Bor fiber takviyeli polimer matrisli kompozitlerin mekanik ve termal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the mechanical and thermal properties of boron fiber reinforced polymer matrix composites
Yazar: SEFA MERT SEMERCİÖZ
Danışman: PROF. DR. FİLİZ ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Kompozit malzemeler = Composite materials

Özet:
Farklı kimyasal ve fiziksel özelliklere sahip en az 2 malzemenin, makroskopik ölçekte bir araya gelerek oluşturduğu yeni malzemeler kompozit malzemeler olarak adlandırılmaktadır. Bir araya gelen malzemeler, sahip oldukları kimyasal ve fiziksel özelliklerin bir çoğuna sahip yeni bir yapıyı ortaya koyarken, oluşan kompozit malzemede yeni özellikler de elde edilebilmektedir.
Kompozit malzemeler içerisinde matris ve takviye olmak üzere iki ana yapı elemanı bulunmaktadır. Matris ve takviye elemanlarının yapı içerisinde görevleri farklıdır. Matris malzeme takviye malzemeleri belirli bir form içerisinde bir arada tutmakta ve kompozit yapıya gelebilecek yükleri takviye malzemelere iletmek ile görevlidir. Takviye malzemeler ise kompozit malzemelerin mekanik özellikler olarak ön plana çıkmasını sağlayan yükleri taşıyan elemanlardır.
Kompozit malzemelerde matrisler metal matris, seramik matris ve polimer matris olarak 3 farklı çeşitte bulunabilmektedir. Kullanım yeri ve amacına göre matris seçimi yapılabilirken düşük yoğunluk, yüksek dayanım gereksinimleri olan özel kullanım alanlarında polimer matrisli kompozitler bir adım öne çıkmaktadır. Polimer matrisli kompozit malzemelerde cam fiber, karbon fiber, aramid fiber, bor fiber gibi birden fazla takviye elemanı çeşidi bulunmaktadır. 
Yüksek dayanım ve düşük yoğunluk özelliklerine sahip malzemelere en fazla ihtiyacı olan havacılık yapılarında polimer matrisli kompozit malzemeler sıkça kullanılmaktadır. Kullanılan takviye elemanlarına göre elde edilen kompozit malzemelerin özellikleri değişirken, aynı hava aracının farklı yapısal parçalarında cam fiber takviyeli, karbon fiber takviyeli, aramid fiber takviyeli veya bor fiber takviyeli kompozit malzemeler tercih edilebilmektedir.
Bor fiberler bir alt katman üzerine bor elementinin buhar biriktirme yöntemi ile biriktirilmesiyle elde edilmektedir. Buhar biriktirme yöntemi esnasında yüksek sıcaklıklarda işlem gerçekleşeceği için alt katmanın yüksek erime sıcaklığına sahip olması beklenir. Bor fiberlerin üretiminde genellikle alt katman olarak tungsten teller tercih edilir. Alt katman olarak kullanılacak tungsten teller 12 µm çapına sahip olup, buhar biriktirme yöntemiyle üzerine biriktirilecek borların miktarına göre bor fiberin çapları değişmektedir.
Hava araçlarının yapısallarında kullanılan kompozit malzemeler arasında en fazla tercih edileni yüksek özgül dayanım özelliği sebebiyle karbon fiber takviyeli kompozitlerdir. Fakat bir diğer yüksek özgül dayanım özelliği gösteren bor fiber takviyeli kompozitler de özellikle çok yüksek basma dayanımı gibi değerleriyle ilgi çekmektedir. 
Bu çalışmada, bor fiber takviyeli polimer matrisli kompozitlerin mekanik ve termal özellikleri incelenmiş olup, karbon fiber takviyeli polimer matrisli kompozit malzemeler ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırılacak bor fiber ve karbon fiber kompozitler için, matris olarak epoksi tercih edilmiştir. Bor fiber takviyeli epoksi matrisli kompozitler ve karbon fiber takviyeli epoksi matrisli kompozitler için ham maddeler prepreg formda kullanılmıştır. Her iki fiber takviyesi için prepreglerin benzer reçine oranı, benzer alan ağırlığı ve benzer kürlenmiş katman kalınlığa sahip olmasına dikkat edilmiştir. Bor fiber kompozitler için kullanılan prepreg ham madde %33 ağırlıkça reçine oranına ve 290 alan ağırlığı değerlerine sahipken, karbon fiber kompozitler için kullanılan prepreg %34 ağırlıkça reçine oranına ve 294 alan ağırlığı değerine sahiptir. Üretilen tüm kompozit numunelerin laminasyon planı tek yönlü (0°) fiberlere sahip olacak şekilde hazırlanmıştır. Her iki kompozit malzemenin üretimleri de sıcaklık ve nem kontrollü temiz oda şartlarında el yatırması yöntemi ile serimi yapılmıştır. Serimi gerçekleştirildikten sonra finalleme işlemi yapılan numunelerin nihai yapıda elde edilebilmesi için otoklav şartlarında sıcaklık ve basınç yardımıyla, kullanılan ticari prepreglerin teknik bilgi raporundaki şartlara göre kürlenmiştir. Bor fiber takviyeli kompozit malzemeler 180°C'de 165 dakika kür bekleme süresi ile 5 bar basınç altında, karbon fiber takviyeli kompozit malzemeler 180°C'de 120 dakika kür bekleme süresi ile 7 bar basınç altında gerçekleştirilmiştir. Bor fiber kompozitlerin kürleme işleminde kür sıcaklığına dakikada 0,5°C ile çıkılmış ve kürleme sonrası 2°C/dakika hızı ile oda sıcaklığına düşürülmüştür. Karbon fiber kompozitlerde ise ısıtma hızı 1°C/dakika, soğutma hızı 3°C/dakika olarak ayarlanmıştır.  Kürlenme işlemi sonrası elde edilen bor fiber ve karbon fiber kompozitler uygulanacak testler için ilgili boyutlara kesimi yapılarak numuneler hazırlanmıştır.
Üretilen bor fiber ve karbon fiber kompozitler mekanik olarak 3 nokta eğme ve katmanlar arası kayma mukavemeti (ILSS) testlerine tabi tutulmuştur. Tüm testler, incelenen bor fiber kompozitler için 5'er numune üzerinden 2 set olarak, karbon fiber kompozitler için 5 numune üzerinden 1 set olarak incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Bor fiber kompozitler için 3 nokta eğme testi sonuçları ilk set için ortalama dayanım değeri 2556,20 MPa, ortalama modül değeri 206,75 GPa olarak, ikinci set için ortalama dayanım değeri 2562,27 MPa, ortalama modül değeri 208,40 GPa olarak hesaplanmıştır. Karşılaştırılan karbon fiber kompozitler için ise ortalama dayanım değeri 1455,19 MPa, ortalama modül değeri 152,50 GPa olarak bulunmuştur. İlk ve ikinci set bor fiber kompozit malzemelerin ortalaması dikkate alındığında, bor fiber kompozitler karbon fiber kompozitlere göre %75,89 daha fazla dayanım, %36,11 daha fazla modül değerine sahip olduğu görülmüştür. Katmanlar arası kayma mukavemeti (ILSS) testlerinde ise bor fiber kompozitler ilk set numunelerde ortalama 92,67 MPa, ikinci set numunelerde ortalama 99,02 MPa değerleri göstermiş olup, karbon fiber kompozitlerde katmanlar arası kayma mukavemeti (ILSS) değeri 110,12 MPa olarak elde edilmiştir.
Bor fiber ve karbon fiber kompozitlerin termal özellikleri incelemek amacıyla termal genleşme testi de gerçekleştirilmiştir. Testler tek yönlü (0°) olarak hazırlanan numunelerin fiber yönünde (0°), fiber yönüne dik (90°) ve fiber düzlemine dik olacak şekilde 3 yönde de gerçekleştirilmiştir. Testler -75°C'den 200°C'ye kadar sabit 10°C/dakika hızı ile ısıtılarak gerçekleştirilmiş ve -50°C'den 150°C'ye kadar her 50°C'de bir değerler not edilmiştir. 
Fiber yönüne dik (90°) yönde yapılan testlerde termal genleşme katsayısı değeri sıcaklıkla arttığı görülmüştür. Bor fiber kompozitler için değerler 10 µm/m.°C'den 50 µm/m.°C'ye artarken, karbon fiber kompozitler için bu değerler 10 µm/m.°C'den 45 µm/m.°C'ye artmıştır. Fiber düzlemine dik termal genleşme katsayıları incelendiğinde, bor fiber kompozitler için termal genleşme katsayıları yaklaşık 20 µm/m.°C ile 100 µm/m.°C arasında sıcaklıkla doğru orantılı olarak pozitif eğimli bir değişim gösterirken, karbon fiber kompozitlerde bu değerler yaklaşık olarak 10 µm/m.°C ile 50 µm/m.°C arasında değişkenlik göstermektedir.Test sonuçları incelendiğinde bor fiber kompozitler ve karbon fiber kompozitlerin termal olarak farklı davranışları fiber yönünde (0°) tespit edilmiştir. Bor fiber kompozitlerin fiber yönündeki (0°) termal genleşme katsayı değerleri -50°, 0°C, 50°C, 100°C ve 150°C için sırasıyla 19,49 µm/m.°C, 24,73 µm/m.°C, 30,71 µm/m.°C, 34,06 µm/m.°C ve 41,65 µm/m.°C olarak ölçülmüştür. Aynı sıcaklıklarda karbon fiber kompozitler için termal genleşme katsayı değerleri sırasıyla 2,89 µm/m.°C, -0,51 µm/m.°C, -2,84 µm/m.°C, 0,44 µm/m.°C ve 2,37 µm/m.°C olarak elde edilmiştir.

Abstract:
New materials formed on a macroscopic scale by at least 2 materials with different chemical and physical properties  are called composite materials. When the combined materials reveal the new structure, they save many of their chemical and physical properties, while new properties can be showed in the obtained composite material.
There are two main structural elements in composite materials, matrix and reinforcement. The tasks of the matrix and reinforcement elements in the structure are different. The matrix material holds the reinforcement materials together in a certain form and is responsible for transmitting the loads that may come to the composite structure to the reinforcement materials. Reinforcement materials, on the other hand, are the load-bearing elements that enable composite materials to stand out as mechanical properties. 
Matrixs in composite materials can be found in 3 different types as metal matrix, ceramic matrix and polymer matrix. While matrix selection can be made according to the place of use and purpose of use, polymer matrix composites come to the forefront in special areas of use with low density and high strength requirements. There are more than one type of reinforcement element in polymer matrix composite materials such as glass fiber, carbon fiber, aramid fiber, boron fiber.
Polymer matrix composite materials are frequently used in aviation structures, which need materials with high strength and low density properties. While the properties of the composite materials obtained change according to the reinforcement elements used, glass fiber reinforced, carbon fiber reinforced, aramid fiber reinforced or boron fiber reinforced composite materials can be preferred in different structural parts of the same aircraft.
Boron fibers are obtained by deposition of boron element on a substrate by chemical vapor deposition method. Since the process will take place at high temperatures during the vapor deposition method, the substrate is expected to have a high melting temperature. In the production of boron fibers, tungsten wires are generally preferred as the substrate. The tungsten wires to be used as the substrate have a diameter of 12 µm, and the diameter of the boron fiber varies according to the amount of boron to be deposited on it by the vapor deposition method.
The most preferred composite materials used in aircraft structures are carbon fiber reinforced composites due to their high specific strength. On the other hand, boron fiber reinforced composites, which show another high specific strength feature, attract attention especially with their values such as very high compressive strength. Boron fiber reinforced polymer matrix composites have come to the fore with their low density and high mechanical properties, and have used as an alternative to carbon fiber reinforced polymer matrix composites in aviation structures that require high strength.
Boron fiber composites have found a place in many aerospace and special use products due to the very high mechanical properties they offer. Boron fiber composites have been used in many military aircraft and space shuttles, especially the F-14 and F-15. On the other hand, boron fiber composites are used in many special usage areas such as golf clubs, tennis rackets, and bicycle frames. The advantages of boron fiber composites such as high strength, especially compressive strength, high rigidity, low weight and service life have led to their use in critical areas of aircraft.
In this study, the mechanical and thermal properties of boron fiber reinforced polymer matrix composites were investigated and compared with carbon fiber reinforced polymer matrix composite materials. For boron fiber and carbon fiber composites to be compared, epoxy was preferred as matrix for both samples. Raw materials are preferred in prepreg form for boron fiber reinforced epoxy matrix composites and carbon fiber reinforced epoxy matrix composites. Care was taken to ensure that the prepregs for both fiber reinforcements had similar resin ratio, similar area weight and similar cured layer thickness. The prepreg raw material used for boron fiber composites has 33% resin by weight and 290 gram/square meter as areal weight, while the prepreg used for carbon fiber composites has a resin ratio of 34% and a weight of 294 gram/square meter as areal weight. The lamination plan of all composite samples produced has been prepared to have unidirectional (0°) fibers. 
The production of both composite materials was done by hand lay-up method under temperature and humidity controlled clean room conditions. After the hand lay-up, the samples were cured in autoclave conditions with the help of temperature and pressure, according to the conditions in the technical data sheet of the commercial prepregs used. Boron fiber reinforced composite materials were cured at 180°C under 5 bar pressure with 165 minutes curing time, carbon fiber reinforced composite materials were cured at 180°C under 7 bar pressure with a curing time of 120 minutes. In the curing process of boron fiber composites, the curing temperature was increased at 0.5°C per minute and was reduced to room temperature at a rate of 2°C/minute after curing. In carbon fiber composites, the heating rate was set at 1°C/minute and the cooling rate at 3°C/minute. The boron fiber and carbon fiber composites obtained after the curing process were cut to the relevant dimensions for the tests to be applied.
The produced boron fiber and carbon fiber composites were mechanically subjected to 3-point bending and interlaminar shear strength (ILSS) tests. All tests were carried out as 2 sets out of 5 samples for the examined boron fiber composites and 1 set out of 5 samples for the examined carbon fiber composites and compared. The 3-point bending test results for boron fiber composites were calculated as the average strength value for the first set as 2556.20 MPa, the average modulus value as 206.75 GPa; for the second set the average strength value was 2562.27 MPa, and the average modulus value was 208.40 GPa. For the compared carbon fiber composites, the average strength value was found to be 1455.19 MPa and the average modulus value as 152.50 GPa. Considering the average of the first and second set of boron fiber composite materials, it was observed that boron fiber composites had 75.89% more strength and 36.11% more modulus than carbon fiber composites. In the interlaminar shear strength (ILSS) tests, boron fiber composites showed an average of 92.67 MPa in the first set samples and an average of 99.02 MPa in the second set samples, and the interlaminar shear strength (ILSS) value in carbon fiber composites was obtained as 110.12 MPa.

Thermal expansion test was also carried out to examine the thermal properties of boron fiber and carbon fiber composites. The tests were carried out in 3 directions in the fiber direction (0°), perpendicular to the fiber direction (90°) and perpendicular to the fiber plane of the samples prepared in one direction (0°). The tests were carried out by heating at a constant rate of 10°C / minute from -75°C to 200°C, and values were noted at every 50°C from -50°C to 150°C. 
In the tests performed perpendicular to the fiber direction (90°), it was observed that the thermal expansion coefficient value increased with temperature. While the values increased from 10 µm/m.°C to 50 µm/m.°C for boron fiber composites, these values increased from 10 µm/m.°C to 45 µm/m.°C for carbon fiber composites. When the thermal expansion coefficients perpendicular to the fiber plane were examined, the thermal expansion coefficients for boron fiber composites showed a positive slope change with temperature between approximately 20 µm/m.°C and 100 µm/m.°C.In the test performed perpendicular to the fiber plane in carbon fiber composites, the values vary between 10 µm/m.°C and 50 µm/m.°C. When the test results were examined, thermally different behaviors of boron fiber composites and carbon fiber composites were determined in the fiber direction (0°). Thermal expansion coefficient values of boron fiber composites in the fiber direction (0 °) was measured as  19.49 µm/m.°C, 24.73 µm/m.°C, 30.71 µm/m.°C, 34.06 µm/m.°C and 41.65 µm/m.°C for -50°C, 0°C, 50°C, 100°C and 150°C, respectively. The thermal expansion coefficient values for carbon fiber composites at the same temperatures was measured as respectively 2.89 µm/m.°C, -0.51 µm/m.°C, -2.84 µm/m.°C, 0.44 µm/m.°C and 2.37 µm/m.°C.