Παρασκευή τροποποιημένων προτύπων σύνθετων υλικών ινών άνθρακα/εποξειδικής ρητίνης και μελέτη της διεπιφάνειας με χρήση φασματοσκοπίας Raman

Abstract

In recent decades carbon fibres have been increasingly used as a means of reinforcing composites in advanced technological applications due to their excellent mechanical properties. The main parameter that determines the mechanical behavior of a composite material is the quality of the interfacial bond between the host medium and the reinforcement. Many methods have been developed for the surface treatment of carbon fibres, mainly aiming at their surface modification through chemical oxidation, by using electrolytic methods, plasma treatment etc. This improves the interaction between the reinforcement and the matrix by developing appropriate chemical bonds or increasing their surface roughness. In this work, a mild chemical process (epoxidation) involving functionalization of carbon fibres via an epoxidation reaction at room temperature (RT) is being proposed, followed by mechanical and spectroscopic characterization of modified carbon fibre/epoxy resin composites. A microscale study is carried out by using a single filament model composite, in attempt to apply the shear lag model for assessing the efficiency of the treatment. Large scale fibrous composites have also been prepared for the investigation of macroscopic properties after their chemical treatment. The characterization of the samples is carried out via different techniques such as X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), scanning electron microscopy (SEM), Raman spectroscopy and various mechanical tests. In addition, hybrid CFRP composite materials are prepared and characterized, by introducing 2D materials (graphene flakes) in order to investigate the effect of the latter on the mechanical properties of the final composite material. Here too, modified composites are studied at the micro level and in real (macroscale) fibrous composites.

Τις τελευταίες δεκαετίες οι ίνες άνθρακα χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο ως μέσο ενίσχυσης συνθέτων υλικών σε προηγμένες τεχνολογικές εφαρμογές, λόγω των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων τους. H κυριότερη παράμετρος που καθορίζει τη μηχανική συμπεριφορά ενός συνθέτου υλικού είναι η ποιότητα του διεπιφανειακού δεσμού μεταξύ του μητρικού υλικού και του μέσου ενίσχυσης. Πολλές μέθοδοι έχουν αναπτυχθεί για την επιφανειακή επεξεργασία των ινών άνθρακα, στοχεύοντας κυρίως στην επιφανειακή τροποποίηση τους μέσω της χημικής οξείδωσης, με τη χρήση ηλεκτρολυτικών μεθόδων, επεξεργασίας με πλάσμα κ.α. Με αυτό τον τρόπο επιτυγχάνεται βελτίωση της αλληλεπίδρασης μεταξύ της φάσης ενίσχυσης με τη μήτρα, με την ανάπτυξη κατάλληλων χημικών δεσμών ή την αύξηση της επιφανειακής τους τραχύτητας. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι ο μηχανικός και φασματοσκοπικός χαρακτηρισμός τροποποιημένων σύνθετων υλικών ινών άνθρακα/εποξειδικής ρητίνης, με την ανάπτυξη μιας νέας, εύχρηστης και φιλικής προς το περιβάλλον επιφανειακής τροποποίησης (εποξείδωση) των ινών. Πιο συγκεκριμένα, παρουσιάζεται αρχικώς η μικρομηχανική μελέτη που έλαβε χώρα μέσω της χρήσης πρότυπων συνθέτων υλικών μονής ίνας, με σκοπό (α) τη μελέτη της πρόσφυσης των επιμέρους φάσεων που απαρτίζουν το σύνθετο υλικό (μήτρα και μέσο ενίσχυσης) και (β) την καταγραφή της εξέλιξης της διεπιφανειακής βλάβης που μπορεί να παρατηρηθεί στο σύνθετο υλικό όταν αυτό υπόκεινται σε μηχανική καταπόνηση. Κατόπιν γίνεται η αξιολόγηση των μακροσκοπικών ιδιοτήτων μακροσκοπικών συνθέτων (Vf ~ 60 %) μετά από τη χημική κατεργασία. Ο χαρακτηρισμός των δειγμάτων πραγματοποιήθηκε με τη χρήση διαφορετικών τεχνικών όπως τη φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων-Χ (XPS), την ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM), τη φασματοσκοπία Raman και διαφόρων μηχανικών δοκιμών. Τέλος, παρουσιάζεται η διαδικασία παρασκευής και ο μηχανικός χαρακτηρισμός υβριδικών σύνθετων υλικών ινών άνθρακα και πολυμερικής μήτρας (πρότυπα και πλήρους κλίμακας) στην οποία πραγματοποιήθηκε εισαγωγή διδιάστατων υλικών, όπως το γραφένιο, με στόχο την έρευνα της επίδρασης των 2D υλικών στις μηχανικές ιδιότητες του τελικού συνθέτου υλικού.