Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής προσεγγίστηκε το πρόβλημα της κρούσης των σύνθετων υλικών μέσω μιας συνολικής μεθοδολογίας. Ο όρος συνολική μπορεί να χαρακτηρίσει την παρούσα εργασία της διατριβής γιατί η αναλυτική και αριθμητική υλοποίηση του προβλήματος που παρουσιάσθηκε επιλύει πολλά παράπλευρα προβλήματα. Η επίλυση του προβλήματος της κρούσης χαμηλής ταχύτητας σε σύνθετα υλικά κινήθηκε σε τέσσερις φάσεις. Σε πρώτη φάση αναπτύχθηκε το κύριο εργαλείο με το οποίο εξελίσσεται η διαδικασία μοντελοποίησης του προβλήματος. Η κατάστρωση του μοντέλου επίλυσης φυσικών συχνοτήτων και η αριθμητική επίλυση αυτού δίνει εκτιμήσεις για την ακρίβεια της μεθόδου Ritz με τη χρήση των αποδεκτών συναρτήσεων p-Ritz. Η μέθοδος Ritz επιτρέπει την πλήρη μοντελοποίηση του πολύστρωτου λαμβάνοντας υπόψη και τους καμπτικούς όρους σύζευξης κάτι που μέχρι στιγμής δεν έχει παρουσιαστεί στη βιβλιογραφία. Κατά τη δεύτερη φάση και μετά την τεκμηρίωση της πρώτης φάσης και τον έλεγχο της ακρίβειας των υπολογισμών των φυσικών συχνοτήτων, διατυπώθηκε το δυναμικό πρόβλημα. Η ακρίβεια των υπολογισμών ήταν εξαιρετική και σε ικανοποιητική σύγκλιση με τα αποτελέσματα του κώδικα πεπερασμένων στοιχείων LSDYNA3D. Παράλληλα αποδείχτηκε ότι το δυναμικό μοντέλο, επιλύει το δυναμικό φαινόμενο για όλα τα σχήματα και τους συνδυασμούς συνοριακών συνθηκών. Σε εξέλιξη των ανωτέρω έγινε η διατύπωση του συζευγμένου προβλήματος της κρούσης και επιλύθηκε για διάφορα υλικά και συνοριακές συνθήκες που αποτελούν μοντέλα υποδείγματα στη διεθνή βιβλιογραφία. Η ικανότητα πρόβλεψης των μοντέλων χαρακτηρίζεται ιδιαίτερα ικανοποιητική ενώ παρουσιάστηκε ο τρόπος εισαγωγής μη γραμμικών νόμων επαφής, στο συζευγμένο σύστημα διαφορικών εξισώσεων. Με σκοπό τον πλήρη χαρακτηρισμό του φαινομένου αλλά και τη μείωση των παραμέτρων που χαρακτηρίζουν το πρόβλημα σε μια προσπάθεια χαρακτηρισμού των κύριων παραμέτρων που διέπουν την κρούση παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού των αδιάστατων ομάδων που περιγράφουν την κρούση. Στα πλαίσια αυτής της ανάλυσης υπολογίστηκε το Νομογράφημα Κρουστικής Απόκρισης. Το Νομογράφημα Κρουστικής Απόκρισης μπορεί να χρησιμοποιηθεί στην οργάνωση πειραμάτων χαρακτηρισμού της κρουστικής αντοχής πολύστρωτων διατάξεων. Για την επίλυση του κύριου προβλήματος προτάθηκε μια διαδικασία ιεραρχικής αντιμετώπισης του προβλήματος. Για να καθοριστεί η κρουστική απόκριση του πολύστρωτου η διάταξη υποβάλλεται σε δυναμικό και στατικό χαρακτηρισμό με τη χρήση αριθμητικών μοντέλων που βασίζονται στη μέθοδο Ritz. Υλοποιήθηκε μια μέθοδος που δύναται να επιλύει διάφορες γεωμετρίες σε ποικιλία συνοριακών συνθηκών. Στη βιβλιογραφία μέχρι στιγμής έχουν παρουσιαστεί μοντέλα για παραλληλόγραμμες πλάκες, ειδικώς ορθότροπες και σε συνοριακές συνθήκες απλής έδρασης. Υλοποιήθηκαν προγράμματα σε Fortran που επιλύουν στατικά και δυναμικά προβλήματα σε καμπτικά φορτία και για ποικίλους συνδυασμούς συνοριακών συνθηκών. Υλοποιήθηκε το συζευγμένο πρόβλημα της κρούσης πολύστρωτης διάταξης από σφαίρα (διεισδυτή) σε χαμηλές ταχύτητες Έγινε σύγκριση ελαστοπλαστικών μη γραμμικών μοντέλων επαφής με γραμμικά μοντέλα επαφής. Με τη χρήση της θεωρίας αδιαστατοποίησης καθορίστηκαν οι αδιάστατες ομάδες που διέπουν το πρόβλημα της κρούσης και δημιουργήθηκε το Νομογράφημα Κρουστικής Απόκρισης. Αποδείχτηκε ότι το Νομογράφημα Κρουστικής Απόκρισης ισχύει για οιαδήποτε συμμετρική πολύστρωτη διάταξη σε όποια συνοριακή συνθήκη και αν είναι και οιοδήποτε σχήμα πλάκας. Αποδείχτηκε ότι το Νομογράφημα Κρουστικής Απόκρισης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως χάρτης αντοχής και ανοχής σε κρούση με τη χρήση της αδιάστατου Κατωφλιού Δύναμης για Διαστρωματική Αποκόλληση. / Low-velocity impact in composite laminates is a destructive loading condition since it leads to significant internal damage, no detectable by visual inspection. Numerous researchers have made significant efforts to model the impact response of composite plates and facilitate the analysis and design for impact resistance, using simple linear spring-mass models or a combination of continuum mechanics models and contact laws. Many investigators have used simple engineering structures beams, plates and shells to demonstrate the impact response of composite structures. The basic concept for modelling the impact of an object to a target was proposed by Timoshenko (1913). He introduced the procedure where the description of the interaction between the impactor and the structure (Euler beam) was implemented using the Hertzian contact law. This approach was further extended in isotropic plates and shells. Lee, 1940; Greszcuk, 1982; Lee et al., 1983 and Shivakumar et al, 1985, proposed simple models of the low-velocity impact problem. Although many important contributions exist in the bibliography for the characterization of the impact response of laminated plates, analytical solutions are considered to be very few. Most of the models proposed are for analyzing specially orthotropic plates subjected to a local dominated impact. In addition, these models do not take into account the shear coupling terms of the bending stiffness matrix, e.g. D16 and D26. Sun and Chattopadhyay (1975), Dobyns (1981), and Ramkumar and Chen (1983) employed the first order shear deformation theory developed by Whitney and Pagano (1970), and used it in conjunction with the Hertzian contact law or plasticity contact law for characterizing the impact of laminated composite plates. In their analysis they have studied the impact response of a simply supported orthotropic plate subjected to central impact using the lamination theory that includes transverse shear deformations. It is evident that the contact force history must be computed as part of the solution of the dynamic response problem solving the nonlinear integral equation. Christoforou and Swanson (1991) and Carvalho (1996), obtained an analytical solution of the impact problem using the Laplace transform technique. Qian and Swanson (1990) obtained analytical solutions by linearising the contact deformation law and compared this with a Rayleigh-Ritz approach with numerical integration in time. The three dimensional finite element method with an explicit formulation where also used in the dynamic analysis of laminated plates subjected to low velocity impact. Moreover, many researchers have proposed simple models for characterizing the impact phenomenon. Shivakumar et.al. (1985) developed a simple model to predict the impact force and the duration of the impact phenomenon on composite plates. The composite plates were modeled as three springs while their stiffness was calculated by the plate properties and the contact parameters. Other researchers instead of a classical Hertzian law used the statical indentation law presented by Yang and Sun (1982) and Tan and Sun (1985). The non Hertzian Contact impact was considered for combining the overall deformation of the structure to the local deformation in the contact area and was used to predict the impact response of transversely isotropic beams and plates. In general, it is impossible to obtain the exact solution for an impact problem except by ignoring the local contact deformation or pre-assuming the contact force. The first step for understanding the problem is to predict the force applied by the projectile on the structure during impact. In order to characterize the contact force history, the model should account for the motion of the target, the effective stiffness of the projectile The present work deals with the development of a numerical scheme for the calculation of the dynamic response of any type of laminated composite plates subjected to any type (and/or combination) of boundary conditions under low-velocity impact. Using the p-version Ritz polynomials any shape that can be represented in Cartesian coordinates can be formulated. The governing second order differential equations are derived and allow furnishing solutions with a variety of boundary conditions along the edges of the plate shape represented in Cartesian coordinates. Statically determined non-linear contact laws, for loading and unloading conditions, are coupled with the partial differential equations governing the dynamic response of the composite plate. These nonlinear governing equations of the contact-impact problem are decoupled according to the second order terms by the method of principal transformation and then solved numerically. The dynamic response of fully clamped cross-ply and a variation of simply support and fixed boundary conditions for angle ply and cross ply composite laminates was investigated. Rectangular, circular and elliptical plates where analysed using the developed numetrical scheme. A total analysis method is used in order to check the efficiency of the results. Starting from the homogeneous formulation of the structure the eigenfrequencies and eigenshapes were calculated for all material and boundary conditions cases. Using the “transformation of the principal” method all cases were subjected in force and pressure pulses in order to check the efficiency of the dynamic solver developed. The efficiency of the present method was investigated comparing the respective results with well-known benchmark problems, experimental results and FEM analysis using MSC-NASTRAN and LSDYNA 3D codes. Following this exhaustive analysis, the coupled contact-impact problem was formulated and numerous contact schemes were applied to the problem. For the impact problem the type of the response is intimately related to the contact stiffness, impact energy, ply thickness and orientation, geometrical configuration and boundary conditions, as well as the orthotropic material properties and the longitudinal, transverse and interlaminar strength both in compression and in tension. Three types of dynamic responses were found to exist, local, global and transitional. All types are categorised and analysed. Using Buckingham Theorem the numerous parameters of the dynamic contact-impact problem were grouped to non-dimensional groups in order to provide a flexible analysis scheme for theoretical and experimental evaluation of the low velocity impact problem. A general normalised graph for characterising the impact response of structures was constructed. The numerous advantages for analysing impact phenomena using the normalised curve developed were presented. Moreover its use for predicting composite material damage area on low velocity impact conditions was presented.

-- / One of the most important parameters that affect the mechanical response of composites is the quality of the interfacial bond between the matrix and the reinforcing material. Therefore, the aim of the present work is to investigate the effect of fatigue loading on the integrity of the interfacial bond in fibre-reinforced plastics in microscopic level using the laser Raman spectroscopy technique.

-- / --

Η παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφει το σχεδιασμό και την ανάπτυξη ενός εκπτυσσόμενου Ενδομυελικού Ήλου Επιμήκυνσης των Μακρών Οστών των Κάτω Άκρων. Η επιμήκυνση των κάτω άκρων είναι μία χειρουργική διαδικασία βαθμιαίας επιμήκυνσης των μακρών οστών των κάτω άκρων και των μαλακών μορίων που τα περιβάλουν. Γενικά, η επιμήκυνση των κάτω άκρων στοχεύει στην εξίσωση των σκελών ή αύξηση του μήκους των οστών και στα δύο άκρα. Η τεχνική αύξησης του μήκους των οστών των κάτω άκρων επινοήθηκε από τις αρχές του περασμένου αιώνα [1] και έχει καταξιωθεί στη μοντέρνα χειρουργική από τις αρχές του 1960, λόγω της ενασχόλησης του G.A.Ilizarov. Ο επιστήμονας και χειρουργός G.A.Ilizarov αφιέρωσε όλη τη θεωρητική και πρακτική του έρευνα [2] στη βελτίωση της διαδικασίας επιμήκυνσης των οστών και την ανάπτυξη εξωτερικής συσκευής σταθεροποίησης που φέρει το όνομα του. Η μέθοδος αυτή καθώς και η συσκευή Ilizarov χρησιμοποιήθηκαν πάρα πολύ για να διορθώσουν τόσο βλάβες όσο και παραμορφώσεις των κάτω άκρων. Η ευελιξία αυτής της συσκευής την κάνει ένα εξαιρετικό εργαλείο το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διόρθωση διαφόρων βλαβών όπως π.χ. σταθεροποίηση συνθέτων καταγμάτων, στροφικές διορθώσεις, διορθώσεις οστών με διαφορές μήκους. Τόσο όμως η συσκευή του Ilizarov όσο και οι υπόλοιποι μονόπακτοι εξωτερικοί σταθεροποιητές που παρουσιάσθηκαν αργότερα παρουσιάζουν μειονεκτήματα [3] όπως είναι π.χ. οι σύνθετες χειρουργικές διαδικασίες, οι συνδέσεις και οι βελόνες που διαπερνούν το δέρμα και που οδηγούν σε μολύνσεις, η μειωμένη δυνατότητα φόρτισης και η ταλαιπωρία λόγω του μεγέθους του σταθεροποιητή ειδικά στις περιπτώσεις εκείνες που η ευελιξία του σταθεροποιητή δεν είναι απαραίτητη. Πολλοί ασθενείς που χρειάζονται μία διόρθωση του μήκους ενός άκρου χωρίς άλλες παραμορφώσεις θα μπορούσαν να βοηθηθούν και από μία συσκευή μικρότερης ευελιξίας χωρίς τα μειονεκτήματα των εξωτερικών μονόπακτων σταθεροποιητών. / The technique to increase the length of the long bones is the subject of research for the orthopedic surgeons for many years. The technique is used for the treatment of a limb shortening due to malformation or to a deficit for other reasons e.g. the fracture of a long bone after a car accident, osteomyelitis, or malignancy. The procedure to increase the length of a bone is difficult and may become quite hazardous for the soft tissues surrounding the area. The two parts of the bone are stabilized to eliminate the possibility of relative torsion and bending. Then they align axially with respect to each other and move with a constant rate of elongation of 1mm per day. The elongation is usually achieved by 4 steps of 0,25mm every 6 hours. The application of internal distraction osteogenesis using shape memory alloys has all the advantages of internal osteosynthesis. The only part of these mechanisms that is found externally is the activation mechanism that is connected by the necessary cables of activation with the interior of the bone where the internal distraction device is placed. The basic problem of all designs is the high constructional complexity of activation and control of shift of the two parts of the bone, something that makes this systems non user friendly and with continuous fractures and blockings of the elements of the mechanisms. In the present work, all the advantages of the mechanism of internal distraction osteogenesis are combined with the fundamental advantage; the simplicity of manufacture of the mechanism and the simplicity of operation via the restriction of the moving elements.

Μελετάμε την ροή κοκκώδους σε κεκλιμένη πειραματική διάταξη δυο διαστάσεων, αποτελούμενη από Κ το πλήθος γραμμές και Μ το πλήθος στήλες δοχείων, τα οποία αναταράσσονται κάθετα. Η ροή του υλικού από δοχείο σε δοχείο περιγράφεται από ένα μοντέλο ροής [Eggers, 1999; Van der Weele, 2008]. Υποκινούμενοι από δυσλειτουργίες που παρουσιάζονται στις σύγχρονες βιομηχανικές μονάδες μεταφοράς (όπως είναι ο σχηματισμός συσσωματωμάτων), εισάγουμε σταθερή ποσότητα υλικού στην πρώτη γραμμή των δοχείων, και καθορίζουμε τις συνθήκες κάτω από τις οποίες η ροή παραμένει ομαλή και συνεχής μέχρι την τελευταία γραμμή. Ενώ στην περίπτωση μιας και μόνο σειράς δοχείων (Μ=1) η εκροή μηδενίζεται με την εμφάνιση ενός και μόνο συσσωματώματος [Κανελλόπουλος, 2008], για Μ>1 απαιτούνται περισσότερα συσσωματώματα για τον μηδενισμό της. Μελετάμε τον τρόπο με τον οποίο αυτά τα συσσωματώματα διατάσσονται στα δοχεία, ο οποίος πολλές φορές όπως βλέπουμε μπορεί να είναι ιδιαίτερα πολύπλοκος, αποτελώντας έτσι ένα εξαίρετο παράδειγμα μορφογένεσης σε δυναμικά συστήματα [Cross and Hohenberg, 1993]. Εντοπίζουμε τα βασικά χαρακτηριστικά αυτής της μορφογένεσης και εξηγούμε πως αυτά σχετίζονται με το μοντέλο ροής. Για την περαιτέρω μαθηματική και φυσική τους ερμηνεία προτείνουμε το συνεχές όριο του μοντέλου ροής, το οποίο θα αποτελέσει την απαρχή για μελλοντικές έρευνες [Van der Weele et al, 2008]. Αναφορές: •J. Eggers, Sand as Maxwell’s demon, Phys. Rev. Lett. 83, 5322 (1999). •K. van der Weele, Granular gas dynamics: How Maxwell’s demon rules in a nonequilibrium system, Contemporary Phys. 49, 157-175 (2008). •Γ. Κανελλόπουλος, Οριακή ροή κοκκώδους υλικού σε διάδρομο μεταφοράς, Διπλωματική Εργασία, Τμήμα Μαθηματικών, Πανεπιστήμιο Πατρών (2008). •M.C. Cross and P.C. Hohenberg, Pattern formation outside of equilibrium, Rev.Mod.Phys. 65, 851 (1993). •K. van der Weele, G. Kanellopoulos, C. Tsiavos, and D. van der Meer, Transient granular shock waves and upstream motion on a staircase (submitted, 2009). / We study the dynamics of granular material in a 2-dimensional tilted setup, consisting of K rows and M columns of equal sized compartments, which is brought into motion by vertical shaking. Particles are inserted into the system along the upper row of compartments, then flow downwards, and eventually exit the system from the bottom row. Similar setups are encountered frequently in industrial transport machinery and are notorious for the tendency of the particles to form dense clusters, which obstruct the flow. We model the particle flow from box to box by a flux function and determine the maximal value of the inflow rate for which the flow remains steady. If the inflow rate exceeds this value, clusters are formed. The way in which these clusters are distributed over the KxM compartments is a fine example of spontaneous pattern formation. We analyze the main characteristics of this cluster formation, its dependence on the various parameters of the system, and its sensitivity to experimental fluctuations.

- / An amorphous system can be viewed as a point in con guration space spending most of its time vibrating about local minima of the energy hypersurface. Transitions to adjacent minima, which correspond to elementary events of structural rearrangement, are rare, since the vibrational energy of the system is not high enough to overcome the surrounding energy barriers. Therefore, molecular dynamics simulations, which can track a system's behavior over at most a few nanoseconds, fail to give us information about the atomistic nature and characteristics of such minimum-to-minimum transitions. In this work we try a di erent approach: we construct molecular con gurations of an amorphous Lennard-Jones solid, which, for given values of the temperature and stress/pressure, constitute local minima of the free energy under the quasi-harmonic approximation (QHA). From the volumetric behavior of these con gurations for various values of the temperature and/or pressure we conclude that the QHA is very reasonable for our system and we calculate the values of the isothermal compressibility and of the elastic constants. We then identify representative paths in con guration space leading from one free energy minimum to an adjacent one at xed temperature and pressure. For each of these transitions or elementary structural relaxation events we determine the corresponding rate constant using the principles of multidimensional transitionstate theory. The distribution of free energy barriers is found to be strongly asymmetric and extremely broad, whereas the corresponding distribution of activation entropies is narrow. There is a strong positive correlation between the volume change and the free energy change accompanying each of these elementary transitions, as would be expected from observed volume relaxation phenomena in glasses. The physical phenomenon of physical ageing can be described as a sequence of elementary relaxation events. Therefore, our next step is the analysis of sequential minimum-to-minimum transitions. This analysis is performed via a novel kinetic Monte-Carlo simulation method, which we call quasi-MD. The quasi-MD method tracks di erent stable initial con gurations "escape" through one of the transition states surrounding their current minimum and get trapped inside a neighboring one, which becomes the new current state for the system. Each of the observed transition events is associated with a characteristic time related to the randomly chosen escape route, integrating-out the vibration inside the minimum. This way, it is possible to follow the time-dependence of the system's properties during the relaxation process. One of the most characteristic such properties for the phenomenon of physical ageing is the self-part of the intermediate scattering function Ss(q; t). Calculation of the timedependence of Ss(q; t) for the glassy Lennard-Jones using quasi-MD clearly shows the three known characteristic regions: a) initial rapid decay which corresponds to local motion of the particles within their "cage", b) the slowly decaying plateau region corresponding to relaxation of the "cage", called the -relaxation, and c) the nal decay which corresponds to the breakup of the "cage" and escape of the particles, designated as the -relaxation. The glassy Lennard-Jones system used so far is an ideal system for the development of novel simulation methods and the analysis of the validity of di erent approaches. However, more complex systems are interesting from a technological point of view. Therefore, our nal step is the analysis of a glassy polymer. We focus on the validity of the QHA in glassy atactic polypropylene. Following the same procedure as in the case of Lennard-Jones spheres, we construct di erent stable amorphous con gurations for a series of temperatures and pressures. Using these con gurations we calculate the values of the thermal expansion coefficient and isothermal compressibility, which agree reasonably well with available experimental data. Finally, the amorphous polypropylene con gurations get uniaxially strained leading to the estimation of the value of Young modulus.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η ανάπτυξη νέας γενιάς ινωδών σύνθετων υλικών με αυξημένη ανοχή στη βλάβη, βελτιωμένα θραυστομηχανικά και μηχανικά χαρακτηριστικά. Αυτό θα επιτευχθεί με ενίσχυση (ντοπάρισμα) της πολυμερούς μήτρας που περιβάλλει την ινώδη ενίσχυση του σύνθετου υλικού με μικρή ποσότητα –μικρότερη ή ίση του 1% κατά βάρος- νανοσωληνίσκων άνθρακα ομοιόμορφα κατανεμημένων στη μήτρα. Οι νανοσωληνίσκοι άνθρακα προσφέρουν μια εξαιρετικά μεγάλη διεπιφάνεια μήτρας-ενίσχυσης η οποία και οδηγεί στη συνέχεια το φαινόμενο της θραύσης απαιτώντας την κατανάλωση μεγάλων ποσοτήτων ενέργειας για την αστοχία της διεπιφάνειας και τη διάδοση της βλάβης. Το κύριο κομμάτι της διατριβής αφορούσε τη μελέτη της επίδρασης των ΝΣΑ σε σύνθετα υλικά. Το πρώτο μέλημα ήταν εάν μπορούσαν να κατασκευαστούν νανοσύνθετα με τις κλασικές μεθόδους κατασκευής σύνθετων υλικών κάτι που πραγματοποιήθηκε με επιτυχία τόσο για τα σύνθετα με ενισχυτική φάση τις ίνες άνθρακα σε δύο διαφορετικές αλληλουχίες στρώσεων όσο και για τις ίνες κέβλαρ. Καταλήγοντας συμπεραίνουμε πως η κατασκευή νανοσύνθετων υλικών είναι εφικτή με τις ήδη υπάρχουσες κατασκευαστικές μεθόδους. Τα νανοσύνθετα έχουν να επιδείξουν ανώτερες μηχανικές ιδιότητες σε σχέση με τα απλά σύνθετα ιδιαίτερα στα φαινόμενα της θραύσης και της κόπωσης κάτι το ιδιαίτερα σημαντικό για την εφαρμογή τους σε δομικά τμήματα κατασκευών από σύνθετα υλικά. Επιπλέον είναι δυνατό να αποτελέσουν τη βάση για τα σύνθετα υλικά της επόμενης γενιάς μέσω των πολύπλευρων ιδιοτήτων που μπορούν να προσδώσουν (multifunctionality) όπως επισκόπηση της αναπτυσσόμενης βλάβης σε πραγματικό χρόνο μέσω της μέτρησης της ηλεκτρικής αγωγιμότητας, βελτιστοποίηση των ιδιοτήτων απόκρισης και αύξηση της θερμικής αγωγιμότητας. / The aim of the current PhD thesis was realised during 2004-2008 at University of Patras, Grece, in the Dept. of Mechanical & Aeronautical Engineering at the Applied Mechanics Laboratory under the supervision of Prof. V. Kostopoulos was to investigate and optimise the reinforcing effect of Multi Wall Carbon Nanotubes (MWCNTs) on a typical aerospace carbon reinforced epoxy composite. The main conclusions/findings of this PhD thesis are summarized below: • The dispersion protocol of MWCNTs onto a typical aerospace resin using a mechanical device was established. • Different techniques were investigated such as to improve the dispersion of the CNTs into the matrix material. • The reinforcing effect of MWCNTs onto a typical aerospace resin was investigated and optimized at 0.5 w.t. % using a high shear mixing device i.e. torus mill. • The CNT-enhanced aerospace resin was successfully used for the manufacturing of two CFRPs lay-ups (UD and Quasi). The nano-reinforced panels exhibited a higher tensile modulus, a 60% increased on fracture toughness, increased fatigue life and even though no significant increase was noted on the low velocity impact properties the effective compressive modulus after fatigue and the fatigue life after impact was also enhanced. The aforementioned reinforcement is attributed to the extra energy that the CNTs anticipate in order to be broken or pulled-out of the matrix material • The CNT-enhanced aerospace resin was successfully used for the manufacturing of Kevlar reinforced composite panels. The nano-reinforced panels exhibited a higher tensile modulus and a significant increase on the fracture toughness properties. • MWCNTs were successfully grafted on typical aerospace carbon fibres in order to manufacture a reinforcement incorporating two scales i.e. both micro and nano.

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η σύνθεση και η μελέτη υβριδικών υλικών, τα οποία αποτελούνται από νανοσωματίδια εγκλωβισμένα σε οργανικές και ανόργανες μήτρες. Τα υλικά που συντέθηκαν μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες. Η πρώτη περιλαμβάνει μεταλλικά νανοσωματίδια Au και Ag εγκλωβισμένα σε πολυμερικές μήτρες, ενώ η δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνει νανοσωματίδια Au, Ag και NiCl2 σε ανόργανες μήτρες. Η εργασία επικεντρώθηκε στην σύνθεση και την φασματοσκοπική μελέτη των υλικών χρησιμοποιώντας όλες τις διαθέσιμες τεχνικές δομικού χαρακτηρισμού των υλικών. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων και της χημειο-οπτικής ενεργότητας των υλικών. Επίσης, μελετήθηκε η βιοσυμβατότητα των υλικών στις περιπτώσεις που αυτό ήταν δυνατό. Αναλυτικότερα, στο μεγαλύτερο κομμάτι της εργασίας αυτής περιγράφεται η in situ σύνθεση μεταλλικών νανοσωματιδίων Au και Ag στον πυρήνα και στην κορώνα δισυσταδικών συμπολυμερών καθώς και τυχαίων συμπολυμερών. Το πρωτόκολλο που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει τα παρακάτω βήματα: αρχικά για την διαλυτοποίηση του αμφίφιλου συμπολυμερούς επιλέγεται εκλεκτικός διαλύτης ως προς την μία συστάδα του, ώστε να σχηματιστούν μικκήλια αποτελούμενα από ένα συμπαγή πυρήνα και μια διαλυτή κορώνα. Στην συνέχεια, προστίθεται το άλας του μετάλλου στο διάλυμα του συμπολυμερούς με αποτέλεσμα είτε την εισροή του στον πυρήνα, είτε την συναρμογή του μεταλλικού ιόντος με την κορώνα ανάλογα με την χημική συνάφεια που φέρει η κάθε συστάδα ως προς το μέταλλο. Τέλος, ακολουθεί η αναγωγή του μεταλλικών ιόντων σε μεταλλικά νανοσωματίδια είτε προσθέτοντας κάποιο αναγωγικό μέσο, είτε από το ίδιο το συμπολυμερές που περιβάλλει τα μεταλλικά ιόντα. Η δεύτερη κατηγορία υλικών αφορά στην σύνθεση νανοσωματιδίων Au, Ag και NiCl2 σε ανόργανες μήτρες. Σε αυτή την περίπτωση επιλέχθηκαν πρόδρομες ενώσεις SiO2 και TiO2, οι οποίες αναμίχθηκαν με το άλας των μετάλλων ακολουθώντας την μέθοδο sol-gel ώστε να σχηματιστούν νανοσωματίδια. Μελετήθηκε η επίδραση των πειραματικών παραμέτρων, όπως η θέρμανση και η γήρανση, στο μέγεθος και τον βαθμό συσσωμάτωσης των μεταλλικών νανοσωματιδίων καθώς επίσης και στο πορώδες του τελικού υλικού. Από τα διαλύματα που προέκυψαν, σχηματίστηκαν λεπτά υμένια με την μέθοδο του spin-coating, τα οποία στην συνέχεια θερμάνθηκαν σε υψηλές θερμοκρασίες ώστε να απομακρυνθούν οι οργανικές ομάδες και να σταθεροποιηθεί το τελικό υλικό. Μέρος των υβριδικών υλικών που συντέθηκαν μελετήθηκαν ως προς την μη-γραμμική τους απόκριση χρησιμοποιώντας τις τεχνικές OKE και Z-scan. Όπως προέκυψε από τις μετρήσεις τα υλικά αυτά παρουσιάζουν μη-γραμμικότητα, η οποία εξαρτάται άμεσα τόσο από την αναλογία μετάλλου ως προς το συμπολυμερές αλλά και από την σύσταση του ίδιου του συμπολυμερούς. Τα νανοσύνθετα υλικά που συντέθηκαν αξιολογήθηκαν επίσης ως ενεργά υλικά σε πιθανούς φωτονικούς αισθητήρες. Παρατηρήθηκε ότι παρουσία ατμών μεθανόλης και αμμωνίας, συνέβαιναν μορφολογικές αλλαγές στην επιφάνεια των υλικών. Οι αλλαγές αυτές, ο οποίες καταγράφονται ως μεταβολές της διαδιδόμενης δέσμης σε σχέση με την δέσμη αναφοράς, είναι αντιστρεπτές. Τέλος, στις περιπτώσεις που τα υβριδικά υλικά που συντέθηκαν παρουσίαζαν βιοσυμβατότητα, ελέγχθηκε η ικανότητα συναρμογή τους με μόρια πρωτεϊνών και DNA και διερευνήθηκε η πιθανή εφαρμογή τους σε συστήματα βιολογικών παραγόντων. / In the present study the synthesis of hybrid materials consisting of metal nanoparticles incorporated into organic and inorganic matrices is presented. The synthesized materials can be divided into two categories; the first one consists of Au and Ag nanoparticles incorporated into polymeric matrices, while the second one consists of Au, Ag and NiCl2 nanoparticles incorporated into inorganic matrices. The thesis was focused on the synthesis and the spectroscopic study of these materials. Meanwhile, the optical and photonic properties of these materials were exploited. Moreover, the biological applications of the synthesized hybrid materials were investigated. In more detail, the larger part of this work focuses on the in situ synthesis of Au and Ag nanoparticles either inside the core or on the corona of di- and triblock copolymers and random copolymers. More specifically, the synthesis protocol requires three steps. First, the proper solvent must be chosen, which should be selective for one of the blocks of the amphiphilic copolymer, in order for micelles to be formed, consisting of a dense core and a solubilized corona. Then the metal precursor is added, which is preferentially dissolved into the core or is coordinated on the periphery of the corona block, depending on the chemical affinity that each block displays toward the metal compound. Finally, the metal ions are reduced in metal nanoparticles either by the addition of a reducing agent or by the coordinating block of the copolymer. The second category of the materials involves the synthesis of Au, Ag and NiCl2 nanoparticles inside inorganic matrices such as SiO2 and TiO2. Solutions containing SiO2 and TiO2 precursors were mixed with metal salts and the standard sol-gel methods were followed for the in situ synthesis of the hybrid materials. Thermal treatment and ageing were the two main parameters that influenced the size and the degree of aggregation of the metal nanoparticles, as well as the porosity of the final material. The non-linear optical properties of the synthesized hybrid materials were studied using the OKE and Z-scan techniques. All the materials studied displayed nonlinear refraction which was proportional to the ratio between the metal nanoparticles and the polymer. The composition of the block copolymer itself played also an important role. The hybrid nano materials were also evaluated as active components in potential photonic sensors. In the presence of methanol and ammonia, morphological changes on the surface of the materials were noticed. These changes were recorded as a signal modulation in respect to the reference signal. Finally, some of the synthesized hybrid materials displayed biocompatibility and their ability to coordinate with proteins and DNA molecules was examined, toward their utilization in bioanalytical devices.

Ενίσχυση σε κάμψη στοιχείων οπτοπλινθοδομής με τη χρήση συνθέτων υλικών ανόργανης μήτρας και με την τοποθέτηση σύνθετων ράβδων σε εγκοπές. Περιγραφή διαδικασίας ενισχύσεων, πειραματικής διαδικασίας, πειραματικών αποτελεσμάτων και θεωρητική ανάλυση. / Reinforcement of masonry using TRM(Textiles Reinforced with mortar)and NSM.

Μια από τις πολλές δομικές εφαρμογές των συνθέτων υλικών, είτε αυτά έχουν την μορφή ινοπλισμένων πολυμερών είτε την μορφή ινοπλισμένων κονιαμάτων, είναι και η ενίσχυση τοιχοποιίας, φέρουσας ή μη. Τα σύνθετα υλικά είναι δυνατό να δώσουν λύση σε προβλήματα στατικής επάρκειας και αναβάθμιση στάθμης επιτελεστικότητας κτηρίων σύμφωνα με τους Ευρωκώδικες. Ο στόχος της συγκεκριμένης μεταπτυχιακής διατριβής είναι: i. Να μελετηθούν οι τρόποι με τους οποίους είναι δυνατόν να ενισχυθεί μια τοιχοποιία από οπτοπλινθοδομή και να πραγματοποιηθούν πειραματικές δοκιμές, (για να καταστεί με αυτό τον τρόπο δυνατή η σύγκριση των θεωρητικών με τα πειραματικά δεδομένα). ii. Η κατασκευή αντιπροσωπευτικών δοκιμίων που να εξετάζουν και να απεικονίζουν την πλειονότητα των δομημάτων και τελικά η πειραματική επεξεργασία τους. iii. Η επιλογή των κατάλληλων υλικών με τα οποία είναι δυνατή η αποτελεσματική και πρακτική η ενίσχυση της τοιχοποιίας. iv. Η μελέτη του τρόπου με τον οποίο αλληλεμπλέκονται τα σύνθετα υλικά με την τοιχοποιία και η τελική αστοχία της τελευταίας, με στόχο την απόκτηση μεγαλύτερης αντοχής και πλαστιμότητας. v. Η σύγκριση των τρόπων ενίσχυσης με ανόργανη (τσιμεντοκονίαμα) και οργανική (εποξειδική ρητίνη) μήτρα και ανθρακονήματα. vi. Η εφαρμογή και εκτίμηση της αποτελεσματικότητας της ενίσχυσης με ράβδους ινών άνθρακα σε βαθιά αρμολογημένο τοίχο με την βοήθεια εποξειδικού τσιμεντοκονιάματος. vii. Η εκτίμηση κατά πόσο με την βοήθεια ενίσχυσης φέρουσας οπτοπλινθοδομής με σύνθετα υλικά είναι δυνατή η κάλυψη των σύγχρονων αντισεισμικών απαιτήσεων. / One of the many uses of composite materials, either in the form of fiber reinforced plastics "FRP" either in the form of fiber reinforced mortars, is the structural reinforcement of masonry. The composite materials are capable to provide a structural upgrade to a building so that it meats the contemporary eurocode demands. The goal of this master thesis is: 1. to study the possible ways of brick masonry reinforcement and perform experimental studies (so that it become possible to compare the theoretical with the experimental data) 2. the construction of representative experimental specimens that examine end picture the majority of civil masonry constructions end finally the experimental elaboration of these specimens. 3. The selection of the suitable material with witch it is possible end practical the reinforcement of the masonry. 4. The study of the ways that composite materials collaborate with the brick masonry up to the point of destruction end finding a way that the reinforced specimens would have more strength end ductility than the unreinforced ones. 5. The comparison end effectiveness of the specimens reinforced with inorganic matrix (cement mortar) versus the ones reinforced with organic matrix (epoxy resin) end carbon fibers. 6. The application end estimation of the effectiveness of carbon fiber bar reinforcement that is applied near the surface in the bed joints of the masonry specimens with the help of epoxy resin cement mortar. 7. To estimate if it is possible with the help of composite materials to reinforce masonry so that it meats contemporary antiseismic construction demands.