In order to heighten the nickel content in mesoporous silica frameworks, a new direct synthesis method, called modified DS method, has been developed instead of the commonly used direct synthesis method. In addition, with the aim of incorporating a high amount of titania into SBA-15 mesoporous silica without blocking its mesopores, a multistep impregnation method, called the MSI method, has also been developed. By using the two developed methods, high nickel- and high titania-containing mesoporous silicas obtained werc synthesized. The nickel- and titania-containing mesoporous silicas were characterised by various techniques, i.e. XRD, TEM, EDX, SENI, N2-sorption, XPS, FTIR, UV-Vis-DRS, UV-VIS, TPR, and Raman spectroscopy. For nickel-containing mesoporous silicas synthesized by the modified DS method, satisfactory mesostructures were obtained and the nickel content was increased up to 14.7 wt.%. So far, no reports have been published on synthesis of mesoporous MCM-41-type silica with higher nickel content than 3.6 wt.% using DS method. Via our modified IDS method, high BET surface area (>840 rný/g) and pore volume (>-0.73 cm3/g were also achieved. Nickel was found to be incorporated into the silica frameworks. Formation of nickel phyllosilicates was also confirmed. After activation, mesostructurcs were still intact. Small nickel clusters embedded in the silica walls were found. A high amount of titania (up to 24.4 wt.%) was incorporated into the mesoporous SBA-15 silica via the multistep impregnation method. No damage to the SBA-15 silica mesostructures was caused. The existence of small titania nano-domins was confirmed to be present by Raman and UV-vis-DRS measurements. High dispersion of them was realized via this method according to the results of low-anglc XRD, TEM and N2-sorption measurements. Importantly, no blockage of mesopores was observed. Photo-activity tests showed the superiority of the materials synthesized by the MSI method to those by one-step impregnation method.

Η βασική ιδέα της μεταπτυχιακής εργασίας είναι η παρασκευή νανοσυνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας νανοσωλήνων άνθρακα και ο προσδιορισμός των μηχανικών τους ιδιοτήτων. Ως συνιστώσα ενίσχυσης, χρησιμοποιήθηκαν λεπτές μεμβράνες νανοσωλήνων άνθρακα (buckypapers) που αποτελούν δίκτυα υψηλού πορώδους. Παρασκευάζονται μέσω διήθησης αιωρημάτων νανοσωλήνων άνθρακα από φίλτρα με μικρό μέγεθος πόρων (< 1 μm), παρουσία κενού. Οι τελικές ιδιότητες των buckypapers επηρεάζονται από ποικίλες παραμέτρους, όπως η χημική οξείδωση των νανοσωλήνων, ο χρόνος διασποράς, το μέγεθος του κενού και το είδος του διαλύτη. Στην εργασία αυτή παρασκευάστηκαν buckypapers από νανοσωλήνες άνθρακα πολλαπλού τοιχώματος, οξειδωμένων είτε με νιτρικό οξύ είτε με υπερμαγγανικό κάλιο και μελετήθηκε η επίδραση του διαφορετικού μέσου οξείδωσης και διαφορών στη διαδικασία παραγωγής. Τα ξηραμένα buckypapers που παρασκευάστηκαν αποδείχτηκε ότι ήταν ομογενή, ομαλά και χωρίς ατέλειες, επιδεικνύοντας εξαιρετική δομική ακεραιότητα. Η ομογενή και πυκνή μορφολογία παρατηρήθηκε όχι μόνο στις επιφάνειες, αλλά και στο εσωτερικό των buckypaper. Νανοσύνθετα υλικά υψηλής περιεκτικότητας σε νανοσωλήνες άνθρακα παρήχθησαν με δύο διαφορετικές μεθόδους – απλή εμβάπτιση των φιλμ σε διάλυμα ρητίνης και εμποτισμός με φιλμ ρητίνης σε αυτόκλειστο φούρνο (Resin Film Infusion, RFI). Και στις δύο περιπτώσεις παρατηρήθηκε πλήρης διαβροχή του δικτύου των νανοσωλήνων με πολυμερές. Τα υλικά μελετήθηκαν ως προς τις μηχανικές τους ιδιότητες. Κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, τα σύνθετα υλικά επέδειξαν βελτιωμένη μηχανική συμπεριφορά σε σχέση με αυτήν της πολυμερικής μήτρας. / The basic concept of this master thesis is the preparation of nanocomposite materials of polymeric matrices and buckypapers and the determination of their mechanical properties. Buckypapers are thin sheets of entangled carbon nanotubes (CNTs), which are highly porous networks. They are prepared by vacuum filtration of well-dispersed CNT suspension. Final properties of buckypapers can be affected with various factors, such as chemical oxidation of nanotubes, sonication time, vacuum pressure and solvent. Buckypapers from MWCNTs oxidized by either nitric acid or potassium permanganate were prepared. The effect of different oxidation treatment of MWCNTs and different procedure conditions on the mechanical properties of buckypapers is studied. Dry buckypapers prepared by vacuum filtration of well-dispersed CNT - water solution were uniform, smooth and crack-free disks exhibiting significant structural integrity. Homogeneous and dense morphology is achieved not only on the surface but also through the thickness of the buckypapers. High-volume fraction CNT composites were produced by two different techniques – simple soaking with resin solution or autoclave resin film infusion (RFI). In both cases, full impregnation of CNT network with polymer was observed. The materials were tested to determine their mechanical properties. Some of prepared buckypapers-composites showed significant improved mechanical performance.

Les travaux de cette thèse portent sur l'élaboration de capteurs électrochimiques pour la détection de micropolluants mis sous surveillance par la Directive Cadre sur l'Eau (DCE/200/60/CE) tels que Ni(II) et Pb(II). Actuellement, le contrôle des eaux est effectué par prélèvements cependant les méthodes d'analyses sont longues et coûteuses et les seuils de concentration très faibles imposés par la loi, nécessitent d’avoir recourt à d’autres types d’équipements, tels que les capteurs électrochimiques. L'amélioration indispensable de leur sensibilité et de leur sélectivité peut être atteinte par le choix du matériau d'électrode et de sa fonctionnalisation de surface. Ces capteurs ont pour objectif, à terme, d’analyser la qualité des eaux sur site en continu ou semi-continu. Dans le cas de l'étude de la sélectivité, les sels de diazonium ont été choisis pour le greffage des fonctions benzamides oximes, complexantes du Ni(II). Cette molécule n'ayant jamais été étudiée électro-chimiquement, son domaine d'électro-activité et les mécanismes d'oxydation ont été étudiés. Les électrodes greffées ont permis la détection électrochimique et montrent une sélectivité pour le Ni(II), en présence d'interférents comme Pb(II) et Cu(II). Cette étude a prouvé que les amines aromatiques et aliphatiques peuvent être greffées par oxydation en milieux aqueux. Les électrodes ainsi fonctionnalisées ont montré que la mobilité des fonctions complexantes, via la structure et la longueur du squelette carboné, influence la limite de détection des capteurs, les chaînes aliphatiques complexant particulièrement bien les cations métalliques. Enfin, l’influence de différentes formes allotropiques du carbone, utilisées en tant que phases actives d’électrodes sérigraphiées, a été étudié. Des électrodes composées de différentes formes allotropiques de carbones ont été fonctionnalisées par des sels de diazonium et utilisées pour la détection du Pb(II). Les résultats montrent que certains matériaux carbonés, comme les nanotubes de carbone, améliorent les propriétés électro-catalytiques des capteurs. / This work is focused on the elaboration of electrochemical sensors for Ni(II) and Pb(II) micropollutants detection, targeted by the Water Framework Directive (WFD 2000/60/CE). Currently, water supervision is carried out by sampling and analytical equipments, however these methods are too long and too expensive, the very low concentration limits imposed by laws, needed to be reached using other kind of equipments such as electrochemical sensors. The sensitivity and selectivity of these sensors can be improved by the choice of the electrode materials and their surface functionalization. The aim of these sensors is to make possible the water quality analysis on site, continuously or semi-continuously. The selectivity was reached by grafting diazonium salts composed of benzamide oxime functions, complexing Ni(II). The electro-activity area and the oxidation mechanisms of this molecule were investigated. It is to be underlined that the electrochemical behavior of this molecule has never been studied in the litterature. The grafted electrodes were used for the electrochemical detection, and they turned out to be selective for Ni(II) detection in the presence of both Pb(II) and Cu(II). To improve the sensitivity of these sensors, the mobility of the complexing function is important. This study shows the possibility to graft aliphatic and aromatic amines via oxidation reactions in aqueous media. These electrodes revealed better analytical performances for the sensors grafted by aliphatic amines through the mobility of the carbon chains complexing metallic cations. Finally, the influence of the different allotropic kind of carbons, used as screen printing electrodes, were compared. These electrodes, functionalized with diazonium salts and used for the detection of the Pb (II) showed that some carbonaceous materials such as carbon nanotubes, improve the electro-catalytic properties of the sensors.

Σήμερα, τα σύνθετα υλικά χρησιμοποιούνται ευρέως στην καθημερινότητα μας. Με τον όρο σύνθετα εννοούμε τα υλικά τα οποία µακροσκοπικά αποτελούνται από δύο ή περισσότερα χημικά ευδιάκριτα συστατικά μέρη και εμφανίζουν µια συγκεκριμένη διαχωριστική επιφάνεια μεταξύ τους. Το ένα από τα συστατικά μέρη χαρακτηρίζεται ως συστατικό ενίσχυσης και προσδίδει στο σύνθετο βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες. Το δεύτερο συστατικό καλείται μήτρα, είναι συνήθως χαμηλής πυκνότητας και η συμμετοχή του στο σύνθετο εξασφαλίζει τη μέγιστη δυνατή εκμετάλλευση των ιδιοτήτων της ενίσχυσης. Για τις βέλτιστες ιδιότητες τους όμως πρέπει αρχικά να μελετηθούν οι μηχανικές ιδιότητες μήτρας και ενίσχυσης ξεχωριστά. Στην παρούσα εργασία επικεντρωνόμαστε κυρίως στα πολυμερικά σύνθετα υλικά με ενίσχυση από ίνες άνθρακα. Οι εξαιρετικά καλές μηχανικές ιδιότητες που εμφανίζουν οι ίνες άνθρακα τις καθιστούν ιδανικό ενισχυτικό μέσο για πολυμερικές μήτρες με σκοπό την παραγωγή σύνθετων πολυμερικών υλικών υψηλών ειδικών ιδιοτήτων. Οι ίνες αυτές αποτελούνται από άτομα άνθρακα των οποίων οι δεσμοί είναι περίπου παράλληλοι με τον άξονα της ίνας, γεγονός που προσδίδει στο ανθρακόνημα υψηλή δυσκαμψία, αντοχή σε θραύση και χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής. Λόγω αυτών των ιδιοτήτων, σε συνδυασμό με το χαμηλό βάρος και την αντοχή σε χημική προσβολή, τα ανθρακονήματα χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στην αεροναυπηγική, τον κατασκευαστικό τομέα και την αυτοκινητοβιομηχανία. Για την μελέτη των μηχανικών και φασματοσκοπικών ιδιοτήτων των ινών άνθρακα χρησιμοποιήθηκαν η συσκευή μηχανικών δοκιμών MTS, η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (Scanning Electron Microscope, SEM), o Μηχανικός Δυναμικός Αναλυτής (Dynamic Mechanical Analysis, DMA) και η φασματοσκοπία Raman. Η διπλωματική εργασία αποτελείται από δύο μέρη: Στο θεωρητικό μέρος, γίνεται μια βιβλιογραφική εισαγωγή στις ίνες άνθρακα, την παραγωγή και τις ιδιότητες τους. Επιπλέον, αναλύονται οι πειραματικές τεχνικές που προαναφέρθηκαν. Ως αναφορά το πειραματικό κομμάτι, παρουσιάζονται και συγκρίνονται τα αποτελέσματα των ανωτέρω τεχνικών χαρακτηρισμού. / In our days, composite materials are widely used in our life. Composites is meant materials witch macroscopically consist of two or more chemically distinct components have a specific interface between them. One of the components, characterized as enhancing component in the composite and imparts improved mechanical properties. The second component is called matrix, is usually low density and involvement in complex ensures maximum exploitation of the properties of the aid. So, composites optimal properties should initially be studied the mechanical properties of fiber and matrix separately. In this paper we focus mainly on polymeric composites reinforced by carbon fibers. Carbon fibers exhibit extremely good mechanical properties, which make it an ideal tool for reinforcing polymeric matrices to produce composite polymeric materials of high specific properties. These fibers are composed of carbon atoms that their bonds are approximately parallel to the axis of the fiber, which gives high strength, fracture toughness and low thermal expansion coefficient to carbon fibers. Due to these properties, combined with the low weight and resistance to chemical attack, carbon fibers are increasingly used in aeronautical, construction sector and automotive. To study the mechanical and spectroscopy properties of carbon fiber we used device mechanical testing MTS, Scanning Electron Microscopy (SEM), Dynamic Mechanical Analyzer (DMA) and Raman spectroscopy. The thesis consists of two parts: Theory part, which is a bibliographical introduction to carbon fiber production and properties. Furthermore, analyzing the experimental techniques mentioned above. Experimental part, where presented and compared the results of above characterization techniques.

Η ανακάλυψη των νανοσωλήνων άνθρακα το 1991 από τον Iijima και οι εκπληκτικές ιδιότητες που βρέθηκε ότι παρουσιάζουν προκάλεσε τεράστιο ενδιαφέρον στην επιστημονική κοινότητα και πολλές ερευνητικές ομάδες ανά τον κόσμο ξεκίνησαν την προσπάθεια να εκμεταλλευτούν τις ιδιότητες αυτές στην ανάπτυξη νέων συνθέτων υλικών και εφαρμογών. Από τις σημαντικότερες εφαρμογές που εξαρχής οι νανοσωλήνες δοκιμάστηκαν, ήταν για την ενίσχυση των μηχανικών, ηλεκτρικών και θερμικών ιδιοτήτων των πολυμερών. Πολύ γρήγορα ωστόσο διαπιστώθηκε ότι η ανάμιξη νανοσωλήνων με πολυμερή είναι εξαιρετικά δύσκολη, με αποτέλεσμα τα νανοσύνθετα υλικά που παράγονταν είτε να έχουν πολύ μικρή ενίσχυση των ιδιοτήτων τους, είτε να παρουσιάζουν ιδιότητες υποδεέστερες από την πολυμερική μήτρα. Το πρόβλημα πηγάζει από την σχεδόν μονοδιάστατη δομή των νανοσωλήνων, με αποτέλεσμα να έχουν την τάση να συσσωματώνονται και έτσι να μην διασπείρονται ομογενώς σε μεγάλες συγκεντρώσεις μέσα στην πολυμερική μήτρα με τις υπάρχουσες τεχνικές μορφοποίησης των πολυμερών. Τα παραγόμενα νανοσύνθετα υλικά είναι χαμηλής περιεκτικότητας σε νανοσωλήνες άνθρακα και παρουσιάζουν φτωχές ιδιότητες καθώς, εντέλει, τα συσσωματώματα δρουν ως ατέλειες, και όχι ως ενισχυτικά μέσα. Η παρούσα εργασία φιλοδοξεί να δώσει μια κατεύθυνση προς τη λύση του παραπάνω προβλήματος, της ανομοιογενούς δηλαδή διασποράς νανοσωλήνων σε πολυμερικές μήτρες και να παράγει ένα νανοσύνθετο υλικό με υψηλή περιεκτικότητα σε νανοσωλήνες και βελτιωμένες ιδιότητες σε σχέση με την πολυμερική μήτρα. Η βασική ιδέα είναι η παρασκευή ξηρών υμενίων νανοσωλήνων άνθρακα (τα λεγόμενα buckypapers), αποτελούμενων δηλαδή από δίκτυα νανοσωλήνων άνθρακα περιπλεγμένων μεταξύ τους και κατόπιν η διαβροχή τους από το πολυμερές. Η μέθοδος αυτή έχει το μεγάλο πλεονέκτημα ότι τα υμένια παρουσιάζουν πολύ υψηλό βαθμό ομοιογένειας, η οποία και διατηρείται και μετά την εισροή του πολυμερούς. Το αποτέλεσμα είναι τα παραγόμενα νανοσύνθετα να είναι ομογενή και υψηλής περιεκτικότητας σε νανοσωλήνες. Πιο συγκεκριμένα, στην παρούσα εργασία παρασκευάστηκαν νανοσύνθετα υλικά εποξειδικής μήτρας με πολυφλοιικούς νανοσωλήνες άνθρακα ως ενισχυτική φάση σε μορφή υμενίων. Η παρασκευή τους έγινε σε τέσσερα στάδια. Αρχικά οι νανοσωλήνες τροποποιήθηκαν επιφανειακά με δύο διαφορετικές χημικές μεθόδους (οξείδωση-εποξείδωση), ώστε να αποφευχθεί η συσσωμάτωσή τους και για να επιτευχθεί καλύτερη χημική συνάφεια με την εποξειδική ρητίνη. Το δεύτερο στάδιο περιελάμβανε την παρασκευή των υμενίων νανοσωλήνων άνθρακα με ή χωρίς οξείδια του γραφενίου, δηλαδή σχηματίστηκαν μακροδομές νανοσωλήνων, οι οποίες και αποτέλεσαν την ενισχυτική φάση για τα νανοσύνθετα υλικά. Στο τρίτο στάδιο παρασκευάστηκαν προεμπτισμένα με ρητίνη υμένια νανοσωλήνων άνθρακα (prepregs), με την εμβάπτιση των υμενίων σε εποξειδική ρητίνη και την κατάψυξή τους, ενώ κατά το τέταρτο στάδιο πραγματοποιήθηκε η παραγωγή των νανοσυνθέτων από τα προεμποτισμένα υμένια με χρήση αυτόκλειστου φούρνου. Στη συνέχεια τα υμένια και τα νανοσύνθετα που παρασκευάστηκαν χαρακτηρίσθηκαν ώστε να μελετηθεί η δομή και οι ιδιότητες των υλικών αυτών. Οι νανοσωλήνες χαρακτηρίσθηκαν θερμικά με θερμοσταθμική ανάλυση και δομικά με φωτοηλεκτρονιακή φασματοσκοπία ακτίνων Χ και ηλεκτρονική μικροσκοπία. Η δομή των υμενίων μελετήθηκε με ποροσιμετρία υδραργύρου και ηλεκτρονική μικροσκοπία. Μηχανικά, τα υμένια δοκιμάστηκαν με εφελκυσμό και μελετήθηκε η μικρομηχανική τους με φασματοσκοπία Raman. Τα νανοσύνθετα που παρασκευάστηκαν μελετήθηκαν δομικά με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης και προσδιορίστηκαν οι μηχανικές, ηλεκτρικές και θερμικές τους ιδιότητες. Η μελέτη των πειραματικών αποτελεσμάτων έδειξε ότι η χημική τροποποίηση της επιφάνειας των νανοσωλήνων επηρεάζει τις ιδιότητες των υμενίων όπως το πορώδες, το οποίο με τη σειρά του επηρεάζει τις ιδιότητες των παραγόμενων νανοσυνθέτων. Υπάρχει δηλαδή άμεση συσχέτιση δομής-ιδιοτήτων μεταξύ των νανοσωλήνων, των υμενίων και των νανοσυνθέτων. Τα παραγόμενα νανοσύνθετα υλικά εμφανίζουν ενισχυμένες μηχανικές, ηλεκτρικές και θερμικές ιδιότητες οι οποίες μπορούν να φανούν χρήσιμες για την ανάπτυξη νέων εφαρμογών. / The discovery of carbon nanotubes in 1991 by Iijima and their explicit properties has attracted for many years the scientific interest and many research groups around the world have started an effort to take advantage of these properties for the development of new materials and applications. Carbon nanotubes have been used mostly for the reinforcement of the mechanical, electrical and thermal properties of polymers, but very soon it was found that the dispersion of these nanomaterials into polymers is very difficult and the produced nanocomposites presented negligible reinforcement of their properties, or even inferior than the properties of polymeric matrices. The problem arises from the quasi-one dimensional structure of the nanotubes, leading them to form bundles and preventing them to be dispersed homogenous and in large amounts by the current polymers processing. The aim of the current thesis is to solve the problem of the inhomogeneous dispersion of nanotubes into polymers and to fabricate a high volume fraction nanocomposite material of carbon nanotubes with improved properties compared to the matrix. The basic idea is the formation of thin sheets of randomly entangled nanotubes, the so-called buckypapers, and the impregnation of them by the matrix. The main advantage of this method is that buckypapers are homogenous materials and this homogeneity remains after the infusion of the polymer. More specifically, at this work polymeric nanocomposite materials with carbon nanotubes as reinforcement at the form of buckypapers were produced. The production involved four steps. Firstly, the surface of the nanotubes was modified by two different chemical processed (oxidation-epoxidation) to prevent the formation of bundles and to achieve a better chemical compatibility with the matrix. At a second stage buckypapers were prepared to consist the reinforcement material for nanocomposites. The third step was the soaking of buckypapers into an epoxy resin and the refrigeration to form prepregs and on the final step prepregs were place on an autoclave oven for the curing and the production of the nanocomposites. The nanotubes and the produced buckypapers and nanocomposites characterized to study their structure and properties. Nanotubes characterized by thermogravimetric analysis (TGA), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and scanning electron microscopy (SEM). Buckypapers structure was studied by porosity measurements and SEM, and their mechanical properties by tensile experiments and Raman spectroscopy. Nanocomposites were studied by SEM and their mechanical, electrical and thermal properties were determined. The study of the experimental results showed that the chemical modification of the nanotubes affects the properties of the buckypapers such as the porosity, which also influences the properties of the subsequent nanocomposites. So there is a strong structure-properties correlation between nanotubes, buckypapers and nanocomposites. The produced nanocomposites presented improved mechanical, electrical and thermal properties that may be useful for the development of new applications.

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.

Σκοπός της διατριβής είναι η πρόβλεψη των συζευγμένων ηλεκτρομηχανικών ιδιοτήτων ενός πολυμερούς ενισχυμένου με νανοσωλήνες άνθρακα σε επίπεδο στρώσης υλικού (μικροκλίμακα), χρησιμοποιώντας δεδομένα και αναλύσεις ατομικής και υποατομικής κλίμακας. Αρχικά γίνεται η πρόβλεψη των μηχανικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων χρησιμοποιώντας μια προσέγγιση που συνδυάζει εξισώσεις μοριακής μηχανικής και ανάλυση με πεπερασμένα στοιχεία. Στη συνέχεια γίνεται πρόβλεψη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των νανοσωλήνων χρησιμοποιώντας τη μέθοδο Ισχυρού Δεσμού (ή Δέσμιας Κατάστασης). Ο συνδυασμός των δυο αυτών παρέχει πληροφορίες για τη συζευγμένη ηλεκτρομηχανικής απόκριση των νανοσωλήνων άνθρακα. Τέλος, γίνεται ανάλυση της μικροδομής ενός νανοσυνθέτου υλικού και πώς αυτή μεταβάλεται υπό την επίδραση μηχανικού φορτίου. Ο συνδυασμός όλων των αναπτυχθέντων προτύπων οδηγεί στην πρόβλεψη της συζευγμένης ηλεκτρομηχανικής συμπεριφοράς του νανοσυνθέτου υλικού. Τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν καθώς και οι προβλέψεις τους επιβεβαιώθηκαν σε αντιπαράθεση με θεωρητικές προβλέψεις και πειραματικές μετρήσεις άλλων διακεκριμένων ερευνητών. / The goal of this thesis is the prediction of the coupled electromechanical response of carbon nanotube doped polumer in ply-level (microscale), using minimal input from atomic and subatomic analyses. First, the mechanical properties of carbon nanotubes are predicted using an approach that combines molecular mechanics and finite element analysis. Next, the electrical properties of carbon nanotubes are predicted using the tight-binding method. The coupling of these two models leads to the prediction of the electromechanical response of individual carbon nanotubes. Finally, the microstructure of a nanocomposite is analyzed, along with the effects of strain. All these models, when combined, predict the coupled electromechanical response of the nanocomposite. All models and predictions have been successfully correlated with theroetical predictions and experimental measurements of other researchers, found in the open literature.

La découpe de wafers génère des quantités importantes de déchets de silicium de grade solaire qui ne sont pas revalorisés actuellement à cause de la contamination lors du procédé de découpe. Les travaux présentés dans ce manuscrit portent sur l’étude de la purification de déchets de silicium solaire à l’aide d’un procédé assisté par une torche à plasma d’arc non transféré. Cette étude a été menée selon une double approche numérique et expérimentale. Les calculs numériques ont été réalisés à l’aide d’un code de calcul de mécanique des fluides. Ils sont utilisés pour dimensionner la configuration expérimentale et pour comprendre l’influence des paramètres opératoires sur l’écoulement gazeux et le traitement des particules. L’étude expérimentale a consisté à ’injecter des déchets pulvérulents de silicium (sciures de silicium, poudre de concassage) dans un jet de plasma sous atmosphère contrôlée puis à les collecter dans un creuset chaud. La désoxydation et la décarburation de déchets de silicium, notamment de la sciure issue de la découpe des wafers, a été mise en évidence à l’aide du procédé développé. Toutefois, l’élimination des impuretés métalliques dans les sciures de silicium n’a pas été démontrée lors de cette étude. Les résultats expérimentaux et numériques ont mis en évidence que la désoxydation est améliorée avec un jet de plasma lent ainsi qu’avec une teneur en air résiduelle limitée dans la zone de traitement. La carboréduction de la silice ainsi que la volatilisation de la silice par oxydation du silicium semblent être les deux mécanismes de purification mis en jeu lors du procédé. / Wafer manufacturing produces large amounts of solar-grade silicon waste that is not currently recovered because of its contamination during the slicing process. This work deals with the purification of silicon waste using a non-transferred arc plasma process. It was carried out by using a double approach combining numerical simulations and experiments. The former were done using a computational fluid dynamics (CFD) code and made it to size the experimental configuration and understand the effect of process parameters on gas flow fields and powder treatment. The experimental study consisted in injecting powdered silicon waste (sawdust silicon, crushed powder) into the plasma jet under controlled atmosphere and collecting the treated material in a hot crucible. Decarburization and deoxidation of silicon waste, including sawdust resulting from wafer slicing, was achieved by the developed method. However, the removal of metal impurities in silicon sawdust was not demonstrated in this study. The experimental and numerical results showed that deoxidation was improved with a low-velocity plasma jet and limited air content in the area of treatment. Silica carboreduction and silica volatilization by silicon oxidation seemed to be the two mechanisms involved in the purification process.

This thesis investigates the effects of damage characteristics on residual compressive strength (RCS) of 4-mm thick preconditioned carbon/epoxy quasi-isotropic panels through the study of their compressive behaviour. Results of 2-mm thick preconditioned panels mostly from a previous study are also analysed. The preconditions of varying sizes include impact damage, quasi-static damage, single and multiple artificial delaminations of circular and elliptical shapes embedded at different through-the-thickness (TTT) locations, hemispherical-shaped domes of different curvature and depth and open holes. The mechanisms of impact damage and the characteristics of energy absorption were dependent on panel thickness and incident kinetic energy (IKE). A damage threshold for compressive strength (CS) reduction was found at 455-mm2 and 1257 mm2 for 2- and 4-mm thick panels, respectively. Panels affected by the presence of internal delaminations followed a sequence of prebuckling, local and global buckling (mode I) and postbuckling (mode II) in both the longitudinal and transverse directions. Their compressive failure was related to mode I to II transition. Possibility of delamination propagation was examined using response characteristics on the basis of the sequences. Evidence of delamination propagation was found only in panels with large damages and was not sensitive to RCS. For low and intermediate IKEs the effect of impact damage could be simulated with a single delamination (2-mm thick panels) and 3 delaminations of medium size (4-mm thick panels). For high IKEs, the additional effect of local curvature change was significant. The combined effect of delamination number, size and curvature change determines the RCSs. It was demonstrated that the present method of embedding artificial delaminations proves to be very useful for studying RCS of impact-damaged panels via the establishment of response characteristics and their links to the effects of the preconditions on them. This thesis also presents two analytical models, one for deflection of transversely loaded panels and the other one for the prediction of compressive strength retention factor (CSRF) based on the correlation between the ratio of maximum transverse force to initial threshold force and the CSRF, observed experimentally in thick panels.

Thesis. (M.Tech. (Chemistry)) -- Vaal University of Technology, 2011. / Bis(acetylacetonato)oxovanadium(IV), Manganese(III) acetylacetonate, Co-Zn and Co-Al were prepared as catalyst precursors for the synthesis of carbon materials in a catalytic chemical vapor deposition (CCVD) reactor. The carbon materials produced were characterized with Raman spectroscopy, Scanning electron microscope (SEM), Energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), High resolution transmission electron microscopy (TEM) and Thermogravimetric analysis, (TGA). Carbon material prepared from bis(acetylacetonato)oxovanadium(IV) catalyst precursor showed the presence of carbon spheres with average diameter of 104μm together with small traces of carbon nanotubes or amorphous carbon. Synthesis of bis(acetylacetonato)oxovanadium(IV) catalyst precursor yielded approximately 92% of carbon material. Carbon material prepared from Manganese(III) acetylacetonate catalyst precursor showed the presence of carbon spheres with diameter of 87.5μm. Synthesis of Manganese(III) acetylacetonate catalyst precursor yielded approximately 97% of carbon material. Carbon material produced from Co-Zn and Co-Al catalyst precursors showed the presence of carbon nanotubes with small amounts of amorphous carbon. The use of Co-Zn catalyst precursor yielded approximately 80% of carbon nanotubes, whereas Co-Al catalyst precursor yielded approximately 98% of carbon nanotubes. / Vaal University of Technology; NRF; SASOL