Fonksiyonel grafen epoksi nanokompozitlerin üretimi, karakterizasyonu ve modellenmesi
Manufacturing, characterization and modeling of functionalized graphene epoxy
Yazar: OKAN BAKBAK
Danışman: PROF. DR. ÖZGEN ÜMİT ÇOLAK ÇAKIR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Grafen-epoksi nanokompozitlerin havacılık uygulamalarında kullanımı için yönelik araştırmalar devam etmektedir. Bu kapsamda hem malzeme üretim ve karakterizasyonu hem de malzeme davranışlarının modellenmesi büyük önem arz etmektedir.
Bu tez çalışması grafen-epoksi nanoompozitlerin üretimi, karakterizasyonu ve modellenmesi olmak üzere esas olarak üç bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde, grafen, elektrik ark deşarj yöntemi ile sentezlenmiş ve fonksiyonelleştirilmiştir. Fonksiyonel grafen (f-GNF)-epoksi nanokompozitlerin üretiminde, epoksi matris içinde f-GNF'nin homojen dağılımını sağlamak ve topaklanmasını engellemek için üç merdaneli haddeleme (3RM) yöntemi kullanılmıştır. İkinci bölümde ise, saf epoksi ve ağırlıkça %0,1 ve %0,5 f-GNF içeren f-GNF-epoksi nanokompozitlerin detaylı karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Malzemelerin ilk olarak, oda sıcaklığında detaylı viskoelastik ve viskoplastik davranışlarını incelemek için yarı-statik şekil basma, sürünme ve gerilme gevşemesi testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testlere ek olarak, yüksek şekil değiştirme (YŞD) hızlarındaki davranışları incelemek için Parçalı Hopkinson Basma Çubuğu (SHPB) testleri yürütülmüştür. Nanokompozitlerin tüm davranışlarında belirgin iyileşmeler elde edilmiştir. İkinci olarak ise hem saf epoksinin hem de f-GNF-epoksi nanokompozitlerin sıcaklığa  bağlı mekanik davranışları incelenmiştir. Sıcaklık kontrollü yarı-statik basma sürünme ve gerilme gevşemesi testleri  65 ve 120°C'de gerçekleştirilmiştir. Sıcaklık arttıkça  toplam termo-mekanik özelliklerde azalma görülmüş ve f-GNF'nin takviye etkisi önemli oranda  sıcaklıktan etkilenmiştir.
Üçüncü bölüm olan modelleme aşamasında, hem saf epoksi ve nanokompozitlerin oda sıcaklığındaki davranışları hem polimerik malzemeler için önerilen C-VBO model hem de nanokompozitler için geliştirilen Nano C-VBO temelinde modellenmiştir. Nanokompozitler için önerilen model, takviye elemanının homojen bir şekilde dağıldığı nanokompozitlerin davranışlarını tanımlayabilmek için sadeleştirilmiştir. Modelde yer alan kütle ve kayma modülleri topaklanmış fazlar olmaksızın yeniden tanımlanmıştır. Sadeleştirilmiş Nano C-VBO model ile, ağırlıkça %0,1 ve %0,5 f-GNF içeren f-GNF-epoksi nanokompozitlerin farklı şekil değiştirme hızlarında yarı-statik basma, sürünme ve gerilme gevşemesi davranışları simüle edilmiştir. Ayrıca YŞD hızlarında oluşan adyabatik ısınma etkisi göz önünde bulundurularak, sıcaklığın değişim hızı modele dahil edilmiş ve yüksek hızlardaki davranışlar tahmin edilmiştir. Tüm davranışlar kabul edilebilir şekilde sadeleştirilmiş Nano C-VBO model ile modellenmiştir.

Abstract:
Research for the use of graphene epoxy nanocomposites in aerospace applications continues. In this context, material manufacturing characterization and modeling of material behavior are very important.
This thesis mainly consists of three parts: production, characterization and modeling of graphene epoxy nanocomposites. In the first part,  graphene was synthesized and functionalized by the electric arc discharge method. In the manufacturing of functionalized graphene (f-GNF)-epoxy nanocomposites, the three-roll milling (3RM) method was used to ensure the homogeneous dispersion of f-GNF in the epoxy matrix. In the second part, detailed characterization studies of both pure epoxy and f-GNF-epoxy nanocomposites with content of  0.1 and 0.5 wt% f-GNF were performed. First, quasi-static compression, creep, and stress relaxation tests were carried out to examine the detailed viscoelastic and viscoplastic behaviors of the materials at room temperature.  In addition to these tests, Split Hopkinson Compression Bar (SHPB) tests were conducted to examine behavior at high strain rates (HSR). Significant improvements were obtained in all behaviors by adding f-GNF to pure epoxy at room temperature. In the second stage, time and temperature-dependent thermo-mechanical behaviors of both pure epoxy and f-GNF-epoxy nanocomposites were examined. Temperature-controlled quasi-static compression, creep, and stress relaxation were carried out at 65 and 120°C. As the temperature increased, the total thermo-mechanical properties decreased, and the temperature significantly affected the reinforcement effect of f-GNF.
In the modeling phase, the viscoelastic and viscoplastic behaviors of pure epoxy and nanocomposites at room temperature were modeled based on both the C-VBO model proposed for polymeric materials and the Nano C-VBO model developed for nanocomposites. The initial version of the proposed model for nanocomposites has been simplified to describe the behavior of nanocomposites in which the reinforcement element is distributed homogeneously. The bulk and shear modulus in the model have been redefined without agglomerated phases. With the simplified Nano C-VBO model, the quasi-static compression, creep, and stress relaxation behaviors of f-GNF-epoxy nanocomposites containing 0.1 and 0.5 wt% f-GNF were simulated at different strain rates. In addition, the adiabatic heating effect that occurs at HSR was incorporated into the model, and the behavior at high strain rates was predicted. The simplified Nano C-VBO model satisfactorily modeled all these behaviors.