Additive manufacturing of hierarchical porous materials for advanced applications
Authors: Κολτσακίδης Σάββας 
Published: January 2025

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την ανάπτυξη και τον χαρακτηρισμό προηγμένων ιεραρχικά πορώδη υλικών με χρήση προσθετικής κατασκευής. Τα πορώδη υλικά είναι χρήσιμα σε διάφορους τομείς λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων τους, οι οποίες μπορούν να αξιοποιηθούν σε πολλαπλές κλίμακες. Ενώ σημαντική έρευνα έχει πραγματοποιηθεί σε πορώδη υλικά σε μεμονωμένες κλίμακες, συνδυασμοί του πορώδους σε διαφορετικές κλίμακες παραμένουν ανεξερεύνητοι λόγω της πολυπλοκότητας της κατασκευής των συγκεκριμένων υλικών. Οι πρόσφατες εξελίξεις στην προσθετική κατασκευή επιτρέπουν τη δημιουργία εξελιγμένων υλικών με πορώδες πολλαπλής κλίμακας. Αυτή η διατριβή διερευνά διάφορους συνδυασμούς ιεραρχικά πορώδη υλικών που κατασκευάζονται με προσθετική κατασκευή. Στο πρώτο μέρος αυτής της έρευνας, χρησιμοποιήθηκε τρισδιάστατη εκτύπωση μέσω εξώθησης για την κατασκευή μονολιθικών καταλυτών με βάση τον πορώδη ζεόλιθο ZSM-5 χρησιμοποιώντας μπεντονίτη ως συνδετικό υλικό. Εξετάστηκαν οι επιδράσεις διαφορετικών συγκεντρώσεων συνδετικού σε ρεολογικές, φυσικοχημικές και μηχανικές ιδιότητες, αποδεικνύοντας ότι οι κρύσταλλοι ZSM-5 διατήρησαν την πορώδη δομή και την οξύτητά τους κατά τη διάρκεια της διαδικασίας εκτύπωσης ενώ αυξημένη συγκέντρωση συνδετικού βελτίωσε τη μηχανική αξιοπιστία των μονόλιθων. Οι μονόλιθοι ζεόλιθου-μπεντονίτη διερευνήθηκαν για την αφυδάτωση της μεθανόλης σε διμεθυλαιθέρα όπου εμφάνισαν παρόμοια δράση με τον ζεόλιθο σε μορφή σκόνης. Σε μια άλλη προσέγγιση δημιουργήθηκαν μακροπορώδη και μικροπορώδη κεραμικοί μονόλιθοι αλουμίνας και στη συνέχεια πραγματοποιήθηκε σχηματισμό πορώδους ζεόλιθου ZSM-5 στις επιφάνειές τους. Αν και αυτά τα υλικά παρουσίαζαν χαμηλότερη ειδική επιφάνεια και οξύτητα, οδήγησαν σε ακόμη μεγαλύτερη απόδοση κατάλυσης, πιθανώς λόγω της προσιτής επικάλυψης ζεόλιθου στην επιφάνεια του μονόλιθου. Εκτός από τη δημιουργία αποτελεσματικών πορώδη καταλυτών ζεόλιθου-αλουμίνας, αυτή η μελέτη στόχευε επίσης να αναπτύξει κεραμικές δομές με ιεραρχικό πορώδες και να καθιερώσει αξιόπιστες μεθόδους για τον προσδιορισμό του πορώδους τους, χρησιμοποιώντας τεχνικές όπως σάρωση ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, αξονική τομογραφία, νανοδιείσδυση, πειράματα θλίψης και ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων. Τα αποτελέσματα παρείχαν πληροφορίες για τη σχέση μεταξύ πορώδους και μηχανικών ιδιοτήτων και μια προτεινόμενη νέα μεθοδολογία που συνδυάζει πειραματικά και υπολογιστικά εργαλεία παρουσίασε παρόμοιους υπολογισμούς πορώδους με συμβατικές μεθόδους. Το δεύτερο μέρος αυτής της διατριβής επικεντρώθηκε στα ιεραρχικά πορώδη πολυμερή. Μια νέα μέθοδος εισήχθη χρησιμοποιώντας την τρισδιάστατη εκτύπωση θερμοπλαστικού νήματος με αφρώδες υλικό για την επίτευξη ιεραρχικού πορώδους. Σύνθετα νημάτια πολυγαλακτικού οξέος που περιέχουν χημικούς παράγοντες διόγκωσης χρησιμοποιήθηκαν για τη δημιουργία δομών με ποικίλες μικρο και μακρο σχετικές πυκνότητες. Οι μηχανικές δοκιμές και η μοντελοποίηση με πεπερασμένα στοιχεία ανέδειξαν την επίδραση των τύπων πορώδους στη θλιπτική αντοχή και τις ιδιότητες απορρόφησης ενέργειας, αποδεικνύοντας την ευελιξία των υλικών για εφαρμογές αεροδιαστημικής. Ένα φτερό μη επανδρωμένου αεροχήματος σχεδιάστηκε, αναλύθηκε και εκτυπώθηκε τρισδιάστατα με τα αναπτυγμένα υλικά. Η τελευταία μελέτη της διατριβής διερεύνησε τον σχεδιασμό και την κατασκευή κυψελίδων με μεταβαλλόμενη ακαμψία, που επιτυγχάνεται μέσω παραλλαγών στην πορώδη, απλή και ενισχυμένη με ανθρακονήματα μήτρα θερμοπλαστικής πολυουρεθάνης . Χρησιμοποιώντας έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή διπλής κεφαλής, δημιουργήθηκαν οι δομές και χαρακτηρίστηκαν μέσω δοκιμών εφελκυσμού, θλίψης, σάρωσης ηλεκτρονικής μικροσκοπίας, και ανάλυση συσχέτισης ψηφιακής εικόνας. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν τα πλεονεκτήματα των δομών μεταβαλλόμενης ακαμψίας σε σύγκριση με δομές χωρίς κλίση. Επιπλέον, σχεδιάστηκε και αναλύθηκε ένας προστατευτικός εξοπλισμός, χρησιμοποιώντας τις ανεπτυγμένες δομές. Συνολικά, αυτή η διεπιστημονική διατριβή παρέχει ολοκληρωμένες γνώσεις για την κατασκευή και τον χαρακτηρισμό προηγμένων ιεραρχικών πορώδη υλικών που κατασκευάζονται μέσω τρισδιάστατης εκτύπωσης, προσφέροντας πλεονεκτήματα σε διάφορες προηγμένες εφαρμογές.