Development and functionality control of advanced nanocomposite materials for mechanical and electrical applications
Authors: Μανιάδη Αθηνά 
Published: July 2024

Η παρούσα διατριβή εστιάζει στην έρευνα, ανάπτυξη και μελέτη νανοσύνθετων και σύνθετων υλικών με ελεγχόμενα τροποποιημένα χαρακτηριστικά (μηχανικές, ηλεκτρικές και φυσικές ιδιότητες), όπως αντοχή εφελκυσμού, αντοχή σε κάμψη, μέτρο ελαστικότητας, διηλεκτρική σταθερά και αγωγιμότητα. Προηγμένα νανοσύνθετα νήματα κατασκευάστηκαν σε αυτήν την έρευνα μετά από μια διαδικασία ανάμειξης τήγματος για τη βελτίωση των μηχανικών και ηλεκτρικών λειτουργικών ιδιοτήτων τρισδιάστατων (3D) εκτυπωμένων δομών που αναπτύχθηκαν χρησιμοποιώντας εμπορικά διαθέσιμους εκτυπωτές Fused Filament Fabrication (FFF). Επιπλέον, έχει γίνει μια εκτενής μελέτη σχετικά με την επίδραση πολλαπλών διαδοχικών θερμομηχανικών διεργασιών στις μηχανικές και φυσικές ιδιότητες των μητρών καθαρού πολυμερούς, που χρησιμοποιούνται σε αυτή τη μελέτη, για να δοθεί μια εικόνα της βιωσιμότητας και της απόδοσής τους στην εκτύπωση 3D με εξώθηση υλικού (MEX), στην οποία ανήκει η διαδικασία FFF.Για αυτήν την έρευνα, αναπτύχθηκαν νέα νανοσύνθετα νήματα από ακρυλονιτρίλιο βουταδιένιο στυρένιο (ABS), πολυαιθυλένιο υψηλής πυκνότητας (HDPE) και πολυαιθυλένιο χαμηλής πυκνότητας (LDPE) σε αυτή τη μελέτη με ενσωμάτωση διαφόρων συγκεντρώσεων πληρωτικού υλικού νανοσωματιδίων γραφενίου, διοξείδιο του τιτανίου , οξείδιο ψευδαργύρου, οξείδιο του κασσιτέρου αντιμονίου και μαγνητίτης για εφαρμογές στην κατασκευή πολυμερικών νημάτων (FFF), μια προσέγγιση που δεν είχε παρουσιαστεί προηγουμένως στη βιβλιογραφία σχετικά με τα νανοπληρωτικά που χρησιμοποιούνται με αυτές τις συγκεκριμένες πολυμερείς μήτρες και τη μεθοδολογία που εφαρμόζεται στην τρέχουσα μελέτη, χρησιμοποιώντας εξώθηση τήγματος και 3D-Printing. Η χρήση νανοπληρωτικών όχι μόνο μπορεί να αλλάξει αλλά και να αυξήσει σημαντικά τη μηχανική απόκριση μιας πολυμερούς μήτρας, σύμφωνα με τη συνολική αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Αυτή η εργασία βοήθησε στην ανάπτυξη νέων σύνθετων πολυμερών υλικών όχι μόνο για τρισδιάστατη εκτύπωση αλλά και για εκμετάλλευση σε μεγάλης κλίμακας βιομηχανική χρήση εξώθησης, προσφέροντας σε ορισμένες περιπτώσεις περισσότερο από 50% αύξηση στην αντοχή σε εφελκυσμό, κρούση ή κάμψη σε σύγκριση με το καθαρό πολυμερές μέρη μήτρας.Αυτή η διατριβή εκμεταλλεύεται τα ιδιαίτερα θετικά χαρακτηριστικά των νανοπληρωτικών, όπως οι αλληλεπιδράσεις μεγάλης επιφάνειας και οι αυξημένες μηχανικές και ηλεκτρικές τους ιδιότητες, για την ανάπτυξη σύνθετων υλικών με διάφορες εμπορικά διαθέσιμες πολυμερείς μήτρες για την πρόκληση υψηλότερων μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων από τις οποίες μπορεί να επωφεληθεί η βιομηχανία. Τέλος, πραγματοποιήθηκαν πολλαπλές τεχνικές χαρακτηρισμού για τον εντοπισμό και την ανάλυση της δομικής κατάστασης των παραγόμενων δειγμάτων και του υλικού νήματος, της επίδρασης στις θερμικές ιδιότητες των χρησιμοποιούμενων πολυμερών και των θερμικών ιδιοτήτων των σύνθετων και νανοσύνθετων υλικών που παράγονται, και τεχνικές χαρακτηρισμού για την εύρεση της διασπορά των πληρωτικών σε κάθε πολυμερή μήτρα που χρησιμοποιείται μαζί με το layer fusion σε κάθε δείγμα και περίπτωση.Τέλος, πέρα ​​από την παραπάνω έρευνα, διαπιστώθηκε ότι οι διαδικασίες θέρμανσης μπορούν να αυξήσουν τις μηχανικές ιδιότητες των μητρών καθαρού πολυμερούς και ακόμη και να αυξήσουν τη μηχανική τους αντοχή για έναν ορισμένο αριθμό επαναλήψεων θέρμανσης, π.χ. εξώθηση τήγματος και τρισδιάστατη εκτύπωση. Η καλύτερη συνολική μηχανική συμπεριφορά βρέθηκε μεταξύ της τρίτης και της πέμπτης επανάληψης θέρμανσης (βήμα επανεπεξεργασίας), υποδεικνύοντας σημαντική θετική επίδραση της επανεπεξεργασίας των πολυμερών, εκτός από την περιβαλλοντική πιθανή επανεπεξεργασία και ανακύκλωση αυτών των τύπων πολυμερών για μείωση των απορριμμάτων ρύπανσης. Αυτό το μέρος της έρευνας έγινε για τον εντοπισμό τυχόν επίδρασης που μπορεί να έχουν οι διαδικασίες εξώθησης και τρισδιάστατης εκτύπωσης στις μηχανικές ιδιότητες του καθαρού πολυμερούς πριν από την προσθήκη πληρωτικών.