Karbon fiber takviyeli kompozit bal peteği yapıların tasarımı, üretimi ve mekanik davranışlarının incelenmesi
Design, fabrication and investigation of mechanical behavior of carbon fiber reinforced composite honeycomb structures
Yazar: LEVENT PEHLİVAN
Danışman: PROF. DR. CENGİZ BAYKASOĞLU
Hitit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Karbon lifler = Carbon fibers ; Kompozit levhalar = Composite plates ; Kompozit malzemeler = Composite materials ; Kompozit plaklar =   ; Kompozit yapılar = Composite structures ; Mekanik davranış = Mechanical behavior ; Tasarım = Design ; Üretim = Production

Özet:
Sandviç yapılar havacılık, uzay, otomotiv ve savunma sanayi gibi sektörlerde üstün mekanik özellikleri, yüksek enerji sönümleme kabiliyetleri ve yüksek özgül dayanımlarından dolayı yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yapılar farklı yüzey malzemeleri ile köpük, kafes ve bal peteği gibi çekirdek yapıların bir araya getirilmesi ile oluşturulmaktadır. Bunlar arasında bal peteği çekirdek yapıları üstün mekanik özellikleri ve üretim kolaylığı gibi avantajlarından dolayı uygulamalarda sıklıkla tercih edilmektedir. Diğer taraftan, bal peteği çekirdek yapıların tasarım ve malzeme özelliklerinin mekanik davranış ve enerji sönümleme kabiliyetleri üzerinde oldukça önemli etkileri bulunmaktadır. Bu bağlamda, Nomex ve alüminyum gibi malzemelerden çeşitli geometrilerde üretilen bal peteği çekirdek yapıları uygulamalarda yaygın şekilde kullanılmaktadır. Ancak, ince cidarlı metalik bal peteklerinin burkulmaya yatkınlıkları bu yapıların en önemli zayıflığı olup, yüksek dayanım gerektiren uygulamalarda bu geleneksel yapılar genellikle arzu edilen performans isterlerini sağlayamamaktadırlar. Bu noktada, fiber takviyeli kompozit malzemeler yüksek dayanımlı ve düşük ağırlıklı bal peteği yapıların geliştirilmesi açısından paha biçilmez bir fırsat sunmaktadır. Bu motivasyonla hazırlanan bu tez çalışması kapsamında, karbon fiber takviyeli polimer (KFTP) kompozit malzemeden yüksek özgül dayanıma ve enerji sönümleme performansına sahip bal peteği yapıların tasarım, üretim ve testlerine odaklanılmış olup, bu yapıların çeşitli tasarım parametreleri dikkate alınarak mekanik ve enerji sönümleme davranışları deneysel olarak detaylı bir biçimde incelenmiştir. KFTP bal peteklerinin üretim sürecinde oluklu fiber kompozit levhaların düşük maliyetli ve seri bir şekilde üretime olanak veren kalıplama ve yapıştırma tekniği uygulanmıştır. KFTP kompozit bal peteklerinin üretimi 3K Twill [0/90] fiber yönelimli kumaş ve epoksi reçine kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Hücre topolojisinin bal peteği yapıların mekanik davranışlarına etkilerinin incelenmesi bağlamında tasarımlarda kare, daire ve altıgen olmak üzere üç farklı çekirdek topolojisi dikkate alınmış olup, bu yapılar alüminyum kalıplardan faydalanılarak üretilen oluklu levhaların epoksi reçine kullanılarak birleştirilmesiyle üretilmiştir. Ayrıca, duvar kalınlığı ve yükseklik parametrelerinin yapıların mekanik davranışlarına etkileri her bir parametrenin üç farklı değeri için incelenmiştir. Üretim sürecinin ardından, tasarlanan bal peteği yapıların mekanik davranışları ve enerji sönümleme özellikleri hem düzlem içi hem de düzlem dışı sanki-statik yüklemeler altında incelenmiştir. Bu bağlamda, dikkate alınan tasarım parametreleri özelinde 81 adet senaryo için testler gerçekleştirilmiştir. Her bir senaryo için en az üç tekrar yapılarak testler gerçekleştirilmiş ve tasarım parametrelerinin bal peteği yapıların mekanik davranışlarına ve enerji sönümleme performanslarına etkileri ortaya konmuştur. Bu bağlamda, dayanım, toplam sönümlenen enerji, özgül sönümlenen enerji, ortalama ezilme kuvveti, maksimum ezilme kuvveti ve ezilme kuvveti verimliliği gibi kriterler yapıların performansının incelenmesinde dikkate alınmıştır. KFTP bal peteği yapıların hem düzlem içi hem de düzlem dışı yükleme koşulları altındaki mekanik performansları ayrıca literatürdeki çeşitli gözenekli yapıların performanslarıyla kıyaslanmış ve üstün yönleri ortaya konmuştur. Elde edilen sonuçlar KFTP bal peteği yapıların hem düzlem içi hem de düzlem dışı yükleme koşulları altında yüksek mekanik dayanım ve enerji sönümleme performansına sahip olduklarını göstermiştir. Sonuçlar ayrıca uygun tasarım parametrelerinin seçimi ile kompozit bal peteği yapıların ezilme performanslarının dikkate değer ölçüde iyileştirilebileceğini göstermiştir. Elde edilen deneysel bulgular 155-283 kg/m3 yoğunluğa sahip KFTP bal peteği yapıların yaklaşık 61 MPa kadar dayanıma ve 192 J/gr kadar özgül enerji sönümleme kapasitesine sahip olduğu göstermiştir. Bu bulgular yüksek özgül dayanım ve enerji sönümü gerektiren uygulamalar bağlamında bu yapıların kullanılabilme potansiyelini ortaya koymuştur.

Abstract:
Sandwich structures are widely used in sectors such as aviation, aerospace, automotive and defense industries due to their superior mechanical properties, high energy absorption capability and high specific strength. These structures are formed by combining different surface materials and core structures such as foam, lattice and honeycomb. Among these, honeycomb core structures are frequently preferred due to their advantages such as superior mechanical behavior and ease of fabrication. On the other hand, the design and material properties of honeycomb core structures have a significant effect on their mechanical behavior and energy absorption capabilities. In this context, honeycomb core structures produced from materials such as Nomex and aluminum in various geometries are widely used in applications. However, the tendency of thin-walled metallic honeycombs to buckling is the most important weakness of these structures, and these traditional configurations often fail to meet the desired performance requirements in applications requiring high strength. At this point, fibre reinforced composite materials offer an invaluable opportunity for the development of high strength and low weight honeycomb structures. Motivated by these facts, this thesis focuses on the design, fabrication and testing of honeycomb structures made of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) composite material, aiming for high specific strength and energy absorption performance. The mechanical and energy absorption behaviors of these structures have been examined experimentally in detail, considering various design parameters. In the fabrication process of CFRP honeycombs, a molding and bonding technique was applied, which allows low-cost and mass production of corrugated fiber composite sheets. CFRP composite honeycombs were produced using 3K Twill [0/90] fibre-oriented fabric and epoxy resin. In the context of examining the effects of cell topology on the mechanical behavior of honeycomb structures, three different core topologies namely square, circle and hexagon were taken into consideration in the designs and these structures were fabricated by combining corrugated sheets produced in aluminum moulds using epoxy resin. In addition, the effects of wall thickness and height on the mechanical behavior of the structures were investigated for three different values of each parameter. Following the fabrication process, the mechanical behavior and energy absorption properties of the designed honeycomb structures were examined under both in-plane and out-of-plane quasi-static loading conditions. In this context, experimental tests were performed for 81 scenarios for the design parameters considered. For each scenario, at least three repetitions of the tests were performed and the results were analyzed to reveal the effects of the design parameters on the mechanical behavior and energy absorption performance of the honeycomb structures. In this context, criteria such as strength, total absorbed energy, specific energy absorption, mean crushing force, peak crushing force and crush force efficiency were considered to evaluate the structures' performance. The performances of CFRP honeycomb structures under both in-plane and out-of-plane loading conditions were also compared with the performances of various porous structures in the literature and their superior aspects were revealed. The results showed that CFRP honeycomb structures have high mechanical strength and energy absorption performance under both in-plane and out-of-plane loading conditions, and the crushing performance of these structures can be significantly improved by selecting appropriate design parameters. The experimental results show that CFRP honeycomb structures with a density range of 155-283 kg/m3 have a strength of up to approximately 61 MPa and a specific energy absorption capacity of up to 192 J/gr. These findings reveal the potential of these structures to be used in applications requiring high specific strength and energy absorption.