Το οπλισμένο σκυρόδεμα αποτελεί στις μέρες μας το πιο διαδεδομένο υλικό για την κατασκευή του φέροντος οργανισμού κτιριακών κατασκευών. Παρά την εξαιρετική επίδοση του οπλισμένου σκυροδέματος ως φέροντος υλικού, διαπιστώθηκε ότι στη διάρκεια ζωής των κατασκευών από οπλισμένο σκυρόδεμα, η οποία συχνά ξεπερνά τα 100 χρόνια, παρατηρείται μια βαθμιαία συσσώρευση βλάβης, ένας από τους κύριους παράγοντες της οποίας εντοπίζεται στη διάβρωση του σιδηροπλισμού. Tα τελευταία χρόνια το πρόβλημα της υποβάθμισης της φέρουσας ικανότητας του οπλισμού σκυροδέματος λόγω βλάβης διάβρωσης έχει προσελκύσει το ενδιαφέρον αρκετών ερευνητών παγκοσμίως. Όμως, μέχρι σήμερα ούτε η τεχνολογική σημασία της υποβάθμισης αυτής μπορεί να εκτιμηθεί ικανοποιητικά, κυρίως λόγω της έλλειψης σχετικών συστηματικών μελετών αλλά και επαρκών πειραματικών δεδομένων, ούτε οι φυσικοί μηχανισμοί που συμβάλλουν στην παρατηρούμενη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων έχουν γίνει πλήρως κατανοητοί. Κατά την εκπόνηση της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε μια συστηματική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς χαλύβων οπλισμού σκυροδέματος διαβρωμένων τόσο στο φυσικό τους περιβάλλον εντός του σκυροδέματος όσο και σε συνθήκες εργαστηριακής επιταχυμένης διάβρωσης. Με βάση τη σύγκριση της απώλειας μάζας σε συνάρτηση με το χρόνο έκθεσης στο διαβρωτικό μέσο που καταμετρήθηκε στο εργαστήριο, με την απώλεια μάζας δειγμάτων υλικού τα οποία είχαν διαβρωθεί φυσικά σε κατασκευές, κατέστη δυνατή η εξαγωγή ενός εμπειρικού συντελεστή επιτάχυνσης της βλάβης διάβρωσης όταν το υλικό διαβρώνεται με τη μέθοδο της αλατονέφωσης σε σχέση με τη βλάβη φυσικής διάβρωσης. Κατά την παρούσα εργασία εξετάστηκαν οι χάλυβες S400 και S500s, οι οποίοι χρησιμοποιήθηκαν ευρύτατα για κατασκευές του φέροντος οργανισμού κτιρίων στην Ελλάδα κατά το πρόσφατο παρελθόν, καθώς και ο χάλυβας B500c ο οποίος από τα τέλη του 2006 χρησιμοποιείται στην Ελλάδα σχεδόν αποκλειστικά. Για την εξασφάλιση μια επαρκούς πειραματικής βάσης, πραγματοποιήθηκαν περισσότερες από 500 δοκιμές εφελκυσμού σε διαβρωμένα και μη διαβρωμένα δοκίμια. Οι μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού έδειξαν ότι οι ιδιότητες αντοχής του διαβρωμένου υλικού παρουσιάζουν μικρή μόνο υποβάθμιση. Παρά ταύτα, η μείωση της διατομής των ράβδων του σιδηροπλισμού λόγω βλάβης διάβρωσης οδηγεί σε αύξηση των εφαρμοζόμενων τάσεων, αφού το βάρος των δομικών στοιχείων των κατασκευών προφανώς δεν μεταβάλλεται. Αυτό έχει ως συνέπεια τη σημαντική μείωση των συντελεστών ασφαλείας. Αντίθετα με τις ιδιότητες αντοχής, παρατηρήθηκε μια σημαντική μείωση στην παραμόρφωση θραύσης του διαβρωμένου υλικού. Η παραμόρφωση θραύσης και η ειδική ενέργεια παραμόρφωσης είναι κρίσιμες τεχνολογικές ιδιότητες σε συνθήκες σεισμού. Για την κατανόηση των φυσικών μηχανισμών που συμβάλλουν στην παρατηρούμενη υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων, διεξήχθη εκτενής μεταλλογραφική μελέτη καθώς και μελέτη των επιφανειών θραύσης του διαβρωμένου υλικού. Παρατηρήθηκε ότι η διάβρωση είναι ομοιόμορφη, ενώ κατά το μήκος των δοκιμίων εντοπίστηκαν περιοχές με εντονότερη και άλλες με λιγότερο έντονη διάβρωση. Επιπλέον, η ανάλυση των επιφανειών θραύσης έδειξε πλήρως όλκιμη συμπεριφορά θραύσης των δοκιμίων ακόμη και στο έντονα διαβρωμένο υλικό. Επομένως, μπορεί να εξαχθεί το συμπέρασμα ότι η υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων εφελκυσμού του χάλυβα οπλισμού οφείλεται κυρίως στην ανομοιομορφία που παρουσιάζει η διατομή του σιδηροπλισμού κατά μήκος των ράβδων του υλικού λόγω της βλάβης διάβρωσης, με συνέπεια αφενός την τοπική συγκέντρωση τάσεων και αφετέρου την καταπίεση της ομοιόμορφης παραμόρφωσης κατά τον εφελκυσμό του υλικού. Τέλος, στην εργασία αυτή παρουσιάζεται μια μέθοδος με την οποία προσομοιώνεται η βλάβη λόγω διάβρωσης με μια τεχνητή εγκοπή. Η μέθοδος αυτή στηρίζεται στις παραδοχές ότι η ολκιμότητα του υλικού παραμένει αμετάβλητη λόγω της διάβρωσης και η παρατηρούμενη μείωση στην παραμόρφωση θραύσης οφείλεται στην καταπίεση της ομοιόμορφης παραμόρφωσης λόγω των εγκοπών που προκαλεί η διάβρωση στο υλικό οι οποίες διευκολύνουν τη δημιουργία του λαιμού. Επίσης γίνεται η παραδοχή ότι η παρατηρούμενη μείωση των ιδιοτήτων αντοχής οφείλεται στη συγκέντρωση τάσεων που προκαλούν οι εγκοπές αυτές. Δοκιμές εφελκυσμού σε δοκίμια με εγκοπές γνωστής γεωμετρίας έδειξαν ότι η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί με ικανοποιητική ακρίβεια για τον υπολογισμό των ιδιοτήτων εφελκυσμού του υλικού χωρίς την ανάγκη πραγματοποίησης μηχανικών δοκιμών. / Reinforced concrete is currently the most common material used for the construction of the load bearing elements of structures. Although this composite material performs exceptionally well, it has been noted that during the life span of reinforced concrete structures, which often exceeds 100 years, a gradual damage accumulation takes place. One of the most influential factors of this damage has been attributed to the corrosion of steel reinforcement. Recently, the degradation of the load bearing ability of steel reinforcement has been an issue under research by several researchers worldwide. Yet to date, the technological importance of this degradation caused by corrosion damage cannot be assessed to a satisfactory degree, mainly due to the lack of relevant experimental studies. Similarly, the physical mechanisms which contribute to the degradation have not been totally resolved. In the framework of the current PhD thesis, a systematic study of the mechanical behaviour of concrete reinforcing steel bars, corroded both in their natural environment (embedded in concrete) and by means of laboratory accelerated corrosion, was performed. By comparing the mass loss as a function of time recorded during the laboratory corrosion tests with the respective mass loss recorded from naturally corroded samples, an empirical acceleration factor was derived for laboratory corrosion damage compared to natural corrosion damage. Reinforcing steel grades S400* and S500s*, which have been used in the recent past for the reinforcement of concrete structures in Greece, as well as steel grade B500c**, which from the end of 2006 is used almost exclusively, were tested. To obtain a sufficient experimental database more than 500 tensile tests on corroded and non-corroded samples were performed. The tensile tests performed have shown only a slight degradation of the strength properties of the corroded steel bars. However, the reduction of the cross sectional area of the corroded bars lead to an increase of the applied stress, as the loads applied to which steel bars in structures are constant over time. This leads to a significant reduction of the safety factors applied during design. On the contrary, a significant reduction of the material’s ductility properties was recorded. Elongation to failure and strain energy density are crucial properties in the case of alternating loading during earthquakes. In order to understand the physical mechanisms which contribute to the recorded degradation of the mechanical properties, an extensive metallographic investigation as well as an investigation of the fracture surfaces of corroded material was performed. From this investigation it was concluded that corrosion damage is uniform without pitting, while along the bars’ length areas more severe corrosion damage was noted. Furthermore, the investigation of the fracture surfaces showed ductile fracture characteristics even of the most severely corroded specimens. It can therefore be concluded that the degradation of the tensile properties of corroded material is caused mainly by the non-uniformity of the corrosion damage and therefore of the cross sectional area along the longitudinal axis of the bars. This leads to a local stress concentration as well as to the depression of the uniform elongation during the tensile testing of the material. Finally, in the current PhD thesis a method by which corrosion damage can be simulated by a fictitious notch is suggested. This method is based on the assumptions that the ductility of the material remains unaffected by corrosion and the recorded reduction of the ductility properties is attributed to the depression of the uniform elongation caused by notches which are formed on the bars due to corrosion exposure and facilitate necking. In addition, the recorded reduction of the strength properties is attributed to the stress concentration caused by these notches. Tensile tests performed on specimens with artificial notches of known geometry have shown that the suggested method can be used to assess to a satisfactory degree the tensile properties of steel reinforcing bars without the need to perform tensile tests. * Names according to the Hellenic regulations. These steel grades are similar to the StIIIs and StIVs steel grades of the DIN regulations respectively. ** Name according to the Hellenic regulations. It is similar to StIV steel grade but with higher ductility requirements compared to S500s.

Ο σκοπός της παρούσης διδακτορικής διατριβής ήταν η θεωρητική και πειραματική μελέτη της επίδρασης της αναπτυσσόμενης βλάβης που προέρχεται από διαφορετικές αιτίες στην μηχανική συμπεριφορά συνθέτων υλικών. Οι πηγές βλάβης που μελετήθηκαν ήταν: 1.Υγροθερμική Κόπωση 2. Θερμική Κόπωση 3. Ύπαρξη κεντρικής κυκλικής οπής διαφορετικών διαμέτρων ή εγκοπής διαφορετικών μηκών 4. Διαφορετικοί ρυθμοί παραμόρφωσης 5. Ερπυσμός και επανάταξη, και 6. Συνδυασμός των παραπάνω, όπως: ερπυσμός μετά από υγροθερμική ή θερμική κόπωση, ερπυσμό σε διαφορετικές θερμοκρασίες και χρονικές διάρκειες. Τα σύνθετα υλικά που μελετήθηκαν ήταν κοκκώδη, ινώδη και τύπου σάντουιτς σύνθετα υλικά. Για την καλύτερη μελέτη της μηχανικής και βισκοελαστικής συμπεριφοράς των συνθέτων υλικών, εφαρμόστηκε ένας σημαντικός αριθμός θεωρητικών μοντέλων, όπως είναι: 1. Το μοντέλο των τεσσάρων παραμέτρων. 2. Το μοντέλο των τριών παραμέτρων. 3. Το μοντέλο εναπομένουσων ιδιοτήτων, RPM. 4. Το θεωρητικό μοντέλο ανάλυσης των διεπιφανειακών ιδιοτήτων σε σάντουιτς υλικά. 5. Το μοντέλο πρόβλεψης βισκοελαστικής συμπεριφοράς στη μη γραμμική περιοχή. Τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την παραπάνω μελέτη ήταν ιδιαίτερα ενδιαφέροντα. / The aim of the present investigation is to study not only experimentally but also theoretically the effect of damage due to different damage sources, which analytically are: a) hygrothermal fatigue, b) thermal fatigue, c) the existence of central hole (with different diameters) or notch (with different lengths), d) creep and relaxation, e) different stain rates and f) combination of the previous such as creep after hygrothermal or thermal fatigue and creep on different temperatures and time, on the mechanical and viscoelastic behavior of composites materials (reinforced with fibers and grains ), sandwich structures and different types of resin. For the better observation of the mechanical and viscoelastic behavior of composites materials, it was applied several theoretical models, which are: a) The four parameter model, b) the three parameter model, c) the RPM model (Residual Property Model) for the prediction of the residual mechanical properties of materials after damage from different sources, d) the theoretical model for the analysis of interfacial properties of sandwich structures and e) the viscoelastic model for the determination of the non elastic properties of composites material in function of the applied stress. From the present investigation useful conclusions were conducted for the determination of the mechanical behavior of composites materials (reinforced with fibres and grains or sandwich structures). In addition, the experimental results of this study were in great deal with those results of the application of the already mentioned theoretical models.

Η παρουσία της βλάβης διάβρωσης στις αεροπορικές δομές, έχει αποδειχθεί ότι συμβάλλει σημαντικά στην υποβάθμιση της δομικής τους ακεραιότητας. Ταυτόχρονα, οι χρονοβόρες και αυξημένου κόστους διεργασίες και έλεγχοι που πραγματοποιούνται για την αποφυγή ή την επιδιόρθωση της διάβρωσης δεν είναι πάντα αποδοτικές. Στην τρέχουσα βιομηχανική πρακτική, σε περιπτώσεις στατικής φόρτισης, η βλάβη διάβρωσης αντιμετωπίζεται θεωρώντας ότι έχει επέλθει μείωση της φέρουσας διατομής ίση με το βάθος της διαβρωτικής προσβολής και ακολουθεί εκ νέου υπολογισμός των τάσεων. Στις δυναμικές φορτίσεις, τα τρήμματα θεωρούνται ως πιθανά σημεία έναρξης των ρωγμών κόπωσης. Όμως, παρά την αναγνώριση της διάβρωσης ως έναν από τους μηχανισμούς που επιδρούν αρνητικά στη δομική ακεραιότητα μιας αεροπορικής δομής, ούτε και στον σχεδιασμό των αεροπορικών κατασκευών με ανοχή στη βλάβη, ο οποίος είναι ο σύγχρονος τρόπος σχεδιασμού και βασίζεται στις αρχές της θραυστομηχανικής, η βλάβη διάβρωσης λαμβάνεται υπόψη. Ως αποτέλεσμα, η επίδραση της διάβρωσης στη δομική ακεραιότητα των υλικών κάποιες φορές υποεκτιμάται. Σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι να συμβάλλει στην ανάπτυξη ικανοτήτων για την εκτίμηση της υποβάθμισης των μηχανικών ιδιοτήτων του διαβρωμένου υλικού με δεδομένα τα μεταλλογραφικά χαρακτηριστικά της βλάβης διάβρωσης. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύσσεται μια μεθοδολογία η οποία επιτρέπει την υπολογιστική προσομοίωση της συμπεριφοράς εφελκυσμού του διαβρωμένου υλικού με δεδομένα τα μεταλλογραφικά χαρακτηριστικά της βλάβης διάβρωσης. Η εργασία περιλαμβάνει ένα πειραματικό και ένα υπολογιστικό σκέλος. Το πειραματικό σκέλος περιλαμβάνει την εκτενή μεταλλογραφική μελέτη της βλάβης διάβρωσης, τη διεξαγωγή μηχανικών δοκιμών εφελκυσμού και τη μελέτη των επιφανειών θραύσης για την αναγνώριση των φυσικών μηχανισμών της βλάβης σε δοκίμια προ-διαβρωμένα για διαφορετικούς χρόνους έκθεσης στο διαβρωτικό περιβάλλον. Τα κύρια αποτελέσματα της πειραματικής διαδικασίας συνοψίζονται ως εξής: Η βλάβη διάβρωσης συσσωρεύεται βαθμιαία και εξελίσσεται, σε συνάρτηση με τον χρόνο έκθεσης, από τρημματική σε διάβρωση αποφλοίωσης. Οι μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού στο διαβρωμένο υλικό έδειξαν μια μέτρια υποβάθμιση των ιδιοτήτων αντοχής, αλλά ταυτόχρονα μια σημαντική πτώση των ιδιοτήτων ολκιμότητας. Η μελέτη των επιφανειών θραύσης ανέδειξε την ύπαρξη ψαθυροποιημένων περιοχών κάτω από το στρώμα διάβρωσης. Η ύπαρξη τέτοιων ψαθυροποιημένων ζωνών έχει αποδοθεί από προηγούμενες εργασίες στην προσρόφηση υδρογόνου που παράγεται κατά την διαδικασία της διάβρωσης. Το υπολογιστικό σκέλος περιλαμβάνει την ανάπτυξη μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων σε μίκρο και μάκρο-κλίμακα. Για την προσομοίωση της συμπεριφοράς εφελκυσμού του διαβρωμένου υλικού σε μίκρο-κλίμακα αναπτύχθηκε μια Αντιπροσωπευτική Μοναδιαία Κυψελίδα (Representative Unit Cell) που περιλαμβάνει τρήμματα αντιπροσωπευτικά του χρόνου έκθεσης σε διαβρωτικό περιβάλλον. Η τοπικά υποβαθμισμένη συμπεριφορά εφελκυσμού του υλικού, λόγω της ύπαρξης των τρημμάτων, προσδιορίζεται από τις αντιπροσωπευτικές μοναδιαίες κυψελίδες και εισάγεται τοπικά σε ένα μοντέλο μάκρο-κλίμακας. Το μοντέλο λαμβάνει υπόψη την διαφορετική ένταση της βλάβης διάβρωσης στις διάφορες περιοχές του δοκιμίου. Τα αποτελέσματα του μοντέλου έδειξαν ικανοποιητική σύγκλιση με τις μηχανικές δοκιμές σε ότι αφορά στις ιδιότητες αντοχής. Αντίθετα, έδειξαν υποτίμηση της πειραματικά παρατηρούμενης μείωσης των ιδιοτήτων ολκιμότητας. Η υποτίμηση αυτή οφείλεται στο γεγονός ότι το μοντέλο, κα' αρχήν, δεν λαμβάνει υπόψη τους φυσικούς μηχανισμούς της ψαθυροποίησης του υλικού λόγω διάβρωσης. Η μεθοδολογία που αναπτύχθηκε αποτελεί βήμα για τη σύνδεση της βλάβης διάβρωσης με τις απομένουσες μηχανικές ιδιότητες του υλικού και, επομένως, την ασφαλέστερη εκτίμηση της απομένουσας αντοχής διαβρωμένων αεροπορικών δομών. / Corrosion damage accumulation represents a major threat for the structural integrity of metallic aircraft structures and moreover has a strong effect on the load bearing capacity of aging aircraft structures. Corrosion damage is evaluated by means of metallographic features such as pitting density, depth and shape of pits, onset of exfoliation, etc. For the case of static loading, corrosion damage is usually accounted through reducing the metal thickness by the depth of corrosion attack and then calculating the corresponding stress increase. For the case of fatigue, corrosion pits are considered as possible onsets for fatigue cracks. The aim of the present PhD thesis is to contribute to establish a link between the metallographic features of corrosion damage and the degradation of the mechanical properties of a corroded material. Towards this objective, a methodology is developed which allows the numerical simulation of the tensile behavior of the corroded material based on the metallographic features of the corrosion damage. The present work is divided in two parts: a) the experimental investigation and b) the numerical analysis. The experimental part includes an extensive metallographic investigation of the occurring corrosion damage. Moreover, tensile tests were performed on the pre-corroded material which was exposed to the corrosive solution for several exposure periods. Finally, an examination of the fracture surfaces for the identification of the physical mechanisms of the damage has also been conducted. The main conclusion extracted from the metallographic procedure is that corrosion damage evolves from pitting to exfoliation progressively. The tensile tests performed on the pre corroded material revealed a moderate reduction concerning the tensile strength but a significant degradation of the tensile ductility even after short exposure periods. The examination of the fracture surfaces revealed the presence of quasi-cleavage zones beneath the depth of corrosion attack. The formation of these zones has been attributed by previous investigations to hydrogen diffusion and trapping into the corroded material during the corrosion process. The simulation procedure involves the development of a multi scale finite element model. The corrosion damage has been accounted for by introducing 3D Representative Unit Cells (RUCs) developed in the micro scale, with geometrical characteristics obtained by the metallographic analysis data of the corroded material. The degradation of the Representative Unit Cell’s mechanical properties due to the presence of the damage has been recorded. A 3D Finite Element model of a tensile specimen has been developed. This model has been used to simulate the tensile behavior of the corroded material, by including elements with degraded properties extracted from the RUC analysis. For the different exposure times RUCs with different geometrical characteristics were used so as to account for the evolving corrosion damage. The simulation results correlate well with the respective tensile behavior of the alloy obtained by the mechanical tests. As far as tensile ductility is concerned a significant deviation was observed, due to the fact that the finite element model does not account for the embrittlement of the material due to hydrogen absorption. The developed methodology represents a step towards the establishment of a link between the metallographic features of the corrosion damage and the residual mechanical properties of the material, and thus the more reliable estimation of the residual strength of the corroded aircraft structures.

Διαχρονικά, ένας από τους βασικότερους στόχους της αεροπορικής βιομηχανίας είναι η μείωση του βάρους των αεροχημάτων προκειμένου να επιτευχθεί αύξηση του οφέλιμου φορτίου και παράλληλα μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων μέσω της μείωσης εκπομπής ρύπων. Στο πλαίσιο αυτό, η αξιοποίηση ελαφρύτερων μεταλλικών υλικών, όπως είναι για παράδειγμα τα κράματα μαγνησίου, μπορεί να αποτελέσει σημαντική τεχνολογική καινοτομία. Παρολ’ αυτά, μέχρι σήμερα η χρήση των κραμάτων μαγνησίου, και ειδικότερα των ελατών προιόντων, είναι εξαιρετικά περιορισμένη κυρίως λόγω της υψηλής διαβρωτικότητάς τους και δευτερευόντως λόγω της υποδεέστερης συμπεριφοράς ανοχής σε βλάβη σε σύγκριση με τα ευρέως χρησιμοποιούμενα κράματα αλουμινίου και τιτανίου. Στην παρούσα εργασία πραγματοποιείται μια συστηματική μελέτη της μηχανικής συμπεριφοράς δύο προηγμένων ελατών κραμάτων μαγνησίου της οικογένειας ΑΖ, συγκεκριμένα του ΑΖ31 και του ΑΖ61, λαμβάνοντας υπόψη τους μηχανισμούς παραμόρφωσης, συσσώρευσης βλάβης και αστοχίας που λαμβάνουν χώρα στη μικροδομή των υλικών. Ιδιαίτερη βαρύτητα δίνεται στη συμπεριφορά κόπωσης του κράματος ΑΖ31. Επιπλέον, μελετάται η επίδραση της προηγηθείσας βλάβης διάβρωσης στη μηχανική συμπεριφορά των υλικών. Για την αξιολόγηση της μηχανικής επίδοσης των εν λόγω κραμάτων πραγματοποιήθηκε εκτενής πειραματική μελέτη η οποία περιελάμβανε το χαρακτηρισμό της μικροδομής των υλικών, μηχανικές δοκιμές εφελκυσμού, κόπωσης και διάδοσης ρωγμής κόπωσης τόσο σε αδιάβρωτα όσο και σε προ-διαβρωμένα δοκίμια και ακολούθησε μεταλλογραφική ανάλυση και μελέτη των επιφανειών θραύσης των αντίστοιχων δοκιμίων των πειραματικών δοκιμών. Τα αποτελέσματα των δοκιμών εφελκυσμού έδειξαν ανισοτροπία των υλικών στις διευθύνσεις έλασης και κάθετα σε αυτήν. Από τη μεταλλογραφική ανάλυση που επακολούθησε προέκυψε ότι η παρατηρούμενη ανισοτροπία έχει αφετηρία τη γωνιακή διασπορά των πόλων των επιπέδων βάσης του κρυσταλλικού πλέγματος του υλικού. Επιπλέον, από το μεταλλογραφικό έλεγχο παρατηρήθηκε εμφανής διακύμανση της πυκνότητας των διδυμιών κατά μήκος των δοκιμίων εφελκυσμού και διαπιστώθηκε ο καθοριστικός ρόλος των διδυμιών στην πλαστική διαρροή στη διεύθυνση της έλασης. Ως προς τη συμπεριφορά κόπωσης, παρατηρήθηκε ότι οι καμπύλες S-N παρουσιάζουν μια πολύ ήπια μετάβαση από την περιοχή της ολιγοκυκλικής στην πολυκυκλική κόπωση, δηλαδή ότι η διάρκεια ζωής σε κόπωση εξαρτάται ισχυρά από μικρές μεταβολές της τάσης. Οι ρωγμές κόπωσης στο κράμα ΑΖ31 εκκινούν πρόωρα σε σημεία ασυμβατότητας πλαστικής παραμόρφωσης (π.χ. όρια των κόκκων) λόγω της αδυναμίας ενεργοποίησης των απαραίτητων 5 συστημάτων ολίσθησης που απαιτεί το κριτήριο του von Mises. Ως εκ τούτου το υλικό οδηγείται σε ψαθυρούς μηχανισμούς εκκίνησης και διάδοσης των ρωγμών κόπωσης. Για την καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού κόπωσης του κράματος ΑΖ31 πραγματοποιήθηκαν δοκιμές νανο-διεισδύσεων σε διαφορετικά ποσοστά της διάρκειας ζωής προκειμένου να γίνει αντιληπτός ο μηχανισμός συσσώρευσης βλάβης στο αρχικό στάδιο της συνολικής διαδικασίας. Τα αποτελέσματα των εν λόγω δοκιμών έδειξαν ότι η επιφανειακή σκληρότητα του υλικού δεν παρουσιάζει ουσιαστική μεταβολή με τους κύκλους καταπόνησης μέχρι την εμφάνιση της ρωγμής. Τα στοιχεία αυτά αποτελούν μια ισχυρή ένδειξη ότι το υλικό αδυνατεί να συσσωρεύσει βλάβη υπό τη μορφή κυκλικής πλαστικότητας, με αποτέλεσμα την πρόωρη εκκίνηση των ρωγμών κόπωσης. Οι μηχανικές δοκιμές σε προ-διαβρωμένο υλικό έδειξαν, όπως ήταν αναμενόμενο, μια σημαντική υποβάθμιση της συνολικής μηχανικής συμπεριφοράς των υλικών. Η υποβάθμιση αυτή αποδίδεται στην προοδευτική ανάπτυξη των τριμμάτων διάβρωσης κάτω από εφελκυστικά φορτία. Τα τρίμματα διάβρωσης δρούν ως εγκοπές, αυξάνοντας τοπικά την τάση και παράλληλα μειώνοντας τη φέρουσα διατομή των δοκιμίων, με αποτέλεσμα το υλικό να αστοχεί χωρίς να προλάβει να δεχθεί σημαντικές πλαστικές παραμορφώσεις. Στην περίπτωση της κυκλικής φόρτισης η παρουσία των εγκοπών διάβρωσης έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία συγκέντρωσης τάσεων στα άκρα τους, διευκολύνοντας έτσι την εκκίνηση και διάδοση των ρωγμών κόπωσης. Συμπερασματικά, η παρούσα εργασία παρέχει σαφείς ενδείξεις ότι το κύριο μειονέκτημα των κραμάτων μαγνησίου για χρήση σε αεροπορικές δομές είναι η συμπεριφορά κόπωσης, η οποία αποδίδεται στην κρυσταλλική δομή του μαγνησίου, και δευτερεύον μειονέκτημα είναι η υψηλή διαβρωτικότητα αυτών των υλικών η οποία οδηγεί σε σημαντική υποβάθμιση της μηχανικής συμπεριφοράς. / Permanent objective of the aeronautical industry is the weight reduction of airframe, systems and interior components in order to increase operational capacity and reduce environmental impact via reduction of fuel consumption. In this frame, the utilization of low weight materials, like magnesium alloys, could represent a break through solution. Yet, the aeronautical application of magnesium alloys remains very limited due to the high corrosion susceptibility and the poor damage tolerance behaviour as compared to other structural alloys like aluminum and titanium. In the present work, a systematic investigation of the mechanical behaviour of two advanced rolled AZ magnesium alloys, namely AZ31 and AZ61, was conducted by taking into account the deformation mechanisms, damage accumulation mechanisms and failure mechanisms taking place in the microstructure of the materials. The present work mainly focuses on the fatigue behaviour of AZ31 alloy. Furthermore, the effect of prior corrosion damage on the mechanical behaviour has also been assessed. To accomplish the above objective a thorough experimental investigation was performed including microstructural characterization, tensile tests, constant amplitude fatigue tests and constant amplitude fatigue crack growth tests on both parent and pre-corroded specimens. The experimental results were supported by extensive metallographic and fractographic investigation. The tensile tests performed revealed anisotropy of the yield strength of the materials between rolling and transverse direction. The metallographic analysis has shown that the observed anisotropy is attributed to the near basal texture of the alloys and the angular spread of basal poles towards the rolling direction. Furthermore, the metallographic investigation indicates a clear variation in twinning density across the specimen length and the decisive role of twins in plastic deformation has been pointed out. Concerning the fatigue behaviour, it was observed that the S-N curves exhibit a very smooth transition from low to high cycle fatigue regime, indicating very high stress sensitivity on the fatigue life of the materials. Fatigue cracks in AZ31 alloy initiate in an early stage between strain incompatibility points (e.g. grain boundaries) due to difficulties in satisfying the von Mises criterion. As a result, the initiation and propagation mechanisms of the fatigue cracks are characterized as cleavage. In order to understand the fatigue mechanism of magnesium alloy AZ31 in the early stages of fatigue damage accumulation process, nano-indentation measurements at different percentages of the fatigue life of the AZ31 alloy have been performed and hardness alteration was obtained. The obtained results have shown that nano-hardness remains unchangeable with fatigue cycles until crack initiation. This has been interpreted as a lack of the material’s ability to accumulate damage in terms of cyclic plasticity at the early stages resulting in very early crack initiation. This is a major disadvantage for application where fatigue life is of primary importance. The mechanical tests on pre-corroded specimens have shown a significant degradation of the overall mechanical behaviour of the materials. Tensile properties degradation due to prior corrosion damage is attributed to the progressive notch effect of the developed pits, which increase locally the applied stress and in parallel reduce the ability of the material to accumulate large amounts of plastic deformation. In the case of cyclic loading the presence of corrosion pits results in the development of stress concentration, facilitating essentially the initiation and propagation of fatigue cracks. Concluding, the present work provides evidence that the major disadvantage of magnesium alloys for use in aeronautical structures is their fatigue behaviour, which is attributed to the hexagonal structure of magnesium, and secondarily the high corrosion susceptibility of magnesium which leads to significant degradation of the mechanical performance of the alloys.

Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε ένα τρισδιάστατο παραµετρικό µοντέλο Προοδευτικής Βλάβης (ΠΒ) για την προσοµοίωση της µηχανικής συµπεριφοράς των σύνθετων υλικών σε εφελκυσµό και κόπωση. Το µοντέλο αναπτύχθηκε µε τέτοιο τρόπο, ώστε να µπορεί να εφαρµοστεί µε µικρές τροποποιήσεις σε οποιοδήποτε κατασκευαστικό στοιχείο από σύνθετα υλικά. Αποτελείται από τις συνιστώσες της τρισδιάστατης ανάλυσης τάσεων, η οποία πραγµατοποιείται µε την µέθοδο των πεπερασµένων στοιχείων, της ανάλυσης αστοχίας, η οποία πραγµατοποιείται µε πολυωνυµικά κριτήρια αστοχίας και της υποβάθµισης των ιδιοτήτων του σύνθετου υλικού, η οποία πραγµατοποιείται µε χρήση κανόνων υποβάθµισης. Οι συνιστώσες αυτές, λειτουργούν µε βάση έναν επαναληπτικό αλγόριθµο, ο οποίος σταµατά όταν επαληθευτεί ένα προκαθορισµένο κριτήριο τελικής αστοχίας. Στο σηµείο αυτό, καθορίζεται η αποµένουσα αντοχή του κατασκευαστικού στοιχείου. Όλες οι συνιστώσες του µοντέλου προγραµµατίστηκαν στον κώδικα πεπερασµένων στοιχείων ANSYS, δηµιουργώντας µια εύχρηστη µακρο-ρουτίνα. Το µοντέλο ΠΒ έχει την δυνατότητα να εκτιµά την έναρξη και διάδοση βλάβης συναρτήσει του φορτίου, την δυσκαµψία και την αποµένουσα αντοχή του κατασκευαστικού στοιχείου στο οποίο εφαρµόζεται. Εφαρµογή του µοντέλου ΠΒ έγινε στο πρόβληµα των µηχανικών συνδέσεων πολύστρωτων πλακών υπό εφελκυστικά φορτία, το οποίο δεν έχει αντιµετωπιστεί επιτυχώς θεωρητικά µέχρι σήµερα, κυρίως λόγω της αδυναµίας υπολογισµού του τρισδιάστατου πολύπλοκου τασικού πεδίου, που αναπτύσσεται γύρω από τον ήλο και των πολύπλοκων µηχανισµών αστοχίας που αναπτύσσονται στο σύνθετο υλικό. Η µηχανική σύνδεση που µοντελοποιήθηκε, αποτελούνταν από µια πολύστρωτη πλάκα, µια πλάκα από αλουµίνιο και έναν ήλο µε προεξέχον κεφάλι. Για τον υπολογισµό των τάσεων αναπτύχθηκε ένα τρισδιάστατο µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων της σύνδεσης στον 102 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: Περίληψη-Συµπεράσµατα • • • κώδικα ANSYS. Ιδιαίτερη έµφαση δόθηκε στην λεπτοµερή µοντελοποίηση της περιοχής γύρω από τον ήλο. Όλες οι πιθανές επαφές µεταξύ των µελών της σύνδεσης µοντελοποιήθηκαν. Η σύσφιξη της σύνδεσης προσοµοιώθηκε ως ένα αρχικό-ξεχωριστό βήµα φόρτισης. Το µοντέλο πεπερασµένων στοιχείων επαληθεύτηκε εκτενώς, µέσω συγκρίσεων διαφορετικών τασικών κατανοµών µε αντίστοιχες αριθµητικές και αναλυτικές λύσεις. Η εφαρµογή του µοντέλου ΠΒ στην µηχανική σύνδεση, αποτελεί συγχρόνως και έλεγχο των δυνατοτήτων του. Τα αποτελέσµατα της εφαρµογής είναι: η εκτίµηση της έναρξης και διάδοσης βλάβης στην πολύστρωτη πλάκα συναρτήσει του φορτίου, ο µακροσκοπικός µηχανισµός αστοχίας, η δυσκαµψία και η αποµένουσα αντοχή της σύνδεσης. Για την εκτίµηση της επίδρασης της γεωµετρίας της σύνδεσης στην διάδοση βλάβης και στον µακροσκοπικό µηχανισµό αστοχίας της σύνδεσης, πραγµατοποιήθηκε µια παραµετρική ανάλυση, στην οποία µεταβάλλονταν οι γεωµετρικοί λόγοι e/d και w/d που καθορίζουν την θέση του ήλου. Παρατηρήθηκε ότι: στους µικρούς λόγους w/d (ο ήλος είναι κοντά στο πλαϊνό άκρο της πλάκας) ο µακροσκοπικός µηχανισµός αστοχίας ήταν ‘εφελκυσµός’, ενώ στους µεγάλους ‘εισχώρηση’, στους µικρούς λόγους e/d (ο ήλος είναι κοντά στο κάτω άκρο της πλάκας) ο µηχανισµός ήταν ‘διάτµηση’ και για µεγάλους ‘εισχώρηση’, ενώ σε δύο γεωµετρίες, παρατηρήθηκαν µικτές αστοχίες (‘διάτµηση’-‘εισχώρηση’ και ‘εφελκυσµός’-‘εισχώρηση’). Οι µηχανισµοί αστοχίας της ‘διάτµησης’ και του ‘εφελκυσµού’ οδήγησαν σε µικρότερες αντοχές των συνδέσεων σε σχέση µε την ‘εισχώρηση’. Όλες οι εκτιµήσεις που αφορούν την έναρξη και διάδοση βλάβης, καθώς και τον µακροσκοπικό µηχανισµό αστοχίας των συνδέσεων, επαληθεύτηκαν από αντίστοιχα αριθµητικά και πειραµατικά αποτελέσµατα που αντλήθηκαν από την βιβλιογραφία. Η καταλληλότητα των κριτηρίων αστοχίας και των κανόνων υποβάθµισης ιδιοτήτων, καθώς και η επίδραση τους στα αποτελέσµατα του µοντέλου, µελετήθηκαν για πρώτη φορά σε ένα µοντέλο ΠΒ. Η µελέτη πραγµατοποιήθηκε, µέσω σύγκρισης της εκτίµησης της δυσκαµψίας και αποµένουσας αντοχής συνδέσεων διαφορετικής γεωµετρίας και αλληλουχίας στρώσεων, µε αντίστοιχα πειραµατικά αποτελέσµατα από την βιβλιογραφία. Στα πλαίσια αυτής της µελέτης, προτάθηκαν δύο νέες οµάδες κριτηρίων αστοχίας και κανόνων υποβάθµισης η καταλληλότητα των οποίων, συγκρίθηκε µε αυτήν των οµάδων που χρησιµοποιήθηκαν αρχικά στο µοντέλο. Τα αποτελέσµατα της µελέτης συνοψίζονται ως εξής: 103 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: Περίληψη-Συµπεράσµατα • • • • • η εκτίµηση της δυσκαµψίας της σύνδεσης, ήταν ικανοποιητική σε όλες τις περιπτώσεις και δεν επηρεάστηκε από τον εκάστοτε συνδυασµό των κριτηρίων αστοχίας και κανόνων υποβάθµισης, η εκτίµηση της αποµένουσας αντοχής της σύνδεσης, επηρεάστηκε σε µεγάλο βαθµό από τον εκάστοτε συνδυασµό των κριτηρίων αστοχίας και κανόνων υποβάθµισης. Συγκεκριµένα, η ανάλυση µε τον συνδυασµό των αρχικών οµάδων κριτηρίων αστοχίας και κανόνων υποβάθµισης, έδωσε αρκετά συντηρητικές προβλέψεις σε όλες τις γεωµετρίες της σύνδεσης (απόκλιση από τα πειράµατα 35-40%), ενώ η ανάλυση µε τον συνδυασµό των νέων οµάδων, έδωσε πολύ ικανοποιητικές εκτιµήσεις της αποµένουσας αντοχής που εµφάνισαν απόκλιση από τα πειράµατα η οποία κυµαινόταν από 1.6 µέχρι 6%. Στην συνέχεια, το µοντέλο ΠΒ επεκτάθηκε-τροποποιήθηκε, ώστε να δύναται να εφαρµοστεί σε περιπτώσεις φόρτισης κόπωσης (µοντέλο Προοδευτικής Βλάβης Κόπωσης (ΠΒΚ)). Η βασική διαφορά του µοντέλου ΠΒΚ µε το µοντέλο ΠΒ έγκειται στην προσοµοίωση της κυκλικής φόρτισης και την προσθήκη στην υποβάθµιση του σύνθετου υλικό λόγω τοπικών αστοχιών, της υποβάθµισης λόγω κόπωσης, η οποία οφείλεται στην φύση της κυκλικής φόρτισης. Για την προσοµοίωση της κυκλικής φόρτισης αναπτύχθηκε στην παρούσα εργασία µια νέα µεθοδολογία, η οποία: η εφαρµογή της οποίας απαιτεί την εκτέλεση µικρού αριθµού βηµάτων φόρτισης, λαµβάνει υπόψη τον εκάστοτε λόγο τάσεων R της φόρτισης, και µπορεί να εφαρµοστεί για κυκλική φόρτιση οποιουδήποτε λόγου τάσεων. Η υποβάθµιση λόγω κόπωσης εφαρµόζεται σε επίπεδο δυσκαµψίας και αντοχής και είναι συνάρτηση των κύκλων φόρτισης. Για την προσοµοίωση της στην παρούσα εργασία, αναπτύχθηκε µια µεθοδολογία, η οποία απαιτεί για να εφαρµοστεί µικρό αριθµό πειραµάτων. Το µοντέλο ΠΒΚ είναι επίσης παραµετρικό, αφού µπορεί να εφαρµοστεί σε οποιοδήποτε κατασκευαστικό στοιχείο υποβαλλόµενο σε κόπωση σταθερού εύρους οποιουδήποτε λόγου τάσεων, απαιτώντας δεδοµένα από µικρό αριθµό πειραµάτων, µέσα από τα οποία θα γίνει η προσοµοίωση της υποβάθµισης λόγω κόπωσης του συγκεκριµένου υλικού. Το µοντέλο ΠΒΚ έχει την δυνατότητα να εκτιµά την διάδοση βλάβης κόπωσης συναρτήσει του αριθµού των κύκλων και την διάρκεια ζωής της κατασκευαστικού στοιχείου στο οποίο εφαρµόζεται. Εφαρµογή του µοντέλου ΠΒΚ έγινε σε πολυµερή πολύστρωτες πλάκες από δύο διαφορετικά σύνθετα υλικά (Fiberdux-HTA/6376 και APC-2), οι οποίες υποβάλλονται σε κόπωση εφελκυσµού-θλίψης (R=-1). Για την προσοµοίωση της υποβάθµισης λόγω κόπωσης και την επαλήθευση των τελικών αποτελεσµάτων του µοντέλου, 104 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: Περίληψη-Συµπεράσµατα χρησιµοποιήθηκαν πειραµατικά αποτελέσµατα που υπήρχαν στο εργαστήριο Τεχνολογίας & Αντοχής Υλικών. Παρουσιάστηκε η εκτίµηση του µοντέλου για την διάδοση της διαστρωµατικής αποκόλλησης και της αστοχίας των ινών σε µια περίπτωση χαµηλής και µια υψηλής µέγιστης τάσης κόπωσης, αντίστοιχα. Η διάδοση αυτών των µηχανισµών αστοχίας επιλέχτηκε διότι ο βαθµός συσσώρευσης τους χρησιµοποιήθηκε από το µοντέλο ως κριτήριο τελικής αστοχίας. Επίσης, η εκτίµηση της διάδοσης της διαστρωµατικής αποκόλλησης, για διαφορετικά ποσοστά της διάρκειας ζωής µιας Fiberdux-HTA/6376 πολύστρωτης πλάκας, συγκρίθηκε µε αντίστοιχά πειραµατικά αποτελέσµατα (C-scan γραφήµατα). Η σύγκριση έδειξε καλή συµφωνία, όσον αφορά την διαστρωµατική αποκόλληση που αναπτύχθηκε στα ελεύθερα άκρα των πλακών. Και στις δύο περιπτώσεις, η διαστρωµατική αποκόλληση αναπτύχθηκε στα ελεύθερα άκρα λόγω υψηλών διαστρωµατικών τάσεων στους πρώτους κύκλους φόρτισης και διαδόθηκε προς το εσωτερικό της πλάκας. Ωστόσο, η διάδοση της διαστρωµατικής αποκόλλησης που αναπτύχθηκε στις εσωτερικές περιοχές αρχικής βλάβης, δεν ήταν δυνατόν να προβλεφτεί, εξαιτίας του ότι στο µοντέλο ΠΒΚ δεν προσοµοιώθηκε η αρχική βλάβη. Τέλος, µε βάση την διάδοση βλάβης και την χρήση κατάλληλων κριτηρίων τελικής αστοχίας, εκτιµήθηκε, για διαφορετικά επίπεδα µέγιστης τάσης, η διάρκεια ζωής σε κόπωση εφελκυσµού-θλίψης (R=-1) των δύο πολύστρωτων πλακών και κατασκευάστηκαν οι αντίστοιχες καµπύλες S-N. Η σύγκριση µεταξύ των εκτιµηθέντων και πειραµατικών καµπυλών S-N, έδειξε µια αρκετά ικανοποιητική συσχέτιση, η οποία ήταν όµως διαφορετική για τα δύο υλικά. Η διαφοροποίηση αυτή οφείλεται στο συνδυασµό της πειραµατικής διασποράς µε το σφάλµα που επεισέρχεται στο µοντέλο από τον τρόπο προσοµοίωσης της υποβάθµισης της δυσκαµψίας και αντοχής λόγω κόπωσης (προσαρµογή των πειραµατικών σηµείων σε κάθε επίπεδο τάσης). / In this thesis a three-dimensional progressive damage model was developed to simulate the mechanical behaviour of composite structural components under tesnile and fatigue loading. First the model was used to simulate the mechanical behaviour of composite bolted joints under tensile loading. The model was able to simulate the initation and propagation of damage with increased load and to assess the macroscopic failure mode, stiffness and residual strenght of the joint. The numerical predictions were verified with experimental results. The model was then used to simulate the mechanical behaviour of CFRP laminates in tension-compression fatigue. The model was able to simulate the progression of fatigue damage and to evaluate the fatigue life of CFRP plates. The different model components were implemented into the ANSYS FE CODE using a parametric macro-routine.

Σκοπός της συγκεκριμένης εργασίας είναι η κατασκευή, η μοντελοποίηση και η μελέτη της φυσικής και μηχανικής συμπεριφοράς συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα. Πρώτος στόχος της εργασίας είναι η μελέτη των φυσικών και μηχανικών ιδιοτήτων νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα. Για τη μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκαν μια σειρά διαφορετικών πειραμάτων προκειμένου να προκύψουν αξιόπιστα συμπεράσματα. Το πρώτο και βασικότερο πρόβλημα που μελετά η συγκεκριμένη εργασία είναι η κατασκευή νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα με τρόπους που συνδυάζεται το χαμηλό κόστος εξοπλισμού και η μικρή διάρκεια προετοιμασίας για την κατασκευή. Η κατασκευή των νανοσυνθέτων έγινε με δύο βασικές μεθόδους, με μηχανική ανάδευση και με χρήση υπερήχων. Το κύριο πρόβλημα που έπρεπε να ξεπερασθεί ήταν η ομογενής διασπορά μέσα στη ρητίνη καθώς η τάση που έχουν οι νανοσωλήνες να σχηματίζουν συσσωματώματα επιδρά αρνητικά. Από τη βιβλιογραφική και πειραματική μελέτη που έγινε προκύπτει πως ο χρόνος ανάμιξης, η μέθοδος ανάμιξης και η μεθοδολογία κατασκευής παίζουν καθοριστικό ρόλο στην επίτευξη καλής διασποράς των νανοσωλήνων μέσα στη ρητίνη. Εδώ πρέπει να σημειωθεί πως ο τύπος της ρητίνης και ο τύπος των νανοσωλήνων ανατρέπουν τη βέλτιστη μέθοδο. Για παράδειγμα στη μία ρητίνη που χρησιμοποιήθηκε, βέλτιστος χρόνος ήταν τα 10 λεπτά ενώ στην άλλη ρητίνη, βέλτιστος χρόνος ήταν τα 20 λεπτά. Για το στατικό μηχανικό χαρακτηρισμό νανοσυνθέτων υλικών εποξικής ρητίνης ενισχυμένης με νανοσωλήνες άνθρακα πραγματοποιήθηκαν πειράματα κάμψης τριών σημείων. Για πληρότητα της εργασίας χρησιμοποιήθηκαν δύο τύποι εποξικών ρητινών. Και οι δύο τύποι ρητινών ενισχύθηκαν με νανοσωλήνες άνθρακα σε διάφορες περιεκτικότητες. Από τα συγκεκριμένα πειράματα προέκυψε ότι υπάρχει μία συγκεκριμένη περιεκτικότητα σε νανοσωλήνες στην οποία το νανοσύνθετο εμφανίζει βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Συγκεκριμένα, για τον πρώτο τύπο εποξικής ρητίνης βρέθηκε πως το ποσοστό αυτό είναι το 0.3% κ.β. με ποσοστιαία αύξηση 10.6% και 2.6% σε μέτρο ελαστικότητας και αντοχής σε κάμψη. Σε ποσοστό 3% κ.β., η αύξηση στο μέτρο ελαστικότητας ήταν 14.03% αλλά η αντοχή του ήταν πολύ μικρή. Για το δεύτερο τύπο εποξικής ρητίνης βρέθηκε ότι το ποσοστό αυτό είναι το 0.2% κ.β., με ποσοστιαία αύξηση στο μέτρο ελαστικότητας σε κάμψη 22.8% και στην αντοχή σε κάμψη 29.4%. Για τον πειραματικό χαρακτηρισμό της βισκοελαστικής συμπεριφοράς (Long term testing) των υλικών που κατασκευάσθηκαν πραγματοποιήθηκαν πειράματα εφελκυστικού ερπυσμού-επανάταξης, ενώ για τον έλεγχο της βραχυπρόθεσμης βισκοελαστικής συμπεριφοράς πραγματοποιήθηκαν πειράματα κάμψης τριών σημείων σε διαφορετικούς ρυθμούς παραμόρφωσης για τα οποία έγινε μοντελοποίηση με εφαρμογή των βισκοελαστικών προτύπων του στερεού των τεσσάρων και τριών παραμέτρων, αντίστοιχα. Εξίσου σημαντική ήταν και η μελέτη των υλικών σε μη ιδανικές συνθήκες, δηλαδή σε συνθήκες όπου μπορεί να βρεθούν τα υλικά αυτά όταν αποτελέσουν μέρος μιας πραγματικής μηχανολογικής κατασκευής. Για το σκοπό αυτό έγινε μελέτη της βλάβης που εμφανίζεται σε υλικά καθαρής ρητίνης αλλά και ενισχυμένης τόσο ύστερα από κυκλικό θερμικό σοκ όσο και μετά από απορρόφηση υγρασίας. Η μελέτη που έγινε χωρίζεται σε δύο μέρη, το πειραματικό και το θεωρητικό. Όσον αφορά το πειραματικό σκέλος έγινε μηχανικός χαρακτηρισμός των υλικών με στατικά πειράματα κάμψης τριών σημείων, ενώ όσον αφορά το θεωρητικό σκέλος έγινε εξήγηση των μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα με αποτέλεσμα την πρόκληση βλάβης. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν στην περίπτωση της θερμικής κόπωσης είναι ενθαρρυντικά. Συγκεκριμένα για το μέτρο ελαστικότητας σε περιεκτικότητα 0.2%, όπου έχει γίνει μια επιτυχημένη κατασκευή νανοσυνθέτου με αύξηση που ξεπερνάει το 22.5%, παρατηρείται ότι η σχετική αύξηση σε πέντε κύκλους θερμικής κόπωσης ξεπερνάει το 30% (30, 40, 50, 80 και 90) και μάλιστα φτάνει το 40.2% στους 80 κύκλους. Όσον αφορά την αντοχή, αντίστοιχα είναι τα συμπεράσματα. Φαίνεται πως τα νανοσύνθετα συνεχίζουν να υπερτερούν έναντι του παρθένου υλικού με πιο χαρακτηριστική περίπτωση την αύξηση που παρατηρείται στους 40 κύκλους θερμικής κόπωσης όπου φτάνει το 46.7%. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν μετά από απορρόφηση υγρασίας δεν είναι ενθαρρυντικά καθότι τόσο στο 0.2%κ.β. όσο και στο 0.3%κ.β. η σχετική μείωση των ιδιοτήτων είναι ιδιαίτερα υψηλή. Για το δυναμικό χαρακτηρισμό των υλικών έγιναν πειράματα δυναμικής θέρμο-μηχανικής ανάλυσης μέσω των οποίων προσδιορίσθηκε η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης Tg και η ικανότητα απόσβέσης των νανοσυνθέτων. Από τα πειράματα προέκυψε πως τα νανοσύνθετα έχουν Tg μεγαλύτερη από αυτή του μητρικού υλικού και συγκεκριμένα 126°C έναντι 101°C. Επίσης, η ικανότητα απόσβεσης των νανοσυνθέτων φαίνεται να είναι αισθητά μικρότερη. Τα πειραματικά αποτελέσματα ενισχύθηκαν με θεωρητική μελέτη. Για το σκοπό αυτό έγινε εφαρμογή αναλυτικών μοντέλων και αριθμητική ανάλυση με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων. Το πρώτο μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε ήταν το μοντέλο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης που έχει αναπτυχθεί από τον καθηγητή Γ. Παπανικολάου και την ερευνητική του ομάδα. Το μοντέλο αυτό εισάγει την έννοια του συντελεστή πρόσφυσης και της ενδιάμεσης φάσης, ως μίας φάσης που ξεκινά αμέσως μετά τη διεπιφάνεια ίνας-μήτρας και καταλήγει στη μήτρα. Κατά το πάχος της ενδιάμεσης φάσης οι ελαστικές ιδιότητες. Η ενδιάμεση φάση συμπεριφέρεται βισκοελαστικά με αποτέλεσμα το πάχος της να μεταβάλλεται με το χρόνο. Η υβριδική ενδιάμεση φάση είναι πολύ σημαντική και πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στο σχεδιασμό από τους μηχανικούς. Η άποψη αυτή ενισχύεται από την παρατήρηση που γίνεται στη συγκεκριμένη εργασία, ότι, δηλαδή, μπορεί να προκύψει ένα σύνθετο υλικό με πλήρως τροποποιημένη μήτρα. Στην περίπτωση αυτή, το σύνθετο σε μικροσκοπική κλίμακα εμφανίζει ιδιότητες ίνας και ιδιότητες ενδιάμεσης φάσης, αλλά όχι μήτρας. Τα μοντέλα, τόσο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης όσο και της βισκοελαστικής ενδιάμεσης φάσης χρησιμοποιήθηκαν στη μοντελοποίηση που έγινε με τη μέθοδο των Πεπερασμένων Στοιχείων. Συγκεκριμένα, έγινε μοντελοποίηση ενός αντιπροσωπευτικού στοιχείου όγκου που συνδέει τις μακροσκοπικές με τις μικροσκοπικές ιδιότητες και στη συνέχεια μελετήθηκε η εντατική κατάσταση που αναπτύσσεται στη διεπιφάνεια. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με αναλυτικά μοντέλα που μελετούν τη διεπιφάνεια. / Nanocomposites constitute a very special category of composite materials. Only a small amount of nano-inclusions is enough to achieve unique mechanical, electrical and other properties. Carbon nanotubes have gain the scientists’ interest the last ten years due their becoming a material with many prospects. After an extended research by Iijima, S. in 1991, carbon nanotubes became a new attractive material to Nanotechnology. Thorough investigations in polymer matrix composites reinforced with carbon nanotubes are being developed in an effort to explain their properties. The aim of the present master thesis is multiple. The first step was the experimental procedure which started with the static mechanical characterization of epoxy polymer matrices reinforced with Multi Walled Carbon Nanotubes in order to define the factors that, mainly, come up during the mixing process and contribute to the final mechanical properties, namely the bending modulus and the strength. High speed shearing and ultrasonication were the two main manufacturing techniques that were applied in order to disperse the nanotubes in different volume fractions. Neat epoxy and MWCNT’s-reinforced epoxy specimens were also tested with Dynamic Thermo Mechanical Analysis bending experiments, by which the glass transition temperature, Tg, and the damping response were defined. Furthermore, three point bending tests in different strain rates and creep-recovery tests were executed for the definition of the short-term and long-term viscoelastic response, respectively. Finally, the damage that occurs after thermal shock cycling and water absorption was examined thoroughly. More specifically, the elastic properties degradation, due to damage, of the neat epoxy and of the nanocomposites was compared. Next, using the hybrid interphase concept and the viscoelastic intrphase, a theoretical investigation of the fiber-matrix interphase region was executed in an effort to compute both analytically and numerically its effect on the interfacial stress and strain fields developed in the area close to CNT’s. Analytical models that give the distribution of the normal and shear stresses were applied and the results were compared with the numerical analysis. The Finite Element Method was used for the numerical analysis. Many simplifying assumptions were necessary for both analytical and numerical technique. Experimental findings combined with analytical and numerical results gave a better understanding on the structural and mechanical performance of epoxy resin-carbon nanotubes composites. The static mechanical characterization that is being presented shows that we can achieve better mechanical properties by using a quit simple and low cost mixing process, but it needs much better techniques to achieve high performance materials. Glass transition temperature, Tg, of the nanocomposite is clearly higher from that of the neat epoxy. On the other hand, the damping of the nanocomposite is much lower, especially in higher temperatures. Finally, the nanocomposites seem to have much better response after cyclic thermal shock in contrast with the effect of water absorption, that seem to degrade the properties. The theoretical investigation showed that the third phase formatted around the inclusion is responsible for the stress and strain field developed in the area close to the nanotube. The interphase is not simply a geometrical concept but it mainly a property dependent concept, the thickness of which vary in compliance with the adhesion coefficient and time. Nanocomposites are materials that need further investigation in order to achieve things that the human brain could never imagine a few decades before.

Εξετάστηκαν κατ'αρχήν οι σχηματισμοί " σκληρά εδάφη-μαλακοί βράχοι" με βάση τη διεθνή και Ελληνική εμπειρία. Διερευνήθηκαν η γεωλογική σύσταση και δομή, σεισμικότητα, τεχνικογεωλογικοί χαρακτήρες και υδρογεωλογικό καθεστώς αυτών στο πλαίσιο του έργου της Ευρείας Παράκαμψης Πατρών (ΕΠΠ). Συντάχθηκε ο τεχνικογεωλογικός-γεωτεχνικός χάρτης της επριοχής έρευνας, σε κλίμακα 1:5000, αξιολογήθηκαν 170 γεωτρήσεις και διαχωρίστηκαν δύο γεωτεχνικές ενότητες των λεπτομερών αυτών ιζημάτων, Ανώτερη και Κατώτερη, οι οποίες αξιολογήθηκαν σε σχέση με τα υπόγεια τεχνικά έργα (σήραγγες). Οι ενότητες αυτές αποτυπώθηκαν σε μηκοτομές των δύο κλάδων του έργου της ΕΠΠ σε κλίμακα 1:5000/1:1000. Έγινε περαιτέρω τεκμηρίωση των ενοτήτων αυτών με βάση λεπτομερή μικροσκοπική μελέτη-ορυκτολογική ανάλυση, αξιολόγηση των εργαστηριακών και επιτόπου δοκιμών, καταγραφή παραμορφώσεων διατομής του έργου (συγκλίσεις), καθώς και ανάδρομες αναλύσεις. Η έρευνα αυτή αποτελεί χρήσιμο οδηγό διερεύνησης ανάλογων σχηματισμών για τον ασφαλή σχεδιασμό υπόγειων τεχνικών έργων. / The formations " hard soils-soft rocks" were firstly examined, based on the international and Greek territory experience. The geological composition and structure of the formations were investigated, as well as seismicity, engineering geological characteristics and hydrogeological regime of the wider area of Patras Ring Road. The engineering geological-geotechnical map of the examined area was drawn up, on a scale of 1:5000, 170 borehole logs were evaluated and two main geotechnical units in these fine sediments were distinguished, Upper and Lower, in relation to the underground works (tunnels). These Units were shown on sections along the two branches of the project, on a scale of 1:5000/1:1000. This discrimination was furthermore documented through detailed microscopic-mineralogical analysis, evaluation of the in situ and laboratory tests, as well as of the recorded deformations of the tunnels cross sections (convergenes) and finally the performance of back analysis. The investigation comprises a useful guide for the examination of such formations, concerning the safe design of underground works.

Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η κατασκευή, η πειραματική και θεωρητική μελέτη πολυμερικών μίκρο- και νάνο- συνθέτων υλικών. Μελετήθηκε η επίδραση στη μηχανική συμπεριφορά τους φθοροποιών παραγόντων όπως η απορρόφηση υγρασίας και κατασκευαστικών παραμέτρων όπως η γεωμετρία και η μέθοδος διασποράς της ενίσχυσης. Επίσης, έγινε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με την πρόβλεψη των αναλυτικών μοντέλων MPM όσον αφορά το μέτρο Ελαστικότητας συναρτήσει της περιεκτικότητας σε ενίσχυση και RPM όσον αφορά την εναπομένουσα θραυστομηχανικής συμπεριφοράς μετά από υγροθερμική γήρανση. Τέλος, έγινε μικρομηχανική μοντελοποίηση της ελαστικής και βισκοελαστικής διεπιφανειακής συμπεριφοράς με το μοντέλο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης νανοσυνθέτων σε συστήματα νανοσωλήνων άνθρακα-εποξειδικής ρητίνης και νανοσωλήνων TiO2-οστεοκυττάρων. Στο πρώτο μέρος έγινε πειραματική μελέτη πολυμερικών μίκρο-συνθέτων υλικών. Για τη μελέτη της επίδρασης της γεωμετρίας της ενίσχυσης στη μηχανική και θραυστομηχανική συμπεριφορά κατασκευάστηκαν σύνθετα εποξικής μήτρας ενισχυμένα με μίκρο-σωματίδια γυαλιού ινώδους, σφαιρικής και γεωμετρίας φυσαλίδας και πραγματοποιήθηκαν πειράματα κάμψης τριών σημείων και compact tension αντίστοιχα. Για τους τρεις παραπάνω τύπους ενίσχυσης προκύπτει ότι τα σύνθετα ενισχυμένα με μικροσφαιρίδια γυαλιού υπερτερούν από πλευράς καμπτικής δυσκαμψίας και μηχανικής αντοχής. Ο λόγος είναι η δυνατότητα να παραλαμβάνουν τόσο εφελκυστικά όσο και θλιπτικά φορτία σε αντίθεση με τις ίνες και τις φυσαλίδες. Από άποψη στερρότητας, ΚIC υπερτερούν τα σύνθετα με μικροϊνίδια λόγω της αντίστασης στη διάδοση ρωγμών μέσω της εξόλκυσης τους και της γεφύρωσης ρωγμών, ενώ τα σύνθετα με φυσαλίδες γυαλιού παρουσιάζουν αυξημένη ενέργεια θραύσης λόγω της αυξημένης ένδοσης και άρα της δυνατότητας αποθήκευσης ενέργειας. Επίσης, για μικρές περιεκτικότητες σε ενίσχυση η συμπεριφορά των υλικών είναι όλκιμη. Η έναρξη της ρωγμής ακολουθείται από ευσταθή διάδοσή της πριν την καταστροφική αστοχία υπό την επίδραση μηχανισμών διάχυσης ενέργειας και ανάσχεσης της ρωγμής. Αντίθετα, μετά από μία κρίσιμη περιεκτικότητα η θραύση του υλικού γίνεται ψαθυρή λόγω του βαθμού συσσωμάτωσης των εγκλεισμάτων. Η ασταθής διάδοση της αρχικής ρωγμής συμβαίνει αμέσως μετά την εκκίνηση αυτής. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από μικροφωτογραφίες SEM και οπτικού στερεομικροσκοπίου. Σε επόμενο στάδιο μελετήθηκε πειραματικά η επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων στη θραυστομηχανική συμπεριφορά των συνθέτων ενισχυμένων με σφαιρίδια γυαλιού. Πιο συγκεκριμένα, διεξήχθηκαν πειράματα compact tension σε δοκίμια μετά από υγροθερμική γήρανση για χρονικά διαστήματα που υπερβαίνουν το χρόνο κορεσμού απορρόφησης υγρασίας. Προέκυψε ότι για μικρές περιεκτικότητες σε ενίσχυση η δυσθραυστότητα των υλικών ακολουθεί μάλλον εκθετική μείωση. Αντίθετα για υλικά με μεγάλη περιεκτικότητα σε ενίσχυση τα οποία παρουσιάζουν ψαθυρή θραύση, αρχικά παρατηρείται αύξηση ή έναρξη της υποβάθμισης του της θραυστομηχανικής συμπεριφοράς από κάποιο κρίσιμο χρόνο εμβάπτισης. Τέλος, από την εφαρμογή σε αυτά των θεωρητικών του μοντέλων MPM και RPM προέκυψε πολύ ικανοποιητική σύγκλιση με τα πειραματικά αποτελέσματα. Στο δεύτερο μέρος έγινε πειραματική μελέτη της επίδρασης του τρόπου διασποράς των νανοσωλήνων στη μηχανική και θερμομηχανική συμπεριφορά καθώς και στη δομή νανοσυνθέτων. Για την ανάμειξη των νανοσωλήνων χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι της υπερήχησης και της μηχανικής ανάμειξης σε αναμείκτη υψηλών στροφών. Έγινε μηχανικός χαρακτηρισμός της στατικής και της δυναμικής θερμομηχανικής συμπεριφοράς τους, από όπου επιβεβαιώθηκε ο κρίσιμος ρόλος που διαδραματίζει η ποιότητα της διασποράς των νανοεγκλεισμάτων στις μακροσκοπικές ιδιότητες του νανοσυνθέτου. Παρατηρήθηκε ότι τα νανοσύνθετα υλικά που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης πλεονεκτούν από πλευράς στατικής και δυναμικής μηχανικής συμπεριφοράς έναντι αυτών που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της μηχανικής ανάμειξης με μόνη εξαίρεση τη μείωση της Tg. Παρ’ όλα εγείρεται το ζήτημα της καταστροφής της δομής της μήτρας λόγω της μεγάλης ισχύος των υπερήχων που εστιάζεται σε μικρή περιοχή, καθώς και της μειωμένη ικανότητα αποδοτικής διασποράς νανοσωλήνων σε μεγαλύτερη ποσότητα ρητίνης. Επιπλέον, ελήφθησαν φάσματα υπερύθρου της καθαρής ρητίνης και των νανοσυνθέτων που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης από όπου παρατηρήθηκε αύξηση της πυκνότητας των σταυροδεσμών στην περίπτωση των νανοσυνθέτων, γεγονός που αποδίδεται στη θερμική συμπεριφορά των νανοσωλήνων άνθρακα. Τα πειραματικά αποτελέσματα βρέθηκαν σε πλήρη συμφωνία με τα συμπεράσματα από τις μικροφωτογραφίες SEM των επιφανειών θραύσης των νανοσυνθέτων. Ήταν δυνατό να φανεί ξεκάθαρα η ποιότητα της διασποράς των νανοσωλήνων καθώς και οι μηχανισμοί αστοχίας και ενίσχυσης του υλικού σε νάνο-κλίμακα. Στην περίπτωση της μηχανικής ανάμειξης σε αναμείκτη υψηλής ταχύτητας υπήρχε συσσωμάτωση των νανοσωλήνων, ενώ στην περίπτωση της ανάμειξης με υπερήχηση επιτεύχθηκε καλή ποιότητα διασποράς των νανοεγκλεισμάτων στη μήτρα χωρίς την ύπαρξη συσσωματωμάτων μεγέθους άνω των 5-10 νανοσωλήνων. Από πειράματα compact tension που πραγματοποιήθηκαν παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση κατά 58,51% στον KIC και 55,25% στον GIC σε σχέση με την καθαρή ρητίνη για περιεκτικότητα μόλις 0,1wt% σε νανοσωλήνες άνθρακα. Η βελτιωμένη θραυστομηχανική συμπεριφορά σχετίζεται με τη μικρή απόσταση ανάμεσα στα νανοσωματίδια και το εξαιρετικά μεγάλο αριθμό νανοσωλήνων σε δεδομένο όγκο συνθέτου. Παρ, όλα αυτά από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν μετά από υγροθερμική γήρανση έδειξαν ότι η απορρόφηση υγρασίας επιφέρει απώλεια της ενισχυτικής ικανότητας των νανοσωλήνων για χρόνους εμβάπτισης μεγαλύτερους των 24 ωρών. Δεδομένου ότι η περιοχή της ενδιάμεσης φάσης επηρεάζει σημαντικά τη μακροσκοπική συμπεριφορά ενός συνθέτου υλικού έγινε εφαρμογή των αναλυτικών μοντέλων της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης και της βισκοελαστικής υβριδικής ενδιάμεσης φάσης σε συστήματα εποξειδικής ρητίνης – νανοσωλήνων άνθρακα και οστεοκυττάρων - νανοσωλήνων TiO2. Για τα νανοσύνθετα που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης υπολογίστηκε η τιμή του συντελεστή πρόσφυσης k=0,90 , ενώ για αυτά που κατασκευάστηκαν με μηχανική ανάμειξη σε αναμείκτη υψηλών στροφών η τιμή του συντελεστή πρόσφυσης υπολογίστηκε k=0,20. Η κακή ποιότητα πρόσφυσης έχει ως συνέπεια τη μη αποτελεσματική μεταφορά των φορτίων από τη μήτρα στα εγκλείσματα. Επίσης, έγινε πρόβλεψη της μεταβολής του πάχους της βισκοελαστικής ενδιάμεσης φάσης συναρτήσει του χρόνου υπό την επίδραση σταθερής φόρτισης. Από τη μοντελοποίηση του συστήματος νανοσωλήνων TiO2-οστεοβλαστών με το μοντέλο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης προκύπτει ότι υπάρχει αλληλοκάλυψη των ενδιάμεσων φάσεων που αναπτύσσονται μεταξύ γειτονικών νανοσωλήνων, ακόμα και για καλή ποιότητα πρόσφυσης. Το γεγονός εξηγεί την ελλιπή ανάπτυξη των κυττάρων, καθώς λόγω της αγκύρωσης στην επιφάνεια των νανοσωλήνων και του μικρού διακένου, η ένδοση στην περιοχή μεταξύ των νανοσωλήνων είναι στην πραγματικότητα σημαντικά μικρότερη από αυτή που έχει αρχικά υποτεθεί. / The current master thesis was realized during the years 2010-2012 under the supervision of Prof G.Papanicolaou at the Composite Materials Group, in the Department of Mechanical and Aeronautical Engineering at University of Patras, Greece. The aim of the thesis was the experimental and analytical study of polymer micro- and nano- composites. There was investigated the effect of damage through hygrothermal ageing as well as the effect of manufacturing parameters such as the fillers’ dispersion method and geometry upon the composites’ mechanical and fracture behavior. Experimental findings were compared with the predictions of the RPM and MPM models, concerning the materials response after hygrothermal ageing and the composites’ elastic modulus as a function of filler’s weight fraction, respectively. Also, the interphasial elastic and viscous behavior was investigated by application of the elastic and viscoelastic hybrid interphase models which were both developed by Prof. G.Papanicolaou et al. The two different composite systems considered were Carbon nanotubes- Epoxy and TiO2 nanotubes osteoblast cells. The first part of the study involved the manufacturing, the experimental characterization and analytical modeling of polymer microcomposites. The effect of fillers geometry upon the mechanical and fracture behavior of composites reinforced with spherical, fibrous and hollow bubble E-glass microinclusions was investigated by the means of three point bending and compact tension tests. It was observed that the composites reinforced with spherical inclusions demonstrated superior stiffness and flexural strength, which was attributed to the ability to take up both tensile and compressive loadings, unlike the other two types of fillers. However, glass fibril reinforced composites showed increased fracture toughness in effect of the mechanisms of fiber pull out and crack closure were considered to be fracture toughness. Finally there was observed increased fracture energy in the case of and glass bubble filled composites due to the inclusions increased compliance and thus ability to store more elastic energy prior to crack propagation. SEM microphotographs obtained confirmed experimental findings of ductile fracture and energy dissipation mechanisms for low vf and brittle fracture after a critical volume fraction. Next, the effect of environmental parameters upon the materials fracture behavior was investigated. For low volume fractions in glass microspheres the materials residual fracture toughness was found to decrease exponentially as a function of immersion time in water. On the contrary, for higher volume fractions the there can be observed an increase in toughness or initiation of damage after a critical immersion time. In any case, experimental findings were in close convergence with the predictions analytical models applied: MPM concerning the elastic modulus as a function of vf, and RPM concerning the residual KIC and GIC as a function of ageing time. The thesis’ second part involved the experimental and analytical investigation of the effect of the fillers dispersion method in epoxy nanocomposites. There were applied two dispersion methods of carbon nanotubes in the resin, namely ultrasonication and high speed shearing. From the three point bending characterization and DMTA tests it was concluded that except for the Tg, all static and dynamic properties of nanocomposites manufactured by the ultrasonication method, are superior to the ones of nanocomposites manufactured by the shearing method. This was confirmed by SEM micrographs observations from which there was a clear indication that nanocomposites produced by the shearing method, were characterized by a limited aggregation while those manufactured by the ultrasonication method showed that individual nanotubes are scattered in the matrix and no aggregation was observed. Moreover, results of FTIR analysis indicated increased crosslink density in the nanocomposites compared to the neat resin, however, the decrease in Tg and increase in damping are an indication of damage of the epoxy and nanotubes structure during the ultrasonication procedure. Compact tension tests indicated an increase by 58.51% in the fracture toughness and by 55.25% in the fracture energy of the nanocomposites reinforced with 0.1wt% in MWCNT’s with respect to the neat resin. However, experimental findings indicated that the toughening of nanotubes is lost after hygrothermal ageing of the nanocomposites. The RPM prediction concerning the nanocomposites residual fracture behavior was in close agreement with experimental results. Given that the interphasial phenomena affect the global behavior of a composite, the hybrid interphase model was applied to the carbon nanotubes-epoxy system. For the nanocomposites that were manufactured with the ultrasonication method the adhesion efficiency coefficient value was calculated k=0.70 while for the ones manufactured by high speed shearing the respective value was k=0.20. For the two given adhesion conditions the variation of the viscoelastic interphase thickness was also predicted as a function of loading time. The hybrid interphase model was also applied in order to investigate the interphasial elastic and viscoelastic behavior in a human osteoblast cells-TiO2 nanotubes system. The interphase overlapping was considered to be leading to TiO2 nanotube arrays mediocre biocompatibility due to the anchoring of cells to nanotubes and increased stiffness in the area between nanotubes.