Μελέτη της σχέσης δομής και θερμομηχανικής συμπεριφοράς με στόχο τη βελτιστοποίηση προηγμένων πολυμερικών υλικών με βάση κυανικούς εστέρες
Authors: Ανθούλης Γεώργιος 
Published: August 2021

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκε η σχέση δομής και θερμομηχανικής συμπεριφοράς με στόχο τη βελτιστοποίηση προηγμένων πολυμερικών υλικών τα οποία έχουν μήτρα ρητίνη κυανικού εστέρα. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μελέτη της δομής και της μορφολογίας, της τοπολογίας, της ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς και των μηχανικών ιδιοτήτων νανοσύνθετων υλικών πολυκυανουρικών πλεγμάτων/φυλλόμορφων πηλών. Μελετήθηκαν ακόμη τροποποιήσεις της μήτρας με εύκαμπτες πολυμερικές αλυσίδες, όπως η πολυοξυτετραμεθυλενική γλυκόλη (PTMG) και η πολυ(μεθακρυλική ουρεθάνη) (PUMA) η οποία δημιουργεί συνδεδεμένα διαπλεκόμενα δίκτυα με τη ρητίνη του κυανικού εστέρα, προκειμένου να βελτιωθούν βασικά μειονεκτήματα των πολυκυανουρικών πλεγμάτων, όπως η μικρή ανθεκτικότητα σε θερμοκρασία δωματίου και η ψαθυρότητα. Οι πειραματικές τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν ήταν η σκέδαση ακτινών X υπό ευρεία γωνία, η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης, η μικροσκοπία ατομικής δύναμης, για τη μελέτη της δομής, της μορφολογίας και της τοπολογίας των δοκιμίων, η δυναμική μηχανική ανάλυση για τη μελέτη της συνολικής ιξωδοελαστικής συμπεριφοράς και των κύριων και δευτερευουσών μεταβάσεων και οι μετρήσεις τάσης-παραμόρφωσης για τη μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς των υλικών (μέτρο ελαστικότητας, τάση και παραμόρφωση θραύσης). Το μέτρο ελαστικότητας νανοσύνθετων υλικών πολυμερούς/φυλλόμορφων πηλών μελετήθηκε με τρία μοντέλα που είχαν προταθεί για συμβατικά σύνθετα (Chen-Cheng και Taya-Chou) ή/και για νανοσύνθετα (Odegard et al.) και τροποποιήθηκε μέσω της προσέγγισης του 'ενεργού σωματιδίου' ούτως ώστε να ληφθεί υπόψη η ξεχωριστή δομή του νανο-πηλού. Η προσέγγιση αυτή συνδέει τις περιεκτικότητες κατά βάρος του ενισχυτικού και κατ' όγκο του ενεργού σωματιδίου, συναρτήσει των δομικών παραμέτρων του πηλού. Για τη θεωρητική περιγραφή του μέτρου ελαστικότητας, η παραπάνω διαδικασία εφαρμόστηκε στο μοντέλο Taya-Chou, το οποίο υπολογίζει την ακαμψία ενός σύνθετου με δύο διακριτούς τύπους εγκλεισμάτων. Οι δυο τύποι των εγκλεισμάτων ήταν τα αποφολιδωμένα φυλλίδια και τα παρεμβεβλημένα σωματίδια αντίστοιχα, με τον καθένα να καταλαμβάνει ένα συγκεκριμένο ποσοστό της συνολικής κατά βάρος περιεκτικότητας του ενισχυτικού. Τα παρεμβεβλημένα σωματίδια θεωρήθηκαν επιμήκη εγκλείσματα και τα αποφολιδωμένα φύλλα ινώδη εγκλείσματα. Το μοντέλο αυτό εφαρμόστηκε σε πειραματικά δεδομένα της παρούσας διατριβής και σε αποτελέσματα της βιβλιογραφίας και ανέδειξε μια μέθοδο ποσοτικοποίησης του βαθμού αποφολίδωσης μέσω της μικρό μηχανικής μοντελοποίησης. Παρουσιάστηκε επίσης ένα νέο μικρομηχανικό μοντέλο για τη διατύπωση της ελαστικής και της ελαστοπλαστικής συμπεριφοράς νανοσύνθετων υλικών πολυμερούς/φυλλόμορφων πηλών. Το μοντέλο βασίστηκε σε δύο προηγούμενες θεωρίες, για τον προσδιορισμό του μητρώου ακαμψίας σύνθετων υλικών (μοντέλο Chen-Cheng) και για την πρόβλεψη της ελαστοπλαστικής συμπεριφοράς ανομοιογενειών σε ομογενή μήτρα (αυτο-συμβατό μοντέλο Kroner, Budiansky και Wu). Με την προσέγγιση αυτή, οι μακροσκοπικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού συνδέονται με τις παραμέτρους της μικροδομής του φυλλόμορφου πηλού. Η ελαστική και η πλαστική παραμόρφωση της μήτρας και των εγκλεισμάτων διαχωρίστηκαν με βάση την κινηματική περιγραφή του Rubin. Το μοντέλο αυτό εφαρμόστηκε σε πειραματικά δεδομένα νανοσύνθετων πολυμερούς/φυλλόμορφων πηλών, παρμένα είτε από την παρούσα διατριβή είτε από τη βιβλιογραφία, και αποδείχθηκε ότι μπορεί να περιγράφει με επιτυχία τη μη-γραμμική (ελαστοπλαστική) συμπεριφορά νανοσύνθετων υλικών.