Finite element modelling and analysis of the load transfer of embedded PVA-CNT fibers on glass-fiber reinforced polymers - Prasing, Sean (2019)
Το αυξανόμενο ενδιαφέρον των πολυλειτουργικών σύνθετων υλικών στην αεροναυπηγική βιομηχανία οφείλεται στις εξαιρετικές ειδικές μηχανικές και φυσικές τους ιδιότητες. Παρόλα αυτά, ένα σημαντικό μειονέκτημα τους είναι ότι η πολύπλοκη εσωτερική τους δομή δημιουργεί περίπλοκους τρόπους αστοχίας και επομένως είναι δύσκολο να εκτιμηθεί η δομική τους υγεία. Ως εκ τούτου, είναι πολύ σημαντικό να σχεδιαστούν πολυλειτουργικά σύνθετα υλικά, τα οποία επιπλέον του πρωταρχικού ρόλου τους για τη μεταφορά των μηχανικών φορτίων, θα παρέχουν επίσης πληροφορίες για τη δομική τους υγεία. Οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να επιτύχουν αυτό το στόχο, καθώς οι ηλεκτρομηχανικές ιδιότητές τους είναι εξαιρετικές και μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση του σύνθετου υλικού με τη μέτρηση της αλλαγής της ηλεκτρικής αντίστασης όταν προκαλείται βλάβη στη δομή του υλικού. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να παρέχονται πληροφορίες σχετικά με την δομική ακεραιότητα ακόμη και αν το σύνθετο υλικό δεν είναι ηλεκτρικά αγώγιμο από μόνο του. Ένας άλλος τρόπος με τον οποίο οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να αξιοποιηθούν για να προσδώσουν πολυλειτουργικότητα στο σύνθετο υλικό, είναι υπό τη μορφή ίνας νανοσωλήνων άνθρακα. Ωστόσο, εάν οι ίνες αποκολληθούν από τη μήτρα του σύνθετου υλικού, τότε αυτό μπορεί να οδηγήσει σε λανθασμένα δεδομένα από τις αισθητήριες ίνες. Η εμφάνιση υψηλών διατμητικών τάσεων είναι υπεύθυνη για αυτή την αποκόλληση και επομένως χρειάζεται περαιτέρω διερεύνηση ως προς τον τρόπο που αναπτύσσονται αυτές οι τάσεις για διαφορετικούς τύπους μηχανικής φόρτισης. Για το λόγο αυτό, η διεπαφή μεταξύ της ίνας και της μήτρας του σύνθετου υλικού πρέπει να μελετηθεί περαιτέρω, για να προσδιοριστεί πώς οι παράμετροι, όπως η διεπιφανειακή διατμητική αντοχή, το διεπιφανειακό πάχος, το μέτρο ελαστικότητας της διεπιφάνειας και ο λόγος προέντασης των αισθητήριων ινών επηρεάζουν τη σύνδεσή τους. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύχθηκε ένα τρισδιάστατο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων για να μελετηθεί ο τρόπος με τον οποίο οι παράμετροι αυτοί επηρεάζουν τη διεπαφή μιας ίνας πολυβινυλικής αλκοόλης-νανοσωλήνων άνθρακα που λειτουργεί ως αισθητήρας μέσα σε ένα σύνθετο ενισχυμένο με ίνες υάλου πλαστικό. Για να διερευνηθεί η επίδραση της ομοιόμορφης και κατανεμημένης παραμόρφωσης των ινών στην μετρούμενη μεταβολή της ηλεκτρικής αντίστασης, το μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων υποβλήθηκε σε δύο διαφορετικές περιπτώσεις φόρτισης: (α) εφελκυσμού και (β) κάμψη τριών σημείων. Και στις δύο περιπτώσεις χρησιμοποιήθηκε ένα μοντέλο συσσωρευμένης προοδευτικής βλάβης για την αξιολόγηση της εξέλιξης της παραμόρφωσης με το εφαρμοζόμενο φορτίο σε διαφορετικές θέσεις κατά μήκος της ίνας. Τέλος, έγινε σύγκριση με σχετικά πειραματικά δεδομένα για την επιβεβαίωση της ακρίβειας του μοντέλου.