Södra DuraPulp is a relatively new eco-composite, made from natural wood fibers and polylactic acid (PLA), which comes from corn starch. Until now, there are only few applications for DuraPulp, mainly in the area of design. To find new fields of application, more knowledge about its mechanical material properties are of great interest.This study deals with characterizing the mechanical properties of DuraPulp in an analytical way by means of micromechanical modelling and evaluation with help of Matlab. The mechanical properties for PLA were taken from scientific literature. Not all properties of the wood fibers could be found in literature (particularly Poisson’s ratios were unavailable). Therefore, they partly had to be assumed within reasonable boundaries. These assumptions are later validated regarding their influence on the final product.Figures and tables were used to present and compare the in- and out-of-plane E-Moduli, shear moduli and Poisson’s ratios of DuraPulp. The calculated in-plane E-Moduli were then compared to those obtained from an earlier study, where DuraPulp was tested in tension. The results showed that experimental and analytical values are very similar to each other. / Södra DuraPulp är en relativt ny eco-komposit, tillverkat av naturliga trä fibrer och polylactic syra som kommer från majsstärkelser. I dagsläget finns det få användningsområden för DuraPulp, huvudsakligen används det inom design. För att expandera användningsområdet behövs det mer kunskaper angående de mekaniska egenskaperna för materialet. Studien handlar om att karakterisera de mekaniska egenskaperna för DuraPulp på ett analytiskt sätt i form av mikro-mekanisk modellering och evaluering med hjälp av Matlab. De huvudsakliga mekaniska egenskaperna för PLA kunde hämtas från flera vetenskapliga källor, men de motsvarande mekaniska egenskaperna för fibrer kunde inte alla valideras. Delvis antogs dem i rimliga gränser och deras inverkan validerades med hjälp av en parameter studie.Figurer och tabeller användes för att presentera och jämföra in- och ut-plan E-Moduler, skjuvmoduler och tvärkontraktionstalen av DuraPulp. De beräknade in-plan E-modulerna för DuraPulp jämfördes med motsvarande E-moduler från en tidigare studie där DuraPulp genomgick dragtest. Resultatet visade att analytiska och experimentella värden överensstämmer bra med varandra.

L’effet du confinement de la phase amorphe lors de la cristallisation du poly(éthylène téréphtalate) et du poly(acide lactique) a été étudié à multi-échelles. Ces polymères peuvent exister sous forme amorphe et semi-cristalline. La relation entre la microstructure et les propriétés viscoélastiques des matériaux a été mise en évidence par les expériences en diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS) et aux grands angles (WAXS), en Calorimétrie différentielle à balayage (DSC), en traction, en analyseur mécanique dynamique (DMA) et en nanoindentation. La différence de la structure moléculaire du PET et du PLA est essentielle pour leur comportement physique et mécanique. Au cours de la cristallisation, une autre phase amorphe dont le comportement mécanique est plus rigide que la phase amorphe traditionnelle a été formée. La DSC permet de quantifier la dépendance de la fraction de cette phase amorphe rigide en fonction du taux de cristallinité. La technique de diffusion des rayons X permet d’étudier l’évolution de la microstructure (dimension de cristallites, épaisseur des phases) lors de la cristallisation. Le comportement mécanique des polymères a été étudié à différentes échelles. Les essais de DMA permettent non seulement d’étudier le comportement viscoélastique macroscopique des polymères mais aussi de quantifier les propriétés viscoélastiques de chaque phase amorphe via leur température de transition vitreuse. Cela a été utilisé comme données d’entrée dans des modèles micromécaniques. La nanoindentation permet de mesurer les propriétés mécaniques du matériau à son extrême surface. Dans la dernière partie, une approche des propriétés mécaniques macroscopiques des matériaux a été réalisée par des modèles micromécaniques d’homogénéisation en se basant sur la morphologie matrice-inclusion. / The signature of confinement effect onto the mechanical properties of the amorphous phase during crystallization of two polymers, Polyethylene terephthalate (PET) and poly(lactic acid) (PLA) was investigated at multi-scale. The two polymers have the advantage of being either in bulk amorphous or in semi-crystalline state. The relation between the microstructure and the viscoelastic properties of materials is put light on by the experiments of X-Ray Scattering, differential scanning calorimetry (DSC), by tensile strength tests, by dynamic mechanical analysis (DMA) and by nanoindentation. The difference in molecular structure of PET and PLA is essential for their physical and mechanical behavior. During crystallization, the second amorphous phase whose mechanical behavior is more rigid than conventional amorphous phase was formed. DSC is used to quantify the rigid amorphous fraction dependence on the crystallinity. The technique of X-ray scattering is used to study the evolution of the microstructure (crystallite size, lamella thickness) during crystallization. The mechanical behavior of materials was studied at different scale. DMA tests allow not only to study the macroscopic behavior of viscoelastic polymers but also to quantify the viscoelastic properties of each amorphous phase through their glass transition temperature. This was used as input data in micromechanical models. Nanoindentation is used to measure the mechanical properties of the materials at the extreme surface. In the last part, the homogenization micromechanical modeling was performed based on the matrix - inclusion morphology in order to predict the macroscopic mechanical behavior laws of materials.

No description available.

Au cours d'une irradiation neutronique à long-terme dans les Réacteurs à Eau Pressurisée (REPs), une modification importante du comportement mécanique des matériaux utilisés dans les internes de cuve (composés des aciers inoxydables austénitiques de la série 300) est observée, y compris un durcissement et un adoucissement induit par irradiation, une perte de la ductilité et de la ténacité. Jusqu'à présent, beaucoup efforts ont été contribués pour identifier les effets d'irradiation sur l'évolution microstructurale du matériau (dislocations, boucles de Frank, cavités, ségrégation, etc.). Le gonflement induit par irradiation, considéré comme un facteur limitant la durée de fonctionnement des réacteurs, pourrait modifier les propriétés mécaniques des matériaux (plasticité, ténacité, etc), même conduire à une distorsion des structures du fait des modifications dimensionnelles entre les différentes composantes.L'objectif principal de ce travail de thèse est d'étudier qualitativement l'influence de l'effet du gonflement sur le comportement mécanique des matériaux irradiés. Un modèle micromécanique constitutif en grandes déformations basé sur les évolutions de la densité de dislocations et de défauts d'irradiation (boucles de Frank) est développé et implémenté dans les codes de calcul éléments finis ZéBuLoN et Cast3M. Les simulations numériques sont réalisées pour calculer les propriétés mécaniques d'un agrégat polycristallin. Par ailleurs, la technique d'homogénéisation est appliquée pour développer un modèle de type Gurson. Les simulations d'une cellule poreuse sont utilisés pour étudier le comportement mécanique des monocristaux poreux, en tenant compte des différents effets de la triaxialité, de la porosité et de l'orientation cristallographique, afin d'étudier l'effet de la présence des cavités sur la plasticité et la rugosité du matériau irradié à l'échelle polycristallin. / During long-time neutron irradiation occurred in Pressurized Water Reactors (PWRs), significant changes of the mechanical behavior of materials used in reactor core internals (made of 300 series austenitic stainless steels) are observed, including irradiation-induced hardening and softening, loss of ductility and toughness. So far, much effect has been made to identify radiation effects on material microstructure evolution (dislocations, Frank loops, cavities, segregation, etc.). The irradiation-induced cavity swelling, considered as a potential factor limiting the reactor lifetime, could change the mechanical properties of materials (plasticity, toughness, etc.), even lead to a structure distortion because of the dimensional modifications between different components.The principal aim of the present PhD work is to study qualitatively the influence of cavity swelling on the mechanical behaviors of irradiated materials. A micromechanical constitutive model based on dislocation and irradiation defect (Frank loops) density evolution has been developed and implemented into ZéBuLoN and Cast3M finite element codes to adapt the large deformation framework. 3D FE analysis is performed to compute the mechanical properties of a polycrystalline aggregate. Furthermore, homogenization technique is applied to develop a Gurson-type model. Unit cell simulations are used to study the mechanical behavior of porous single crystals, by accounting for various effects of stress triaxiality, of void volume fraction and of crystallographic orientation, in order to study void effect on the irradiated material plasticity and roughness at polycrystalline scale.

Les alliages de titane β-métastables biocompatibles suscitent un intérêt croissant pour les applications médicales grâce à leur comportement superélastique et/ou effet mémoire de forme, leur excellente résistance à la corrosion et leur bonne aptitude à la déformation à froid. Dans le cadre de cette thèse, un alliage superélastique Ti-26Nb et un alliage à mémoire de forme Ti-24Nb ont été élaborés en creuset froid en semi-lévitation magnétique et ont fait l'objet d'une caractérisation approfondie sur le plan microstructural et mécanique. Les mécanismes de déformation activés lors d'une sollicitation mécanique ont été identifiés pour les deux alliages au moyen d'essais de traction couplés à des mesures in-situ en diffraction des rayons X. Une procédure d'optimisation basée sur des traitements thermo-mécaniques nano-structurants a été développée pour augmenter simultanément la résistance mécanique et la superélasticité tout en conservant un bas module élastique. Un ensemble de propriétés qui conditionne la réussite de la pose d'implant en améliorant la qualité de transfert des contraintes à l'interface os/implant. Les évolutions microstructurales à l'origine de l'optimisation de ces propriétés ont été étudiées par diffraction des rayons X, microscopie électronique à transmission et essais mécaniques. Ce travail se conclut par une introduction à la modélisation micromécanique du comportement du Ti-26Nb. Les caractéristiques cristallographiques de la transformation martensitique ont été déterminées en se basant sur la théorie de Ball et James. L'influence de l'orientation cristallographique sur le comportement mécanique des monocristaux a été étudiée. / Biocompatible metastable β-titanium alloys have attracted much attention for biomedical applications in recent years thanks to their superelastic and/or shape memory behavior, their superior corrosion resistance and their excellent cold workability. In this present study, a superelastic Ti-26Nb alloy and a shape memory Ti-24Nb alloy were produced by the cold crucible levitation melting method. A detailed microstructural and mechanical characterization were performed. The deformation mechanisms occurring during uniaxial deformation were identified for these two alloys by coupling in situ tensile testing with X-ray diffraction measurement. An optimization route based on nanostructuring process was developed in order to enhance both strength and superelasticity while keeping a low elastic modulus. These properties are required to improve the load transfer along the bone/implant interface which is essential to the success of implants. The microstructural evolution during the thermomechanical process resulting in the optimization of properties was investigated through tensile tests, X-ray diffraction and transmission electron microcopy. The last part of this study deals with an introduction of micromechanical modeling of the Ti-26Nb behavior. The crystallographic features of the martensitic transformation were determined by applying the Ball and James theory. The influence of the crystallographic orientation on the mechanical response was investigated for tension and compression.

In recent times, composite materials have gained mainstay acceptance as a structural material of choice due to their tailorability and improved thermal, specific strength/stiffness and durability performance. Carbon-Carbon (C/C) composites are used for high temperature applications such as exit nozzles for rockets, leading edges for missiles, nose cones, brake pads etc. Mechanical property estimation of C/C composites is challenging due to their highly heterogeneous microstructure. Computed Tomography (CT) images (volumetric imaging) coupled with Scanning Electron Microscopy (SEM) reveal a highly heterogeneous microstructure comprised of woven C-fibers, amorphous C-matrix, irregularly shaped voids, cracks and other inclusions. The images also disclose structural hierarchy of the C/C composite at different length scales. Predicting the mechanical behavior of such complex hierarchical materials like C/C composites forms the motivation for the present work. A systematic study to predict the effective mechanical properties of C/C Composite using numerical homogenization has been undertaken in this work. The Micro-Meso-Macro (MMM) principle of ensemble averages for estimating the effective properties of the composite has been adopted. The hierarchical length scales in C/C composites has been identified as micro (single fiber with matrix), meso (fabric) and macro (laminate). Numerical homogenization along with periodic boundary conditions (PBCs) have been used to estimate the effective engineering properties of the material at different length scales. Concurrently, mechanical testing has also been carried out at macro (compression tests) and micro scale (using nano-indentation studies) to characterize the mechanical behavior of C/C composites.

Parts made out of titanium alloys demonstrate anisotropic mechanical properties when manufactured by electron beam melting, an emerging additive manufacturing technique. Understanding the process history dependent heterogeneous microstructure, and its effect on mechanical properties is crucial in determining the performance of additively manufactured titanium alloys as the mechanical behavior heavily relies on the underlying microstructural features. This thesis work focuses on combined experimental and computational techniques for microstructure characterization, synthetic microstructure generation, mechanical property measurement, and mechanical behavior modeling of polycrystalline materials, with special focus on dual phase titanium alloys. Macroscopic mechanical property measurements and multi-modal microstructure characterizations (high energy X-ray diffraction, computed tomography and optical microscopy) are performed on additively manufactured Ti-6Al-4V parts, revealing the heterogeneity of the microstructure and properties with respect to the build height. Because characterizing and testing every location within a build is not practical, a computational methodology is established in order to reduce the time and cost spent on microstructure-property database creation. First a statistical volume element size is determined for the Fast Fourier Transform based micromechanical modeling technique through a sensitivity study performed on an experimental Ni-based superalloy and syntheticW, Cu, Ni and Ti structures, showing that as the contrast of properties (e.g., texture, field localization, anisotropy, rate-sensitivity) increases, so does the minimum simulation domain size requirement. In all deformation regimes a minimum volume element is defined for both single and dual phase materials. The database is then expanded by generating statistically representative Ti structures which are modified for features of interest, e.g., lath thickness, grain size and orientation distribution, to be used in spectral full-field micromechanical modeling. The relative effect of the chosen microstructural features is quantified through comparisons of average and local field distributions. Fast Fourier transform based technique, being a spectral, full-field deformation modeling tool, is shown to be capable of capturing the relative contribution from varying microstructural features such as phase fractions, grain morphology/ size and texture on the overall mechanical properties as the results indicate that the mean field behavior is predominantly controlled by the alpha phase fraction and the prior beta phase orientation.

La déformation plastique du alpha-titane est fortement anisotrope. Elle met en jeu des familles de systèmes de glissement aux propriétés diverses et différents types de macles. Dans cette étude, des essais de traction sur des échantillons de alpha-titane de pureté commerciale sont couplés avec des mesures d'émission acoustique et d'extensométrie locale à haute résolution. Ces essais révèlent la présence d'un puits sur la courbe d'évolution du taux d'écrouissage. Un effet inverse de la vitesse de déformation sur la profondeur de ce puits est trouvé selon que les échantillons sont déformés suivant le sens long ou le sens travers de la tôle laminée initiale. Des analyses statistiques des lignes de glissement montrent une prédominance initiale du glissement prismatique, particulièrement prononcée dans les échantillons prélevés suivant le sens long. Une diminution de l'activité relative du glissement prismatique est observée au cours de la déformation des deux types d'éprouvettes. Les fractions volumiques de macles sont plus élevées dans les essais réalisés en sens travers mais restent néanmoins très faibles (< 5 %), en particulier au niveau du puits (< 2 %). Ces résultats fournissent une base physique pour l'élaboration d'un modèle capable d'expliquer ce comportement particulier de l'écrouissage. Le modèle s'appuie sur un schéma auto-cohérent en élastoviscoplasticité, basé sur la méthode des champs translatés et utilisant une linéarisation affine de la relation constitutive viscoplastique. Le modèle considère la plasticité cristalline et traite séparément la densité de dislocations mobiles et la vitesse moyenne des dislocations. Il suppose une plus faible sensibilité à la vitesse de déformation ainsi qu'une multiplication plus rapide des dislocations sur les systèmes prismatiques. A partir de ces différentes hypothèses, les courbes de traction sont correctement reproduites et des estimations raisonnables des coefficients de Lankford, de l'activité relative du glissement prismatique et de l'évolution des textures sont obtenues. Plus important encore, l'effet inverse de la vitesse de déformation sur la profondeur du puits du taux d'écrouissage selon l'orientation de l'axe de traction est retrouvé de manière qualitative, ce qui permet d'avancer une explication aux phénomènes observés. Par ailleurs, les mesures d'émission acoustique et d'extensométrie locale à haute résolution permettent d'analyser le caractère intermittent et ondulatoire du alpha-titane à une échelle mésoscopique. Ces données sont confrontées aux prédictions du modèle actuel et serviront de base pour le développement futur d’un modèle plus complexe / The plasticity of alpha-titanium is strongly anisotropic. It involves slip systems families with various properties and different kinds of twins. In this study, tensile tests on commercially pur alpha-titanium samples are coupled with acoustic emission and high-resolution extensometry measurements. These tests show the presence of a well on the strain dependence of the work hardening. An opposite strain rate effect on the well depth is found whether specimens are elongated along the rolling or the transverse direction of the initially laminated sheet. Slip lines analysis reveals an initial predominance of prismatic slip, particularly pronounced in specimens strained along the rolling direction. The relative activity of prismatic slip is then observed to decrease with the deformation of both kinds of samples. The twin volume fractions are higher in the tests performed in the transverse direction but still remain very low (< 5 %), especially around the well (< 2 %). These results provide grounds for elaboration of a model capable of explaining such peculiar work hardening behavior. The model relies on a self-consistent scheme in elastoviscoplasticity, based on the translated field method and an affine linearization of the viscoplastic flow rule. The model considers crystal plasticity and deals separately with mobile dislocation density and dislocation velocity. It assumes lower strain rate sensitivity as well as higher dislocation multiplication rate for prismatic systems. Based on these assumptions, the model reproduces correctly the stress-strain curves and gives sound estimates of Lankford coefficients, prismatic slip activity and textures evolution. Most importantly, the opposite effect of strain rate on the well depth with regard to the orientation of the tensile axis is qualitatively retrieved, which allows putting forward an explanation of the observed phenomena. Besides, acoustic emission and high-resolution extensometry measurements allow analyzing the intermittent and wave nature of alpha-titanium at a mesoscopic scale. These data are confronted with the predictions of the present model and will be used as grounds for the future development of a more complex model

La technologie flip chip est de plus en plus répandue dans l'industrie électronique [trois dimensions (3D) System in Package] et est principalement utilisée pour la fabrication de réseaux détecteurs de grand format (mégapixels) et faible pas. Pour étudier la fiabilité de ces assemblages, des simulations numériques basées sur des méthodes d'éléments finis semblent être l'approche la moins chère. Cependant, de très grands assemblages contiennent plus d'un million de billes de brasure, et le processus d'optimisation de ces structures par des simulations numériques se révèle être une tâche très fastidieuse. Dans de nombreuses applications, la couche d'interconnexion de tels assemblages flip chip se compose de microbilles de brasure noyées dans de l'époxy. Pour ces configurations, nous proposons une approche alternative, qui consiste à remplacer cette couche d'interconnexion hétérogène par un matériau homogène équivalent (MHE). Un modèle micromécanique pour l'estimation de ses propriétés thermoélastiques équivalentes a été mis au point. La loi de comportement obtenue pour le MHE a ensuite été implémentée dans le logiciel par éléments finis (Abaqus®). Les propriétés élastiques des matériaux de l'assemblage sont définies par la littérature et également déterminées expérimentalement par une méthode de caractérisation mécanique : la nano-indentation. Les réponses thermomécaniques des assemblages testés soumis à des chargements correspondant aux conditions de fabrication ont été analysées. La technique d'homogénéisation-localisation a permis d'estimer les valeurs moyennes des contraintes et des déformations dans chaque phase de la couche d'interconnexion. Pour accéder plus précisément aux champs de contraintes et déformations dans ces phases, deux modèles de zoom structurel (couplage de modèles et submodeling), en tenant compte de la géométrie réelle de la bille de brasure, ont été testés. Les champs de contrainte et de déformation locaux obtenus corroborent avec les initiations de dommage observées expérimentalement sur les billes de brasure / Flip chip technology is increasingly prevalent in electronics assembly [threedimensional (3D) system in package] and is mainly used at fine pitch for manufacture of megapixel large focal-plane detector arrays. To estimate the reliability of these assemblies, numerical simulations based on finite-element methods appear to be the cheapest approach. However, very large assemblies contain more than one million solder bumps, and the optimization process of such structures through numerical simulations turns out to be a very time-consuming task. In many applications, the interconnection layer of such flip-chip assemblies consists of solder bumps embedded in epoxy filler. For such configurations, we propose an alternative approach, which consists in replacing this heterogeneous interconnection layer by a homogeneous equivalent material (HEM). A micromechanical model for the estimation of its equivalent thermoelastic properties has been developed. The constitutive law of the HEM obtained was then implemented in finite-element software (Abaqus®). Elastic properties of materials that compose the assembly were found in literature and by using mechanical characterization method especially nano-indentation. Thermomechanical responses of tested assemblies submitted to loads corresponding to manufacturing conditions have been analyzed. The homogenization-localization process allowed estimation of the mean values of stresses and strains in each phase of the interconnection layer. To access more precisely to the stress and strain fields in these phases, two models of structural zoom (model coupling and submodeling), taking into account the real solder bump geometry, have been tested. The local stress and strain fields obtained corroborate the experimentally damage initiation of the solder bumps observed

Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η κατασκευή, η πειραματική και θεωρητική μελέτη πολυμερικών μίκρο- και νάνο- συνθέτων υλικών. Μελετήθηκε η επίδραση στη μηχανική συμπεριφορά τους φθοροποιών παραγόντων όπως η απορρόφηση υγρασίας και κατασκευαστικών παραμέτρων όπως η γεωμετρία και η μέθοδος διασποράς της ενίσχυσης. Επίσης, έγινε σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με την πρόβλεψη των αναλυτικών μοντέλων MPM όσον αφορά το μέτρο Ελαστικότητας συναρτήσει της περιεκτικότητας σε ενίσχυση και RPM όσον αφορά την εναπομένουσα θραυστομηχανικής συμπεριφοράς μετά από υγροθερμική γήρανση. Τέλος, έγινε μικρομηχανική μοντελοποίηση της ελαστικής και βισκοελαστικής διεπιφανειακής συμπεριφοράς με το μοντέλο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης νανοσυνθέτων σε συστήματα νανοσωλήνων άνθρακα-εποξειδικής ρητίνης και νανοσωλήνων TiO2-οστεοκυττάρων. Στο πρώτο μέρος έγινε πειραματική μελέτη πολυμερικών μίκρο-συνθέτων υλικών. Για τη μελέτη της επίδρασης της γεωμετρίας της ενίσχυσης στη μηχανική και θραυστομηχανική συμπεριφορά κατασκευάστηκαν σύνθετα εποξικής μήτρας ενισχυμένα με μίκρο-σωματίδια γυαλιού ινώδους, σφαιρικής και γεωμετρίας φυσαλίδας και πραγματοποιήθηκαν πειράματα κάμψης τριών σημείων και compact tension αντίστοιχα. Για τους τρεις παραπάνω τύπους ενίσχυσης προκύπτει ότι τα σύνθετα ενισχυμένα με μικροσφαιρίδια γυαλιού υπερτερούν από πλευράς καμπτικής δυσκαμψίας και μηχανικής αντοχής. Ο λόγος είναι η δυνατότητα να παραλαμβάνουν τόσο εφελκυστικά όσο και θλιπτικά φορτία σε αντίθεση με τις ίνες και τις φυσαλίδες. Από άποψη στερρότητας, ΚIC υπερτερούν τα σύνθετα με μικροϊνίδια λόγω της αντίστασης στη διάδοση ρωγμών μέσω της εξόλκυσης τους και της γεφύρωσης ρωγμών, ενώ τα σύνθετα με φυσαλίδες γυαλιού παρουσιάζουν αυξημένη ενέργεια θραύσης λόγω της αυξημένης ένδοσης και άρα της δυνατότητας αποθήκευσης ενέργειας. Επίσης, για μικρές περιεκτικότητες σε ενίσχυση η συμπεριφορά των υλικών είναι όλκιμη. Η έναρξη της ρωγμής ακολουθείται από ευσταθή διάδοσή της πριν την καταστροφική αστοχία υπό την επίδραση μηχανισμών διάχυσης ενέργειας και ανάσχεσης της ρωγμής. Αντίθετα, μετά από μία κρίσιμη περιεκτικότητα η θραύση του υλικού γίνεται ψαθυρή λόγω του βαθμού συσσωμάτωσης των εγκλεισμάτων. Η ασταθής διάδοση της αρχικής ρωγμής συμβαίνει αμέσως μετά την εκκίνηση αυτής. Τα πειραματικά αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν από μικροφωτογραφίες SEM και οπτικού στερεομικροσκοπίου. Σε επόμενο στάδιο μελετήθηκε πειραματικά η επίδραση περιβαλλοντικών παραγόντων στη θραυστομηχανική συμπεριφορά των συνθέτων ενισχυμένων με σφαιρίδια γυαλιού. Πιο συγκεκριμένα, διεξήχθηκαν πειράματα compact tension σε δοκίμια μετά από υγροθερμική γήρανση για χρονικά διαστήματα που υπερβαίνουν το χρόνο κορεσμού απορρόφησης υγρασίας. Προέκυψε ότι για μικρές περιεκτικότητες σε ενίσχυση η δυσθραυστότητα των υλικών ακολουθεί μάλλον εκθετική μείωση. Αντίθετα για υλικά με μεγάλη περιεκτικότητα σε ενίσχυση τα οποία παρουσιάζουν ψαθυρή θραύση, αρχικά παρατηρείται αύξηση ή έναρξη της υποβάθμισης του της θραυστομηχανικής συμπεριφοράς από κάποιο κρίσιμο χρόνο εμβάπτισης. Τέλος, από την εφαρμογή σε αυτά των θεωρητικών του μοντέλων MPM και RPM προέκυψε πολύ ικανοποιητική σύγκλιση με τα πειραματικά αποτελέσματα. Στο δεύτερο μέρος έγινε πειραματική μελέτη της επίδρασης του τρόπου διασποράς των νανοσωλήνων στη μηχανική και θερμομηχανική συμπεριφορά καθώς και στη δομή νανοσυνθέτων. Για την ανάμειξη των νανοσωλήνων χρησιμοποιήθηκαν οι μέθοδοι της υπερήχησης και της μηχανικής ανάμειξης σε αναμείκτη υψηλών στροφών. Έγινε μηχανικός χαρακτηρισμός της στατικής και της δυναμικής θερμομηχανικής συμπεριφοράς τους, από όπου επιβεβαιώθηκε ο κρίσιμος ρόλος που διαδραματίζει η ποιότητα της διασποράς των νανοεγκλεισμάτων στις μακροσκοπικές ιδιότητες του νανοσυνθέτου. Παρατηρήθηκε ότι τα νανοσύνθετα υλικά που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης πλεονεκτούν από πλευράς στατικής και δυναμικής μηχανικής συμπεριφοράς έναντι αυτών που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της μηχανικής ανάμειξης με μόνη εξαίρεση τη μείωση της Tg. Παρ’ όλα εγείρεται το ζήτημα της καταστροφής της δομής της μήτρας λόγω της μεγάλης ισχύος των υπερήχων που εστιάζεται σε μικρή περιοχή, καθώς και της μειωμένη ικανότητα αποδοτικής διασποράς νανοσωλήνων σε μεγαλύτερη ποσότητα ρητίνης. Επιπλέον, ελήφθησαν φάσματα υπερύθρου της καθαρής ρητίνης και των νανοσυνθέτων που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης από όπου παρατηρήθηκε αύξηση της πυκνότητας των σταυροδεσμών στην περίπτωση των νανοσυνθέτων, γεγονός που αποδίδεται στη θερμική συμπεριφορά των νανοσωλήνων άνθρακα. Τα πειραματικά αποτελέσματα βρέθηκαν σε πλήρη συμφωνία με τα συμπεράσματα από τις μικροφωτογραφίες SEM των επιφανειών θραύσης των νανοσυνθέτων. Ήταν δυνατό να φανεί ξεκάθαρα η ποιότητα της διασποράς των νανοσωλήνων καθώς και οι μηχανισμοί αστοχίας και ενίσχυσης του υλικού σε νάνο-κλίμακα. Στην περίπτωση της μηχανικής ανάμειξης σε αναμείκτη υψηλής ταχύτητας υπήρχε συσσωμάτωση των νανοσωλήνων, ενώ στην περίπτωση της ανάμειξης με υπερήχηση επιτεύχθηκε καλή ποιότητα διασποράς των νανοεγκλεισμάτων στη μήτρα χωρίς την ύπαρξη συσσωματωμάτων μεγέθους άνω των 5-10 νανοσωλήνων. Από πειράματα compact tension που πραγματοποιήθηκαν παρατηρήθηκε σημαντική αύξηση κατά 58,51% στον KIC και 55,25% στον GIC σε σχέση με την καθαρή ρητίνη για περιεκτικότητα μόλις 0,1wt% σε νανοσωλήνες άνθρακα. Η βελτιωμένη θραυστομηχανική συμπεριφορά σχετίζεται με τη μικρή απόσταση ανάμεσα στα νανοσωματίδια και το εξαιρετικά μεγάλο αριθμό νανοσωλήνων σε δεδομένο όγκο συνθέτου. Παρ, όλα αυτά από πειράματα που πραγματοποιήθηκαν μετά από υγροθερμική γήρανση έδειξαν ότι η απορρόφηση υγρασίας επιφέρει απώλεια της ενισχυτικής ικανότητας των νανοσωλήνων για χρόνους εμβάπτισης μεγαλύτερους των 24 ωρών. Δεδομένου ότι η περιοχή της ενδιάμεσης φάσης επηρεάζει σημαντικά τη μακροσκοπική συμπεριφορά ενός συνθέτου υλικού έγινε εφαρμογή των αναλυτικών μοντέλων της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης και της βισκοελαστικής υβριδικής ενδιάμεσης φάσης σε συστήματα εποξειδικής ρητίνης – νανοσωλήνων άνθρακα και οστεοκυττάρων - νανοσωλήνων TiO2. Για τα νανοσύνθετα που κατασκευάστηκαν με τη μέθοδο της υπερήχησης υπολογίστηκε η τιμή του συντελεστή πρόσφυσης k=0,90 , ενώ για αυτά που κατασκευάστηκαν με μηχανική ανάμειξη σε αναμείκτη υψηλών στροφών η τιμή του συντελεστή πρόσφυσης υπολογίστηκε k=0,20. Η κακή ποιότητα πρόσφυσης έχει ως συνέπεια τη μη αποτελεσματική μεταφορά των φορτίων από τη μήτρα στα εγκλείσματα. Επίσης, έγινε πρόβλεψη της μεταβολής του πάχους της βισκοελαστικής ενδιάμεσης φάσης συναρτήσει του χρόνου υπό την επίδραση σταθερής φόρτισης. Από τη μοντελοποίηση του συστήματος νανοσωλήνων TiO2-οστεοβλαστών με το μοντέλο της υβριδικής ενδιάμεσης φάσης προκύπτει ότι υπάρχει αλληλοκάλυψη των ενδιάμεσων φάσεων που αναπτύσσονται μεταξύ γειτονικών νανοσωλήνων, ακόμα και για καλή ποιότητα πρόσφυσης. Το γεγονός εξηγεί την ελλιπή ανάπτυξη των κυττάρων, καθώς λόγω της αγκύρωσης στην επιφάνεια των νανοσωλήνων και του μικρού διακένου, η ένδοση στην περιοχή μεταξύ των νανοσωλήνων είναι στην πραγματικότητα σημαντικά μικρότερη από αυτή που έχει αρχικά υποτεθεί. / The current master thesis was realized during the years 2010-2012 under the supervision of Prof G.Papanicolaou at the Composite Materials Group, in the Department of Mechanical and Aeronautical Engineering at University of Patras, Greece. The aim of the thesis was the experimental and analytical study of polymer micro- and nano- composites. There was investigated the effect of damage through hygrothermal ageing as well as the effect of manufacturing parameters such as the fillers’ dispersion method and geometry upon the composites’ mechanical and fracture behavior. Experimental findings were compared with the predictions of the RPM and MPM models, concerning the materials response after hygrothermal ageing and the composites’ elastic modulus as a function of filler’s weight fraction, respectively. Also, the interphasial elastic and viscous behavior was investigated by application of the elastic and viscoelastic hybrid interphase models which were both developed by Prof. G.Papanicolaou et al. The two different composite systems considered were Carbon nanotubes- Epoxy and TiO2 nanotubes osteoblast cells. The first part of the study involved the manufacturing, the experimental characterization and analytical modeling of polymer microcomposites. The effect of fillers geometry upon the mechanical and fracture behavior of composites reinforced with spherical, fibrous and hollow bubble E-glass microinclusions was investigated by the means of three point bending and compact tension tests. It was observed that the composites reinforced with spherical inclusions demonstrated superior stiffness and flexural strength, which was attributed to the ability to take up both tensile and compressive loadings, unlike the other two types of fillers. However, glass fibril reinforced composites showed increased fracture toughness in effect of the mechanisms of fiber pull out and crack closure were considered to be fracture toughness. Finally there was observed increased fracture energy in the case of and glass bubble filled composites due to the inclusions increased compliance and thus ability to store more elastic energy prior to crack propagation. SEM microphotographs obtained confirmed experimental findings of ductile fracture and energy dissipation mechanisms for low vf and brittle fracture after a critical volume fraction. Next, the effect of environmental parameters upon the materials fracture behavior was investigated. For low volume fractions in glass microspheres the materials residual fracture toughness was found to decrease exponentially as a function of immersion time in water. On the contrary, for higher volume fractions the there can be observed an increase in toughness or initiation of damage after a critical immersion time. In any case, experimental findings were in close convergence with the predictions analytical models applied: MPM concerning the elastic modulus as a function of vf, and RPM concerning the residual KIC and GIC as a function of ageing time. The thesis’ second part involved the experimental and analytical investigation of the effect of the fillers dispersion method in epoxy nanocomposites. There were applied two dispersion methods of carbon nanotubes in the resin, namely ultrasonication and high speed shearing. From the three point bending characterization and DMTA tests it was concluded that except for the Tg, all static and dynamic properties of nanocomposites manufactured by the ultrasonication method, are superior to the ones of nanocomposites manufactured by the shearing method. This was confirmed by SEM micrographs observations from which there was a clear indication that nanocomposites produced by the shearing method, were characterized by a limited aggregation while those manufactured by the ultrasonication method showed that individual nanotubes are scattered in the matrix and no aggregation was observed. Moreover, results of FTIR analysis indicated increased crosslink density in the nanocomposites compared to the neat resin, however, the decrease in Tg and increase in damping are an indication of damage of the epoxy and nanotubes structure during the ultrasonication procedure. Compact tension tests indicated an increase by 58.51% in the fracture toughness and by 55.25% in the fracture energy of the nanocomposites reinforced with 0.1wt% in MWCNT’s with respect to the neat resin. However, experimental findings indicated that the toughening of nanotubes is lost after hygrothermal ageing of the nanocomposites. The RPM prediction concerning the nanocomposites residual fracture behavior was in close agreement with experimental results. Given that the interphasial phenomena affect the global behavior of a composite, the hybrid interphase model was applied to the carbon nanotubes-epoxy system. For the nanocomposites that were manufactured with the ultrasonication method the adhesion efficiency coefficient value was calculated k=0.70 while for the ones manufactured by high speed shearing the respective value was k=0.20. For the two given adhesion conditions the variation of the viscoelastic interphase thickness was also predicted as a function of loading time. The hybrid interphase model was also applied in order to investigate the interphasial elastic and viscoelastic behavior in a human osteoblast cells-TiO2 nanotubes system. The interphase overlapping was considered to be leading to TiO2 nanotube arrays mediocre biocompatibility due to the anchoring of cells to nanotubes and increased stiffness in the area between nanotubes.