Partikül takviyeli kompozitlerin kırılma tokluğunun belirlenmesi
Determination of fracture toughness of particulate reinforced composites
Yazar: KAMİL SEÇKİN BORAZAN
Danışman: PROF. DR. HALİT GÜN
Uşak Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kompozit malzemeler, iki ya da daha fazla malzemenin kendi özelliklerinden daha üstün özellikte yeni bir malzeme meydana getirmek için makro seviyede birleşmeleriyle meydana gelirler. Kompozit malzemeler hafiflik, yüksek darbe dayanımı, yüksek korozyon direnci ve yüksek termal özelliklerinden dolayı çoğu mühendislik uygulamasında geleneksel malzemelere alternatif olarak kullanılmaktadırlar. Fiber takviyeli kompozit malzemeler yapılarda en çok kullanılan kompozit malzeme türüdür. Cam, karbon, aramid ve bor lifleri, fiber takviyeli kompozit malzemelerde kullanılan başlıca takviye malzemeleridir. Fakat bu tür doğal olmayan liflerin hem üretim maliyetlerinin fazla olması, hem de üretim sırasında çevreye salınan atıklar bilim adamlarını daha çevreci çözümler araştırmaya itmiştir. Doğal liflerin üretimleri için enerji maliyetlerinin az olması ve üretimleri esnasında doğaya karbon salınmaması onlara çevresel ve ekonomik açıdan avantaj sağlamaktadır. Buna karşın doğal lifler petrol esaslı liflerle kıyaslandığında daha düşük mukavemet değerlerine sahiptirler. Kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini iyileştirmek için kompozit malzemelerin içerisine belirli oranlarda takviye yapılmaktadır. Bunların en göze çarpanı kompozit malzemelerin içerisine partikül takviyesi yapmaktır. 

Bu çalışmada; seramik partiküllerle takviye edilecek jüt/epoksi tabakalı kompozit malzemelerin mekanik özellikleri, Mod I, Mod I-II ve Mod II yükleme durumundaki kırılma toklukları ve kırılma enerjileri belirlenmiştir. Bu kapsamda 4,5µ, 9,3µ ve 53µ tanecik büyüklüğünde ve %0, %3, %6 ve %9 takviye oranında silisyum karbür (SiC) partiküller ile takviye edilerek 6 tabakalı jüt/epoksi kompozit plakalar üretilmiştir. Üretilen kompozit plakalardan Compact Tension Shear (CTS) test numuneleri standarda (ASTM) uygun ölçülerde kesilmiştir. Kırılma tokluklarını belirlemek için CTS numuneleri ARCAN test aparatı kullanılarak farklı açılarda (0º, 30º, 45º, 60º ve 90º) çekme testine tabi tutulmuştur. SiC partikül boyutu ve takviye oranının kırılma tokluğuna etkisini daha iyi anlamak için kırılma testleri sonrası, hasarlı numunelerin yüzey morfolojisi taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile görüntülenmiştir.
Projedeki bir diğer çalışmada, seramik partikül takviyesine sahip jüt/epoksi kompozit plakaların kırılma toklukları, ANSYS sonlu elemanlar paket programında J-İntegral metodu ile belirlenmiştir. Bunun için farklı oranda ve farklı tanecik büyüklüğü ile takviye edilmiş jüt/epoksi tabakalı kompozitlerin mekanik özellikleri deneysel olarak belirlenmiştir.

Abstract:
Composite materials are produced by combining two or more materials at macro level in order to create new material with superior properties which have better properties than its constituent materials. Composite materials are used as the alternative materials to the conventional materials in many engineering applications due to their superior properties such as lightness, high impact strength, high corrosion resistance, and appropirate thermal properties. Fiber reinforced composite materials are the most used composite material type in the structures. Glass, carbon, aramid, and boron fibers are the major reinforcement materials which are used in the fiber reinforced composite materials. But, either the manufacturing cost of such unnatural fiber is expensive or waste emission into the environment during their manufacturing encourage researchers to find more eco-friendly solutions. Due to low energy cost for manufacturing of natural fibers without carbon emissioning into the environment during their manufacturing, this type of fibers are prefered. Since the natural fibers have low strength value when compared with the petroleum-based fibers, to enhance mechanical strength of composite materials, they are reinforced with different materials in certain rates. The most prominent method is to make particle reinforcement into composite materials.

In this project, fracture toughness of jute/epoxy laminated composites, which were reinforced with ceramic particles, were determined under Mode I, Mode I-II, and Mode II loading condition. In this extend, jute/epoxy composite plates with six lamina, which were reinforced with silicone carbide (SiC) having 4,5µ, 9,3µ, and 53µ particle size and 0%, 3%, 6%, and 9% reinforcement ratio, were manufactured. Compact tension shear (CTS) test specimens were cut according to the ASTM standard from manufactured composite plates. CTS test specimens were exposed to tensile test at different angle (0º, 30º, 45º, 60º, and 90º) by using Arcan test fixtures. After fracture tests the surface morphology of damaged specimens were photographed with scanned electron microscope (SEM) to better understand the effect of particle size and reinforcement ratio of SiC on the fracture toughness. 

Another study in the project were determined of the fracture toughness of jute/epoxy composite plate, which have ceramic particle reinforcement by using Ansys finite element package program with J-integral method. For this, mechanical properties of jute/epoxy laminated composites, which have reinforced with different particle size and ratio, were determined, experimentally.