864 resultados para Polymer-matrix composites (PMCs)


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Reinforced concrete (RC) beams may be strengthened for shear using externally bonded fiber reinforced polymer (FRP) composites in the form of side bonding, U-jacketing or complete wrapping. The shear failure of almost all RC beams shear-strengthened with side bonded FRP and the majority of those strengthened with FRP U-jackets, is due to debonding of the FRP. The bond behavior between the externally-bonded FRP reinforcement (referred to as FRP strips for simplicity) and the concrete substrate therefore plays a crucial role in the failure process of these beams. Despite extensive research in the past decade, there is still a lack of understanding of how debonding of FRP strips in such a beam propagates and how the debonding process affects its shear behavior. This paper presents an analytical study on the progressive debonding of FRP strips in such strengthened beams. The complete debonding process is modeled and the contribution of the FRP strips to the shear capacity of the beam is quantified. The validity of the analytical solution is verified by comparing its predictions with numerical results from a finite element analysis. This analytical treatment represents a significant step forward in understanding how interaction between FRP strips, steel stirrups and concrete affects the shear resistance of RC beams shear-strengthened with FRP strips.

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An yttrium aluminum (YAl2) intermetallic compound ingot was prepared in an induction furnace under vacuum. The microstructure of YAl2 ingot was characterized by optical microscopy, scanning electron microscopy, and X-ray diffraction. The load bearing response of YAl2 intermetallic was investigated and compared with SiC ceramic by indentation combined with optical microscopy and scanning electron microscopy. Additionally, the tensile properties of the Mg–Li matrix composites reinforced with ultrafine YAl2 particles fabricated by planet ball milling were tested. The results show that the intermetallic compound ingot in this experiment is composed of a main face-centered-cubic structure YAl2 phase, a small amount of YAl phase, and minor Y and Al-rich phases. YAl2 intermetallic compound has excellent stability and shows better capability in crack resistance than SiC ceramic. The YAl2 intermetallic compound has better deformation compatibility with the Mg–14Li–3Al matrix than SiC reinforcement with the matrix, which leads to the superior resistance to crack for YAl2p/Mg–14Li–3Al composite compared to SiCp/Mg–14Li–3Al composite.

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Electroless nickel composite coatings with silicon carbide, SiC, as reinforcing particles deposited with Ni–P onto aluminium alloy, LM24, having zincating as under layer were subjected to heat treatment using air furnace. The changes at the interface were investigated using scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive X-ray (EDX) to probe the chemistry changes upon heat treatment. Microhardness tester with various loads using both Knoop and Vickers indenters was used to study the load effect clubbed with the influence of second phase particles on the coating at the vicinity of the interface. It was observed that zinc was absent at the interface after elevated temperature heat treatment at 400–500 °C. Precipitation of copper and nickel with a distinct demarcation (copper rich belt) along the coating interface was seen with irregular thickness of the order of 1 μm. Migration of copper from the bulk aluminium alloy could have been the factor. Brittleness of the coating was confirmed on heat treatment when indented with Vickers. However, in composite coating the propagation of the microcrack was stopped by the embedded particles but the microcracks continue in the matrix when not interrupted by second phase particles (SiC).

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The technique of externally bonding fiber-reinforced polymer (FRP) composites has become very popular worldwide for retrofitting existing reinforced concrete (RC) structures. Debonding of FRP from the concrete substrate is a typical failure mode in such strengthened structures. The bond behavior between FRP and concrete thus plays a crucial role in these structures. The FRP-to-concrete bond behavior has been extensively investigated experimentally, commonly using a single or double shear test of the FRP-to-concrete bonded joint. Comparatively, much less research has been concerned with numerical simulation, chiefly due to difficulties in the accurate modeling of the complex behavior of concrete. This paper presents a simple but robust finite-element (FE) model for simulating the bond behavior in the entire debonding process for the single shear test. A concrete damage plasticity model is proposed to capture the concrete-to-FRP bond behavior. Numerical results are in close agreement with test data, validating the model. In addition to accuracy, the model has two further advantages: it only requires the basic material parameters (i.e., no arbitrary user-defined parameter such as the shear retention factor is required) and it can be directly implemented in the FE software ABAQUS.

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The technique of externally bonding fibre reinforced polymer (FRP) composites has been becoming popular worldwide for retrofitting existing reinforced concrete (RC) structures. A major failure mode in such strengthened structures is the debonding of FRP from the concrete substrate. The bond behaviour between FRP and concrete thus plays a crucial role in these structures. The FRP-to-concrete bond behaviour has been extensively investigated experimentally, commonly using the pull-off test of FRP-to-concrete bonded joint. Comparatively, much less research has been concerned with the numerical simulation of this bond behaviour, chiefly due to difficulties in accurately modelling the complex behaviour of concrete. This paper proposes a robust finite element (FE) model for simulating the bond behaviour in the entire loading process in the pull-off test. A concrete damage plasticity model based on the plastic degradation theory is proposed to overcome the weakness of the elastic degradation theory which has been commonly adopted in previous studies. The model produces results in very close agreement with test data. © Tsinghua University Press, Beijing and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2011.

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Strengthening RC structures with near-surface mounted (NSM) fibre reinforced polymer (FRP) composites has a number of advantages compared with that with externally bonded (EB) FRP sheets/plates. As with EB FRP, the performance of the bond between NSM FRP and concrete is one of the key factors affecting the behaviour of the strengthened structure. This paper presents a numerical investigation into the behaviour of NSM FRP loaded at its both ends to simulate the NSM FRP-toconcrete bond between two adjacent cracks in RC members. The main objective of this study is to quantitatively clarify the effect of the bondline damage during slip reversal on the ultimate load (bond strength). The results show that the bondline damage has a significant effect on the load-carrying capacity of the NSM FRP-to-concrete bonded interface and should be considered in FE modeling of the interface.

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The tensile strength obtained from existing testing methods such as ASTM D3039, based on flat coupons, usually has a large scatter for fibre reinforced polymer (FRP) composites. This means that the measured strength may not represent the actual strength of the material, leading to under or over design. This paper develops a new interpretation method which requires fewer tests, saving money and time. Moreover the results are more consistent and more closely represent the actual strength which can lead to a safer and more economical design.

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Glibenclamide (GLIB), an oral antidiabetic medication of the sulphonylurea drugs family, was stoichiometrically imprinted using tetrabutylammonium methacrylate as the functional monomer, for the first time in molecular imprinting, and utilising the sulphonylurea affinity for carboxylate anions. Solution association between the drug and the novel functional monomer was studied by 1H-NMR titrations, whereby evidence of sulphonylurea deprotonation followed by the formation of “narcissistic” GLIB dimers was found when tested in CDCl3, while an affinity constant in excess of 105 L mol-1 was measured in DMSO-d6. Detailed analysis of GLIB binding on the subsequently prepared imprinted and non-imprinted polymers confirmed deactivation of binding sites by exchange of a proton between GLIB and methacrylate, followed by extraction of the tetrabutylammonium counterion from the polymer matrix, resulting in overall reduced binding capacities and affinities by the imprinted material under equilibrium conditions. An optimised MI-SPE protocol, which included a binding site re-activation step, was developed for the extraction of GLIB from blood serum, whereby recoveries of up to 92.4% were obtained with exceptional sample clean-up.

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Microneedle technology provides the opportunity for the delivery of DNA therapeutics by a non-invasive, patient acceptable route. To deliver DNA successfully requires consideration of both extra and intracellular biological barriers. In this study we present a novel two tier platform; i) a peptide delivery system, termed RALA, that is able to wrap the DNA into nanoparticles, protect the DNA from degradation, enter cells, disrupt endosomes and deliver the DNA to the nucleus of cells ii) a microneedle (MN) patch that will house the nanoparticles within the polymer matrix, breach the skin's stratum corneum barrier and dissolve upon contact with skin interstitial fluid thus releasing the nanoparticles into the skin. Our data demonstrates that the RALA is essential for preventing DNA degradation within the poly(vinylpyrrolidone) (PVP) polymer matrix. In fact the RALA/DNA nanoparticles (NPs) retained functionality when in the MN arrays after 28days and over a range of temperatures. Furthermore the physical strength and structure of the MNs was not compromised when loaded with the NPs. Finally we demonstrated the effectiveness of our MN-NP platform in vitro and in vivo, with systemic gene expression in highly vascularised regions. Taken together this 'smart-system' technology could be applied to a wide range of genetic therapies.

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Esta tese relata estudos de síntese, caracterização da estrutura e das propriedades de fotoluminescência e aplicações de nanotubos e nanobastonetes de óxidos de lantanídeos em pontas para microscopia de força atómica, catálise heterogénea e compósitos de base polimérica. Há um interesse crescente em compreender como o confinamento quântico decorrente da redução do tamanho de partícula pode influenciar a eficiência da luminescência, a dinâmica dos estados excitados, a transferência de energia e os efeitos de termalização de nanoluminóforos. Em nanocristais dopados com lantanídeos (Ln3+), e apesar da localização dos estados 4f, ocorrem efeitos de confinamento quântico via interacção com os modos vibracionais da rede. Em particular, a termalização anómala, descrita para uma variedade de nanocristais dopados com Ln3+, tem sido atribuída à ausência de modos vibracionais de menor frequência. Este nanoconfinamento pode ter impacto na dinâmica da luminescência, bem como na transferência de energia mediada por modos vibracionais e processos de upconversion. Nesta tese, relata-se o estudo deste efeito em nanotubos de Gd2O3:Eu3+. A influência de parâmetros como a concentração de európio e as condições de calcinação também foi investigada. Algumas aplicações destes óxidos de lantanídeos também foram exploradas, nomeadamente a modificação de pontas usadas em microscopia de força atómica com nanobastonetes de Gd2O3:Eu3+, lograda através de dielectroforese, técnica que não degrada a emissão de luz (rendimento quântico 0.47). As pontas modificadas são estáveis sob condições de trabalho, podendo ser aplicadas, por exemplo, em microscopia óptica de varrimento de campo próximo (SNOM). A oxidação em fase líquida do etilbenzendo foi investigada usando como catalisador nanotubos de CeO2, em presença dos oxidantes hidroperóxido de t-butilo e H2O2, e do solvente acetonitrilo, e temperaturas entre 55 e 105 ºC. Nanobastonetes de Gd2O3:Eu3+ recobertos com sílica foram preparados pelo método sol-gel. Esta cobertura resultou num aumento, quer do rendimento quântico de emissão, de 0.51 para 0.86 (excitação a 255 nm), quer dos tempos de vida,de 1.43 para 1.80 ms (excitação a 394.4 nm). A superfície dos nanotubos cobertos com sílica foi modificada com o agente de acoplamento metacrilato de 3-(trimetoxissilil)propilo que permitiu a preparação de compósitos através da subsequente polimerização in-situ do estireno por técnicas de miniemulsão e solução. ABSTRACT: This thesis reports on the synthesis, characterisation of the structure and photoluminescence properties, and applications of nanotubes and nanorods of lanthanides oxides in atomic force microscopy tips, heterogeneous catalysis and polymer-base composites. There is a growing interest in understanding how size-dependent quantum confinement affects the photoluminescence efficiency, excited-state dynamics, energy-transfer and thermalisation phenomena in nanophosphors. For lanthanide (Ln3+)-doped nanocrystals, and despite the localisation of the 4f states, confinement effects are induced mostly via electron-phonon interactions. In particular, the anomalous thermalisation reported for a handful of Ln3+-doped nanocrystals has been rationalised by the absence of lowfrequency phonon modes. This nanoconfinement may further impact on the Ln3+ luminescence dynamics, such as phonon-assisted energy transfer or upconversion processes. Here, this effect is investigated in Gd2O3:Eu3+ nanotubes. The influence of parameters such as europium concentration and calcination procedure is also studied. Some applications of these lanthanides oxides have been explored, for instance the modification of atomic force microscopy tips with photoluminescent Gd2O3:Eu3+ nanorods, using dielectrophoresis, a technique which preserves the red emission of the nanorods (quantum yield 0.47). The modified tips are stable under working conditions and may find applications in scanning near-field optical microscopy. The liquid-phase oxidation of ethylbenzene over CeO2 nanotubes has been investigated, using tert-butyl-hydroperoxide and H2O2 as the oxidising agents, and acetonitrile as the solvent, in the range 55-105 ºC. Gd2O3:Eu3+ nanorods have been coated with silica via a sol-gel approach. The silica coating increases both, the Eu3+ absolute emission quantum yields from 0.51 to 0.86 (255 nm excitation), and decay times from 1.43 to 1.80 ms (394.4 nm excitation). The silica coating was modified with 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate and, subsequently, composites have been prepared by in-situ radical polymerisation of styrene via miniemulsion and solution routes.

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Os cimentos ósseos à base de PMMA para aplicações em artroplastia da anca apresentam como grande limitação o facto do seu constituinte principal ser um elemento bioinerte o que leva à falta de integração entre as interfaces cimento ósseo/tecido ósseo, comprometendo assim o desempenho mecânico da prótese ortopédica ao longo do tempo. Esta dissertação tem como objetivo principal a preparação de novas formulações de cimentos ósseos com a capacidade de estabelecer interações com os tecidos vivos circundantes. De modo a melhorar a bioatividade do sistema e facilitar a sua osseointegração, os cimentos ósseos comerciais foram reforçados com cargas significativas de HA. No entanto o recurso a elevadas cargas de HA (~60% m/m) no cimento ósseo promove debilidades do ponto de vista estrutural, levando a uma baixa resistência mecânica do material final. No sentido de ultrapassar esta limitação, foram inseridas nanoestruturas de carbono (GO ou CNTs) em baixas percentagens na matriz polimérica por forma a maximizar a sua performance mecânica através da perfeita integração de todos os componentes. A primeira fase deste trabalho consistiu no desenvolvimento de metodologias que permitissem a síntese de GO através da exfoliação química da grafite em solução aquosa. Os resultados obtidos demonstraram a obtenção de folhas de GO em larga escala e com número de camadas uniforme. A funcionalização orgânica superficial via ATRP do GO obtido, com cadeias de PMMA possibilitou o desenvolvimento de novos materiais nanocompósitos, no entanto alguns fatores de natureza tecnológica inviabilizaram o seu uso como agente de reforço na matriz idealizada. O desenvolvimento de novas formulações de cimentos ósseos consistiu numa matriz de PMMA/HA (1:2 (m/m)) reforçada com pequenas percentagens de GO ou CNTs (0,01, 0,1, 0,5 e 1,0% m/m). A síntese destes materiais nanocompósitos resultou da combinação de diversas técnicas: ultrassons, granulação por congelamento e liofilização. A análise estrutural dos nanocompósitos obtidos demonstrou a eficácia da metodologia desenvolvida na homogeneização de todos os elementos do sistema. Os estudos desenvolvidos após a conformação e caracterização estrutural dos novos materiais nanocompósitos permitiram verificar que as nanoestruturas de carbono apresentavam efeitos adversos na polimerização via radicalar do PMMA. A análise da fração orgânica permitiu verificar a presença de espécies oligoméricas o que reduziu significativamente o comportamento mecânico dos nanocompósitos. Através do estudo do aumento da concentração das espécies radicalares iniciais foi possível suplantar este problema e tirar o máximo rendimento dos agentes de reforço, tendo-se destacado os nanocompósitos reforçados com GO. A validação do ponto de vista mecânico das novas formulações de cimentos ósseos recaiu sobre o procedimento descrito na norma europeia ISO 5833 de 2002 – Implantes para cirurgia – cimentos acrílicos, tendo sido realizados os testes de compressão e de flexão. A avaliação biológica do comportamento dos cimentos ósseos assentou em duas abordagens complementares: estudos de mineralização em SBF e estudos de biocompatibilidade em meios celulares. Após a incubação das amostras em SBF ficou demonstrada a excelente capacidade para promoverem a integração de uma camada apatítica. Através de estudos celulares com Fibroblastos L929 e Osteoblastos Saos-2, nos quais foram avaliados a proliferação celular, viabilidade celular, espécies reativas de oxigénio, apoptose e morfologia celular, foi possível verificar bons níveis de biocompatibilidade para os materiais devolvidos.

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Esta tese descreve diversas estratégias preparativas assim como estudos de caracterização de nanocompósitos e outras nanoestruturas, para a análise em espectroscopia de Raman com intensificação por superfície (SERS). Em particular foi estudada a incorporação de nanopartículas (NPs) metálicas de Ag e Au em matrizes poliméricas visando avaliar o potencial destes materiais como novos substratos para SERS na deteção de moléculas. O primeiro capítulo consiste numa revisão bibliográfica, onde é destacado o desenvolvimento de novos substratos para SERS utilizando nomeadamente nanopartículas de Ag, Au e Cu. Numa primeira fase, esta secção apresenta uma breve descrição sobre as propriedades plasmónicas dos metais utilizados e alguns conceitos básicos de espectroscopia de difusão de Raman. Posteriormente, descreve-se em mais detalhe o efeito de SERS, revendo-se sobretudo a química de materiais descrita em trabalhos recentes tendo em conta a sua utilização como novas plataformas para análise química por SERS. O capítulo 2 descreve a síntese e caracterização de nanocompósitos de poli(acrilato de butilo) obtidos através de polimerização in situ por miniemulsão na presença de nanopartículas de Ag. Os nanocompósitos Ag/PtBA foram investigados como novos substratos de SERS visando o desenvolvimento de novas plataformas versáteis para deteção molecular. Estudos como o efeito da temperatura, pH e pressão foram investigados, visando a compreensão do efeito da matriz polimérica na difusão/adsorção do analito (ácido tiossalicílico) na superfície metálica. No capítulo 3, os nanocompósitos de Ag/PtBA descritos anteriormente foram investigados detalhadamente como substratos para bio-deteção em SERS, usando a adenina como analito modelo. Os nanocompósitos foram submetidos a vários tratamentos pré-analíticos para a bio-deteção da adenina. Foram realizadas experiências nos sistemas Ag/PtBA de modo a obter informação sobre o efeito do pH na deteção deste analito em soluções aquosas diluídas. Os nanocompósitos poliméricos obtidos apresentam a vantagem de poderem ser processados utilizando tecnologia disponível. Pelo que o estudo das suas propriedades térmicas é especialmente relevante. Assim, a influência da incorporação de NPs inorgânicas na temperatura de transição vítrea (Tg) do polímero PtBA foi investigada por meio de calorimetria diferencial de varrimento (DSC) e os resultados são apresentados no capítulo 4. Estes estudos descrevem efeitos na Tg do PtBA quando analisado em nanocompósitos obtidos por diferentes métodos (métodos ex situ e in situ), contendo nanopartículas metálicas com diferentes distribuições de tamanho e presentes em quantidade variável na matriz polimérica. Estes estudos possibilitaram relacionar a influência das NPs metálicas na mobilidade das cadeias poliméricas com as propriedades térmicas observadas. O capítulo 5 descreve a preparação e caracterização de materiais compósitos de base polimérica (PtBA) e NPs de Au com morfologia de bastonetes (NRs). Estes materiais foram investigados como substratos para SERS tendo originado um bom sinal de SERS na análise de 2-2’-ditiodipiridina. Investigouse igualmente o efeito da variação da morfologia das NPs metálicas (esferas e bastonetes), a razão de aspecto (R.A.) dos bastonetes e o tipo de matriz polimérica (PtBA e PnBA) no sinal de SERS. No capítulo 6 é descrita a utilização da técnica de SERS como método alternativo para a monitorização de alterações morfológicas de coloides de NRs de Au. Os NRs de Au foram recolhidos em diferentes fases de oxidação promovida pela presença de K2S2O8 e a sua sensibilidade como substratos de SERS foi avaliada utilizando o anião dietilditiocarbamato (DTC) como analito modelo. Os estudos foram realizados utilizando as linhas de excitação a 1064 nm e 633 nm. Este estudo demonstrou que a sensibilidade dos NRs de Au como substratos de SERS diminui à medida que a sua R.A. diminui devido à competitividade do CTAB (estabilizante) e o DTC pela superfície dos NRs. É de salientar que este processo é acompanhado por um diferente comportamento em termos de adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. O capítulo 7 introduz um novo tipo de compósitos para SERS, utilizando matrizes biopoliméricas. Assim, descreve-se a preparação e caracterização de nanocompósitos de carragenano e NPs de Ag. Nesta secção é avaliada a utilização destes materiais como novos substratos para a análise em SERS, utilizando a 2-2’-ditiodipiridina como molécula modelo. Descrevem-se estudos pioneiros que procuram relacionar a dependência do sinal de SERS com a força do gel. Para tal, realizou-se um estudo sistemático aos nanobiocompósitos usados como substratos de SERS em diferentes condições analíticas e investigaram-se as suas propriedades reológicas. No capitulo 8 é descrita a investigação de nanocompósitos de Ag/Gelatina como substratos para SERS, utilizando o anião dietilditiocarbamato como analito modelo. Realizaram-se várias experiências para correlacionar a variação da força do gel com o aumento do sinal de SERS bem como a diferente adsorção dos dois tautómeros do DTC à superfície do metal. Ao longo desta dissertação são apresentados metodologias distintas para a preparação e obtenção de nanocompósitos com base em polímeros (sintéticos ou naturais) e NPs metálicas (Ag e Au). Esta investigação não só permitiu a síntese e estudo de novos substratos para SERS mas também a compreensão do efeito matriz/NPs metálicas no sinal de SERS e na formação de “hot spots”. Este trabalho contribui para o enriquecimento na área da Nanociência e Nanotecnologia demonstrando a eficácia e reprodutibilidade de nanocompósitos com base em polímeros como novos substratos para SERS. Embora as propriedades óticas apresentadas por estes materiais serem aqui direcionadas para a deteção molecular pela técnica de SERS, estes materiais podem ser investigados em outras área tecnológicas.

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This paper presents the experimental work carried out on a full scale concrete frame strengthened with Fibre Reinforced Polymer (FRP) composites. The frame was damaged, strengthened with FRP reinforcement and re-tested to assess the effectiveness of the strengthening technique. The natural frequencies of vibration, displacements, velocities and accelerations for both the unstrengthened and strengthened frame were recorded and compared.

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Depuis longtemps, le Soleil est vu comme une source renouvelable d’intérêt pour combler nos besoins en énergie. Or, le coût prohibitif de l’énergie solaire a jusqu’à maintenant rendu celle-ci peu utilisée. Pour accroître son adoption, il faut absolument rendre son coût concurrentiel avec celui des énergies fossiles. Pour cela, plusieurs possibilités existent. L’une d’elles est l’utilisation d’un système optique pour concentrer la lumière. Cette thèse présente donc une solution basée sur la conception d’un nouveau type de concentrateur solaire de basse-moyenne concentration fait de polymère dans le but de réduire son coût de fabrication. Les performances de ce système compact utilisant des microlentilles ont ensuite été améliorées par l’ajout d’un gradient d’indice de réfraction dans la matrice polymérique. Une analyse sommaire du coût de l’énergie produite par de tels dispositifs permet ensuite de conclure que les systèmes développés dans le cadre de ce projet de recherche ont un potentiel commercial. Pour cette raison, le concept le plus prometteur basé sur l’utilisation d’un gradient d’indice afin d’accroître les performances a fait état du dépôt d’une demande de brevet.

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The mode III interlaminar fracture of carbon/epoxy laminates was evaluated with the edge crack torsion (ECT) test. Three-dimensional finite element analyses were performed in order to select two specimen geometries and an experimental data reduction scheme. Test results showed considerable non-linearity before the maximum load point and a significant R-curve effect. These features prevented an accurate definition of the initiation point. Nevertheless, analyses of non-linearity zones showed two likely initiation points corresponding to GIIIc values between 850 and 1100 J/m2 for both specimen geometries. Although any of these values is realistic, the range is too broad, thus showing the limitations of the ECT test and the need for further research.