Bio-based flax fiber polymer composites (FFPC) have the potential to replace metals and synthetic fibers in certain applications due to their unique mechanical properties. However, the long term reliability of FFPC needs to be better understood. In this study, the fatigue limit was evaluated using mathematical, thermographic, and energy-based approaches. Each approach determined fatigue limits around 45% load of ultimate tensile strength at a loading frequency of 5 Hz. Thermographic and energy-based approaches were also implemented at different loading frequencies (5, 7, 10, and 15 Hz) to define the effect of loading frequency on the fatigue life. Fatigue limit was found to decrease slowly with increasing loading frequency. Moreover, two forms of damage energy (thermal and micro-mechanical) during cyclic loading was separated using an experimental approach to pinpoint the main responsible damage energy for decreasing fatigue limit with increasing loading frequency.

Résumé / Abstract

A design of experiments methodology was used to investigate the effect of vaporgrown carbon nanofiber (VGCNF) weight fraction, high-shear mixing time, and ultrasonication time on the Izod impact strength of vinyl ester (VE) based nanocomposites. A response surface model (RSM) was developed for predicting impact strengths using a regression analysis approach. The RSM predicts a maximum increase in impact strength of 18% at a VGCNF weight fraction of 0.17 parts per hundred parts resin (phr) (a volume percent of ~0.1) and 100 min high-shear mixing when compared to that of neat VE. The impact strength predictions show an initial increase for low VGCNF weight fractions and extended high-shear mixing. However, a marked decrease in impact strength occurred as the VGCNF weight fraction increased above 0.45 phr. Scanning electron micrographs of the fracture surface of several specimens suggest that the impact strength of VGCNF/VE nanocomposites is directly related to nanofiber dispersion.

No description available.

No description available.

In order for future space transportation vehicles to be considered economically viable, the extensive use of lightweight materials is critical. For spacecraft with liquid fueled rocket engines, one area identified as a potential source for significant weight reduction is the replacement of traditional metallic cryogenic fuel tanks with newer designs based on polymer matrix composites. For long-term applications such as those dictated by manned, reusable launch vehicles, an efficient cryo-tank design must ensure a safe and reliable operating environment. To execute this design, extensive experimental data must be collected on the lifetime durability of PMC's subjected to realistic thermal and mechanical environments. However, since polymer matrix composites (PMC's) have seen limited use as structural materials in the extreme environment of cryogenic tanks, the available literature provides few sources of experimental data on the strength, stiffness, and durability of PMC's operating at cryogenic temperatures. It is recognized that a broad spectrum of factors influence the mechanical properties of PMC's including material selection, composite fabrication and handling, aging or preconditioning, specimen preparation, laminate ply lay-up, and test procedures. It is the intent of this thesis to investigate and report performance of PMC's in cryogenic environments by providing analysis of results from experimental data developed from a series of thermal/mechanical tests. The selected test conditions represented a range of exposure times, loads and temperatures similar to those experienced during the lifetime of a cryogenic, hydrogen fuel tank. Fundamental, lamina-level material properties along with properties of typical design laminates were measured, analyzed, and correlated against test environments. Material stiffness, strength, and damage, will be given as a function of both cryogenic test temperatures and pre-test cryogenic aging conditions. This study focused on test temperature, preconditioning methods, and laminate configuration as the primary test variables. The material used in the study, (IM7/PETI-5), is an advanced carbon fiber, thermoplastic polyimide composite. / Master of Science

The increasing demand for polymer matrix composites (PMCs) from the airframe industry raises the issues of productivity, cost and reproducibility of manufactured PMC components. Performance reproducibility is closely related to the manufacturing technique. Resin transfer moulding (RTM) offers the advantage of flexible manufacturing of net-shape PMC components with superior repeatability starting from ready-to-impregnate dry reinforcements. An RTM apparatus was developed for manufacturing PMC plates and demonstrator components representative of actual, PMC components and PMC moulds made and used in the airframe industry. The RTM process developed in this work involved making net-shape dry carbon fibre preforms and impregnating them an epoxy resin, targeting mould applications. Thermal repeatability of different net-shape PMC components manufactured using the RTM apparatus developed in-house was investigated. Effects of bonding an outer copper plate onto the PMC material, targeting mould applications known as integrally heated copper tooling (IHCT), were explored. Heat conduction through the PMC components was studied using simulation models validated by experimental data obtained primarily by thermography. Manufactured PMC components showed good repeatability, particularly in terms of thermal behaviour. The IHCT technique was found to be well suited for mould applications. Expected advantages of thermography were materialised. Finally, the simulation models developed were in good agreement with experimental data.

The increasing demand for polymer matrix composites (PMCs) from the airframe industry raises the issues of productivity, cost and reproducibility of manufactured PMC components. Performance reproducibility is closely related to the manufacturing technique. Resin transfer moulding (RTM) offers the advantage of flexible manufacturing of net-shape PMC components with superior repeatability starting from ready-to-impregnate dry reinforcements. An RTM apparatus was developed for manufacturing PMC plates and demonstrator components representative of actual, PMC components and PMC moulds made and used in the airframe industry. The RTM process developed in this work involved making net-shape dry carbon fibre preforms and impregnating them an epoxy resin, targeting mould applications. Thermal repeatability of different net-shape PMC components manufactured using the RTM apparatus developed in-house was investigated. Effects of bonding an outer copper plate onto the PMC material, targeting mould applications known as integrally heated copper tooling (IHCT), were explored. Heat conduction through the PMC components was studied using simulation models validated by experimental data obtained primarily by thermography. Manufactured PMC components showed good repeatability, particularly in terms of thermal behaviour. The IHCT technique was found to be well suited for mould applications. Expected advantages of thermography were materialised. Finally, the simulation models developed were in good agreement with experimental data.

This thesis is aimed to understand the role of nanofiller type, nanofiller dispersion, nanofiller geometry, and, presence of reinforcing fibers in flame retardancy of polymer nanocomposites. For this purpose, montmorillonite nanoclays, multi-walled carbon nanotubes, halloysite clay nanotubes and silica nanoparticles were used as nanofillers in polymeric matrices of poly (methyl methacrylate) (PMMA), high-impact polystyrene (HIPS), polylactide (PLA) and polyamide-6 (PA6) containing certain conventional flame retardant additives. Furthermore, the influence of nanofiller and flame retardant additives on fiber/matrix interfacial interactions was studied. Materials were prepared by twin-screw extrusion melt-mixing and ultrasound-assisted solution-mixing techniques. Characterization of nanocomposite morphology was done by X-ray diffraction and transmission electron microscopy. Flame retardancy was investigated by mass loss cone calorimetry, limiting oxygen index measurements and UL94 standard tests. Flame retardancy mechanisms were revealed by characterization of solid fire residues by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, infrared spectroscopy and X-ray diffraction. Thermal degradation and stability was studied using thermogravimetric analysis. Mechanical properties were determined by tension tests and fracture surfaces were observed under scanning electron microscope. Influence of nanofiller type was investigated comparing the behavior of montmorillonite nanoclay and multi-walled carbon nanotube reinforced PMMA nanocomposites containing phosphorous/nitrogenous intumescent flame retardant. Carbon nanotubes hindered the formation of intumescent inorganic phosphate barrier which caused the samples to be exposed to larger effective heat fluxes during combustion. Contrarily, nanoclays physically reinforced the protective barrier without disrupting the intumescent character, thereby allowing for lower heat release and mass loss rates, and increased amounts of residue upon combustion. Influence of nanofiller dispersion was studied comparing nanocomposite and microcomposite morphologies in montmorillonite nanoclay reinforced HIPS containing aluminum hydroxide flame retardant. Relative to microcomposite morphology, reductions in peak heat release rates were doubled along with higher limiting oxygen index and lower burning rates with nanocomposite formation. Improved flame retardancy was attributed to increased amounts of char residue and lower mass loss rates. Nanocomposite formation allowed for the recovery of tensile strength reductions caused by high loading level of the conventional flame retardant additive in polymer matrix. Influence of nanofiller geometry was investigated for phosphorus based intumescent flame-retarded PLA nanocomposites. Fire performance was increased in the order of rod-like (1-D) &lt / spherical (0-D) &lt / &lt / plate-like (2-D) geometries which matched qualitatively with the effective surface area of nanoparticles in the nanocomposite. Well-dispersed plate-like nanoparticles rapidly migrated and accumulated on exposed sample surface resulting in the formation of strong aluminum phosphate/montmorillonite nanocomposite residue. Mechanical properties were increased in the order of 0-D &lt / 1-D &lt / 2-D nanofillers corresponding to the order of their effective aspect ratios in the nanocomposite. Influence of fiber reinforcement was studied for montmorillonite nanoclay containing short-glass fiber-reinforced, phosphorus/nitrogen based flame-retarded PA6 composites. Substitution of a certain fraction of conventional additive with nanofiller significantly reduced peak heat release rate, delayed ignition and improved limiting oxygen index along with maintained UL94 ratings. Improved flame retardancy was ascribed to the formation of a nanostructured carbonaceous boron/aluminum phosphate barrier reinforced by well-dispersed montmorillonite nanolayers. Fiber/matrix interfacial interactions in flame-retarded PA6 and HIPS containing nanoclays were investigated using a micromechanical approach, and it was found that the influence of nanoclay on the interface depends on crystallinity of polymer matrix. While the fiber/matrix interfacial strength is reduced with nanoclay incorporation into amorphous matrix composites, significant interfacial strengthening was imparted by large surface area, well-dispersed clay nanolayers acting as heterogeneous nucleation sites for the semi-crystalline matrix.

Τα σύνθετα υλικά αναπτύχθηκαν με σκοπό τη δημιουργία προϊόντων με εξειδικευμένο συνδυασμό ιδιοτήτων. Τα υλικά αυτά επιτρέπουν την εξοικονόμηση υλικών και χρηματικών πόρων, μέσω της αντικατάστασης μέρους των πολύτιμων φυσικών πρώτων υλών με άλλες φθηνότερες, διατηρώντας όμως στο τελικό προϊόν τις ιδιότητες των αντικατασταθέντων συστατικών. Τα σύνθετα υλικά είναι μίγματα δύο ή και περισσότερων συστατικών, τα οποία διαφέρουν στη μορφή ή και στη σύνθεση, συνήθως δεν διαλύονται το ένα στο άλλο και είναι δυνατόν να εντοπιστεί διεπιφάνεια μεταξύ των συστατικών τους. Τα σύνθετα υλικά αποτελούνται από τη μητρική και την ενισχυτική φάση. Η μήτρα περικλείει τα εγκλείσματα και αποτελεί τη φάση του συστήματος, η οποία δίνει την εξωτερική μορφή του σύνθετου υλικού. Επίσης, ενεργεί ως περιβάλλον και ως συνδετική ύλη για τα εγκλείσματα και συνήθως καθορίζει την αντοχή του σύνθετου υλικού. Τα εγκλείσματα αποτελούν τα δομικά στοιχεία του σύνθετου υλικού και καθορίζουν την εσωτερική του δομή. Για την καλύτερη δυνατή συνεργασία μήτρας-εγκλείσματος επιβάλλεται η πλήρης επαφή τους, όπως και η ανάπτυξη μεταξύ τους ενός ισχυρού δεσμού συνοχής. Στην παρούσα εργασία ως ενισχυτική φάση χρησιμοποιήθηκε το TiO2. Η μελέτη του παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον λόγω των οπτικών και ηλεκτρονικών ιδιοτήτων του. Το TiO2 είναι ένας ημιαγωγός ευρέως χάσματος και μπορεί να κρυσταλλωθεί σε τρεις διαφορετικές δομές: ρουτίλιο, ανατάσης και βρουκίτης (rutile, anatase και brookite). Ως προπολυμερές για την παρασκευή των δοκιμίων, χρησιμοποιήθηκε η εποξειδική ρητίνη. Η συγκεκριμένη ρητίνη είναι ένα τυπικό μονωτικό πολυμερές χαμηλού ιξώδους, της οποίας η διηλεκτρική σταθερά καθώς και η αγωγιμότητα δεν διαφέρουν σημαντικά από τις αντίστοιχες τιμές για το TiO2. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός σύνθετων συστημάτων πολυμερικής μήτρας-κεραμικού TiO2. Παρασκευάστηκαν σύνθετα υλικά συγκέντρωσης 10 phr, 30 phr και 50 phr σε TiO2. Για τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό των σύνθετων αυτών, εφαρμόστηκε η τεχνική της διηλεκτρικής φασματοσκοπίας ευρέως φάσματος (BDS-Broadband Dielectric Spectroscopy). Με τη διηλεκτρική φασματοσκοπία είναι δυνατόν να μετρηθεί το πραγματικό και το φανταστικό μέρος της διηλεκτρικής σταθεράς, της εμπέδησης, της αγωγιμότητας όπως και άλλα μεγέθη, ως συνάρτηση της συχνότητας, της εφαρμοζόμενης τάσης και της θερμοκρασίας. Στην εργασία αυτή, για τη λήψη των μετρήσεων διηλεκτρικής απόκρισης, χρησιμοποιήθηκε η γέφυρα εναλλασσόμενου Alpha-N της εταιρείας Novocontrol. Ως κυψελίδα μετρήσεων χρησιμοποιήθηκε η BDS 1200 της ίδιας εταιρείας. Για κάθε εξεταζόμενο δείγμα έλαβαν χώρα ισόθερμες σαρώσεις συχνοτήτων. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στην περιοχή συχνοτήτων από 0.1Hz ως 1MHz και σε εύρος θερμοκρασιών από -1000 C ως 1500 C. Το θερμοκρασιακό βήμα μεταξύ των διαδοχικών σαρώσεων συχνοτήτων είναι 100 C. Η θερμοκρασία ελέγχεται από το σύστημα Quatro με ακρίβεια 0.10 C. Όλη η διάταξη είναι συνδεδεμένη με ηλεκτρονικό υπολογιστή για ταυτόχρονο έλεγχο και αποθήκευση των δεδομένων. Για λόγους σύγκρισης εκτός από τα σύνθετα, μετρήθηκαν και δείγματα καθαρής ρητίνης. Τα φαινόμενα διηλεκτρικής χαλάρωσης που καταγράφονται περιλαμβάνουν συνεισφορές τόσο από την πολυμερική μήτρα όσο και από την ενισχυτική φάση. Στην περιοχή των χαμηλών θερμοκρασιών ανιχνεύονται, τόσο στα δείγματα καθαρής ρητίνης όσο και στα σύνθετα, οι διεργασίες της β- και 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). Στην περιοχή των υψηλών θερμοκρασιών καταγράφονται τρεις επιπρόσθετες διεργασίες χαλάρωσης. Στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων, εμφανίζεται το φαινόμενο Maxwell-Wagner-Sillars (ενδοεπιφανειακή πόλωση), το οποίο οφείλεται στη συσσώρευση φορτίων χώρου στην ενδοεπιφάνεια μήτρας-εγκλείσματος. Όπως αναμένεται η διεργασία αυτή δεν εμφανίζεται στο δείγμα καθαρής ρητίνης. Λόγω της μικρής ετερογένειας μεταξύ των δύο φάσεων το φαινόμενο είναι ασθενές και γίνεται ισχυρότερο με την αύξηση της συγκέντρωσης σε TiO2. Στην περιοχή των ενδιάμεσων συχνοτήτων εμφανίζεται, τόσο στα δείγματα καθαρής ρητίνης όσο και στα σύνθετα, η διεργασία της α-χαλάρωσης, η οποία σχετίζεται με την υαλώδη μετάβαση της πολυμερικής μήτρας. Η δυναμική της α-χαλάρωσης δεν επηρεάζεται από την αύξηση της συγκέντρωσης σε πληρωτικό μέσο. Στην περιοχή των υψηλών συχνοτήτων και μόνο στα σύνθετα εμφανίζεται η διεργασία IDE (Intermediate Dipolar Effect), η οποία αποδίδεται στην παρουσία της ενισχυτικής φάσης. Αυτή η διεργασία εμφανίζεται σαφέστερα στα σύνθετα συγκέντρωσης 30 phr και 50 phr, δηλαδή επηρεάζεται ισχυρά από τη συγκέντρωση σε TiO2. Σε όλες τις συγκεντρώσεις οι διεργασίες MWS και IDE παρουσιάζουν εξάρτηση από τη θερμοκρασία, η οποία ακολουθεί την εξίσωση Arrhenius, ενώ η εξάρτηση της α-χαλάρωσης από τη θερμοκρασία περιγράφεται από την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VTF). Για όλες τις διεργασίες χαλάρωσης στις υψηλές θερμοκρασίες, υπολογίζονται οι χρόνοι χαλάρωσης και οι αντίστοιχες ενέργειες ενεργοποίησης. Η μεταβολή του πραγματικού μέρους της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσόμενου , στην περιοχή υψηλών θερμοκρασιών, συναρτήσει της συχνότητας εμφανίζει τρεις περιοχές. Στην περιοχή υψηλών συχνοτήτων, η μεταβολή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας εναλλασσόμενου συναρτήσει της συχνότητας ακολουθεί τον νόμο της Παγκόσμιας Διηλεκτρικής Απόκρισης. Στην περιοχή αυτή παρατηρείται ασθενής εξάρτηση της ηλεκτρικής αγωγιμότητας από τη θερμοκρασία. Η μεταβολή της ηλεκτρικής αγωγιμότητας στην ενδιάμεση περιοχή συχνοτήτων, συνδέεται με την εμφάνιση των μηχανισμών MWS και α-χαλάρωση. Στην περιοχή χαμηλών συχνοτήτων, η ηλεκτρική αγωγιμότητα είναι ανεξάρτητη της συχνότητας και περιγράφει την αγωγιμότητα συνεχούς των υλικών. Η είναι η τιμή της αγωγιμότητας στα 0.1Hz. Η αγωγιμότητα συνεχούς αυξάνεται αυξανομένης της θερμοκρασίας, για όλα τα εξεταζόμενα δείγματα και ακολουθεί την εξίσωση Vogel-Fulcher-Tamann (VTF). / Polymer matrix – ceramic TiO2 composites were prepared, in different filler concentrations, and their electrical properties were examined by means of Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS), over a wide temperature range (-100C to 150C) and in the frequency range of 10-1Hz–1MHz. The relaxation phenomena recorded include contributions from both the polymeric matrix and the presence of the reinforcing phase. The results are discussed using the electric modulus formalism, with temperature and filler’s concentration as parameters. Pure matrix exhibits tree distinct relaxation processes attributed, with ascending relaxation rate, to glass/rubber (-mode) transition, and local motions of polar side groups and small segments of the polymer chain. Two additional modes have been detected in the TiO2 reinforced systems. The relaxation mechanism present at low frequencies and high temperatures is attributed to interfacial polarization or Maxwell – Wagner – Sillars phenomenon and corresponds to the slowest observed mode. Finally, the second process recorded in the intermediate frequency range, between -mode and polar side groups-mode, is possibly related to order/disorder transition of the ceramic TiO2.