Karbon nanotüp katkılı karbon elyaf epoksi nanokompozitlerin işlenebilirliğinin incelenmesi
Investigation of machinability of carbon fiber epoxy nanocomposites with carbon nanotubes
Yazar: HATİCE YAKUT PEKTÜRK
Danışman: PROF. DR. BİLGE DEMİR
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Delme = Drilling ; Karbon lifler = Carbon fibers ; Kesme kuvveti = Cutting force ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Yorulma = Fatigue ; Yüzey pürüzlülüğü = Surface roughness ; Çekme deneyi = Tensile experiment

Özet:
Son yıllarda oldukça popüler bir malzeme haline gelen çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT), birçok tek duvarlı karbon nanotüpün iç içe geçtiği benzersiz karbon nanotüp formları olarak tanımlanmaktadır. MWCNT'ler geniş yüzey alanları, termal ve kimyasal kararlılık, termal ve elektriksel bağlantı vb. gibi birçok benzersiz özelliğe sahiptir. Bu çalışmada NCF CFRP (Kıvrımsız Kumaş Karbon Fiber Takviyeli
Polimer) kompozitin çekme özellikleri ve yorulma özellikleri MWCNT eklenerek iyileştirilmeye çalışılmıştır. İkinci olarak, MWCNT'lerin epoksi reçine içerisinde homojen dispersiyonunu (dağılım) sağlayarak bu kompozitlerin mekanik özelliklerini iyileştirmek için gereken optimum MWCNT miktarını belirlemesi amaçlanmıştır.Üçüncü olarak üretilen nanokompozitlerin kuru şartlarda delme performansı
araştırılmıştır.
Epoksi ağırlığının % 0,5, %1, % 1,5'u olan MWCNT miktarları,çözelti içinde epoksi,triton-X 100 ve etanol ile ultrasonik bir karıştırıcıda (UIP2000hdT, Hielscher) sonike edilmiştir. Çözelti içerisinde MWCNT'lerin homojen dispersiyonunu ölçmek için UV Vis spekroskopi kullanılmıştır. Absorbans spektrumu 330 nm dalga boyu civarında pik göstermiştir.
% 0,5 MWCNT epoksi çözeltisinin absorbans spektrumunun en yüksek olduğu gözlemlenmiştir. 0 ̊ / +45 ̊ / 90 ̊ / -45 ̊ fiber yönlerine sahip dört eksenli (Quadriaxial) NCF CFRP kompozit plakalar, vakum infüzyon tekniği ile üretilmiş ve 48 saat boyunca 25 C ̊ sıcaklıkta kürlenmiştir. ASTM D3039'a göre çekme testi örnekleri ve eğilme yorulma testi örnekleri hazırlanmıştır. Makine yönünde (MD) kesilen kompozit numunelerin çekme testleri ve eğilme yorulma testleri yapılmıştır. Eğilme yorulma testleri altı farklı genlik ve sabit bir frekansta gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, % 0,5 MWCNT'lerin çekme dayanımını ve kopma gerinimini önemli ölçüde artırdığını göstermiştir. Ayrıca % 0,5 MWCNT numunesi eğilme yorulma ömrü deneylerinde en yüksek değeri elde etmiştir. Numunelerin kırılma yüzeyleri taramalı electron mikroskobu (SEM) ile incelenmiş ve yorumlanmıştır.
Bu çalışmada, delme işlemi için 14 tabakadan oluşan NCF CFRP kompozit plakalar hazırlanmıştır. Deney tasarımı; giriş delaminasyonu (Fdg), çıkış delaminasyonu (Fdç),giriş çapak alanı, çıkış çapak alanı, yüzey pürüzlülüğü (Ra) ve itme kuvveti (N) değerlerinin minimum düzeyde elde edilmesi için delme işlemini etkileyen parametreleri belirlemeyi amaçlamıştır. Delme işleminin parametreleri olan MWCNT yüzdesi 4 seviyeden (% 0, % 0,5, % 1, % 1,5), devir sayısı 3 seviyeden (500 dev./dak.
2000 dev./dak., 3500 dev./dak.), ilerleme oranı 3 seviyeden (0,05 mm/dev., 0,10 mm/dev., 0,15 mm/dev.) ve matkap çeşidi 2 seviyeden (ALTIN, DLC ) oluşmaktadır. ALTIN (Alüminyum Titanyum Nitrür Kaplamalı ) ve DLC (Elmas benzeri karbon kaplamalı) matkaplar kullanılmıştır. Deney tasarımında tam faktöriyel yöntem kullanılmış her deney CFRP (Karbon Fiber Takviyeli Polimer) nanokompozit malzemeler üzerinde gerçekleştirilmiştir.
Optimum delik kalitesini elde etmek için delik giriş delaminasyonunun, delik çıkış delaminasyonunun, delik giriş çapak alanının ve delik çıkış çapak alanının en az olmasına bağlı olarak yüzey pürüzlülüğünün ve itme kuvvetinin de düşük olması istenir bu sebeple gri ilişki analizi yöntemi kullanılmıştır. Gri ilişki deney sonuçları için normalizasyon, uzaklık matrisi, gri ilişki katsayısı, gri ilişki derecesi ve sıralama sonuçlarını elde edilmiştir.
Buna göre gri ilişki derecesinin en yüksek değeri 0,88 olarak bulunmuştur, sıralamada 1'i göstermektedir aynı zamanda bu değer deney no 33'e karşılık gelmektedir. Birden fazla performans elde ederek en iyi delik kalitesine ulaşmak için uygun değer parametre değerleri % 0,5 MWCNT içerikli NCF CFRP nanokompozit plakada 0,10 mm/dev. ilerleme oranında, 3500 dev./dak. devir sayısında ALTIN kaplamalı matkapla yapılan delme işlemidir. Varyans analizi yapılarak delme sonuçlarını etkileyen önemli parametreler elde edilmiştir. Ful faktöriyel yönteme göre itme
kuvveti, yüzey pürüzlülüğü, giriş delaminasyonu, çıkış delaminasyonu, delik giriş çapak alanı ve delik çıkış çapak alanı değerlerinin ayrı ayrı uygun değer delme parametreleri belirlenmiştir. Bu çalışmada NCF CFRP nanokompozit malzemelerin delinmesinde çoklu performans elde ederek en iyi delik kalitesine ulaşmak için gri ilişki analizi yönteminin etkili olduğu bulunmuştur.

Abstract:
MWCNTs (multi-walled carbon nanotubes), which have become a popular material in recent years, are defined as unique forms of carbon nanotubes. Many single-walled carbon nanotubes are nested inside one another. MWCNTs have many unique properties such as broad surface areas, thermal and chemical stability, thermal and electric connectivity, etc. This study firstly attempts to enhance tensile properties and bending fatigue properties of NCF (non-crimp fabric carbon fiber reinforced polymer)
by adding MWCNTs. Secondly, it aims to determine the required optimum amount of MWCNTs to improve the mechanical properties of these composites by providing a homogeneous distribution of MWCNTs in the epoxy resin. Thirdly, the drilling performance of the produced nanocomposites was investigated in dry conditions.
MWCNT amounts of 0,5 %, 1 %, and 1,5 % by weight of epoxy were prepared by mixing them in solution with epoxy, Triton-X 100 and ethanol in an ultrasonic processor (UIP2000hdT, Hielscher). UV Spectroscopy was used to measure the homogeneous dispersion of MWCNTs in MWCNT-epoxy suspensions. The absorbance spectrum has shown a peak around 330 nm. It has been observed that the absorbance spectrum of the 0,5 % MWCNT epoxy solution is the highest. Laminates with 0̊ /+45̊ / 90̊ / -45̊ quadriaxial non crimp carbon fiber fabric were fabricated by vacuum infusion technique and cured for 48 h at 25 C ̊ temperature. According to ASTM D3039, tensile test and bending fatigue samples were prepared. Tension tests and bending fatigue tests of composite samples cut in the machine direction (MD) were performed. Fatigue tests were carried out at six different amplitudes and a fixed
frequency. Results showed that 0.5 % MWCNTs have remarkably increased the tensile strength and failure strain. The 0,5 wt. % MWCNT specimen achieved the highest value in the fatigue life experiments.
In addition, the fracture surfaces of the samples were studied by field emission scanning microscope (FESEM) and interpreted. In this study, NCF CFRP laminate consisting of 14 layers was prepared for the drilling process. The experimental design aimed to realize the minimum values of drilling process parameters such as entry delamination, exit delamination, entry burr area, exit burr area, surface roughness,thrust force, etc. The drilling process parameters are MWCNT percentage, spindle
speed, feed rate, and drill type. The MWCNT percentage consists of 4 levels (% 0, % 0,5, % 1, %1,5), spindle speed consists of 3 levels (500 rev./min., 2000 rev./min., 3500 rev./min.), feed rate consists of 3 levels (0,05 mm/rev., 0,10 mm/rev., 0,15 mm/rev.),dril type consists of 2 levels (ALTIN, DLC ). The full factorial method was used in the experimental design, and each experiment was performed on CFRP nanocomposite. In order to achieve optimum hole quality, it is desirable to have low surface roughness and thrust force, depending on the minimum hole entry delamination, hole exit delamination, hole entry burr area and hole exit burr area. For this reason, the Grey Relational Analysis method was used. Normalization values,distance matrix, grey relational coefficient, grey relational degree and ranking values were calculated for the grey relational test results.
Accordingly, the highest value of the grey relational degree was found to be 0.88, it shows 1 in the ranking, and at the same time, this value corresponds to experiment number 33. Using Grey Relational Analysis interpreted the results. The optimum processing parameters are % 0,5 MWCNT, 0,10 mm/rev. feed rate, 3500 rev./min.,speed, and ALTiN drill type. Variance analysis showed important parameters affecting the drilling process of MWCNTs. Furthermore, optimum drilling parameters of thrust
force, surface roughness, entry delamination, exit delamination, hole entry burr area and hole exit burr area values were determined separately. . Moreover, it has been found that the gray relationship analysis method effectively achieves the best hole quality by performing multiple performances in drilling NCF CFRP composite materials.