Nanotüp kullanarak yaprak yaylarda hasar tespiti
Health monitoring of leaf springs using nanotubes
Yazar: FATİH TURAN
Danışman: DOÇ. DR. YENER TAŞKIN
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Elektriksel direnç = Electrical resistance ; Kompozit malzemeler = Composite materials ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites ; Yapısal hasar = Structural damage

Özet:
Bu tez çalışmasında, karbon nanotüp dolgulu cam elyaf takviyeli epoksiden üretilen kompozit yaprak yayların yorulma sonucu oluşan hasarlarının elektriksel direnç değişim yöntemiyle eş zamanlı olarak izlenebilmesi ve yorulma hasarını önleyici % 95 güvenirlikli kritik bir elektriksel direnç değişim oranının tespit edilmesi amaçlanmıştır.
Tez kapsamında, öncelikle farklı nanopartikül tiplerinin (karbon nanotüp (KNT), fonksiyonelleştirilmiş karbon nanotüp (KNTF) ve genişletilmiş grafit (EG)), epoksinin elektriksel ve mekanik özelliklerine olan etkisi incelenmiş ve en iyi performansın KNT'ler tarafından elde edildiği görülmüştür. Nanopartiküllerin epoksi içerisindeki dağılımı için ultrasonikasyon yöntemi kullanılmıştır. Ultrasonikasyon süresinin, KNT'lerin epoksi içerisindeki dağılımına ve epoksinin mekanik ve elektriksel özelliklerine olan etkisini inceleyebilmek amacıyla, kısa ve uzun süreli olmak üzere iki farklı ultrasonikasyon prosedüründe karıştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. En iyi KNT dağılımının uzun süreli ultrasonikasyon ile sağlandığı görülürken, en iyi mekanik ve elektriksel özellikler kısa süreli ultrasonikasyon ile elde edilmiştir.  Ayrıca, KNT oranının epoksinin mekanik ve elektriksel özelliklerine olan etkisi incelenmiş ve en iyi mekanik ve elektriksel özelliklerin ağırlıkça % 0.4 KNT oranında elde edildiği görülmüştür.
Cam elyaf takviyeli KNT dolgulu yaprak yayların üretim metodunun ve elektriksel iletkenlik için optimum KNT oranının tespit edilmesi amacıyla presleme (P), vakum poşetleme (VB) ve vakum infüzyon (VI) yöntemleriyle farklı KNT oranlarında (%0, %0.2, %0.4 ve % 0.8) kupon numuneler üretilmiştir. Her bir numunenin elektriksel özellikleri incelenmiştir. Sonuç olarak, üç üretim yönteminde de %0.4 KNT oranının elyaf takviyeli numunelerde elektriksel iletkenliğin sağlanabilmesi için optimum bir oran olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, uygulama kolaylığı ve elektriksel özelliklerin istenilen seviyelerde sağlanabilmiş olması sebebiyle presleme yönteminin yaprak yayların üretim yöntemi olarak kullanılmasına karar verilmiştir. 
Cam elyaf takviyeli KNT dolgulu epoksi kompozit malzemeden presleme yöntemiyle üretilen yaprak yaylar statik testlere maruz bırakılarak eş zamanlı direnç ölçüm yöntemiyle hasar seviyeleri izlenmiştir. Statik testlerden elde edilen veriler ışığında dokuz farklı genlikte yorulma testleri yapılan yaprak yayların eş zamanlı direnç ölçüm yöntemiyle hasar seviyeleri izlenmiştir. Yorulma sonucu hasar seviyesinin hızlandığı andaki kritik çevrim sayıları ve bu çevrim sayısına karşılık gelen kritik elektriksel direnç değişim oranları tespit edilmiştir. Dokuz farklı genlikte elde edilen kritik elektriksel direnç değişim oranları kullanılarak, Weibull güvenilirlik analizi ile % 95 güvenirlikli bir kritik elektriksel direnç değişim oranı hesaplanmıştır. Tespit edilen yüksek güvenirlikli kritik elektriksel direnç değişim oranının, yorulma hasarlarının önüne geçilebilmesi için referans bir değer olarak kullanılabileceği tavsiye edilmiştir.

Abstract:
In this thesis, in-situ health monitoring of carbon nanotube modified woven glass fiber-epoxy composite leaf springs during fatigue tests using electrical resistance change method and determination of critical electrical resistance change ratio with %95 reliability corresponding to the critical damage level of composite leaf springs were aimed.
The effect of the different nanoparticles (carbon nanotube, functionalized carbon nanotube, and expanded graphite) on the electrical and mechanical properties of epoxy was investigated. It was found that carbon nanotubes exhibit superior electrical and mechanical properties compared to f-CNTs and EGs. The distribution of CNTs was achieved by the ultrasonication method. The effect of the ultrasonication time and the CNT ratio on the electrical and mechanical properties of epoxy were investigated. Results showed that the shorter ultrasonication procedure and addition of % 0.4 wt. CNT provides the best results in terms of electrical and mechanical properties. 
The multiscale CNT modified woven glass fiber epoxy composites were manufactured using hand lay-up (P), Vacuum bagging (VB), and vacuum-assisted resin infusion method (VARIM) at various CNT concentrations to determine the best manufacturing technique of composite leaf springs. The effect of CNT content and the processing technique on the overall composite laminate quality in terms of electrical properties were investigated. The hand lay-up (P) technique was chosen as a manufacturing method of composite leaf springs due to having desired electrical and mechanical properties and ease of application. The CNT ratio of % 0.4 wt. was found to be adequate for obtaining high electrical conductivity within the composite structure for resistance change application.
In-situ health monitoring of % 0.4 wt. CNT modified composite leaf springs manufactured by hand lay-up method during static tests were conducted. Static test results were used to determine the fatigue test procedure of CNT-modified composite leaf springs. In situ health monitoring of leaf springs during fatigue tests at various displacement amplitude (nine different displacement amplitude was employed) using electrical resistance change method was carried out. The critical cycles in which the strength loss rapidly accelerates due to fatigue damages and the corresponding critical electrical resistance change ratio for nine different displacement amplitude were determined. Finally, Weibull analysis was applied to obtain a critical electrical resistance change ratio with % 95 reliability and this ratio was recommended to be used as a reference value to prevent leaf springs any possible damages.