Development of advanced fiber-reinforced composite materials with graphene nanofillers for wind turbine structures

Abstract

The increasing demand for reducing carbon dioxide emissions is accelerating the transitiontoward green energy sources such as wind power, with particular emphasis on offshore windfarms. This shift necessitates the development of composite materials that exhibit enhanced durability and environmental resistance. This thesis investigates the development of advanced glass-fiber-reinforced polymer (GFRP) composites through the nanomodification of epoxy matrices using carbon-based nanofillers, specifically graphene nanoplatelets (GNPs) and multi-walled carbon nanotubes (CNTs). These nanomaterials were selected for their ability to simultaneously improve the mechanical, electrical, and moisture-barrier properties of epoxy systems. A holistic experimental methodology was implemented with industrial scalability as a guiding criterion. High-shear mixing was chosen as the dispersion method, and the resulting nanomodified matrices were evaluated through dynamic mechanical analysis, impedance spectroscopy, fracture-toughness testing, and environmental aging. The most promising formulations were subsequently integrated into GFRP composites and tested under simulated operational conditions representative of wind turbine blades. To ensure compatibility with industrial manufacturing, processing considerations, including viscosity control and overall manufacturability, were thoroughly examined. Following laboratory-scale evaluation, the findings were validated using industrially manufactured GFRP and CFRP laminates. This research presents a scalable path for producing high-performance, hybrid-reinforced composites. Importantly, the developed material system demonstrated the necessary properties and processing characteristics required for implementation in a structural component of a wind turbine blade, contributing meaningfully to the long-term sustainability and reliability of wind-energy infrastructure

H αυξανόμενη ανάγκη για μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα επιταχύνει τημετάβαση προς την παραγωγή πράσινης ενέργειας, όπως η αιολική ενέργεια, με ιδιαίτερη έμφαση στα υπεράκτια αιολικά πάρκα. Αυτή η εξέλιξη καθιστά αναγκαία την ανάπτυξη σύνθετων υλικών με ενισχυμένη αντοχή και αυξημένη περιβαλλοντική αντίσταση. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την ανάπτυξη προηγμένων σύνθετων υλικών ενισχυμένων με υαλονήματα (GFRP), μέσω της νανοτροποποίησης εποξικών ρητινών με τηχρήση νανοδομών ανθρακικής βάσης, συγκεκριμένα νανοπλακιδίων (GNPs) και νανοσωλήνωνάνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων (CNTs). Τα νανοϋλικά αυτά επιλέχθηκαν λόγω της ικανότητάς τους να βελτιώνουν ταυτόχρονα τις μηχανικές, ηλεκτρικές και ιδιότητες φραγμού της εποξικής μήτρας έναντι της υγρασίας. Η πειραματική μεθοδολογία που υιοθετήθηκε είχε ως βασικό άξονα τη δυνατότητα βιομηχανικής κλιμάκωσης. Ως μέθοδος διασποράς επιλέχθηκε η ανάμιξη υψηλών διατμητικών τάσεων, ενώ οι νανοτροποποιημένες μήτρες αξιολογήθηκαν μέσω δυναμικής μηχανικής ανάλυσης, φασματοσκοπίας εμπέδησης, δοκιμών αντοχής σε θραύση και περιβαλλοντικής γήρανσης. Οι υποσχόμενες συνθέσεις ενσωματώθηκαν στη συνέχεια σε σύνθετα GFRP και δοκιμάστηκαν υπό συνθήκες προσομοιωμένης λειτουργίας,αντιπροσωπευτικές των ανεμοπτερυγίων. Για τη διασφάλιση της συμβατότητας με τη βιομηχανική παραγωγή, εξετάστηκαν διεξοδικά παράμετροι επεξεργασίας όπως ο έλεγχος του ιξώδους και η συνολική κατασκευασιμότητα. Μετά την εργαστηριακή αξιολόγηση, τα ευρήματα επιβεβαιώθηκαν μέσω δοκιμών σε βιομηχανικά παραγόμενα δοκίμια GFRP και CFRP. Η παρούσα έρευνα προτείνει μια βιώσιμη και κλιμακούμενη προσέγγιση για την παραγωγή υψηλών επιδόσεων υβριδικών ενισχυμένων σύνθετων υλικών. Ιδιαίτερα, το αναπτυχθέν υλικό παρουσίασε τις απαραίτητες ιδιότητες και τα απαιτούμενα χαρακτηριστικά επεξεργασιμότητας για την εφαρμογή του σε δομικό τμήμα πτερυγίου ανεμογεννήτριας, συμβάλλοντας ουσιαστικά στη μακροχρόνια ανθεκτικότητα και αξιοπιστία των κατασκευών αιολικής ενέργειας