Karbon fiber-epoksi, balsa sandviç malzemesinin imalatı, modellenmesi ve davranışlarının incelenmesi
Manufacturing, modeling and behavior analyzing of carbon fiber - epoxy, balsa sandwich material
Yazar: MURAT ALİOĞLU
Danışman: PROF. DR. ADNAN DİKİCİOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kompozit malzemeler, teknolojinin gelişimi ve buna bağlı olarak, yüksek performansa sahip malzeme ihtiyacının artması ile birlikte hayatımızda ve mühendislik alanında oldukça önemli bir yere sahiptir. Hafifliği, yüksek mukavemeti, boyutsal kararlılığı, tasarım esnekliği, korozyona ve kimyasal etkilere karşı dayanaklılığı gibi özellikleri nedeniyle de, sahip olduğu önem artmaktadır. Spor malzemeleri, yapı ve inşaat, tıp, denizcilik, havacılık ve uzay, otomotiv vs. gibi oldukça fazla ve farklı alanlarda kullanıma sahiptir.
Kompozit, en az iki farklı malzemenin bir araya gelmesi ile oluşturulan bir yapıdır ve bileşen olarak kullanılabilecek malzeme sayısı oldukça fazladır. Bu nedenle kompozit malzemelerde keskin bir sınıflandırma yapmak çok kolay olmamakla birlikte temel anlamda bir sınıflandırma yapabilmek mümkündür. Sandviç malzemeler de, kompozit malzeme sınıfına giren ve oldukça fazla kullanım alanına sahip bir malzeme çeşididir. Temel bileşenleri, mukavemeti görece olarak düşük hafif olan bir çekirdek malzeme ile bunun dışını kaplayan ve yüksek mukavemete sahip bir yüzey malzemesidir.
Kompozit malzemeler ve sandviç yapılarda kullanılabilecek malzeme seçeneği oldukça geniş olduğundan dolayı, bunların imalat yöntemleri de geleneksel mühendislik malzemelerine göre oldukça fazladır. Bu yöntemlerin büyük çoğunluğu insan gücüne dayanmakta olup, çeşitli boyutlara sahip ürünler elde edilebilmektedir.
Bu çalışmada, çekirdek malzemesi olarak balsa ahşabı ve yüzey malzemesi olarak karbon fiber bileşenlerinden oluşan bir sandviç yapı üzerinde çalışılmıştır. Balsa, Ekvator bölgesi ve civarında yetişen bir ağaçtan elde edilen, ahşap malzemeler içinde en yüksek dayanım/yoğunluk oranına sahip olan malzeme türlerinden biridir. Son derece hafif bir yapıdır. Yüzey malzemesi olarak kullanılan karbon fiber ise, düşük yoğunluğu, yüksek mukavemet değeri, yüksek korozyon direnci vs. gibi özellikleri nedeniyle oldukça sık tercih edilen malzemelerden biridir.
Numunelerin imalatı, basınç ve sıcaklığın temel alındığı bir yöntemle ve insan gücüyle gerçekleştirilmiştir. Numunelerde, karbon fiber, farklı açılarda yönelime sahip olacak şekilde yerleştirilmiştir. İmalat sonunda elde edilen balsa karbon fiber sandviç yapısı, oldukça hafif ve mukavemetli bir yapı olup, aynı özelliklere sahip köpük, bal peteği, polimer esaslı çekirdek yapılara sahip sandviç malzemelere göre, daha çevre dostu bir yapıdır.
Bu çalışmada, elde edilen numunelerin sonlu eleman yöntemi yardımıyla eğilme, burkulma, eksenel hareketleri, gerilme ve frekans değerleri incelenmiştir.
Birinci bölümde, kompozit malzemeler, sandviç yapı ve tez hakkında genel bilgiler verilmiştir.
İkinci bölümün başlangıcında, kompozit malzemelerin tanımı ve sınıflandırması hakkında bilgi verilmiştir. Sonrasında tezin ana konusunu oluşturan sandviç yapının tanıtımı yapılmıştır. Bu bölümün sonunda ise, kompozitin ve sandviç yapının üretim yöntemleri konusunda bilgi verilmiştir.
Üçüncü bölümde, balsa malzemesi hakkında genel bir bilgilendirme yapıldıktan sonra, incelenecek olan numunelerin imalat aşaması, tüm detayları ile aktarılmıştır.
Dördüncü bölümde, mevcut farklı yönelim açılarına sahip karbon fiber-balsa yapısının temel mühendislik sabitleri, modelleme için gerekli hesaplamalar yapılarak, belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlarla, sonlu eleman yöntemi kullanılarak modelleme yapılmıştır. Numunlerin eğilme, burkulma, eksenel gerilme ve frekansları incelendimiştir.
Beşinci bölümde elde edilen bilgiler neticesinde yorumlamalar yapılmıştır. Çeşitli önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
New kinds of materials are developed with developing technology and industrialization. Composite materials are obviously the most important materials for this group. In order to obtain a material with certain desired properties, the new material that is formed by combining two or more materials whose properties and chemical components are different from each other and which cannot be dissolved in the macro sense is called composite material. Composite materials are called as the materials of the future and they are a very valuable group of materials.
Composites consist of two parts: the reinforcement phase and matrix. Generally, the reinforcing phase can take one of three forms: particles, fibres, or flat layers. On the other hand, the matrix can be metal, ceramic or polymer. Composite materials have more many advantages than other engineering material groups. Some of them are as follows: The crack spread event is minimized. Vibration absorption feature is provided. Some of the composites have very high yield stress values. There is no corrosion problem, but it is important to choose the matrix and reinforcement phase materials appropriately. Breaking elongation is higher than metals. Fatigue resistance is very high. They are lighter than conventional engineering materials.
Nowadays, it has widespread use in almost every field, from shipbuilding to building construction, from home appliance production to space technology. Although the production of composite materials seems to have happened in the last few hundred years, the first examples date back to very old times. The introduction of the concept of composite material and the handling of the subject as an engineering subject occurred only in the early 1940s. However, the first examples of composite material emerged through interventions made in materials found in nature. Since ancient times, people have tried to remove the weakness by putting vegetable or animal fibres into brittle materials.
Today, the rapidly developing technology and faster life and safety concern have increased the demand for durable, corrosion-resistant, good thermal properties, light, but also cheap material. Considering more deeply, the developing industry and the aim of achieving what is desired to be achieved have created new needs. Today, it is thought that composites are the only material group that provides all these properties. Since composites are a widely used material with developing technology, R&D studies in many countries continue on this material.
The main subject of this thesis is the sandwich structure. Sandwich structures are one of the most commonly used composite materials. The sandwich structure consists of two layers of skins and a core that have different mechanical properties. Typical sandwich structures are made up of two thin, stiff and strong face sheets separated by a very lightweight soft material known as the core. The two forms differ in the way that in a sandwich, the core and laminates are dissimilar materials and the core provides continuous support for the laminates. When subjected to bending, the laminates act in unison, resisting the external bending moment so that one laminate is loaded in compression and the other in tension. The core resists transverse forces while at the same time supports the laminates. 
These sandwich structures can be in different geometries such as curved plates, shells and thin planar plates. Sandwich structures are widely for their superior structural performances, especially where outstanding mechanical properties of sandwich panels such as high specific strength and stiffness are demanded. The components of sandwich structures present, among other properties, a high ratio of flexural stiffness to weight, a high heat resistance, good energy and sound absorption, and often also low production cost thanks to the development of new techniques rendering sandwich structures economically feasible. In such systems, the faces contribute to the necessary strength and the core material provides the desired damping effect. Thin plates are initially flat/planar structural members bounded by two parallel planes, called faces, and a cylindrical surface called an edge or boundary.
In sandwich materials; foam, honeycomb, different kind of wood materials are generally used as core material. Materials such as carbon fibre, kevlar, glass fibre are used as surface materials. In this study, a sandwich structure consisting of balsa wood as core material and carbon fibre components as surface material was studied. Balsa is one of the materials with the highest strength/density ratio among wood materials obtained from a tree growing in the Equator region and its vicinity. It is an extremely light structure. The carbon fibre used as the surface material is its low density, high tensile strength, high corrosion resistance, etc. It is one of the most preferred materials due to its properties. 
The production of samples was carried out by a method and manpower based on pressure and temperature. In the samples, carbon fibre is placed in such a way that it has orientation at different angles. Balsa carbon fibre sandwich structure obtained at the end of manufacturing is a very light and durable structure, and it is more environmentally friendly than sandwich materials with foam, honeycomb, polymer-based core structures with the same properties.
In this study, bending, buckling, axial movements, obtained stress and frequency values of the obtained samples are examined by the finite element method.
In the first part, general information was given about composite materials, sandwich structure, thesis and literature review.
Information about the definition and classification of composite materials was given at the beginning of the second section. Then, the sandwich structure, which constitutes the main text of the thesis, was introduced. At the end of this section, information is given about the production methods of the composite and sandwich structure.
In the third section, after giving a piece of general information about the balsa material, the manufacturing phase of the samples to be examined is transferred in full detail.
In the fourth section, basic engineering constants are determined by making the necessary calculations for modelling of carbon fibre balsa material with different orientation angles. Modelling was done using the finite element method in the light of the obtained data. Bending, torsion, buckling, axial stress and frequencies of samples were investigated.
In the fifth section, the information obtained is interpreted and various suggestions are given.