Το θέμα αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι ο σχεδιασμός, η παραγωγή, η κατασκευή και ο έλεγχος ενός χειρουργικού ρομποτικού εργαλείου με βελτιωμένα χαρακτηριστικά από το προηγούμενο πρωτότυπο. Το λαπαροσκοπικό εργαλείο αποτελείται από συνδέσμους σε σειρά οι οποίοι ενεργοποιούνται με μορφομνήμονα καλώδια, οι οποίοι λειτουργούν σαν δυαδικοί ενεργοποιητές με δύο πιθανές καταστάσεις. Κάθε σύνδεσμος αποτελείται από τρεις πρισματικούς ενεργοποιητές, οι οποίοι δημιουργούν μια πλατφόρμα Stewart και παρέχουν μια 3 βαθμών ελευθερίας κινητικότητα σε κάθε σύνδεσμο. Τα ηλεκτρονικά είναι ενσωματωμένα στο εσωτερικό των συνδέσμων, σε αρχιτεκτονική Master-Slave. Η επικοινωνία μεταξύ του χειρούργου και του εργαλείου επιτυγχάνεται με I2C δικτυωμένους μικρο-ελεγχτές, Στον τελευταίο σύνδεσμο του εργαλείου, υπάρχει μια στερεοσκοπική κάμερα και μια πλακέτα IMU η οποία προσφέρει πληροφορίες προσανατολισμού. Επιπρόσθετα, ένα σύστημα αντίληψης δύναμης το οποίο είναι ικανό να επικολληθεί στην επόμενη έκδοση του εργαλείου. Εν κατακλείδι, σχεδιαστικές παράμετροι καθώς και η κινηματική του δυαδικού βραχίονα παρουσιάζεται σε προσομοίωση και πειραματικές μελέτες του λαπαροσκοπικού πρωτότυπου εργαλείου. / The subject of this master thesis is the design, the fabrication, the construction and the control of a surgical robotic tool with improved characteristics than previous version. The laparoscopic tool consists of cascaded links which are powered by Shape Memory Alloys wires, acting as binary actuators with two stable states. Each link is composed of three prismatic actuators, creating a Stewart platform and providing a 3-DOF maneuverability for each joint. The electronics are embedded in the inner cavity of the links in, Master-Slave architecture. The communication between the surgeon and the tool is achieved with I2C-networked microcontrollers. In the distal link of the tool, there is a stereoscopic camera and an IMU board that offers orientation information. Moreover, a Force Sensing System, that is able to be attached to the next version of the current tool. Finally, certain design aspects as well as the kinematics of the binary manipulator are presented simulation and experimental studies on the laparoscopic tool prototype.

Σκοπός της παρούσας ερευνητικής εργασίας ήταν η επιδημιολογική μελέτη των λοιμώξεων από πηκτάση-αρνητικούς σταφυλοκόκκους (CNS) σε ασθενείς με προσθετικά υλικά, όπως ενδαγγειακούς καθετήρες και η σύγκριση με στελέχη που προκαλούν βακτηριαιμία. Συνολικά μελετήθηκαν 168 Staphylococcus epidermidis και 58 S. haemolyticus από βακτηριαιμίες (BSIs, 100 στελέχη) και εντοπισμένες λοιμώξεις σχετιζόμενες με την εφαρμογή προσθετικών υλικών (PDAIs, 126 στελέχη) από ασθενείς του Πανεπιστημιακού Γενικού Νοσοκομείου Πατρών (ΠΓΝΠ) και του Νοσοκομείου Παίδων Πεντέλης (ΝΠΠ). Η πλειοψηφία των στελεχών (89.8%) ήταν ανθεκτικά στην methicillin (MR-CNS) και πολυανθεκτικά (90.7%). Βιομεμβράνη συνέθεταν τα 106/226 στελέχη, ενώ 208 παρήγαγαν β-λακταμάση. Τα γονίδια σύνθεσης προσκολλητινών aap, fnbA και bap βρέθηκαν σε συχνότητα 40.3%, 35.8% και 20.4% αντίστοιχα. Οι S. epidermidis έφεραν τα γονίδια atlE και fbe σε ποσοστά 88.1% και 81%, αντίστοιχα. Από τα γονίδια σύνθεσης τοξινών, συχνότερο ήταν το γονίδιο της τοξίνης τοξικής καταπληξίας tst (8.4%) ενώ τα γονίδια που κωδικοποιούν τις εντεροτοξίνες sea, sec βρέθηκαν μόνο σε μικρό ποσοστό στελεχών S. epidermidis και S. haemolyticus (5.3% και 3.1% του συνολικού πληθυσμού αντίστοιχα). Κανένα στέλεχος δεν έφερε τα γονίδια σύνθεσης των εντεροτοξινών seb και sed. Ο πληθυσμός των στελεχών S. epidermidis έδειξε μεγάλη γενετική ποικιλομορφία, με 67 PFGE τύπους, μεταξύ των οποίων δύο κύριοι τύποι (a, b) με 50 και 36 στελέχη αντίστοιχα. Έλεγχος με MLST ανέδειξε τρεις κύριους κλώνους (ST2, ST5 και ST16) που ανήκαν στο ίδιο κλωνικό σύμπλεγμα (Clonal Complex 2). Τα στελέχη του PFGE τύπου a παρουσίασαν υψηλότερα ποσοστά αντοχής στα αντιμικροβιακά clindamycin, ciprofloxacin, fusidic acid, SXT και στις αμινογλυκοσίδες, ενώ τα στελέχη του τύπου b έφεραν συχνότερα το γονίδιο aap (p=0.049). Τα στελέχη S. haemolyticus παρουσίασαν μικρότερη γενετική ποικιλομορφία, με έναν κύριο PFGE τύπο (h), που περιελάμβανε 44/58 στελέχη (75.9% του συνολικού πληθυσμού). Τα στελέχη CNS από BSIs ήταν συχνότερα ανθεκτικά στην methicillin (p<0.001) και στα υπόλοιπα αντιμικροβιακά (p<0.05), ενώ υπερείχαν και στην παραγωγή biofilm (p=0.003). Αντιθέτως, οι CNS από PDAIs έφεραν συχνότερα τα γονίδια των προσκολλητινών aap (p=0.006) και bap (p=0.045). Σε ένα δεύτερο σκέλος της παρούσας ερευνητικής εργασίας μελετήθηκε ένας πληθυσμός S. lugdunensis από το ΠΓΝΠ (37 στελέχη) και το ΝΠΠ (1 στέλεχος). Ο S. lugdunensis κατέχει ιδιαίτερη θέση μεταξύ των CNS, καθώς μπορεί να μιμηθεί την παθογόνο δράση του S. aureus και να προκαλέσει σοβαρές λοιμώξεις. Είκοσι δύο S. lugdunensis απομονώθηκαν από ασθενείς με λοιμώξεις δέρματος και μαλακών μορίων (Skin and Soft Tissue Infections: SSTIs), εννέα από εν τω βάθει λοιμώξεις (Deep Sited Infections: DSIs), συμπεριλαμβανομένων τριών στελεχών από ασθενείς με βακτηριαιμία, και επτά στελέχη από λοιμώξεις σχετιζόμενες με προσθετικά υλικά, κυρίως ενδαγγειακούς καθετήρες, (PDAIs). Όλα τα στελέχη ήταν ευαίσθητα στην methicillin (MS-CNS), στις αμινογλυκοσίδες (kanamycin, gentamicin), καθώς και στα: ciprofloxacin, rifampicin, teicoplanin, vancomycin, linezolid και daptomycin, ενώ μόνο τέσσερα στελέχη ήταν πολυανθεκτικά. Οι S. lugdunensis της συλλογής μας έδειξαν μικρή γενετική ποικιλομορφία. Τα 38 στελέχη ταξινομήθηκαν σε επτά κλώνους, με δύο κύριους PFGE τύπους (C και D), οι οποίοι περιελάμβαναν 22 και εννέα στελέχη αντίστοιχα. Τα 26 από τα 38 στελέχη έφεραν το οπερόνιο ica, ενώ συνολικά 14 ήταν biofilm-θετικά. Δεν παρατηρήθηκε συσχέτιση της παρουσίας του ica με κάποιο κλώνο, αλλά ούτε και με την παραγωγή βιομεμβράνης. Οι S. lugdunensis από PDAIs ήταν συχνότερα biofilm-θετικοί σε σχέση με τα στελέχη από SSTIs και DSIs, ενώ ο κύριος κλώνος C παρήγαγε biofilm σε μεγαλύτερο ποσοστό από τον D, δεύτερο σε συχνότητα κλώνο. Το γονίδιο fbl ανιχνεύθηκε σε όλα τα στελέχη S. lugdunensis που εξετάστηκαν, επιβεβαιώνοντας την φαινοτυπική ταυτοποίηση σε επίπεδο είδους. Ο επόμενος κατά σειρά συχνότητας παράγοντας παθογένειας που ανιχνεύθηκε ήταν το γονίδιο atlL, το οποίο βρέθηκε σε 36 από τα 38 στελέχη (94.7%). Ακολουθούν οι παράγοντες vwbl και slush, που βρέθηκαν σε 31 (81.6%) και 15 (39.5%) S. lugdunensis, αντίστοιχα. Τα στελέχη από εν τω βάθει λοιμώξεις (DSIs) έφεραν σε μεγαλύτερο ποσοστό τα γονίδια vwbl και slush σε σχέση με αυτά από PDAIs και SSTIs . Ο κλώνος C υπερείχε στην παρουσία του ermC, ενώ τα στελέχη που ανήκαν στον κλώνο D έφεραν σε μεγαλύτερο ποσοστό τα γονίδια vwbl και slush. / Coagulase-negative staphylococci (CNS), especially Staphylococcus epidermidis and S. haemolyticus, have emerged as opportunistic pathogens in patients with low immune response or indwelling medical devices. In the present study, bloodstream (BSIs) and prosthetic-device associated infections (PDAIs) CNS isolates were compared in terms of biofilm formation, antimicrobial resistance, clonal distribution, adhesin and toxin genes carriage. A collection of 226 CNS (168 S. epidermidis and 58 S. haemolyticus) recovered from BSIs (100) and PDAIs (126) of different patients in the Patras tertiary-care University General Hospital (UGHP) and Pentelis Paediatric Hospital in Athens (PPHA), was tested for biofilm formation, antimicrobial susceptibility, mecA, ica operon, adhesin (aap, bap, fnbA, atlE, fbe) and toxin (tst, sea, seb, sec, sed) genes carriage. All CNS were classified into pulsotypes by PFGE, whereas S. epidermidis strains were assigned to sequence types by MLST. In total, 106 isolates (46.9%) produced biofilm, whereas 150 (66.4%) carried ica operon. Most isolates carried mecA and were multidrug resistant (90.7%). The adhesin encoding genes aap, fnbA and bap were identified in 40.3%, 35.8% and 20.4% of the total population, respectively. Genes encoding AtlE and Fbe were found in 88.1% and 81% of S. epidermidis isolates, respectively. CNS recovered from BSIs prevailed in biofilm formation (P=0.003), resistance to antimicrobials and mecA carriage (P<0.001) as compared to isolates derived from PDAIs. CNS from PDAIs carried more frequently aap and bap genes (P=0.006 and P=0.045, respectively). No statistically significant difference in toxin genes carriage was identified (P>0.05). Even though PFGE showed genetic diversity, especially among S. epidermidis, analysis of representative strains from the main PFGE types by MLST, revealed three major clones (ST2, ST5, ST16). A clonal relationship was found concerning antimicrobial susceptibility, ica and aap gene carriage, reinforcing the aspect of clonal expansion in hospital settings. Pathogenesis of BSIs is associated with biofilm formation and high-level antimicrobial resistance, whereas PDAIs are related to the adhesion capability of CNS. In the second part of this study we analyzed a collection of S. lugdunensis isolates recovered from different inpatients hospitalized in UGHP (37 isolates) and PPHA (one isolate) during a six-year period (2008-2013). S. lugdunensis has emerged as a significant human pathogen with distinct clinical and microbiological characteristics. A collection of 38 S. lugdunensis was tested for biofilm formation, antimicrobial susceptibility, clonal distribution, virulence factors (ica operon, fbl, atlL, vwbl, slush) and antibiotic resistance genes (mecA, ermC) carriage. The majority (22) was isolated from skin and soft tissue infections (SSTIs), nine from deep-sited infections (DSIs), including three bacteraemias and seven from PDAIs. All isolates were oxacillin-susceptible, mecA-negative and fbl-positive. The higher resistance rate was detected for ampicillin (50%), followed by erythromycin and clindamycin (18.4%). Fourteen isolates (36.8%) produced biofilm, 26 carried ica operon, but no relation between ica carriage and biofilm formation was identified. Biofilm formation was more frequent in isolates recovered from PDAIs. Thirty six strains (94.7%) carried atlL, 31 (81.6%) vwbl, whereas, slush was detected in fifteen (39.5%). PFGE revealed low level of genetic diversity: strains were classified into seven pulsotypes, with two major clones C and D including 22 and nine strains, respectively. Type C strains, recovered from all infection sites, prevailed in biofilm formation and ermC carriage, whereas, type D strains, associated with SSTIs and DSIs, carried more frequently vwbl, slush or both genes. Despite susceptibility to antimicrobials, clonal expansion and carriage of virulence factors combined with biofilm-producing ability render this species an important pathogen that should not be ignored.

Στην παρούσα εργασία γίνεται μελέτη της χρήσης διηλεκτρικών υλικών για τη βελτίωση των απεικονιστικών ιδιοτήτων της εστιασμένης μικροκυματικής ραδιομετρίας, όπωςείναι η χωρική διακριτική ικανότητα και το βάθος διείσδυσης της ακτινοβολίας. Με τη βοήθεια του λογισμικού HFSS (High Frequency Structure Simulation) το οποίο βασίζεται στη μέθοδο των πεπερασμένων στοιχείων, μελετώνται διάφορες υλοποιήσεις με τη χρήση των διηλεκτρικών. Τοποθετούνται διηλεκτρικά στρώματα βηματικού δείκτη διάθλασης γύρω από το κεφάλι και διηλεκτρικά στρώματα γύρω από την κεραία. Επίσης σε μια άλλη προσέγγιση του προβλήματος, το κεφάλι τοποθετείται σε ομοιογενή σφαίρα διηλεκτρικού ώστε να επιτευχθεί ευκολότερη και πιο αξιόπιστη εστίαση. Τέλος εξετάζεται η περίπτωση λειτουργίας του MiRaIS με τη χρήση κατευθυντήριας κεραίας τεχνολογίας microstrip, αντί για παγκατευθυντικό δίπολο. Σε κάθε προσέγγιση αξιολογούνται και συγκρίνονται τα αριθμητικά αποτελέσματα όλων των συχνοτήτων που δοκιμάζονται (500MHz-2GHz). / -

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρείται μία αντιμετώπιση του προβλήματος της μοντελοποίησης πολυμερών σε πολλαπλές κλίμακες μήκους και χρόνου μέσα από την ανάπτυξη και εφαρμογή νέων αλγορίθμων που, σε συνδυασμό με τους ήδη υπάρχοντες, μπορούν να προσφέρουν μια καθαρή εικόνα για τους δεσπόζοντες μηχανισμούς που καθορίζουν την συμπεριφορά του συστήματος καθώς και να παράσχουν έγκυρες προβλέψεις για τις ιδιότητες δομής, ισορροπίας και διαπερατότητας/φραγής των πολυμερών. / -

Η ανάπτυξη νέων τεχνολογιών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας τα τελευταία χρόνια, έχει γίνει αναγκαία με τη συνεχόμενη περιβαλλοντική ρύπανση και την αλόγιστη σπατάλη των φυσικών πόρων. Οι τεχνολογίες υδρογόνου και ειδικά η παραγωγή υδρογόνου μέσω της διαδικασίας της ηλεκτρόλυσης έχει αρχίσει να κερδίζει σημαντικό έδαφος τα τελευταία χρόνια με τη συνεχιζόμενη ανακάλυψη νέων υλικών, αποδοτικών και με χαμηλό κόστος. Στην παρούσα εργασία θα αναλύσουμε την τεχνολογία παραγωγής υδρογόνου με ηλεκτρόλυση καθώς και την παρασκευή υλικών με τη μέθοδο της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης διμεταλλικών και τριμεταλλικών λεπτών υμενίων μεταβατικών μετάλλων με βάση το Νικέλιο (Ni). Τα κράματα Νικελίου με προσθήκη άλλων μετάλλων όπως Fe, Co, Mo κ.α. έχουν τεράστιο ερευνητικό ενδιαφέρον λόγω των πολύ καλών ηλεκτροκαταλυτικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν όσον αφορά την παραγωγή υδρογόνου, καθώς παρουσιάζουν καλύτερες ιδιότητες και από την Πλατίνα(Pt), που αποτελεί το αποδοτικότερο αλλά και το ακριβότερο μέταλλο που έχει χρησιμοποιηθεί ως καταλύτης για παραγωγή υδρογόνου. Η τεχνολογία της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης λεπτών υμενίων προσφέρει υλικά πορώδη, αποδοτικά, φθηνά και ανθεκτικά σε συνθήκες έντονο αλκαλικού και όξινου περιβάλλοντος. Τα υλικά που παρασκευάσαμε ήταν NiFe, NiFeZn, NiCoZn, NiCoFeZn και NiMoZn. Κύριος στόχος της εργασίας αυτής ήταν η μελέτη των συνθηκών της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης και ο τρόπος με τον οποίο επηρεάζουν τη μορφολογία και τις ιδιότητες των λεπτών υμενίων. Αρχικά μελετήσαμε τα υμένια σε πραγματικές συνθήκες ηλεκτρόλυσης, μετρώντας την παραγωγή υδρογόνου για συγκεκριμένες πάντα συνθήκες. Στη συνέχεια έγιναν μετρήσεις υπερδυναμικού παραγωγής υδρογόνου και από τα δεδομένα αυτά και με τη βοήθεια των διαγραμμάτων Tafel υπολογίσαμε ηλεκτροκαταλυτικούς συντελεστές όπως η πυκνότητα ρεύματος ανταλλαγής και η κλίση Tafel. Τέλος μετρήσεις σε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) και στοιχειακές αναλύσεις (EDX) μας έδωσαν μια πιο ολοκληρωμένη εικόνα για την επίδραση των συνθηκών της ηλεκτροχημικής εναπόθεσης στην μορφολογία της επιφάνειας των λεπτών υμενίων και των ιδιοτήτων τους. Μελετήσαμε τις ηλεκτροκαταλυτικές ιδιότητες ενός νέου υλικού (NiCoFeZn), καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι είναι ένα πολλά υποσχόμενο υλικό για την παραγωγή υδρογόνου και για το λόγο αυτό πρέπει να μελετηθεί εκτενέστερα, καθώς σήμερα χρησιμοποιείται κυρίως ως μαγνητικό υλικό. / The continuous environmental pollution and the depletion of natural resources have brought forward the need for the development of new renewable energy technologies. Hydrogen technologies and especially electrolytic hydrogen production, has gained considerable ground in the recent years due to the discovery of new, efficient and low cost alloy compounds. In this work we analyze the electrolytic hydrogen production and the fabrication of electrodeposited binary and ternary Nickel-based thin film alloys. The addition of the Fe, Co, Mo transition metals in Nickel-based alloys is of great interest in terms of research, because of their great electrocatalytic properties and high hydrogen production. These alloys even surpass Platinum (Pt), which is the most efficient yet also one of the most expensive metal used as hydrogen production catalyst. The electrodeposition of thin film alloys, offers porous, inexpensive and resistive in basic and acidic environment, compounds. The alloys we fabricated were NiFe, NiFeZn, NiCoZn, NiCoFeZn and NiMoZn. Our main goal was to study the electrodeposition process conditions and the manner in which they affect the morphology and the properties of the thin film alloys. At first we studied the electrocatalytic properties of the thin film alloys during the electrolytic production process using the same conditions every time. The next step was to measure the hydrogen production overvoltage and the estimation of electrocatalytic constants such as the exchange current density and the Tafel slope using the Tafel diagrams. Finally SEM micrographs and EDX stoichiometry analysis gave more accurate results on the morphology and the electrocatalytic properties of the thin film alloys. We also studied the electrocatalytic properties of a new compound (NiCoFeZn), which is in fact a very promising compound for the electrolytic hydrogen production. Today the research around this material is mainly focused on its magnetic properties, so a thorough study of its catalytic properties would be of great importance.

Combining good material properties and low weight, composites have become increasingly popular over the past decades among conventional, well-studied engineering materials. With their anisotropic nature and laminated structure allowing for enhanced design potential compared to metals, the widening use of composites in operating structures has turned the need for reliable inspection and condition assessment into an issue of great importance. Unlike metals, failing due to a propagating critical crack, the inhomogeneous and anisotropic nature of composites renders a more complicated behavior: composite structures bear the applied design loads during the entire service life, while damage accumulates. High damage tolerance is thus another important advantage over metals. The main source of damage in a composite is mechanical and/or environmental loading. Several failure mechanisms are encountered during service: matrix cracking, debonding of the fibre-matrix interface, delaminations and fibre breakage are common damage modes. Although this is their actual temporal sequence in general, propagation and coalescence of failure mechanisms are often simultaneous and therefore, damage in the composite can be regarded as the superposition of various failure modes. Damage accumulation, either localized or distributed throughout the volume of the composite, leads to degradation of the composite material mechanical properties. Matrix cracking is one of the major damage mechanisms encountered in FRP composites during service. Although seemingly less critical than delaminations and fibre breakage, propagation and coalescence of matrix cracks precede and promote more severe damage modes. Characteristic consequences of matrix-dominated failure are debondings at the trailing edge or between stiffening components and the skin, in wind turbine rotor blades, and also material degradation due to ingress of fluids, in composite pipes. However, since formation of matrix cracks begins at sub-critical loading stages, appropriate non-destructive tools should contribute to reliable damage assessment throughout service. Aiming to damage assessment in composite materials, non-destructive inspection (NDI) relished rapid and broad development. Acoustic emission and acousto-ultrasonics are listed among well-established NDI techniques. These acoustic methods are able to reflect the integrated damage state of a structure. The scope of this dissertation is NDI assessment of distributed damage in glass/epoxy (Gl/Ep) fibre-reinforced (FRP) composites, using acoustic emission and acousto-ultrasonics. Most research on the use of acoustic methods for non-destructive inspection is concentrated on the detection of localized defects, generated either during fabrication or in-service. A considerable amount of publications is also focused on the more complicated, distributed damage, e.g. due to fatigue. In most cases, however, acoustic emission and acousto-ultrasonics are not suggested as stand-alone tools, but are rather used to indicate qualitative trends or to complement other methods in the investigation of damage progression. Although a common outcome from this approach is that AE and AU signal parameters are, in general, correlated with damage accumulation, no robust models for remaining life or strength prediction have been proposed. Such NDI tools for the assessment of strength degradation, due to fatigue, in fibre-reinforced composites, exclusively via acoustic non-destructive measurements, are proposed in the present work. Reliable engineering models, based on acoustic emission and acousto-ultrasonic measurements, are established and validated in dedicated chapters. Residual strength prediction in composite specimens, featuring matrix cracking due to fatigue, is thus accomplished. This thesis is based on experimental work performed on an improved Gl/Ep composite, used in the manufacturing of new generation wind turbine rotor blades. The work included thorough material characterization as well as a dedicated experimental series aiming to understand, model and assess the axial, transverse and shear strength degradation of the unidirectional composite. Besides preliminary and benchmark testing, the exhaustive experimental schedule included 713 valid mechanical tests. From these 713 specimens, 222 were tested in tension/compression, 236 were subjected to constant-amplitude fatigue loading and 29 to spectrum loading. Another 217 specimens were used to investigate strength degradation due to constant-amplitude loading and 9 due to variable-amplitude loading. To execute this grand experimental plan, our 4-member team occupied 3 testing machines for 52 months. Although scrupulous indeed, the material characterization stage was just a prerequisite for the residual strength experimental task. In common practice, residual strength tests are a combination of a damaging process, e.g. fatigue loading, and a static test to failure. However, the aim of this dissertation was strength degradation assessment using non-destructive techniques. Residual strength tests were thus accompanied with acoustic emission monitoring, stiffness degradation measurements and acousto-ultrasonic scanning. This increased the duration of the experiments at least 4-fold, while rendering the procedure much more complicated. However, a unique database was formed, including data from all discrete steps. This extensive and combined information is a novel contribution in the field of non-destructive inspection. Acoustic emission monitoring and acousto-ultrasonic measurements were herein used to assess material strength degradation due to fatigue-induced matrix cracking. The goal was accomplished with remarkable success and reliable engineering AE and AU-based models were introduced. These validated schemes were based on the largest experimental database so far produced. Moreover, the proposed models were generalized, i.e. applicable in all damage states examined. As obvious this could seem for acousto-ultrasonics, this is not the case regarding acoustic emission measurements. Thus, from the acoustic emission side, this generalization renders an original contribution. AE-based models proved able to assess tensile and also compressive strength degradation. This is another novel achievement. In this thesis, the proposed AE models were superior to the respective descriptor-based AU schemes. However, although performance of the second, using novel descriptors, was more than adequate, wave propagation in the specimen under consideration was also studied. This area failed to produce new descriptors or schemes, however indicated damage-associated qualitative trends in the recorded signals. Several issues related to the acousto-ultrasonic experimental technique were underlined and the complexness of the problem depicted. The experiments presented herein were performed in the frame of EC research project "OPTIMAT BLADES: Reliable Optimal Use of Materials for Wind Turbine Rotor Blades", ENK6-CT-2001-00552. Partial funding was provided by the Greek Secretariat for Research and Technology, F.K. 6660. It is emphasized that no other partner of the OPTIMAT BLADES project, engaged in non-destructive condition assessment, managed to propose successful engineering NDT models. / Συνδυάζοντας καλές μηχανικές ιδιότητες με το χαμηλό τους βάρος, τα σύνθετα υλικά αποδεικνύονται εξαιρετικά δημοφιλή σε σχέση με τα συμβατικά, κατά κόρον χρησιμοποιούμενα υλικά. Με την ανισότροπη φύση και την πολύστρωτη δομή τους να προσδίδουν επιπλέον δυνατότητες στο σχεδιασμό σε σύγκριση με τα μέταλλα, η διευρυνόμενη χρήση συνθέτων υλικών σε κατασκευές καθιστά την αξιόπιστη επιθεώρηση και εκτίμηση της δομικής τους ακεραιότητας ένα θέμα καταλυτικής σημασίας. Σε αντίθεση με τα μεταλλικά υλικά, που αστοχούν εξ’ αιτίας της διάδοσης μιας κρίσιμης ρωγμής, η ανομοιογενής και ανισότροπη φύση των συνθέτων παρουσιάζει πολυπλοκότερη συμπεριφορά: οι κατασκευές από σύνθετα υλικά υπόκεινται στα επιβαλλόμενα φορτία καθ’ όλη την προβλεπόμενη διάρκεια λειτουργίας τους, οπότε και η βλάβη συσσωρεύεται. Η υψηλή ανοχή στη βλάβη αποτελεί ένα επιπλέον πλεονέκτημα σε σύγκριση με τα μέταλλα. Την κύρια αιτία δημιουργίας βλάβης σε ένα σύνθετο υλικό αποτελεί η μηχανική και/ή περιβαλλοντική φόρτιση. Διάφοροι μηχανισμοί αστοχίας απαντώνται κατά τη λειτουργία: η ρηγμάτωση της μήτρας, η αποκόλληση στη διαπιφάνεια ίνας-μήτρας, οι αποκολλήσεις διαδοχικών στρώσεων και η θραύση ινών αποτελούν συνήθεις τρόπους αστοχίας. Παρ’ όλο που αυτή είναι εν γένει και η χρονική τους ακολουθία, η διάδοση και η συνένωση τρόπων αστοχίας είναι συχνά ταυτόχρονες και επομένως η βλάβη σε ένα σύνθετο μπορεί να θεωρηθεί ως η συμβολή διαφόρων μηχανισμών αστοχίας. Η συσσώρευση της βλάβης, είτε τοπική είτε κατανεμημένη στον όγκο του συνθέτου, οδηγεί στην υποβάθμιση των μηχανικών ιδιοτήτων του υλικού. Η ρηγμάτωση της μήτρας αποτελεί έναν από τους κύριους μηχανισμούς αστοχίας που απαντώνται σε ινώδη σύνθετα υλικά κατά τη διάρκεια λειτουργίας τους. Αν και λιγότερο κρίσιμη φαινομενικά από τις αποκολλήσεις στρώσεων και τη θραύση ινών, η διάδοση και συνένωση ρωγμών στη μήτρα προηγείται και επισπεύδει σοβαρότερους τρόπους αστοχίας. Χαρακτηριστικά παραδείγματα συνεπειών της αστοχίας από ρηγμάτωση της μήτρας αποτελούν οι αποκολλήσεις των ενισχυτικών δοκίδων στα πτερύγια ανεμογεννητριών καθώς και η υποβάθμιση του υλικού λόγω εισροής υγρών, σε σωληνώσεις από σύνθετο υλικό. Ωστόσο, αφού η έναρξη δημιουργίας ρωγμών στη μήτρα παρατηρείται σε υποκρίσιμα επίπεδα φορτίου, κατάλληλα μη καταστροφικά εργαλεία αναμένονται να είναι αποτελεσματικά στην αξιόπιστη και έγκαιρη εκτίμηση της συσσώρευσης βλάβης κατά τη λειτουργία. Με σκοπό την εκτίμηση της βλάβης στα σύνθετα υλικά, η ανάπτυξη μη καταστροφικών μεθόδων ελέγχου (ΜΚΕ) ήταν ταχύτατη και ευρεία. Ανάμεσα στις συνήθεις μεθόδους ΜΚΕ συγκαταλέγονται και οι ακουστικές, όπως η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι. Οι μέθοδοι αυτές δύνανται να εκφράσουν τη γενικευμένη δομική ακεραιότητα της κατασκευής. Η διατριβή αυτή αποσκοπεί στην εκτίμηση, με μη καταστροφικούς τρόπους και συγκεκριμένα με τις παραπάνω ακουστικές μεθόδους, της κατανεμημένης βλάβης σε δοκίμια από εποξειδική ρητίνη ενισχυμένη με μακριές ίνες υάλου. Οι περισσότερες έρευνες πάνω στη χρήση ακουστικών μεθόδων ΜΚΕ εστιάζουν στον εντοπισμό τοπικών ατελειών, που δημιουργούνται είτε κατά την παραγωγική διαδικασία είτε κατά τη λειτουργία. Ένας σημαντικός αριθμός εργασιών επίσης αφορά την πολυπλοκότερη, κατανεμημένη βλάβη, παραδείγματος χάριν λόγω κόπωσης. Στις περισσότερες περιπτώσεις, όμως, η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι δεν συνιστώνται ως αυτόνομα εργαλεία, αλλά μάλλον χρησιμοποιούνται για να αναδείξουν ποιοτικές τάσεις ή να συμπληρώσουν άλλες μεθόδους στη διερεύνηση της συσσώρευσης της βλάβης. Αν και ένα σύνηθες συμπέρασμα της προσέγγισης αυτής είναι πως οι χαρακτηριστικές παράμετροι που προκύπτουν από τα σήματα ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων συσχετίζονται εν γένει με τη δομική ακεραιότητα, αξιόπιστα πρότυπα εκτίμησης εναπομένουσας αντοχής ή ζωής δεν έχουν προταθεί. Τέτοια εργαλεία ΜΚΕ για την πρόβλεψη της υποβάθμισης της αντοχής, λόγω κοπωτικής φόρτισης, σε ινώδη σύνθετα υλικά, χρησιμοποιώντας αποκλειστικά μετρήσεις από ακουστικές μεθόδους, προτείνονται στην παρούσα εργασία: αξιόπιστα μηχανιστικά πρότυπα, βασισμένα στις μετρήσεις ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων εμπεδώνονται και αξιολογούνται σε ειδικά αφιερωμένα κεφάλαια. Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται εκτίμηση της εναπομένουσας αντοχής σε δοκίμια από σύνθετο υλικό με ρηγμάτωση της μήτρας λόγω κόπωσης. Το πειραματικό μέρος της εργασίας πραγματοποιήθηκε σε ένα βελτιωμένο σύνθετο από εποξειδική ρητίνη ενισχυμένη με μακριές ίνες υάλου, που χρησιμοποιείται στην παραγωγή πτερυγίων ανεμογεννητριών νέας γενιάς. Περιελάμβανε πλήρη χαρακτηρισμό του υλικού καθώς και μια στοχευμένη πειραματική σειρά με σκοπό την κατανόηση, προσομοίωση και εκτίμηση της υποβάθμισης της αξονικής, εγκάρσιας και διατμητικής αντοχής της μονοαξονικής στρώσης. Εκτός από τις προκαταρκτικές δοκιμές που απαιτήθηκαν, το εκτενές πειραματικό πρόγραμμα αποτελούταν από 713 πειράματα. Από αυτά, 222 ήταν σε στατικό εφελκυσμό/θλίψη, 236 σε κοπωτική φόρτιση σταθερού εύρους και 29 σε φασματική φόρτιση. Επιπλέον, 217 δοκίμια χρησιμοποιήθηκαν στη διερεύνηση της υποβάθμισης της αντοχής λόγω κοπωτικής φόρτισης σταθερού εύρους και 9 λόγω κοπωτικής φόρτισης μεταβαλλόμενου εύρους. Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων, η τετραμελής ερευνητική μας ομάδα απασχόλησε 3 μηχανές δοκιμών για 52 μήνες. Η εκτεταμένη διαδικασία χαρακτηρισμού του υλικού ήταν απαραίτητη στο μετέπειτα έργο της διερεύνησης της εναπομένουσας αντοχής. Σύμφωνα με τη συνήθη πρακτική, τα πειράματα εναπομένουσας αντοχής αποτελούνται από μια διαδικασία εισαγωγής βλάβης, παραδείγματος χάριν μια κοπωτική φόρτιση, και μία στατική δοκιμή έως τη θραύση. Ωστόσο, ο σκοπός της συγκεκριμένης διατριβής ήταν η πρόβλεψη εναπομένουσας αντοχής με μη καταστροφικούς τρόπους. Τα πειράματα, λοιπόν, συνοδεύτηκαν από καταγραφή ακουστικής εκπομπής, μετρήσεις υποβάθμισης της δυσκαμψίας και δοκιμές ακουστο-υπερήχων. Αυτό οδήγησε σε αύξηση του πειραματικού χρόνου τουλάχιστον τετράκις, καθιστώντας ταυτόχρονα την ακολουθούμενη διαδικασία αρκετά πολυπλοκότερη. Δημιουργήθηκε όμως μια μοναδική στο είδος της βάση δεδομένων, περιλαμβάνοντας δεδομένα από όλα τα επιμέρους βήματα. Αυτή η ευρύτατη και συνδυασμένη πληροφορία αποτελεί καινοτόμο συνεισφορά στο πεδίο του μη καταστροφικού ελέγχου. Η ακουστική εκπομπή και οι ακουστο-υπέρηχοι χρησιμοποιήθηκαν, στην εργασία αυτή, στην εκτίμηση της υποβάθμισης της αντοχής του υλικού από ρηγμάτωση στη μήτρα λόγω κοπωτικής φόρτισης. Ο σκοπός επιτεύχθηκε με αξιοσημείωτη επιτυχία με την εισαγωγή αξιόπιστων εμπειρικών προτύπων βασισμένων σε μετρήσεις ακουστικής εκπομπής και ακουστο-υπερήχων. Επιπλέον, τα προτεινόμενα πρότυπα ήταν γενικευμένα, δηλαδή εφαρμόσιμα σε όλες τις επιμέρους περιπτώσεις βλάβης που εξετάστηκαν. Όσο προφανές αυτό φαίνεται στην περίπτωση των ακουστο-υπερήχων, για την ακουστική εκπομπή αποτελεί καινοτόμο συνεισφορά. Επιπρόσθετα, τα πρότυπα ακουστικής εκπομής αποδείχτηκαν ικανά να εκτιμήσουν τόσο την εφελκυστική όσο και τη θλιπτική εναπομένουσα αντοχή των δοκιμίων, πράγμα που επίσης αποτελεί καινοτομία. Στην παρούσα διατριβή, τα προτεινόμενα πρότυπα ακουστικής εκπομπής αποδείχτηκαν ανώτερα σε επίδοση από τα προερχόμενα από μετρήσεις ακουστο-υπερήχων. Ωστόσο, η επίδοση και των δεύτερων, χρησιμοποιώντας νέες χαρακτηριστικές παραμέτρους, ήταν πολύ ικανοποιητική. Στο πλαίσιο αυτό μελετήθηκε επίσης η κυματική διάδοση στο υπό εξέταση δοκίμιο. Από το πεδίο αυτό δεν προέκυψαν νέες παράμετροι ή πρότυπα, όμως από την ανάλυση των καταγεγραμμένων σημάτων διαπιστώθηκαν ποιοτικές τάσεις σχετικές με τη συσσωρευμένη βλάβη. Αρκετά θέματα υπογραμμίστηκαν αναφορικά με το πειραματικό σκέλος των δοκιμών ακουστο-υπερήχων και τονίστηκε η πολυπλοκότητα του προβλήματος. Οι δοκιμές που παρουσιάζονται εδώ πραγματοποιήθηκαν στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού ερευνητικού προγράμματος "OPTIMAT BLADES: Reliable Optimal Use of Materials for Wind Turbine Rotor Blades", ENK6-CT-2001-00552. Μερική χρηματοδότηση δόθηκε από τη Γενική Γραμματεία Έρευνας & Τεχνολογίας, Φ.Κ. 6660. Επισημαίνεται πως κανείς από τους συνεργάτες του προγράμματος οι οποίοι εφάρμοσαν τεχνικές ΜΚΕ, δεν κατόρθωσε να προτείνει οποιοδήποτε συναφές πρότυπο.

Η συνεχώς αυξανόμενη χρήση σύνθετων υλικών στην αεροδιαστημική βιομηχανία στις κρίσιμες δομικές εφαρμογές έχει οδηγήσει στην ανάγκη ανάπτυξης μη καταστροφικών μεθόδων βλάβης. Οι έως τώρα χρησιμοποιούμενες μέθοδοι για την παρακολούθησης βλάβης όπως είναι η ενσωμάτωση πιεζο-κεραμικών αισθητήρων και οπτικών ινών σε σύνθετες κατασκευές έχουν ως αποτέλεσμα την συγκέντρωση υψηλών τάσεων και ροών στην κατασκευή. Η παρούσα διατριβή αποτελεί μια πρωτότυπη προσπάθεια στη ευρύτερη επιστημονική και τεχνολογική κατεύθυνση της ενσωμάτωσης της νάνο-τεχνολογίας στο τομέα σχεδιασμού και κατασκευής νέων συνθέτων υλικών. Πρωταρχικός στόχος είναι η επίτευξη αυξημένων δυνατοτήτων για αποτελεσματική παρακολούθηση της αναπτυσσόμενης βλάβης στο υλικό και κατά προέκταση ελέγχου της δομικής ακεραιότητας των κατασκευών τους. Στο πλαίσιο αυτής της προσπάθειας προτείνεται η καινοτόμα ιδέα της αξιοποίησης των νάνο-σωληνίσκων άνθρακα ως εμποτισμένους αισθητήρες βλάβης μέσα σε συμβατικά ινώδη σύνθετα υλικά άνθρακα με απώτερο στόχο τον καλύτερο μη καταστροφικό έλεγχο της βλάβης με τη μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης. Οι εξαιρετικά αγώγιμοι ΝΣΑ όταν εμποτιστούν σε πολυμερή (κύρια υλικά μήτρας συνθέτων υλικών) δημιουργούν ένα ηλεκτρικό δίκτυο (percolation network) το οποίο παρέχει την δυνατότητα αγωγής ηλεκτρικού φορτίου αυξάνοντας πολλές τάξεις μεγέθους την αγωγιμότητα του πολυμερούς. Η παρουσία του προαναφερθέντος ηλεκτρικού δικτύου ταυτόχρονα με αυτό των αγώγιμων ινών άνθρακα σε σύνθετα υλικά όπου η μήτρα έχει εμποτιστεί με ΝΣΑ αναμένεται να αυξήσει άμεσα ή έμμεσα τη διακριτική ικανότητα ανίχνευσης της βλάβης μέσω της μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης. Αρχικά έγινε η επιλογή των υλικών και της διαδικασίας παραγωγής με βάση την υπάρχουσα βιβλιογραφία. Μια τυποποιημένη ρητίνη αεροδιαστημικών εφαρμογών επιλέχθηκε ως υλικό εποξικής μήτρας και χρησιμοποιήθηκε σε όλη τη διάρκεια της εργασίας, όπως αντίστοιχα ο τύπος και οι προδιαγραφές των ανθρακονημάτων που αποτέλεσαν την ινώδη ενίσχυση άνθρακα. Επίσης από την υπάρχουσα βιβλιογραφία διερευνήθηκαν οι διαθέσιμοι τύποι και είδη νάνο-σωληνίσκων άνθρακα (ΝΣΑ) και έγινε η επιλογή τους βάση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους. Η ερευνητική μεθοδολογία που ακολουθήθηκε στην συνέχεια για την επίτευξη του παραπάνω στόχου μπορεί να χωριστεί σε δύο φάσεις. Στην πρώτη φάση έλαβε χώρα η διερεύνηση και ο προσδιορισμός των καταλληλότερων διαδικασιών/ μεθοδολογιών για ενσωμάτωση των ΝΣΑ στην εποξική μήτρα, που αποτελεί σημαντικό παράγοντα της ποιότητας της διασποράς και ως εκ τούτου της επίτευξης βέλτιστης ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Στο στάδιο αυτό, αναζητήθηκαν στη βιβλιογραφία όλες οι υπάρχουσες τεχνικές ανάμιξης και αναγνωρίστηκαν οι βασικές παράμετροι που επηρεάζουν τη διαδικασία. Πιο συγκεκριμένα το ιξώδες του συστήματος (ρητίνη+ΝΣΑ), ο χρόνος και η θερμοκρασία της ανάδευσης και η χημική τροποποίηση των ΝΣΑ αποτέλεσαν ορισμένες από τις παραμέτρους που εξετάστηκαν. Η αξιολόγηση της ποιότητας των μίξεων έγινε με κριτήριο την επίτευξη βέλτιστης ηλεκτρικής αγωγιμότητας μέσω μετρήσεων AC και DC σε συνδυασμό με την χρήση SEM. Μία από τις βέλτιστες τεχνικές ανάδευσης επιλέχθηκε στη συνέχεια για τη μελέτη της επίδρασης της περιεκτικότητας σε ΝΣΑ στην ηλεκτρική αγωγιμότητα της εποξικής ρητίνης σε ένα εύρος περιεκτικοτήτων από 0-1% κ.β. Μέσω αυτής της μεθόδου προσδιορίστηκαν το «κατώφλι διήθησης» ή αλλιώς η κρίσιμη περιεκτικότητα καθώς και η βέλτιστη περιεκτικότητα των ΝΣΑ σε εποξική ρητίνη. Η πρώτη φάση ολοκληρώθηκε με τον ηλεκτρομηχανικό χαρακτηρισμό των νάνο-ενισχυμένων με ΝΣΑ πολυμερών μέσω της μέτρησης της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης κατά την παραμόρφωσή τους υπό (α) την επίδραση μόνο-αξονικού ψευδό-στατικού εφελκυστικού φορτίου και (β) την υποβολή εναλλασσόμενου εφελκυστικού φορτίου ως Κυκλική Φόρτιση Αποφόρτιση-Επαναφόρτιση. Η πειραματική μακροσκοπική συμπεριφορά κατέδειξε ενδιαφέρουσα συμπεριφορά που δεν απαντάται σε προγενέστερα αγώγιμα πολυμερή (πχ. Carbon Black, Carbon -Nano-Fibers κτλ.). Στην δεύτερη φάση η έρευνα επικεντρώθηκε στη παρασκευή και στον ηλεκτρομηχανικό χαρακτηρισμό των ινωδών συνθέτων υλικών, όπου η μήτρα είναι η προαναφερθείσα τροποποιημένη με ΝΣΑ. Πρώτο βήμα αποτέλεσε η μελέτη της επίδρασης της παρουσίας και ειδικότερα της περιεκτικότητας των ΝΣΑ στην εποξική μήτρα στην ανισότροπη ηλεκτρική αγωγιμότητα τέτοιων υλικών. Αρχικά επιλέχθηκε ένας ισχυρά ανισότροπος τύπος, αυτός του πολύστρωτου συνθέτου μονής διεύθυνσης (unidirectional CFRP) [0]16. Στο πλαίσιο αναπτύχθηκαν με χρήση της με CFRPs [0]16 με μήτρα τριών διαφορετικών περιεκτικοτήτων σε ΝΣΑ 0% (υλικό αναφοράς), 0.5% και 1% κ.β. Τα δοκίμια που προέκυψαν υποβλήθηκαν σε ηλεκτρομηχανικό χαρακτηρισμό σε (α) μονο-αξονικό ψευδό-στατικό εφελκυσμό και σε (β) Κυκλική Εφελκυστική Φόρτιση-Αποφόρτιση-Επαναφόρτιση. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τις αρχικές εκτιμήσεις και η παρουσία των ΝΣΑ αυξάνει την ευαισθησία της ηλεκτρικής απόκρισης με την εφαρμοζόμενη φόρτιση. Στη συνέχεια, έχοντας αποδείξει ότι η παρουσία των ΝΣΑ έχει θετική επίδραση στην ηλεκτρική παρακολούθηση της βλάβης ακολούθησε η μελέτη της ηλεκτρομηχανικής απόκρισης σε συνθήκες κόπωσης, που αντιπροσωπεύει και τον πιο διαδεδομένο τύπο φόρτισης στις κατασκευές από σύνθετα υλικά. Επίσης για τα ίδια δοκίμια μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας AC και DC έδειξαν πως η παρουσία των ΝΣΑ στην μήτρα μειώνει την ανισοτροπία του υλικού ως προς αυτή την ιδιότητα. Συνέχεια της παραπάνω έρευνας αποτέλεσε η ανάπτυξη ψευδό- ισότροπων ινωδών σύνθετων υλικών CFRPs [0,+45,90,45]nS (τυπική σύνθετη δομή αεροπορικών κατασκευών) μήτρας εποξικής ρητίνης και εμποτισμένης εποξικής ρητίνης με ΝΣΑ περιεκτικότητας 0.5% κ.β. στην παρούσα φάση εκτός από τα προαναφερθέντα πειράματα κατά κύριο λόγω διερευνήθηκε η ηλεκτρομηχανική απόκριση του υλικού σε κόπωση. Η συχνότητα της κόπωσης παρέμεινε σταθερή, όπως και ο λόγος της ελάχιστης εφαρμοζόμενης τάσης προς την μέγιστη (λόγος R), ενώ εξετάστηκαν τρία (3) διαφορετικά επίπεδα φόρτισης (Stress levels) με σκοπό την μελέτη πιθανή εξάρτησης της ηλεκτρομηχανικής απόκρισης. Παράλληλα καταγράφηκε και η θερμοκρασία του υλικού για την αφαίρεση τυχόν επιδράσεων της στη απόκριση της ηλεκτρικής αντίστασης. Ταυτόχρονα, χρησιμοποιήθηκε σύστημα ακουστικής εκπομπής με απώτερο στόχο την συσχέτιση των μετρήσεων των 2 τεχνικών ΜΚΕ. Η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων έδειξε ότι η συμπεριφορά των ψευδους ισότροπων συνθέτων υλικών σε σχέση αυτής των μονής διεύθυνσης και αυτής των ορθότροπων υλικών εμπεριέχει πιο σύνθετη απόκριση λόγω της ύπαρξης των [45ο] στρώσεων. Παράλληλα, η ηλεκτρική απόκριση τους συσχετίστηκε με τις μετρήσεις της υποβάθμισης του μέτρου ελαστικότητας αλλά και τις μετρήσεις της ακουστικής εκπομπής επιβεβαιώνοντας «ηλεκτρικά» χαρακτηριστικές περιοχές βλάβης. Βάση αυτών των παρατηρήσεων έγινε μια απόπειρα μελέτης της δυνατότητας πρόγνωσης της τελικής αστοχίας μέσω της μετρούμενης ηλεκτρομηχανικής απόκρισης με πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Προς σε αυτή τη κατεύθυνση, η παρουσία των ΝΣΑ έδειξε μια πιο ομαλή ηλεκτρομηχανική συμπεριφορά που βελτιστοποιεί την αξιοπιστία της πρόβλεψης, παρατήρηση που αποτελεί και την ολοκλήρωση του κύριου όγκου έρευνας της παρούσας διδακτορικής εργασίας. / The increasing usage of composite materials in the aerospace industry in critical structural applications has proved the need for health monitoring of those structures. In the past piezo-ceramic particles and optic fibres have been integrated into composite structures so as to serve as health monitoring sensors but they introduced flaws and high stress concentration to the structures. In the current PhD thesis a different approach was used; to use the material itself as an inherent structural monitoring sensor. In order to achieve that the matrix material of the epoxy reinforced composite has to be doped with Carbon Nanotubes (CNTs). Carbon nanotubes are reported to have excellent mechanical, thermal and electrical properties. The CNTs have to be dispersed into the epoxy matrix and above certain per weight percentage into the matrix where they form a conductive percolating network. By monitoring the changes of the electrical resistivity of this network is possible to track any load, strain or even damage stages of the material. In other words a step towards a multifunctional material is made since an enhancement also in the mechanical properties is expected from the presence of the CNTs. At the first chapters of the PhD an extensive evaluation of the dispersion method takes place. Different times and speeds of the high-shear mechanical device that was used for the dispersion of the Multi-Wall CNTs (MWCNTs) into the epoxy polymer are evaluated via electrical measurements (both DC and AC) along with SEM investigations. The next step involved the investigation on the % p.wt of the CNTs into the polymer matrix ranging from 0-1%. With this method both the optimum CNT concentration and the percolation network were established. Beside the aforementioned tests, tensile tests with on line Electrical Resistivity Changes Measurement (ERCM) along the loading axis, took place using a digital multimeter. The tensile tests were both quasi static and loading-unloading. It was proved that the load-strain variation can be tracked for the nano-doped polymers. The percolation threshold for the given system was calculated for both AC and DC to be above 0.3% p.wt and that the optimum CNT content was established at 0.5% while at 0.1% the CNTs tended to behave as flaws due to the large number of agglomerations. The next chapter describes the work of using the conclusion of the previous chapter to manufacture unidirectional CFRPs with aerospace epoxy matrix with 0,0.1,0.5 and 1% p.wt CNT. The CFRP were manufactured by wet lay-up and autoclave methods. The specimens were subjected to both quasi static and loading-unloading tensile test with on-line ERCM. The nano-enhanced composites proved to have inherent sensing abilities and as the CNT content increased the more sensitive the load monitoring was. Moreover, for the loading-unloading tests (5 cycles) it was noted that the nano-composites were able to track the initial damage of the coupons by irreversible ERCM changes. The AC and DC conductivity was also measured and it was proved that the presence of the CNTs in the matrix reduce the electrical anisotropy of the composite. The 0.5 % p.wt CNTs into the epoxy matrix proved to be the optimised content for FRP manufacturing since not only proved to give very good all overall results but also it is easier to manufacture when compared with 1% (high viscosity). Further in the research two quasi-isotropic CFRPs were manufactured as above with 0 and 0.5% CNTs. The quasi lay-up was chosen so as to be representative of a typical aerospace structural component. Besides the aforementioned tensile tests with ERCM, the main investigation took place on tension-tension fatigue tests with ERCM. In this case due to the nature of the samples (many fiber contacts) the differences in the ERC measurements were not as obvious as before, but by further mathematically-statistically analyzing the results a model of estimation of fatigue life life is presented. The principal of health monitoring of composite structures enhanced with CNTs, was also proved for cross-ply Kevlar FRPs (KFRPs) with 1% p.wt in the matrix material and with the same amount of CNTs in gramms in as received form spread by hand at the mid-plane. Finally one can highlight the results of the current PhD thesis as follows: the principle of manufacturing and testing a multi-functional composite material with the use of CNTs has been proved. The dispersion of the nano-fillers took place using a high shear mixing device and the parameters were optimised. The percolation threshold was calculated above 0.3% p.wt and wt and that the optimum CNT content was established at 0.5% while at 0.1% the CNTs tended to behave as flaws due to the large number of agglomerations. The nano-reinforced polymers became semi-conductors and showed the ability to track load-starin variation via ERCM. The nano-reinforced polymer was used as matrix materials for CFRPs. The optimum CNT contents was established at 0.5% p.wt. The presence of CNTs not olny improved the mechanical properties but also provided to the materials sensing abilities via ERCM on several load cases i.e.tensile and fatigue. The proof of concept was also demonstrated using KFRPs.

Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από δυο ή περισσότερα υλικά συνδεδεμένα μακροσκοπικά, έτσι ώστε να προκύπτει ένα πολυφασικό σύστημα με φυσικές ιδιότητες διαφορετικές από αυτές των αρχικών υλικών. Τα επιμέρους υλικά δεν είναι διαλυτά το ένα στο άλλο και μπορούν να αναμιχθούν μεταξύ τους με ελεγχόμενο τρόπο και με καθορισμένες αναλογίες, ενώ είναι και μηχανικά διαχωρίσιμα. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από δυο φάσεις, τη μητρική και τη φάση ενίσχυσης. Η μήτρα περικλείει τα εγκλείσματα και αποτελεί τη φάση του συστήματος, η οποία δίνει στο σύνθετο την εξωτερική του μορφή. Ο ρόλος της είναι να μεταφέρει τις μηχανικές τάσεις μέσα στο σύνθετο υλικό, να τις κατανέμει ομοιόμορφα ανάμεσα στα εγκλείσματα αλλά και να τα προστατεύει από τις περιβαλλοντικές συνθήκες. Τα διάφορα εγκλείσματα αποτελούν την ενισχυτική φάση του σύνθετου συστήματος και ποικίλουν σε μέγεθος, γεωμετρία και σύσταση. Στην παρούσα εργασία ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιήθηκε το ZnO. Το ZnO είναι ένας ημιαγωγός ευρέως χάσματος με μια μη κεντρική συμμετρική δομή κρυστάλλου Βουρτσίτη (Wurtzite) εξαγωνικού πλέγματος Bravais. Ως προπολυμερές για την παρασκευή των δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκε εποξειδική ρητίνη. Η συγκεκριμένη ρητίνη είναι ένα τυπικό μονωτικό πολυμερές χαμηλού ιξώδους και η διηλεκτρική της σταθερά καθώς και η αγωγιμότητα της δεν διαφέρουν σημαντικά από τις αντίστοιχες τιμές του ZnO. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός υλικών καθαρής ρητίνης και σύνθετων συστημάτων ρητίνης-κεραμικού ZnO σε διάφορες συγκεντρώσεις, από 10phr έως 70phr. Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των σύνθετων αυτών, εφαρμόστηκε η τεχνική της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος (BDS-Broadband Dielectric Spectroscopy) στην περιοχή συχνοτήτων από 0.1 Hz έως 1 ΜHz, με χρήση της γέφυρας εναλλασσόμενου Alpha-N της εταιρίας Novocontrol. Η κυψελίδα μετρήσεων που χρησιμοποιήθηκε ήταν η BDS 1200 της ίδιας εταιρίας. Τα δείγματα μελετήθηκαν σε θερμοκρασίες από –100 ºC έως 150 ºC. Τα φαινόμενα διηλεκτρικής χαλάρωσης που καταγράφονται στην παρούσα εργασία περιλαμβάνουν συνεισφορές τόσο από την πολυμερική μήτρα όσο και από την ενισχυτική φάση. Για την παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων διακρίνονται δυο περιοχές θερμοκρασιών. Στην περιοχή των χαμηλών θερμοκρασιών, από –100 ºC έως 20 ºC, καταγράφονται σε όλα τα δείγματα οι διεργασίες β-, γ-χαλάρωσης. Οι διεργασίες αυτές αποδίδονται σε περιορισμένες τοπικές κινήσεις τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας (γ-χαλάρωση) και σε επαναπροσανατολισμό πλευρικών τμημάτων της πολυμερικής αλυσίδας (β-χαλάρωση). Στα σύνθετα δείγματα, σε θερμοκρασία πάνω από τους –30 ºC, εμφανίζεται και η διεργασία χαλάρωσης FDE η οποία αποδίδεται στην ύπαρξη του πληρωτικού μέσου. Στην περιοχή των υψηλών θερμοκρασιών, από +20 ºC έως +150 ºC, εμφανίζεται σε όλα τα δείγματα, στην περιοχή των ενδιάμεσων συχνοτήτων, η α-χαλάρωση. Στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων, και μόνο στα σύνθετα δείγματα, καταγράφεται το φαινόμενο MWS το οποίο είναι ασθενές λόγω της χαμηλής ηλεκτρικής ετερογένειας μεταξύ των φάσεων του συστήματος. Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων παρουσιάζεται η διεργασία χαλάρωσης FDE η οποία γίνεται εντονότερη καθώς αυξάνεται η συγκέντρωση του πληρωτικού μέσου. Για όλες τις συγκεντρώσεις, παρατηρείται ότι η εξάρτηση της διεργασίας της α-χαλάρωσης από τη θερμοκρασία περιγράφεται από την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VTF) ενώ η διεργασία χαλάρωσης FDE, παρουσιάζει εξάρτηση από τη θερμοκρασία, η οποία ακολουθεί την εξίσωση Arrhenius. Για τις διεργασίες της α-χαλάρωσης και του FDE στις υψηλές θερμοκρασίες, υπολογίζονται οι ενέργειες ενεργοποίησης. Στην εξάρτηση του πραγματικού μέρους της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσόμενου , από τη συχνότητα, διακρίνονται τρεις περιοχές. Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων η ηλεκτρική αγωγιμότητα αυξάνεται σχεδόν γραμμικά συναρτήσει της συχνότητας ακολουθώντας τον νόμο της παγκόσμιας διηλεκτρικής απόκρισης ( ). Στην ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων παρατηρούνται μεταβολές στην τιμή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας οι οποίες αποδίδονται στην ύπαρξη διάφορων διεργασιών χαλάρωσης. Στην περιοχή των χαμηλών συχνοτήτων, η ηλεκτρική αγωγιμότητα τείνει προς μια σταθερή τιμή. Αυτή αντιστοιχεί στην αγωγιμότητα συνεχούς ( ) και αυξάνεται συναρτήσει της θερμοκρασίας ακολουθώντας την εξίσωση Vogel-Tamman-Fulcher (VTF). / Polymer matrix – ZnO composites were prepared, in different filler concentrations. Polymer matrix samples were also prepared and investigated as reference. The dielectric response of all samples was studied by means of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS), over a wide temperature range from -100 ºC to 150 ºC and in the frequency range from 10-1 Hz to 1MHz. The results are discussed using the common formalism of ε΄(f), ε΄΄(f) and M΄(f), M΄΄(f). The recorded dielectric processes include contributions from both the polymeric matrix and the presence of the reinforcing phase. The dielectric spectrum exhibits distinct relaxation modes which are attributed (i) to the glass-rubber transition, associated with motions of main chain segments of the polymeric matrix, namely -relaxation, (ii) faster processes related to the local motion of polar side groups, namely -relaxations, (iii) interfacial polarization phenomena known as Maxwell – Wagner – Sillars effect and (iv) possible polarization related to the ferroelectric nature of ZnO. In order to investigate the influence of the reinforcing phase in the dielectric response of the composite materials, all dielectric processes as well as the electrical conductivity are analyzed and discussed as a function of filler concentration.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της επίδρασης της θερμικής κόπωσης στη μηχανική συμπεριφορά κοκκωδών συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας ενισχυμένης με κόκκους ελαιοπυρήνα υπό μορφή σκόνης. Τα σύνθετα υλικά που κατασκευάσθηκαν μελετήθηκαν πειραματικά και τα αποτελέσματα αναλύθηκαν και προβλέφθηκαν θεωρητικά. Αρχικά πραγματοποίηθηκε η κατασκευή των συνθέτων υλικών σε διάφορες περιεκτικότητες σε κόκκους ελαιοπυρήνα. Από τον μηχανικό χαρακτηρισμό με στατικά πειράματα κάμψης τριών σημείων όλων των συνθέτων υλικών που κατασκευάστηκαν, διαπιστώθηκε η ενισχυτική ικανότητα του ελαιοπυρήνα σε μορφή σκόνης όταν αυτή χρησιμοποιείται ως υλικό ενίσχυσης για την κατασκευή συνθέτων υλικών. Ενώ, στη συνέχεια μελετήθηκε και η επίδραση της θερμικής κόπωσης στη μηχανική συμπεριφορά των συνθέτων υλικών που κατασκευάστηκαν. Τέλος, εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικά μοντέλα πρόβλεψης του μέτρου ελαστικότητας συναρτήσει της περιεκτικότητας καθώς και της εναπομείνουσας αντοχής και δυσκαμψίας συναρτήσει των κύκλων θερμικής κόπωσης και έγινε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τις αντίστοιχες προβλέψεις. Από τη σύγκριση αυτή παρατηρούμε ότι τα θεωρητικά μοντέλα που εφαρμόστηκαν που είναι το Μ.P.M (Modulus Predictive Model) και το R.P.M (Residual Properties Model) έδωσαν πολύ καλές προβλέψεις για την μεταβολή των ιδιοτήτων. Σαν γενικό συμπέρασμα από την παρούσα εργασία προκύπτει το γεγονός ότι το φθηνό και ελαφρύ υλικό του ελαιοπυρήνα μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά σαν υλικό ενίσχυσης ρητινών με πολύ καλά αποτελέσματα ενίσχυσης. / The aim of the present master thesis is to investigate the effect of thermal fatigue on the mechanical properties of particulate composites reinforced with olive pit’s powder. The composites materials that have been manufactured were investigated both; experimentally and theoretically. First, we manufactured composites reinforced with olive pits at different volume fractions of the filler particles. From the mechanical characterization of the materials investigated by means of static three-point bending experiments. It was found that the olive pits can reinforce the mechanical properties of composites materials when used as reinforced fillers. Next, the effect of thermal fatigue on the mechanical behaviour of the composites materials was investigated and theoretical predictions for their properties with and without thermal fatigue were made. More precisely, the Μ.P.M (Modulus Predictive Model) and the R.P.M (Residual Properties Model) models have been applied. A fair aggreement between experimental findings and theoretical predictions was found in all cases.

Η διατριβή αποσκοπεί στην ανάπτυξη κατάλληλης μεθοδολογίας και των αντίστοιχων υπολογιστικών εργαλείων με σκοπό τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας κατασκευών από σύνθετα υλικά, όταν λαμβάνεται υπόψη όχι μόνο η στοχαστικότητα της φόρτισης και των ιδιοτήτων αντοχής του ορθότροπου υλικού, αλλά και η μεταβλητότητα των ελαστικών του ιδιοτήτων και των συντελεστών θερμικής διαστολής. Ταυτόχρονα, στόχος της εργασίας είναι η μέθοδος που θα αναπτυχθεί να είναι ευκολόχρηστη και αρκετά ακριβής, ώστε να καταστεί πρακτική για χρήση σε σχεδιασμό τέτοιων κατασκευών όπου μέχρι το τελικό αποτέλεσμα απαιτούνται πολλές επαναληπτικές δοκιμές. Στην εργασία διερευνάται η μεταβλητότητα των μηχανικών ιδιοτήτων συνθέτων υλικών, κυρίως αυτών που χρησιμοποιούνται στην κατασκευή πτερυγίων Ανεμογεννητριών, η στατιστική μοντελοποίηση της, καθώς και μέθοδοι για τον προσδιορισμό της αξιοπιστίας της κατασκευής. Επικεντρώνοντας το ενδιαφέρον στον δομικό σχεδιασμό πτερυγίων ανεμογεννητριών αναπτύχθηκε κατάλληλο υπολογιστικό εργαλείο για την εκτίμηση της αξιοπιστίας του πτερυγίου υπό στατική φόρτιση, στο επίπεδο της στρώσης του υλικού λαμβάνοντας υπόψη την στοχαστικότητα των ελαστικών-θερμικών ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων αντοχής του υλικού, ενώ από την πλευρά της φόρτισης περιλαμβάνεται η μεταβλητότητα τόσο των ορθών τάσεων όσο και των διατμητικών τάσεων που αναπτύσσονται στο επίπεδο της στρώσης, ξεκινώντας από την στοχαστικότητα της εξωτερικής φόρτισης του πτερυγίου. Οι προτεινόμενες μέθοδοι εκτίμησης της πιθανότητας αστοχίας του πτερυγίου ανεμογεννήτριας αποδεικνύονται εφαρμόσιμες και σε άλλες κατασκευές από σύνθετα υλικά, με κύριο γνώρισμά τους την παραλαβή της φόρτισης σε μεγάλο βαθμό από το σύνθετο υλικό. / The dissertation aim was to develop a suitable methodology and the relevant numerical tools for the determination of the reliability of composite materials structures, when not only the variability of loading and the orthotropic material strength properties but also the variability of the material's elastic properties and thermal expansion coefficients. In parallel, scope of the work is to develop a method that is easily applicable and relative accurate, so as to be practical for use during the design of such structures, for which a large numbers of iterations is required up to the design final solution. In the current work the variability of the mechanical properties of composite materials, focusing on materials used for manufacturing wind turbine blades, is studied, the statistical modeling of the structure, as well as methods for the estimation of the structural reliability. Concentrating the interest in the structural design of wind turbine blades an adequate numerical tool was developed for the estimation of the wind turbine blade reliability under static loading, at the layer level, taking into account the stochastic material elastic properties, thermal expansion coefficients and strength properties, while on the loading side both the variability of normal and shear stresses which are developed at the layer level is taken into consideration, starting at the variability of the blade's external loading. The proposed methods developed for the failure probability estimation of the wind turbine blade are proved applicable to other composite material structures, as well, for cases where the structural load is undertaken in the largest extend by the composite material.