Επίδραση νανοδομών γραφενίου σε σύνθετο πολυστρωματικό υλικό εποξικής ρητίνης / υαλοϋφάσματος - Τζωρτζόπουλος, Γεώργιος (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Τεχνολογίας των Κατεργασιών, 2016)
Τα νανοσύνθετα υλικά ή αναλυτικότερα τα σύνθετα υλικά ενισχυμένα με νανοϋλικά, προσελκύουν ολοένα και περισσότερο το επιστημονικό, αλλά και το βιομηχανικό ενδιαφέρον. Τα νανοσωματίδια που χρησιμοποιούνται ως προσθήκες στα σύνθετα υλικά παρουσιάζουν μεγάλη επιφάνεια επαφής επηρεάζοντας έτσι τη φυσική και χημική συμπεριφορά του νανοσύνθετου υλικού. Τα τελευταία χρόνια, μάλιστα, η εμφάνιση των πολυμερικών συνθέτων νανοϋλικών έχει οδηγήσει σε πολλές τεχνολογικές και κατασκευαστικές εφαρμογές στην αντικατάσταση των μετάλλων, γεγονός που οφείλεται, μεταξύ άλλων, στην ευκολία παραγωγής τους και στο συνδυασμό χαμηλού βάρους με υψηλές μηχανικές ιδιότητες. Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματοποιήθηκε με σκοπό τη μελέτη της επίδρασης νανοδομών γραφενίου (grapheme nanoplatelets – GNPs) σε σύνθετο πολυστρωματικό υλικό εποξικής μήτρας με ενίσχυση υαλοϋφάσματος. Τα απαραίτητα πολυστρωματικά δοκίμια παρασκευάστηκαν με τη μέθοδο της χειροκίνητης στρώσης (Hand Lay-Up), ενώ η ενσωμάτωση των νανοδομών γραφενίου πραγματοποιήθηκε κατά την προετοιμασία του εποξικού συστήματος με ανάδευση σε θερμοκρασία δωματίου. Συνολικά παρασκευάστηκαν τρεις σειρές δοκιμίων με τέσσερις στρώσεις και διαφορετικές περιεκτικότητες σε νανοδομές γραφενίου (GNPs). Πρόκειται για δοκίμια εποξικής μήτρας με ενίσχυση πλεκτού υαλοϋφάσματος πλέξης Twill 2x2, σε διάταξη προσανατολισμού ινών [45/-45]2 και [45/0]antisymmetric, καθώς και με ενίσχυση μονοδιευθυντικού υαλοϋφάσματος (unidirectional) με προσανατολισμό στρώσεων [0/90]2. Και στους τρεις τύπους δοκιμίων παρασκευάστηκαν δείγματα αναφοράς χωρίς την προσθήκη νανοδομών γραφενίου, που αποτέλεσαν το μέτρο σύγκρισης για την επίδραση των νανοδομών στη συμπεριφορά του σύνθετου υλικού. Στόχος ήταν η εξαγωγή δοκιμίων κατάλληλων διαστάσεων και ποιότητας για να υποβληθούν σε μετρήσεις εφελκυσμού και κάμψης τριών σημείων σύμφωνα με τα πρότυπα ASTM D3039/D3039M και ASTM D790-03, αντίστοιχα. Στην περίπτωση ενίσχυσης υφάσματος τύπου Twill 2x2 η περιεκτικότητα σε γραφένιο έφτασε μέχρι το 20% κατά βάρος της χρησιμοποιούμενης ρητίνης (εποξική μήτρα), ενώ στην περίπτωση της μονοδιεθυντικής ενίσχυσης η περιεκτικότητα έφτασε μέχρι το 30% (w.t.). Τα άνω όρια των περιεκτικοτήτων διαμορφώθηκαν από τα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των υφασμάτων, καθώς και από τις εκ των υστέρων μετρήσεις που έδειξαν υποβάθμιση μηχανικών ιδιοτήτων από ένα ποσοστό πρόσμιξης και άνω, σε τέτοιο βαθμό μάλιστα που το προκύπτον πολυστρωματικό υλικό εμφάνισε χειρότερες επιδόσεις ακόμη και από τα δοκίμια αναφοράς που δεν περιείχαν νανοδομές γραφενίου. Στις υπόλοιπες περιπτώσεις, αναλόγως της περιεκτικότητας σε GNPs παρατηρήθηκε από ελάχιστη έως ικανή επίδραση του γραφενίου στις μηχανικές επιδόσεις του υλικού. Τέλος, μελετήθηκε και η επίδραση της δευτερογενούς θερμικής θεραπείας (post-curing) πάνω στις μηχανικές ιδιότητες των πολυστρωματικών δοκιμίων με ενίσχυση μονοδιευθυντικού υαλοϋφάσματος σε διάταξη [0/90]2, καθότι αυτή επηρεάζει τις μηχανικές ιδιότητες της πολυμερικής (εποξικής) μήτρας. Πιο συγκεκριμένα, παρασκευάστηκαν δοκίμια με περιεκτικότητα 2% w.t. GNPs και αφού αφέθηκαν για σκλήρυνση σε συνθήκες δωματίου (25oC) για εφτά ημέρες τοποθετήθηκαν σε εργαστηριακό κλίβανο για 2, 4, 6 και 24 ώρες στους 50οC και 100oC, αντίστοιχα, και τέλος υποβλήθηκαν σε δοκιμή κάμψης τριών σημείων σύμφωνα με το πρότυπο ASTM D790-03. Η δευτερογενής θερμική θεραπεία στους 100οC βελτίωσε την αντοχή σε κάμψη των δοκιμίων πιο έντονα από ότι στους 50οC.