- / -

Dans le domaine de l'électronique souple, les substrats flexibles à base de polymères sont de plus en plus utilisés. Si dans les prochaines années, les structures de propagation mises en œuvre sur ce type de substrat véhiculent une puissance, alors la connaissance de la conductivité thermique de ces matériaux est essentielle. Dans ce travail, nous mesurons la conductivité thermique de matériaux de type polymère en utilisant la méthode 3 omégas. Des mesures ont été effectuées sur du polydiméthylsiloxane (PDMS). Un procédé technologique particulier est utilisé pour la fabrication des échantillons de PDMS. De ce fait, les conducteurs métalliques sont encapsulés dans le polymère et non en surface de ce dernier. Mais cela est sans conséquence sur les valeurs de conductivité thermique mesurées. Les procédés photolithographiques utilisés traditionnellement pour réaliser les lignes métalliques sont coûteux et longs. Par conséquent, nous proposons pour ce type de matériaux une méthode alternative pour la réalisation des lignes conductrices grâce à la technologie d'impression par jet d'encre. Les conductivités thermiques du polyimide et polyétheréthercétone ont été mesurées en utilisant la méthode 3omega combinée à la technologie d'impression par jet d'encre.Des simulations numériques basées sur la méthode des éléments finis ont été développées au cours de la thèse. Les mesures expérimentales obtenues sont comparées aux résultats obtenus par une solution analytique et par notre modélisation numérique.Ainsi durant cette thèse nous montrons avec succès la possibilité d'utiliser la technologie d'impression jet d'encre pour mesurer la conductivité thermique d'un substrat souple. / The characterization of polymers is gaining a great attention as they are one of the main constituents of future flexible or organic electronics. Given the fact that thermal management is an important issue in the frame work of flexible electronics, the knowledge of the thermal conductivity of polymer materials is needed. In this work, we propose the measurement of polymer material thermal conductivity using the three omega method. This method requires heating a metallic line conductor placed on the surface of the material under test by an alternating current source. The first measurements were done on polydimethyl siloxane (PDMS) polymer material for which a special procedure that consists in embedding the metallic line conductors near the surface has been applied.In addition to the well-known limitations of photolithography process which are the cost and the process duration, a particular concern lies in the fabrication of the metallic conductors by such process which might be destructive in case of polymer materials. Consequently, we propose an alternative method for this kind of materials based on inkjet printing technology. The thermal conductivities of polyimide and polyetherether ketone have been successfully measured using the three omega method combined with inkjet printing technology for sample preparation. Numerical simulations using finite element method (FEM) are also performed. Finally, experimental measurements are compared to Cahill’s analytical solution and FEM modelling. The overall results demonstrate that the inkjet printing technology is a good candidate for the characterization of flexible materials in terms of thermal conductivity.

- / -

- / -

Τα νανοϋλικά και κατ' επέκταση τα νανοσύνθετα υλικά, έχουν προσελκύσει τόσο το επιστημονικό όσο και το βιομηχανικό ενδιαφέρον. Σήμερα, τα νανοσύνθετα υλικά είναι αρκετά διαδεδομένα και χρησιμοποιούνται από όλους τους κλάδους της επιστήμης, όπως οργανική χημεία, μοριακή βιολογία, βιοϊατρική και επιστήμη των υλικών. Τα νανοσωματίδια παρουσιάζουν μεγάλη επιφάνεια επαφής, πράγμα που επηρεάζει τη φυσική, χημική και βιολογική συμπεριφορά τους. Επομένως, αυτή η κλίμακα είναι μοναδική, αφού καθίσταται δυνατή η αλλαγή σε θεμελιώδεις ιδιότητες των υλικών. Τα τελευταία χρόνια η εμφάνιση των πολυμερικών συνθέτων νανοϋλικών είχε σαν αποτέλεσμα την αντικατάσταση των μετάλλων σε πολλές τεχνολογικές και κατασκευαστικές εφαρμογές και αυτό οφείλεται στην ευκολία παραγωγής τους και το χαμηλό τους κόστος. Τα σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας αποτελούνται από ένα πολυμερές ως μήτρα και ίνες ή κόκκους ως το μέσο ενίσχυσης. Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται σε ένα μεγάλο εύρος εφαρμογών λόγω των μοναδικών ιδιοτήτων που παρουσιάζουν σε θερμοκρασία δωματίου. Τα κεραμικά νανοϋλικά και τα νανοϋλικά με βάση τον άνθρακα είναι οι επικρατέστερες μορφές ενίσχυσης υψηλής αντοχής και υψηλού μέτρου ελαστικότητας, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την παρασκευή προηγμένων σύνθετων υλικών πολυμερικής μήτρας, με βελτιωμένες μηχανικές και θερμικές ιδιότητες. Επιπλέον τα σύνθετα αυτά, παρουσιάζουν μεγάλη απορρόφη¬ση ενέργειας κατά την ταλάντωση (damping) με αποτέλεσμα να αποσβένουν τις μηχανικές ταλαντώ-σεις. Η απόσβεση της ενέργειας στα σύνθετα υλικά είναι μία χαρακτηριστική ιδιότητα της δυναμικής τους συμπεριφοράς μέσα σε μια κατασκευή. Με τον έλεγχο της συχνότητας συντονισμού γίνεται δυνατή η επιμήκυνση του χρόνου ζωής της κατασκευής, όταν αυτή υποβάλλεται σε μηχανική κόπωση. Στην παρούσα εργασία παρασκευάστηκαν ινώδη και κοκκώδη πολυμερικά σύνθετα υλικά με ενίσχυση διαφόρων νανοεγκλεισμάτων, όπως νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs), γραφένιο (GNP), καρβίδιο του πυριτίου (nSiC) και διοξείδιο του τιτανίου (TiO2). Σκοπός της εργασίας είναι η διερεύνηση της δυναμικής τους συμπεριφοράς μέσω μηχανικής ταλάντωσης, με τις τεχνικές της ελεύθερης ταλάντωσης δοκού και της Δυναμικής Μηχανικής Ανάλυσης, DMA. Οι βασικές παράμετροι που υπολογίστηκαν από την ταλάντωση των δοκιμίων είναι ο συντελεστής απωλειών, tanδ και ο συντελεστής απόσβεσης, ζ, το μέτρο αποθήκευσης, E' και η θερμοκρασία υαλώδους μετάβασης, Tg. Έπειτα, γίνεται ανάλυση και σύγκριση των αποτελεσμάτων προκειμένου να διαπιστωθεί η μεταβολή της απόσβεσης των υπό εξέταση υλικών, από την προσθήκη νανοεγκλεισμάτων μέσα στη μήτρα. Τέλος, γίνονται κάποιες προτάσεις προς μελλοντική έρευνα για τη βελτίωση της διασποράς των εγκλεισμάτων μέσα στη μήτρα, αλλά και η περαιτέρω μελέτη των μηχανικών ιδιοτήτων και των ιδιοτήτων απόσβεσης των παρασκευασθέντων υλικών, σε συνδυασμό με τον χαρακτηρισμό τους μέσω ηλεκτρονικής μικροσκοπίας. / Nanomaterials and nanotechnologies play a significant role in many fields of modern science, such as material science, chemistry, molecular biology and medicine. They exhibit novel, better physical and chemical properties than the bulk materials. This is a result of the change in the electronic structure, which is responsible for electroconductivity, optical absorption, chemical reactivity, catalytically activity and mechanical properties. In the past few decades there has been a great expansion in research related to the polymer nanocomposites, due to development of advanced materials for many engineering applications. Polymer nanocomposites is a combination of polymer matrix with a large range of filler materials both, organic or inorganic and are considered to be an important group of relatively inexpensive materials, reproducible and easy to process. Polymer nanocomposites possess properties that are unique; for example high modulus carbonaceous nanofillers or ceramic nanoparticles are added into the matrix to produce reinforced polymer composites that exhibit significantly enhanced mechanical properties, including strength, modulus and fracture toughness. Furthermore, they exhibit a superior level of damping over most metals and ceramics. Damping in composite materials is an important feature of the dynamic behavior of structures, controlling the resonant and near-resonant vibrations and thus prolonging the service life of structures under fatigue loading and impact. This project is investigating the damping properties of carbon nanotubes (CNTs), graphene (GNP) and silicon carbide (nSiC) based glass-fiber reinforced polymer nanocomposites and titanium dioxide (TiO2) based polymer nanocomposites, in which nanofillers are dispersed into the polymer matrix. Incorporation of nanofillers into the polymer matrix, results in substantial changes in the mechanical and thermal properties of the polymer nanocomposites. These nanofillers play a very promising role due to their better structural and functional properties such as high aspect ratio, high mechanical strength, high thermal and electrical properties etc, than others. The later sections will discuss about processing of CNT, GNP, nSiC, TiO2/polymer composites by different routes such as solution mixing and polymerization. Therefore, the main goal of this project is the successful development of these polymer nanocomposites and characterization of their dynamic response. The test procedure involved experiments using cantilever beam specimens subjected to an impulse input and furthermore dynamic mechanical analysis, DMA. Loss factor (tanδ), damping coefficient (ζ), storage modulus (E') and glass transition temperature (Tg) when then derived. The validity of the re¬sults depends largely upon the analysis procedure used to process the raw data. These results were compared and tabulated. These leads to a discussion of the properties of the nanofillers, their dispersion within the polymer matrix and finally the outlook for the future.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της ροής υγρών μέσω νανοπορώδων μεμβρανών που φέρουν προσροφημένα συσταδικά συμπολυμερή διαφόρων μοριακών βαρών υπό συνθήκες ροής με καλό διαλύτη (τολουένιο) καθώς και με μίξη διαλυτών καλού και κακού όπως είναι το τολουένιο και το κυκλοεξάνιο αντιστοίχως. Μελετήθηκαν δύο κατηγορίες συμπολυμερών δισυσταδικά και τα τρισυσταδικά συμπολυμερή. Η πρώτη κατηγορία αναφέρεται στα polystyrene-b-polyethylene oxide (PS-PEO) δισυσταδικά συμπολυμερή διαφόρων μοριακών βαρών. Τα μοριακά βάρη που μελετήσαμε ήταν το 32.000, 70.500, 80.000, 147.000, 182.700, 184.000 , 239.000 και 322.000 g/mol. Το πρωτόκολλο που ακολουθήθηκε περιλαμβάνει τα παρακάτω βήματα: αρχικά μέτρηση της γυμνής μεμβράνης στο φασματοφωτόμετρο FTIR και μετά έλεγχος σε ροή με διαλύτη τολουένιο. Στη συνέχεια έγινε η τοποθέτηση της μεμβράνης σε διάλυμα του εκάστοτε πολυμερούς στο τολουένιο, Το τουλουένιο επιλέχτηκε διότι είναι καλός διαλύτης προς την συστάδα PS. Η μεμβράνη παρέμεινε στο διάλυμα για κάποιο χρονικό διάστημα της τάξεως ημερών έτσι ώστε να επιτευχθεί η διαδικασία της φυσιοπροσρόφησης. Λόγω του ότι το τουλουένιο αποτελεί κακό διαλύτη για το PEO έχουμε αγκύστρωση των πολυμερικών βουρτσών PEO στα κυλινδρικά τοιχώματα της νανοπορώδους μεμβράνης. Αφού πραγματοποιηθεί μέτρηση του υπέρυθρου φάσματος της μεμβράνης για να τεκμηριωθεί η προσρόφηση του πολυμερούς, ακολούθως γινόταν προσαρμογή της προσροφημένης μεμβράνης στην διάταξη και ροή με διαλύτη τολουένιο. Με χρήση του νόμου του Poiseuille βρίσκεται το πάχος των πολυμερικών βουρτσών, υπολογίζοντας έτσι κατά πόσο οι πολυμερικές βούρτσες με την εισχώρηση του διαλύτη από τους πόρους εκτείνονται κάθετα της επιφάνειας που έχουν προσροφηθεί. Τέλος με χρήση του φασματοφωτόμετρου FTIR και πάλι γινόταν έλεγχος εάν έχει γίνει αποκόλληση των πολυμερικών βουρτσών από τα τοιχώματα της μεμβράνης λόγω της ροής. Επίσης πραγματοποιήθηκε η μελέτη της συμπεριφοράς κάποιων από αυτά τα συμπολυμερή σε μίγμα διαλυτών τολουολίου και κυκλοεξανίου. Ακολουθώντας την ίδια διαδικασία όπως προηγουμένως αλλάζοντας μόνο το στάδιο της ροής, ο έλεγχος σε αυτή την περίπτωση ξεκινούσε από 100% τολουένιο, 70% τολουένιο-30% κυκλοεξάνιο, 50%τολουένιο – 50%κυκλοεξάνιο ,30% τολουένιο – 70 % κυκλοεξάνιο και καταλήγαμε με 100% κυκλοεξάνιο. Ελεγχόταν έτσι η απόκριση των πολυμερικών βουρτσών κατά την εναλλαγή του διαλύτη. Με χρήση του νόμου του Poiseuille μπορούσε να υπολογισθεί το πάχος των πολυμερικών βουρτσών και να προσδιορισθεί κατά πόσο μετά το τέντωμα τους από την επαφή τους με τον καλό διαλύτη το τολουένιο, συρρικνώνονται όταν έρχονται σε επαφή με τον κακό διαλύτη το κυκλοεξάνιο. Στην δεύτερη κατηγορία ανήκουν τα τρισυσταδικά συμπολυμερή . Τα τρισυσταδικά πολυμερή που μελετήσαμε ήταν το polyvinyl-2-pyridine-b-polystyrene-b- polyvinyl-2-pyridine (PV2P-PS-PV2P) 30K-180K-30K, το PEO-PS-PEO 18.6K-45.2K-18.6K και το PEO-PS-PEO 2.3K-16.7K-2.3K. Ακολουθώντας το ίδιο πρωτόκολλο πειραματικής διαδικασίας όπως στα δισυσταδικά συμπολυμερή, έγινε η μελέτη της συμπεριφοράς των τρισυσταδικών συμπολυμερών σε ροή με τουλουένιο, το οποίο αποτελεί καλό διαλύτη προς την μια συστάδα (PS) του συμπολυμερούς. Τα τρισυσταδικά συμπολυμερή κατά την διαδικασία της φυσιοπροσρόφησης, δηλαδή της αγκίστρωσης των πολυμερικών βουρτσών μέσω των συστάδων PEO και PV2P στα κυλινδρικά τοιχώματα της νανοπορώδους μεμβράνης παρουσιάζουν τον σχηματισμό βρόχου (loop) . Στην συνέχεια γινόταν τοποθέτηση της μεμβράνης στην διάταξη και ο έλεγχος σε ροή με διαλύτη τολουένιο όπως και στην περίπτωση των δισυσταδικών συμπολυμερών. Τέλος με την χρήση του φασματοφωτόμετρου FTIR γινόταν έλεγχος εάν έχει γίνει αποκόλληση των πολυμερικών βουρτσών από τα τοιχώματα της μεμβράνης. Το πάχος της προσροφημένης βούρτσας υπολογιζόταν με χρήση του νόμου του Poiseuille όπως και με τα δισυσταδικά συμπολυμερή. / -

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.

Σκοπός της παρούσας μεταπτυχιακής εργασίας ειδίκευσης είναι η πειραματική μελέτη και η θεωρητική πρόβλεψη των εναπομενουσών μηχανικών ιδιοτήτων, πολυμερών και πολυμερικών σύνθετων υλικών, μετά από χαμηλής ενέργειας επαναλαμβανόμενη κρουστική καταπόνηση. Στα πλαίσια της εργασίας μελετήθηκαν δύο διαφορετικά πολυμερικά υλικά (EP και PMMA) και δύο πολυμερικά σύνθετα υλικά (CFRP και GFRP). Τα δοκίμια από εποξειδική ρητίνη υποβλήθηκαν σε επαναλαμβανόμενη κρούση, με σταθερή ενέργεια κρούσης κάθε φορά, 1.25 Joule, ενώ τα υπόλοιπα δοκίμια σε επαναλαμβανόμενη κρούση, με σταθερή ενέργεια κρούσης 1 Joule. Μετά την κρούση, τα δοκίμια χαρακτηρίστηκαν μηχανικά με στατικά πειράματα κάμψης τριών σημείων, έτσι ώστε να μελετηθεί η υποβάθμιση, τόσο του μέτρου ελαστικότητας σε κάμψη, όσο και η μέγιστη αντοχή τους σε κάμψη, σαν συνάρτηση του αριθμού κρούσεων. Ανάλογα με το υλικό, παρατηρήθηκε και διαφορετικό μέγεθος υποβάθμισης, γεγονός που οφείλεται στη λειτουργία διαφορετικών μηχανισμών αστοχίας. Από θεωρητικής σκοπιάς, εφαρμόστηκαν δύο διαφορετικά μοντέλα πρόβλεψης των εναπομενουσών μηχανικών ιδιοτήτων. Το μοντέλο Παπανικολάου – Σταυρόπουλου και το μοντέλο Πρόβλεψης των Εναπομενουσών Ιδιοτήτων (Residual Property Model – R.P.M.) που εφαρμόστηκαν, έδωσαν αποτελέσματα άκρως ικανοποιητικά, με πολύ καλή σύγκλιση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τις θεωρητικές προβλέψεις. / The purpose of the present work was to experimentally investigate the residual strength and stiffness of polymers and polymer-matrix composites and to theoretically predict the observed degradation by means, after low energy repeated impact. Two different types of composites (CFRP and GFRP) and two types of polymers (EP and PMMA), were examined. The plates of epoxy resin were repeatedly impacted with constant amount of impact energy on the order of 1.25 J and the rest of the above materials with constant impact energy on the order of 1.00 J. Afterwards the damaged specimens were tested under three-point bending conditions in order to investigate the degradation of both the bending modulus and strength as a function of the number of impacts. The results showed that there is a characteristic threshold of impact accumulated energy and/or number of repeated impacts, above which an abrupt degradation of the mechanical properties was observed. From theoretical point of view the measured variations were predicted by applying two different models. Namely, the Papanicolaou – Stavropoulos model and second the Residual Property Model (R.P.M.) have been applied in order to predict the observed degradations, using a minimum number of input data (one or two points only). A fair agreement between experimental results and theoretical predictions was found.

Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της συμπεριφοράς συνθέτων υλικών με τροποποιημένη πολυμερή μήτρα σε υγροθερμικές συνθήκες κόπωσης. Συγκεκριμένα τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν είναι CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymers), δηλαδή σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας, τα οποία είναι ενισχυμένα με ίνες άνθρακα. Πρέπει να σημειωθεί ότι χρησιμοποιήθηκαν δυο τύποι πολυμερικών συστημάτων. Το πρώτο σύστημα αποτελείται από την εποξειδική ρητίνη LY 564 και τον σκληρυντή Aradur 2954, ενώ το δεύτερο σύστημα αποτελείται από την κυανεστερική ρητίνη Primaset και το σκληρυντή DT-4000. Επίσης και στα δυο συστήματα τα υλικά που κατασκευάστηκαν ήταν μονο-διεύθυντα (UD προς μία διεύθυνση 00), με εξαίρεση ότι στο εποξειδικό σύστημα κατασκευάστηκαν και Quasi υλικά, στο οποίο οι ίνες έχουν προσανατολισμό σε τέσσερις διαφορετικές διεθύνσεις [(0/+45/-45/90)2]s. Όλα τα υλικά περιέχουν συνολικά 16 στρώσεις ινών. Ακόμη η μήτρα των υλικών μας είναι τροποποιημένη, καθώς περιέχει CNTs (Carbon Nano Tubes) νανοσωληνίσκους, σε διαφορετικά ποσοστά. Τα ποσοστά που μελετήθηκαν ήταν 0%, 0,1%, 0,5% και 1% CNTs για τα εποξειδικά UD υλικά, 0% CNTs για τα Quasi και τέλος 0%,0,5% και 1% CNTs για το κυανεστερικό σύστημα. Τα συγκεκριμένα υλικά τοποθετήθηκαν σε ειδικό μπάνιο για 60 ημέρες, που ήταν γεμάτο με απιονισμένο νερό και σε θερμοκρασία 800C. Μελετήθηκε συστηματικά η απορρόφηση υγρασίας μέχρι και τον κορεσμό τους, καθώς και η μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης των υλικών αυτών. Ακόμη μετά από 60 ημέρες και αφού τα υλικά βγήκαν από το μπάνιο τοποθετήθηκαν σε φούρνο θερμοκρασίας 800C. Σκοπός της διαδικασίας αυτής ήταν η ξήρανση τους, καθώς και η μέτρηση του χρόνου που απαιτείται για την διαδικασία αυτή. Έγιναν επίσης πειράματα δυναμικής-μηχανικής ανάλυσης (DMA), για την μέλετη της μεταβολής της θερμοκρασίας υαλώδους μετάβασης (Tg) για όλα τα στάδια. Αρχικά έγιναν πειράματα DMA σε όλα τα δοκίμια πρίν τοποθετηθούν στο μπάνιο, στην συνέχεια μετά το στάδιο του κορεσμού τους (περίπου στις 20 ημέρες παραμονής τους στο μπανιο), στις 60 ημέρες παραμονής των δοκιμίων στο νερό και τελικά μετά την διασικασία της ξήρανσης. Τέλος έγιναν πειράματα διηλεκτρικής φασματοσκοπίας για να καθοριστεί η ηλεκτρική αγωγιμότητα σε δοκίμια πριν τοποθετηθούν στο μπάνιο, κατά την διάρκεια του κορεσμού τους και τέλος μετά την ξήρανσή τους. / --

Dans le cadre du conditionnement des déchets nucléaires, les géopolymères représentent une alternative potentielle aux liants hydrauliques classiques. A ce jour, il est admis que la formation des géopolymères procède selon un mécanisme de dissolution - restructuration - polymérisation conduisant à un matériau solide. Cependant, les liens précis entre la composition de la solution d’activation, le déroulement des réactions de géopolymérisation et la microstructure finale doivent être déterminés du point de vue de la texturation et de l’évolution structurale du matériau. Ainsi plusieurs paramètres de formulation ont été étudiés : la nature de l’activateur alcalin, la concentration en silice et l’ajout d’une source d’aluminium. Il apparait que l’environnement chimique des précurseurs silicatés ou alumino-silicatés est contrôlé par les paramètres de formulation constitutifs de la solution d’activation. Lors de la formation du réseau géopolymérique, ces précurseurs jouent un rôle primordial sur la cinétique de dissolution du métakolin, la taille, l’arrangement et l’agrégation des oligomères alumino-silicatés participant à la formation du réseau poreux. A plus long terme, certaines caractéristiques du réseau poreux qui sont-elles même contrôlées par la taille et l’agencement des oligomères, varient légèrement au cours du temps. Le réarrangement de la structure poreuse associé d’une part à la densification du réseau solide, et d'autre part à la fermeture partielle de la porosité conduit à une légère augmentation de la taille des pores et à une diminution du volume poreux accessible. / In the context of conditioning of nuclear waste, geopolymers represent a potential alternative to conventional hydraulic binders. Currently, it is recognized that the formation of geopolymer proceeds according to a mechanism of dissolution - restructuring - polymerization resulting in a solid material. Despite the availability of many studies to understand these mechanisms, the precise relationship between the chemical nature of the activating solution, the geopolymerization process and the final microstructure should be determined from the point of view of the texturing and the structural evolution of the material. In this work, several parameters were studied: the nature of the alkali activator, the silica concentration and the addition of an aluminum source. It appears that the chemical environment of the silicate or aluminosilicate precursors is controlled by the activating solution composition. During the consolidation of the geopolymer network, these precursors play an important role on the dissolution rate of metakaolin, the size, the rearrange¬ment and the aggregation of aluminosilicate oligomers involved in the porous solid network formation. Subsequently, some characteristics of the porous network which are controlled by the size and the rearrangement of oligomers vary slightly over time. The refinement of the porosity associated to first, a densification of the solid network, and secondly, a partial closure of the porosity at the nanometer scale leads to an increase in the pore size and a decrease of the pore volume.