Ανάπτυξη οργανωμένων δομών νανοϋλικών για τη δημιουργία πολυλειτουργικών σύνθετων υλικών συνεχούς ενίσχυσης
Authors: Μασούρας Αθανάσιος 
Published: November 2021

Αντικείμενο της διατριβής είναι η διερεύνηση, η αναλυτική μελέτη και η αποτίμηση της εφαρμογής νέων υλικών και μεθοδολογιών για την ανάπτυξη πολύ-λειτουργικών κατασκευών με τη χρήση νανουλικών, κυρίως Νανοσωλήνων Άνθρακα και Νανοπλακιδίων Γραφενίου.Αναλυτικότερα, προτείνεται η τροποποίηση ινωδών συνθέτων υλικών μέσω της προγενέστερης διαμόρφωσης των νανουλικών σε ενδιάμεση μορφή που θα καθιστά τη χρήση τους και την ενσωμάτωση τους στη δομή του συνθέτου λιγότερο πολύπλοκη. Η μεθοδολογία της προ-διαμόρφωσης των νανουλικών σε μια ενδιάμεση μορφή ώστε να είναι να καθίσταται ευκολότερη η ενσωμάτωση τους και η αξιοποίηση τους στη βιομηχανία των κατασκευών με ινώδη σύνθετα υλικά, όπως στην αεροδιαστημική βιομηχανία, αποτελεί μια νέα απαίτηση και αποτελεί ένα σημείο καμπής στον τομέα της νανοτεχνολογίας. Επίσης, η εφαρμογή μεθόδων που δύνανται να μεγιστοποιήσουν τη κλίμακα σε όρους διαστάσεων και ποσότητας στη προ-παρασκευή ενδιάμεσων προϊόντων νανουλικών είναι σημαντική απαίτηση από τη βιομηχανία για την αξιοποίηση των πλεονεκτημάτων της νανοτεχνολογίας.Στη κατεύθυνση αυτή εξετάστηκε η δυνατότητα διασποράς των νανουλικών σε ρευστά πολύ χαμηλού ιξώδους, όπως το νερό ή οργανικοί διαλύτες, και η παρασκευή ομοιογενών αιωρημάτων όπου στη επόμενη φάση χρησιμοποιήθηκαν για τη διαμόρφωση δισδιάστατων προ-οργανωμένων δομών σε μορφή υμενίων (φιλμ) όπως και στην επικάλυψη της επιφάνειας των ινών των συνθέτων υλικών. Για τη παρασκευή των υμενίων που χρησιμοποιήθηκαν στη παρούσα διατριβή χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της χύτευσης ταινίας όπου αποτελεί μια διαδεδομένη μέθοδος ειδικά στη βιομηχανία των κεραμικών. Τα υμένια παρασκευάστηκαν με τη χρήση Νανοσωλήνων Άνθρακα ή Νανοπλακιδίων Γραφενίου και ενσωματώθηκαν στη δομή ινωδών συνθέτων υλικών με εποξική μήτρα, και συγκεκριμένα στη περιοχή ενδιάμεσα στα στρώματα των ινών. Για τη κατασκευή των συνθέτων υλικών χρησιμοποιήθηκαν είτε ίνες άνθρακα είτε ίνες γυαλιού και η παρασκευή τους πραγματοποιήθηκε είτε μέσω της χρήσης προ-εμποτισμένων υφασμάτων είτε μέσω της έγχυσης της εποξικής μήτρας με τη βοήθεια κενού και της χρήσης στεγνών υφασμάτων. Τα τροποποιημένα σύνθετα που παρασκευάστηκαν χαρακτηρίστηκαν πειραματικά ενδελεχώς ώστε να διερευνηθεί σε βάθος η αποτελεσματικότητα της τροποποίησης τους σε όλο το φάσμα ιδιοτήτων τους όπως η μικροδομή τους, οι μηχανικές, οι ηλεκτρικές και οι θερμικές ιδιότητες τους όπως και πολυλειτουργική τους απόδοση. Κατά περίπτωση εξετάστηκαν συγκεκριμένες πολυλειτουργικές εφαρμογές των παραγόμενων συνθέτων υλικών. Πιο συγκεκριμένα εξετάστηκε η ταυτόχρονη ενίσχυση της διαστρωματικής θραυστομηχανικής αντοχής των υλικών και η παράλληλη ενσωμάτωση ιδιοτήτων αυτό-ίασης με τη χρήση υμενίων χαμηλής περιεκτικότητας Νανοσωλήνων άνθρακα σε θερμοπλαστική πολυουρεθάνη (TPU) όπως και η ενίσχυση των ηλεκτρικών και θερμικών ιδιοτήτων σε ινώδη σύνθετα υλικά και η παράλληλη αξιοποίηση των ενσωματωμένων φιλμ ως αυτό-θερμαινόμενα στοιχεία και ως στοιχεία ηλεκτρομαγνητικής θωράκισης.Ακόμα, στη παρούσα διατριβή όπως προαναφέρθηκε, εξετάστηκε η τροποποίηση της επιφάνειας των ινών των συνθέτων υλικών με την επικάλυψη τους από Νανοπλακίδια Γραφενίου και υβριδικές προσμίξεις αυτών με Οξείδια του Μαγγανίου για την ανάπτυξη δομικών πολυλειτουργικών συνθέτων υλικών με δυνατότητες αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Οι σύνθετες δομές πολλαπλής κλίμακας που κατασκευάστηκαν αποτέλεσαν στοιχειώδη δομή υπερπυκνωτή και εξετάστηκαν υπό ενδελεχή πειραματική διαδικασία όπου παράλληλα χαρακτηρίστηκαν ηλεκτροχημικά και μηχανικά. Κατά τη προπαρασκευαστική διαδικασία για την ανάπτυξη των πολυλειτουργικών αυτών υλικών ήταν απαραίτητη η διερεύνηση της βέλτιστης πρόσμιξης Νανοπλακιδίων Γραφενίου και Οξειδίων του Μαγγανίου. Για τη διερεύνηση αυτή αναπτύχθηκαν ηλεκτρόδια στη μορφή υμενίων πολύ υψηλής περιεκτικότητας νανουλικών όπου και υποβλήθηκαν σε ηλεκτροχημικό χαρακτηρισμό. Στα πλαίσια αυτής της προπαρασκευής αναπτύχθηκαν ηλεκτρόδια με εξαιρετική απόδοση στην αποθήκευση ενέργειας για την εφαρμογή τους ως ηλεκτρόδια υπερπυκνωτών. Τέλος, για την παρασκευή των συνθέτων και τη διαμόρφωση της δομής τους ως δομικά στοιχεία και στοιχεία αποθήκευσης ενέργειας ήταν απαραίτητη η ανάπτυξη ενός πολυμερούς ηλεκτρολύτη που θα δύναται να φέρει μηχανικό φορτίο και θα φέρει και την απαραίτητη ιοντική αγωγιμότητα.