Academic literature on the topic 'Protective polymeric sheath'

High strength fibers such as PBO and Kevlar are used to produce composites, bulletproof vests, tendons of giant scientific balloons, and other high performance products. These fibers, however, are known to degrade upon exposure to Ultraviolet (UV) radiation which causes premature failure of the end-products. Improving UV resistance of high strength fibers like PBO through methods such as adding UV inhibiting particles during filament spinning or dyeing/coating process is not only extremely difficult, but often fails to provide the adequate UV protection. As an alternative to conventional approaches, UV protection of high performance yarns/braids can be effectively achieved by covering them with a polymeric sheath containing dispersed UV inhibiting nanoparticles. In this work, a computational model was developed to optimize critical factors such as thickness (weight) of the protective sheath and the amount of UV blockers for a given particle size, which influence the UV protective efficiency of the sheath. In order to simulate three-dimensional dispersion of nanoparticles in a polymer matrix, the model considers a random distribution of cylindrical nanoparticles of different size, aspect ratio, and volume fraction in a three-dimensional volume of protective sheath of a given length, width, and thickness. 2D visualization and image analysis techniques were utilized to determine the area projected by the particles on the x-y plane (areal coverage provided by nanoparticles). The areal coverage values obtained from the model were found to be higher than the experimental results due to the agglomeration of nanoparticles in the sheath caused during the polymer compounding process. However, the purpose of the model is to serve as a benchmarking tool to aid in the design and development of UV protective sheaths and films, and not to estimate absolute UV protection values. Analysis of the relationship between areal coverage and various input parameters in the model show that areal coverage increases with an increase in particle volume fraction and film thickness, and a decrease in particle diameter and length. It was also found that areal coverage was more significantly influenced by particle aspect ratio than by particle length.

In this study, functional woven and knitted fabrics consist of stainless steel (SS) composite yarns. SS fibers (0.06 mm) and 500 D polyester (PET) filaments are used as the core with 70 D bamboo charcoal (BC) nylon fibers that are being used as the sheath in order to form the functional SS composite yarns. The test results show that the double-layered knitted fabrics have the optimal far infrared (FIR) emissivity of 0.85 ε, while the five-layered composite woven fabrics at 90° lamination angle have the optimal electromagnetic shielding efficacy between −50 dB and −60 dB. It is anticipated that the functional fabrics can be used in protective cloth and safety appliance.

Abstract This study aims to fabricate far-infrared (FIR)/electromagnetic shielding composite fabric and its composite yarn. Five types of composite yarns with different sheath components were made by using bamboo charcoal (BC) fibers, phase change material (PCM) roving and stainless steel (SS) fibers via a ring spinning frame, and then fabricated into five elastic warp-knitted fabrics with different weft yarns using a crochet knitting machine. The mechanical properties of different constituents of composite yarns and their fabrics, as well as FIR emissivity and electromagnetic shielding effectiveness (EMSE) of resulting fabrics were evaluated. The results show that BC/SS composite yarns and their fabricated warp-knitted fabrics display the highest tensile strength. Warp-knitted fabrics containing BC fibers possess the highest FIR emissivity. EMSE of the fabricated warp-knitted fabrics improves proportionally with the number of the lamination layers. The resulting multifunctional elastic knitted fabrics apply as athletic clothing, underwear, socks, protective or healthcare products in the future.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук (доктора філософії) за спеціальністю 141 "Електроенергетика, електротехніка та електромеханіка" (14 – Електрична інженерія) – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", м. Харків, 2020 р. Дисертаційна робота присвячена підвищенню експлуатаційних характеристик суднових кабелів за рахунок технологічних режимів охолодження та радіаційного опромінення ізоляції і оболонки на основі сучасних, які не поширюють полум'я, безгалогенних полімерних композицій, що забезпечують необхідний комплекс електричних, фізико-механічних параметрів при відповідному контролі технологічних процесів. Для досягнення цієї мети були поставлені задачі: – довести доцільність поступового охолодження поліетиленової ізоляції високовольтних силових кабелів для забезпечення як експлуатаційних параметрів, так і стабільності характеристик в процесі експлуатації; – обґрунтувати застосування методу електротеплової аналогії для побудови математичної моделі охолодження ізольованої струмопровідної жили з урахуванням розподілу температури по товщині ізоляції в несталому тепловому режимі; – розробити методику розрахунку технологічних параметрів режиму охолодження силових кабелів, що ґрунтується на розрахунку нелінійної теплової схеми заміщення ізольованої струмопровідної жили в несталому тепловому режимі з урахуванням залежності від температури теплового опору і теплоємності ізоляції методами дискретних резистивних схем заміщення і вузлових потенціалів; – визначити вплив технологічних режимів охолодження на розподіл температури по товщині екструдованої ізоляції та обґрунтувати тривалість перехідного процесу, що відповідає досягненню однакової температури по всій товщині ізоляції силових кабелів різного конструктивного виконання в різні моменти часу в залежності від температури води, що охолоджує; – експериментально перевірити ефективність виявлення технологічних дефектів в конструкції силового суднового кабелю за характеристиками часткових розрядів; – створити методику оптимізації силового суднового кабелю коаксіальної конструкції для забезпечення максимального розсіювання потужності теплового потоку в навколишнє середовище, що обумовлює збільшення струмового навантаження, за умови теплової стійкості ізоляції; – довести ефективність застосування захисної полімерної оболонки з високими теплопровідними властивостями для підвищення струмового навантаження силових суднових кабелів; – визначити вплив енергії прискорених електронів на механічні та електричні характеристики суднових кабелів та встановити діапазон коефіцієнта опромінення ізоляції, що забезпечує підвищення експлуатаційних характеристик, на підставі кореляційного зв'язку між електричними та механічними характеристиками радіаційно-модифікованої високонаповненої антипіренами безгалогенної композиції на основі співполімеру етилен-вінілацетату; – перевірити ефективність розподілу поглиненої дози по периметру й довжині при радіаційному опроміненні суднових кабелів за результатами фізико-механічних та теплових випробувань безгалогенної, яка не поширює полум'я, полімерної захисної оболонки кабелю; – визначити на підставі прискореного теплового старіння теплову стійкість радіаційно-модифікованої безгалогенної, яка не поширює полум'я, полімерної захисної оболонки, для прогнозування строку служби суднових кабелів та обґрунтувати можливість роботи в умовах підвищеної вологості і високих робочих температур неекранованого кабелю на основі неекранованих кручених пар з термопластичними ізоляцією і захисною оболонкою. Об'єкт дослідження – технологічні режими охолодження та радіаційного опромінення електричної ізоляції суднових кабелів, виготовленої з наповненої антипіренами безгалогенної композиції на основі поліолефінів. Предмет дослідження – експлуатаційні електричні, фізико-механічні та теплові характеристики полімерної ізоляції і оболонки, на основі наповненої антипіренами безгалогенної композиції, суднових кабелів. Методи дослідження. Теоретичні та експериментальні дослідження базуються на використанні методів чисельного та фізичного моделювання технологічних режимів охолодження та радіаційного опромінення прискореними електронами електричної полімерної ізоляції та захисної оболонки суднових кабелів. Методи теорії нестаціонарної теплопровідності для розрахунку режиму охолодження полімерної ізоляції кабелю. Диференційні рівняння теплопровідності та електропровідності. Метод електротеплових аналогій для визначення розподілу температури по товщині ізоляції в різні моменти часу, в залежності від температури води, що охолоджує судновий силовий кабель. Нелінійні теплова та електрична схеми заміщення ізольованої струмопровідної жили в перехідному тепловому режимі. Неявний метод Ейлера та метод вузлових потенціалів для отримання розподілу температури по товщині ізоляції кабелю. Метод оптимізації конструкції силового кабелю за умови забезпечення охолодження в експлуатації для підвищення струмового навантаження. Рівняння теплового балансу для визначення теплової стійкості ізоляції в експлуатації. Теорія радіаційного зшивання для визначення оптимальної дози опромінення полімерної ізоляції. Теорія теплового старіння ізоляції для прогнозування строку служби суднових кабелів в експлуатації. Апроксимація експериментальних електричних, фізико-механічних й теплових характеристик радіаційно-модифікованої ізоляції суднових кабелів. Кореляційний та регресійний аналіз електричних, механічних й теплових характеристик в процесі радіаційного модифікування полімерної ізоляції та захисної оболонки суднових кабелів. Техніка реєстрації часткових розрядів у високовольтній твердій полімерній ізоляції для виявлення дефектів на технологічній стадії виготовлення силових суднових кабелів. В роботі отримані такі наукові результати. У дисертаційній роботі вирішено науково-практичну задачу з підвищення експлуатаційних характеристик суднових кабелів за рахунок технологічних режимів охолодження та опромінення електричної ізоляції на основі сучасних безгалогенних полімерних композицій, які не поширюють полум'я. Удосконалено математичну модель технологічного процесу охолодження ізольованої струмопровідної жили в несталому тепловому режимі шляхом урахування температурної залежності теплофізичних характеристик полімерної ізоляції підчас розрахунку розподілу температури по товщині поліетиленової ізоляції в різні моменти часу в залежності від температури води при поступовому охолодженні, що дозволило визначити умови для забезпечення стабільних характеристик суднового силового кабелю в експлуатації. Запропоновано критерій для визначення технологічних параметрів режиму охолодження силових суднових кабелів, який являє собою час перехідного процесу охолодження ізольованої струмопровідної жили для досягнення однакової температури по всій товщині полімерної ізоляції. Встановлено оптимальну товщину полімерної захисної оболонки за умови довготривалої теплової стійкості радіаційно-зшитої ізоляції на основі поліолефінів, що забезпечує підвищення на 30 % струмове навантаження силового суднового кабелю коаксіальної конструкції. Визначено діапазон коефіцієнта опромінення прискореними електронами безгалогенної, що не поширює полум'я ізоляції суднових кабелів, що гарантує підвищення електричного опору радіаційно-модифікованої полімерної ізоляції більш ніж в два рази, пробивної напруги на постійному струмі в 1,3 рази відносно неопроміненого стану. Встановлено кореляцію між механічними і електричними характеристиками радіаційно-модифікованої ізоляції з безгалогенної композиції на основі поліолефінів, в залежності від лінійної швидкості проходження кабелю під пучком електронів при незмінному струмі пучка електронів. Встановлено, в залежності від технологічних параметрів режиму опромінення суднових кабелів, розподіл поглиненої дози по периметру і довжині полімерної захисної оболонки з безгалогенної композиції, яка не поширює полум'я, що дозволяє визначити дозу опромінення кабелів, яка забезпечує підвищення стійкості захисної оболонки до дії агресивних хімічних речовин при збереженні високих фізико-механічних характеристик Експериментально, на підставі прискореного старіння неекранованого кабелю на основі неекранованих кручених пар, з термопластичної поліетиленової ізоляції в захисній оболонці на основі полівінілхлоридного пластикату за умови адекватного старіння в експлуатації, доведено стійкість конструкції до підвищеної температури та вологості, що дозволяє прогнозувати строк служби суднових кабелів в залежності від робочої температури. Розроблено методику розрахунку технологічних параметрів режиму охолодження силових кабелів, що ґрунтується на розрахунку нелінійної теплової схеми заміщення ізольованої поліетиленом струмопровідної жили в несталому тепловому режимі, з урахуванням залежності від температури теплового опору і теплоємності, методами дискретних резистивних схем заміщення і вузлових потенціалів. Запропонована методика та алгоритми можуть бути застосовані для визначення технологічних режимів охолодження полімерної ізоляції кабелів без застосування дороговартісних натурних експериментів, що особливо важливо при освоєнні нових матеріалів та конструкцій, а також при модернізації існуючого на кабельних підприємствах обладнання, для охолодження силових, симетричних, радіочастотних та оптичних кабелів. Доведено ефективність реєстрації часткових розрядів у високовольтній твердій ізоляції для виявлення дефектів на технологічній стадії виготовлення силових суднових кабелів, а також для налаштування технологічного процесу охолодження. Розроблено методику розрахунку теплопередачі в одножильному силовому кабелі коаксіальної конструкції на підставі критеріальних рівнянь природної конвекції, для оптимізації конструкції силового суднового кабелю, для забезпечення максимальної лінійної щільності теплового потоку, що розсіюється з поверхні кабелю. Показано ефективність застосування полімерних матеріалів на основі мікро- і нанокомпозитів з високими теплопровідними властивостями для захисної оболонки силових високовольтних суднових кабелів, що забезпечують збільшення розсіювання кабелем теплової потужності на 30 %. Встановлено, що енергія прискорених електронів на рівні 0,5 МеВ забезпечує більш високий ступінь зшивання полімерної безгалогенної ізоляції на основі високонаповненої антипіренами композиції в порівнянні з енергією 0,4 МеВ при однаковому коефіцієнті опромінення, струмі пучка і кількості проходів ізольованої жили під пучком електронів. Доведено підвищення механічної міцності при розтягуванні, електричного опору ізоляції та пробивної напруги на постійному струмі радіаційно-модифікованої полімерної безгалогенної ізоляції з коефіцієнтом опромінення 5–7 м/(мА∙хв) при сталому значенні відносного подовження при розриві ізоляції на рівні не менше 120 %, що забезпечує компроміс між еластичністю і жорсткістю суднового кабелю. Встановлено зростання в 1,5–2 рази часу досягнення критичного параметра – відносного подовження при розриві радіаційно-модифікованої полімерної захисної оболонки на основі безгалогенної композиції, в порівнянні з не модифікованою термопластичною оболонкою, що еквівалентно збільшенню строку експлуатації в 1,5–2 рази суднового контрольного кабелю в області максимальних робочих температур. Матеріали дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі на кафедрі електроізоляційної та кабельної техніки Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" при підготовці бакалаврів та магістрів за спеціальністю "141 – електроенергетика, електротехніка та електромеханіка" спеціалізації "141.04 Електроізоляційна, кабельна та оптоволоконна техніка"; у ТОВ "Азовська кабельна компанія" (м. Бердянськ) при розробці і визначенні оптимальних технологічних параметрів режимів виготовлення безгалогенних суднових кабелів, що не розповсюджують горіння, асоціації "Укрелектрокабель", в ПАТ "Завод "Південкабель". Дисертаційна робота виконана в ПрАТ "Український науково-дослідний інститут кабельної промисловості" (м. Бердянськ) та на кафедрі електроізоляційної та кабельної техніки Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" (м. Харків), згідно програм наукових досліджень ПрАТ "Український науково-дослідний інститут кабельної промисловості" (ПМ ЕИЮВ.505.564–2018 "Вивчення термічної стійкості оболонки кабелю марки СПОВЕнг-FRHF 12x2,5 до та після опромінення швидкими електронами", ПМ ЕИЮВ.505.584–2019 "Визначення величини та розподілу поглиненої дози при радіаційному модифікуванні оболонки суднових кабелів, що не розповсюджують полум'я"), де здобувач був одним з розробників і виконавців програм.
Ph.D. thesis undertaken in research specialization 141 "Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electric Mechanics" (14 – Electrical Engineering). – National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute", Ministry of Education and Science of Ukraine, Kharkiv, 2020. The dissertation is devoted to increasing of the operational properties of shipboard cables due to the technological modes of cooling and electron beam irradiation of insulation and sheath based on modern flame retardant halogen-free polymeric compounds, which provide the necessary complex of electrical, physical and mechanical properties with appropriate control of technological processes. To achieve this, the following tasks were set: – to prove the expediency of gradual cooling of polyethylene insulation of high-voltage power cables to ensure both operational parameters and stability of properties during operation; – to substantiate the application of the method of electro-thermal analogy for the construction of a mathematical model of cooling of insulated conductor taking into account the temperature distribution over the thickness of insulation in a non-constant thermal mode; – to develop a method of calculating the technological parameters of the cooling mode of power cable, based on the calculation of a nonlinear thermal equivalent circuit of insulated conductor in a non-constant thermal mode, taking into account dependence the thermal resistance and heat capacity of the insulation from the temperature by methods of discrete resistive equivalent circuits; – to determine the influence of technological cooling modes on the temperature distribution in the thickness of extruded in sulation and to justify the duration of the transition process, which corresponds to achievement of the same temperature over the entire thickness of power cables insulation various design at different time points, depending on the cooling water temperature; – to verify experimentally the efficiency of detecting technological defects in the design of the power shipboard cable by partial discharges values; – to create a methodology for optimizing the power shipboard cable with coaxial construction to ensure maximum heat flow power dissipation into the environment, which causes an increase in current load, if insulation thermal resistance provided; – to prove the efficiency of the use a protective polymer sheath with high thermal conductive properties to increase the current load of power shipboard cables; – to determine the effect of accelerated electron beam energy on the mechanical and electrical properties of shipboard cables and determine the irradiation coefficient range for insulation which provides an increase of operational characteristics, on the basis of correlation between the electrical and mechanical properties of filled with flame retardants halogen-free compound based on ethylene-vinyl acetate modified by electron beam; – to verify the efficiency of absorbed dose distribution along the perimeter and length of shipboard cables after irradiation according to obtained results of mechanical and thermal tests of polymeric halogen-free flame retardant protective sheath of cable; – to determine the thermal stability of the halogen-free flame-retardant polymeric protective sheath modified by irradiating, on basis of accelerated thermal aging, to predict the service life of shipboard cables and to substantiate the possibility of operation in conditions with high humidity and high operating temperatures for unscreened cable with unscreened twisted pairs and thermoplastic insulation and protective sheath. Object of research – technological modes of cooling and irradiation of electrical insulation of shipboard cables, based on halogen-free filled with flame retardants polyolefin compound. Subject of research – electrical, mechanical and thermal operational properties of the shipboard cables polymer insulation and sheath based on filled with flame retardants halogen-free compounds. Research methods. Theoretical and experimental studies are based on the use of methods of numerical and physical modeling of technological modes of cooling and electron beam irradiation of polymeric electrical insulation and protective sheath of shipboard cables. Methods of theory of non-stationary thermal conductivity to calculation of cooling mode of polymeric cable insulation. Differential equations of thermal conductivity and electrical conductivity. The method of electro-thermal analogies to determine the temperature distribution in the thickness of insulation at different time points, depending on the temperature of cooling water for shipboard power cable. Nonlinear thermal and electrical equivalent circuits of insulated conductor in transient thermal mode. Implicit Euler method and nodal potentials method for obtaining temperature distribution in thickness of cable insulation. A method of optimizing the design of the power cable provided cooling during operation to increase the current load. Thermal balance equation to determining the thermal resistance of insulation during operation. Irradiation crosslinking theory to determine the optimal irradiation dose of polymeric insulation. The theory of thermal aging of insulation to predict the service life of shipboard cables. Approximation of experimental electrical, mechanical and thermal properties of modified by irradiation insulation of shipboard cables. Correlation and regression analysis of electrical, mechanical and thermal properties after modification by irradiation of polymeric insulation and protective sheath of shipboard cables. Partial discharge detection technique in high voltage solid polymeric insulation for defect detection on technological stage of production power shipboard cable. The following scientific results are obtained in the work. The dissertation solves the scientific and practical problem of increasing the operational properties of shipboard cables due to the technological modes of cooling and irradiation of electrical insulation based on modern halogen-free flame retardant polymeric compounds. The mathematical model of technological process of cooling insulated conductor in unsteady thermal mode, by taking into account dependence of thermal and physical characteristics of polymeric insulation from the temperature, for determine the temperature distribution throughout the thickness of polyethylene insulation at different time points depending on water temperature under gradual cooling, has been improved. Mathematical model allows to determine the conditions for ensuring stable characteristics of the shipboard power cable during operation. The criterion for determination of technological parameters of the cooling mode of power shipboard cables, which is the time of the transitional process of cooling the insulated conductor to achieve an equal temperature throughout the thickness of the polymeric insulation, is proposed. The optimum thickness of the polymeric protective sheath on condition of long-term thermal stability of irradiated cross-linked based on polyolefin insulation has been established. It provides a 30 % increase current load of the coaxial design shipboard power cable. The range of irradiation coefficient for halogen free flame retardant insulation of shipboard cables when guarantees increasing electrical resistance of polymeric insulation modified by electron beam more than twice, the breakdown direct current voltage 1,3 times relative to the non-irradiated condition, is determined. The correlation between mechanical and electrical properties of halogen-free based on polyolefin insulation modified by electron beam, depending on the linear velocity of the cable under the electron beam and constant value of electron beam current. The distribution of the absorbed dose along the perimeter and length of the halogen-free flame retardant polymeric protective sheath depending on the technological parameters of the irradiation modes of shipboard cables, is established and allows to determine the irradiation dose for cables, when protective sheath provides increasing the resistance to aggressive chemicals while high physical and mechanical properties is still available. The stability of the cables structure to high temperature and humidity is experimentally proved on the basis of accelerated aging of unscreened cable with unscreened twisted pairs, with thermoplastic polyethylene insulation and protective polyvinylchloride sheath with adequate aging during operation. It allows predicting the service life of shipboard cables depending on the operating temperature. A technique for calculating the technological parameters of the power cable cooling mode by the methods of discrete resistive equivalent circuits has been developed. A technique based on the calculation of a nonlinear thermal scheme of substitution of conductor with polyethylene insulation in a non-constant thermal mode, taking into account the dependence of thermal resistance and heat capacity from the temperature. The proposed methodology and algorithms can be applied to determine the technological modes of cooling cable polymeric insulation without using expensive full-scale experiments, especially important for the new compounds development and cable constructions, as well as modernization available at cable factories equipment for cooling power cable, data cable with twisted pairs, radio frequency and optical cables. The efficiency of determining partial discharges in high-voltage solid insulation has been proved to detect defects at the technological stage of the producing of power shipboard cables, as well as to adjust the technological process of cooling. The methodology for heat transfer in a coaxial design single-core power cable based on criterial equations of natural convection has been developed to optimize the design of the power shipboard cable to ensure the maximum linear density of heat flow dissipated from the cable surface. The efficiency of application of polymeric materials based on micro- and nanocomposites with high thermal conductivity for sheath of high-voltage shipboard cables, providing a 30 % increase in thermal dissipating of power cable, is shown. It is established the energy of accelerated electrons 0.5 MeV provides a higher degree of crosslinking of polymeric halogen-free insulation based on filled with flame retardants compound compared to the energy of 0.4 MeV at the same irradiation coefficient, electron beam current and the number of wire passages under electron beam. It is established an increase of tensile strength, electrical insulation resistance and breakdown DC voltage of crosslinked polymeric halogen-free insulation with irradiation coefficient 5-7 m/(mА∙min) with constant value of elongation at break not less than 120 % which ensure a compromise between rigidity and flexibility of the shipboard cable. It is established an increase in 1,5–2 times the time of reaching the critical parameter – elongation at break of the modified by electron beam polymeric sheath based on a halogen-free compound compared to the same thermop lastic non-modifying sheath. It is an increase service life of the shipboard control cable at maximum operational temperatures in 1,5–2 times. The materials of the dissertation are used at the educational process Department of Electrical Insulating and Cable Technique of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" at education bachelors and masters in disciplines of specialty "141 – Electric Power Engineering, Electrical Engineering and Electric Mechanics" (specialization "141.04 Electrical Isolating, Cable and Fiber-Optic Technique"), at "Azov Cable Company" (Berdians'k) at development and determination of optimal technological parameters of production modes of halogen-free, flame retardant shipboard cables, Association "Ukrelectrocable", in PJSC "Yuzhkable Works". Dissertation work was performed at the PJSC "Ukrainian Scientific and Research Institute of Cable Industry" (Berdians'k) and Department of Electrical Insulating and Cable Technique of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" (Kharkiv) according to research programs of PJSC "Ukrainian Scientific and Research Institute of Cable Industry" (PM EIUV.505.564–2018 "The research of thermal stability of the sheath cable SPOVEng-FRHF 12x2,5 before and after exposure under electron beam", PM EIUV.505.584–2019 "Determination of the quantity and distribution of the absorbed dose after irradiation of the sheath of shipboard flame retardant cables") wherein the applicant was one of the program developers and executor of individual sections.

Dans le cadre de la mise à niveau sismique des bâtiments existants, la technique de renforcement par placage et enrobage de polymères renforcés de fibres (FRP) offre une réponse pertinente. L’objectif de cette thèse est de proposer une modélisation fiable pour la détermination de la réponse quasi-statique et dynamique d’une grande variété d’éléments de structure et d’identifier les apports possibles d’une telle modélisation à la conception. Les stratégies de modélisation s’appuient sur l’utilisation d’éléments finis massifs ou basés sur une cinématique simplifiée (coques multicouches et poutres multifibres), associés à des modèles locaux d’endommagement et de plasticité pour les matériaux en présence (béton, armatures et FRP). L’hypothèse d’adhérence parfaite, d’une part, entre les armatures et le béton, et d’autre part, entre les bandes de FRP et le béton, permet de calculer efficacement les cas des poteaux courants, des poteaux courts, des voiles longs et courts, dans les régimes quasi-statique (pushover) et dynamique. Le renforcement par placage et enrobage FRP pour des structures en béton armé, est reproduit au sein de la modélisation par un apport de matière (éléments de type barre avec les caractéristiques propres des FRP) et des modifications des paramètres de la loi de comportement du béton, justifiées par l’expérimentation et la littérature. La pertinence de l’approche est finalement démontrée en confrontant la réponse temporelle de structures à l’échelle 1, de type ossature ou de type contreventé par des voiles, aux résultats expérimentaux issus de benchmarks internationaux
In the context of the building’s protection against seismic risk, the strengthening technique by FRP (Fiber Reinforced Polymers) plating and wrapping provides a relevant solution. The objective of this thesis is to propose a reliable modeling for determining the quasi-static and dynamic responses of a wide variety of structural elements and to draw advantage in design. The modeling strategies make use of 3D elements or finite elements based on simplified kinematics (multilayer shells or multifiber beams), associated with local damage and plasticity laws for the constitutive materials (concrete, rebar and FRP). The perfect bond assumption between steel-concrete and FRP-concrete allows efficiently calculating the quasi-static and dynamic behaviors of short and slender columns, as well as short and slender walls. The mechanical contribution of FRP plating and wrapping is reproduced in the modeling by adding material (bar type elements with FRP characteristics) and by changing the parameters of the concrete model on the basis of the experience and analytical formula issued from the literature. The relevance of the approach is finally highlighted by comparing the time-history response of real braced frame or wall structures with the experimental results

Coextruded products were first commercialized in the 1950s by the fiber industry, which produced conjugate fibers (Sisson and Morhead 1953; Hicks et al. 1960, 1967). Subsequently, in the 1960s and 1970s, the plastics industry developed coextrusion processes to produce multilayer films and sheets by extruding two or more polymers. Schrenk and coworkers (Schrenk 1974; Schrenk and Alfrey 1973; Schrenk et al. 1963) pioneered the concept of a coextrusion die system. However, there are a number of technological problems that must be understood in order to achieve successful coextrusion operations. In the 1970s, a number of research groups devoted their efforts to a better understanding of the fundamental problems associated with the coextrusion processes; namely, (1) interface deformation (i.e., encapsulation of one component by another component) during coextrusion (Everage 1975; Han 1973, 1975; Khan and Han 1976; Lee and White 1974; MacLean 1973; Southern and Ballman 1973, 1975; White and Lee 1975) and (2) interfacial instability during coextrusion (Han and Shetty 1978a; Khan and Han 1977; Schrenk et al. 1978). Those efforts are summarized in two monographs by Han (1976, 1981). Since then, further efforts have been made to investigate interface deformation during coextrusion via finite element analysis (Karagiannis et al. 1990; Matsunaga et al. 1998; Mavridis et al. 1987; Mitsoulis 1988; Mitsoulis and Heng 1987; Puissant et al. 1994) and to investigate interfacial instability, both experimentally (Han et al. 1984; Wilson and Khomami 1992, 1993) and theoretically (Anturkar et al. 1990; Khomami 1990; Su and Khomami 1992). Coextruded sheet for thermoformed high-barrier containers has become an important business sector for food and beverage packages for meats, baby food, beer, carbonated soft drinks, etc. Such packaging requires improved barrier protection to extend the shelf life of such products in thermoformed barrier containers. It should be mentioned that the coextruded sheets or films are of little commercial value unless the component polymers adhere together. This means that the component polymers must be compatible,1 at temperatures ranging from service temperature to the melt processing temperature in order to have good adhesion between the layers in the coextruded films or sheets.

Petrobras oil and gas production in the deep and ultra deepwater fields in Campos Basin and other provinces off the Brazilian coast heavily relies on flexible pipes. Maximizing the availability and reliability of an extensive offshore pipeline network poses innumerous challenges to the Company, which is steadily moving towards a condition based approach to maintenance of their flexible risers. In this context, Petrobras, in cooperation with its academic partners, has launched a comprehensive R&D program named MONFLEX, focusing on novel techniques for structural monitoring of flexible risers. Years of field experience have demonstrated that one of the most frequent failure modes of flexible pipes is the sequential rupture of wires in their tensile armor layers [1]. The MONFLEX Program has explored a range of different technologies in order to timely detect and monitor the growth of this class of progressive structural damage. Some of the proposed approaches have relied on video cameras pointed towards fixedly mounted targets on the riser outer sheath, vibration and acoustic methods, these in a wide frequency range, and techniques based on fiber optic strain sensors. All three have been experimentally deployed in the field and are currently being evaluated. Among those, fiber optic monitoring is the one that has shown the better promise of becoming the chosen method for detecting wire ruptures in the riser’s armor layers. The fiber optic based monitoring system developed in the MONFLEX R&D Program has been named MODA, which, in Portuguese, stands for Direct Wire Optical Monitoring. The MODA system consists in instrumenting all the wires of the riser’s external tensile armor layer with fiber Bragg grating strain sensors. In flexible risers already in operation, a window in the polymeric outer sheath of the pipe is temporarily opened in order to allow the sensors installation, and then repaired with a protective, anticorrosive layer. Even though in MODA the strain sensors are installed in the external armor layer, full scale laboratory tests have demonstrated that the algorithm employed to treat and analyze the real time data provided by the system is capable of instantaneously detecting ruptures of wires either in the external or internal layers of the tensile armor. The proposed contribution will report the later results of extensive laboratory tests and field trials performed with the MODA system.

The interface between the flexible risers and I tubes installed in floating production units is being considered by the industry as a critical region regarding wearing due to its geometric characteristics and high contact loads between the flexible risers and I-tube interface equipment. During the past few years some instances of outer sheath damage were reported by the offshore industry. Such occurrences have been responsible for the unplanned maintenance of flexible pipes and production loss. Based on this scenario, Wellstream has developed and incorporated into its regular supplies, a new model of riser interface equipment with a replaceable polymeric liner, which has been qualified through a full-scale test program and demonstrated to be adequate in protecting the flexible pipe’s outer sheaths [1]. Although the developed equipment was originally designed to allow the replacement of the polymeric liner, which acts as a sacrificial part, the planning of periodic inspections and the determination of the optimum liner thickness could not be reliably performed due to the lack of solid experimental data regarding the wear rates of the polymer pairs and the contact pressures expected for that region. As part of an internal research program, a FEA model has been developed and calibrated in order to allow the assessment of the contact pressure between the flexible pipe’s outer sheath and the I-tube interface equipment for the actual contact pressures generated by the field fatigue loads, supporting the development of a midscale test program to determine the wear rates of the polymeric materials pairs as a function of the contact pressure [2]. The determination of these two main variables allowed the definition and conception of a dedicated design tool and the generation of experimental data to the flexible riser interface equipment and its polymeric liner, increasing the reliability of the flexible risers installed in I-tubes. This paper presents a discussion regarding the contact pressures experienced by the flexible pipe sample in service, the basis for the experimental test program and the concept of the developed design tool.

Abstract Aerogels are three-dimensional networks of nanoparticles with high specific surface area and high porosity. Following the significant improvement on the mechanical strengths and ductility of traditional aerogels with polymer cross-linking (i.e., X-aerogels), the emergence of pure polymeric aerogels has enabled unprecedented aerogel applications such as ballistic armor protection, which is quite surprising for such low-density materials. However, generally low glass transition temperatures (Tg) of polymeric aerogels hinder their structural applicability at service temperatures above their Tg temperatures. Thereby, developing novel polymeric aerogels with high Tg temperatures is crucial for high-temperature structural applications. As phenolic resins, polybenzoxazines are heat-resistant and mechanically strong with high glass transition temperatures. In this study, polybenzoxazine aerogels have been successfully synthesized, and their mechanical properties at different densities and elevated temperatures have been investigated. High thermo-mechanical stability has been observed over the entire temperature range of interest (i.e., below 250 °C) for their quasi-static compressive properties such as Young’s modulus and compressive strength. Moreover, the storage and loss moduli in shear of the aerogels have been studied at different temperatures and frequencies. The strong mechanical performance of these aerogels at elevated temperatures makes them an important, inexpensive, and advanced material for high-temperature applications, competitive with significantly more expensive polyimides.

Axial thermal gradients in flexible pipes is a relatively novel area of research. New studies are putting focus on how the structural integrity of flexible pipes can be challenged by axial thermal gradients [1]. Significant axial thermal gradients occur, in particular, during start-up (heating) and shut-down (cooling) of the pipe in the vicinity of transition zones from pipe directly exposed to the surrounding environment, i.e. water or air, to thermally insulating parts, e.g. external anti-wear and fire protection layers, bend restrictors, bend stiffeners, and buoyancy modules. Along with differences in thermal expansion coefficients of the different pipe layers, the axial thermal gradients can cause significant shear stress in the interfaces between pipe layers. Thereby, axial thermal gradients may potentially cause relative axial displacement, or a slip displacement, between e.g. the pressure sheath and the pressure armor layers. In this way, axial loads in the pipe layers may not be properly transferred to, and thereby supported by, the tensile armor layer. A primary concern is the risk of e.g. pressure sheath pull-out of the end-fitting or carcass tearing failures. The present paper partially builds upon, and extends, the results presented earlier [1], primarily concerned with interface shear loads and slip displacements between the inner pipe layers, i.e. carcass, pressure sheath, and pressure armor, and extends that study in several ways. 1) Reconsiderations of the thermomechanical coupling between the radial and the axial spatial direction, and a detailed scale analysis, leads to a more rigorous derivation of the shear stress in the carcass / pressure sheath and pressure sheath / pressure armor interfaces in response to axial thermal gradients. These results deviate from the earlier published result only in terms of Poisson’s ratio dependent numerical pre-factors. 2) The established theoretical framework includes a thorough coupling between the interface shear stresses, and the radial, axial, and azimuthal normal stresses. This allows for an exhaustive evaluation of the mechanical state of the pipe in both pre-slip and post-slip conditions, including residual states. 3) The results are generalized to transient thermo-viscoelastic analysis, which is critical for conservatism due to the viscoelastic stress relaxation of the polymeric pressure sheath material during heating, cooling, and thermal cycling. Possible failure modes due to axial thermal gradients are currently not covered explicitly by design codes and conventional qualification testing. The model presented in this article can form basis for risk evaluations related to axial thermal gradients, input to formulations of design codes, and engineering design tools. The model contains the mechanisms that govern criticality in relation to axial thermal gradients, and its implications on interface shear stress, potential interface slip, and forces in the pipe, thereby also providing insights into possible mitigation actions for related failure modes.

Triton Systems, Inc. and our academic partner University of Dayton Research Institute (UDRI) developed and demonstrated a lightweight, affordable composite heat shield sandwich panel for aerospace applications capable of protecting an underlying Polymer Matrix Composite (PMC) sandwich panel from 500℉ external impingement. Our design outperforms the incumbent heat shield, a bolt-on metallic sheet with an air gap, in both thermal protection (15% lower skin surface temperature) and weight (40% lighter) at an equivalent thickness (about 0.3”). Our panel has very low thermal conductivity (0.08 W/mK) but is also impact resistant, strong (~300 psi flatwise tensile strength), and tolerant to typical aerospace environmental conditions. Additionally, we demonstrated that our design could be produced as a curved panel configuration to match vehicle outer mold lines (OML’s). Now at Technology Readiness Level (TRL) 4, Triton’s panel design is ready to move to the next stage of development which we envision to be additional proof-of-concept testing including chemical and additional environmental exposure, cold exposure, thermal shock, and vibration as we scale up to a larger 4’x8’ panel. STEVE SCHOENHOLTZ

Cosmic ray (CR) shielding is the main issue for future long missions far for the protection of the Earth’s magnetic field. Many experiments have been performed in Space to evaluate the effect of the Space environment on the material stability (mainly MISSE experiments from NASA). However those experiments were not able to evaluate CR shielding performances of materials, and results are mainly present in the form of erosion yield due to atomic oxygen erosion. In this study, a conceptual design is shown for further experiments on the International Space Station by focusing on the effect of cosmic rays on material aging. Shields will be made by using polyolefin sheets coupled or not with metallic foils. Polymeric sheets will be filled or coated with magnetic nano-particles to provide a small magnetic activity.

Abstract Due to their high specific penetration energy and high-strain-rate dependence, polymers are good candidates for lightweight protection against high-velocity impacts. Recent micro-impact experiments have shown enhanced abilities of polymer thin films to absorb remarkable amounts of energy during ballistic impacts. However, in situ observation of the molecular energy dissipation mechanisms is difficult or impossible, resulting in a gap in understanding. During confinement, the critically connected relationship between chain mobility, temperature, and pressure becomes more enigmatic as shock waves travel through the material. In this work, we use large-scale Molecular Dynamics (MD) simulations with reactive bond-breaking capabilities to gather insights into the nanoscale energy dissipation mechanisms of unconfined and confined polymers. Multi-layered graphene (MLG) sheets are used to create various MLG-polyethylene (PE) configurations, such as a PE with an MLG backing layer, and confined PE sandwiched between graphene. By varying the number and configurations of PE and MLG layers, the level of confinement on the PE can be increased. The resulting PE thin films, graphene films, and confined PE composites are subjected to a range of high-velocity impacts (500–7,500 m/s) to determine the amount of energy dissipation for the given material system. Unconfined PE experiences large void formation and chain pullout due to high entanglement density and low internal chain friction (small monomeric friction coefficient). With increasing levels of confinement, the energy dissipation mechanism transitions from chain disentanglement to chain scission, subsequently dissipating higher amounts of energy.

The impact performance of several porous polymeric and metallic foam core sandwich composite systems were evaluated for their suitability for protecting vehicle occupants in the event of a low velocity impact. The material systems evaluated were glass/phenolic face sheets reinforced with Nomax honeycomb core, cross-ply carbon-fiber face sheets reinforced with aluminum honeycomb cores of different cell sizes, and aluminum metallic foam cores of different cell sizes. Lastly, an exploratory study using an extrusion type 3D-printed polystyrene foam structure that customized pore size, pore distribution were undertaken. The peak load and energy dissipation of the composite materials were experimentally measured. An instrumented large semispherical impactor (48 mm diameter) applied loads at constant strain rate on the order of 0.1 m/sec to a 50 mm × 50 mm coupon sized composite specimen with varying thicknesses. The impact damage to materials were also visually examined. The current material system used for some interior components (glass/phenolic face sheets reinforced with Nomax honeycomb core) reaches a maximum load in a small time duration and displacement, causing catastrophic local crushing and delamination events. It is expected that the failure can be spread out with these alternative material systems with varying pore size distribution so that the energy dissipation can be accomplished with a lower peak force to improve occupant safety.

The multi-layered unbonded structure of a flexible pipe creates an inherent internal volume known as an annulus. This annulus envelops the hoop pressure and tensile reinforcements of the pipe. This presents very specific corrosion conditions if seawater intrudes or water condenses in the annulus and no protection system operates to prevent corrosion. This paper describes an investigation into the effect on general corrosion as a result of this environment utilising small-scale test cells. This was undertaken as an attempt to simulate the corrosion conditions that may occur in differing zones of a flexible pipeline. The cell environment was varied by use of both de-ionised water and seawater. The system was saturated with CO2 and CH4 to simulate permeation of this gas through the polymer pressure sheath. Electrochemical and weight loss measurements were undertaken in order to quantify the corrosion rate in these simulated environments. This approach attempts to give useful information regarding the nature of carbon steel tensile reinforcements used in flexible pipeline under operational conditions.

This study aims to contribute to better understand the antiwear action of zinc dialkyldithiophosphate (ZDTP) additives used in car engine lubrication. The antiwear action of ZDTP is associated to the formation of a protective tribofilm onto the rubbing surface. On a mechanical point of view, the efficiency of ZDTP tribofilms results from equilibrium between film formation and wear rates, associated with appropriate rheological properties. In this work, the mechanical properties of a ZDTP tribofilm have been measured by nanoindentation in different test conditions in order to investigate the effect of temperature and strain rate. A Nanoindenter XP® entirely set into a climatic chamber was used to perform the nanoindentation tests. For all tests, an increase of the elastic modulus was observed from a threshold contact pressure value. This effect is similar to the anvil effect observed on polymers: in confined geometry, the elastic modulus increases versus hydrostatic pressure. For the tribofilm, in the studied range, this effect is enhanced at high temperature and low strain rate. Furthermore, when the temperature increases, a change in the rheological behavior of the tribofilm is observed. Up to about 50°C, the tribofilm exhibits viscoplastic behavior — the hardness increases versus strain rate — and above 50°C, the hardness decreases versus strain rate (“shear thinning-like” behavior).