Havacılık uygulamalarında kullanılan farklı otoklav dışı vakum infüzyon tekniklerinin incelenmesi ve inovatif alternatif bir infüzyon modelinin geliştirilmesi: Dinamik infüzyon prosesi (DIP)
Examination of various out of autoclave vacuum infusion techniques used in aviation applications and development of an innovative alternative infusion model: Dynamic infusion process (DIP)
Yazar: İLHAN KAHRAMAN
Danışman: PROF. DR. ABDULLAH TUĞRUL SEYHAN
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Havacılık, uzay ve savunma sanayilerinde sürekli fiber takviyeli ileri kompozit malzemelerin geleneksel mühendislik malzemelerin yerine kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Bunun nedeni, ileri kompozit malzemelerin, özgül dayanç ve özgül rijitlik (stiffness) gibi özelliklerinin geleneksel mühendislik malzemelerine kıyasla daha üstün olmasıdır. Yukarıda bahsedilen bu sektörler için üretilen polimer matrisli kompozit malzemelerin üretiminde en yaygın kullanılan yöntem otoklav ile kompozit üretimidir.
Öte yandan, otoklavların ilk yatırım ve işletme maliyetleri diğer ileri kompozit malzeme üretim yöntemlerine göre oldukça fazladır. Otoklav süreci kesikli (batch) bir süreç olduğundan, otoklav boyutu arttıkça parça yükleme ve boşaltma döngüleri üretim hızında dar boğaza neden olmaktadır. Bu nedenle, literatürde Otoklav Dışı (Out of Autoclave) üretim yöntemlerinin geliştirilmesi üzerine yapılan çalışmalar son yıllarda ivme kazanmıştır.
Bu doktora tezi çalışması kapsamında, CAPRI ve SCRIMP gibi kendini kanıtlamış yöntemlere bir alternatif olabileceği öngörülen Vakum İnfüzyon Tekniğinin bir türevi Dinamik İnfüzyon Prosesi (DIP) karbon fiber takviyeli kompozitlerin üretimi için önerilmiştir. Ayrıca polimer esaslı karbon fiberlerin fiber hacim oranının hesaplanmasında TGA kullanımını esas alan yeni bir yöntem geliştirilmiş ve literatürde çok kullanılan optik esaslı ve yaş kimya asit sindirme analizine dayalı metotların kullanımı ile elde edilen veriler ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak önerilen bu tekniğin hem hassasiyet hem de analiz süresi açısından diğer tekniklerden daha iyi olduğu deneysel olarak ispatlanmıştır. Sonrasında üretim tekniklerinin kompozitlerin nihai mekanik özelliklerine etkisi 3 nokta eğme testi esas alınarak irdelenmiştir. Bu tez kapsamında geliştirilen kullanılması önerilen DIP tekniğinin bu tez kapsamında yapılan teorik ve deneysel çalışmalar ışığında özgün bir yaklaşım olduğunu ve parça geometrisinin kompleksliğinden bağımsız olarak havacılık uygulamalarında kullanılabilecek kalitede kompozit parçalar üretme potansiyeline sahip olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The use of continuous fiber-reinforced advanced composite materials (FRPCs) instead of traditional engineering materials has been gradually increasing in the aviation, space, and defense industries, since the properties of advanced composite materials, such as specific strength and specific stiffness, are superior to those of traditional engineering materials. The most widely used method in the production of FRPCs for these sectors mentioned above is autoclave composite production.
On the other hand, the initial investment and operating costs of autoclaves are quite high compared to other advanced composite material production methods. Since the autoclave process is a batch process, as the autoclave size increases, part loading and unloading cycles cause a bottleneck in the production rate. Manufacturers are determined to overcome the drawbacks of the use of autoclaves due to these handicaps. It is for this reason that studies in literature performed on the development of out-of-autoclave production methods have gained massive attraction in recent years.
In the framework of this PhD study, the Dynamic Infusion Process (DIP), an innovative and brand-new derivation of the Vacuum Infusion Process that is deemed to be an alternative to proven methods such as CAPRI and SCRIMP, has been proposed to produce carbon fiber-reinforced composites. Moreover, this study proposes a new method based on the use of TGA in calculating the fiber volume fraction of FRCPs that was developed and compared with the data obtained by using optical-based and wet-chemistry acid digestion analysis-based methods, which are widely used in the literature. The proposed method proves to be highly promising and even better than other techniques in terms of both measurement accuracy and analysis time. The effect of production techniques on the final mechanical properties of the composites was evaluated and discussed based on the 3-point bending test findings. It has been concluded that the recommended DIP technique is a promising approach considering the theoretical and experimental studies performed in this thesis, thus having the potential to produce quality FRPCs that can be employed in aviation applications regardless of the complexity of the part geometry.