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

For more than five decades, hydraulic fracturing has been widely used to enhance oil and gas production. Hydraulic fracturing in solid materials (e.g., rock) has been studied extensively. The main goal of this thesis is a comprehensive study of the physical mechanisms of hydraulic fracturing in cohesionless sediments. For this purpose, experimental techniques are developed to quantify the initiation and propagation of hydraulic fractures in dry particulate materials. We have conducted a comprehensive experimental series by varying such controlling parameters as the properties of particulate materials and fracturing fluids, boundary conditions, initial stress states, and injection volumes and rates. In this work, we suggest principle fundamental mechanisms of hydraulic fracturing in particulate materials and determine relevant scaling relationships (e.g., the interplay between elastic and plastic processes). The main conclusion of this work is that hydraulic fracturing in particulate materials is not only possible, but even probable if the fluid leak-off is minimized (e.g., high flow rate, high viscosity, low permeability). Another important conclusion of this work is that all parts of the particulate material are likely to be in compression. Also, the scale effect (within the range of the laboratory scales) appears to be relatively insignificant, that is, the observed features of fractures of different sizes are similar. Based on the observed fracture geometries, and injection pressures we suggested three models of hydraulic fracturing in particulate materials. In the cavity expansion or ??e driving model, the fracturing fluid is viewed as a sheet pile (blade) that disjoints the host material, and the cavity expansion occurs at the fracture (blade) front. The shear banding model is also consistent with a compressive stress state everywhere in the particulate material and explains the commonly observed beveled fracture front. The model of induced cohesion is based on the fluid leak-off ahead of the fracture front. The induced cohesion may be caused by the tensile strain near the fracture tip (where the stress state is also compressive), which, in turn, induces the cavitation of the leaked-off fluid and hence capillary forces.

Εξ’ αιτίας της ραγδαίας αύξησης στη χρήση σύνθετων υλικών, στην παρούσα εργασία ασχοληθήκαμε με σύνθετο υλικό μήτρας εποξικής ρητίνης και ενίσχυσης κόκκους αλουμινίου με μέση διάμετρο 63 μm. Σκοπός της έρευνας αυτής είναι κατά πρώτον να μελετήσει τη συμπεριφορά του συνθέτου σε στατική κάμψη αναλόγως της κατά βάρος περιεκτικότητά του σε κόκκους και να συγκρίνει τα πειραματικά αποτελέσματα με αντίστοιχες θεωρητικές προβλέψεις και κατά δεύτερον να μελετήσει την επίδραση βλάβης λόγω ύπαρξης εγκοπής ή θερμικής κόπωσης στην υποβάθμιση του σύνθετου υλικού και να προβλέψει την παραμένουσα μηχανική συμπεριφορά χρησιμοποιώντας το μοντέλο R.P.M. Τρία διαφορετικά μοντέλα πρόβλεψης, ανεπτυγμένα απ’ το CMG (Composite Material Group) του Πανεπιστημίου Πατρών, θα εφαρμοστούν για τις προβλέψεις και δύο απ’ αυτά θα συγκριθούν και με άλλα μοντέλα ανεπτυγμένα από άλλους ερευνητές. Κατ’ αρχήν, για τον υπολογισμό της μέγιστης τάσης εφαρμόστηκε το μοντέλο του τμηματικού κόκκου. Σύμφωνα με το μοντέλο αυτό, ο κόκκος χωρίζεται σε άπειρο αριθμό ινών και σύμφωνα με την θεωρία του Cox μπορεί να υπολογιστεί η μέση τάση που ασκείται σε κάθε ίνα του κόκκου. Στη συνέχεια, για τον υπολογισμό του μέτρου ελαστικότητας συναρτήσει της κατά βάρους περιεκτικότητας σε κόκκους αλουμινίου εφαρμόστηκε το μοντέλο της μεσοφάσης. Το μοντέλο αυτό λαμβάνει υπόψιν την ύπαρξη μιας τρίτης φάσης ανάμεσα στις δύο κύριες (μήτρα-ενίσχυση) και η οποία αποτελεί μια σημαντική παράμετρο επίδρασης στη συμπεριφορά οποιουδήποτε σύνθετου υλικού. Τέλος, στις περιπτώσεις της ύπαρξης εγκοπής και της θερμικής κόπωσης εφαρμόστηκε το μοντέλο R.P.M. Το μοντέλο αυτό μπορεί να εφαρμοστεί για την περιγραφή της υποβάθμισης των ιδιοτήτων των υλικών μετά από βλάβη και στη συγκεκριμένη εργασία εφαρμόστηκε για να περιγράψει τις μεταβολές στην μέγιστη τάση του υλικού και στο μέτρο ελαστικότητάς του συναρτήσει του μήκους εγκοπής ή του αριθμού των θερμικών κύκλων. / -

A mathematical model for the drying of particulate solids in a continuous vibrated fluidised bed dryer was developed and applied to the drying of grain wetted with a single liquid and porous particles containing multicomponent liquid mixtures. Simple equipment and material models were applied to describe the process. In the plug-flow equipment model, a thin layer of particles moving forward and well mixed in the direction of the gas flow was regarded; thus, only the longitudinal changes of particle moisture content and composition as well as temperature along the dryer were considered. Concerning the material model, mass and heat transfer in a single isolated particle was studied. For grain wetted with a single liquid, mass and heat transfer within the particles was described by effective transfer coefficients. Assuming a constant effective mass transport coefficient and effective thermal conductivity of the wet particles, analytical solutions of the mass and energy balances were obtained. The variation of both transport coefficients along the dryer was taken into account by a stepwise application of the analytical solution in space intervals with non-uniform inlet conditions and averaged coefficients from previous locations in the dryer. Calculation results were verified by comparison with experimental data from the literature. There was fairly good agreement between experimental data and simulation but the results depend strongly on the correlation used to calculate heat and mass transfer coefficients.   For the case of particles containing a multicomponent liquid mixture dried in the vibrated fluidised bed dryer, interactive diffusion and heat conduction were considered the main mechanisms for mass and heat transfer within the particles. Assuming a constant matrix of effective multicomponent diffusion coefficients and thermal conductivity of the wet particles, analytical solutions of the diffusion and conduction equations were obtained. The equations for mass transfer were decoupled by a similarity transformation and solved simultaneously with conduction equation by the variable separation method. Simulations gave a good insight into the selectivity of the drying process and can be used to find conditions to improve aroma retention during drying.   Also, analytical solutions of the diffusion and conduction equations applied to liquid-side-controlled convective drying of a multicomponent liquid film were developed. Assuming constant physical properties of the liquid, the equations describing interactive mass transfer are decoupled by a similarity transformation and solved simultaneously with conduction equation and the ordinary differential equation that describes the changes in the liquid film thickness. Variations of physical properties along the process trajectory were taken into account as in the previous cases. Simulation results were compared with experimental data from the literature and a fairly good agreement was obtained. Simulations performed with ternary liquid mixtures containing only volatile components and ternary mixtures containing components of negligible volatility showed that it is difficult to obtain an evaporation process that is completely controlled by the liquid-side mass transfer. This occurs irrespective of the initial drying conditions.   Despite simplifications, the analytical solution of the material model gives a good insight into the selectivity of the drying process and is computationally fast. The solution can be a useful tool for process exploration and optimisation. It can also be used to accelerate convergence and reduce tedious and time-consuming calculations when more rigorous models are solved numerically. / QC 20110614