ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΑΝΟΔΟΜΗΜΕΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΝΑΝΟΣΩΛΗΝΕΣ ΑΝΘΡΑΚΑ ΓΙΑ ΧΡΗΣΗ ΣΕ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΥΨΗΛΗΣ ΑΝΤΟΧΗΣ Πετούσης Μάρκος, Δρ. Μηχανολόγος Μηχανικός Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. ΤΕΙ Κρήτης
Σύνθετα υλικά Σύνθετα υλικά σύνθετα γεωμετρικά σχήματα Ξαφνική αστοχία Συνεχής έλεγχος κατασκευής, αξιολόγηση ζημιάς και συντήρηση πολύ δύσκολη Παρακολούθηση «υγείας» και μη-καταστροφικός έλεγχος Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 2
Σήμερα : ενσωματωμένοι αισθητήρες MEMS- μικρο ηλεκτρο-μηχανικές μηχανές Ακουστική εκπομπή Οπτικές ίνες Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 3
Σκοπός : Παρακολούθηση «υγείας» και μηκαταστροφικός έλεγχος Επιτόπιος έλεγχος με ηλεκτρική αγωγιμότητα Έλεγχος «υγείας» σε σύνθετα Αναγνώριση αστοχίας σ σ Δσ/Δε ΔR Δσ/Δε ΔR σ σ σ Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 4
Πως : Προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα στη σύσταση των υλικών Ειδική μορφή άνθρακα Νανοσωματίδια που είναι ηλεκτρικά αγώγιμα με πολύ μεγάλο μήκος σε σχέση με διάμετρο Υπόλοιπο υλικό είναι μονωτής Carbon Nano Tubes d: ~ 10-20 nm, l: 0.1 10 μm Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 5
Δοκιμές δοκιμίων: μεταβολή ηλεκτρικής αγωγιμότητας Εφελκυσμός: αξονική φόρτιση με σταθερό ρυθμό παραμόρφωσης Δοκίμιο εφελκυσμού και καμπύλη φόρτισης Κόπωση: χρονικά μεταβαλλόμενα φορτία (συνήθης φόρτιση κατασκευών στην πράξη) Φόρτιση κατά την κόπωση και καμπύλη Wohler Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 6
Δοκιμή κόπωσης m a max max 2 2 min min R min max Αεροναυτικές εφαρμογές απαιτούν λόγο φόρτισης R σ =0.1 (αυτός χρησιμοποιήθηκε στο πείραμα) Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 7
Κατασκευή δοκιμίων Σύνθετο υλικό ίνες υάλου 10 στρώσεων (300 Χ 300 mm) Εποξική ρητίνη (ARALDITE LY 564 τυπική σε αεροπορικές εφαρμογές) Ενίσχυση με πολυφλοιϊκούς νανοσωλήνες άνθρακα (MWCNT) (a) 0.5%, (b) 0.75%, (c) 3% Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 8
Κατασκευή δοκιμίων Εποξική ρητίνη: ανάδευση σε κενό με υψηλές διατμητικές δυνάμεις και προσθήκη MWCNT σε διάφορες περιεκτικότητες Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 9
Κατασκευή, δοκιμή εφελκυσμού κατασκευή καλωδίωση εφελκυσμός Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 10
Δοκιμή κόπωσης Ταυτόχρονη μέτρηση: Αξονικής δύναμης σταθερού πλάτους ταλάντωσης και παραμόρφωσης Ηλεκτρικής αγωγιμότητα στην επιφάνεια (1) Μονοτονικές δοκιμές μέχρι θραύση (2) Φόρτιση εκφόρτιση (6 με 10 κύκλοι) Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 11
Δοκιμή Κόπωσης Δύο (2) περιοχές μετρήσεων μεταβολής της αντίστασης στο δοκίμιο: (α) υγιής (β) με εγκοπή (τεχνητή φθορά) Σκοπός: Επίδραση % MWCNT Κόπωση Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 12
Stress Αποτελέσματα εφελκυσμού Αύξηση μέτρου ελαστικότητας E (~20% ) Αντοχή σε εφελκυσμό ελαφριά πτώση Rm (~8% ) Ολκιμότητα πτώση (~20% ) R m E W Strain A m Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 13
Αποτελέσματα κόπωσης: Εγκοπές Αύξηση λόγου ΔR/R 0 στο 53% και 81% των κύκλων κόπωσης για min. και max. τάσεις στην εγκοπή για το δοκίμιο με 0,75 % MWCNT σχετίζονται με αποκόλληση και σπάσιμο ενισχυτικών ινών, αντίστοιχα 53% 81% Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 14
Αποτελέσματα κόπωσης: σ max οταν σ max = 400 MPa θραύση κόπωσης σταδίου II παρατηρείται μετά από 33% κύκλων κόπωσης όταν σ max = 275 MPa αυτό παρατηρήθηκε στο 57% των κύκλων όταν σ max = 185 MPa στο 86% των κύκλων κόπωσης 33% 57% 86% Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 15
Αποτελέσματα κόπωσης: %MWCNT Για το δοκίμιο με 3 wt% MWCNTs ενισχυμένα σύνθετα παρατηρήθηκε αύξηση του ΔR/R 0 στο ~50% και στο 84% των κύκλων κόπωσης 50% 84% Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 16
Αποτελέσματα κόπωσης: %MWCNT Για το δοκίμιο με 0.75 wt% MWCNTs ενισχυμένα σύνθετα παρατηρήθηκε αύξηση του ΔR/R 0 στο ~53% και στο 81% των κύκλων κόπωσης Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 17
Χαρακτηρισμός υλικών TgA (Thermogravimetric analysis): αλλαγές στις φυσικές ή χημικές ιδιότητες του υλικού μετρώνται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία ή σε σταθερή θερμοκρασία με το πέρασμα του χρόνου XRD (X-Ray Diffraction): καταγράφεται η διάθλαση στο υλικό, για προσδιορισμό αλλαγών στο πλέγμα, στην κρυσταλλική δομή, αλλαγές φάσεις, κλπ. SEM (Scanning electron microscope): ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, το οποίο λειτουργεί με εστιασμένη προβολή με δέσμη ηλεκτρονίων στο δοκίμιο, τα οποία αλληλεπιδρούν με τα άτομα του δοκιμίου, για την παραγωγή εικόνων. TEM (Transmission electron microscopy): τεχνική μικροσκοπίου αλλά με προσβολή ηλεκτρονίων, δίνοντας καλύτερη απεικόνιση Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 18
Χαρακτηρισμός Τροποποιημένων Νανοσωλήνων Άνθρακα με Χρήση Θερμοστατικής Ανάλυσης (Tga) Δεν παρατηρήθηκε κάποια απώλεια μάζας κατά την διάρκεια της θέρμανσης. Χαρακτηρισμός Τροποποιημένων Νανοσωλήνων Άνθρακα με Χρήση Περίθλασης Ακτίνων Χ (Xrd) Το φάσμα περίθλασης ακτίνων Χ επιβεβαιώνει τη δομή των υλικών με πολυφλυικούς νανοσωλήνες άνθρακα. Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 19
Χαρακτηρισμός Τροποποιημένων Νανοσωλήνων Άνθρακα με Χρήση SEM & TEM SEM images of the MWCNTs. TEM images of the MWCNTs. Οι εικόνες SEM & TEM επιβεβαιώνουν την δημιουργία πολυφλυικών νανοσωλήνων άνθρακα. Η μέση διάμετρος τους κυμαίνεται από 20 έως 50 nm. Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 20
Συμπεράσματα Προσθήκη νανοσωλήνων άνθρακα σε εποξικές ρητίνες προσθέτει λειτουργικότητα Έλεγχος «υγείας» σε σύνθετα υλικά (παραμόρφωση και αστοχία) Πολλές δυνατότητες για περαιτέρω ερευνητικές και βιομηχανικές εφαρμογές Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 21
Ευχαριστώ! Δρ. Πετούσης Μάρκος Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών Τ.Ε. ΤΕΙ Κρήτης Email: petousis@emttu.org Πρόγραμμα ΑΡΧΙΜΗΔΗΣ ΙΙΙ Ενίσχυση Ερευνητικών Ομάδων Στα ΤΕΙ 22