The present study aims to investigate the influence of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) on the damage tolerance after impact (CAI) of the development of Out of Autoclave (OoA) carbon fibre reinforced polymer (CFRP) laminates. The introduction of MWCNTs into the structure of CFRPs has been succeeded by adding carbon nanotube-enriched sizing agent for the pre-treatment of the fibre preform and using an in-house developed methodology that can be easily scaled up. The modified CFRPs laminates with 1.5 wt.% MWCNTs were subjected to low velocity impact at three impact energy levels (8, 15 and 30 J) and directly compared with the unmodified laminates. In terms of the CFRPs impact performance, compressive strength of nanomodified composites was improved for all energy levels compared to the reference material. The test results obtained from C-scan analysis of nano-modified specimens showed that the delamination area after the impact is mainly reduced, without the degradation of compressive strength and stiffness, indicating a potential improvement of damage tolerance compared to the reference material. SEM analysis of fracture surfaces revealed the additional energy dissipation mechanisms; pulled-out carbon nanotubes which is the main reason for the improved damage tolerance of the multifunctional composites.

In this study, experimental tests and numerical simulations (Abaqus) were performed to examine the durability of four impeller materials [steel, polyethylene, polypropylene and glass fiber reinforced polymer (GFRP)] in an anaerobic digester environment. Specimens of these materials were prepared and immersed in a bath containing anaerobic digester liquor while operated at 40 °C for a period of 8 months. Periodically (2, 4, 6 and 8 months) sample specimens were removed from the bath and the tensile strength and elastic modulus were determined. As expected, thermoplastic materials and especially GFRP exceeded higher absorption of moisture than steel, although aging effect on steel was more pronounced due to corrosion, as evidenced by SEM imaging. The results demonstrate that polyethylene was not acceptable as construction material for anaerobic digester paddle mixer. On the contrary steel, GFRP and PP remained highly unaffected with a negligible increase of the maximum stress, 1.6%, 0.9% and 3.0%, respectively.

The present study aims to the development of Out of Autoclave (OoA) Carbon Fiber Reinforced Polymers (CFRPs) with increased interlaminar fracture toughness by using MWCNTs. The introduction of MWCNTs into the structure of CFRPs has been succeeded by using carbon nanotube-enriched sizing agent for the pretreatment of the fiber preform using an in-house developed methodology that can be easily scaled up. The positive effect of the proposed methodology on the interlaminar fracture toughness of the CFRP laminate was assessed by the increase of Mode I and Mode II interlaminar fracture toughness of the composites. Different wt% MWCNTs concentrations were used (namely 0.5%, 1%, 1.5% and 2.5%). It was found that the nanomodified composites exhibit a significant increase of the interlaminar critical strain energy release rate G IC and G IIC of the order of 103% and 62% respectively, in the case of 1.5 wt% MWCNTs weight content. Scanning Electron Microscopy (SEM) of the fracture surfaces of CFRP samples revealed the contribution and the associated synergistic mechanisms of MWCNTs to the increase of the crack propagation resistance in the case of nano-modified CFRPs compared to the reference material.

No abstract

Οι αυξανόμενες απαιτήσεις για ελαφρές κατασκευές κυρίως στον τομέα της αεροπορικής βιομηχανίας οδήγησαν στη χρήση νέων σύνθετων υλικών (composite materials). Το κυριότερο πλεονέκτημα τους σε σύγκριση με τα παραδοσιακά μεταλλικά υλικά είναι οι υψηλές ειδικές τιμές αντοχής και δυσκαμψίας, καθώς και η βελτιωμένη συμπεριφορά τους σε κόπωση και διάβρωση. Τα σύνθετα υλικά, όταν εκτίθενται στα φορτία λειτουργία των κατασκευών, εμφανίζουν υποβάθμιση (degradation) των μηχανικών τους ιδιοτήτων και εμφανίζουν βλάβες που μπορούν να οδηγήσουν στην αστοχία της κατασκευής. Οι πιο συνήθεις αστοχίες στα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας είναι η ανάπτυξη μικρο-ρωγμών στη μήτρα (matrix cracks) των στρώσεων του πολυστρώτου ΣΥ. Συνδυαζόμενες οι μικρο-ρωγμές διαφορετικών στρώσεων δημιουργούν διαστρωματικές αποκολλήσεις, η διάδοση των οποίων οδηγεί στην υποβάθμιση του συνθέτου υλικού και υπό προϋποθέσεις στην αστοχία του. Οι διαστρωματικές αποκολλήσεις αναπτύσσονται σε σχετικά χαμηλά φορτία και διαδίδονται λόγω της μικρής αντίστασης στη διάδοση διαστρωματικών αποκολλήσεων που εμφανίζουν τα ΣΥ πολυμερούς μήτρας. Επομένως βασικός στόχος της έρευνας είναι η ανάπτυξη συνθέτων υλικών με αυξημένη αντίσταση στη διάδοση διαστρωματικών αποκολλήσεων. Την τελευταία δεκαετία έχει παρατηρηθεί ότι η εισαγωγή νανο-σωματιδίων άνθρακα στη μήτρα των συνθέτων υλικών βελτιώνει σημαντικά τη διαστρωματική θραυστο-μηχανική συμπεριφορά ων ΣΥ, εισάγοντας συμπληρωματικούς μηχανισμούς απορρόφησης ενέργειας κατά τη θραύση, και βελτιώνοντας την ανοχή σε βλάβη των κατασκευών από ΣΥ. Η μεθοδολογία αυτή έχει εφαρμοστεί στις περιπτώσεις πολύστρωτων συνθέτων υλικών που κατασκευάζονται με τη μέθοδο του αυτόκλειστου φούρνου με βασική δομική μονάδα του ΣΥ τη στρώση μονοδιεύθυντης ενίσχυσης (prepreg).Η εισαγωγή νανο-σωματιδίων στη δομή ΣΥ που παράγονται με μεθόδους εκτός αυτόκλειστου φούρνου (τεχνικές έγχυσης ρητίνης σε καλούπι σταθερού ή μεταβλητού όγκου) έχει αποδειχθεί προβληματική. Σύμφωνα με τη βιβλιογραφία, στη μέθοδο έγχυσης του νανο-τροποποιημένου πολυμερούς με τη χρήση της τεχνικής LRI, έχει παρατηρηθεί αύξηση του ιξώδους τηε ρητίνης λόγω της παρουσίας των νανο-σωματιδίων, κυρίως σε υψηλές περιεκτικότητες. Τα νανοσωματίδια φιλτράρονται από την πορώδη ενίσχυση, μπλοκάρουν το πορώδες και το σύστημα λειτουργεί ως εμπόδιο στη ροή της ρητίνης (block effects) μέσα στη δομή της ινώδους ενίσχυσης (fibre preform). Στη παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκαν δομικά σύνθετα υλικά με ενίσχυση ινών άνθρακα (carbon fibre) τροποποιημένων με πολυφλοιικούς νανο-σωλήνες άνθρακα (MWCNTs). Επίσης έγινε προσπάθεια τα MWCNTs να εισαχθούν στη δομή του ΣΥ εμμέσως μέσω της χρήσης λεπτών ινώδων μεμβρανών από πολυαμίδιο (interleaf veils) με ενίσχυση με νανοσωλήνες άνθρακα. Η εισαγωγή των nano-veils έγινε σε συγκεκριμένες θέσεις ανάμεσα στις στρώσεις της πολύστρωτης πλάκας. Τα nano-veils αποτελούντα από συμπολυμερές πολυαμίδιο PA6/6,6 και έχουν τη μορφή non-woven interleaf veils. Η εμπορική ονομασία του συμπολυμερούς πολυαμιδίου που χρησιμοποιήθηκε για τα veils είναι Griltex D 1516A COPOLYAMIDE της εταιρίας EMS-GRILTECH. Το υλικό πριν τη μορφοποίηση του σε μορφή νανο-ινών του και το σχηματισμό των non-woven interleaf veils ενισχύθηκε με πολυφλυικούς νανο-σωλήνες άνθρακα σε περιεκτικότητα 2.5 %κ.β. Σε όλες τις περιπτώσεις ως υλικό της μήτρας του ΣΥ χρησιμοποιήθηκε ένα εποξειδικό σύστημα τριών συστατικών που διαθέτει υψηλή τιμή θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Τg=140-150oC) καθώς και υψηλές μηχανικές ιδιότητες.