον. Την επίδραση του θαλασσινού νερού στα σκάφη θα αναλύσουμε εκτενέστερα στο 5 ο κεφάλαιο Κόστος Τα σκάφη από ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά κατασκευάζονται με τη βοήθεια καλουπιού (ανοικτού ή κλειστού, ανάλογα με τη μέθοδο διαμόρφωσης), σαν ένα αυτόνομο κομμάτι, συνεπώς δεν υπάρχουν εξωτερικές ραφές & συγκολλήσεις στην κατασκευή. Έτσι με ένα καλούπι κατασκευάζονται πολλά σκάφη, χωρίς την απαίτηση εξειδικευμένου προσωπικού (οικονομία κατά την κατασκευή). Το κόστος της κατασκευής εξαρτάται από τον αριθμό όμοιων σκαφών που θα κατασκευαστούν από το ίδιο καλούπι, αφού η ίδια η κατασκευή του καλουπιού κοστίζει πολύ, η κατασκευή ενός και μόνο σκάφους είναι αντιοικονομική σε σχέση με τη χρήση άλλων υλικών. Για παραγωγή, όμως, μεγάλου αριθμού σκαφών από το ίδιο καλούπι, το τελικό κόστος καθενός από αυτά είναι λίγο μεγαλύτερο από αυτό ενός όμοιου ξύλινου ή χαλύβδινου. Επίσης, η χρήση του καλουπιού δίδει τη δυνατότητα παραγωγής κατασκευών με αρκετά ιδιόμορφο σχήμα [36]. Εξαιτίας της αντιδιαβρωτικής ιδιότητάς τους έχουν χαμηλό κόστος συντήρησης, εφόσον πρόκειται για μικρά σκάφη. Δεν απαιτούνται ραφές και συγκολλήσεις στις κατασκευές από σύνθετα μειώνοντας επομένως το κόστος, έχουν πολύ καλά χαρακτηριστικά απόσβεσης περιορίζοντας τη μετάδοση ήχων και κραδασμών, σχετικά εύκολη επισκευασιμότητα, μικρή συντήρηση και σχετικά φθηνότερο μηχανολογικό εξοπλισμό για την παραγωγή κατασκευών σε σχέση με αυτόν που απαιτείται για μεταλλικές κατασκευές [37]. Τα σκάφη από ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά επισκευάζονται πολύ πιο εύκολα από αυτά που είναι κατασκευασμένα από χάλυβα, αφού δεν χρειάζεται ειδικός μηχανολογικός εξοπλισμός και μερικές φορές ούτε καν ηλεκτρική ενέργεια [38]. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα διαφόρων σχετικών ερευνών συμπεραίνεται ότι οι ιδιότητες των ενισχυμένων με ίνες σύνθετων υλικών δεν μειώνονται ως και 15 χρόνια μετά την κατασκευή τους. Σελίδα 42 από 110

54 Εξαιρετική συμπεριφορά έναντι των χημικών ενώσεων Τα ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά δεν επηρεάζονται από τα διάφορα πετρελαιοειδή και χημικά (όπως οξέα, αλκάλια, ενυδατωμένα άλατα, οξειδωτικά μέσα και οργανικές ενώσεις) των ποταμών και λιμανιών και δεν υπόκεινται σε ηλεκτρόλυση, χρειάζονται όμως προστασία από τα λίπη και τους θαλάσσιους οργανισμούς, γι αυτόν τον λόγο βάφονται με αντιρρυπαντικό υφαλόχρωμα [39]. Τα GFRP έχουν συντελεστή θερμικής διαστολής συγκρίσιμο των μετάλλων, ενώ τα CFRP θερμική αγωγιμότητα συγκρίσιμη του χάλυβα, ενώ γενικά τα F.R.P. εξαιρετική αντοχή σε κόπωση (ιδίως τα CFRP), και είναι κακοί αγωγοί του ηλεκτρισμού [40] Ευκαμψία Απόσβεση Η ευκαμψία των κατασκευών από ενισχυμένα με ίνες σύνθετων υλικών άλλοτε αποτελεί πλεονέκτημα και άλλοτε μειονέκτημα. Στις περιοχές της κατασκευής όπου ζητείται το υλικό να απορροφά μεγάλα ποσά ενέργειας, δηλαδή μεγάλες παραμορφώσεις, χωρίς να αστοχεί κρίνεται ωφέλιμη η χρήση των ενισχυμένων με ίνες πλαστικών, τα οποία διαθέτουν χαμηλό μέτρο ελαστικότητας. Η χρήση τους, όμως, στις περιοχές εκείνες της κατασκευής που ζητείται μεγάλη δυσκαμψία, όπως οι εδράσεις των κυρίων μηχανών και ελίκων, δεν ενδείκνυται αφού υπάρχει η πιθανότητα να εμφανισθούν προβλήματα κραδασμών. Γι αυτό το λόγο θα πρέπει να προβλεφθούν οι κατάλληλες ενισχύσεις, ή να χρησιμοποιηθούν χαλύβδινες εδράσεις που συνδέονται κατάλληλα με την υπόλοιπη κατασκευή από σύνθετο. Τα F.R.P. διαθέτουν, εκ κατασκευής, πολύ καλά χαρακτηριστικά απόσβεσης περιορίζοντας την μετάδοση θορύβων και κραδασμών από τις μηχανές, το αξονικό σύστημα και την έλικα του σκάφους. Τα ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά έχουν εξαιρετική συμπεριφορά σε καταστάσεις κόπωσης (ιδίως εκείνα με ίνες άνθρακα), κρούσης και σε διάδοση ρωγμών, η οποία περιορίζεται από την ύπαρξη της ρητίνης. Σελίδα 43 από 110

55 3.4. Ανάλυση κόστους κατασκευής μικρού σκάφους από σύνθετα υλικά Είναι δύσκολο να αναλυθεί οικονομικά το κόστος ενός μικρού σκάφους. Η τιμή που πληρώνει ο τελικός αγοραστής πολλές φορές δεν ανταποκρίνεται στο πραγματικό κόστος του σκάφους μιας και μέσα σε αυτή περιλαμβάνεται το εμπορικό κόστος, η διαφήμιση ακόμα και το κόστος των ενδιάμεσων (πωλητές αντιπρόσωποι) που μεσολαβούν μέχρι να καταλήξει το σκάφος στα χέρια του τελικού χρήστη. Παρακάτω θα παρατεθούν οι επιμέρους παράγοντες που επηρεάζουν το κόστος κατασκευής ενός μικρού σκάφους από σύνθετα υλικά π.χ. FRP: [41] (α) Υλικά κατασκευής: Οι τιμές των υλικών κατασκευής επηρεάζονται από παράγοντες όπως η ποιότητα των υλικών, τις ποσότητες των υλικών που αγοράζονται από την εκάστοτε βιομηχανία, την τοποθεσία του εργοστασίου (κόστος μεταφορικών κ.τ.λ.), την οικονομική ευρωστία της βιομηχανίας (δυνατότητα διαπραγμάτευσης των τιμών κτλ). Βέβαια όταν υπολογίζεται το κόστος των υλικών πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι έχουμε απώλεια κατά περίπου 10% κατά την κατασκευή (wastage). (β) Εργατικά: Το κόστος εργασίας ποικίλει από περιοχή σε περιοχή και από χρονιά σε χρονιά. Η παραγωγικότητα της εργασίας εξαρτάται από τον βαθμό αυτοματοποίησης της παραγωγής του εργοστασίου, την εξειδίκευση του προσωπικού, την ποικιλία των διαφορετικών σκαφών που κατασκευάζονται και τις απαιτήσεις στην ποιότητα που έχει η κάθε κατασκευή. (γ) Λειτουργικές δαπάνες: Οι λειτουργικές δαπάνες ενός εργοστασίου υπολογίζονται σαν ποσοστό της παραγωγής, και εξαρτώνται από τα βαθμό αυτοματοποίησης της γραμμής παραγωγής, τα πάγια κέρδη, την διαφήμιση, το ποσοστό του εξειδικευμένου προσωπικού που απαιτείται, τα κεφάλαια που επενδύονται κτλ. (δ) Εξοπλισμός: Το κόστος του εξοπλισμού μιας γραμμής παραγωγής ενός εργοστασίου μικρών σκαφών μπορεί να αποσβεσθεί αν λειτουργεί ικανοποιητικές ώρες και παράγει μεγάλο αριθμό σκαφών. Σελίδα 44 από 110

56 Διάγραμμα 3.1.: Σχηματική αναπαράσταση των επιμέρους παραγόντων για την εκτίμηση του κόστους κατασκευής ενός σκάφους [42] Σύγκριση του κόστους κατασκευής σκαφών από FRP με άλλα υλικά κατασκευής [41] Δεν υπάρχει σαφή απάντηση στη σύγκριση του κόστους κατασκευής των ελαφριών σκαφών από FRP με τα άλλα ανταγωνιστικά υλικά. Πρέπει να ληφθούν υπόψη πολλοί παράγοντες και η συνολική εικόνα για την οικονομική καταλληλότητα ενός υλικού διαμορφώνεται εάν συνυπολογιστεί το κόστος συντήρησης, επιδιόρθωσης και ανακύκλωσής του. Το FRP συμφέρει λιγότερο στην κατασκευή των μικρών βαρκών με κουπιά από ότι το κόντρα πλακέ, το οποίο ενδείκνυται για κατασκευή επίπεδων επιφανειών με περιορισμό βέβαια, ότι ο κίνδυνος για εκτροπή και για επαφή του κόντρα πλακέ στο νερό είναι πολύ μικρός. Οι κατασκευές με φύλλα αλουμινίου είναι λιγότερο δαπανηρές απ ότι με FRP στα κανό και στις μικρές βάρκες με κουπιά γεγονός που ανατρέπεται όταν μιλάμε για παχύτερο αλουμίνιο το οποίο απαιτεί ακριβότερα καλούπια και τεχνικές συγκόλλησης. Η έλλειψη υψηλής ποιότητας ξύλου και εξειδικευμένου προσωπικού επιφέρουν μειονέκτημα στην κατασκευή μεγαλύτερων γαστρών από αυτό το υλικό. Οι κατασκευές Σελίδα 45 από 110

57 τέτοιων γαστρών από αλουμίνιο και FRP είναι πιο ανταγωνιστικές. Το αλουμίνιο υπερισχύει έναντι του FRP, διότι δεν απαιτείται ο εξοπλισμός κατασκευής υψηλού κόστους του FRP. Πρόσφατες βελτιώσεις σε εξοπλισμό κατασκευής χαμηλού κόστους για τα σκάφη από FRP μειώνουν αυτό το πλεονέκτημα. Η εμπειρία σε μεγάλα αλιευτικά σκάφη (20 25 m) έχει δείξει ότι η κατασκευή τους με ξύλο είναι η λιγότερο δαπανηρή, ακολουθεί αυτή από χάλυβα και έπονται το αλουμίνιο και το fiberglass στο ίδιο περίπου κόστος Ανακύκλωση των σύνθετων υλικών [43] Οι εφαρμογές των συνθέτων υλικών, τόσο για στρατιωτικούς όσο και για πολιτικούς σκοπούς, συνεχώς αυξάνονται. Κατά συνέπεια ο όγκος των υλικών αυτών που χρησιμοποιούνται τώρα και θα πρέπει να αποσυρθούν αργότερα συνεχώς μεγαλώνει. Η αύξηση αυτή δημιουργεί την ανάγκη να βρεθεί ένας τρόπος ώστε τα υλικά αυτά να μπορούν να ανακυκλωθούν με μια βιώσιμη οικονομικά μέθοδο και ασφαλή για το περιβάλλον. Η ανακύκλωση αποτελεί τη μόνη λύση στο πρόβλημα της διάθεσης των χρησιμοποιημένων συνθέτων υλικών, ιδιαίτερα για τα ανθρακονήματα της προηγουμένης γενιάς όπου οι ίνες είχαν επικάλυψη "hexavalent chromium (εξασθενούς χρωμίου)", κάτι που τα κατατάσσει στα επικίνδυνα απόβλητα και δεν επιτρέπει να εναποτεθούν στη γη. Οι ήδη υπάρχουσες τεχνικές και διαδικασίες που υπάρχουν για τα μέταλλα δεν είναι δυνατόν να εφαρμοστούν στα σύνθετα υλικά λόγω της φύσης τους. Το πρώτο πρόβλημα που πρέπει να ξεπεραστεί είναι ο διαχωρισμός των τμημάτων μιας κατασκευής που είναι κατασκευασμένα με σύνθετα υλικά, μιας και είναι απίθανο ολόκληρη η κατασκευή να μην περιέχει μεταλλικά στοιχεία. Όμως το πιο σημαντικό πρόβλημα που πρέπει να λυθεί είναι το πως θα εξαχθούν οι ίνες άνθρακα μέσα από το σύνθετο υλικό. Όλες οι προσπάθειες ανακύκλωσης συνθέτων υλικών στο παρελθόν είχαν επικεντρωθεί στον τεμαχισμό τους σε συγκεκριμένα μεγέθη. Τα προϊόντα του τεμαχισμού χρησιμοποιούνταν στην κατασκευή συνθέτων με σωματίδια. Η πυρόλυση ήταν και αυτή μια μέθοδος που είχε δοκιμαστεί. Με αυτή την μέθοδο το σύνθετο μετατρεπόταν σε σκόνη. Όμως η πυρόλυση μπορεί να εφαρμοστεί σε συγκεκριμένους τύπους ρητίνης και όχι στο σύνολο. Άλλος ένας τρόπος διάσπασης του μητρικού υλικού είναι με την έκθεση ολόκληρου του συνθέτου σε διαβρωτικό περιβάλλον, όπως οξέα, όπου η μήτρα διαλύεται και παραμένουν οι ίνες μόνο. Όμως η μέθοδος αυτή, από περιβαντολλογική σκοπιά, δεν έχει Σελίδα 46 από 110

58 κάποια πρακτική, γιατί τα χημικά που χρησιμοποιούνται είναι καταστροφικά για το περιβάλλον και τα προϊόντα αυτής της μεθόδου θέλουν περαιτέρω επεξεργασία. Το 1992 άρχισε να μελετάται μια μέθοδος καταλυτικής μετατροπής των πλαστικών και των συνθέτων. Αυτή η μέθοδος ανακύκλωσης είναι πάρα πολύ αποδοτική μια και τα προϊόντα της είναι άμεσα υλικά προς χρήση, όπως διάφορα χημικά ή καύσιμα. Η επεξεργασία πραγματοποιείται σε ειδικούς καταλυτικούς αντιδραστήρες, όπως αυτός που φαίνεται παρακάτω. Στην συνέχεια παραλαμβάνουμε τις ίνες άνθρακα οι οποίες διατίθενται στην αγορά σαν τεμαχισμένες ίνες (chopped fibers) με εφαρμογές οπουδήποτε δεν χρειάζονται συνεχείς ίνες, η μορφή τους παρουσιάζεται παρακάτω. Οι ιδιότητες που έχουν αυτές οι ίνες είναι σχεδόν παρόμοιες και διατίθενται στην αγορά στο μισό κόστος από τις αντίστοιχες συνεχείς ίνες. Εικόνα 3.1. Ανακύκλωση των σύνθετων υλικών 3.7. Περιορισμοί και μειονεκτήματα στην σχεδίαση, κατασκευή και λειτουργία ελαφρών σκαφών από ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά Γενικά Τα ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά (ιδίως τα σύνθετα με ενίσχυση ινών γυαλιού) έχουν την τάση να παρουσιάζουν το φαινόμενο του ερπυσμού, δηλαδή μία ιξώδης ροή όταν η φόρτιση εφαρμόζεται για μεγάλο χρονικό διάστημα και σε θερμοκρασία μεγαλύτερη του περιβάλλοντος. Το φαινόμενο αυτό θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη κατά τη σχεδίαση του σκάφους, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι μόνιμες καμπτικές ροπές στην γάστρα. Σελίδα 47 από 110

59 Τα ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά δεν είναι όλκιμα, δεν παρουσιάζουν δηλαδή πλαστική περιοχή και η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων τους είναι γραμμική μέχρι τη θραύση. Συνεπώς, πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή ώστε να λαμβάνονται υπόψη όλα τα φορτία κατά τη σχεδίαση. Η επιθεώρηση των πλαστικών σκαφών περιλαμβάνει την επιθεώρηση όλης της επιφάνειας τους σκάφους και όχι μόνο την επιθεώρηση των ραφών και των συγκολλήσεων και της ΘΕΖ (θερμικά επηρεαζόμενης ζώνης) μεταλλικά σκάφη. που συνήθως πραγματοποιείται στα Τα FRP δεν είναι ανθεκτικά στις φορτίσεις που προκαλούν επιφανειακή τριβή και γι αυτό το λόγο τοποθετούνται προστατευτικά στις επιφάνειες όπου μπορεί να εμφανισθεί φθορά λόγω τέτοιων φορτίσεων. Επιπρόσθετα, τα ενισχυμένα με ίνες πλαστικά είναι εύφλεκτα υλικά λόγω ρητίνης. Υπάρχουν, όμως, ρητίνες (φαινολικές ρητίνες) που επιβραδύνουν την καύση, αλλά όχι τελείως. Οι ρητίνες αυτές όμως, χάνουν και την αντοχή τους με την ανάπτυξη υψηλών θερμοκρασιών. Στα πλαστικά σκάφη είναι δυσκολότερη η σύνδεση και η εγκατάσταση εξαρτημάτων σε σχέση με τα μεταλλικά σκάφη. Η διαδικασία σύνδεσης και εγκατάστασης απαιτεί προσεκτική σχεδίαση των κατασκευαστικών λεπτομερειών, με αποτέλεσμα να αυξάνεται το κόστος και η πιθανότητα τοπικής αστοχίας Ερπυσμός Συχνά, κατασκευαστικά στοιχεία των πλοίων απαιτούνται να φέρουν φορτία για μεγάλες χρονικές περιόδους. Παράδειγμα ναυπηγικών κατασκευών υποκείμενων σε μακροχρόνιες τάσεις είναι τα υπερστεγάσματα και οι εδράσεις των μηχανών. Καθώς τα περισσότερα προβλήματα των ναυπηγικών κατασκευών από σύνθετα υλικά είναι προβλήματα που περιορίζονται από μια επιτρεπόμενη παραμόρφωση, ο ερπυσμός απασχολεί αρκετά τους σχεδιαστές, ιδίως κατά μήκος του άξονα πρόωσης, όπου η διατήρηση της ευθυγράμμισης είναι κρίσιμη [6]. Ο ερπυσμός μπορεί να οριστεί ως η αύξηση των παραμορφώσεων που αναπτύσσονται σε ένα υλικό σε μία χρονική περίοδο, όταν βρίσκεται υπό την επίδραση σταθερής τάσης. Εναλλακτικά, μπορεί να οριστεί ως η χαλάρωση των τάσεων υπό συνθήκες σταθερής παραμόρφωσης. Κατά τον ερπυσμό των πολύστρωτων από FRP με Σελίδα 48 από 110

60 θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες όταν τα φορτία είναι μέσου μεγέθους και απομακρυνθούν, συμβαίνει χαλάρωση του ερπυσμού, δηλαδή, προοδευτική εξαφάνιση των παραμορφώσεων. Όταν όμως τα φορτία έχουν μεγάλες τιμές, μετά την απομάκρυνση τους υπάρχουν παραμένουσες παραμορφώσεις, οφειλόμενες σε ρηγμάτωση της ρητίνης και αποκόλληση των ινών. Αστοχία λόγω ερπυσμού μπορεί να συμβεί για τάσεις αρκετά μικρότερες από την τάση θραύσης σε βραχυπρόθεσμο φορτίο [29]. Όπως και στα μέταλλα, ο ερπυσμός στα FRP επιδεινώνεται από τις υψηλές θερμοκρασίες (σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από αυτές του περιβάλλοντος παρουσιάζουν αύξηση της ιξώδους ροής) [13]. Επιπρόσθετα, η αντοχή σε εφελκυσμό και κάμψη των GFRP υπό την επίδραση παρατεταμένων φορτίων μπορεί να επηρεαστεί πολύ από τυχόν βύθιση στο νερό ή σε οξέα. Ο βαθμός της επίδρασης αυτής εξαρτάται βασικά από τον τύπο του γυαλιού και της ρητίνης. Στην περίπτωση των φορτίων μικρής διάρκειας που ασκούνται σε μία ναυπηγική κατασκευή από π.χ. τη δράση των κυματισμών, κραδασμούς, κρούσεις ή λόγω του οπλισμού, ο ερπυσμός μπορεί να αγνοηθεί. Σημαντικά όμως φαινόμενα ερπυσμού μπορούν να παρουσιαστούν σε κατασκευαστικά στοιχεία που εκτίθενται ταυτόχρονα σε αυξημένες θερμοκρασίες (π.χ. τα καταστρώματα κάτω από τον τροπικό ήλιο) και σε μακροχρόνια φορτία (π.χ. κάμψη της γάστρας ως δοκού ή συγκεντρωμένα φορτία από τις μηχανές). Ακόμη ο ερπυσμός και ο λυγισμός λόγω του ερπυσμού πρέπει να ληφθούν προσεκτικά υπόψη στη σχεδίαση υποβρυχίων σκαφών που υπόκεινται για μεγάλα χρονικά διαστήματα σε μεγάλες υδροστατικές πιέσεις [6] Έλλειψη ολκιμότητας Τα ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά πλαστικά δεν είναι όλκιμα, δεν παρουσιάζουν δηλαδή πλαστική περιοχή και η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων τους είναι γραμμική μέχρι τη θραύση. Συνεπώς, πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή ώστε να λαμβάνονται υπόψη όλα τα φορτία κατά τη σχεδίαση. Στα περισσότερα ενισχυμένα πολυμερή παρατηρείται το φαινόμενο θραύσης, λόγω εντατικής κατάστασης υπό διατηρούμενη φόρτιση. Η διάβρωση λόγω εντατικής κατάστασης συμβαίνει όταν η ατμόσφαιρα, που περιβάλλει το σύνθετο υλικό, περιέχει διαβρωτικά στοιχεία, αλλά όχι επαρκή ώστε να προκαλέσουν διάβρωση του υλικού, χωρίς την ταυτόχρονη δράση διατηρούμενης φόρτισης. Τα δύο φαινόμενα σχετίζονται με τον χρόνο έκθεσης, το επίπεδο της έντασης, τον περιβάλλοντα χώρο, τη μήτρα και τις ίνες του Σελίδα 49 από 110

61 σύνθετου υλικού. Η αστοχία, που οφείλεται στα φαινόμενα αυτά, κρίνεται πρώιμη, καθώς το ενισχυμένο πολυμερές αστοχεί για επίπεδο έντασης σαφώς μικρότερο από την αντοχή του. Η ποιότητα της μήτρας που χρησιμοποιείται έχει πολύ σημαντική επίδραση στο χρόνο που θα εκδηλωθεί η αστοχία και στο επίπεδο της έντασης, που μπορεί να φέρει το υλικό. Συνήθως συστήματα με εποξειδικές ρητίνες είναι δύο έως τέσσερις τάξεις μεγέθους πιο ανθεκτικά από αντίστοιχα συστήματα, που περιέχουν άλλη κατηγορία ρητίνης. Επίσης, οι βινυλεστερικές ρητίνες εμφανίζουν κατά κανόνα μεγαλύτερη ευπάθεια σε θραύση και διάβρωση, λόγω διατηρούμενης έντασης, από τις πολυεστερικές. Όσον αφορά στις ίνες, τα σύνθετα υλικά με ίνες άνθρακα παρουσιάζουν καλύτερη συμπεριφορά όταν χρησιμοποιούνται για την ανάληψη μονίμων φορτίων Εύφλεκτα Τα ενισχυμένα με ίνες πλαστικά είναι εύφλεκτα υλικά λόγω ρητίνης. Υπάρχουν, όμως, ρητίνες (φαινολικές ρητίνες) που επιβραδύνουν την καύση, αλλά όχι τελείως. Οι ρητίνες αυτές όμως, χάνουν και την αντοχή τους με την ανάπτυξη υψηλών θερμοκρασιών (χαλάρωση τάσεων). Στις ρητίνες μπορούν να αναμειχθούν ορισμένα πρόσθετα όπως τριοξείδιο του αντιμονίου το οποίο αυξάνει την αντοχή στη φωτιά [13] Συμπεριφορά των συνθέτων υλικών στην πυρκαγιά Τα GFRP με πολυεστερική ρητίνη καίγονται σιγά στον αέρα, εκπέμποντας άφθονο μαύρο καπνό, αλλά οι φλόγες κατασβήνονται εύκολα με νερό ή έλλειψη οξυγόνου. Με παρόμοιο τρόπο συμπεριφέρονται τα πολύστρωτα με βινυλεστερική ή εποξική ρητίνη. Τα GFRP με φαινολικές ρητίνες έχουν σημαντικά υψηλότερη θερμοκρασία ανάφλεξης και εκπέμπουν πολύ λιγότερο καπνό, γεγονότα που τα καταστούν καταλληλότερα για εσωτερικούς φράκτες και καταστρώματα. Στην περίπτωση που η ρητίνη καίγεται από την επιφάνεια ενός πολύστρωτου, φαίνεται ότι οι εκτεθειμένες στρώσεις από ίνες γυαλιού ή άνθρακα διαμορφώνουν ένα συνεκτικό μονωτικό φράγμα, παρέχοντας κάποια προστασία στις υποκείμενες στρώσεις. Στις ίδιες συνθήκες, εκτεθειμένες στρώσεις από υαλοπίλημα έχουν την τάση να αποκολληθούν και από τις κατακόρυφες επιφάνειες και τις οροφές. Λόγω της χαμηλής θερμικής αγωγιμότητας του, το GFRP περιορίζει τη θερμοκρασία και γενικότητα την Σελίδα 50 από 110

62 επέκταση των βλαβών από τη φωτιά. Η εν γένει συμπεριφορά των FRP σε συνθήκες πυρκαγιάς μπορεί να βελτιωθεί με την προσθήκη διάφορων ουσιών στις ρητίνες με αμφίβολα όμως αποτελέσματα όσον αφορά τη διατήρηση των καλών μηχανικών ιδιοτήτων [6]. Τα πολύστρωτα sandwich παρέχουν ιδιαίτερα καλή θερμική μόνωση, πρέπει όμως να είμαστε προσεκτικοί στην επιλογή του πυρήνα, των περιβλημάτων και του συγκολλητικού υλικού. Τα περιβλήματα τα οποία συχνά είναι λεπτά, μπορεί σε συνθήκες πυρκαγιάς να εκθέσουν το δεσμό τους με τον πυρήνα καθώς και των ίδιο τον πυρήνα σε υψηλές θερμοκρασίες. Ο αφρώδης πυρήνας από PVC που χρησιμοποιείται ευρέως στις ναυπηγικές κατασκευές, αποσυντίθεται σε θερμοκρασίες υψηλότερες από 200 ο C με εκπομπή HCl, το οποίο είναι τοξικό και πολύ διαβρωτικό. Ο συνδυασμός ξύλου balsa και περιβλημάτων με φαινολικές ρητίνες φαίνεται ότι αποτελεί μια πολύ αποτελεσματική και φθηνή λύση για εσωτερικά καταστρώματα και φρακτές [23]. Σελίδα 51 από 110

63 Κεφάλαιο 4: Μηχανική συμπεριφορά των ενισχυμένων με ίνες πολύστρωτων σύνθετων υλικών Πολύστρωτα (laminates) Ένα σύνθετο αποτελούμενο από πολλές στρώσεις σύνθετων υλικών ονομάζεται πολύστρωτα (laminate). Η αντοχή του πολύστρωτου εξαρτάται από τον αριθμό των στρώσεων και τον τύπο της ενίσχυσης (C.S.M. ή W.R. ή U.R.) για ένα συγκεκριμένο πάχος. Οι στρώσεις (laminates) από τις οποίες αποτελείται το πολύστρωτο δεν είναι τίποτα άλλο από το υλικό στη μορφή που κυκλοφορεί στο εμπόριο, δηλ. μια επίπεδη ή και με καμπυλότητα διάταξη ενισχυτικών ινών, διαποτισμένη με το υλικό της μήτρας, ρητίνη. Η διεύθυνσή της μεγαλύτερης αντοχής (περισσότερες ενισχυτικές ίνες) ονομάζεται στημόνι (Warp) και η κάθετη σε αυτή (Fill). Τα φέροντα στοιχεία αντοχής της στρώσης είναι φυσικά οι ίνες. Αυτές, όπως έχει ήδη αναφερθεί, αναλαμβάνουν το μεγαλύτερο μέρος της φόρτισης, ενώ η ρητίνη τις υποστηρίζει και τις προστατεύει. Ο κύριος λόγος ύπαρξης της μήτρας φαίνεται όταν επέλθει θραύση μιας ίνας. Τότε, το φορτίο της σπασμένης ίνας μεταφέρεται στο υλικό της μήτρας και στη συνέχεια στις παρακείμενες ίνες. Η μεταφορά αυτή του φορτίου γίνεται μέσω των διατμητικών τάσεων που αναπτύσσονται στο υλικό της μήτρας. Οι διατμητικές τάσεις είναι αυτές που ανθίσταται στο προς τα έξω τράβηγμα της ίνας [54]. Το πολύστρωτο είναι το τελικό προϊόν διαδοχικών επιστρώσεων από laminates. Ο προσανατολισμός των κύριων διευθύνσεων των διάφορων στρώσεων μπορεί να είναι οποιοσδήποτε και στο γεγονός αυτό οφείλεται το βασικό πλεονέκτημα των FRP, δηλαδή η κατά βούληση ανισοτροπικότητά του [17]. Παράδειγμα, το FRP έχει μειωμένη αντοχή σε κάμψη εξαιτίας του πολύ χαμηλού μέτρου ελαστικότητας (Ε=13.83 GPa), σε αντίθεση με τον χάλυβα που έχει περίπου 206 GPa. Με τη χρήση στρωμάτων προς τη διεύθυνση του φορτίου (unidirectional FRP laminae) ή και ινών γυαλιού υψηλότερης ακαμψίας, το μέτρο ελαστικότητας μπορεί να φτάσει την τιμή των GPa [13]. Ο τύπος της κάθε στρώσης, όπως επίσης και το ειδικό του βάρος μπορούν να επίσης να διαφέρουν και το γεγονός αυτό δίνει τη δυνατότητα κατασκευής πολλών ειδών πολύστρωτων με διαφορετικές ιδιότητες και διαφορετική συμπεριφορά. Σελίδα 52 από 110

64 Ανάλυση των τάσεων των πολύστρωτων [6], [17] Κατά την αρχική σχεδίαση οι περισσότερες από τις τάσεις που απαιτούνται υπολογίζονται από τις σχέσεις για ελάσματα και δοκούς από σύνθετα υλικά. Σε ένα πιο προχωρημένο στάδιο πρέπει να γίνει μια πιο λεπτομερής ανάλυση των τάσεων, η οποία ίσως να κριθεί αναγκαίο να γίνει με ανάλυση της κατασκευής με πεπερασμένα στοιχεία (finite element analysis). Σε μια τέτοια ανάλυση πρέπει να δοθεί μεγάλη προσοχή στη σωστή μοντελοποίηση της ανισοτροπικότητας του υλικού, καθώς και στον ακριβή καθορισμό των οριακών συνθηκών και του επιβαλλόμενου φορτίου. Οι τρισδιάστατες σχέσεις τάσεων παραμορφώσεων μιας ανισότροπης στρώσης (ύπαρξη επιπέδου συμμετρίας στο μέσο επίπεδο της στρώσης (μονοκλινές)) δίνονται από τη σχέση: = Όπου ο συμμετρικός πίνακας ακαμψιών έχει 13 ανεξάρτητες σταθερές. Στην περίπτωση του ορθότροπου υλικού, οι ανεξάρτητες σταθερές ακαμψίας μειώνονται σε 9 (μηδενισμός όλων των ακαμψιών με δείκτες 16, 26, 36 και 45), ενώ στην περίπτωση ισότροπου υλικού, οι σταθερές μειώνονται σε δύο. Τα στοιχεία του πίνακα των ακαμψιών είναι συνάρτηση των εννέα μηχανικών σταθερών του υλικού, δηλ. των τριών μέτρων ελαστικότητας στις τρεις διευθύνσεις και των αντίστοιχων τριών μέτρων διάτμησης και των τριών λόγων Poisson. Η πιο απλή θεωρία για τη μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς πλακών από σύνθετα υλικά είναι η Κλασσική θεωρία Επιστρώσεων (Classical Lamination Theory, C.L.T), σύμφωνα με την οποία λαμβάνεται υπόψη η συνθήκη της επίπεδης εντατικής κατάστασης, δηλ. σ z = τ yz = τ zx = 0. Έτσι σε μια στρώση με τυχαίου προσανατολισμού ενισχύσεις οι σχέσεις τάσεων παραμορφώσεων είναι: Σελίδα 53 από 110

65 όπου οι μεταφερμένες ανηγμένες σταθερές ακαμψίας Q ij είναι συναρτήσει των ακαμψιών C ij και της γωνίας προσανατολισμού των ινών. Οι βασικές διαφορικές εξισώσεις των laminates είναι συναρτήσεις τριών νέων μεγεθών, των ακαμψιών του laminate Α ij, B ij, D ij. Τα μεγέθη αυτά προκύπτουν από τις ακαμψίες Q ij, τον ολικό αριθμό των στρώσεων ενός laminate και το πάχος κάθε μίας από αυτές, είναι δε πολύ σημαντικά, γιατί οι τιμές τους μας δίνουν μια εικόνα της κατασκευής ενός laminate και της επακόλουθης μηχανικής συμπεριφοράς του (Σχήμα 4.1). Σχήμα 4.1 : Μηδενιζόμενες ακαμψίες για διάφορα είδη πολύστρωτων. Μια καλή και ακριβής ανάλυση των τάσεων θα βοηθήσει στο σωστό προσανατολισμό των ενισχυτικών ινών σε κάθε σημείο της κατασκευής, κάτι που θα οδηγήσει σε μείωση του βάρους, όπως επίσης και σε μείωση των συντελεστών ασφαλείας που λαμβάνονται υπόψη στο τελικό στάδιο μελέτης. Προτεινόμενες τιμές συντελεστών ασφαλείας είναι δύο (2) για στατικά φορτία μικρής διάρκειας, τέσσερα (4) για στατικά φορτία μεγάλης διάρκειας, τέσσερα (4) για μεταβαλλόμενα φορτία, έξι (6) για επαναλαμβανόμενα φορτία και δέκα (10) για κρουστικά φορτία. Ο ακριβής όμως προσδιορισμός των συντελεστών ασφάλειας είναι πάρα πολύ δύσκολος, δεδομένου ότι οι παράγοντες που επηρεάζουν τις ανώτατες επιτρεπόμενες τάσεις σχετικά με τις αρχικές τάσεις αντοχής είναι πολλοί, μεταξύ των οποίων οι σπουδαιότεροι είναι: Σελίδα 54 από 110

66 Μείωση της αντοχής λόγω μακρόχρονης φόρτισης Κατασκευαστικά ελαττώματα Ερπυσμός Κόπωση Επίδραση θερμοκρασίας Ξεχωριστή εκτίμηση πρέπει να γίνει ακόμη για τους συντελεστές συγκέντρωσης αρχικών παραμενουσών τάσεων καθώς και το λυγισμό Ανάλυση Αστοχίας Σύνθετων Υλικών [6] Η χρήση των σύνθετων υλικών σις κατασκευές απαιτεί βαθιά γνώση των διαφόρων πιθανών τρόπων αστοχίας τους, οι οποίοι δεν συναντώνται σε πολλές περιπτώσεις σε άλλα κατασκευαστικά υλικά. Τα ετερογενή πολύστρωτα υλικά εμφανίζουν πολλές διαφορετικές τοπικές αστοχίες πριν από τον διαχωρισμό τους σε διαφορετικά κομμάτια. Οι τοπικές αστοχίες αναφέρονται ως βλάβη και η ανάπτυξη τους με την αύξηση του φορτίου ή την παρέλευση του χρόνου ως συσσώρευση βλάβης. Οι μηχανισμοί αστοχίας στα ινώδη σύνθετα υλικά είναι πολύπλοκοι. Σε μικρή κλίμακα οι κύριοι μηχανισμοί αστοχίας είναι: η αστοχίας της μήτρας υπό εφελκυστικά και θλιπτικά φορτία, η αστοχία των ινών υπό εφελκυστικά (αποχωρισμός ινών) και θλιπτικά φορτία (λυγισμός των ινών) και η διάτμηση μεταξύ μήτρας και ινών (Σχ.4.2). Στο επίπεδο πολύστρωτης πλάκας, η διαστρωματική αποκόλληση (αποκόλληση μεταξύ των στρώσεων, Σχ.4.2) είναι η πιο συχνά παρατηρούμενη αστοχία. Σελίδα 55 από 110

67 Σχήμα 4.2: Σχηματική αναπαράσταση των μηχανισμών αστοχίας σε μια ινώδη στρώση. Σχήμα 4.3: Σχηματική αναπαράσταση της διαστρωματικής αποκόλλησης. Παρόλη την πρόοδο που έχει σημειωθεί στην ανάπτυξη κριτηρίων πρόβλεψης των αστοχιών σε επίπεδο στρώσης πολύστρωτων πλακών, δεν υπάρχουν μέχρι σήμερα κριτήρια τα οποία να προβλέπουν ικανοποιητικά την αστοχία σε όλα τα επίπεδα της ανάλυσης, για όλες τις συνθήκες φόρτισης και για όλους τους τύπους των σύνθετων υλικών. Το γεγονός αυτό οφείλεται στην δυσκολία της μοντελοποίησης των πολύπλοκων μηχανισμών αστοχίας στα σύνθετα υλικά. Το αποτέλεσμα είναι να έχουν αναπτυχθεί διάφορα κριτήρια εξειδικευμένα για συγκεκριμένες εφαρμογές. Ενδεικτικά, ορισμένα από τα κριτήρια που Σελίδα 56 από 110

68 έχουν χρησιμοποιηθεί εκτενώς είναι τα κριτήρια Μέγιστης τάσης και Μέγιστης παραμόρφωσης, το κριτήριο Tsai Hill, το κριτήριο Tsai Wu [7] (α) Κριτήριο Tsai Hill Αποτελεί προέκταση για ανισοτροπικά υλικά του κριτηρίου διαρροής του Von Mises και εκφράζεται από τη σχέση: Όπου σ x, σ y οι επιβαλλόμενες ορθές τάσεις στις διευθύνσεις x, y και τ xy η επιβαλλόμενη διατμητική τάση, X, Y οι μέγιστες επιτρεπόμενες τάσεις σε εφελκυσμό ή θλίψη στις διευθύνσεις x, y και S η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση σε διάτμηση. Το κριτήριο Tsai Hill, αν και είναι το πιο απλοποιημένο από αυτά που υπάρχουν, συμφωνεί σε ικανοποιητικό βαθμό με τα πειραματικά αποτελέσματα. (β) Κριτήριο Tsai Wu Το κριτήριο αυτό, περιλαμβάνοντας περισσότερα μεγέθη στην τελική του εξίσωση από ότι το προηγούμενο, είναι πιο ακριβές από αυτό. Η σχέση που το εκφράζει είναι: F 1 σ x + F 2 σ y + F 6 τ xy + F 11 σ 2 x + F 22 σ 2 y + F 66 τ 2 xy + 2 F 12 σ x σ y 1 Όπου: Και X t, X c είναι οι μέγιστες επιτρεπόμενες τάσεις σε εφελκυσμό και θλίψη αντίστοιχα στη διευθυνση x, Y t, Y c τα αντίστοιχα μεγέθη στη διεύθυνση y, και S η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση σε διάτμηση. Ο συντελεστής F 12 είναι: Σελίδα 57 από 110

69 Όπου σ είναι η μέγιστη επιτρεπόμενη τάση σε διαξονική φόρτιση Σφάλματα κατά την επιστρωμάτωση Κατά την επιστρωμάτωση των ελαφριών σκαφών δημιουργούνται κάποιες δυστοκίες, τις οποίες θα πρέπει να λάβει υπόψη του ο σχεδιαστής μηχανικός [13]: Εσφαλμένος χρόνος στερεοποίησης Εναπόθεση επιπλέον ρητίνης Παχιά στρώση ενισχυτικού στο πρώτο χέρι Κακή συγκόλληση μεταξύ στρωμάτων Αποκόλληση επιστρώσεων Επικάθιση σκόνης και άλλων επιβλαβών ουσιών πριν την επόμενη επίστρωση. Τα περισσότερα προβλήματα που αντιμετωπίζουν οι κατασκευαστές των μικρών σκαφών κατά την κατασκευή των τοιχωμάτων τύπου sandwich έγκειται στην κακή συγκόλληση των επιμέρους συστατικών (πυρήνας πλευρές). Όπως έχει αναφερθεί, για να συμπεριφερθεί η κατασκευή sandwich ως ενιαία απαιτείται πολύ καλή συγκόλληση του πυρήνα με τις πλευρές. Συχνά χρησιμοποιούνται συγκολλητικές ουσίες όπως πολυεστερικοί ή εποξικοί στόκοι (polyester and epoxy putties), που στερεοποιούνται γρήγορα ή ακρυλική ουρεθάνη (urethane acrylate). Η τοποθέτηση βαρών έχει ως αποτέλεσμα η συγκόλληση να μην είναι ομοιόμορφη, γι αυτό και πολλοί κατασκευές χρησιμοποιούν τη μέθοδο ασκού (Vacuum bag), με την οποία επιτυγχάνεται ομοιόμορφη πίεση, αντί της κλασικής μεθόδου επίστρωσης με το χέρι (hand lay up) [44]. Πολλοί κατασκευαστές χρησιμοποιούν ειδικά πιστόλια για εναπόθεση μίγματος ρητίνης και ενισχυτικού τύπου chopped strands ή ίνες fiberglass, με αποτέλεσμα η στρώση που δημιουργείται να έχει ματ μορφή. Με την μέθοδο αυτή, παρόλο που είναι εύκολη και γρήγορη, δεν ελέγχεται το πάχος και ο χρόνος ξήρανσης της επιστρωμάτωσης Ο ρόλος και η σημασία της διεπιφάνειας στα σύνθετα υλικά Είναι γνωστό ότι οι ιδιότητες των σύνθετων υλικών δεν εξαρτώνται μόνο από εκείνες των επιμέρους συστατικών τους, δηλαδή των ινών και της μήτρας, αλλά και την ποιότητα της μεταξύ τους διεπιφάνειας [45]. Σε αυτήv αναπτύσσονται γενικά υψηλές συγκεντρώσεις των τάσεων λόγω των ασκούμενων φορτίων και των διαφορετικών Σελίδα 58 από 110

70 συντελεστών θερμικής διαστολής της μήτρας και του μέσου ενίσχυσης, ενώ η ποιότητα της μπορεί να υποβαθμιστεί σημαντικά εάν το υλικό υποβληθεί σε γήρανση [46]. Η βασική λειτουργία της διεπιφάνειας είναι η μεταφορά των επιβαλλόμενων τάσεων από την αδύναμη πολυμερική μήτρα στις υψηλής αντοχής ίνες και η ομαλή κατανομή τους σε αυτές [47]. Έτσι, προκειμένου να παραχθούν υλικά με υψηλή αντοχή και μέτρο ελαστικότητας, απαραίτητη προϋπόθεση είναι η ισχυρή διεπιφανειακή πρόσφυση. Ταυτόχρονα όμως, βελτίωση της πρόσφυσης μπορεί να υποβαθμίσει την αντοχή του συνθέτου σε κρούση. Κι αυτό γιατί με την παρουσία πολύ ισχυρού δεσμού στη διεπιφάνεια οι μηχανισμοί απορρόφησης ενέργειας (π.χ. αποκόλληση και εξόλκηση των ινών από τη μήτρα) περιορίζονται και το υλικό καθίσταται ψαθυρό [48]. Με άλλα λόγια, η αντοχή και η ακαμψία αυξάνονται συνήθως εις βάρος της ολκιμότητας και της ανθεκτικότητας και αντίστροφα, αφού η διεπιφανειακή αντοχή έχει αντίθετη επίδραση σε αυτές τις ιδιότητες [49]. Παρατηρείται λοιπόν, ότι τα σύνθετα με αδύναμη διεπιφάνεια έχουν σχετικά χαμηλή αντοχή και ακαμψία ενώ η αντίσταση τους σε θραύση μπορεί να είναι υψηλή. Από την άλλη, τα υλικά με ισχυρή διεπιφάνεια χαρακτηρίζονται από υψηλές τιμές αντοχής και μέτρου ελαστικότητας, είναι όμως πολύ ψαθυρά. Έτσι, προκειμένου να επιτευχθούν ταυτόχρονα υψηλή αντοχή και ανθεκτικότητα απαιτείται έλεγχος και αριστοποίηση (tailoring) των χαρακτηριστικών της διεπιφάνειας [33]. Στο σημείο αυτό πρέπει να διευκρινιστεί πως, αντί για τον όρο διεπιφάνεια, πιο σωστός είναι ο όρος διεπιφανειακή περιοχή ή μεσοφάση. Και αυτό γιατί κοντά στην επιφάνεια επαφής ίνας μήτρας αναπτύσσεται μια περιοχή με διαφορετική δομή και ιδιότητες, ως αποτέλεσμα της αλληλεπίδρασης και των δύο συστατικών [50]. Ενώ, λοιπόν, η διεπιφάνεια ορίζεται ως η επιφάνεια επαφής των δύο υλικών, η μεσοφάση περιλαμβάνει τη διεπιφάνεια, αλλά και μια περιοχή πεπερασμένου πάχους γύρω από αυτή, οι διαφορετικές ιδιότητες της οποίας επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό την τελική συμπεριφορά του συνθέτου [51]. Η πολύπλοκη φύση της μεσοφάσης παρουσιάζεται στο παρακάτω σχήμα (Σχ. 4.4). Σελίδα 59 από 110

71 Σχήμα 4.4: Χαρακτηριστικά της μεσοφάσης ίνας μήτρας σε σύνθετο υλικό[52] Συνοψίζοντας, η διεπιφάνεια θεωρείται κατά κάποιο τρόπο η «αχίλλειος πτέρνα» των πολυμερικών συνθέτων, με αποτέλεσμα να αποκτά ιδιαίτερη σημασία η κατανόηση, ο έλεγχος και η τροποποίηση της [45]. Το πρόβλημα, πάντως, είναι αρκετά πολύπλοκο καθώς, λόγω του ότι η διεπιφάνεια δεν υπάρχει αφ εαυτής παρά σχηματίζεται κατά την κατασκευή του συνθέτου, είναι δύσκολο να της αποδοθεί ένα σύνολο ιδιοτήτων [53]. Είναι χαρακτηριστικό πως, παρά τη πληθώρα των σχετικών μελετών, η σχέση μεταξύ των φυσικοχημικών ιδιοτήτων του συνθέτου παραμένει ασαφής [54]. Δεν έχει δηλαδή, διευκρινιστεί το πώς ακριβώς πρέπει να τροποποιείται η διεπιφάνεια ώστε να αριστοποιούνται οι ιδιότητές της, ούτε το αν γενικά πρέπει να επιδιώκεται η μέγιστη δυνατή πρόσφυση [55]. Σελίδα 60 από 110

72 Μηχανισμοί πρόσφυσης στη διεπιφάνεια Το επίπεδο της πρόσφυσης στη διεπιφάνεια ινών μήτρας εξαρτάται κυρίως από τους εξής τρεις παράγοντες, οι οποίοι σύμφωνα με τους Ehrburger και Donnet αντιστοιχούν στα μοντέλα μηχανικής, φυσικής και χημικής πρόσφυσης [31],[56]: Την έκταση της επιφάνειας επαφής, που καθορίζεται από το λόγο πλευρών (l/d) της ίνας, Τη φύση(υφή, τραχύτητα) της επιφάνειας της μήτρας, και Το σχηματισμό δεσμών, που με τη σειρά του εξαρτάται από τη χημική σύσταση της ίνας και της μήτρας. Πιο συγκεκριμένα, η διεπιφανειακή πρόσφυση μπορεί να αποδοθεί από μηχανισμούς που δρουν στη διεπιφάνεια είτε μεμονωμένα είτε με συνδυασμό όπως δείχνει και το παρακάτω σχήμα. (Σχ. 4.5.) [57] Σχήμα 4.5.: Επιφανειακή πρόσφυση (α) (β) (γ) Αλληλοδιάχυση (interdiffusion): Σύνδεση μεταξύ δύο πολυμερικών επιφανειών μπορεί να επιτευχθεί εάν τα μόρια της μίας επιφάνειας διαχυθούν στο μόριο της άλλης [58]. Ηλεκτροστατική έλξη (electrostatic attraction): Ανάμεσα σε δύο επιφάνειες, εκ των οποίων η μία φέρει αρνητικό ( ) και η άλλη θετικό (+) φορτίο, αναπτύσσονται ελκτικές ηλεκτροστατικές δυνάμεις. Μηχανική πρόσφυση (mechanical adhesion): Αναφέρεται στη διείσδυση της ρητίνης στις εσοχές της επιφάνειας της ίνας και στο μηχανικό «κλείδωμα» των δύο υλικών. Στην περίπτωση αυτή η τραχύτητα της ίνας μπορεί να ευνοήσει το αποτέλεσμα. Αν όμως η ίνα δε διαβρέχεται με ρευστή ρητίνη τότε μπορεί να δημιουργηθούν διάκενα, τα οποία αποτελούν σημεία έναρξης αστοχίας. Σελίδα 61 από 110

73 (δ) Χημική πρόσφυση (chemical bonding): Η ισχυρότερη διεπιφανειακή πρόσφυση προκύπτει όταν ανάμεσα στην ίνα και τη μήτρα δημιουργούνται χημικοί δεσμοί, ομοιοπολικοί, ιοντικοί ή μεταλλικοί Τεχνικές τροποποίησης διεπιφάνειας Για την αριστοποίηση των ιδιοτήτων των συνθέτων έχουν εξεταστεί διάφορες τεχνικές τροποποίησης της μεσοφάσης, ανάλογα με το είδος της ίνας και της μήτρας που χρησιμοποιούνται. Στην περίπτωση των θερμοσκληρυνόμενων σύνθετων ενισχυμένων με ίνες γυαλιού η ποιότητα της διεπιφάνειας βελτιώνεται σημαντικά με χρήση των πολύ διαδεδομένων μέσων σύζευξης (κυρίως σιλανούχα). Αυτά ενώνονται με την ίνα ενώ δημιουργούν χημικούς δεσμούς με τη μήτρα κατά την σκλήρυνση τους. Ουσιαστικά τα μέσα σύζευξης δημιουργούν χημικό δεσμό ανάμεσα στα οξείδια της επιφάνειας της ίνας και τα πολυμερικά μόρια της ρητίνης [29]. Στα σύνθετα ινών άνθρακα η αντοχή του διεπιφανειακού δεσμού μπορεί να αυξηθεί με οξειδωτικές κατεργασίες των ινών. Γενικά, οι οξειδωτικές αντιδράσεις αυξάνουν ταυτόχρονα την έκταση της επιφάνειας της ίνας και των αριθμό των δραστικών επιφανειακών ομάδων, όπως COOH, C OH, C=O, οι οποίες μπορούν να σχηματίζουν χημικούς δεσμούς με ακόρεστες ρητίνες ή ακόρεστες ομάδες σε θερμοπλαστικές ρητίνες. Οι δύο αυτοί παράγοντες σε συνδυασμό με το ότι οι οξειδωτικές κατεργασίες απομακρύνουν τις επιφανειακές ατέλειες των ινών, οδηγούν σε βελτίωση της προσρόφησης ινών μήτρας [29]. Εναλλακτικά, οι ίνες άνθρακα μπορούν να υποστούν κατεργασία πλάσματος ή επικάλυψη με κατάλληλο μέσο, συνήθως κάποιο συστατικό της μήτρας, π.χ. εποξειδική ρητίνη ή πολυβινυλική αλκοόλη [59] Επίδραση του προσανατολισμού της ίνας και της συγκέντρωσης Η διευθέτηση ή προσανατολισμός των ινών σε μια πολυμερική μήτρα, η συγκέντρωσή τους, και η κατανομή τους παίζουν βασικό ρόλο στην αντοχή και τις ιδιότητες του σύνθετου υλικού. Σχετικά με τον προσανατολισμό υπάρχουν δύο ακραίες διατάξεις: (1) παράλληλη ευθυγράμμιση των ινών με τον άξονα τους σε μία κατεύθυνση, και (2) τελείως τυχαία διευθέτηση. Οι συνεχείς ίνες είναι κανονικά ευθυγραμμισμένες (Σχ. 4.6.(α)), ενώ οι ασυνεχείς μπορεί να είναι ευθυγραμμισμένες (Σχ. 4.6.(β)), τυχαίως προσανατολισμένες Σελίδα 62 από 110

74 (Σχ.4.6. (γ)) ή μερικώς προσανατολισμένες. Για βελτιωμένες ιδιότητες του σύνθετου υλικού, απαιτείται ομοιόμορφη κατανομή. Σχήμα 4.6.: Κατανομή των ινών σε σύνθετο υλικό με πολυμερική μήτρα:(α) συνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες, (β) ασυνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες, (γ) ασυνεχείς και τυχαία προσανατολισμένες ίνες Συνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες Διαμήκης Φόρτιση [6] Οι ιδιότητες σύνθετου υλικού με ίνες ευθυγραμμισμένες είναι άκρως ανισότροπες, δηλ. εξαρτώνται κυρίως από την κατεύθυνση μέτρησής τους. Ας θεωρήσουμε την επιβολή τάσης στην κατεύθυνση της ευθυγράμμισης των ινών, κατά μήκος του άξονα, βλ. Σχ. 4.6.(α). Θεωρούμε επίσης ότι ο διεπιφανειακός δεσμός μήτρας ινών είναι πολύ καλός, έτσι ώστε η παραμόρφωση μήτρας και ινών να είναι ίδια (ισοπαραμορφωτική φόρτιση). Υπό αυτές τις συνθήκες η ολική φόρτιση που υφίσταται το σύνθετο υλικό Fc είναι ίση με τη φόρτιση που υφίσταται η μήτρα F m και οι ίνες F f, δηλ.: F c = F m +F f (4.1) Αντικατάσταση των δυνάμεων από τα γινόμενα των αντίστοιχων τάσεων σ και επιφανειών διατομής Α δίνει: σ c Α c = σ m Α m + σ f Α f (4.2) (4.3) Ο λόγος Α f /Α c είναι το μέρος του σύνθετου υλικού που καταλαμβάνεται από τις ίνες. Σε αυτή την περίπτωση ο ίδιος λόγος είναι ισοδύναμος με το μέρος του όγκου που καταλαμβάνουν οι ίνες V f, γιατί τα μήκη του σύνθετου υλικού της μήτρας και των ίνων είναι όλα ίδια. Άρα μπορούμε να γράψουμε: σ c = σ m V m + σ f V f (4.4) Σελίδα 63 από 110

75 Η προηγούμενη παραδοχή της ισοπαραμορφωτικής φόρτισης σημαίνει ότι όλες οι παραμορφώσεις ε για το σύνθετο υλικό, τη μήτρα και τις ίνες είναι ίσες, δηλ.: ε c = ε m = ε f (4.5) και όταν οι όροι της εξ. (4.4) διαιρεθούν με τις αντίστοιχες παραμορφώσεις παίρνουμε: (4.6) Αλλά η θεώρηση όλων των παραμορφώσεων σαν ελαστικών δίνει τον λόγο σ/ε=ε, το μέτρο ελαστικότητας δηλαδή. Επομένως Ε cl = E m V m + E f V f (4.7) όπου Ε cl είναι το μέτρο ελαστικότητας του σύνθετου υλικού κατά μήκος του άξονα ευθυγράμμισης. Αλλά V m + V f =1, αφού το σύνθετο υλικό αποτελείται μόνο από τη μήτρα και τις ίνες. Άρα Ε cl = E m (1 V f )+ E f V f (4.8) Η τελευταία σχέση δείχνει ότι το μέτρο ελαστικότητας είναι το ζυγισμένο κατά κλάσμα όγκου άθροισμα των μέτρων ελαστικότητας των δύο φάσεων, μήτρας και ινών. Κατά τον ίδιο τρόπο εμφανίζονται να συσχετίζονται και άλλες ιδιότητες, όπως π.χ. η αντοχή σε εφελκυσμό. Αποδεικνύεται επίσης ότι για διαμήκη φόρτιση, ο λόγος φόρτισης στις ίνες με εκείνο της φόρτισης της μήτρας δίνεται από: (4.9) Συνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες Εγκάρσια Φόρτιση Στην περίπτωση αυτή, σύνθετο υλικό ενισχυμένο με συνεχείς και προσανατολισμένες ίνες φορτίζεται στην εγκάρσια κατεύθυνση, δηλ. η φόρτιση εφαρμόζεται σε γωνία 90 ο με την κατεύθυνση της ευθυγράμμισης των ινών, βλ. Σχ.4.6.(α). Τότε η τάση σ που εφαρμόζεται είναι η ίδια και για το σύνθετο υλικό και για τις δύο φάσεις, της μήτρας και των ινών (ισοτασική φόρτιση). σ c = σ m = σ f = σ (4.10) Στην περίπτωση αυτή η παραμόρφωση του σύνθετου υλικού ε c είναι: ε c = ε m V m + ε f V f (4.11) και εφ όσον ε=σ/ε, (4.12) όπου Ε ct είναι το μέτρο ελαστικότητας στην εγκάρσια κατεύθυνση. Διαιρώντας με το σ παίρνουμε: = + (4.13) Σελίδα 64 από 110

76 και με περαιτέρω τροποποίηση: E ct = (4.14) Συγκρίνοντας τις δύο μεθόδους φόρτισης του σύνθετου υλικού (διαμήκης με εγκάρσια), εύκολα αποδεικνύεται ότι όταν η φόρτιση είναι παράλληλη προς τη διεύθυνση των ινών λαμβάνουμε μεγαλύτερο μέτρο ελαστικότητας του σύνθετου υλικού από αυτό που προκύπτει με εγκάρσια προς τη διεύθυνση των ινών φόρτισή του. Το Σχήμα 4.7. δείχνει γραφικά το συμπέρασμα αυτό. Γενικά όμως η ισοπαραμορφωτική και η ισοτασική συνθήκη φόρτισης ενός σύνθετου υλικού με ινώδη ενίσχυση αποτελούν τα δύο άκρα στο βιομηχανικό σχεδιασμό των σύνθετων υλικών. Οι περισσότερες από τις βιομηχανικές εφαρμογές περιλαμβάνονται μεταξύ των δύο αυτών ακραίων συνθηκών φόρτισης. Η δυνατότητα τοποθέτησης των ενισχυτικών ινών εκεί όπου ακριβώς χρειάζονται (π.χ. στις διευθύνσεις των επιβαλλόμενων φορτίων), χρησιμοποιώντας το λιγότερο αναγκαίο υλικό και περιορίζοντας το βάρος της κατασκευής, αποτελεί βασικό πλεονέκτημα των σύνθετων υλικών όταν χρησιμοποιούνται στη ναυπηγική. Το γεγονός αυτό μπορεί να είναι δύσκολο σε ορισμένες περιπτώσεις από τα αρχικά στάδια μιας νέας κατασκευής, η εμπειρία όμως από άλλες όμοιες κατασκευές βελτιώνει πολύ τα πράγματα. Η σχεδίαση, λοιπόν, με σύνθετα υλικά απαιτεί πολύ περισσότερα δεδομένα για τις ιδιότητες των υλικών και είναι εκ φύσεως πιο πολύπλοκη από τη σχεδίαση με παραδοσιακά υλικά [6]. Σχήμα 4.7.: Το μέτρο ελαστικότητας του σύνθετου υλικού σαν συνάρτηση του επί % όγκου των ινών για τις δύο συνθήκες φόρτισης του σύνθετου υλικού. Σελίδα 65 από 110

77 Ασυνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες Παρά το γεγονός ότι ασυνεχείς ίνες παρέχουν μικρότερη ενίσχυση από τις συνεχείς ίνες, η σημερινή αγορά σύνθετων υλικών χρησιμοποιεί με αυξανόμενο ρυθμό ασυνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες, βλ. Σχήμα 4.6.(β). Τη μεγαλύτερη συμβολή έχουν κοντοκομμένες ίνες υάλου, αλλά χρησιμοποιούνται επίσης και ίνες άνθρακα και aramid (Kevlar). Τα παραγόμενα σύνθετα υλικά έχουν τιμές για το μέτρο ελαστικότητας και αντοχή σε εφελκυσμό που πλησιάζουν το 90% και 50% αντίστοιχα των σύνθετων με συνεχείς ίνες. Στα σύνθετα υλικά με ασυνεχείς ίνες, οι παράγοντες που επηρεάζουν τη μηχανική συμπεριφορά των υλικών αυτών είναι: (α) ο λόγος του μήκους/διάμετρο της ίνας, (β) η αντοχή σε διάτμηση του δεσμού μεταξύ ίνας και πολυμερικής μήτρας, και (γ) το ποσοστό των ινών μέσα στο σύνθετο υλικό. Για την περίπτωση σύνθετου υλικού με ασυνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες με ομοιόμορφη κατανομή και με l > l c, η διαμήκης αντοχή (TS) cd δίνεται από τη σχέση: (TS) cd =(TS) f V f (1 (4.15) όπου (TS) f και (TS) m αντιπροσωπεύουν τη αντοχή σε θραύση της ίνας και την τάση στη μήτρα όταν το σύνθετο υλικό θραύεται. Αν το μήκος της ίνας είναι μικρότερο από την κρίσιμη τιμή (l <l c ), τότε η διαμήκης αντοχή δίνεται από: (TS) cd = (4.16) Ασυνεχείς και τυχαία προσανατολισμένες ίνες Κανονικά ο προσανατολισμός των ινών είναι τυχαίος όταν χρησιμοποιούνται κοντές και ασυνεχείς ίνες, όπως φαίνεται στο Σχήμα 4.6.(γ). Στην περίπτωση αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί ο νόμος των μιγμάτων, όπως για το μέτρο της ελαστικότητας (εξ. 4.7), αλλά γραμμένος ως εξής: Ε cd = KE f V f + E m V m (4.17) όπου Κ λέγεται παράμετρος απόδοσης της ίνας, και εξαρτάται από το V f και το λόγο Ε f /Ε m. Συνήθως 0.1 < Κ < 0.6. Επομένως στην περίπτωση των τυχαίων προσανατολισμών, το μέτρο ελαστικότητας αυξάνει και πάλι με το κλάσμα όγκου των ινών, αλλά λιγότερο από την περίπτωση ευθυγραμμισμένων ινών. Οι αλλαγές στις μηχανικές ιδιότητες μη ενισχυμένου και ενισχυμένου πολυκαρβονυλίου (PC) παρατίθενται στον Πίνακα 4.1. Σελίδα 66 από 110

78 Πίνακας 4.1. Ιδιότητες ενισχυμένου και μη ενισχυμένου πολυκαρβονυλίου (PC) με τυχαία προσανατολισμένες ίνες υάλου. Ιδιότητα Χωρίς Ινώδης ενίσχυση (% κ.ο.) ενίσχυση Ειδικό βάρος Αντοχή σε εφελκυσμό (MPa) Μέτρο ελαστικότητας (GPa) Επιμήκυνση (%) Αντοχή σε κρούση κατά Izod (lbf/in) Τελικά, όπως φαίνεται από τα παραπάνω, σύνθετα ενισχυμένα με ίνες παρουσιάζουν έντονη ανισοτροπία στις ιδιότητές τους. Με ευθυγραμμισμένες ίνες λαμβάνεται η μέγιστη αντοχή και ενίσχυση στη διαμήκη κατεύθυνση. Στην εγκάρσια κατεύθυνση, είναι μηδαμινή, και προκαλείται θραύση σε σχετικά μικρές τιμές των εφελκυστικών τάσεων. Για άλλες διευθύνσεις των τάσεων, η αντοχή των σύνθετων υλικών κείται μεταξύ των δύο προαναφερθέντων ακραίων ορίων. Ο Πίνακας 4.2 δείχνει την αποδοτικότητα της ινώδους ενίσχυσης σε διάφορες περιπτώσεις, όπου βέβαια με 1 έχουμε το μέγιστο βαθμό ενίσχυσης για διαμήκη φόρτιση και 0 για εγκάρσια φόρτιση. Πίνακας 4.2. Αποδοτικότητα ενίσχυσης για σύνθετα υλικά με ινώδη ενίσχυση για διάφορους προσανατολισμούς των ινών και διάφορες κατευθύνσεις των επιβαλλομένων τάσεων. Προσανατολισμός Ινών Κατεύθυνση Τάσεων Αποδοτικότητα Ενίσχυσης Όλες οι ίνες παράλληλες Παράλληλη στις ίνες 1 Κάθετη στις ίνες 0 Ίνες τυχαία και ομοιόμορφα κατανεμημένες σε ένα επίπεδο Ίνες τυχαία και ομοιόμορφα κατανεμημένες μέσα στον τρισδιάστατο χώρο Οποιαδήποτε κατεύθυνση στο επίπεδο των ινών Οποιαδήποτε κατεύθυνση 3/8 1/5 Σελίδα 67 από 110

79 Στην παραγωγή σύνθετων υλικών πρέπει να λαμβάνονται υπόψη ο τύπος και το μέγεθος των τάσεων που θα υποστεί το υλικό, καθώς και το κόστος παραγωγής του. Η παραγωγή σύνθετων υλικών ενισχυμένων με κοντές ίνες (είτε ευθυγραμμισμένες είτε τυχαία προσανατολισμένες) είναι ταχεία, και μπορούν να κατασκευαστούν ποικίλα σχήματα. Επίσης το κόστος παραγωγής είναι χαμηλότερο από το να χρησιμοποιηθούν μακρές, συνεχείς και ευθυγραμμισμένες ίνες. Επομένως, ανάλογα με το τμήμα του σκάφους που θέλουμε να σχεδιαστεί και συνεπώς να κατασκευαστεί επιλέγουμε το μέγεθος και την κατεύθυνση των ινών. Ο πίνακας 4.3 παρουσιάζει τις ιδιότητες των πολύστρωτων από ίνες γυαλιού και πολυεστερική ή εποξική ρητίνη, από ίνες άνθρακα και εποξική ρητίνη και από ίνες aramid και εποξική ρητίνη, για διάφορες ακολουθίες στρώσεων, καθώς και εκείνες άλλων συμβατικών υλικών για κατασκευές, όπως ο χάλυβας, το αλουμίνιο και το κόντρα πλακέ θαλάσσης (plywood). Τα πλεονεκτήματα των σύνθετων υλικών γίνονται εμφανή στον πίνακα 4.3, αφού ακόμα και τα πολύστρωτα ενισχυμένα με ίνες γυαλιού έχουν ιδιότητες ισοδύναμες ή καλύτερες από το χάλυβα!. Θα πρέπει να παρατηρηθεί βέβαια ότι οι ιδιότητες του πίνακα 4.3. είναι στις διευθύνσεις των ενισχυτικών ινών (κάθετα ή παράλληλα σε αυτές). Οι αντοχές και οι δυσκαμψίες σε άλλες διευθύνσεις μπορεί να είναι σημαντικά χαμηλότερες και αυτό οφείλεται στην ανισοτροπικότητα (συχνά ορθοτροπικότητα) των συνθέτων υλικών [6] Όπου: V f = η περιεκτικότητα κατ όγκο σε ίνες, σ 1Τ = η αντοχή σε εφελκυσμό στη διεύθυνση των ινών, σ 2Τ = η αντοχή σε εφελκυσμό σε διεύθυνση κάθετη σε αυτή των ινών, σ 1C = η αντοχή σε θλίψη στη διεύθυνση των ινών, σ 2C = η αντοχή σε θλίψη σε διεύθυνση κάθετη σε αυτή των ινών, τ 12 = η αντοχή σε διάτμηση στο επίπεδο του πολύστρωτου, ρ= το ειδικό βάρος, Ε 1 = το μέτρο ελαστικότητας του Young στη διεύθυνση των ινών, Ε 2 = το μέτρο ελαστικότητας του Young σε διεύθυνση κάθετη σε αυτή των ινών, G 12 = το μέτρο διάτμησης στο επίπεδο του πολύστρωτου, ILSS= η αντοχή σε διάτμηση μεταξύ των στρώσεων (interlaminar shear strength) και v 12 = ο λόγος Poisson στο επίπεδο του πολύστρωτου. Σελίδα 68 από 110

80 Πίνακας 4.3.: Τυπικές Μηχανικές Ιδιότητες πολύστρωτων από FRP [6] Υλικό V f σ 1Τ (MPa) σ 2Τ (MPa) σ 1c (MPa) σ 2C (MPa) τ 12 (MPa) E glass/polyester (CSM) E glass/polyester (ισοσταθμισμένο WR) E glass/polyester (UD) E glass/epoxy (0 ο /90 ο WR) E glass/epoxy (±45 ο WR) E glass/epoxy (UD) Carbon/epoxy (0 ο /90 ο WR) Carbon/epoxy (±45 ο WR) Carbon/epoxy (UD) Aramid/epoxy (0 ο /90 ο WR) Aramid/epoxy (UD) Steel (B quality) 325 a 325 a 340 a 340 a 190 a Aluminium (5083 alloy) 150 a 150 a 150 a 150 a 87 a Marine plywood (mahogany) a : όριο διαρροής σε 0,2% παραμόρφωση Υλικό ρ (g/cm 3 ) E 1 (GPa) E 2 (GPa) G 12 (GPa) ILSS(MPa) v 12 E glass/polyester (CSM) E glass/polyester (ισοσταθμισμένο WR) E glass/polyester (UD) E glass/epoxy (0 ο /90 ο WR) E glass/epoxy (±45 ο WR) E glass/epoxy (UD) Carbon/epoxy (0 ο /90 ο WR) Carbon/epoxy (±45 ο WR) Carbon/epoxy (UD) Aramid/epoxy (0 ο /90 ο WR) Aramid/epoxy (UD) Steel (B quality) Aluminium (5083 alloy) Marine plywood (mahogany) Σελίδα 69 από 110

81 Η επίδραση του προσανατολισμού των ινών στην αντοχή των σκαφών Η αντοχή των σύνθετων υλικών (π.χ. το fiberglass) δεν εξαρτάται μόνον από τον τύπο των ινών του γυαλιού (Ε, R, S κλπ), αλλά και από τον προσανατολισμό τους στην παραγωγή του ενισχυτικού. Έτσι για παράδειγμα ένα ενισχυτικό υλικό με μονοδιευθυντικές (unidirectional) ίνες παράλληλες προς τη διεύθυνση της φόρτισης έχει υψηλό μέτρο ελαστικότητας, ενώ με ίνες που είναι κάθετες προς τη διεύθυνση φόρτισης, έχει χαμηλό μέτρο ελαστικότητας. Όπως έχει ήδη αναφερθεί, τα σύνθετα υλικά έχουν πολλά χαρακτηριστικά τα οποία δεν εμφανίζονται στις επί μέρους μορφές τους. Πολλά λοιπόν από τα χαρακτηριστικά τους οφείλονται στην ανισοτροπικότητα τους. Τα περισσότερα από τα υλικά που χρησιμοποιούνται κατασκευές είναι ομοιογενή δηλαδή έχουν ομοιόμορφες ιδιότητες σε όλο τους το σώμα και ισότροπα δηλαδή έχουν ιδιότητες που είναι ίδιες σε κάθε διεύθυνση και δεν είναι συναρτήσει του προσανατολισμού στο υπό εξέταση σημείο. Αντίθετα, τα σύνθετα υλικά είναι ετερογενή και ορθότροπα (ή πιο γενικά ανισότροπα). Ένα ανισότροπο υλικό έχει ιδιότητες που είναι διαφορετικές, όχι μόνο στις τρείς κάθετες μεταξύ τους κύριες διευθύνσεις στο υπό εξέταση σημείο, αλλά σε όλες τις διευθύνσεις. Στα ανισότροπα υλικά δεν υπάρχουν σημεία συμμετρίας. Η ορθοτροπικότητα δηλαδή είναι μια ειδικότερη περίπτωση της ανισοτροπικότητας. Η εκ κατασκευής ανισοτροπικότητα (ή μόνο ορθοτροπικότητα) των σύνθετων έχει ως αποτέλεσμα τα διαφορετικά χαρακτηριστικά μηχανικής τους συμπεριφοράς σε σχέση με αυτά των συνηθισμένων ισότροπων υλικών. Η συμπεριφορά των ισότροπων, των ορθότροπων και ανισότροπων υλικών κάτω από την επίδραση εφελκυστικών και διατμητικών τάσεων φαίνεται στο σχήμα 4.8. Σελίδα 70 από 110

82 Σχήμα 4.8.: Διαφορές στην παραμόρφωση ενός ισότροπου, ενός ορθότροπου και ενός ανισότροπου υλικού που υπόκεινται σε μονοαξονικό εφελκυσμό και καθαρή διάτμηση. Ανισότροπη ενίσχυση είναι εκείνη τύπου woven roving, ενώ εκείνη τύπου Μat ή Chopped Strand Mat είναι σχεδόν ισότροπη για το λόγο ότι οι ενισχυτικές ίνες έχουν τυχαία διεύθυνση. Στην κατασκευή των σκαφών επειδή οι φορτίσεις δεν είναι προς μία διεύθυνση, τοποθετείται «ενισχυτικό υλικό» κάθετα ή και διαγώνια προς τη κύρια διεύθυνση φόρτισης. Το FRP εκτός του ότι δεν είναι ισότροπο δεν έχει και όριο διαρροής (yield point) όπως τα μέταλλα (το όριο διαρροής, είναι πολύ υψηλότερο του ορίου θραύσης, καθώς τα σύνθετα υλικά δεν είναι όλκιμα, δεν παρουσιάζουν δηλαδή πλαστική περιοχή και η καμπύλη τάσεων παραμορφώσεων τους είναι γραμμική μέχρι την θαύση). Αυτό λαμβάνεται υπόψη στον καθορισμό των συντελεστών ασφαλείας της κατασκευής. Επίσης έχει διαφορετική αντοχή σε εφελκυσμό, θλίψη και κάμψη. Ο λόγος της διαφορετικής αντοχής έγκειται στη δομή του υλικού. Στον παρακάτω πίνακα καταγράφονται οι μηχανικές ιδιότητες του Fiberglass [13]. Σελίδα 71 από 110

83 Πίνακας 4.4. Μηχανικές Ιδιότητες του Fiberglass Ιδιότητες N/mm 2 Αντοχή σε κάμψη Μέτρο ελαστικότητας σε κάμψη Αντοχή σε εφελκυσμό Μέτρο ελαστικότητας σε εφελκυσμό Αντοχή σε θλίψη Μέτρο ελαστικότητας σε θλίψη Αντοχή σε διάτμηση σε 0 ο άξονα (warp direction) 62 Αντοχή σε διάτμηση σε 90 ο άξονα (fill direction) Μέτρο ελαστικότητας σε διάτμηση σε 0 ο 3100 Αντοχή σε διάτμηση μεταξύ δύο στρωμάτων 17,3 Τα πολύστρωτα (laminates) που έχουν κατασκευαστεί από υαλοπίλημα (C.S.M. Chopped Strand Mat ) θεωρούνται ως ισότροπα υλικά, εξαιτίας του άτακτου και τυχαίου τρόπου με τον οποίο οι μεμονωμένες ίνες έχουν τοποθετηθεί στη μήτρα της ρητίνης που τις συγκρατεί, ενώ αυτά από υαλοΰφασμα (W.R. Woven Roving) θεωρούνται ορθότροπα. Αυτό οφείλεται στο διαφορετικό αριθμό ή και στη διαφορετική μορφή των ενισχυτικών ινών στις δύο κύριες διευθύνσεις Warp και Fill (σχήμα 4.9.) Σχήμα 4.9.: Μεταβολή αντοχής σε εφελκυσμό διάφορων σύνθετων υλικών, ως συνάρτηση της μεταβολής του φορτίου. Σελίδα 72 από 110

84 4.4. Είδη και συμβολισμός πολύστρωτων Ο σχεδιαστής μηχανικός έχει πολλές δυνατότητες επιλογής για να κατασκευάσει ένα πολύστρωτο (είδη στρώσεων, προσανατολισμός κάθε στρώσης, ακολουθία στρώσεων). Τα πολύστρωτα λοιπόν, κωδικοποιούνται ως εξής [18]: (α) κάθε στρώση συμβολίζεται από έναν αριθμό ο οποίος υποδηλώνει τη γωνία προσανατολισμού των ινών της (τη γωνία δηλ. της κύριας διεύθυνσης υλικού 1) σε μοίρες, σε σχέση με το γεωμετρικό άξονα του πολύστρωτου x. (β) οι διαφορετικές στρώσεις γράφονται με σειρά, αρχίζοντας από την κάτω επιφάνεια του πολύστρωτου και τελειώνοντας στην επάνω, οι αριθμοί δε που τις υποδηλώνουν περικλείονται σε αγκύλες [] (γ) διαφορετικές παρακείμενες στρώσεις διαχωρίζονται μεταξύ τους με μια κάθετο (slash), εάν οι γωνίες προσανατολισμού είναι διαφορετικές (δ) επάλληλες στρώσεις ίδιου προσανατολισμού συμβολίζονται με τη γωνία αυτή, ακολουθούμενη από αριθμητικό δείκτη που υποδηλώνει τον αριθμό των στρώσεων (ε) Ο δείκτης S μετά από κάποιο κωδικό σημαίνει ότι πρόκειται για συμμετρικό πολύστρωτο και ότι ο εν λόγω κωδικός αναπαριστά τις μισές μόνο στρώσεις Συμπεριφορά των ενισχυμένων με ίνες σύνθετων υλικών στην κρούση [6] Η εισαγωγή απλών ενισχυμένων FRP και των κατασκευών Sandwich από FRP στις ναυπηγικές κατασκευές οδήγησε σε ελαφρύτερα και πιο γρήγορα σκάφη. Το γεγονός αυτό απαιτεί καλύτερη συμπεριφορά στην κρούση, αφού σε μεγαλύτερες ταχύτητες είναι μεγαλύτερη η εκλυόμενη κατά την κρούση ενέργεια, ενώ οι άκαμπτες κατασκευές απορροφούν συνήθως λιγότερη ενέργεια από την κρούση πριν αστοχήσουν. Επομένως, η απόκριση μιας ναυπηγικής κατασκευής από σύνθετα υλικά σε κρουστικά φορτία αποτελεί πολύ σημαντική θεώρηση. Τα πιο συνηθισμένα κρουστικά φορτία σε ένα σκάφος είναι οι πλάγιες υδροδυναμικές πιέσεις λόγω της σφυρόκρουσης και οι συγκεντρωμένες δυνάμεις που οφείλονται είτε σε συγκρούσεις είτε σε βάρη που πέφτουν. Γενικά είναι πολύ δύσκολο να συμπεριληφθεί με σαφήνεια η επίδραση των κρουστικών φορτίων κατά τη διαδικασία σχεδιασμού ενός σκάφους από σύνθετα υλικά, εν μέρει λόγω της πολύπλοκης φύσης και Σελίδα 73 από 110

85 ασαφούς φύσης των φορτίων αυτών, αλλά και λόγω σχετικής αδυναμίας των αναλυτικών θεωριών που υπάρχουν. Εκτενής συγκριτική μελέτη της συμπεριφοράς των κατασκευών sandwich σε κρούση για διάφορους συνδυασμούς πυρήνα, ινών και ρητινών έδειξε ότι οι πυρήνες σε μεγαλύτερη πυκνότητα συμπεριφέρονται καλύτερα σε σχέση με εκείνους με μικρότερη, ενώ οι άκαμπτοι πυρήνες όπως το ξύλο balsa και το Nomex (κυψελοειδής πυρήνας) δεν είναι τόσο ικανοποιητικοί όσο οι αφρώδεις. Μερικά γενικά συμπεράσματα όσον αφορά τη σχετική συμπεριφορά των υλικών είναι τα εξής: Οι ίνες Kevlar και οι ίνες γυαλιού τύπου S είναι καλύτερες από τις ίνες γυαλιού τύπου Ε και τις ίνες άνθρακα (βλ. Πίνακα 5.1.). Οι βινυλεστερικές ρητίνες είναι καλύτερες από τις εποξικές και τα πολυεστερικές. Οι αφρώδεις πυρήνες είναι καλύτεροι από το ξύλο balsa και το Nomex. Τα ψευδο ισοτροπικά πολύστρωτα είναι καλύτερα από τα ορθροτροπικά. Πολλές λεπτές στρώσεις ενισχύσεως είναι καλύτερες από λίγες στρώσεις μεγάλου πάχους. Πίνακας 5.1.: Αξιολόγηση ινών με βάση την ανθεκτικότητα Κριτήριο Ίνες Άνθρακα Ίνες Γυαλιού Ίνες Aramid Θραύση υπό τάση, διάβρωση υπό τάση ++ + Κόπωση ++ + Κρούση + ++ Όπου: ++ : Πολύ ανθεκτικό + : Ανθεκτικό : Λίγο ανθεκτικό : Πολύ λίγο ανθεκτικό Σελίδα 74 από 110

86 Κεφάλαιο 5: Η επίδραση του θαλάσσιου περιβάλλοντος στις ιδιότητες των σκαφών από σύνθετα υλικά Η εκτίμηση των ιδιοτήτων των σύνθετων υλικών υπό συνθήκες παρατεταμένης βύθισης στο νερό και έκθεσης στο άνεμο, στη βροχή και στον ήλιο είναι προφανώς ένα σημαντικό μέρος της διαδικασίας σχεδιασμού μιας ναυπηγικής κατασκευής. Γενικά, η συμπεριφορά των πολύστρωτων από FRP σε τέτοιες συνθήκες είναι πολύ καλή, παρουσιάζεται όμως μια σχετική μείωση των μηχανικών τους ιδιοτήτων [23]. Τα σύνθετα υλικά μπορούν να υποστούν υποβάθμιση των μηχανικών τους ιδιοτήτων λόγω: (α) βιολογικής επίθεσης (β) γήρανσης λόγω απορρόφησης νερού και (γ) μηχανικής καταστροφής λόγω στατικής φόρτισης κάτω από υδροστατική πίεση συνδυαζόμενη πολλές φορές με λυγισμό, δυναμική ή κρουστική φόρτιση. Έκθεση στο θαλάσσιο περιβάλλον για μεγάλα χρονικά διαστήματα μπορεί να είναι πολύ δυσμενής. Διαφορετικές συμπεριφορές μπορούμε να περιμένουμε ανάλογα την φύση της ρητίνης, των ινών και τις ιδιότητες του περιβάλλοντος έκθεσης [17] Μηχανισμοί Απορρόφησης Υγρασίας σε Σύνθετα Υλικά Οι μηχανισμοί απορρόφησης υγρασίας και οι επιδράσεις της στις τελικές ιδιότητες έχουν μελετηθεί εκτενώς για πολυμερή υλικά, αλλά οι αντίστοιχες όμως μελέτες για τα ενισχυμένα πολυμερή είναι σαφώς περιορισμένες. Το φαινόμενο της απορρόφησης υγρασίας από σύνθετα υλικά θα πρέπει να μελετηθεί εκτενέστερα και διεισδυτικότερα, αφού οι μηχανισμοί που εμπλέκονται σε αυτά είναι πιο πολύπλοκοι από ότι στην περίπτωση της μη ενισχυμένης μήτρας [55], [60]. Η διείσδυση του νερού στα πολυμερή σύνθετα υλικά πραγματοποιείται μέσω τριών μηχανισμών: (α) Διάχυση στη μήτρα και τις ίνες (β) Τριχοειδής ροή στη διεπιφάνεια, και (γ) Μεταφορά μέσω μικρορωγμών. Ο μηχανισμός τριχοειδούς ροής περιλαμβάνει ροή μορίων νερού κατά μήκος της διεπιφάνειας ίνας μήτρας και, προφανώς σχετίζεται άμεσα με τη δημιουργία Σελίδα 75 από 110

87 αποκολλήσεων σε αυτή. Από την άλλη, η μεταφορά μέσω μικρορωγμών συμπεριλαμβάνει τόσο ροή όσο και αποθήκευση μορίων νερού σε μικρορωγμές ή άλλου είδους μικροφθορές, όπως κενά. Έτσι, οι δύο τελευταίοι μηχανισμοί είναι πιθανό να δρουν εξαρχής λόγω ατελειών του υλικού ή να ενεργοποιηθούν στη συνέχεια, όταν δημιουργηθεί στο σύνθετο κάποια φθορά, η οποία μάλιστα είναι συχνά και η ίδια αποτέλεσμα της έκθεσης του υλικού σε περιβάλλον υγρασίας [61]. Η ενεργοποίηση της τριχοειδούς ροής και της μεταφοράς μέσω μικρορωγμών μπορεί να γίνει εύκολα αντιληπτή, καθώς αυτοί οι μηχανισμοί αυξάνουν κατά έναν αυτόεπιταχυνόμενο τρόπο τόσο τον ρυθμό απορρόφησης όσο και την τελική ποσότητα της υγρασίας που απορροφάται. Για σύνθετα με μη διαπερατές από την υγρασία ίνες, η ενέργεια ενεργοποίησης της διάχυσης θα αναμενόταν να συμπίπτει με εκείνη για τη σκέτη πολυμερική μήτρα. Το ότι στην πράξη οι ενέργειες ενεργοποίησης για τα σύνθετα και τις αντίστοιχες ρητίνες διαφέρουν αποδεικνύει τη δράση μηχανισμού απορρόφησης που σχετίζεται με τη διεπιφάνεια [62]. Η απορρόφηση νερού στα σύνθετα υλικά πραγματοποιείται μέσω των τριών διαφορετικών μηχανισμών που προαναφέρθηκαν και περιγράφεται από τους νόμους της διάχυσης, οι οποίοι ονομάζονται νόμοι του FICK, προς τιμή του ομώνυμου επιστήμονα, ο οποίος και τις εισήγαγε στην επιστημονική κοινότητα. Οι νόμοι του FICK συσχετίζουν τον χρόνο έκθεσης στο νερό t με το ποσό του απορροφημένου νερού M t διαιρούμενου με το ποσό M S, το οποίο είναι το μέγιστο ποσοστό υγρασίας στον κορεσμό, σύμφωνα με την παρακάτω φόρμουλα [23]: (5.1) Για υλικό δύο στρώσεων με : πάχος = h συντελεστή διάχυσης = D Κάθε ρητίνη μπορεί να χαρακτηρισθεί από δύο παραμέτρους M S και D. Η διάχυση είναι ένα φαινόμενο που ενεργοποιείται μέσω της θερμοκρασίας. Ο νόμος της διάχυσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε λείες ρητίνες και στρώσεις. Πρέπει όμως επίσης να ληφθεί υπόψη και η επιφάνεια μεταξύ της ρητίνης και των ινών. Τα κενά περιεχόμενα μπορούν επίσης να επηρεάσουν την τιμή του M S. Η υδροστατική πίεση μειώνει τον ελεύθερο όγκο και έτσι μειώνεται και η τιμή του Μ S. Πειραματικά αποτελέσματα έχουν δείξει ότι: τα σύνθετα ενισχυμένα με ίνες οι νόμοι του FICK κατά κανόνα ακολουθούνται [63]. Σελίδα 76 από 110

88 Υπάρχουν πάντως και περιπτώσεις συνθέτων που εμφανίζουν αποκλίσεις από τον νόμο του FICK, π.χ. δεν αποκαθίσταται κορεσμός ή παρατηρούνται δύο πλατό στην καμπύλη απορρόφησης. Έτσι, συχνά στα σύνθετα καταγράφονται καμπύλες κίνησης δύο σταδίων που αποδίδονται σε συσσώρευση φθοράς, η οποία οδηγεί σε περαιτέρω απορρόφηση νερού. Η φθορά μπορεί να αφορά είτε σε υποβάθμιση της μήτρας ή σε αποκόλληση των ινών από αυτή και ακολούθως σχηματισμό φιλμ υγρασίας γύρω από την επιφάνεια του μέσου ενίσχυσης [62],[64] Επίδραση χαρακτηριστικών των συνθέτων στην απορρόφηση υγρασίας Τα κύρια χαρακτηριστικά των συνθέτων που επηρεάζουν τη συμπεριφορά τους κατά την απορρόφηση της υγρασίας είναι η μήτρα, η περιεκτικότητα των ινών, το περιεχόμενο κενών, και η ποιότητα της διεπιφάνειας ίνας μήτρας. (α) Η επίδραση της μήτρας: Ανάλογα με τη χημική της σύσταση η μήτρα μπορεί να απορροφά διαφορετικά ποσά υγρασίας. Στην περίπτωση θερμοσκληρυνόμενων πολυμερών η απορρόφηση εξαρτάται από τη δομή και την πυκνότητα του πλέγματος, καθώς και από την παρουσία προσθέτων, ενώ για θερμοπλαστικές μήτρες ιδιαίτερη σημασία έχει η πολικότητα και η κρυσταλλικότητα τους [61]. (β) Η επίδραση των ινών: Είναι γνωστό πως οι ίνες, με εξαίρεση τις πολυμερικές, δεν απορροφούν υγρασία. Η παρουσία τους όμως έχει καθοριστικό ρόλο, καθώς από τη μία εμποδίζουν την ευθεία διάχυση των μορίων του νερού παρεμβαίνοντας στην πορεία τους, ενώ από την άλλη ενεργοποιούν την τριχοειδή ροή κατά μήκος της διεπιφάνειας [65]. (γ) Η επίδραση των κενών: Τα κενά, ιδιαίτερα εκείνα που συνδέονται με το εξωτερικό του συνθέτου, αποτελούν διόδους που επιταχύνουν τη διείσδυση του νερού και αυξάνουν την επιφάνεια του υλικού που εκτίθενται σε αυτό. Από την άλλη, τα κενά στο εσωτερικό του συνθέτου αποτελούν σημεία αποθήκευσης, που μπορούν να αυξήσουν τη μέγιστη απορρόφηση [55]. (δ) Η επίδραση της διεπιφάνειας: Δεδομένου ότι το νερό διεισδύει στα σύνθετα από την εξωτερική επιφάνεια στο εσωτερικό τους μέσω συνεχών διεπιφανειακών διόδων και ταυτόχρονα επιτίθεται στη ρητίνη, η διεπιφάνεια (ή μεσοφάση) έχει καθοριστικό ρόλο στη συμπεριφορά απορρόφησης [66] Σελίδα 77 από 110

89 5.3. Επιδράσεις της απορρόφησης νερού στις μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών Η απορρόφηση νερού μπορεί να προκαλέσει [67]: πλαστικοποίηση της ρητίνης, που είναι φαινόμενο αναστρέψιμο και υδρόλυση της ρητίνης (για θερμοσκληρυνόμενα υλικά), που είναι φαινόμενο μη αναστρέψιμο. Η μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων που οφείλεται στην απορρόφηση νερού σχετίζεται με την πλαστικοποίηση της ρητίνης και την προκαλούμενη έτσι μείωση της δυσκαμψίας της, με τις αναπτυσσόμενες αποκολλητικές τάσεις στο δεσμό ίνας ρητίνης και με τη χημική επίθεση του νερού στον δεσμό αυτό. Πειραματικές δοκιμές σε πολύστρωτα από πολυεστέρα ενισχυμένο με ίνες γυαλιού Ε μετά από μακρόχρονη, χωρίς τάσεις, βύθιση στο νερό, καθώς και σε δοκίμια που κόπηκαν από γάστρες σκαφών και από υδροδυναμικά βοηθήματα υποβρυχίων με πολλά χρόνια υπηρεσίας, έδειξαν ότι η μέγιστη μείωση του μέτρου ελαστικότητας ήταν 20%, της αντοχής σε εφελκυσμό 20%, της αντοχής σε κάμψη 30% και της αντοχής σε θλίψη 35%. Οι τυπικές μειώσεις είναι συνήθως μικρότερες και από τις τιμές αυτές. Η μείωση των μηχανικών ιδιοτήτων επιταχύνεται όταν η κατασκευή βρίσκεται υπό πίεση (π.χ. υποβρύχια σκάφη, βυθοκόροι), χωρίς όμως να υπερβαίνονται οι παραπάνω μέγιστες τιμές [6]. Με τον καιρό, όλες οι μηχανικές ιδιότητες μειώνονται, συμπεριλαμβανομένων του μέτρου ελαστικότητας και του ορίου αντοχής. Οι μηχανικές ιδιότητες όλου του υλικού δεν μειώνονται με τον ρυθμό τον αντίστοιχο της ρητίνης, λόγω αντοχής των ινών σε σχέση με την αντοχή της ρητίνης. Επειδή η ρητίνη είναι ιξωδοελαστικό (visco elastic) υλικό η συμπεριφορά των σύνθετων υλικών σε ερπυσμό έχει επίσης χαρακτηρισθεί ως συνάρτηση [67]: του επιπέδου της υδροστατικής πίεσης της μηχανικής φόρτισης (διαφορετική της πίεσης) της επίδρασης της γήρανσης και διάρκειας έκθεσης. Εξαιτίας των όσων αναφέρθηκαν παραπάνω, η απορρόφηση νερού επηρεάζει ποικιλοτρόπως τις μηχανικές ιδιότητες των σύνθετων υλικών, μολονότι είναι γενικά αποδεκτό ότι η επίδραση της υγρασίας είναι εντονότερη στις ιδιότητες που ελέγχονται από τη μήτρα ή τη διεπιφάνεια (π.χ. αντοχή σε θλίψη, σε εγκάρσιο εφελκυσμό ή διαστρωματική διατμητική αντοχή) παρά στις ελεγχόμενες από τις ίνες ιδιότητες [65]. Σημαντικό, λοιπόν, στοιχείο που θα πρέπει να λάβει υπόψη του ο μελετητής μηχανικός είναι η μείωση κατά 10% περίπου της αντοχής από FRP όταν το σκάφος είναι στη Σελίδα 78 από 110

90 θάλασσα. Η μείωση αυτή οφείλεται στην απορρόφηση νερού από το FRP (Wet Strength) όταν το σκάφος παραμείνει για αρκετό χρόνο στο νερό [13] 5.4. Η επίδραση του θαλάσσιου περιβάλλοντος στις ιδιότητές των σύνθετων υλικών Τα περισσότερα πολύστρωτα στις ναυπηγικές εφαρμογές προστατεύονται από χρώμα ή χρωματισμένο gel coat. Υπό αυτές τις συνθήκες, οι επιδράσεις του περιβάλλοντος (έκθεση στον άνεμο, στον ήλιο, στη βροχή, στο χαλάζι και στον πάγο, weathering) είναι μικρές και περισσότερο αισθητικού χαρακτήρα, όπως χάσιμο της επιφανειακής λάμψης του gel coat και εμφάνιση επιφανειακών ρηγματώσεων και μικροδιαβρώσεων του χρώματος ή του gel coat. Τα μη προστατευμένα, διαφανή GRP υπόκεινται σε κιτρίνισμα και χάσιμο της διαφάνειας τους που προκαλούνται από την υπεριώδη ακτινοβολία του ήλιου, η οποία όμως δεν επηρεάζει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες [68]. (α) βιολογική επίθεση: Στις περισσότερες πειραματικές δοκιμές, δεν παρουσιάστηκαν φαινόμενα βιολογικής επίθεσης στα υπό εξέταση σύνθετα υλικά, εκτός από ένα υλικό polyester glassmat laminate, το οποίο παρουσίασε τα παραπάνω φαινόμενα μετά από έκθεση χρονικής διάρκειας 3 ετών και σε βάθος 1000 ποδών (feet) [67]. (β) γήρανση λόγω απορρόφησης νερού Η διείσδυση του νερού στα πολύστρωτα από FRP πραγματοποιείται με διάχυση μέσω της ρητίνης, με τριχοειδείς ροές μέσω των ρωγμών και των εσωτερικών κοιλωμάτων ή οπών, ή κατά μήκος των ατελών δεσμών ίνας ρητίνης. Η απορρόφηση νερού κυμαίνεται από 1% κατά βάρος σε πολύστρωτα με γυαλί τύπου Ε και ισοφθαλικό πολυεστέρα, έως και 3% όταν χρησιμοποιούνται φαινολικές ρητίνες. Η απορρόφηση νερού και ο ρυθμός διάχυσης είναι γενικά υψηλότερα σε μεγάλες θερμοκρασίες, ενώ μερική απορρόφηση μπορεί να συμβεί και από πολύστρωτα που βρίσκονται σε αέρα με υγρασία. Γενικά, ανάλογα με την αντίσταση τους στη διείσδυση νερού, οι διάφορες θερμοσκληρυνόμενες ρητίνες κατατάσσονται ως ακολούθως (78): εποξικές > βινυλεστερικές > ισοφθαλικές > ορθοφθαλικές Όσον αφορά τις ίνες, οι ίνες Kevlar είναι περισσότερο υδρόφιλες από τις ίνες άνθρακα και τις ίνες γυαλιού τύπου Ε. Σελίδα 79 από 110

91 (γ)επίδραση θερμοκρασίας Περιορισμοί στη σχεδίαση ελαφρών σκαφών με ενισχυμένα με ίνες σύνθετα υλικά Ένα πρόβλημα που θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στις κατασκευές από FRP είναι η επίδραση των υψηλών θερμοκρασιών στη δυσκαμψία και στην αντοχή τους [27]. Στις τροπικές περιοχές, δεν είναι σπάνιο να έχουμε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 65 Ο C σε σκάφη με λευκό gel coat. Έχουν μετρηθεί θερμοκρασίες μέχρι και 85 ο C στα καταστρώματα σκαφών με κόκκινο gel coat, κοντά στους 95 ο C στα καταστρώματα σκαφών με σκούρο μπλε χρώμα και αρκετά μεγαλύτερες από 95 ο C στα καταστρώματα σκαφών με μαύρο gel coat [27]. Αυτός είναι και ένας λόγος που δεν υπάρχουν πολλά σκάφη από FRP με μαύρο gel coat. Η αντοχή σε εφελκυσμό των μονοαξονικών πολύστρωτων που φορτίζονται στη διεύθυνση των ινών εξαρτάται από τη θερμοκρασία με τρόπο όμοιο με εκείνον που εξαρτάται και η αντοχή των ενισχυτικών ινών. Γενικά, οι ίνες άνθρακα διατηρούν το μεγαλύτερο μέρος της αντοχής και της δυσκαμψίας τους σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες από 1000 ο C. Η αντοχή των ινών γυαλιού Ε, σε σχέση με την αντοχή τους στους 20 ο C, μειώνεται στο 75% περίπου στους 350 ο C και στο 50% περίπου στους 500 ο C [69]. Ένα εντυπωσιακό χαρακτηριστικό του GFRP και των άλλων FRPs είναι ο τρόπος που διατηρούν και μερικές φορές αυξάνουν σημαντικά και την αντοχή και τη δυσκαμψία τους σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Το χαρακτηριστικό αυτό, το οποίο έχει αποδειχτεί πολύτιμο στις αεροναυπηγικές εφαρμογές των σύνθετων υλικών, υποδηλώνει και περαιτέρω πολύτιμες ενδεχόμενες εφαρμογές στις υπερκατασκευές των πλοίων ή των εξέδρων εξόρυξης πετρελαίου, όπoυ οι θερμοκρασίες μπορεί να πέσουν μέχρι τους 50 ο C σε αρκτικές συνθήκες, καθώς επίσης και στις δεξαμενές μεταφοράς υγροποιημένου φυσικού αερίου (LNG) [περίπου 160 o C] [6]. (δ) Είδος του νερού Επειδή τα ναυπηγικά σύνθετα υλικά βυθίζονται στο θαλασσινό νερό, θα ενδιέφερε ιδιαίτερα η επίδραση της περιεκτικότητας του νερού σε αλάτι, κατά την απορρόφηση και διάχυσή του στα σύνθετα υλικά. Μια παραμετρική μελέτη σε τέσσερα είδη πολυεστερικών ρητινών σε πολύστρωτα μετά από τη βύθισή τους σε γλυκό νερό και σε αλατόνερο στους 40 ο C, όπως αυτή φαίνεται στον Πίνακα 5.1., έδειξε ότι η υγροθερμική γήρανση των ρητινών στο αλατόνερο χαρακτηρίζεται από υψηλότερο συντελεστή διάχυσης και χαμηλότερο επίπεδο κορεσμού. Γενικά, η περιεκτικότητα του νερού σε αλάτι επιδρά όχι με τόσο αξιοσημείωτο τρόπο στην υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων [70] Σελίδα 80 από 110

92 Πίνακας 5.1.: Επίδραση του άλατος στην υγροσκοπική συμπεριφορά τεσσάρων πολυεστερικών ρητινών σε πολύστρωτα σύνθετα που βυθίζονται σε αλατόνερο και γλυκό νερό στους 40 ο C [23] Υλικό Γλυκό Νερό Αλατόνερο D x 10 3 M % D x 10 3 (mm 2 /hour) (mm 2 /hour) M % Orthophalic Tetrahydrophalic Isophthalic Isophthalic thixotropic Έτσι λοιπόν, οι έρευνες κατά τη διάρκεια της μακροπρόθεσμης έκθεσης των δειγμάτων σε καθαρό και θαλάσσιο νερό στις διαφορετικές θερμοκρασίες, δεν έχουν αποκαλύψει οποιαδήποτε αξιοπρόσεχτη αλλαγή στην ακαμψία και οι ιδιότητες αντοχής των FRP που μελέτησαν αν και αναμενόταν να έδειχναν μια υποβάθμιση των δεσμών μεταξύ των ινών ενίσχυσης και της πολυεστερικής ρητίνης. Εντούτοις, οι έρευνες πρέπει να συνεχιστούν προκειμένου να συσσωρευθούν τα αξιόπιστα πειραματικά στοιχεία όσον αφορά τη συνδυασμένη επίδραση των περιβαλλοντικών παραγόντων και των μηχανικών φορτίων, πρώτιστα στο θαλάσσιο νερό [71], [72] 5.5. Ώσμωση Η ώσμωση στα πολύστρωτα, μπορεί να οριστεί ως η διαδικασία της αποκόλλησης των επιφανειακών στρώσεων του πολύστρωτου, που προκαλείται από την χημική αντίδραση του νερού με τα υδατοδιαλυτά στοιχεία ενός πολύστρωτου [73]. Το φαινόμενο της ώσμωσης ορίζεται ως η φυσική διαδικασία κατά την οποία ένα υγρό διάλυμα χαμηλότερης πυκνότητας διέρχεται μέσω μιας πορώδους μεμβράνης (ημιπερατή) σε ένα υγρό διάλυμα μεγαλύτερης πυκνότητας για να εξισωθούν τελικά οι δύο πυκνότητες των διαλυμάτων (συγκεντρώσεις). Στην περίπτωση των ενισχυμένων με ίνες πλαστικών σκαφών το ρόλο της ημιπερατής μεμβράνης διαδραματίζει το Gel Coat της γάστρας. Η ώσμωση «φουσκάλιασμα» της επιφάνειας των πολύστρωτων από GRP, αν και κυρίως είναι πρόβλημα αισθητικής (καθώς το ποσοστό ώσμωσης στις σύγχρονες κατασκευές σκαφών είναι περίπου 1%), προκαλεί δυσφορία στους χρήστες των σκαφών και Σελίδα 81 από 110

93 συνεπώς έχει οικονομική σημασία. Το φαινόμενο της ώσμωσης στα πλαστικά σκάφη έχει αναφερθεί ότι κυμαίνεται από 1% έως 20% (σε παλιότερες κατασκευές) [29]. Εντυπωσιακό είναι μάλιστα ότι η ποσότητα του νερού που απορροφά ένα σκάφος με παρατεταμένη παραμονή στη θάλασσα, μπορεί να φτάσει στο 3% του συνολικού του βάρους [74]. Παρακάτω παραθέτονται τα συμπτώματα της ώσμωσης: (α) (β) Το κύριο σύμπτωμα είναι οι φυσαλίδες στο Gel Coat, οι οποίες εμφανίζονται μεταξύ του Gel Coat και της πρώτης ενισχυμένης στρώσης. Οι φυσαλίδες είναι συνήθως κυκλικού σχήματος και περιέχουν υγρό. Ύπαρξη αστεροειδών ρωγμών (Star Cracks) στην επιφάνεια του Gel Coat, αποτελεί μια οπτική ένδειξη ύπαρξης φαινομένου ώσμωσης (βλ. σχ. 5.2) Σχήμα: 5.2.: Αστεροειδείς ρωγμές [75] (γ) Πορώδης υφή του Gel Coat (δ) Ίνες γυαλιού που προεξέχουν πέρα από την επιφάνεια του Gel Coat και εκτίθενται στο υγρό περιβάλλον. (ε) Ανεπαρκώς στερεοποιημένο Gel Coat. Κατά την επίστρωση ενός σκάφους είναι αναπόφευκτη η δημιουργία φυσαλίδων και εσωτερικών κοιλοτήτων παρά όλες τις σύγχρονες τεχνικές που έχουν αναπτυχτεί για την αντιμετώπιση τέτοιων φαινομένων. Όσο μεγαλύτερη κατ όγκο περιεκτικότητα σε εσωτερικές κοιλότητες ή οπές σε ένα πολύστρωτο τόσο πιο ευνοϊκές οι συνθήκες για τη δημιουργία ώσμωσης. Σελίδα 82 από 110

94 Παράμετροι που επηρεάζουν την ώσμωση (α) Περιβαλλοντολογικές συνθήκες κατά την παρασκευή: θα πρέπει να αποφεύγεται η υγρασία στο καλούπι και τις ενισχυτικές ίνες κατά τη διάρκεια της κατασκευής. Για το λόγο αυτό θα πρέπει η υγρασία του εργαστηρίου κατασκευής να είναι κάτω από 80%. Πάντως σε καμιά περίπτωση δεν πρέπει το εργαστήριο παρασκευής σκαφών να είναι ψυχρό και υγρό, γιατί ένα τέτοιο περιβάλλον προσφέρει όλες τις προϋποθέσεις για μια κακή ποιότητα κατασκευής [76] (β) Αντίσταση Ρητινών: όσο μεγαλύτερη είναι η χημική αντίσταση και το ΜΒ (Μοριακό Βάρος) των ρητινών τόσο είναι μικρότερος ο κίνδυνος εμφάνισης της ώσμωσης. (γ) Θερμοκρασία και πυκνότητα του νερού: έχει παρατηρηθεί πως σε σκάφη που ταξιδεύουν σε ψυχρές θάλασσες, όπως η Βόρεια θάλασσα, το ποσοστό εμφάνισης του φαινομένου της όσμωσης είναι σχετικά μικρότερο, σε σύγκριση με τα σκάφη που ταξιδεύουν σε θερμότερες θάλασσες όπως η Μεσόγειος. Αυτό οδηγεί στο συμπέρασμα ότι όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του περιβάλλοντος νερού τόσο αυξάνεται το ποσοστό του νερού που απορροφάται από το σκάφος Αποφυγή Πρόληψη της Ώσμωσης Η συνιστώμενη πρακτική για την αποφυγή της δημιουργίας της ώσμωσης σε πολύστρωτα υλικά με πολυεστερική ρητίνη περιλαμβάνει τα ακόλουθα σημεία [6]: (α) (β) (γ) (δ) (ε) (στ) (ζ) (η) Αποφυγή υγρασίας από το καλούπι και στις ενισχυτικές ίνες κατά τη διάρκεια της κατασκευής. Προσεκτικός έλεγχος όλων των συνθηκών ώστε να εξασφαλίζεται ο πολυμερισμός. Ελαχιστοποίηση των εσωτερικών κοιλοτήτων αέρα κατά την εφαρμογή του gel coat. Αποφυγή υδατοδιαλυτών υπολειμμάτων στη ρητίνη ή στα διάφορα πρόσθετα. Χρήση ρητινών που υπόκεινται λιγότερο σε υδρόλυση, όπως οι ισοφθαλικές. Χρήση υαλοπιλημάτων με συνθετικό σκόνης αντί για συνδετικό γαλακτώματος. Αποφυγή όπου είναι δυνατόν των σκούρων χρωμάτων (π.χ. μπλε), τα οποία έχει αναφερθεί ότι ευνοούν την ώσμωση (λόγω του ότι αναπτύσσεται μεγαλύτερη θερμοκρασία στις εξωτερικές επιφάνειες του σκάφους). Χρήση Gel Coat με υδατοδιαλυτότητα όχι μεγαλύτερη (κατά προτίμηση μικρότερη) από εκείνη του υποκείμενου πολύστρωτου. Σελίδα 83 από 110

95 (θ) Χρήση πολύ ελαφριάς ενίσχυσης στο Gel Coat ή μιας στρώσης με ελαφριά ενίσχυση και πλούσια σε ρητίνη πίσω από το gel coat. Οι εποξικές ρητίνες παρουσιάζουν μικρότερη ευαισθησία στην εμφάνιση του φαινομένου της ώσμωσης σε σχέση με τις πολυεστερικές χάρη στο μικρότερο ρυθμό απορρόφησης νερού που έχουν. Οι φυσαλίδες της ώσμωσης επισκευάζονται συνήθως τρίβοντας την περιοχή κατ αρχάς με γυαλόχαρτο, γεμίζοντας στη συνέχεια τις εσωτερικές κοιλότητες (κενά) με εποξική κόλλα (συνδυασμένες με ενισχυτικές ίνες για μεγαλύτερα ελαττώματα) και τελειώνοντας με μία εποξική ή ακρυλική βαφή 5.6. Συντήρηση και επιδιόρθωση των μικρών σκαφών από σύνθετα υλικά [36] Ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα των σύνθετων υλικών στη ναυπηγική είναι το χαμηλό κόστος συντήρησης και η ευκολία επιδιόρθωσης των ατελειών τους. Η συντήρηση ενός μικρού σκάφους απαιτεί να αντιμετωπίζονται οι παράμετροι που επιδρούν αρνητικά στην διατήρηση της ποιότητας του gel coat: (α) λέρωμα: Τα FRP είναι ευαίσθητα στο θαλάσσιο περιβάλλον όπως επισημάνθηκε ανωτέρω. Η γάστρα του σκάφου μπορεί να βάφεται με ειδική μπογιά για θαλασσινό νερό για να εμποδίζεται η εναπόθεση του σε αυτό θαλάσσιοι μικροοργανισμοί κτλ. (β) θάμπωμα: μετά από 3 με 5 χρόνια το gel coat αρχίζει να θαμπώνει, ιδιαίτερα σε κλίματα με πολύ ήλιο. Τα σκουρόχρωμα gel coat είναι πιο ευαίσθητα από τα ανοιχτόχρωμα. (γ) φουσκάλες: οι φουσκάλες στο gel coat οφείλονται στην δημιουργία θυλάκων νερού, (δ) γρατζουνιές: που δημιουργούνται είτε από τη χρήση αιχμηρών αντικειμένων στο σκάφος είτε λόγω της βάδησης πάνω σε αυτό κτλ. (ε) κηλίδες: σε πολύ μολυσμένα νερά το πάνω μέρος της βρεχόμενης επιφάνειας του σκάφους λερώνεται από λάδια και άλλα μολυσμένα υγρά και ούτε τα ισχυρότερα καθαριστικά δεν μπορούν να δράσουν. Όλα αυτά τα προβλήματα παρουσιάζονται όχι μόνο στα σκάφη αλλά και στα αυτοκίνητα. Οπότε κατά τη συντήρηση τους μπορούν να χρησιμοποιηθούν παρόμοιες μέθοδοι συντήρησης όπως πλύσιμο με γλυκό νερό και χρήση ειδικών καθαριστικών, συχνή Σελίδα 84 από 110

96 επιθεώρηση της γάστρας, φύλαξη εκτός θαλάσσιου περιβάλλοντος όταν δεν χρησιμοποιούνται τα σκάφη (π.χ. το χειμώνα). Η επιδιόρθωση των μικρών σκαφών από FRP είναι σχετικά εύκολη σε σχέση με άλλα υλικά, μιας και δε χρειάζεται εξειδικευμένο προσωπικό και πολλές φορές οι επιδιορθώσεις γίνονται με απλά εργαλεία και τα χέρια, και δε χρειάζεται να εφαρμοστούν μέθοδοι που απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες. Κατά την επιδιόρθωση στο FRP πρέπει να εφαρμόζεται θερμοκρασία γύρω στους ο C, χρησιμοποιώντας καμιά φορά και θερμαντικές λάμπες και τα κατάλληλα καθαριστικά χημικά. Στα πολύστρωτα, το κατεστραμμένο κομμάτι υπόκειται σε λοξότμηση με κλίση 12 προς 1. Στη συνέχεια τοποθετούνται μπαλώματα από ίνες σε μεγαλύτερο μέγεθος από την τρύπα και την κλείνουν. Στο επιδιορθωμένο πολύστρωτο πρέπει να επιστρωθεί πολυεστερική ρητίνη. Στα περιβλήματα των sandwich panels ακολουθείται παρόμοια μέθοδος με τα πολύστρωτα. Σελίδα 85 από 110

97 Κεφάλαιο 6: Ο σχεδιασμός των ελαφρών σκαφών από FRP 6.1. Γενικά Η κατασκευαστική σχεδίαση των μικρών σκαφών έχει ως σκοπό την παραγωγή καλοφτιαγμένων και ανθεκτικών στο χρόνο γαστρών χαμηλού κόστους, ικανών να ανθίσταται με επιτυχία τις υδροδυναμικές πιέσεις (κρουστικές ή όχι), καθώς και τα διάφορα συγκεντρωμένα φορτία που προκαλούνται από καταστάσεις όπως μικροσυγκρούσεις κατά τον ελλιμενισμό, την αγκυροβόληση, κτλ. Η κατάλληλη επιλογή του πάχους του περιβλήματος της γάστρας (μεγαλύτερο πάχος > μεγαλύτερη ροπή αντίστασης) εξασφαλίζει ότι οι αναπτυσσόμενες τάσεις λόγω όλων των παραπάνω φορτίων θα είναι μικρές. Στις περισσότερες περιπτώσεις, η σχεδίαση ενός μικρού σκάφους από GRP με μήκος 15 μέτρων δεν περιλαμβάνει σαφή και λεπτομερή υπολογισμό των φορτίων και ανάλυση της απόκλισης της κατασκευής. Οι διαστάσεις βασίζονται σε προηγούμενη εμπειρία του κατασκευαστή από ανάλογες επιτυχείς σχεδιάσεις ή στους κανονισμούς των Νηογνωμόνων. Οι υπολογισμοί κατά την σχεδίαση και την κατασκευή των σκαφών από σύνθετα υλικά πρέπει να γίνονται με βάση τις βασικές αρχές της μηχανικής των σύνθετων υλικών και εκτίμηση των μηχανικών τους ιδιοτήτων με βάση πειραματικές δοκιμές, όπου χρειάζεται, καθώς και μελέτη φαινομένων όπως η κόπωση και η απόκριση των κατασκευαστικών συνδέσεων. Κατά την κατασκευή και τη λειτουργία δηλαδή των σκαφών, πρέπει να ληφθούν υπόψη παράγοντες που επηρεάζουν την αντοχή των σύνθετων υλικών όπως [13]: Κατά την κατασκευή του σκάφους: Τα ασαφή δεδομένα, Οι συνθήκες και η ποιότητα των επιστρώσεων Ο χρόνος στερεοποίησης και κατά τη χρήση του σκάφους: Η απορρόφηση νερού από το FRP Αποκόλληση επιστρώσεων Χαλάρωση τάσεων Κόπωση ή υπερφόρτωση Σελίδα 86 από 110

98 Χρήση σε συνθήκες που δεν προβλέπονται κατά τη μελέτη ή με υπέρβαρα φορτία 6.2. Επιλογή υλικού [17] Στη συνέχεια αναφέρεται ένας κατάλογος με τους παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη και τα ερωτήματα που πρέπει να απαντηθούν από το σχεδιαστή μηχανικό, για την επιτυχή εκλογή υλικού σε μια ναυπηγική κατασκευή από ενισχυμένο με ίνες σύνθετο υλικό : (α) Μηχανικές / φυσικές ιδιότητες Λόγος αντοχής προς βάρος Ειδικό βάρος Κατά πόσο η αντοχή, η ακαμψία ή η αντοχή σε κρούση είναι πρωταρχικής σημασίας (β) Θερμικές ιδιότητες / Αντίσταση σε φωτιά Θερμοκρασία παραμόρφωσης λόγω θέρμανσης Υπηρεσιακή θερμοκρασία Συντελεστής θερμικής διαστολής Συνθήκες υγρασίας Αντίσταση στη φωτιά (γ) Χημική αντίσταση Θα υπάρξει επαφή με υγρά ή αέρια διαλύματα οξέων ή διαλυτών; Είναι το υλικό μία μίξη συστατικών ή αποτελείται μόνο από ένα; Είναι η επαφή με τα διαλύματα συνεχής ή διακοπτόμενη; Θα αλλάξει η σύνθεση του διαλύματος ή θα μείνει η ίδια; (δ) Βιολογικοί παράγοντες Έρχεται τροφή σε επαφή με το υλικό; Πρόκειται μήπως τυχόν βακτήρια ή μικρόβια να προκαλέσουν πρόβλημα; (ε) Ηλεκτρικές ιδιότητες Πτώση της τάσης (ηλεκτρική αγωγιμότητα) Διηλεκτρική σταθερά (στ) Έκθεση στον καιρό Έκθεση σε υπέρυθρες ακτίνες Κλιματολογικές συνθήκες που θα λειτουργήσει η κατασκευή Σελίδα 87 από 110

99 (ζ) Καθαρότητα και χρώμα Διαφανές, ημιδιαφανές ή αδιαφανές υλικό; Χρώμα Κατεργασία της επιφάνειας Αντίσταση στο κιτρίνισμα του χρόνου (η) Απαιτήσεις του Νηογνώμονα σύμφωνα με τον οποίο γίνεται η κατασκευή (θ) Διαδικασία πραγματοποίησης πειραματικών δοκιμών στα υλικά 6.3. Κατασκευαστική μέθοδος [17] Στο δεύτερο κεφάλαιο αναφέρθηκαν με λεπτομέρεια οι μέθοδοι κατασκευής σκάφων από σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες. Οι βασικοί κατασκευαστικοί τύποι των μικρών σκαφών είναι δύο: αυτός του απλού τοιχώματος και αυτός της κατασκευής sandwich. Κατά τις φάσεις της κατασκευής, από αυτή του προτύπου, του καλουπιού, του σκάφους μέχρι και τη σύνδεση του απαιτείται εξειδικευμένο προσωπικό και με πείρα στο συγκεκριμένο αντικείμενο. Στην κατασκευή του προτύπου συνήθως κατασκευάζονται δύο πρότυπα, που αντιστοιχούν στη γάστρα και στο κατάστρωμα, τα οποία συμπληρώνονται από τα επιμέρους κομμάτια, όπως καπάκια, σκάλες κτλ. Στη συνέχεια για να είναι δυνατή η επίτευξη κατά το δυνατόν λείας εξωτερικής επιφάνειας του υπό ανέγερση σκάφους, κατασκευάζεται το καλούπι από πλαστική ύλη με τη βοήθεια προτύπου. Κατά τη φάση της κατασκευής η επαλληλία των στρώσεων πρέπει να γίνει σύμφωνα με εκείνη των υπολογισμών αντοχής. Πριν την τοποθέτηση κάθε στρώσης, απαιτείται η απαλοιφή τυχόν εγκλεισμάτων αερίων ή αέρα, με τη χρήση ρολών. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δίνεται στις απότομες γωνίες και σε περιοχές μεταβλητής γεωμετρίας. Το χρονικό διάστημα μεταξύ των εφαρμογών διαδοχικών στρώσεων, πρέπει να βρίσκεται μεταξύ των ορίων που προδιαγράφει ο κατασκευαστής των υλικών. Σε περίπτωση στρωμάτων μεγάλου πάχους, πρέπει να αφεθεί επαρκής χρόνος για την αποφυγή ανεπιθύμητων υψηλών ποσοστών εκλυόμενης θερμότητας. Μετά την περάτωση της κατασκευής του στρώματος, αυτό απαιτείται να σκληρυνθεί για ~48 ώρες σε θερμοκρασία αέρος τουλάχιστον 18 ο C. Με την προϋπόθεση ότι υπάρχει έλεγχος του ρυθμού σκλήρυνσης, επιτρέπεται η σκλήρυνση σε υψηλότερες θερμοκρασίες και για μικρότερο διάστημα. Για την επίτευξη μεγαλύτερης αντοχής σε ορισμένες επικίνδυνες περιοχές (πιθανότητα συγκέντρωσης τάσεων, αστοχίας, κλπ), τοποθετούνται σύμφωνα με την Σελίδα 88 από 110

100 υπόδειξη του ναυπηγού μηχανικού μελετητή άλλα υλικά, όπως ξύλο, τα οποία, όμως, επενδύονται με στρώσεις ενισχυτικού και ρητίνης. Επίσης, στην τρόπιδα, λόγω μεγάλων καταπονήσεων, συνηθίζεται η τοποθέτηση επίπεδης μορφοδοκού ή η έγχυση υλικού σε ρευστή κατάσταση, το οποίο όταν στερεοποιηθεί παρέχει την κατάλληλη αντοχή, αντί της υπερβολικής αύξησης του πάχους. Η σύνδεση των τμημάτων του σκάφους (π.χ. της γάστρας και του καταστρώματος) γίνεται με διάφορους τρόπους, μερικοί παρουσιάζονται στο παρακάτω σχήμα. (σχ. 6.1.). Εκτός από την παραπάνω σύνδεση απαιτούνται συνδέσεις και άλλων κομματιών (φρακτών, αγκώνων κλπ.). Γενική αρχή, η οποία πρέπει να ακολουθείται σε όλες τις συνδέσεις είναι η αποφυγή δημιουργίας σημείων συγκέντρωσης τάσεων. Στη παρακάτω παράγραφο (6.4.) γίνεται εκτενέστερη περιγραφή των συνδέσεων των σκαφών. Σχήμα 7.1.: Τυπικές συνδέσεις σε μικρά σκάφη. H κατασκευή τύπου Sandwich, όπως έχει αναφερθεί, αποτελείται από δύο λεπτά laminate από σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες (π.χ. GFRP), υψηλής αντοχής, μεταξύ των οποίων υπάρχει ένα ελαφρύ εσωτερικό υλικό (υλικό πυρήνα) με αρκετά μεγαλύτερο από αυτά πάχος. Το πιο αδύνατο σημείο μιας κατασκευής sandwich, και στο οποίο πρέπει να δοθεί μεγάλη προσοχή, είναι ο δεσμός μεταξύ του περιβλήματος από F.R.P. και του υλικού του πυρήνα. Η αντοχή του υλικού αυτού έχει πολύ μεγάλη σημασία για τη συμπεριφορά του ελάσματος, γιατί χωρίς το δεσμό αυτό η αντοχή και η ακαμψία του laminate είναι πολύ μικρότερες, αφού τα υλικά συμπεριφέρονται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Οι κολλητικές Σελίδα 89 από 110

101 ουσίες (adhesives) που χρησιμοποιούνται πρέπει να ενώνουν στιβαρά τα σώματα μεταξύ τους, έτσι ώστε να επιτρέπουν στα φορτία να μεταφέρονται από το ένα περίβλημα στο άλλο. Για το λόγο αυτό πρέπει να έχουν υψηλή αντοχή και μέτρο ελαστικότητας [77]. Οι κατασκευές από sandwich πρέπει να σχεδιάζονται έτσι ώστε να ικανοποιούν τα παρακάτω κριτήρια: (α) (β) (γ) (δ) (ε) (στ) (ζ) Τα περιβλήματα πρέπει να έχουν αρκετό πάχος, έτσι ώστε να ανθίσταται στις εφελκυστικές, θλιπτικές και διατμητικές τάσεις που προκαλούνται από τα επιβαλλόμενα φορτία (Σχ (α) και (β)). το υλικό του πυρήνα πρέπει να έχει αντοχή ικανή έναντι των διατμητικών τάσεων που προκαλούν τα επιβαλλόμενα φορτία. Οι κολλητικές ουσίες πρέπει να έχουν μεγάλη αντοχή, έτσι ώστε να μεταφέρουν τις διατμητικές τάσεις στο υλικό του πυρήνα (σχ (γ)). Το υλικό του πυρήνα πρέπει να είναι αρκετά παχύ και να έχει επαρκές μέτρο ελαστικότητας σε διάτμηση G, έτσι ώστε να προλαμβάνει τόσο τον ολικό λυγισμό της κατασκευής, όσο και τη δημιουργία γονάτου (crimping) (σχ (δ)) Το μέτρο ελαστικότητας σε θλίψη τόσο του υλικού του πυρήνα, όσο και των περιβλημάτων πρέπει να είναι επαρκές έτσι ώστε να εμποδίζει τη δημιουργία τοπικών πτυχώσεων (wrinkling) (Σχ (ε)) Εάν χρησιμοποιείται κυψελωτό υλικό πυρήνα, το μέγεθος των κυψελών πρέπει να είναι μικρό, έτσι ώστε να αποφεύγεται η δημιουργία διαδοχικών συνεχών πτυχώσεων των περιβλημάτων στο μεταξύ των κυψελών χώρο (intracell dimpling) (Σχ (στ)). Το υλικό του πυρήνα πρέπει να έχει επαρκή αντοχή σε θλίψη, έτσι ώστε να ανθίσταται σε κρουστικά φορτία που δρουν κάθετα πάνω στα περιβλήματα, ή από θλιπτικές τάσεις που προκαλούνται από κάμψη (Σχ (ζ)). Οι κατασκευές από sandwich πρέπει να έχουν επαρκή καμπτική και διατμητική ακαμψία, έτσι ώστε να αποφεύγουν τα βέλη ακαμψίας (Σχ (η)). Δύο άλλα σημεία στα οποία θα πρέπει να δίνεται μεγάλη προσοχή κατά τη σχεδίαση είναι η τοποθέτηση εξαρτημάτων (fitting attachment), μεταλλικών ή μη, πάνω σε Σελίδα 90 από 110

102 ελάσματα sandwich, όπως επίσης και ο τρόπος τελειώματος του υλικού στα άκρα ενός τέτοιου ελάσματος (panel close out). Σχήμα 6.2.: Κρίσιμα είδη φόρτισης κατασκευών sandwich Σχεδίαση συνδέσεων Οι κατασκευές από σύνθετα υλικά είναι ιδιαίτερα ευαίσθητες στην αστοχία των διαφόρων κατασκευαστικών συνδέσεων (Structural joints). Η αδυναμία των συνδέσεων αυτών οφείλονται στη απουσία ενισχυτικών ινών κατά την εγκάρσια διεύθυνση των επιφανειών που κολλιούνται, χαμηλή εφελκυστική και διατμητική αντοχή της λεπτής στρώσης του συγκολλητικού υλικού (adhesive) και στις αναπόφευκτες συγκεντρώσεις τάσεων που δημιουργούνται και οι οποίες οφείλονται κυρίως στη γεωμετρία των συνδέσεων [78]. Οι συνδέσεις με τη βοήθεια συγκολλητικού υλικού μπορούν να ενισχυθούν χρησιμοποιώντας και μεταλλικούς δεσμούς, όπως π.χ. απλές ή περαστές βίδες ή πριτσίνια. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να λαμβάνεται πρόνοια έτσι ώστε και οι μεταλλικοί σύνδεσμοι να έχουν επαρκή αντοχή για τη μεταβίβαση των εφαρμοζομένων δυνάμεων και ροπών, αλλά και το πολύστρωτο να μπορεί να αντέξει τις εφαρμοζόμενες συγκεντρωμένες δυνάμεις λόγω των συνδέσμων [78]. Σελίδα 91 από 110

103 Παρακάτω αναφέρονται ορισμένες γενικές οδηγίες οι οποίες μπορούν να ληφθούν υπόψη στις διάφορες συνδέσεις και κατασκευαστικές λεπτομέρειες [13]: κατασκευής. 1. Επιστρώσεις βάρους >600 g/m 2, συνδεόνται με μία τουλάχιστον επίστρωση mat (~450 g/m 2 ) ικανή να απορροφήσει αρκετά μεγάλη ποσότητα ρητίνης και να δημιουργήσει αποτελεσματικότερη συγκόλληση. 2. Τα ελεύθερα άκρα της στρωμάτωσης σφραγίζονται με ρητίνη. 3. Εάν το εξωτερικό περίβλημα του σκάφους έχει απότομες αλλαγές (π.χ. ακμές), η επίστρωση θα πρέπει να τις υπερκαλύπτει τουλάχιστον κατά 30mm, οι δε άκρες να είναι φαλτσοκομένες. 4. Η αλλαγή του πάχους της επιστρωμάτωσης πρέπει να είναι όσο το δυνατόν πιο ομαλή, πλάτος αλλαγής τουλάχιστον 30 φορές τη διαφορά του πάχους. 5. Οι μετωπικές συνδέσεις (σόκορο) των τμημάτων της κατασκευής πρέπει να είναι τέτοιες που να αποκαθιστούν την τοπική αντοχή. 6. Πριν από οποιαδήποτε σύνδεση (γωνιακή, σόκορο), οι προς επίστρωση επιφάνειες πρέπει να καθαριστούν και να αφαιρεθεί η στρώση gel coat, εφόσον φυσικά υπάρχει. 7. Μεταξύ ενισχυτικού και fiberglass παρεμβάλλεται μία εμποτισμένη στρώση mat. Στα παρακάτω σχήματα παρουσιάζονται διάφορες συνδέσεις και λεπτομέρειες Σχήματα 6.3.: Λεπτομέρειες συνδέσεων πλευρών και καταστρώματος. Σελίδα 92 από 110

104 Σχήματα 6.4.: Λεπτομέρειες ενώσεων των τμημάτων του σκάφους. 8. Όπου είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί γωνία, αυτή δε θα πρέπει να είναι μεταλλική ή προκατασκευασμένη από fiberglass αλλά θα πρέπει να είναι επιτόπου διαμορφωμένη και μάλιστα διπλή για να αποφεύγονται οι αποκολλήσεις, το δε κενό γεμίζει με foam (Σχήμα 6.5.) Σχήμα 6.5.: Αμφίπλευρη γωνία σύνδεσης Fiberglass 9. Σε γωνιακή σύνδεση ενισχυτικού με λεπτό τοίχωμα μπορεί να δημιουργηθούν στρεβλώσεις, γι αυτό επιβάλλεται να υπάρχει ικανοποιητικό κενό το οποίο γεμίζεται με foam και πεπλατυσμένη γωνία. Σελίδα 93 από 110

105 Σχήμα 6.6.: Γωνιακή σύνδεση λεπτού τοιχώματος 10. Δεν επιτρέπονται οι συνδέσεις των παρακάτω περιπτώσεων. Σχήμα 7.7.: Μη επιτρεπόμενες συνδέσεις 11. Όταν οι συνδέσεις φορτίζονται κατά τη φορά που φαίνεται στα σχέδια τότε απαιτείται επί πλέον ενίσχυση (π.χ. με κοχλίες) Σχήμα 6.8.: Ενίσχυση με κοχλίες 12. Κίνδυνος αποκόλλησης στις συνδέσεις που φορτίζονται όπως στα παρακάτω σχήματα. Σελίδα 94 από 110

106 Σχήμα 6.9.: Συνδέσεις που τείνουν σε αποκόλληση 13. Το πάχος των επιστρώσεων Fiberglass σε κοίλες ή κυρτές επιφάνειες είναι ανομοιόμορφο με αποτέλεσμα, ή να είναι μικρότερο του επιτρεπόμενου, ή όπου η επίστρωση είναι σε κοίλη επιφάνεια να υπάρχει κίνδυνος σχηματισμού θύλακα με αέρα. Σχήμα 6.10.: Επίστρωση fiberglass σε κοίλες και κυρτές επιφάνειες Σελίδα 95 από 110

107 14. Όταν, λόγω σχήματος, η διαμόρφωση γίνεται σε δύο καλούπια τότε η ένωση γίνεται όπως στο παρακάτω σχήμα. Σχήμα 6.11.: ένωση δύο τμημάτων σκάφους Αντοχή μηχανικών συνδέσεων πολύστρωτων πλακών Η αντοχή και οι μηχανισμοί αστοχίας των μηχανικών συνδέσεων στα σύνθετα υλικά, διαφέρουν κατά πολύ από την αντοχή και τους μηχανισμούς αστοχίας των μηχανικών συνδέσεων στα μεταλλικά υλικά, εξαιτίας της ανισοτροπίας και ανομοιογένειας που παρουσιάζουν. Ο βέλτιστος σχεδιασμός των μηχανικών συνδέσεων σύνθετων υλικών, απαιτεί την κατανόηση όλων των μηχανισμών αστοχίας καθώς και την συσχέτιση τους με τα επιβαλλόμενα φορτία. Μέχρι σήμερα, ο σχεδιασμός αυτός, έχει περιοριστεί στον πειραματικό προσδιορισμό της επίδρασης γεωμετρικών παραμέτρων στην αντοχή της σύνδεσης. Η συνήθης διαδικασία του πειραματικού σχεδιασμού, είναι η διεξαγωγή πειραμάτων μέχρι την αστοχία, μεταβάλλοντας τον παράγοντα που είναι υπό μελέτη και κρατώντας τους άλλους σταθερούς. Την ίδια στιγμή, τα θεωρητικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί, είναι προσεγγιστικά λόγω της αδυναμίας τους να υπολογίσουν τους πολύπλοκους μηχανισμούς αστοχίας και να λάβουν υπόψη σημαντικές παραμέτρους, όπως είναι η τριβή, η αλληλουχία στρώσεων, η ροπή συναρμογής, κ.τ.λ. [79] Έχει παρατηρηθεί πειραματικά, ότι οι μηχανικές συνδέσεις πολύστρωτων πλακών, αστοχούν κάτω από τρεις βασικούς μακροσκοπικούς μηχανισμούς αστοχίας. Οι μηχανισμοί Σελίδα 96 από 110

108 αυτοί φαίνονται στο Σχ και είναι ο εφελκυσμός (tension), η διάτμηση (shear out) και η εισχώρηση (bearing). O εφελκυσμός, είναι η εγκάρσια στην διεύθυνση της φόρτισης αστοχία, η οποία προκαλείται από εφελκυστικές δυνάμεις στο όριο της οπής. Η αστοχία αυτή παρατηρείται, όταν η απόσταση της οπής από την πλευρική άκρη της πλάκας είναι μικρή. Η διάτμηση, προκαλείται από υψηλές διατμητικές τάσεις που αναπτύσσονται σε 45 ο διεύθυνση, ως προς την διεύθυνση της φόρτισης και εμφανίζεται σε όλες τις περιπτώσεις των ορθότροπων πολύστρωτων πλακών καθώς και όταν η απόσταση της οπής από το κάτω άκρο της πλάκας είναι μικρή. Τέλος, η εισχώρηση (ο ήλος εισχωρεί στην πολύστρωτη πλάκα λόγω μεγάλης παραμόρφωσης της οπής), αναπτύσσεται στο υλικό που βρίσκεται στην περιοχή της επαφής του ήλου με την πολύστρωτη πλάκα, προκαλείται κυρίως από θλιπτικές τάσεις που ενεργούν στην επιφάνεια της οπής και παρατηρείται, όταν ο λόγος του πλάτους της πλάκας ως προς την διάμετρο της οπής, είναι μεγάλος. Η εισχώρηση παρατηρείται στην πλειοψηφία των περιπτώσεων κόπωσης των μηχανικών συνδέσεων [80] Εισχώρηση (bearing) εφελκυσμός (tension) διάτμηση (shear out) Σχήμα 6.12.: Μακροσκοπικοί μηχανισμοί αστοχίας των μηχανικών συνδέσεων πολύστρωτων πλακών. Στα σχήματα και φαίνονται δύο μηχανικές συνδέσεις πολύστρωτων πλακών, που αστόχησαν σε εισχώρηση και εφελκυσμό, αντίστοιχα, μετά από πείραμα εφελκυσμού. Στο Σχ είναι εμφανής η εισχώρηση του ήλου στην πολύστρωτη πλάκα, λόγω δευτερεύουσας κάμψης και στο Σχ.6.14., η εγκάρσια διάδοση της βλάβης από το άκρο της οπής μέχρι το πλαϊνό άκρο της πλάκας. Σελίδα 97 από 110

109 Σχήμα 6.13.: Μηχανική σύνδεση που αστόχησε σε εισχώρηση, [80]. Σχήμα 6.14.: Μηχανικές συνδέσεις (μετά από αποσυναρμολόγηση) που αστόχησαν σε εφελκυσμό, [13] Σχεδίαση και ανάλυση αντοχών ενός πολύστρωτου Σε αυτήν την παράγραφο θα αναφερθεί μιας μέθοδος ανάλυσης της αντοχής ενός laminate (Διάγραμμα 6.1.). Ακολουθώντας μια διαδικασία που περιγράφεται στο διάγραμμα που ακολουθεί, είναι δυνατός ο υπολογισμός του μέγιστου φορτίου που μπορεί να παραλάβει ένα laminate, για ένα συγκεκριμένο είδος φόρτισης. Σελίδα 98 από 110