Out of autoclave manufacturing of CFRPs having multiscale reinforcement for improved interlaminar fracture toughness and multifunctional characteristics
Authors: Δημόκα Πολυξένη 
Published: September 2021

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.