Στην διπλωματική αυτή μελετάται η επίδραση των ηλεκτρικών εκκενώσεων (κεραυνών) σε επιφάνειες ηλεκτροδίων, που αποτελούν μέρος συστήματος αντικεραυνικής προστασίας (ΣΑΠ). Στο Κεφάλαιο 1 αναλύεται το φαινόμενο των υπερτάσεων και των κεραυνικών εκκενώσεων. Το φαινόμενο των ηλεκτρικών εκκενώσεων, μελετάται σε εργαστήρια υψηλής τάσης, με διάκενα αέρος, ενώ στην συγκεκριμένη περίπτωση, το φαινόμενο των κεραυνών προσομοιώνεται με την διάταξη Ακίδα-Πλάκα. Μετά από μια σύντομη αναφορά στα διάκενα αέρος και τις εκκενώσεις, στο Κεφάλαιο 2 αναλύονται οι συνθήκες που επηρεάζουν τις εκκενώσεις, οπως διαστάσεις, αποστάσεις, ατμοσφαιρικές συνθήκες (υγρασία, θερμοκρασία, ατμοσφαιρική πίεση). Στο Εργαστήριο Υψηλών Τάσεων χρησιμοποιούνται γεννήτριες υψηλών τάσεων που μας παρέχουν τάσεις σε επιθυμητό επίπεδο και επιθυμητή μορφή (στην συγκεκριμένη περίπτωση κρουστικά κύματα). Περιγράφεται σύντομα η κατασκευή της γεννήτριας του εργαστηρίου, τα κύρια χαρακτηριστικά της καθώς και ο τρόπος λειτουργίας που την διέπει. Στην συνέχεια (Κεφάλαιο 3), παρατίθενται οι συνήθεις τρόποι για προστασία κτιρίων, υποδομών και μηχανημάτων από ηλεκτρικές εκκενώσεις, ο τρόπος σχεδίασης του ΣΑΠ δηλαδή. Παρατίθενται οι μέθοδοι τοποθέτησης συλλεκτήριων αγωγών των ΣΑΠ, καθώς και οι τρόποι γείωσης που συναντώνται πιο συχνά και η επίδραση του περιβάλλοντος πάνω τους. Στην συνέχεια (Κεφάλαιο 4), μελετάται το αλουμίνιο (Al ) σαν υλικό χρησιμοποιούμενο σε ΣΑΠ. Αναλύονται τα βασικά χαρακτηριστικά του, συμπεριφορά του και οξείδωση του. Στο Κεφάλαιο 5 αναλύεται η διαδικασία επεξεργασίας των πλακών αλουμινίου, και οι μέθοδοι τεχνητής γήρανσης που ακολουθήθηκαν, ενώ στο Κεφάλαιο 6 περιγράφεται η πειραματική διαδικασία και ο τρόπος συλλογής και επεξεργασίας των μετρήσεων. Στο Κεφάλαιο 7 καταγράφονται οι μετρήσεις που ελήφθησαν σε διάφορες πλάκες αλουμινίου, με διαφορετικές διαδικασίες τεχνητής γήρανσης,για διαφορετικά διάκενα (αποστάσεις), καθώς και για διαφορετικές ατμοσφαιρικές συνθήκες, που δείχνουν την συμπεριφορά των πλακών , υπό διαφορετικές συνθήκες γήρανσης και λειτουργίας. Τέλος, στο Κεφάλαιο 8 γίνεται η σύνοψη της πειραματικής διαδικασίας και η παράθεση των αποτελεσμάτων της μελέτης. / The main subject this project is the effect of electric discharge (lightning) on the surfaces of electrodes, that are part of a Lightning protection System (LPS). In Chapter 1, we study the phenomenon of electric-surge (hyper-voltage) and lightning discharge. Lightning Discharges are studied in High-Voltage Laboratories with the help of test air-gaps and in this particular situation, lightning is simulated by a spike-plate setup. After a short report on air-gaps and discharges, the conditions that effect discharges are analyzed in Chapter 2 (i.e moisture, temperature, air pressure). In our High-Voltage Lab we use high-voltage generators that provide voltages of desired level and form (here, shock-waved voltages). The lab's generator is shortly described, its main characteristics and its operation. In Chapter 3, we meet the most often used ways of protecting buildings, infrastructures and machinery against electric discharges and the way an LPS is designed. The methods of mounting lightning collectors (lighting protection components - LPCs) are listed, as well as the methods of grounding the LPS and the environmental effect on them. In Chapter 4 Aluminium (Al) is studied, as a material used in LPS. Its basic characteristics, behavior and oxidation are analyzed. In Chapter 5, the plates processing procedures are described, as well as the artificial-ageing methods used in the experiment, whereas in Chapter 6 the experimental procedure and the collection and processing of measurements is analyzed. The measurements of discharges on different aluminium plates are recorded in Chapter 7, with different artificial-ageing processes used, different gaps (distance), and different atmospheric conditions, showing the behavior of the plates under various operating conditions and ageing. Finally, in Chapter 8 there is the summary of the experimental procedure and the presentation of the study results.

Το τεχνολογικό προβλήμα της υποβάθμισης της δομικής ακεραιότητας “γηρασκόντων” αεροσκαφών αποτελεί σήμερα αντικείμενο έρευνας αιχμής τόσο για τις αεροπορικές βιομηχανίες και τους διεθνείς και εθνικούς οργανισμούς ασφάλειας πτήσεων, όσο και για την επιστημονική κοινότητα. Οι μέχρι σήμερα προσπάθειες εστιάζονται κυρίως στην μελέτη της επίδρασης των καταστάσεων πολλαπλής βλάβης και ευρείας έκτασης βλάβης κόπωσης στην δομική ακεραιότητα των γηρασμένων αεροσκαφών. Σε πολλές όμως περιπτώσεις εκτός από καταστάσεις πολλαπλής βλάβης και ευρείας έκτασης βλάβη κόπωσης, παρατηρούνται επίσης εκτεταμένα προβλήματα διάβρωσης παρά την καλή προστασία που γενικά προσφέρουν οι χρησιμοποιούμενες σήμερα μέθοδοι αντιδιαβρωτικής προστασίας. Πρόσφατες έρευνες έδειξαν ότι η προκαλούμενη διάβρωση δεν προκαλεί μόνο μείωση της διατομής των υλικών αλλά και ψαθυροποίηση λόγω υδρογόνου η οποία υποβαθμίζει την δυσθραυστότητα του υλικού και την ικανότητα του να αποταμιεύσει μηχανική ενέργεια πρίν την θραύση. Στην παρούσα διατριβή: - Παρουσιάζονται επιπρόσθετα αποδεικτικά στοιχεία για την ψαθυροποίηση λόγω υδρογόνου που προκαλείται από την διάβρωση στο κράμα αλουμινίου 2024, με βάση πειράματα εφελκυσμού σε διαβρωμένα και αδιάβρωτα δοκίμια του κράματος. Τα αποτελέσματα των δοκιμών εφελκυσμού υποστηρίζονται από εκτενή μεταλλογραφική και στερεοσκοπική μελέτη, ανάλυση των επιφανειών θραύσης καθώς επίσης και από μετρήσεις του εκλυόμενου υδρογόνου. Επιπρόσθετα μελετάται η επίδραση του πάχους των ελασμάτων στην μηχανική συμπεριφορά σε εφελκυσμό των διαβρωμένων δοκιμίων. - Επιβεβαιώνεται η αντιδιαβρωτική προστασία που παρέχει στο κράμα 2024 η επικάλυψη καθαρού αλουμινίου (Alcladding), αλλά επιπλέον, διαπιστώνεται ότι η επικάλυψη προσφέρει επίσης προστασία από την ψαθυροποίηση λόγω υδρογόνου που συνοδεύει την διάβρωση. - Η κύρια συμβολή της εργασίας έγκειται στην παροχή δεδομένων ότι η τοπική επικάλυψη (local Alcladding) της επιφάνειας των δοκιμίων με καθαρό αλουμίνιο σε περιορισμένα ποσοστά της επιφάνειας αυτών, αρκεί για μια αποτελεσματική προστασία τόσο έναντι της βλάβης διάβρωσης όσο και έναντι της προκαλούμενης ψαθυροποίησης λόγω διάχυσης και παγίδευσης υδρογόνου στο εσωτερικό του κράματος. - Τέλος, εισάγεται μεθοδολογία για την εκτίμηση της επίδρασης της διάβρωσης και της εξ’ αυτής προκαλούμενης ψαθυροποίησης του υλικού σε φαινόμενα κόπωσης του κράματος 2024 μέσω της τροποποίησης του “Χάρτη Βλάβης Κόπωσης”, ώστε ο τελευταίος να μπορεί να αξιοποιηθεί για την περίπτωση διαβρωμένων δοκιμίων. / A possible integrity loss represents a not tolerable scenario for aging aircraft structures. To face the mentioned technological and scientific problem essential efforts have been undertaken by the scientific community as well as the aircraft industries and the international and national flight safety organizations. Nowadays research focuses to the study of the effects of widespread fatigue damage (WFD) and multiple site damage (MSD) scenarios on the structural integrity of the aging aircrafts. However, in numerous cases, additionally to WFD and MSD, extensive corrosion problems have been observed. Recent investigations have shown that the corrosion attack does not cause only a reduction of the cross-section of the structural member as well as a possible onset of fatigue cracks, but also a corrosion induced hydrogen embrittlement which reduces the fracture toughness of the material and its ability to store mechanical energy before fracture. In the present thesis: - Evidence is presented for a corrosion-induced hydrogen embrittlement of the alloy 2024 also in the absence of mechanical loads. A parametric study including series of tensile tests carried out on both corroded and uncorroded 2024 aluminum alloy specimens has been performed. The tensile tests results are supported by an extensive metallographic and stereoscopic study, analysis of the fracture surfaces, as well as hydrogen measurements. The effect of the sheet thickness on the tensile behaviour of corroded aluminum alloy 2024 specimens has been investigated, as well. - The corrosion protection offered by the aluminum coating (Alcladding) on the substrate alloy 2024 is confirmed. Additionally, evidence is provided on the protection offered by the aluminum coating against hydrogen embrittlement that accompanies corrosion. - The main contribution of the thesis is the provision of data for the case of local coating on the specimen surface, indicate that aluminum coating in limited percentages on the specimen surface for the alloy 2024 is sufficient for an efficient protection against corrosion damage, as well as against the induced embrittlement stem from the diffusion and trapping of hydrogen in the material interior. - Finally, a methodology is introduced for the estimation of the effect of corrosion and the corrosion-induced hydrogen embrittlement on the fatigue behaviour of the aluminum alloy 2024, through the modification of the Fatigue Damage Map (FDM), in order to utilize it for the case of corroded members.

Με αφορμή τις πολλές εφαρμογές που έχουν οι διεπιφάνειες μετάλλου με κεραμικό υπόστρωμα όπως τη μικροηλεκτρονική και την ετερογενή κατάλυση, τα συστήματα αυτά έχουν μελετηθεί με πρότυπα πειράματα σε συνθήκες υπερυψηλού κενού (UHV). Στην εργασία αυτή μελετήθηκε η αλληλεπίδραση κατά τη θέρμανση σε UHV υπέρλεπτων υμενίων NIκαι NiO με επιφάνειες οξειδίων. Συγκεκριμένα, η μελέτη έγινε σε μοκνοκρυσταλλικές επιφάνειες ζιρκονίας σταθεροποιημένης με ύττρια (YSZ), α-αλούμινας και σε πολυκρυσταλλική επιφάνεια γ-αλούμινας ανεπτυγμένης σε φύλλο αλουμινίου. Έμφαση δόθηκε στην επίδραση που έχει η κατεργασία της επιφάνειας του οξεοιδίου στη συμπεριφορά του Ni και του NiO κατά τη θέρμανση. Τα πειράματα έγιναν σε σύστημα UHV με επιφανειακά ευαίσθητες τεχνικές φασματοσκοπίας φωτοηλεκτρονίων και ηλεκτρονίων Auger από ακτίνες-Χ(XPS/XAES). Βρέθηκε ότι το Ni σε YSZ οξειδώνεται κατά τη θέρμανση από ευκίνητα ιόντα οξυγόνου της YSZ και ο ρυθμός οξείδωσης εξαρτάται σημαντικά από την κατάσταση της επιφάνειας. Η κατάσταση της επιφάνειας επηρεάζει την θερμική σταθερότητα του NiO αφού η ελάττωση του οξυγόνου στο εσωτερικό της YSZ οδηγεί σε σημαντική μείωση της θερμοκρασίας διάσπασης του NiO. Σε επιφάνεια α-Al2O3 η κατεργασία έχει σαν αποτέλεσμα το Ni είτε να συσσωματώνεται είτε να οξειδώνεται ενώ η θερμική σταθερότητα του NiO επίσης εξαρτάται από την παρουσία επιφανειακών ατελειών που δημιουργούνται με την κατεργασία. Επίσης, βρέθηκε ότι το πάχος του υμενίου γ-Al2O3 είναι καθοριστικό για την οξείδωση του αποτιθέμενου Ni από τα επιφανειακά υδροξύλια της γ-Al2O3 και το σχηματισμό επιφανειακής ένωσης NiAlx μέσω διάχυσης του Ni προς το φύλλο Al από μικροοπές του υμενίου. / Metal-ceramic systems have many technological applications in composite materials, microelectronics and heterogeneous catalysis. The interaction of Ni and NiO ultrathin films with different oxide surfaces yttria stabilized zirconia (9% mol Y2O3, YSZ)and α-alumina monocrystalline and polycrystalline γ-alumina films developed on Al foil upon heating in ultrahigh vacuum (UHV) was examined. Upon heating the Ni/YSZ system at 480-850K, nickel was oxidized via the substrate oxygen ions excess and the rate of oxidation depended strongly on the state of the surface. Reduction of oxygen excess leads to a decrease of the NiO decomposition temperature, which is higher than 900 K in UHV. The oxidation capability of the YSZ is restored after heating in oxygen atmosphere. The Ni/α-Al2O3 interaction depended on the chemical state of the surface, on the presence of C, -OH and non-lattice oxygen (surface defects).Interaction between deposited nickel and surface defects leads to Ni coalescence, partial oxidation and NiAlxOy chemical compound formation. The surface defects affects the thermal stability of NiO, which decomposes to Ni at lower temperature than 900K. On clean α-Al2O3 surfaces the NiO is stable up to 900K. Upon heating to 600K Ni deposits on γ-Al2O3/Al surfaces, the reduction of the alumina film thickness leads on the one hand to a decrease of the tendency of surface -OH groups to oxidize nickel and on the other hand to an increased formation of a NiAlx due to Ni diffusion on the Al substrate through the microholes in the alumina film. Upon heating up to 790K, the initially formed NiO decomposes to metallic Ni, whereas the Ni of the NiAlx compound diffuses inside the metallic Al.