Development of improved, multi-functional, nano-structured polymer based adhesives with applications in the bonding of composite components and the repair of engineering structures with composite patches

Abstract

In the present dissertation the effective thermal (keff), the effective elastic modulus (Eeff, Geff) and the effective strength (σmax, τmax) of Carbon Nanotubes (CNTs) Reinforced Polymers (CNTsRPs) were predicted by developing finite element continuum homogenization models. For this purpose innovative representative volume elements (RVEs) that take into account determinant nanoscale factors for the “nanostructure–effective property” relationship in each case were developed. Both the influence of CNTs clustering and CNTs-polymer matrix interphase on the Eeff and Geff were investigated by developing “clustered” and “hybrid” RVEs. Additionally “perfect” RVEs were considered for comparison reasons. The validation of the method was confirmed by the correlation of the predicted values with corresponding experimental. The results reinforced the argument of an interphase formation due to the CNTs functionalization. The influence of the Kapitza resistance RKap on the keff of CNTsRPs was investigated. For this purpose RVEs that take into account both the value of the RKap and its extent were developed. The correlation of the predicted values with corresponding experimental revealed a unique phenomenological Kapitza resistance RKapPh for each one of the CNTs content. The plotting of the RKapPh versus the CNTs content showed a linear increase. This observation was related directly to the increased CNTs “clustering” intensity at higher CNTs contents. The σmax and τmax of CNTsRPs were predicted by considering the “perfect” RVEs developed earlier. To this end a progressive damage material model was developed. The results showed that the CNTs cause significant and similar increase of both Eeff and Geff. While, the τmax increased more than the σmax. The above developed models were implemented for the prediction of the equivalent material model (EMM) of a CNTs reinforced epoxy adhesive (CNTsRAD) that was used for the bonding of a single lap joint (SLJ). The macroscopic “cohesive” failure of the SLJ was modeled by applying the Cohesive Zone Model and following the “local” damage mechanics approach. Reliable experimental data confirmed the validation of the model. Eventually the macroscopic response of SLJ bonded with CNTsRAD was predicted by developing a two-step multi-scale modeling approach. The results showed the determinant contribution of the “mechanical” parameters against the “fracture” parameters of the EMM to the macroscopic response of the SLJ.

Στην παρούσα διατριβή συνεχείς μέθοδοι μοντελοποίησης που βασίζονται στις αρχές oμογενοποίησης με πεπερασμένα στοιχεία αναπτύχθηκαν για την πρόβλεψη της θερμικής αγωγιμότητας (keff), του μέτρου ελαστικότητας (Eeff, Geff) καθώς και της αντοχής (σmax, τmax) νανο-ενισχυμένων πολυμερών (ΝΣΑ-ΝΕΠ) με Νανο-Σωλήνες Άνθρακα (ΝΣΑ) υλικών. Για τον σκοπό αυτό καινοτόμοι αντιπροσωπευτικοί στοιχειώδη όγκοι (ΑΣΟ) που λαμβάνουν υπόψη τους καθοριστικούς νάνο-παράγοντες για την διαμόρφωση της σχέσεως «νανοδομής–ιδιότητας» των ΝΣΑΝΕΠ αναπτύχθηκαν. Αρχικά «συσσωματωμένοι» και «υβριδικοί» ΑΣΟ αναπτύχθηκαν για την μελέτη της επίδρασης της συσσωμάτωσης των ΝΣΑ και της ενδιάμεσης φάσης ΝΣΑ-πολυμερούς μήτρας στα Eeff και Geff ΝΣΑΝΕΠ υλικών. Επίσης «ιδανικοί» ΑΣΟ προτάθηκαν για λόγους σύγκρισης. Η αξιοπιστία της μεθόδου επιβεβαιώθηκε μέσω της συσχέτισης των αποτελεσμάτων με αντίστοιχα πειραματικά. Τα αποτελέσματα ενίσχυσαν τον ισχυρισμό της βιβλιογραφίας για δημιουργία ενδιάμεσης φάσης λόγω χημικής τροποποίησης των ΝΣΑ. Επίσης η επίδραση της θερμικής αντίστασης «Kapitza» RKap στην keff ΝΣΑΝΕΠ διερευνήθηκε. Για τον σκοπό αυτό ΑΣΟ που πλησιάζουν πραγματικές δομές ΝΣΑΝΕΠ αναπτύχθηκαν παίρνοντας υπόψη τους την ένταση καθώς και την έκταση της RKap. Από τον συσχετισμό των προβλεπόμενων keff με αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις μια φαινομενολογική αντίσταση «Kapitza» RKapPh υπολογίστηκε για κάθε μια θεωρούμενη περιεκτικότητα ΝΣΑ. Η υπολογισθείσα RKapPh έδειξε γραμμική αύξηση με την αύξηση της περιεκτικότητας των ΝΣΑ. Αυτή η συμπεριφορά σχετίστηκε άμεσα με την αύξηση της συσσωμάτωσης των ΝΣΑ στις μεγαλύτερες περιεκτικότητες. Για την πρόβλεψη των σmax και τmax ΝΣΑ-ΝΕΠ υλικών οι παραπάνω «ιδανικοί» ΑΣΟ θεωρήθηκαν και ένα μοντέλο προοδευτικής βλάβης αναπτύχθηκε. Τα αποτελέσματα έδειξαν σημαντική και όμοια αύξηση των Eeff και Geff λόγω των ΝΣΑ. Αντιθέτως η τmax παρουσίασε μεγαλύτερη αύξηση από την σmax. Στην συνέχεια οι παραπάνω μέθοδοι μοντελοποίησης χρησιμοποιήθηκαν για την πρόβλεψη του ισοδύναμου μοντέλου μιας νάνο-ενισχυμένης εποξικής κόλλας (ΕΚ) με ΝΣΑ (ΝΣΑΕΚ) που χρησιμοποιήθηκε για την συγκράτηση συγκολλητού δεσμό (ΣΔ). Για την μοντελοποίηση της μακροσκοπικής θραύσης του ΣΔ το Cohesive Zone Model χρησιμοποιήθηκε. Η αξιοπιστία του μοντέλου επιβεβαιώθηκε μέσω αξιόπιστων πειραματικών αποτελεσμάτων για μη ενισχυμένη ΕΚ. Εν τέλει για την πρόβλεψη της μακροσκοπικής θραύσης ενός ΣΔ που συγκρατείται με ΝΣΑΕΚ μια μέθοδος πολύ-επίπεδης μοντελοποίησης δύο βημάτων αναπτύχθηκε.