Novel concepts for optimizing the self-healing processes in advanced aerospace composite structures

Abstract

Fiber Reinforced Polymers (FRPs) are among the essential technological materials in the industrial and research communities due to their excellent specific properties. The low fracture toughness of the FPRs can consequence in detrimental damage phenomena that may reduce their structural integrity. The repair of damage is both time and money-consuming. Besides the traditional repair techniques, the approach of self–healing materials has attracted the attention of the research community. Inspired by the biological organisms, self-healing materials can heal (partially or fully) defects induced during service life by utilizing one or more of the existed methods. The extrinsic approaches are the capsule-based self-healing materials and the vascular. The intrinsic approach is based on the reversible dynamic bonds inside the polymer.The current thesis is based on the manufacturing of smart, multi-functional polymer composite materials with self-healing properties. More analytically, the optimization of the self-healing materials was accomplished via the nanomodification of capsule-based composites that can restore both the mechanical and electrical properties simultaneously. This achievement can lead to a composite that has both self-healing and self-sensing properties- as well as integrating the structural health monitoring functionality. It should be noted that the object of this thesis is only the study of the optimization of self-healing properties. In the intrinsic approach, intrinsically self-healing polymeric films were manufactured for easy application in composites. The reversible cross-links were introduced using three bis-maleimide oligomers with different molecular masses.

Τα ινώδη σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας αποτελούν μια από τις σημαντικότερες κατηγορίες υλικών καθότι παρουσιάζουν μια πληθώρα ιδιοτήτων οι οποίες διεγείρουν το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας αλλά και της βιομηχανίας. Η χαμηλή τους δυσθραυστότητα οδηγεί σε σημαντικούς και «επικίνδυνους» για την δομική ακεραιότητα του συνθέτου, τύπους αστοχίας κατά την διάρκεια λειτουργίας του ενώ η επισκευή των ατελειών/βλαβών στο εσωτερικό του συνθέτου, χαρακτηρίζεται από υψηλή δυσκολία καθώς και αυξημένο κόστος. Πέραν των συμβατικών προσεγγίσεων επισκευής, η τεχνολογία της αυτο-ίασης (ΑΙ) έχει προκαλέσει μεγάλο ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα.Εμπνευσμένα από τους βιολογικούς οργανισμούς, τα αυτο-ιάσιμα υλικά επιτρέπουν την σχεδόν αυτόνομη διάγνωση και επούλωση των ατελειών που δύναται να σχηματιστούν στο εσωτερικό των υλικών χρησιμοποιώντας μία ή και περισσότερες από τις μεθόδους αυτο-ίασης. Η πρώτη βασίζεται στην ενσωμάτωση καψουλών στο υλικό, η δεύτερη στην ενσωμάτωση αγγείων ή δικτύων και η τρίτη σε εγγενώς αυτο-ιάσιμα πολυμερή.Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η παρασκευή προηγμένων έξυπνων πολυ-λειτουργικών σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας με ικανότητα αυτο-ίασης της βλάβης. Συγκεκριμένα, πραγματοποιήθηκε η βελτιστοποίηση μέσω νανο-τροποποίησης της μεθόδου αυτο-ίασης με κάψουλες για την εισαγωγή τους σε σύνθετα υλικά όπου θα μπορούν να ανακτούν τις μηχανικές αλλά και τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες ταυτόχρονα. Ο συνδυασμός της ανάκτησης των παραπάνω ιδιοτήτων μπορεί να οδηγήσει σε ένα σύνθετο το οποίο θα έχει την δυνατότητα αυτο-διάγνωσης της βλάβης και κατ’ επέκταση παρακολούθησης της δομικής του ακεραιότητας μέσω ηλεκτρικών μεθόδων. Στην διατριβή αυτή περιλαμβάνεται μόνο η μελέτη της αυτο-ίασης των μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων ταυτόχρονα και όχι της αυτο-διάγνωσης της βλάβης. Για την μέθοδο της εγγενούς αυτο-ίασης πραγματοποιήθηκε η κατασκευή πολυμερικών φιλμ ώστε να δίνεται η δυνατότητα στον κατασκευαστή να εισάγει την τεχνολογία με εύκολο τρόπο στο σύνθετο.