Havacılık sektörü için otoklavda üretilen karbon fiber takviyeli epoksi polimer kompozitlerin termal ve mekanik özelliklerine otoklav basıncının etkisi
The effect of autoclave pressure on the thermal and mechanical properties of carbon fiber reinforced epoxy polymer composites produced in autoclave for aviation industry
Yazar: MURAT KALENDER EVİRGEN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KELAMİ ŞEŞEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Polimer kompozitler = Polymer composites

Özet:
Kompozit  malzeme  iki  veya  daha  farklı malzemenin makroskopik  olarak birleşimi olarak tanımlanır.  Üstün  mekanik,  termal,  elektriksel  ve  kimyasal  özelliklerinin avantajlarının yanı sıra hafif ve yüksek dayanıma sahip olması sebebiyle kompozit malzemeler  günümüzde  birçok sektörde  kullanılmaktadır.  Havacılık  sektörü  de kompozit malzemelerin kullanıldığı başlıca sektörlerden biridir.  Matris malzemesi ve takviye elemanı kompozit malzemelerin iki ana yapı elemanıdır. 
Kompozitler  matris  malzemelerine  göre  organik  reçine  matrisli,  metal  matrisli, seramik  matrisli  ve  polimer  matrisli  olarak  dörde  ayrılmaktadır.  Matrislerin görevi takviyeleri  form  içinde  tutmak  ve  yapıya  gelecek  yükleri  takviyelere  aktarmaktır. Takviye  malzemeler  sürekli  ve  süreksiz  olarak  iki  sınıfa  ayrılır.  En  çok  kullanan takviye  malzemeleri,  cam  fiberler,  karbon  fiberler  ve  aramid  fiberlerdir.  İstenilen özelliklere göre uygun matris ve takviye malzemesi seçilir. Havacılık sektöründe en çok  karbon  fiber  takviyeli  epoksi  polimer  matrisli  kompozit  malzemeler kullanılmaktadır.  Polimer  matrisli  kompozit  üretiminde  yalnızca  uygun  matris takviyesi  ve  malzemeler  seçilmesi  tek  başına  yeterli  değildir,  aynı  zamanda  bu 
malzemelerin  üretim  yönteminin  uygun  olması  gerekmektedir.  Üretim  metodunun uygun seçilmesi nihai kompozit malzemeden istenen özellik ve forma sahip olması açısından mutlak önem taşır. 
Üretilen kompozit  malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri otoklav veya fırında kürlenme parametrelerine büyük oranda bağlıdır.  Otoklav  kürlemesi için üreticinin tavsiye ettiği kürlenme şeklinde (MRC) belirtilen parametreler şu şekilde sıralanabilir; Kompozit  malzemelerin  kürlenme  süresi,  kürlenme  sıcaklığı,  otoklav  basıncı  ve vakum  basıncıdır.  Üretimde  meydana  gelebilecek  kürleme  parametre  farklılıkları, kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini olumsuz etkilemesi ile sonuçlanabilir.  Kompozit üretim yöntemlerinden otoklav kalıplama yöntemi ile termoset kompozit malzemeye  yüksek  ısı  ve  basınç  uygulanarak  içerisindeki  hava  boşluklarını 
giderilmesi sağlanır. Bu sayede kompozit malzemenin içerisindeki reçine başına düşen fiber  oranı  arttırılarak  malzemenin  performansında  artış  hedeflenir.  Bu  yöntemin maliyeti  yüksek  olup,  yüksek  kalite  ürün  istendiğinde  başvurulan  yöntemdir. Günümüzde havacılık yapısal malzemeleri, uzay araçları bu yöntem ile üretilmektedir.  Bu çalışmada, reçine malzemesi olarak epoksi emdirilmiş, karbon prepregler olarak anılan, karbon fiberler kullanılmıştır. Karbon takviyeli prepreglerin temiz odada serimi ve  farklı  basınçlarda  otoklav  prosesine  tabi  tutulmaları  ile  üretilen  kompozitlerin ultrasonik görüntülemeler ile, camsı geçiş sıcaklıkları ölçümleri ile, dinamik mekanik analiz (DMA) testleri ile ve katmanlar arası kayma mukavemeti (ILSS) testleri ile 
kompozit  malzemenin  termal ve mekanik özelliklerine otoklav basıncının etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Deneylerde kullanılan Kompozit prepreg malzeme Hexcel firması tarafından üretilen 
M21  reçine  sistemli  HexPly  M21/34%/UD194/IMA-12K  isimli  tek  yönlü  (UD) karbon  fiber  prepreglerdir.  Prepregler  -18°C sıcaklık koşullarında depolanmaktadır. Kullanılmadan önce soğuk odadan çıkartılarak sıcaklıklarının oda sıcaklığına gelmesi beklenmiştir. Kullanıma uygun  malzemeler kesim  cihazına alınmıştır.  Prepreglerin kesim  işlemi  için, Bilgisayardan ayarlanmış teknik resime göre plyların GERBER cutter cihazında kesimi yapılmıştır. 300 mm ve 215 mm boyunda 12 adet tekyönlü ply alınmıştır.  Serim  kalıbı  hazırlandıktan  sonra  kesilen  prepreglerin  serim  işlemi yapılmıştır.  Malzemelerin  serimden  sonra  otoklova  hazırlanması  nem,  sıcaklık  ve 
basınç  kontrollü  temiz  odada  yapılmıştır.  Karbon  prepreg  hazırlanan  tablaya serilmiştir. Serim yapılırken sonra otoklavda sızdırma problemi olmaması için etrafına sealant çekildikten sonra  malzeme vakuma alınmıştır. Uygulanan ara vakum değeri 530 mmHg'dir. Hava akışını sağlayacak vakum çıkışları üzerinde bulunan numune otoklav işlemine alınmıştır. Otoklav tam basınca ulaşınca ısıtma işlemi başlatılmıştır. Isıtma ve soğutma hızı dakikada 2,5°C dir. Malzemenin otoklavda kalış süresi 120 dakika  ve  sıcaklığı  180  °C  kadardır.  Otoklavda  2,7  ±  0,30  bar  ve  6,9  ±  0,30  bar 
basınçlarda üretim  yapılmıştır.  Kompozit  malzemelerin kesiminde sıcaklık etkisini ortadan kaldırmak için su jeti kullanılmıştır.  Ultrasonik  C-Tarama  Görüntüleme  (İletim  yoluyla  ultrasonik  metot)  yöntemiyle, kompozit parçanın yüzeyi boyunca ultrasonik dalgaların görece zayıflaması ölçülür. TAI imalatı olan robotik yarı otomatik ultrasonik cihaz kullanılarak Ultrasonik İletim Yöntemi ile Ultrasonik C-Tarama Görüntüsü elde edilerek üretilen malzeme içerisinde hata  olup  olmadığı  gözlenmiştir.  Manuel  darbe-yankı  methodu  ile  Ultrasonik  A-Tarama Görüntüleme yapılmıştır. Referans olarak hata içeren malzeme ile üretilen malzemelerin kontrolü yapılarak görüntüler karşılaştırılmıştır. 2,7 bar basınçta üretilen numunelerde boşluk oluşumu 6,9 bar basınçta üretilen numunelere göre fazla olduğu için ultrasonik hız düşmüştür. Ultrasonik inceleme sonrasında 6,9 bar basınçta üretilen numunenin C-tarama ve A-taramaya göre hata içermediği gözlenmiştir. Üretilen  karbon  fiber  kompozit  numunelerin  camsı  geçiş  sıcaklıklarını  bulmak 
amacıyla Dinamik Mekanik Analiz testi EN6032 standardına uygun şekilde DMA Q800  cihazında  yapılmıştır.  2,7  bar  basınçta  üretilen  numunelerin  Tg  değerleri minimum 187,50 °C, maksimum 193,44°C olarak ölçülmüştür. Nem absorpsiyonu, bir epoksi  reçinesinin  camsı  geçiş  sıcaklığını  (Tg)  azaltır.  Literatürde  de  yapılan çalışmaların ışığında, otoklav basıncının düşük olması sebebiyle boşluk oluşumunun engellemesinin  yeterli  olmadığından  katmanların  birbirlerine  zayıf  bağlanmasına neden olarak camsı geçiş sıcaklığının düşük olmasına sebep olmuştur. 6,9 bar basınçta üretilen numunelerin Tg değerleri minimum 195,75 °C,  maksimum 205,24 °C olarak ölçülmüştür. Camsı geçiş sıcaklığında önemli bir epoksi özellikleri kaybı  meydana  geldiğinden  çoğu  zaman  Tg,  kompozit  malzemenin  üst  kullanım sıcaklığını tanımlar. Artan otoklav basıncı nem absorbiyonunu azaltacağı ve daha iyi kürlenme sağlayacağı için daha yüksek camsı geçiş sıcaklığı verilerine ulaşılmıştır.  DMA testinde 2,7 ± 0,30 barda üretilen kompozit malzemelerin camsı geçiş sıcaklığı 
Tg  ortalama  190,98  °C  olarak  bulunurken,  6,9  ±  0,30  barda  üretilen  kompozit malzemelerin  Tg  değeri  ortalama  199,60  °C  olarak  bulunmuştur.  En  yüksek  Tg değerinin 6,9 barda 205,24 °C olduğu gözlenmiştir.  Katmanlar arası kayma mukavemeti (ILSS) testi EN 2563 standardına uygun olacak 
şekilde 25,4 mm uzunluğunda 6,35 mm genişliğinde beşerli numuneler hazırlanarak Instron 5966 cihazında testler  gerçekleştirilmiştir. ILSS testinde her iki basınçta da üçer adet numune alınması ve her numuneden beşer adet değer alınması ile ortalama değerler bulunmuştur. 2,7 bar basınçta üretilen numunelerin  katmanlar arası kayma mukavemeti  değerleri:  55,18,  59,89,  52,46  MPa  olarak  kaydedilmiştir.  Otoklav basıncının düşük olması, katmanların birbirlerine zayıf bağlanmasına bu sebeple de katmanlar arası kayma mukavemetinin düşük olmasına sebep olmuştur.  
6,9  bar  basınçta üretilen numunelerin  katmanlar arası kayma mukavemeti değerleri: 87,03,  87,60,  89,36  MPa'dır.  Kürleme  basıncı  tabakaların  sıkışmasını  ve  boşluk miktarını doğrudan etkilediği ve reçine akışını ve ILSS'i desteklediği gözlenmiştir Otoklav  basıncı  arttıkça  yapışma  miktarı  daha  fazla  olacağından  katmanlar  arası kayma mukavemeti artmıştır.  2,7  barda  üretilen  kompozit  malzemelerin  katmanlar  arası  kayma  mukavemeti ortalama  55,84  MPa olarak bulunurken, 6,9 barda üretilen kompozit malzemelerin katmanlar arası kayma mukavemeti ortalama 88 MPa'dır. En yüksek ILSS değerinin 6,9 barda 89,40 MPa olduğu gözlenmiştir.  Buna göre otoklav basıncı arttıkça Tg ve ILSS değerlerinin arttığı gözlenmiştir. Artan Tg değeri  ile ILSS değeri arasında korelasyon olduğu söylenebilir. Bu sebeple de malzemenin kullanılabileceği maksimum sıcaklık artmıştır.

Abstract:
A composite material is defined as a macroscopic combination of two or more different materials.  Composite  materials  are  used  in  many  sectors today  due  to their  superior mechanical, thermal, electrical and chemical properties, as well as their lightness and high strength. The aviation industry is one of the main industries in which composite materials are used. Matrix  material  and  reinforcement  element  are  the  two  main  structural  elements  of composite materials. Composites are divided into four types according to their matrix materials as organic resin  matrix,  metal  matrix, ceramic  matrix and polymer  matrix. The  task  of  the  matrices  is  to  keep  the  reinforcements  in  the  form  and  transmit  the loads  that  will  come  to the  structure to the  reinforcements.  Reinforcement  materials are  divided  into  two  classes  as  continuous  and  discontinuous.  The  most  commonly used  reinforcement  materials  are  glass  fibers,  carbon  fibers  and  aramid  fibers. Appropriate  matrix  and  reinforcement  material  are  selected  according  to the  desired properties.  Carbon  fiber  reinforced  polymer  matrix composite  materials  are  mostly used in the aviation industry. In the production of polymer matrix composites, not only the selection of suitable matrix reinforcement and materials is sufficient, but also the production  method  of  these  materials  must  be  suitable.  Appropriate  selection  of  the production method is of absolute importance in terms of having the desired properties and form from the final composite material. The  mechanical  and  physical  properties  of  the  produced  composite  materials  are highly dependent on the curing parameters in the autoclave or oven. The parameters specified in the MRC cycle for autoclave curing can be listed as follows; Curing time, curing  temperature,  autoclave  pressure  and  vacuum  pressure.  Curing  parameter differences  that  may  occur  in  production  may  result  in  adverse  effects  on  the mechanical properties of composite materials. With  the  autoclave  molding  method,  which  is  one  of  the  composite  production methods,  high  heat  and  pressure  are  applied  to  the  thermoset  composite material  to eliminate the air spaces inside. In this way, it is aimed to increase the performance of the material by increasing the fiber ratio per resin in the composite material. The cost of this method is high and it is the method used when a high quality product is desired. Today, aviation structural materials and space vehicles are produced with this method. In this study, carbon fibers impregnated with epoxy, known as carbon prepregs, were used  as  resin  material.  The  thermal  and  mechanical  properties  of  the  composite material  by ultrasonic  imaging, glass transition temperature measurements, dynamic mechanical  analysis  (DMA)  tests  and  interlaminar  shear  strength  (ILSS)  tests  of composites  produced  by  laying  carbon  reinforced  prepregs  in  a  clean  room  and subjecting them to autoclave process at different pressures. It was aimed to determine the effect of autoclave pressure. Composite prepreg material used in the experiments are carbon fiber prepregs named HexPly  M21/34%/UD194/IMA-12K  with  M21  resin  system  produced  by  Hexcel company. Prepregs are stored at -18°C temperature conditions. Before use, they were removed  from  the  cold  room  and  allowed  to  reach  room  temperature.  Materials suitable  for  use  were  taken  to  the  cutting  device.  For  the  cutting  process  of  the prepregs, the plys were cut in the GERBER cutter device according to the technical drawing set from the computer. 12 unidirectional ply with 300 mm and 215 mm length were  taken.  After  the  laying  mold  was  prepared,  the  cut  prepregs  were  laid.  The autoclave preparation of the materials after laying was carried out in a clean room with humidity,  temperature  and  pressure  control.  The  carbon  prepreg  was  placed  on  the prepared tray. After laying, the material was taken into vacuum after the sealant was drawn  around  it  so  that  there  would  be  no  leaking  problem  in  the  autoclave.  The intermediate vacuum value applied is 530 mmHg. The sample on the vacuum outlets that  will  provide  the  air  flow  has  been  taken  to  the  autoclave  process.  When  the autoclave reaches full pressure, the heating process is started. Heating and cooling rate is 2.5 °C per minute. The residence time of the material in the autoclave is 120 minutes and the temperature is 180 °C. Production was made in the autoclave at pressures of 2.7  ±  0.30  bar  and  6.9  ±  0.30  bar.  Water  jet  is  used  to  eliminate  the  effect  of temperature in the cutting of composite materials. With  the  Ultrasonic  C-Scan  Imaging  (Transmission  ultrasonic  method)  method,  the relative  attenuation  of  ultrasonic  waves  along  the  surface  of  the  composite  part  is measured. Using the robotic semi-automatic ultrasonic device manufactured by TAI, Ultrasonic C-Scan Image was obtained with the Ultrasonic Transmission Method and it was observed whether there were any errors in the produced material. Ultrasonic A-Scan Imaging was performed with the  manual pulse-echo method. The images were compared by checking the materials produced with the material containing errors as a reference. Since the void  formation  in the samples produced at 2.7 bar pressure was higher than the samples produced at 6.9 bar pressure, the ultrasonic velocity decreased. After  ultrasonic  examination,  it  was  observed  that  the  sample  produced  at  6.9  bar pressure did not contain any errors compared to C-scan and A-scan. In order to find the glass transition temperatures of the produced samples, the Dynamic Mechanical Analysis test was performed in the DMA Q800 device in accordance with the EN6032 standard. The Tg values of the samples produced at 2.7 bar pressure were measured  as  a  minimum  of  187.50°C  and  a  maximum  of  193.44°C.  Moisture absorption reduces the glass transition temperature (Tg) of an epoxy resin. In the light of the studies carried out in the literature, since the autoclave pressure is low, it is not sufficient to prevent the formation of voids, causing the layers to bond weakly to each other, resulting in a low glass transition temperature.  The  Tg  values  of  the  samples  produced  at  6.9  bar  pressure  were  measured  as  a minimum of 195.75°C and a maximum of 205,24°C. Since a significant loss of epoxy properties  occurs  at the  glass  transition  temperature,  Tg often  defines  the  upper  use temperature of the composite material. As the increased autoclave pressure will reduce moisture absorption and provide better curing, higher glass transition temperature data have been achieved. In the DMA test, the glass transition temperature Tg of composite materials produced at 2.7 ± 0.30 bar was found to be 190.98 °C on average, while the average Tg value of composite materials produced at 6.9 ± 0.30 bar was found to be 199.60 °C. The highest Tg value was observed to be 205.24 °C at 6.9 bar.
Interlaminar shear strength test between layers was carried out in Instron 5966 device by preparing 5,4 mm long and 6.35 mm wide five-piece samples in accordance with EN 2563 standard. In the ILSS test, five samples were produced at both pressures, and average values were found by taking 5 values from each sample.  In the ILSS test, three samples were produced at both pressures, and average values were found by taking 5 values from each sample. Interlaminar shear strength values of
the samples produced at 2.7 bar pressure were recorded as 55.18, 59.89, 52.46 MPa. The  low  autoclave  pressure  caused  the  layers  to  bond  weakly  to  each  other  and therefore the shear strength between the layers to be low. Interlaminar  shear  strength  values  of  the  samples  produced  at  6.9  bar  pressure  are: 87.03, 87.60, 89.36 Mpa. It has been observed that the curing pressure directly affects the compression of the layers and the amount of voids and supports the resin flow and ILSS. While the average shear strength between the layers of composite materials produced at 2.7 bar is 55,84 MPa, the average shear strength  between the  layers of composite materials produced at 6.9 bar is 88 MPa. The highest ILSS value was observed to be 93,40 MPa at 6.9 bar. Accordingly,  it  was  observed  that  Tg  and  ILSS  values  increased  as  the  autoclave pressure increased. It can be said that there is a correlation between increasing Tg value and ILSS value. For this reason, the maximum temperature at which the material can be used has increased.