Preparation and testing of lightweight composite materials

Tato diplomová práce se zabývala provedením simulací kompozitních origami auxetických materiálů, které vykazovaly self-assembly efekt (SE). Ke tvorbě struktur byl využit freeware INKSCAPE. Simulace byly provedeny pomocí metody konečných prvků v programu MATLAB s pluginem GIBBON. Jako vyhodnocovací software byl použit program FEBIO Studio. Teoretická část je rozložena do čtyřech oblastí – auxetické materiály, polymerní materiály s tvarovou pamětí, auxetické materiály s funkcí samouspořádání a teplotní roztažnost auxetických materiálů. U každé části jsou stručně shrnuty základní informace a poznatky z této kategorie. U každé oblasti teoretické části byly provedeny literární rešerše z nejnovějších poznatků k danému tématu. Experimentální část sestávala ze simulací připravených struktur a jejich následného vyhodnocení. Simulace probíhali pomocí programu MATLAB. Celkem byly provedeny simulace u dvou typů auxetických struktur, které se lišily velikostí vnějšího úhlu (121,99 °a 131,78 °) a dále byla provedena simulace u struktury krychle o rozměrech 20×20 mm. Připravené auxetické struktury byly složeny ze dvou neo-Hookovských materiálů a byly dále rozděleny na homogenní, dvouvrstvé a vícevrstvé. U dvouvrstvých a vícevrstvých struktur byla provedena simulace teplotní roztažnosti, a s pomocí hodnot, získaných z provedené simulace struktury krychle, byla vypočtena teplotní změna pro jednotlivé simulační stavy, které byly určeny náhodně. Dále byly, pro tyto struktury, sestrojeny histogramy napětí a byla určena nejčastější hodnota napětí pro daný simulační stav. V poslední řadě byla určena teplotní roztažnost simulovaných materiálů, která byla vypočtena ze zjištěných dat při simulaci struktury, která odpovídala tvaru rychle o výše zmíněných rozměrech.This thesis deals with simulation of composite origami-like auxetic materials, which exhibit self – assembly effect (SE). The freeware named INKSCAPE was used for preparing structures. Simulations were made by MATLAB with GIBBON plugin using finite element method. For structure evaluation, freeware programme FEBIO Studio were used. The theoretical part was divided into four sections – auxetic materials, shape memory polymer materials, self-assembly auxetic materials and thermal expansion of auxetic materials. Each section contains of basic information and knowledge from its category. For each area of the theoretical part, literature searches were conducted based on the latest findings on the given topic. The experimental part consisted of simulations of prepared structures and their subsequent evalution using MATLAB programme. Simulations were performed for two types of auxetic structures that differed in the size of external angle (121,99 °and 131,78 °) in total. In the next step, simulation of cubic structure with dimensions 20 × 20 mm was performed. The prepared auxetic structures were composed of two neo- Hookean materials and were further divided into homogeneous, two-layered and multi-layers structures. For two-layer and multi-layer structures, a thermal expansion simulation was performed, and with the help of the values obtained from the simulation of the cube structure, the temperature change was calculated for individual simulation states, which were randomly determined. Furthermore, stress histograms were made for prepared structures and the most frequent stress value for the given simulation state was determined. The last part consisted of determining the thermal expansion of the simulated materials. Coefficient of thermal expansion of prepared materials was calculated using data obtained during each simulation of the cubic structure of dimensions mentioned above.