Development of multi-functional structural composite materials with multi-scale reinforcement for improvement of fracture behavior

The use of nanoparticles as reinforcing phase into the matrix of Fibrous Composite Materials results to composites with multi-scale reinforcements. The fibrous phase at micro/macro scale defines the macroscopic mechanical behaviour of composites, while the nano-phase enhances the fracture behaviour of the composites, by introducing additional energy absorption mechanisms during fracture, thus concluding to composites with improved damage tolerance. In addition, the introduction of carbon nano-particles into the matrix of composites has shown considerable improvement in electrical and the thermal conductivity, thus resulting in a multi-functional composite. The present study investigates the use of Graphene Nano-Species (GNSs), such as Graphene Nano-Platelets composed of 4,12 and 25 graphene layers and Thermally Reduced Graphene Oxide, by introducing them homogeneously into the matrix of composites to produce Graphene reinforced structural CFRPs (Gr-CFRP). Process, development, manufacturing and multi-functional performance assessment of Gr-CFRP at various GNSs concentrations and types has been investigated.Η χρήση νανο-σωματιδίων ως ενισχυτική φάση της μήτρας Ινωδών Σύνθετων Υλικών (ΙΣΥ) οδηγεί σε Σύνθετα Υλικά (ΣΥ) με ενίσχυση πολλαπλής κλίμακας. Η ινώδης ενίσχυση στη μίκρο/μάκρο κλίμακα καθορίζει τη μακροσκοπική μηχανική συμπεριφορά των ΣΥ ενώ η ενίσχυση στη νανο-κλίμακα βελτιώνει τη θραυστο-μηχανική συμπεριφορά των ΣΥ εισάγοντας συμπληρωματικούς μηχανισμούς απορρόφησης ενέργειας κατά τη θραύση, προσδίδοντας βελτιωμένη ανοχή στη βλάβη. Την τελευταία δεκαετία έχει παρατηρηθεί ότι η εισαγωγή νανο-σωματιδίων άνθρακα στη μήτρα ΣΥ βελτιώνει σημαντικά τις ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες των ΣΥ συμβάλλοντας σημαντικά στην ενίσχυση της πολυ-λειτουργικότητάς τους. Στη παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκαν δομικά ΣΥ με ενίσχυση ινών άνθρακα και πολυμερή μήτρα τροποποιημένη με διάφορα γραφιτικά νανο-σωματίδια (Gr-CFRP). Πιο συγκεκριμένα, χρησιμοποιήθηκαν πολυστρωματικά γραφένια 4, 12 και 25 γραφιτικών επιπέδων καθώς και οξείδια του γραφενίου σε διάφορες περιεκτικότητες ώστε να επιτευχθεί ενίσχυση πολλαπλής κλίμακας. Επιπλέον, μελετήθηκε η ανάπτυξη διαδικασιών επεξεργασίας και παραγωγής Gr-CFRP ενώ παράλληλα διερευνήθηκε η πολυ-λειτουργικότητά τους. Αρχικά, πραγματοποιήθηκε διερεύνηση της καταλληλότερης περιεκτικότητας και του τύπου των νανο-σωματιδίων γραφενίου στο υλικό της πολυμερούς μήτρας σε ΙΣΥ μέσω της μελέτης της θραυστο-μηχανικής συμπεριφοράς των νανο-ενισχυμένων ΙΣΥ σε συνθήκες θραύσης τύπου Ι και ΙΙ καθώς και μέσω της θερμικής και ηλεκτρικής τους αγωγιμότητας. Εν, συνεχεία αναπτύχθηκαν ΙΣΥ τροποποιημένα ταυτόχρονα με νανο-σωματίδια γραφενίου και νανο-σωλήνες άνθρακα προκειμένου να μελετηθεί αρχικά η συνεισφορά των πλεονεκτημάτων των νανο-σωματιδίων στη πολυ-λειτουργικότητα του τελικού συνθέτου καθώς και το ενδεχόμενο συνέργειας μεταξύ τους για τη βελτίωση των θραυστο-μηχανικών ιδιοτήτων. Τέλος ακολούθησε ανάλυση της μικρο-δομής των υλικών έχοντας ως στόχο την αναγνώριση και ανάδειξη των μηχανισμών απορρόφησης ενέργειας

Thermal Conductivity of Carbon Nanoreinforced Epoxy Composites

The present study attempts to investigate the influence of multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) and graphite nanoplatelets (GNPs) on thermal conductivity (TC) of nanoreinforced polymers and nanomodified carbon fiber epoxy composites (CFRPs). Loading levels from 1 to 3% wt. of MWCNTs and from 1 to 15% wt. of GNPs were used. The results indicate that TC of nanofilled epoxy composites increased with the increase of GNP content. Quantitatively, 176% and 48% increase of TC were achieved in nanoreinforced polymers and nanomodified CFRPs, respectively, with the addition of 15% wt. GNPs into the epoxy matrix. Finally, micromechanical models were applied in order to predict analytically the TC of polymers and CFRPs. Lewis-Nielsen model with optimized parameters provides results very close to the experimental ones in the case of polymers. As far as the composites are concerned, the Hashin and Clayton models proved to be sufficiently accurate for the prediction at lower filler contents

Assessing the Damage Tolerance of Out of Autoclave Manufactured Carbon Fibre Reinforced Polymers Modified with Multi-Walled Carbon Nanotubes

The present study aims to investigate the influence of multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) on the damage tolerance after impact (CAI) of the development of Out of Autoclave (OoA) carbon fibre reinforced polymer (CFRP) laminates. The introduction of MWCNTs into the structure of CFRPs has been succeeded by adding carbon nanotube-enriched sizing agent for the pre-treatment of the fibre preform and using an in-house developed methodology that can be easily scaled up. The modified CFRPs laminates with 1.5 wt.% MWCNTs were subjected to low velocity impact at three impact energy levels (8, 15 and 30 J) and directly compared with the unmodified laminates. In terms of the CFRPs impact performance, compressive strength of nanomodified composites was improved for all energy levels compared to the reference material. The test results obtained from C-scan analysis of nano-modified specimens showed that the delamination area after the impact is mainly reduced, without the degradation of compressive strength and stiffness, indicating a potential improvement of damage tolerance compared to the reference material. SEM analysis of fracture surfaces revealed the additional energy dissipation mechanisms; pulled-out carbon nanotubes which is the main reason for the improved damage tolerance of the multifunctional composites