Fabrication and damping response evaluation of polymers and fibre reinforced polymer composites with embedded graphene nano-platelets
Authors: Κατσιρόπουλος Χρήστος 
Published: January 2025

Τα χαρακτηριστικά απόσβεσης των προηγμένων ελαφρών συνθέτων υλικών έχουν εξαιρετική σημασία για ποικίλες εφαρμογές, ιδίως εκείνες που χρησιμοποιούν σύνθετα μέρη ή εξαρτήματα που λειτουργούν υπό δυναμικά εξωτερικά φορτία. Έχει αποδειχθεί ότι το γραφένιο διαθέτει υψηλή ακαμψία και αντοχή και θεωρείται ευρέως ως το ιδανικό υλικό για την ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων πολυμερών, κεραμικών και ακόμη και μεταλλικών σύνθετων μητρών. Ωστόσο, έχει διατυπωθεί η υπόθεση ότι αν αυτή η συμπεριφορά μπορεί να συνδυαστεί με αυξημένη αντοχή στη θραύση και χαρακτηριστικά απόσβεσης, τότε θα μπορούσε να αναδειχθεί μια εντελώς νέα κατηγορία πολυλειτουργικών σύνθετων υλικών. Στην παρούσα εργασία γίνεται μια συστηματική μελέτη της συμπεριφοράς απόσβεσης πολυμερών και συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας με ενίσχυση νάνο-εγκλεισμάτων Γραφενίου, με στόχο την βελτίωση της αποσβεστικής ικανότητας των υπό εξέταση υλικών. Στα πλαίσια της εργασίας παρασκευάζονται πολυμερή και σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας σε διάφορες περιεκτικότητες νάνο-εγκλεισμάτων Γραφενίου και γίνεται πλήρης μελέτη της αποσβεστικής ικανότητας τους. Ενδεικτικά γίνονται δοκιμές Ελεύθερης Ταλάντωσης σε ιδιοσυσκευή που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε εξ αρχής, μηχανικές και θερμομηχανικές δοκιμές (DMA), καθώς και πλήθος άλλων δοκιμών (πχ. Μικροσκοπία Ατομικής Δύναμης-AFM, Φωτοηλεκτρονική Φασματοσκοπία με ακτίνες X-ΧPS, Μικρο-Τομογραφία-μCT, Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης-SEM κ.α.) για την υποστήριξη και καλύτερη κατανόηση των αποτελεσμάτων. Επιπλέον, προτείνεται ένα υπολογιστικό μοντέλο για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς απόσβεσης αυτών των υβριδικών νανοσύνθετων υλικών. Η αριθμητική προσέγγιση που εφαρμόζεται χρησιμοποιεί τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) σε διαρθρωτικό χρονικό διάστημα, εφαρμοσμένη σε περιοδικούς αντιπροσωπευτικούς όγκους (RVEs) υπό ημιτονοειδώς μεταβαλλόμενα αξονικά φορτία. Ο λόγος απόσβεσης εκτιμάται βάσει της υπολογιζόμενης χρονικής υστέρησης μεταξύ του εισαγόμενου φορτίου και της προκύπτουσας παραμόρφωσης.Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η προσθήκη GNPs τόσο στο καθαρό πολυμερές όσο και στο υβριδικό σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (hybrid CFRPs) επηρεάζει σημαντικά τη συμπεριφορά απόσβεσης. Συγκεκριμένα, ο λόγος απόσβεσης ζ παρουσιάζει αυξητική τάση με τη συγκέντρωση του νανοεγκλείσματος μέχρι περίπου 10.0 wt.% και στη συνέχεια σχηματίζει ένα πλατό. Για την περίπτωση των hybrid CFRPs παρατηρείται σημαντική αύξηση της αποσβεστικής ικανότητας για χαμηλές συγκεντρώσεις στην περιοχή του 0.15-1 wt.%, ενώ για υψηλότερες συγκεντρώσεις η αντίστοιχη βελτίωση δεν ακολουθεί σαφή τάση. Αντίστοιχα αποτελέσματα λαμβάνονται και από τις μηχανικές δοκιμές που πραγματοποιούνται. Τα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίνονται με τις πειραματικές μετρήσεις από τις δοκιμές ελεύθερης ταλάντωσης, παρουσιάζοντας καλή συμφωνία ως προς τη συνολική συμπεριφορά απόσβεσης έναντι της συγκέντρωσης των GNPs. Παρουσιάζεται επίσης μια εξήγηση για αυτή τη συμπεριφορά, μέσω μιας συστηματικής έρευνας των μηχανισμών απορρόφησης ενέργειας που λαμβάνουν χώρα.