Σύνθετα και Νανοσύνθετα Υλικά CHM_Ε83- Κώστας Γαλιώτης

Σύνθετα και Νανοσύνθετα Υλικά CHM_Ε83- Κώστας Γαλιώτης Κεφάλαιο 1. Εισαγωγή Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 1

Περιεχόμενα Μαθήματος (1/2) 1. Εισαγωγικές έννοιες. Είδη σύνθετων υλικών. Ετερογένεια και ανισοτροπία. Υλικά χρησιμοποιούμενα ως μήτρα (πολυμερή, μέταλλα, κεραμικά). Είδη και τύποι ενισχυτικού μέσου. Νανοσύνθετα. 2. Η διεπιφάνεια στα σύνθετα υλικά: Πρόσφυση και αλληλεπιδράσεις. Μέθοδοι ελέγχου της διεπιφάνειας. Μοντέλα μεταφοράς μηχανικών τάσεων μέσω της διεπιφανείας. 3. Μέθοδοι παρασκευής: Αυτόκλειστος φούρνος. Χύτευση με μεταφορά ρητίνης. Μορφόποιηση με περιέλιξη ινών. Μορφοποίηση με την τεχνική pultrusion. Μορφοποίηση με πλέξη ινών. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 2

Περιεχόμενα Μαθήματος (2/2) 4. Μηχανικές ιδιότητες σύνθετων υλικών: Πυκνότητα. Μέτρο ελαστικότητας. Αντοχή. Η ανισοτροπική φύση των ινωδών σύνθετων υλικών. Δυσκαμψία UD συνθέτων στη διεύθυνση των ινών και off axis. Μηχανικη συμπεριφορά πολυστρώτων (συμμετρικά, μη-συμμετρικά κλπ). Μηχανική συμπεριφορά συνθέτων με πλέξη ίνας. Μηχανισμοί αστοχίας. 5. Νανοσύνθετα υλικά: Εισαγωγικές έννοιες. Εγκλείσματα. Η έννοια της τροποποίησης της μήτρας στη νανοκλίμακα. Μέθοδοι παραγωγής και διασποράς νανοεγκλεισμάτων (shear mixing, centrifugal mixer, extrusion κλπ) σε μήτρες (κυρίως πολυμερικές). Ιδιότητες (ηλεκτρικές, μηχανικές κ.α.). 6. Εφαρμογές: Αεροναυπηγική και αεροδιαστημική. Αυτοκινητοβιομηχανία και μεταφορές. Ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές εφαρμογές. Βιομηχανία αθλητικών προϊόντων. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 3

Εργαστηριακές Ασκήσεις Επίδειξης (στο ερευνητικό ινστιτούτο Επιστημών Χημικής Μηχανικής και στο Τμήμα) Ε1. Παρασκευή συνθέτων υλικών με τη μέθοδο των πολυστρώτων πλακών και τη χρήση αυτόκλειστου φούρνου- ΙΕΧΜΗ Ε2. Μετρήσεις δυσκαμψίας και αντοχής σε πολυμερή σύνθετα υλικά με ενίσχυση συνεχούς ίνας- ΙΕΧΜΗ Ε3. Παραγωγή νανοεγκλεισμάτων με τεχνικές Χημικής Εναπόθεσης Ατμών (CVD) ΙΕΧΜΗ Ε4. Παρατήρηση στη νανοκλίμακα με τεχνικές Μικροσκοπίας Ατομικής Δύναμης- Τμήμα Χημ. Μηχανικών (Εργ. Νανοτεχνολογίας & Προηγμένων Υλικών) Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 4

Ορισμοί (1/2) Τα σύνθετα υλικά είναι στην πλειοψηφία τους δομικά υλικά που προκύπτουν από τον συνδυασμό δύο ή περισσοτέρων υλικών με ιδιότητες ανώτερες από τις ιδιότητες των επί μέρους συνιστωσών τους. Τα επί μέρους υλικά αναμειγνύονται σε μακροσκοπικό επίπεδο και δεν είναι διαλυτά το ένα στο άλλο. Συνήθως η μία από τις συνιστώσες φάσεις ονομάζεται φάση ενίσχυσης διότι είναι εκείνη που δύναται να φέρει τα εξασκούμενα φορτία. Η άλλη φάση που παίζει το ρόλο του μέσου μεταφοράς ονομάζεται μήτρα. Ένας τέτοιος ορισμός περιλαμβάνει ένα τεράστιο φάσμα υλικών πολλά εκ των οποίων συναντώνται καθημερινώς μπροστά μας, π.χ. το σκυρόδεμα, ή αποτελούν μέρος του σώματος μας όπως οι μυϊκοί ιστοί. Παραδείγματος χάριν οι μυϊκοί ιστοί αποτελούνται από ίνες κολλαγόνου εμβαπτισμένες σε μία εύκαμπτη μήτρα. Συμπερασματικά τα σύνθετα υλικά ορίζονται ως δύο ή περισσότερα φυσικώς ευδιάκριτα μηχανικώς διαχωριζόμενα υλικά και η παρασκευή τους βασίζεται στη φυσική ανάμειξη διακεκριμένων υλικών, έτσι ώστε η κατανομή των επιμέρους φάσεων να είναι ελεγχόμενη προς επίτευξη βέλτιστων ιδιοτήτων. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 5

Ορισμοί (2/2) Τα περισσότερα σύνθετα υλικά έχουν δημιουργηθεί για να βελτιωθούν οι συνδυασμοί των μηχανικών χαρακτηριστικών των υλικών όπως η δυσκαμψία, η δυσθραυστότητα αλλά και η αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες αλλά και σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος Ένα απλός τρόπος για την ταξινόμηση των συνθέτων υλικών αποτελείται από τρείς κατηγορίες: ενίσχυση κόκκων, ενίσχυση ινών και δομικά σύνθετα υλικά. Επίσης, δύο τουλάχιστον υποκατηγορίες υπάρχουν για το καθένα από αυτά. Η διασπαρμένη φάση (ενίσχυσης) για τα κοκκώδη σύνθετα υλικά είναι η ίδια σε όλους τους άξονες (με άλλα λόγια, οι διαστάσεις των κόκκων είναι περίπου η ίδια για όλες τις διευθύνσεις). Για τα ινώδη σύνθετα υλικά, η διασπαρμένη φάση έχει τη γεωμετρία της ίνας (με άλλα λόγια, ο λόγος μήκους της ίνας προς τη διάμετρο της είναι μεγάλος). Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 6

Ταξινόμηση Βάσει Σχήματος της Ενισχυτικής Φάσης Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 7

Ταξινόμηση Σύνθετα υλικά Ενίσχυση κόκκου Ινώδη Δομικά Μεγάλου κόκκου Ενίσχυση διασποράς Συνεχή (ευθυγραμμισμέ να) Ασυνεχή (κοντές ίνες) Πολύστρωτα Πανέλα τύπου σάντουιτς Ευθυγραμμισμένα Τυχαία προσανατολισμένα Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 8

Γεωμετρικά χαρακτηριστικά Συγκέντρωση Μέγεθος Σχήμα Κατανομή/ ευθυγράμμιση Προσανατολισμός Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 9

Γεωμετρίες Ινωδών Συνθέτων Ασυνεχείς Συνεχείς Τυχαίες Ευθυγραμμισμένες Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 10

Γεωμετρίες Ευθυγραμμισμένων Ινωδών Συνεχή Ευθυγραμμισμένα Ασυνεχή Ευθυγραμμισμένα Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 11

Οι τελικές ιδιότητες ενός ινώδους συνθέτου υλικού εξαρτώνται και από τις γεωμετρικές παραμέτρους όπως διάμετρος, μήκος, περιεκτικότητα σε όγκο, ευθυγράμμιση και χωρική διάταξη των ινών εντός του υλικού μήτρας. Σε μία μονοδιάστατη στρώση οι ίνες θεωρούνται διαταγμένες παράλληλα η μια δίπλα στην άλλη σχηματίζοντας τετραγωνικό ή εξαγωνικό πλέγμα. Η περιεκτικότητα κατ όγκο των ινών, V f (volume fraction), προκύπτει αναλυτικά για κάθε μία ιδανική διάταξη V f Περιεκτικότητα κατ όγκο-1 2 2 r r, Vf 2 3 R 4 R (1) εξαγωνική διάταξη (2) τετραγωνική διάταξη Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 12

Περιεκτικότητα κατ όγκο-2 V f 2 3 2 2 r r, Vf R 4 R (1) εξαγωνική διάταξη (2) τετραγωνική διάταξη Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 13

Τομή ΣΥ Μικροσκοπική απεικόνιση τομής κάθετης στην διεύθυνση των ινών σε σύνθετο υαλονημάτων/πολυεστέρα Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 14

Διαμήκης διεύθυνση ΣΥ Ασυνεχούς Ίνας Εγκάρσια διεύθυνση (a) (b) (c) Η ταξινόμηση ή ο προσανατολισμός των ινών, η συγκέντρωση και η κατανομή των ινών έχουν σημαντική επίδραση πάνω στην αντοχή και στις άλλες ιδιότητες των ινωδών συνθέτων υλικών. Όσον αφορά τον προσανατολισμό δύο ακραίες περιπτώσεις είναι πιθανές: (1) παράλληλη ευθυγράμμιση στην διεύθυνση διαμήκους άξονα των ινών και (2) πλήρως τυχαίo προσανατολισμό. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 15

ΤΙ ΜΑΘΑΜΕ ΜΕΧΡΙ ΤΩΡΑ-1 1. Τι είναι τα Σύνθετα Υλικά. 2. Ταξινόμηση και Γεωμετρικά Χαρακτηριστικά. 3. Περιεκτικότητα κατ όγκο (volume fraction) Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 16

Πολυμερή Σύνθετα Τα σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας (ΣΥΠΜ) αποτελούνται από μία πολυμερή ρητίνη ως μήτρα και ίνες ως το μέσον ενίσχυσης. Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών συνθέτων υλικών, επίσης σε πολλές ποσότητες, όσον αφορά τις ιδιότητές τους σε θερμοκρασία δωματίου, την ευκολία παραγωγής, και το κόστος. Σε αυτήν την ενότητα οι διάφορες ταξινομήσεις των ΣΥΠΜ κατατάσσονται σύμφωνα με τον τύπο της ενίσχυσης (π.χ. γυαλί, άνθρακας, και αραμίδιο), μαζί με τις εφαρμογές του και τις διάφορες πολυμερείς ρητίνες που χρησιμοποιούνται. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 17

Υλικό Οξείδιο του Αλουμινίου Αραμίδιο (Kevlar 49) Ειδικό Βάρος Ίνες Γενικά Εφελκυστική Αντοχή [GPa] Ειδική Αντοχή [GPa] Μέτρο Ελαστικότητας [GPa] Ειδικό Μέτρο Ελαστικότητας [GPa] 3,95 1,38 0,35 379 96 1,44 3,6-4,1 2,5-2,85 131 91 Άνθρακας α 1,78-2,15 1,5-4,8 0,70-2,70 228-724 106-407 Γυαλί τύπου Ε 2,58 3,45 1,34 72,5 28,1 Βόριο 2,57 3,6 1,40 400 156 Καρβίδιο του Πυριτίου UHMWPE (Spectra 900) 3,0 3,9 1,30 400 156 0,97 2,6 2,68 117 121 Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 18

Πολυμερείς Μήτρες (1/2) Οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενες και λιγότερο ακριβές πολυμερείς ρητίνες είναι οι πολυεστέρες και βινυλεστέρες. Αυτά τα μητρικά υλικά χρησιμοποιούνται κυρίως για σύνθετα υλικά ενισχυμένα με υαλονήματα. Οι εποξειδικές ρητίνες είναι πιο ακριβές και εκτός τις εμπορικές εφαρμογές που έχουν, χρησιμοποιούνται ευρέως και σε ΣΥΠΜ για αεροναυπηγικές εφαρμογές. Έχουν καλύτερες μηχανικές ιδιότητες και αντοχή στην υγρασία από τους πολυεστέρες και τους βινυλεστέρες. Για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών χρησιμοποιούνται οι πολυιμιδικές ρητίνες. Το ανώτατο θερμοκρασιακό όριο για συνεχή χρήση αυτών των ρητινών είναι περίπου οι 230 ο C (450 ο F). Τέλος οι θερμοπλαστικές ρητίνες υψηλών θερμοκρασιών έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιηθούν σε μελλοντικές αεροναυπηγικές εφαρμογές. Σε αυτά τα υλικά συγκαταλέγονται η πολυαιθερική αιθερική κετόνη (PEEK), το πολυφαινυλο-σουλφίδιο (PPS), και το πολυαιθερικό ιμίδιο (PEI). Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 19

Πολυμερείς Μήτρες (2/2) Τύπος Θερμο-σκληρυνόμενες Εποξειδικές Πολυεστέρες Πυκνότητα/ kg / m 3 1.1-1.4 1.2-1.5 Μέτρο ελαστικότητας/ GPa 3-6 2-4 Εφελκυστική αντοχή GPa 0.035-0.1 0.04-0.1 Μέγιστη παραμόρφωση/ % 1-6 2 Θερμο-πλαστικές Νάϋλον 6,6 Πολυπροπυλαίνιο PEEK 1.14 0.9 1.26-1.32 1.4-2.8 1.0-1.4 3.6 0.06-0.07 0.02-0.04 0.17 40-80 300 50 Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 20

Υαλονήματα Τύπος Ειδικό βάρος/ kg / m 3 Μέτρο ελαστικότητας/ GPa Εφελκυστική αντοχή GPa Σχόλια E-glass 2.54 76 3.5 Καλές ηλεκτρικές ιδιότητες, αντοχή και δυσκαμψία. C-glass 2.60 69 3.3 Υψηλή αντίσταση στην χημική διάβρωση, αλλά με χαμηλότερη αντοχή και αυξημένο κόστος σε σχέση με το E-glass. S-glass 2.49 85 4.6 Υψηλότερη δυσκαμψία και θερμική αντοχή αλλά και υψηλότερο κόστος σε σχέση με το E-glass. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 21

Ανθρακονήματα Τύπος Πυκνότητα/ kg / m 3 Μέτρο ελαστικότητας/ GPa Εφελκυστική αντοχή/ GPa Μέγιστη παραμόρφωση/ % HM Carbon (Ι) 1.95 400 2.4 0.60 HS Carbon (ΙΙ) 1.75 230 3.5 1.50 Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 22

Ανθρακονήματα Δομή Σχηματική απεικόνιση της δομής και μορφολογίας των ινών άνθρακος Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 23

ΣΥΠΜ με Ίνες Άνθρακα (1/3) Τα ανθρακονήματα είναι ίνες υψηλής απόδοσης και είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα ενισχυτικά μέσα σε προηγμένα (π.χ. μη fiberglass) σύνθετα υλικά πολυμερούς μήτρας: 1. Οι ίνες άνθρακα έχουν το υψηλότερο ειδικό μέτρο ελαστικότητας και την υψηλότερη ειδική αντοχή από όλα τα ινώδη ενισχυτικά υλικά. 2. Διατηρούν τα υψηλά μέτρα ελαστικότητας σε εφελκυσμό και την υψηλή αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες (η οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες μπορεί να είναι πρόβλημα). 3. Στη θερμοκρασία δωματίου οι ίνες άνθρακα δεν επηρεάζονται από την υγρασία ή από μία μεγάλη ποικιλία διαλυτών, οξέων, και βάσεων. 4. Αυτές οι ίνες παρουσιάζουν ένα εύρος φυσικών και μηχανικών χαρακτηριστικών, δίνοντας τη δυνατότητα στα σύνθετα υλικά που τις εμπεριέχουν να έχουν ειδικά σχεδιασμένες ιδιότητες. 5. Έχουν αναπτυχθεί διαδικασίες παραγωγής ινών για σύνθετα υλικά οι οποίες είναι σχετικά φθηνές και αποτελεσματικές ως προς το κόστος τους. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 24

ΣΥΠΜ με Ίνες Άνθρακα (2/3) Οι τεχνικές παραγωγής των ινών άνθρακος είναι σχετικά σύνθετες και δεν θα αναφερθούν εδώ. Όμως αξίζει να αναφέρουμε ότι τρία διαφορετικά οργανικά υλικά χρησιμοποιούνται ως πρώτη ύλη το ρεγιόν, το πολυακρυλονιτρίλιο (PΑΝ) και η πετρελαϊκή πίσσα. Η διαδικασία μορφοποίησης μπορεί να αλλάζει από πρώτη ύλη σε πρώτη ύλη όπως επίσης και τα χαρακτηριστικά της παραγόμενης ίνας. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 25

ΣΥΠΜ με Ίνες Άνθρακα (3/3) Ένα σχήμα για την ταξινόμηση των ινών άνθρακος είναι σύμφωνα με το μέτρο εφελκυσμού. Σε αυτή τη βάση προκύπτουν τέσσερις ομάδες με κανονικό, μέσο, υψηλό και πολύ υψηλό μέτρο ελαστικότητας. Επιπλέον, οι διάμετροι των ινών συνήθως κυμαίνονται από 4 μέχρι 10 μm. Συνεχείς αλλά και τεμαχισμένες σε μικρά μήκη μορφές είναι διαθέσιμες. Επιπρόσθετα, οι ίνες άνθρακος συνήθως περιβάλλονται από ένα προστατευτικό επικάλυμμα εποξειδικής ρητίνης το οποίο επίσης βελτιώνει τη συγκόλληση με την πολυμερή μήτρα. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 26

ΣΥΠΜ με Αραμιδικές Ίνες (1/3) Οι αραμιδικές ίνες είναι υλικά υψηλής αντοχής και υψηλού μέτρου ελαστικότητας. Τα υλικά αυτά είναι επιθυμητά κυρίως για τις έξοχες τιμές των λόγων αντοχής ανά βάρος οι οποίοι είναι ανώτεροι των αντίστοιχων των μετάλλων. Χημικά, είναι γνωστά σαν πολυ(παρα-φαινυλο-τερεφθαλαμίδια). Μονομερής ομάδα Διεύθυνση ίνας Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 27

ΣΥΠΜ με Αραμιδικές Ίνες (2/3) Τα εμπορικά ονόματα των δύο πλέον κοινών τύπων είναι το Kevlar και το Nomex. Για το πρώτο υπάρχουν διάφορες διαβαθμίσεις (ήτοι Kevlar 29, 49 και 149) οι οποίες έχουν διαφορετικές μηχανικές συμπεριφορές. Κατά τη διάρκεια της χημικής σύνθεσης, τα άκαμπτα μόρια προσανατολίζονται στη διεύθυνση του άξονα της ίνας ως υγροκρυσταλλικές περιοχές. Μηχανικά αυτές οι ίνες έχουν διαμήκεις εφελκυστικές αντοχές και εφελκυστικά μέτρα ελαστικότητας τα οποία είναι υψηλότερα από τα αντίστοιχα των άλλων πολυμερών ινών, όμως είναι σχετικά αδύνατες σε θλίψη. Επιπρόσθετα,, αυτό το υλικό είναι γνωστό για την δυσθραυστότητα του, την αντοχή σε κρούση, και την αντοχή σε ερπυσμό και αστοχία σε κόπωση Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 28

ΣΥΠΜ με Αραμιδικές Ίνες (3/3) Αν και τα αραμιδικά είναι θερμοπλαστικά υλικά, είναι εντούτοις ανθεκτικά στην καύση και σταθερά σε σχετικά μεγάλες θερμοκρασίες. Το εύρος θερμοκρασιών στο οποίο διατηρούν τις υψηλές μηχανικές ιδιότητες είναι από 200 ο σε 200 ο C (-330 ο σε 390 ο F). Χημικά τα υλικά αυτά είναι επιρρεπή σε υποβάθμιση κάτω από την επίδραση ισχυρών οξέων και βάσεων αλλά είναι σχετικά αδρανή σε άλλους διαλύτες και χημικές ουσίες. Οι αραμιδικές ίνες χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε σύνθετα υλικά τα οποία έχουν πολυμερείς μήτρες. Συνήθη μητρικά υλικά είναι οι εποξειδικές ρητίνες και οι πολυεστέρες. Δοθέντος ότι οι ίνες είναι σχετικά εύκαμπτες και σε κάποιο βαθμό όλκιμες, μπορούν να μορφοποιηθούν με τις πιο κοινές διαδικασίες νηματουργίας. Τυπικές χρήσεις αυτών των συνθέτων αραμιδικών υλικών είναι σε προϊόντα βαλλιστικής (αλεξίσφαιρα γιλέκα), σε αγαθά αναψυχής, σε ελαστικά αυτοκινήτων, σχοινιά, καλύμματα βλημάτων, δοχεία πίεσης και ως υποκατάστατο του αμιάντου σε επενδύσεις φρενών και αμπραγιάζ αυτοκινήτων και σε φλάντζες. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 29

ΣΥΠΜ με Ίνες Γυαλιού Οι διάμετροι των ινών συνήθως κυμαίνονται από 3 μέχρι 20 μm. Το γυαλί : 1. Ελκύεται εύκολα από το τήγμα σε ίνες υψηλής αντοχής. 2. Είναι άμεσα διαθέσιμο και μπορεί να παραχθεί οικονομικά σε πλαστικό ενισχυμένο με γυαλί χρησιμοποιώντας μία ευρεία ποικιλία τεχνικών παραγωγής συνθέτων. 3. Ως ίνα είναι σχετικά ισχυρή, και όταν εμβαπτίζεται σε μία πλαστική μήτρα παράγεται ένα σύνθετο υλικό το οποίο έχει πολύ υψηλή ειδική αντοχή. 4. Όταν συζευχθεί με διάφορα πλαστικά έχει μία χημική αδράνεια η οποία καθιστά το σύνθετο υλικό χρήσιμο σε μία μεγάλη ποικιλία διαβρωτικών μέσων. Περιορισμοί: Δεν είναι πολύ δύσκαμπτα (π.χ ως δομικά στοιχεία σε αεροπλάνα και γέφυρες). Περιορίζονται σε θερμοκρασίες λειτουργίας κάτω των 200 ο C (400 ο F). Σε υψηλότερες θερμοκρασίες, τα περισσότερα πολυμερή αρχίζουν να διαρρέουν ή να υποβαθμίζονται. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 30

Πλαστική Γέφυρα Επιστημονικό Πάρκο Πατρών: πρώτη πλαστική γέφυρα οχημάτων στην Ελλάδα! Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 31

ΣΥΠΜ Συγκεντρωτικός Πίνακας Ιδιότητα Γυαλί (τύπου Ε) Άνθρακα (υψηλής αντοχής) Αραμίδιο (Kevlar 49) Ειδικό βάρος 2.1 1,6 1,4 Εφελκυστικό μέτρο ελαστικότητας Εφελκυστική Αντοχή Διαμήκες [GPa] 45 145 76 Εγκάρσιο [GPa] 12 10 5,5 Διαμήκης [MPa] 1020 1240 1380 Εγκάρσια [MPa] 40 41 30 Τελική εφελκυστική παραμόρφωση Διαμήκης 2,3 0,9 1,8 Εγκάρσια 0,4 0,4 0,5 Μηχανικές ιδιότητες συνθέτων υλικών εποξειδικής μήτρας ενισχυμένων με συνεχείς και προσανατολισμένες ίνες γυαλιού, άνθρακα και αραμιδίου σε διαμήκεις και εγκάρσιες διευθύνσεις. Σε όλες τις περιπτώσεις το ογκομετρικό κλάσμα ινών είναι 0.60 Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 32

Μέτρα Ελαστικότητας ΣΥ Συνεχών Ινών (1/4) Ελαστική Συμπεριφορά Διαμήκης Φόρτιση σ σ (1) ε c = ε m = ε f (2) σ c = σ m V m + σ f V f (3) E cl = E m V m + E f V f Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 33

Eλατήρια εν παραλλήλω (2/4) (1) (2) (3) (4) (4) (1) c p m F F F A A A c p m c c p p m m A p c p m Ac V V c p p m m A A E E V E V m c p p m m c F F l Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 34

Μέτρα Ελαστικότητας ΣΥ Συνεχών Ινών (3/4) Ελαστική Συμπεριφορά Εγκάρσια Φόρτιση σ (1) (2) (3) σ σ c = σ m = σ f = σ c 1 E ct m V E V m m m V E f f f V f Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 35

(1) Fc Fp Fm c p m (2) lc l p lm clc pl p mlm l l (3) l l l (4) V V p m c c p p m m c p m lc lc c p p m m (4) 1 Vp V (1) E E E Ελατήρια εν σειρά (4/4) m c p m F F l p l m Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 36

Σύγκριση μεταξύ πειραματικών δεδομένων και προσομοιώσεων Αξονικό και εγκάρσιο μέτρο ελαστικότητας σε σύνθετο υαλονημάτων/ πολυεστέρα Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 37

Ειδικά Θέματα: Σχήμα Κάθετης Τομής Ινών (συνεχών και ασυνεχών) Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 38

Ειδικά Θέματα: Διαμορφώσεις Ινών Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 39

ΤΙ ΜΑΘΑΜΕ ΜΕΧΡΙ ΤΩΡΑ-2 1. Πολυμερή Σύνθετα. 2. Ιδιότητες Ενισχυτικών Μέσων (ίνες). 3. Σύνθετα Συνεχών & Ασυνεχών Ινών. 4. Φόρτιση στη Διαμήκη και Εγκάρσια Διεύθυνση. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 40

Διαμήκης Αντοχή ΣΥ Συνεχών Ινών Η πιο συνήθης περίπτωση είναι ε f* < ε * m (οι ίνες αστοχούν πριν από τη μήτρα). Από τη στιγμή που οι ίνες έχουν σπάσει, το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου το οποίο φέρεται από τις ίνες μεταφέρεται τώρα στη μήτρα. Σε αυτή την περίπτωση είναι δυνατόν να προσαρμόσουμε την έκφραση του κανόνα των μιγμάτων και να πάρουμε την ακόλουθη έκφραση για τη διαμήκη αντοχή, σ * cl,του συνθέτου υλικού: σ * cl = σ m (1-V f ) + σ* f V f Το σ m είναι η τάση της μήτρας στο σημείο της αστοχίας της ΙΝΑΣ και η σ * f είναι η εφελκυστική αντοχή της ίνας. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 41

Διάγραμμα Αντοχής Ινωδών Συνθέτων Ινα Στάδιο Ι Ίνα Σύνθετο υλικό Μήτρα Μήτρα Αστοχία Στάδιο ΙΙ Παραμόρφωση (a) Παραμόρφωση (b) Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 42

Εγκάρσια Αντοχή ΣΥ Συνεχών Ινών Εγκάρσια Εφελκυστική Αντοχή Οι αντοχές των συνεχών και μονοαξονικών ινωδών συνθέτων υλικών είναι άκρως ανισότροπες και αυτού του είδους τα σύνθετα υλικά συνήθως σχεδιάζονται ώστε να φορτίζονται κατά μήκος της διαμήκους διεύθυνσης υψηλής αντοχής. Όμως, κατά τη διάρκεια της χρήσης, μπορούν να είναι επίσης παρόντα εγκάρσια εφελκυστικά φορτία. Σε αυτές τις περιπτώσεις πρόωρη αστοχία μπορεί να επέλθει καθόσον η εγκάρσια αντοχή είναι συνήθως πάρα πολύ χαμηλή (π.χ. Ανάλογη της εφελκυστικής αντοχής της μήτρας αν και μερικές φορές είναι μικρότερη ). Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 43

Συγκριτικός Πίνακας Τυπικές διαμήκεις και εγκάρσιες εφελκυστικές αντοχές για τρία μονοαξονικά σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες. Η περιεκτικότητα σε ίνα για κάθε ένα από αυτά είναι περίπου 50% κατά όγκο. Υλικό Εφελκυστική διαμήκης αντοχή (MPa) Εγκάρσια εφελκυστική αντοχή (MPa) Γυαλί-Πολυεστέρας 700 20 Άνθρακας (Υψηλού μέτρου ελαστικότητας)-εποξειδική ρητίνη 1000 35 Kevlar-Εποξειδική ρητίνη 1200 20 Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 44

Διεπιφανειακές Αστοχίες Hard, brittle fibre Composite Soft, tough matrix Διάγραμμα τάσης - παραμόρφωσης για ίνες μήτρας και σύνθετο υλικό matrix fibre matrix (a) (c) fibre fibre matrix fibre matrix mode II matrix fibre fibre matrix matrix fibre matrix mode I fibre (b) Τύποι διεπιφανειακής αστοχίας mixed Σύνθετα mode& Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 45

Ενδεικτικές Εφαρμογές (κυρίως αεροναυπηγική) Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 46

Αεροναυπηγική (1/5) μη-στρατιωτική ανάπτυξη αεροπλοϊας Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 47

Αεροναυπηγική (2/5 ) Εφαρμογές Airbus Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 48

Αεροναυπηγική (3/5) Εφαρμογές Boeing- Dreamliner Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 49

Αεροναυπηγική (4/5) Εφαρμογές Airbus- A350 Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 50

Αεροναυπηγική (5/5) Οικονομικά δεδομένα Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 51

Εφαρμογές στην Ηλεκτρονική Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 52

Εφαρμογές σε είδη αναψυχής Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 53

Νανοσύνθετα Υλικά (1/3) τύποι εγκλεισμάτων γραφιτικών υλικών Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 54

Νανοσύνθετα Υλικά (2/3) Επίδραση της γεωμετρίας εγκλεισμάτων Σημαντικό: λόγος επιφάνειας ως προς τον όγκο του ενισχυτικού μέσου. Όσο μεγαλύτερος είναι ο λόγος S/V τόσο μεγαλύτερη θα είναι η διεπιφάνεια του νανοσυνθέτου και άρα η επίδραση στη περιβάλλουσα μήτρα για μικρές ποσότητες νανο-εγκλεισμάτων. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 55

Νανοσύνθετα Υλικά (3/3) Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 56

ΤΙ ΜΑΘΑΜΕ ΜΕΧΡΙ ΤΩΡΑ-3 1. Διαμήκης και Εγκάρσια Αντοχή ΣΥ Συνεχών Ινών. 2. Ενδεικτικές Εφαρμογές (Μακροκλίμακα). 3. Εισαγωγή στα Νανοσύνθετα Υλικά. Σύνθετα & Νανοσύνθετα Υλικά/ Εισαγωγή/ Κεφάλαιο 1 57