Karbon nanotüplerle güçlendirilmiş kompozit aluminyum köpük malzeme üretimi, malzeme özelliklerinin analizi, otomotiv ve uçak sanayinde uygulama alanlarının değerlendirilmesi.
Manufacturing of carbon nanotube reinforced aluminium foam composite materials and analysis of material properties and application possibilities in automotive and aerospace industry
Yazar: ONUR OZAN ÇİLSAL
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA CEMAL ÇAKIR
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alüminyum kompozitler = Aluminum composites ; CVD = CVD ; Deney tasarımı = Experimental design ; Karbon nanotüp = Carbon nanotube ; Köpük = Foam ; Nanokompozitler = Nanocomposites

Özet:
Karbon nanotüpler, keşiflerinden bu yana sıra dışı malzeme özellikleri nedeniyle bilim dünyası tarafından büyük ilgi çekmektedirler. Bu malzeme özelliklerinin, KNT'lerin tek başlarına veya diğer mühendislik malzemeleri ile kompozit yapılar halinde kullanılarak günümüz mühendislik problemlerine çözüm sunmaları beklenmektedir. Bu tez çalışmasında KNT üretim tekniklerinden deneysel olarak elektrik ark ve CVD metodu denenmiş. CVD tekniği ile çalışan soğuk duvarlı iki farklı reaktör tasarlanmıştır. İki reaktörde de üretim başarıyla gerçekleştirilmiştir. Soğuk duvarlı olarak sınıflandırılan bu reaktörler, farklı katalizör ve karbon kaynakları ile üretime imkân sağlamaktadır. Üretilen karbon nanotüpler SEM ve Raman spektroskopisi kullanılarak tanımlanmıştır. Çok duvarlı KNT'ler ve spiral formda karbon nanofiberler üretilmiştir. KNT'lerin çap değerleri 50nm ile 300nm arasında değişmektedir. Üretilen KNT'ler tez çalışmasının ikinci aşamasında alüminyum köpük malzeme üretiminde katkı olarak kullanılmıştır. Köpürücü ajan kullanımı ve yer tutucu kullanımı tekniği incelenmiş ve hücre boyutlarının daha iyi kontrol edilebilmesi nedeniyle yer tutucu tekniği tercih edilmiştir. Köpük malzeme üretiminde üre tanecikleri yer tutucu olarak kullanılmıştır. Geliştirilen odaklı ekleme yöntemi ile KNT'ler özellikle hücre duvarları etrafına yoğun bir şekilde eklenmiştir. Yapılan deney tasarımı ile yapıya KNT eklemenin, alüminyum köpük malzemenin diğer üretim parametrelerine kıyasla basmada akma gerilimi açısından ne kadar mukavemet artışına sebep olduğu araştırılmıştır. Deney sonuçları temel etkenlerin sinterleme sıcaklığı ve sinterleme süresi olduğunu göstermiştir. Bu iki parametrenin ardından gelen KNT eklenmesinin ağırlıkça %0,3 seviyesinde katkının mukavemette %10 artış getirdiğini göstermiştir ve düşük miktarlarda KNT katkısı ile mukavemet artışları konusunda yenilikçi bir yaklaşım olduğu görülmüştür. Bu katkı, maliyet etkisi de göz önünde bulundurularak arttırılabilir. KNT üretim maliyetlerinin düşürülmesi, matris yapılar içinde daha etkin yayılım yöntemlerinin bulunması yolundaki çalışmalar KNT katkılarını daha yaygın hale getirecektir.

Abstract:
Since their discovery, carbon nanotubes have attracted great interest from the scientific world due to their unusual material properties. These material properties are intended to provide solutions to today's engineering problems by using CNTs alone or in composite structures with other engineering materials. In this thesis, first of all, the electric arc and CVD method, which are among the CNT production techniques, were tried experimentally. Two different cold-walled reactors operating with the CVD technique were designed. Production was carried out successfully in both reactors. The production reactors, which are classified as cold-walled, allow production with different catalysts and carbon sources. The produced carbon nanotubes were characterised using SEM and Raman spectroscopy. Multi-walled CNTs as well as spiral carbon nanofibers have also been produced. The diameter values of CNTs vary between 50nm and 300nm. The CNTs produced were used as additives in the production of aluminum foam material in the second stage of the thesis study. The use of foaming agents and the use of placeholder techniques were examined and the placeholder technique was preferred because of better control of cell sizes. Urea particles were used as placeholders in the production of foam material. With the developed focused addition method, CNTs were added intensively, especially around the cell walls. With the experimental design, it was investigated how much the addition of CNT to the structure caused an increase in strength in terms of yield stress in compression compared to other production parameters of the aluminum foam material. Experiment results showed that the main factors are sintering temperature and sintering time. The addition of CNT following these two parameters showed that the additive at the level of 0.3% by weight brought an increase of 10% in strength, and it was seen that it was an innovative approach in terms of strength increases with low amounts of CNT additive. This contribution can be increased by considering the cost effect. Studies on reducing CNT production costs and finding more effective diffusion methods in matrix structures will make CNT contributions more common.