Polyamid nanofiber katkılı fonksiyonel derecelendirilmiş kevlar-karbon/epoksi nanokompozitlerin mekanik özelliklerinin ve hasar davranışlarının incelenmesi
Investigation of the mechanical properties and damage behavior of functionally graded kevlar-carbon/epoxy nanocomposites with polyamide nanofiber reinforcement
Yazar: ALPER GÜNÖZ
Danışman: DOÇ. DR. MEMDUH KARA
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Elektroeğirme yöntemi = Electrospinning method ; Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler = Functionally graded materials ; Hasar analizi = Damage analysis ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Tabakalı kompozit levhalar = Laminated composite plates ; Yapısal hasar = Structural damage

Özet:
Havacılık ve uzay mühendisliği gibi yüksek teknoloji gerektiren mühendislik uygulamalarında karbon ve kevlar elyaf takviyeli kompozit malzemelerin kullanımı sürekli olarak artmaktadır. Kompozit yapılarda en çok istenilen özelliklerden bir tanesi elyaf ve matris arasındaki ara yüzey bağının güçlü olmasıdır. Elyaf-matris ara yüzey bağını güçlendirmek için tercih edilen yöntemlerin başında nano-malzeme takviyesi gelmektedir. Bu çalışmada polyamid 6,6 (PA 6,6) nanofiber ve çok cidarlı karbon nanotüp (ÇCKNT) takviyeli kevlar kumaş, karbon kumaş, bu iki kumaşın hibritlenmesi ve fonksiyonel olarak derecelendirilmesi ile epoksi matrisli nanokompozit levhalar üretilmiştir. Elektroeğirme tekniği ile elde edilen PA 6,6 nanofiberler tabakalar arasına yerleştirilerek 12 tabakalı nanokompozit levhaların vakum destekli el yatırma yöntemi ile üretimi gerçekleştirilmiştir. ÇCKNT takviyeli nanokompozit levhaların üretiminde ise epoksi matris içerisine ağırlıkça %0,3 oranında ÇCKNT ilave edilmiştir. Toplamda takviyesiz, ÇCKNT, PA 6,6 ve PA 6,6-ÇCKNT takviyeli olacak şekilde 20 farklı kompozit levha üretilerek tez çalışmasında kullanılmıştır.
Üretimi gerçekleştirilen kompozit levhaların mekanik özelliklerini belirlemek amacı ile farklı mekanik testler uygulanmıştır. Bu testler standartlara uygun olacak şekilde çekme testi, üç noktadan eğme testi, Mod-I ve Mod-II tabakalar arası kırılma tokluğu testleri ve düşük hızlı darbe testleridir. Düşük hızlı darbe testleri 20, 40 ve 60 J enerji seviyelerinde uygulanmıştır. Kompozit yapıya ÇCKNT, PA 6,6 ve PA 6,6-ÇCKNT takviye edilmesinin, hibritlemenin ve fonksiyonel olarak derecelendirmenin mekanik özelliklere olan etkileri detaylı bir şekilde incelenmiştir. Mekanik testlerin sonucunda malzemede meydana gelen hasarlar yüksek çözünürlüklü kamera ve optik mikroskop görüntüleri incelenerek yorumlanmıştır.
PA 6,6, ÇCKNT ve PA 6,6-ÇCKNT takviye edilmesi ile nanokompozit numunelerin çekme, eğilme, darbe dayanımları ve tabakalar arası kırılma toklukları takviyesiz numunelere göre ciddi miktarda artış göstermiştir. Ayrıca takviyeli numunelerde tabakalar arası çatlak ilerlemesi takviyesiz numuneye göre daha kararlı bir hale gelmiş ve düşük hızlı darbe testi sonucunda oluşan hasar miktarı azalmıştır.

Abstract:
The usage of carbon and kevlar fiber reinforced composite materials is constantly increasing in high-tech engineering applications such as aerospace engineering. One of the most desired properties in composite structures is the strong interfacial bond between the fiber and the matrix. Nano-material reinforcement is one of the most preferred methods to strengthen the fiber-matrix interfacial bond. In this study, polyamide 6,6 (PA 6,6) nanofiber and multi-walled carbon nanotube (MWCNT) reinforced kevlar fabric and carbon fabric, epoxy matrix nanocomposite plates were produced by hybridizing and functional grading of these two fabrics. PA 6,6 nanofibers obtained by electrospinning technique were placed between the layers, and the production of 12-layer nanocomposite plates was carried out by vacuum-assisted hand lay-up method. In the production of MWCNT reinforced nanocomposite plates, 0.3% by weight of MWCNT was added into the epoxy matrix. In total, 20 different composite plates were produced and used in the thesis study, as un-reinforced, MWCNT, PA 6,6 and PA 6,6-MWCNT reinforced.
Different mechanical tests were applied to determine the mechanical properties of the produced composite plates. These tests are tensile tests, three-point bending tests, Mode-I and Mode-II interlaminar fracture toughness tests and low-velocity impact tests in accordance with the standards. Low-velocity impact tests were performed at energy levels of 20, 40 and 60 J. The effects of reinforcing MWCNT, PA 6,6 and PA 6,6-MWCNT to the composite structure, hybridization and functional grading on mechanical properties were investigated in detail. The damages that occurred in the material as a result of the mechanical tests were interpreted by examining the high-resolution camera and optical microscope images.
The tensile, bending, impact strengths, and interlaminar fracture toughness of nanocomposite samples reinforced with PA 6,6, MWCNT and PA 6,6-MWCNT increased compared to the un-reinforced samples. In addition, crack propagation between layers in reinforced samples became more stable compared to un-reinforced samples, and the amount of damage caused by the low-velocity impact test was reduced.