Kendi kendini onarabilen termoset polimer matrisli kompozitler geliştirilmesi
Development of self-healing thermoset polymer matrix composites
Yazar: NOUR JOBRAN
Danışman: PROF. DR. FATMA ÇİĞDEM GÜLDÜR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Savunma ve havacılık sanayiinin gelişimi ile uçakların yeni özellikler kazanmasına yönelik çalışmalar önem kazanmaktadır. Hava araçlarında darbe kaynaklı veya kullanıma bağlı olarak gözle görünmeyen yapısal düzeyde mikro çatlaklar oluşmaktadır. Bu çatlaklar büyüyerek malzemenin performansını düşürmekte ve hizmet süresini azaltmaktadır Uçak gövdelerinde kullanılan karbon kumaşla takviyeli polimer kompozitlerin darbe hasarı aldığında oluşan çatlakların boyutunun ve derinliğinin büyümesini engellemek ve hizmet süresini uzatmak amacıyla, malzemelere kendi kendini onarma özelliği eklenmesi amaçlanmıştır. Düşük maliyet ve yüksek verimle hızlı biçimde kendi kendini onarmasını sağlayacak polimerleşme reaksiyonunu hızlandıracak katalizörün geliştirilmesi ve iyileşme veriminin artırılması hedeflenmiştir. Bir çatlak oluştuğunda dışarıdan herhangi bir müdahaleye gerek duymadan çatlaklar hemen kendi kendini iyileştirecektir. Kendi kendini onaran sistemlerden, dışsal sistem kapsamında mikrokapsülleme yöntemi olan kapsül/dağılmış katalizör sistemi, diğer sistemlere göre oldukça avantajlı ve uzun ömürlü bir sistem olduğundan seçilmiştir. Co, Pd, Ni ve Ru bazlı 4 farklı kompleks katalizör, farklı oranlarda sentezlenmiş ve toplamda 9 adet organometalik katalizör elde edilmiştir. Bu katalizörlerin XRD karakterizasyon çalışmaları yapılmıştır. Mikrokapsülleri sentezlemek için iyileştirici ajan olarak 5-Etiliden-2-Norbornen (ENB) seçilmiş ve hidrojel yöntemiyle sentezlenmiştir. TGA ve SEM analizleri yapılmıştır. Basit harmanlama yöntemiyle son polimerizasyon reaksiyonları gerçekleştirilmiş, bütün sentezlenen katalizörler başarıyla polimerleşmiş ancak polimerleşme süreleri farklılık göstermiştir. Nikel bazlı katalizörler en hızlı şekilde 2-6 saat içerisinde polimerleşmeyi başarıyla gerçekleştirmiştir. Son olarak, sentezlenen mikrokapsüller ve katalizörler ile karbon takviyeli kompozit plakalar elle yatırma yöntemiyle 120 °C'de üretilmiş, plakalara zarar verilerek içlerindeki onarma olup olmadığı CT bilgisayarlı tomografi analiziyle incelenmiştir. Elde edilen plakalar, 16-20 saat içinde kendi kendini onarma yeteneğine sahip olduklarını göstermiştir.

Abstract:
With the development of the defense and aerospace industry, studies on aircrafts developing new features are gaining importance. Invisible structural microcracks occur in aircrafts due to impact or use, resulting in the reduction of performance and service life. It is aimed to add self-healing properties to the materials in order to prevent the increasing in size and depth of the cracks that occur when the carbon fabric reinforced polymer composites used in aircraft fuselages receive impact damage and thus extend their service life. It is also aimed to develop a catalyst that will accelerate the polymerization reaction, which will enable rapid self-healing with low cost and high efficiency, and to increase the healing efficiency. When a crack occurs, the crack will immediately heal itself without the need for any external intervention. Among the self-healing systems, the capsule/dispersed catalyst system, which is a microencapsulation method within the scope of the external system, was chosen because it is a very advantageous and long-lasting system compared to other systems. Four different complex catalysts based on Co, Pd, Ni and Ru were synthesized in different ratios and a total of nine organometallic catalysts were obtained. XRD characterization studies of these catalysts were carried out. To synthesize microcapsules, 5-Ethylidene-2-Norbornene (ENB) was selected as the healing agent and synthesized by the hydrogel method. Since ENB is a thermoset monomer, it closes the cracks formed as a result of the polymerization reaction with the synthesized catalyst. TGA and SEM analyzes were performed. Final polymerization reactions were carried out with the simple blending method, all synthesized catalysts polymerized successfully, but polymerization times varied. Nickel-based catalysts successfully achieved polymerization in the fastest way possible, within 2-6 hours. Finally, carbon-reinforced composite plates with synthesized microcapsules and catalysts were produced by hand lay-up method at 120 °C, then the plates were damaged, and the internal healing were examined by computed tomography (CT). The resulting plates showed that they were capable of self-healing within 16-20 hours.