Vasküler kompozitlerde hibritleşme ve aktif ısıtma faaliyetinin mekanik ve ısıl karakterizasyonu
Mechanical and thermal characterization of hybridization and active heating in vascular composites
Yazar: VOLKAN ACAR
Danışman: PROF. DR. HAMİT AKBULUT ; PROF. DR. MEHMET ÖZGÜR SEYDİBEYOĞLU
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Isıtma = Heating ; Kompozitler = Composites ; Melezleme = Hybridization ; Vaskülarizasyon = Vascularization

Özet:
Çalışmanın amacı, vasküler kompozitlerde interply hibritleştirmenin mekanik ve ısıl özellikler üzerindeki etkilerinin incelenmesi ve soğuk ortamlarda kullanılabilecek vasküler kompozitlerin yüzeylerinin ısıtılması için yapılan aktif ısıtma faaliyetinin ısıl performansının irdelenmesi ve bu kompozitlerin mekanik özellikler bakımından yeterliliklerinin belirlenmesidir. İçi boş cam fiber kullanımıyla tamamen boşluksuz yapıdan tamamen boşluklu yapıya doğru kurgulanan bir hibritleştirme planı kapsamında interply hibrit kompozitler vakum destekli reçine transferi ile kalıplama (VARTM) tekniği ile üretilmiş ve bu ürünlerin eğilme ve ısıl iletkenlik davranışları belirlenmiştir. Aktif ısıtma faaliyeti kapsamında üretilen vasküler kompozitlerde yer alan bakır borular içinden 8 farklı debide sıcak su geçişi yapılarak soğuk hava ortamındaki kompozitlerin yüzeyleri ısıtılmış ve yüzeylerde meydana gelen sıcaklıklar kaydedilmiştir. Bakır boru takviyeli vasküler kompozitlerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi amacıyla üç nokta eğme ve düşük hızlı darbe testleri de icra edilmiştir. Vaskülarizasyon sürekliliği ve kırılma yüzeylerinin incelemelerinde taramalı elektron mikroskobundan faydalanılmıştır. Tamamen içi boş elyaf takviyeli kompozitlerin tamamen içi dolu elyaf takviyeli kompozitlerinkine kıyasla, eğilme mukavemetlerinde %30'luk ve elyaf hacim oranında %22'lik azalmalar meydana gelmiş; içi boş cam fiber kullanımı ile kompozitlerin ısıl iletim performanslarında da düşüşler gözlenmiştir. Diğer yandan, interply hibritleştirme kapsamında yapılan plan dâhilinde üretilen bir kompozitin, içi tamamen dolu elyaf takviyeli kompozitinin eğilme mukavemetine yakın bir performans gösterdiği görülmüştür. Aktif ısıtma faaliyetlerinde, aynı uzunluktaki kompozitlerde yapı içindeki boru sayısının artması ile kompozitlerin ortalama yüzey sıcaklarında dikkate değer artışlar gözlenirken, aynı boru sayısına sahip kompozitlerin uzunlarındaki artışlar neticesinde ise daha az belirgin artışlar meydana gelmiştir. Yapılan eğilme testlerinde, küçük iç çapa sahip boruların takviye edildiği kompozitlerin diğerine kıyasla daha iyi eğilme performansı gösterdiği, ayrıca bakır boruların da eğilmeye karşı mekanik direnç göstererek kompozitin eğilme performansına katkı verdiği görülmüştür. Düşük hızlı darbe testlerinde, bakır boru takviyesinin kompozitlerin temas kuvvetlerinde genel olarak olumsuz ya da ihmal edilebilir etkiler oluşturduğu anlaşılmıştır. İnterply hibritleştirme işlemi ile mekanik performanstan önemli ölçüde ödün vermeden vasküler kompozitlerin elde edilebileceği anlaşılmıştır. Vaskülarizasyon sürekliliğinin ve içi boş elyaf istifleme planının mekanik ve termal özellikler bakımından önemli parametreler olduğu da görülmüştür. Diğer yandan, soğuk hava ortamlarında kullanılan kompozitlerde, vaskülarizasyon ile yüzey ısıtma faaliyetlerinin yapılabileceği ve bunu yaparken de kompozitlerin yeterli mekanik performans gösterebilmeleri sağlanmıştır.

Abstract:
The study aims to investigate the effects of interply hybridization on mechanical and thermal properties of vascular composites and examine the thermal performance of the active heating performed for heating the surfaces of vascular composites that can be used in cold environments and determine the adequacy of these composites in terms of mechanical properties. Interply hybrid composites were manufactured within the scope of a hybridization plan designed from a completely solid structure to a completely hollow structure by using hollow glass fibers with the vacuum assisted resin transfer molding (VARTM) technique and the flexural and thermal conductivity behaviors of these products were determined. Hot water at eight different flow rates was passed through the copper tubings in the vascular composites manufactured within the scope of active heating activity, and the surfaces of the composites were heated in the cold air environment. After that, the temperatures that occurred on the surfaces were recorded. Three-point bending and low-velocity impact tests were also performed to determine the mechanical properties of copper tubing reinforced vascular composites. Scanning electron microscopy was used to examine the vascularization continuity and fracture surfaces. Compared to those of completely solid fiber-reinforced composites, a 30% decrease in bending strength and a 22% decrease in fiber volume fraction have been observed in completely hollow fiber-reinforced composites. And decreases in thermal conductivity performance of composites were also observed by using hollow glass fibers. On the other hand, it has been observed that a composite manufactured within the scope of interply hybridization has a performance close to the bending strength of the completely filled fiber-reinforced composite. In active heating activities, remarkable increases were observed in the average surface temperatures of the composites with the increase in the number of tubings in the structure for the composites with the same length, while less significant increases occurred as a result of the increase in the length of the composites with the same tubing number. In the bending tests, it has been observed that the composites with small inner diameter tubings reinforced show better flexural performance than the other, and copper tubings also contribute to the flexural performance of the composite by resisting bending. In low-velocity impact tests, it has been found that copper tubing reinforcement generally has negative or negligible effects on the contact forces of the composites. It has been understood that vascular composites can be obtained using the interply hybridization process without significantly sacrificing their mechanical performances. It has also been observed that vascularization continuity and hollow fiber stacking plan are essential parameters in terms of mechanical and thermal properties. On the other hand, it has been ensured that surface heating activities can be performed by vascularization in composites used in cold weather environments with sufficient mechanical performances.