Hava taşıtlarındaki karbon epoksi kompozit-çelik bağlantıların mekanik özelliklerini geliştirmek için yapıştırma işleminin optimizasyonu
Optimization of the adhesion process to enhanced mechanical properties of carbon epoxy composite-steel joints for aircraft application
Yazar: YAVUZ AKALIN
Danışman: DOÇ. DR. DERYA ÖZGÜR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Hava taşıtlarında kompozit ve metal parçaların birleştirilmesi işlemlerinde bağlayıcılar ve yapıştırıcılar birbirine alternatif ya da birbirini tamamlayıcı olarak kullanılmaktadır. Yapıştırma yöntemi kullanılarak üretilen yapıların genel dayanımı birçok unsura bağlı olmakla birlikte, bu unsurlar arasında farklı kompozit parça üretim teknikleri ön plana çıkmaktadır. Özellikle kullanılan farklı kürlenme prosesleri üretilen kompozit parçaların yapısal dayanımlarının değişmesine yol açabilmektedir. Kompozit malzemelerin yapıştırma işlemleri için temelde üç farklı proses kullanılmaktadır; eş zamanlı kürlenme, eş zamanlı yapıştırma ve ikincil yapıştırma. Bu araştırmada, karbon fiber takviyeli epoksi kompozit malzemelerin birleştirilmesi (kompozit-kompozit) ve ayrıca aynı malzemelerin paslanmaz çelik (kompozit-çelik-kompozit) ile birleştirilmesi üç farklı yapıştırma yöntemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Test panel üretimleri temiz odada gerçekleştirilmiş ve polimerizasyon işlemi otoklavda tamamlanmıştır. Oluşturulan test panelleri, tek bindirmeli çekme dayanımı, katmanlar arası kesme dayanımı ve camsı geçiş sıcaklıkları gibi kritik parametreler açısından karşılaştırılmıştır. Kompozit-kompozit panellerde ikincil birleştirme (27,91 MPa), eş zamanlı birleştirme (25,97 MPa) ve eş zamanlı kürlenme (21,03 MPa) yöntemlerine kıyasla en yüksek dayanım değerlerini vermiştir. Bu durum, yüzey hazırlama tekniğinin yapışma yüzeyine olan etkisinden kaynaklanmıştır. Kompozit-çelik-kompozit panellerde ise eş zamanlı kürlenme (25,26 MPa), ikincil birleştirme (21,52 MPa) ve eş zamanlı birleştirme (20,69 MPa) yöntemlerine kıyasla en yüksek dayanım değerlerini vermiştir. Bu durum, çeliğin kompozit yapıya göre farklı termal genleşmeye sahip olmasından kaynaklanmıştır. Katmanlar arası kesme dayanımı testlerinin sonucunda kompozit-çelik-kompozit paneller için 78,52 MPa, kompozit-kompozit paneller için 75,84 MPa dayanım elde edilmiştir ve bu farklılık (%3,5) bir dalgalanma olarak değerlendirilmemiştir. Bu durum tüm panellerdeki kırılma modunun kompozit katmanları arasında olmasından kaynaklanmıştır. DMA test sonuçlarına göre, kullanılan yapıştırıcının (FM300K) eş zamanlı kürlenme prosesinde (154,21°C) diğer proseslere kıyasla (139,93°C) 14°C daha yüksek camsı geçiş sıcaklığı verdiği görülmüştür. Bu durum eş zamanlı kürlenme prosesi sırasındaki polimerizasyon süresinin diğer iki prosese göre 11 dakika daha uzun olmasından kaynaklanmıştır. Yapılan değerlendirmeler sonucunda, camsı geçiş sıcaklığı için epoksi reçinenin kürlenme süresi ve sıcaklığı, yapıştırma yöntemi veya yüzey hazırlama tekniklerinden daha belirleyici olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlara dayalı olarak, sadece yapıştırma yönteminin değiştirilmesi optimize edilmek istenen prosesin belirlenmesi için yeterli olmamaktadır. Sonuç olarak, karbon takviyeli kompozitlerin çelikle birleştirilmesi sürecinin optimizasyonu tüm faktörlerin (yüzey hazırlığı, parça geometrisi, kürlenme yöntemleri, termal genleşme farklılıkları, v.b.) bütüncül değerlendirilmesi sonucunda ortaya çıkacak stratejik bir karar olacağı değerlendirilmiştir.

Abstract:
During production of air vehicles, the assembly of composite and metallic parts, adhesives and bonding agents are utilized as alternative or complementary methods. While the overall strength of structures produced using adhesive bonding is contingent on various factors, different manufacturing techniques for composite parts emerge as prominent determinants. In particular, the different curing processes employed can significantly impact the structural integrity of the composite parts. For adhesive bonding of composite materials, there are three main processes: simultaneous curing (co-curing), simultaneous bonding (co-bonding), and secondary bonding. In this research, the joining of carbon fiber reinforced epoxy composite materials was investigated through three different bonding techniques for composite-composite configurations, as well as for composite-steel-composite configurations. Test panel productions were carried out in a clean room, and the polymerization process was completed in an autoclave. The created test panels were compared based on critical parameters such as single-lap shear strength, interlaminar shear strength, and glass transition temperatures. Test panels with composite-composite configurations bonded using the secondary bonding technique exhibited the highest adhesive strength (25,97 MPa) in terms of single-lap tensile strength with respect to co-bonded (25,97 MPa) and co-cured (21,03 MPa) technique. Among the test panels with composite-steel-composite configurations, those bonded using the co- curing method (25,26 MPa) exhibited the highest adhesive strength with respect to secondary bond (21,52 MPa) and co-bond (20,69 MPa) technique. As a result of interlaminar shear strength tests composite-steel-composite configuration revealed 75,84 MPa, composite-composite configurations revealed 75,84 MPa strength values and the difference among these results (%3,5) is not a considerable fluctuation. This is due to the failure mode occurring between the composite layers. According to DMA test results, glass transition temperature of adhesive system (FM300K) in co-cured test panels (154,21°C), is 14°C higher than the co-bonding and secondary bonding techniques (139,93°C) which is due to co-cured test panels has 11 minutes longer polymerization time with respect to two other bonding techniques. Considering the evaluations performed, it was determined that changes in the curing time and temperature of the epoxy resin had a greater impact on glass transition temperature measurements than the bonding method or surface preparation techniques. The findings indicate that process optimization for joining carbon fiber composites with steel cannot be achieved by simply changing the bonding method. Therefore, optimizing the process, including determining the most suitable methods for part production and assembly, is evaluates as a strategic decision that requires considering all relevant factors (surface preparation, part geometry, curing processes, thermal expansion coefficients, etc.) during the production stage.