Self-healing magnetic nanoparticle / polymer composites
Creators: name: Παπαμίχου, Κλεοπάτρα Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2018
Subjects: Μαγνητικά νανοσωματίδια
Σύνθετες ενώσεις με δυνατότητα αυτό-επισκευής
Σύνθετα υλικά ενισχυμένα με ίνες γυαλιού
Μαγνητική υπερθερμία
Magnetic nanoparticles
Self-healing composites
Glass fiber reinforced composites
Magnetic hyperthermia

description: The use of structural lightweight materials in aerospace, automotive and renewable energy applications have increased rapidly within the last decades. Among the biggest milestones in this field is the development of fibre- and particle reinforced polymer composites. These materials consist of a polymer matrix that is reinforced with high performance fibres or particles. This project shows the proof of concept using localized inductive heating for the healing of GFRP (Glass Fible Reinforced Polymers) composites with ionomer interlayers. The interlayers were loaded with various concentrations of ferromagnetic Fe3O4 and CrO2 particles in order to make them susceptible to heating upon the application of an alternating magnetic field. The composites were characterized using multiple techniques. More specifically, the structural properties of the materials were quantified using Scanning Electron Microscopy (SEM) combined with EDS, the magnetic profile was determined using Vibrating Sample Magnetometry (VSM) and the thermal behaviour of the composite by Thermogravimetric Analysis (TGA), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and an IR Camera. The mechanical properties and the healing efficiency was measured by Double Cantilaver Beem Test (DCB) and Lap Shear Test. It is shown that by increasing the particle volume fraction the healing potential is improved, but at the same time the interlaminar fracture toughness is reduced. Furthermore, the use of CrO2 was explored as a filler since it has an in-build Curie temperature limit of around 135°C (of interest for healable polymers). However, due to severe issues with the dispersion of the CrO2 particles (in contrary with the Fe3O4 particles), no homogeneous particle distribution and as such no uniform heating profile could be achieved in the time frame of the research. As a result, adequate healing by inductive heating of CrO2 could not be shown. Nevertheless, the high overall temperatures and self-temperature control obtained in the case of the CrO2 and the experience with the Fe3O4 made the research team believe that the key for a successful implementation of this concept is to improve the particle dispersion. To this point, surface modification of the CrO2 nanoparticles was introduced in order to improve the particle distribution. Two different silanes were used to treat the surface of the particles and both lead to a better distribution of the particles in the polymer matrix. The composites with treated CrO2 nanoparticles showed improved mechanical properties before and after induction healing compared to the untreated nanoparticles. The concept of controlled induction heating here proved is considered a major step forward for the implementation of self-healing polymers in (non-conductive) fibre composite structures.
description: Η χρήση σύνθετων ελαφρών υλικών στις εφαρμογές της αεροδιαστημικής, της αυτοκινητοβιομηχανίας και των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας παρουσιάζει μεγάλη αύξησή τις τελευταίες δεκαετίες. Μεταξύ των μεγαλύτερων ορόσημων σε αυτόν τον τομέα είναι η ανάπτυξη σύνθετων πολυμερών ενισχυμένων με ίνες και σωματίδια. Στο πλαίσιο αυτό, η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία αναδεικνύει το ρόλο της χρήσης μαγνητικών νανοσωματιδίων ως υλικά πρόσμιξης στα οποία η χρήση τοπικής επαγωγικής θέρμανσης βελτιώνει σημαντικά τις μηχανικές ιδιότητες σε σύνθετα υλικά GFRP (Glass Fible Reinforced Polymers). Τα ενδιάμεσα στρώματα πληρώνονται με διάφορες συγκεντρώσεις σιδηρομαγνητικών σωματιδίων Fe3O4 και CrO2 προκειμένου να αξιοποιηθεί η θερμικής τους απόδοση όταν βρεθούν εντός ενός εναλλασσόμενου μαγνητικού πεδίου. Τα σύνθετα υλικά χαρακτηρίστηκαν δομικά και μορφολογικά με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) σε συνδυασμό με EDS, το μαγνητικό προφίλ προσδιορίστηκε με τη χρήση μαγνητομετρίας δονούμενου δείγματος (VSM) και η θερμική συμπεριφορά του σύνθετου υλικού με της θερμοβαρυτικής ανάλυσης (TGA), τη διαφορική σαρωτική θερμιδομετρία (DSC) ενώ η θερμική απόδοση απεικονίστηκε με τη βοήθεια κάμερας υπερύθρου (IR). Οι μηχανικές ιδιότητες και η αποτελεσματικότητα επούλωσης μετρήθηκαν με τα κλασσικά τεστ αξιολόγησης μηχανικών ιδιότητων: τη δοκιμή Beamb Test Double (DCB) και τη δοκιμή διατμητικής αντοχής (Lap Shear). Οι δοκιμές με δύο διαφορετικά συστήματα μαγνητικών νανοσωματιδίων έδειξε ότι η αρχή λειτουργίας της μαγνητικής υπερθερμίας μπορεί να αξιοποιηθεί στις διαδικασίες αυτοεπισκευής μηχανικών καταπονήσεων σε πολυμερή υλικά. Το πιο διαδεδομένο σύστημα που αξιοποιείται στη μαγνητική υπερθερμία είναι ο Fe3O4 που όμως στη συγκεκριμένη μελέτη κατάφερε να αυξήσει τη θερμοκρασία τοπικά σε πολύ μεγάλο βαθμό πάνω από τα όρια του συγκεκριμένου πολυμερούς που είναι μεταξύ 110 και 130οC, ενώ η αύξηση της συγκέντρωσης του στο πολυμερές έχει εμφανή αρνητική επίδραση στις μηχανικές ιδιότητες του σύνθετου υλικού. Εναλλακτικά, στη συνέχεια επιχειρήθηκε η χρήση ενός μαγνητικού υλικού που να εμφανίζει διαμορφούμενη μαγνητική συμπεριφορά, όπως αυτή καθορίζεται από τη προσέγγιση στη θερμοκρασία Curie. To υλικό που επιλέχθηκε είναι το οξείδιο του Cr (CrO2) που έχει θερμοκρασία Curie ~ 135oC λίγο πάνω από τη θερμοκρασία που απαιτείται για την επούλωση των πολυμερών. Το γεγονός ότι η θερμοκρασία Curie του συγκεκριμένου υλικού είναι τόσο κοντά στη θερμοκρασία επούλωσης, ευνοεί την υποβάθμιση των μαγνητικών του χαρακτηριστικών καθώς προσεγγίζεται η θερμοκρασία που σημαίνει ότι καθώς υποβαθμίζονται μαγνητικά τα νανοσωματίδια δεν επηρεάζονται τόσο έντονα από το πεδίο, άρα επιτυγχάνεται καλύτερος έλεγχος της θερμοκρασίας της σύνθετης ένωσης. Ένα επιπλέον πρόβλημα που εμφανίστηκε στη χρήση του CrO2, είναι ότι η διασπορά των σωματιδίων CrO2 δεν είναι ομογενής στον όγκο του πολυμερούς, οπότε δεν μπορεί να επιτευχθεί ομοιόμορφο προφίλ θέρμανσης στο χρονικό πλαίσιο της εφαρμογής του μαγνητικού πεδίου. Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα αυτό επιχειρήθηκε η επιφανειακή τροποποίηση των νανοσωματιδίων CrO2 με δύο διαφορετικές επιφανειοδραστικές ενώσεις που βελτίωσε εκτός από τη διασπορά τους στην πολυμερική μήτρα και τις δυνατότητες θερμικής επούλωσης μηχανικών καταπονήσεων. Η χρήση κατάλληλα τροποποιημένων μαγνητικών σωματιδίων που έχουν επίσης την κατάλληλη θερμοκρασία Curie, επιτρέπει την επιτυχή ενσωμάτωση τους σε πολυμερικές μήτρες με ικανοποιητικό βαθμό διασποράς και ταυτόχρονα καλό έλεγχο της θερμοκρασιακής τους απόδοσης ώστε να επιτυγχάνουν εύκολα και γρήγορα το θερμοκρασιακό εύρος επούλωσης.
description: Σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Τεχνολογίας Γκρενόμπλ (Γαλλία), το ΕΚΕΦΕ Δημόκριτος, και το CNRS (Centre National de la Researche Scientifique, Γαλλία)