Karbon fiber esaslı polimerik matrisli kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of carbon fiber reinforced polymeric matrix composites
Yazar: MEHMET MÜMTAZ DOKUR
Danışman: DOÇ. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2009
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering
Dizin: Fenolik reçineler = Phenologic resins ; Karbon = Carbon

Özet:
Karbon fiber takviyeli polimerik matrisli kompozitler düşük yoğunluk, yüksek mukavemet ve sıcaklık altında mükemmel ablatif davranışları gibi özelliklerinden dolayı yüksek sıcaklık uygulamalarında tercih edilen mühendislik malzemeleridir. Bu çalışmada, karbon fiber esaslı polimerik matrisli kompozitlerin yüksek sıcaklık altında ısıl davranışları ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalarda takviye elemanı olarak karbon fiber, polimerik matris olarak da fenolik reçine kullanılmıştır. Kompozit parçanın üretilmesi, spreyleme prosesi ile gerçekleştirilmiştir. Bu proseste 1/8 oranında etanol ile çözülmüş fenolik reçine, parça üzerine sprey edilmiştir. Fiberler boyları, 15 mm olacak şekilde sprey tabancasında kırpılarak altlık üzerine reçine ile birlikte püskürtülmüştür. Kompozit üretimi tabakalar halinde gerçekleştirilmiştir. Her bir tabaka kalınlığı 0,5 mm olup 135 °C'de ön kürleme yapılmıştır. Daha sonra tabaka sayısı tamamlanan kompozit 165 °C'de kürlenmiştir. Kürleme, yük altında ve vakum altında olmak üzere iki şekilde yapılmıştır.Üretilen kompozitler, dinamik ve statik ısı akısı testlerine tabi tutulmuştur. Dinamik ısı akısı testleri sonucu 0,5 1,5 2,5 4,0 ve 5,0 mm kalınlığındaki tabakalı kompozitlerde ağırlık kaybı sırasıyla % 30 % 25 % 25 % 25 ve % 31 olarak bulunmuştur. Ayrıca vakum altında kürleme yönteminde 5 mm kalınlık için ağırlık kaybı % 14 olarak hesaplanmıştır. Statik ısı akısı testlerinde kompozit malzeme 400 kW/m2 kızılötesi ısı akısına 20 saniye boyunca maruz bırakılması sonucu kupon arkası sıcaklıklar sırasıyla 135 °C, 90 °C, 34 °C, 28 °C, 225 °C ve vakum numunesi için 75 °C olarak bulunmuştur. Üretilen karbon fiber takviyeli polimerik matrisli kompozitlerin ısıl davranışları bu iki test sonuçları dikkate alındığında kompozit malzemelerde tabaka sayılarının artması ile kupon arkası sıcaklıklarının düştüğü ve ağırlık kaybının da azaldığı görülmektedir.Termogravimetrik analiz sonuçları sırasıyla 180, 200, 160, 160 ve 190 °C bulunmuştur. Ayrıca 900 °C'de bozunmayan miktar sırasıyla % 73, % 66, % 69, % 73, 78 ve 89 olarak belirlenmiştir. Kayma dayanımları yine aynı kalınlıktaki kompozitler için sırasıyla 7, 11, 6, 8, 7 ve 8 MPa bulunmuştur.Kısa fiberli kompozit malzemelerin elastisite modülü ve termal iletkenlik özelliklerin modellenmesi için Cox ve Halphin-Tsai tasarımlarından yararlanılmıştır.

Abstract:
Carbon fiber reinforced polymeric matrix composites are engineering materials which are preferred for high temperature applications because of their low density, high strength and excellent ablative properties. In this study, the temperature on the back of coupon, weight loss, first decomposition temperature and shear strength of carbon fiber reinforced polymeric matrix composites were investigated. In experimental studies, carbon fiber and phenolic resin were used as reinforcement and matrix. Laminated composite was produced by spray-up process. Average length of 15 mm chopped fiber was sprayed with phenolic resin, which was solved in ethanol with a ratio of 1/8, on substrate and laminated composite was produced by spray-up process. The production of the composite was carried out in the form of laminated texture. The thickness of each layer was 0,5 mm and pre-curing process was applied at 135 °C. After gained total layer amount, composite was subjected to final curing process at 165 °C. Curing was performed by using two ways; under pressure and vacuum.Composites were tested with dynamic and static heat flux, thermogravimetric analysis ( TG ) and shear strength test methods. Results of weight loss for dynamic heat flux test method were % 30, % 25, % 25, % 25 and % 31 for thicknesses of the 0,5 mm, 1,5 mm, 2,5 mm, 4,0 mm and 5,0 mm. The temperature on the back of coupon was determined with static heat flux test under 400kW/m2 infrared heat flux for 20 seconds. The temperatures of the back of coupons were determined as 135 °C, 90 °C, 34 °C, 28 °C and 225 °C, respectively. Considering of these two methods, thermal behavior of carbon fiber reinforced polymeric composites showed that, the temperature on the back of coupon and weight loss decreased with increasing thicknesses of composite materials.The first decomposition temperatures of the composites were determined as 180, 200, 160, 160 and 190 ?C for the thicknesses of the 0,5 mm, 1,5 mm, 2,5 mm, 4,0 mm and 5,0 mm. The weight loss of composites at 900 ?C was calculated as 73, 66, 69, 73, 78 and 89 %, and the shear strength of composites was determined as 7, 11, 6, 8, 7 and 8 MPa for thicknesses of layers given above. It was observed that increasing thickness of composites results in increased weight loss, shear strength and first decomposition temperature.Cox and Halpin-Tsai modeling studies were used for Young?s modulus and thermal conductivity prediction of short-fiber reinforced composites.