Doğal elyaf takviyeli kompozitlerden oluşturulmuş sandviç yapıların balistik performanslarının incelenmesi
Analysis of ballistic performance of sandwich structures made of natural fiber reinforced composites
Yazar: MERT DEMİR
Danışman: PROF. DR. RECEP EKİCİ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Lifli kompozitler = Fiber composites ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites

Özet:
Doğal elyaflar, çoğu sentetik elyafla karşılaştırıldığında düşük maliyetli, kullanılması ve tedarik edilmesi kolay, yüksek rijitlik / ağırlık oranlarına sahip, çevresel sürdürülebilirlikleri ve malzeme özelliklerini artırma potansiyelleri nedeniyle polimer matrisli kompozitlerde araştırmacıların ilgisini çekmiştir. Doğal kompozitler ayrıca sadece yenilenebilir kaynaklar kullanarak büyük hacimli, biyolojik olarak parçalanabilen yapısal bileşenler oluşturmak için uzun vadeli bir potansiyel sunmaktadır. Bu çalışma, doğal lif takviyeli polimer matrisli sandviç yapılardaki darbe performansını odak noktası olarak almaktadır. Özellikle, bu sandviç yapıların düşük ve yüksek hızlı darbe senaryolarına tepkisini incelemektedir.
Hafif malzemelerden oluşan çekirdek yapı olan Nomex bal peteği ile tasarlanan bu kompozit sandviç yapılar, yapısal verimliliklerini artırmaktadır. Keten, kenevir, jüt ve bambu kumaşlar polimer matriste doğal takviye olarak kullanılarak dayanım ve sürdürülebilirlik arasında bir denge sağlanmaktadır. Düşük hızlı darbe testleri, kazara düşme veya çarpışmalar gibi yaygın yüklenme koşullarını simüle etmek için gerçekleştirilirken, yüksek hızlı darbe testleri, balistik veya yüksek hızlı darbe olaylarında karşılaşılan daha ciddi ve dinamik yüklenme koşullarını karakterize etmektedir.
Bu tez çalışmasında, polimer matrisli doğal elyaf kumaşlarla takviye edilen polimer matrisli kompozit plakaların ve bu kompozit plakalar ile Nomex bal peteğinden elde edilen sandviç yapıların düşük hızlı darbe davranışları incelenmiştir. Ayrıca, buradan elde dilen bilgiler doğrultusunda yeni sandviç yapılar oluşturularak bunların balistik davranışları karakterize edilmiştir. Çalışmada kullanılan doğal elyaf kumaş takviyeli kompozit plakalar vakum infüzyon yöntemiyle üretilmiştir. Doğal elyaf takviye olarak keten, kenevir, jüt ve bambu doğal kumaşları ve matris olarak termoset bazlı reçine epoksi tercih edilmiştir. Sandviç yapılarda çekirdek elemanı olarak ise 1.5 mm kalınlığında Nomex bal peteği yapı kullanılmıştır. Balistik darbe çalışmasında kullanılan sandviç yapılarda Nomex bal peteğine ilave olarak Al 7075-T6 levhalar kullanılmıştır. Üretilen plakalar ve sandviç kompozit yapıların düşük hızlı ve yüksek hızlı darbe davranışları deneysel olarak incelenmiştir. 
Her bir doğal kumaş için üç farklı kalınlıkta kompozit plakanın düşük hızlı darbe testleri 20, 35 ve 50 J enerji seviyelerinde gerçekleştirilmiş ve oluşan hasarlar karakterize edilmiştir. Kompozit plakalarda kalınlık artıkça kompozit plakların darbe özelliklerinin geliştiği ve en iyi darbe dayanımını keten takviyeli kompozit plakaların sergilediği gözlemlenmiştir. Düşük hızlı darbe dayanımlarını incelemek için doğal elyaf takviyeli kompozit plakalar ve Nomex bal peteğinden oluşturulan sandviç yapılar, dört farklı konfigürasyonda ve 10.5±0.1 mm (1. ve 2. grup) ve 16.5±0.1 mm (3. ve 4. grup) olmak üzere iki farklı kalınlıkta oluşturulmuşlardır. Oluşturulan sandviç yapılara 35, 70 ve 105 J olarak üç farklı enerji seviyesinde düşük hızlı darbe deneyleri yapılmıştır. Sandviç yapılarda kalınlığı daha fazla olan 3. ve 4. grup konfigürasyonundaki numunelerin düşük hızlı darbe özelliklerinin iyileştiği gözlenmiştir. Ayrıca, keten takviyeli kompozitlerden elde edilen sandviç yapılar, diğerlerine göre daha iyi darbe dayanımı sergilemişlerdir. Balistik darbe için hazırlanan sandviç yapılar üç farklı numune konfigürasyonunda ve iki farklı kalınlıkta 15.5±0.1 (1. ve 2. grup) ve 14.5±0.1 mm (3. grup) için oluşturulmuştur. Balistik darbe deneyleri, ortalama 400 m/s (1. hız seviyesi) ve 600 m/s (2. hız seviyesi) olmak üzere iki farklı hız seviyesinde yapılmıştır. 1. hız seviyesinde sadece dört numune (B.B.3.1, H.B.3.1, L.B.3.1 ve B.B.2.1) delinmemişken 2. hız seviyesinde tüm numuneler delinmiştir.  Her iki (1. ve 2.) hız seviyesinde en dayanıklı seri kalınlık açısından daha ince olmalarına rağmen 3. grup numune konfigürasyonu olarak gözlenmiştir.

Abstract:
Natural fibers have attracted the interest of researchers in polymer matrix composites due to their low cost compared to most synthetic fibers, ease of handling and procurement, high stiffness-to-weight ratios, environmental sustainability and potential to improve material properties. Natural composites also offer a long-term potential to create large-volume, biodegradable structural components using only renewable resources. This study focuses on the impact performance of natural fiber reinforced polymer matrix sandwich structures. In particular, it examines the response of these sandwich structures to low- and high-velocity impact scenarios.
Designed with Nomex honeycomb, a core structure of lightweight materials, these composite sandwich structures increase their structural efficiency. Linen, hemp, jute and bamboo fabrics are used as natural reinforcement in the polymer matrix, providing a balance between strength and sustainability. Low-speed impact tests are performed to simulate common loading conditions such as accidental falls or collisions, while high-speed impact tests characterize the more severe and dynamic loading conditions encountered in ballistic or high-speed impact events.
In this thesis study, the low-velocity impact behavior of polymer matrix composite plates reinforced with polymer matrix natural fiber fabrics and sandwich structures obtained from these composite plates and Nomex honeycomb were investigated. In addition, from the information obtained here, new sandwich structures were created and their ballistic behaviors were characterized. The natural fiber fabric reinforced composite plates used in the study were produced by the vacuum infusion method. Linen, hemp, jute and bamboo natural fabrics were preferred as natural fiber reinforcement and thermoset-based resin epoxy was preferred as matrix. 1.5 mm thick Nomex honeycomb structure was used as the core element in sandwich structures. Al 7075-T6 sheets were used in addition to Nomex honeycomb in the sandwich structures used in the ballistic impact study. The low-speed and high-speed impact behaviors of the produced plates and sandwich composite structures were examined experimentally.
Low-velocity impact tests of composite plates produced from each natural fabric were carried out at 20, 35, and 50 J energy levels for three different plate thicknesses and the resulting damages were characterized. It has been observed that as the thickness of composite plates increases, the impact properties of composite plates improve and linen reinforced composite plates exhibit the best impact resistance. To examine low-speed impact resistance, sandwich structures produced from natural fiber reinforced composite plates and Nomex honeycomb were created in four different configurations and two different thicknesses of 10.5±0.1 mm (1. and 2. groups) and 16.5±0.1 mm (3. and 4. groups). Low-speed impact tests were performed on the created sandwich structures at three different energy levels: 35, 70 and 105 J. It has been observed that the low-speed impact properties of the samples in the 3. and 4. group configurations, which have higher thickness in sandwich structures, have improved. In addition, sandwich structures obtained from linen reinforced composites exhibited better impact resistance than others. Sandwich structures prepared for ballistic impact were created in three different sample configurations and two different thicknesses of 15.5±0.1 (1. and 2. groups) and 14.5±0.1 mm (3. group). Ballistic impact experiments were conducted at two different velocity levels: 400 m/s (1. velocity level) and 600 m/s (2. velocity level). While only four samples (B.B.3.1, H.B.3.1, L.B.3.1, and B.B.2.1) were not perforated at 1. velocity level, all samples were perforated at 2. velocity level. The most durable series at both (1. and 2.) speed levels were observed to be the 3. group sample configuration, although they were thinner.