Çok duvarlı karbon nanotüp bağlanmış ve kesme gerilimi altında kalınlaşan sıvı emdirilmiş kumaşların ve bunlar ile üretilen hibrit tabakalı kompozitlerin mekanik ve balistik özelliklerinin araştırılması
Investigation of mechanical and ballistic properties of multi-walled carbon nanotube bonded and shear thickening fluid impregnated fabrics and hybrid laminated composites
Yazar: HAMZA TAŞ
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM FADIL SOYKÖK
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Balistik darbe = Ballistic impact ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Tabakalı kompozit levhalar = Laminated composite plates ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites

Özet:
Ülkemizdeki huzur ve güven ortamını korumak ve tahsis etmekle yükümlü polis ve askerlerimiz her an bir silah, kesici alet veya delici cisimle saldırı sonucunda hayatını kaybetme tehlikesiyle karşı karşıyadırlar. Hem yurtiçinde hem de yurtdışında çeşitli suç örgütleriyle vatandaşların can ve mal güvenliğinin korunması amacıyla cansiperane bir şekilde mücadele eden polis ve askerlerimizin hayatını bu tehditlere karşı koruyacak hafif, hareketi kısıtlamayan, delinmeye karşı yüksek direnç gösteren koruyucu zırhların tasarımı ve üretimi hayati önem arz etmektedir. Bu nedenle, bu tez çalışmasında nano malzeme (çok duvarlı karbon nanotüp: ÇDKNT) ve kesme gerilimi altında kalınlaşan sıvı (STF) teknolojisi kullanılarak balistik ve mekanik dayanımı artırılmış zırhların üretilmesi amaçlanmıştır.
Bu tez çalışması temel olarak üç kısımdan oluşmaktadır. Birinci kısımda ilk olarak ağırlıkça %5, %10, %15 ve %20 oranlarında silika içeren STF hazırlanmış ve reolojik ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan reolojik ölçümler sonucunda ağırlıkça %10, %15 ve %20 oranlarında silika içeren STF'lerde kesme kalınlaşması davranışı görülmüştür. Daha sonra, ağırlıkça %20 oranında silika içeren STF/etil alkol süspansiyonu kevlar, hibrit (kevlar/karbon) ve karbon kumaşlara emdirilerek kumaşların düşük hız altında delinme ve balistik davranışına STF'nin etkisi araştırılmıştır. Ağırlık düşürme delme testleri sonucunda karbon kumaşlara STF emdirilmesinin karbon kumaşın delinme direncini düşürdüğü, kevlar ve hibrit kumaşların ise delinme direncini artırdığı görülmüştür. Delici ucun 400 mm yükseklikten bırakıldığı durum için, kumaşlara STF emdirilmesiyle birlikte sırasıyla kevlar ve hibrit kumaşlarda delici ucun batma derinliğinde %65,4 ve %19,2 azalma, karbon-fiber kumaşta ise %33,2'lik bir artış görülmüştür. Yapılan balistik testler sonucunda ise STF emdirilmesiyle birlikte her üç kumaşında balistik dayanımının arttığı görülmüştür. Ayrıca, yapılan iplik çekip çıkarma testleri sonucunda STF emdirilmesiyle birlikte iplikler arası sürtünmedeki artış kevlar, hibrit ve karbon kumaşlarda sırasıyla %566, %493 ve %1465'tir. Projenin ikinci kısmında ise graftlama tekniği ile karbon kumaş yüzeyine çok duvarlı karbon nanotüpler bağlanmış ve bu kumaşlara STF emdirilmiştir. Karbon kumaşlara çok duvarlı karbon nanotüp (ÇDKNT) bağlanılması kumaşların ağırlık düşürme delme dirençlerinin ve balistik dayanımlarının azalmasına yol açmıştır. Kuru karbon kumaşa ÇDKNT bağlanması sonucunda delici ucun altlık malzemeye olan ortalama batma derinliğinde %33,3'lük bir artış görülürken, ÇDKNT bağlanmış kumaşlara STF emdirilmesiyle birlikte bu artış kuru kumaşa göre %59,6 olmuştur. ÇDKNT bağlanmış kumaşlara STF emdirilmesi balistik dayanımlarında artışa neden olmuştur. Projenin son kısmında ise STF'nin sadece esnek, hareketi kısıtlamayan, giyilebilir koruyucu gövde zırhlarında değil, kasklarda, tanklarda, uçaklarda ve araçlarda da kullanımının yolunu açmak amacıyla kuru ve STF emdirilmiş Kevlar kumaşlar kullanılarak rijit zırhlar üretilmiştir. Bu rijit zırhlara üç nokta eğme, çekme ve darbe testleri uygulanarak mekanik özellikleri belirlenmiştir. Yapılan darbe testleri sonucunda kumaşlara STF emdirilmesiyle birlikte absorbe edilen enerji miktarında %42,2'lik bir artış olmuştur.

Abstract:
Our police officers and soldiers, who are obliged to protect and allocate peace and security in our country, face the danger of losing their lives as a result of an attack with a weapon, a sharp object or a bradawl at any moment. The design and production of lightweight, anti stab and flexible protective armor that protects lives of our police and soldiers who struggle in order to ensure the safety of life and property of citizens against various criminal organizations both at domestic and abroad have a vital importance. Therefore, in this thesis, it is aimed to produce armor with increased ballistic and mechanical strength by using nano-material (multi-walled carbon nanotube: MWCNT) and shear thickening fluid (STF) technology.
This thesis project basically consists of three parts. . In the first part, shear thickening fluids (STF) with the silica loading of 5 w%, 10 w%, 15 w% and 20 w% were fabricated and then rheological measurements were carried out. As a result of rheological measurements, shear thickening behavior was observed in STFs with the silica loading of 10 w%, 15 w% and 20 w%. Then, kevlar, hybrid (kevlar / carbon) and carbon fabrics were impregnated with STF/ethyl alcohol suspension containing 20 w% silica. and the effect of STF on low velocity puncture and ballistic behavior of fabrics was investigated. Drop tower impact test results revealed that STF impregnation of carbon fabrics cause a reduction on the puncture resistance of the carbon fabrics, and an increase on puncture resistance of kevlar and hybrid fabrics. With the STF impregnation, for the drop height of 400 mm, penetration depth of kevlar and hybrid fabrics showed 65.4% and 19.2% decrease, and carbon fabric exhibited an increase of 33.2%. It was also observed that the ballistic resistance of all three fabrics increased with STF impregnation. In the second part of the project, multi-walled carbon nanotubes (MWCNT) were bonded to the surface of carbon fiber with the grafting technique, and these fabrics were impregnated with STF. Grafting of MWCNTs onto carbon fibers led to a decrease in drop weight impact and balistic resistance of the fabrics. As a result of grafting of MWCNTs onto carbon fibers, an increase of 33.3% was observed in the average penetration depth, and this increase was 59.6% for MWCNTs grafted-STF impregnated carbon fabrics compared to neat carbon fabrics. STF impregnation of MWCNT grafted fabrics caused an increase in their ballistic resistance. In the last part of the project, rigid armors were produced using Kevlar fabrics in order to pave the way for the use of STF not only in flexible protective body armors, but also in helmets, tanks, planes, and vehicles. Mechanical properties of these rigid armors were determined by applying three point bending, tensile and impact tests. As a result of the impact tests, there was an increase of 42.2% in the absorbed energy with STF impregnation on the fabrics.