Fabrication and damping response evaluation of polymers and fibre reinforced polymer composites with embedded graphene nano-platelets

Abstract

The damping characteristics of advanced lightweight composites are of paramount importance for a variety of applications particularly those employing composite parts or components operating under dynamic external loading. Graphene has been shown to possess high stiffness and strength and is widely esteemed as an ideal additive for enhancing the mechanical properties of polymeric, ceramic and even metallic composite matrices. However, it has been postulated that if such behaviour can be combined with increased fracture toughness and damping characteristics then a whole new class of multifunctional composites could emerge. In the present thesis a systematic investigation is conducted on the damping response of polymers and carbon fibre/polymer composites (CFRPs) whose matrix is doped with graphene nanoplatelets (GNPs) at various concentrations, with the aim of improving the damping capacity of the materials under examination. Indicatively, free oscillation tests are performed on a custom-designed and manufactured device. Furthermore, mechanical and thermomechanical tests (DMA), as well as a multitude of other tests (e.g., Atomic Force Microscopy-AFM, X-ray Photoelectron Spectroscopy-XPS, Micro-Computed Tomography-μCT, Scanning Electron Microscopy-SEM, etc.) have been employed to support and better understand the results. Furthermore, a computational model is proposed to predict the damping behaviour of these polymer nanocomposites and hybrid CFRPs. The adopted numerical approach utilizes the structural transient finite element method (FEM) applied to periodic representative volume elements (RVEs) under sinusoidally time-varying axial loads. The damping ratio is estimated based on the computed time lag between the input load and the resulting deformation. The experimental results indicate that the addition of GNPs into both the neat polymer and the CFRP, affects significantly the damping behaviour. In particular, considering polymer nanocomposites the damping ratio ζ exhibits an increasing trend with nanofiller concentration up to approximately 10.0 wt.% and then it forms a plateau. For the case of hybrid CFRPs a significant increase of damping capacity is observed for low concentrations in the range of 0.15-1 wt.%, whereas for higher concentrations the corresponding enhancement does not follow a clear trend. Respective results are also obtained from the mechanical tests performed. The numerical results are compared to the experimental measurements from the free vibration tests, demonstrating good agreement regarding the overall damping behaviour versus the mass fraction of the GNPs. A plausible explanation for this behaviour is also presented, through a systematic investigation of the energy dissipation mechanisms occurred.

Τα χαρακτηριστικά απόσβεσης των προηγμένων ελαφρών συνθέτων υλικών έχουν εξαιρετική σημασία για ποικίλες εφαρμογές, ιδίως εκείνες που χρησιμοποιούν σύνθετα μέρη ή εξαρτήματα που λειτουργούν υπό δυναμικά εξωτερικά φορτία. Έχει αποδειχθεί ότι το γραφένιο διαθέτει υψηλή ακαμψία και αντοχή και θεωρείται ευρέως ως το ιδανικό υλικό για την ενίσχυση των μηχανικών ιδιοτήτων πολυμερών, κεραμικών και ακόμη και μεταλλικών σύνθετων μητρών. Ωστόσο, έχει διατυπωθεί η υπόθεση ότι αν αυτή η συμπεριφορά μπορεί να συνδυαστεί με αυξημένη αντοχή στη θραύση και χαρακτηριστικά απόσβεσης, τότε θα μπορούσε να αναδειχθεί μια εντελώς νέα κατηγορία πολυλειτουργικών σύνθετων υλικών. Στην παρούσα εργασία γίνεται μια συστηματική μελέτη της συμπεριφοράς απόσβεσης πολυμερών και συνθέτων υλικών πολυμερικής μήτρας με ενίσχυση νάνο-εγκλεισμάτων Γραφενίου, με στόχο την βελτίωση της αποσβεστικής ικανότητας των υπό εξέταση υλικών. Στα πλαίσια της εργασίας παρασκευάζονται πολυμερή και σύνθετα υλικά πολυμερικής μήτρας σε διάφορες περιεκτικότητες νάνο-εγκλεισμάτων Γραφενίου και γίνεται πλήρης μελέτη της αποσβεστικής ικανότητας τους. Ενδεικτικά γίνονται δοκιμές Ελεύθερης Ταλάντωσης σε ιδιοσυσκευή που σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε εξ αρχής, μηχανικές και θερμομηχανικές δοκιμές (DMA), καθώς και πλήθος άλλων δοκιμών (πχ. Μικροσκοπία Ατομικής Δύναμης-AFM, Φωτοηλεκτρονική Φασματοσκοπία με ακτίνες X-ΧPS, Μικρο-Τομογραφία-μCT, Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας Σάρωσης-SEM κ.α.) για την υποστήριξη και καλύτερη κατανόηση των αποτελεσμάτων. Επιπλέον, προτείνεται ένα υπολογιστικό μοντέλο για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς απόσβεσης αυτών των υβριδικών νανοσύνθετων υλικών. Η αριθμητική προσέγγιση που εφαρμόζεται χρησιμοποιεί τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) σε διαρθρωτικό χρονικό διάστημα, εφαρμοσμένη σε περιοδικούς αντιπροσωπευτικούς όγκους (RVEs) υπό ημιτονοειδώς μεταβαλλόμενα αξονικά φορτία. Ο λόγος απόσβεσης εκτιμάται βάσει της υπολογιζόμενης χρονικής υστέρησης μεταξύ του εισαγόμενου φορτίου και της προκύπτουσας παραμόρφωσης.Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι η προσθήκη GNPs τόσο στο καθαρό πολυμερές όσο και στο υβριδικό σύνθετο υλικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (hybrid CFRPs) επηρεάζει σημαντικά τη συμπεριφορά απόσβεσης. Συγκεκριμένα, ο λόγος απόσβεσης ζ παρουσιάζει αυξητική τάση με τη συγκέντρωση του νανοεγκλείσματος μέχρι περίπου 10.0 wt.% και στη συνέχεια σχηματίζει ένα πλατό. Για την περίπτωση των hybrid CFRPs παρατηρείται σημαντική αύξηση της αποσβεστικής ικανότητας για χαμηλές συγκεντρώσεις στην περιοχή του 0.15-1 wt.%, ενώ για υψηλότερες συγκεντρώσεις η αντίστοιχη βελτίωση δεν ακολουθεί σαφή τάση. Αντίστοιχα αποτελέσματα λαμβάνονται και από τις μηχανικές δοκιμές που πραγματοποιούνται. Τα αριθμητικά αποτελέσματα συγκρίνονται με τις πειραματικές μετρήσεις από τις δοκιμές ελεύθερης ταλάντωσης, παρουσιάζοντας καλή συμφωνία ως προς τη συνολική συμπεριφορά απόσβεσης έναντι της συγκέντρωσης των GNPs. Παρουσιάζεται επίσης μια εξήγηση για αυτή τη συμπεριφορά, μέσω μιας συστηματικής έρευνας των μηχανισμών απορρόφησης ενέργειας που λαμβάνουν χώρα.