Termal çevrimin bazalt-karbon ıntra-ply hibrit elyaf takviyeli karbon nanotüp veya grafen dolgulu polimer kompozitlerin mekanik ve termal özellikleri üzerindeki etkileri
The effect of thermal cycling on mechanical and thermal properties of graphene or carbon nanotube dispersed intra-ply basalt-karbon fiber hybrid polymer composites
Yazar: FARZİN AZİMPOUR SHİSHEVAN
Danışman: PROF. DR. HAMİT AKBULUT
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Mekanik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, peryodik değişken sıcaklık şartlarında çalışma kabiliyetine sahip, çekme kuvveti, eğilme momenti, kesme kuvveti gibi çeşitli mekanik yüklere karşı mukavemeti yüksek, ayrıca iyi kırılma ve darbe performansına sahip malzemelerin tasarlanması amaçlanmıştır. Bu amaca yönelik olarak, yüksek mekanik özelliklere sahip karbon elyafı ve yüksek termal stablite ve darbe performansına sahip bazalt elyafı, epoksi reçine içinde intra-ply hibrit elyaf yapısı olarak kullanılmıştır. Aynı zamanda, epoksinin termal genleşme katsayısını azaltmak ve elde edilen kompozitin termal ve mekanik davranışını iyileştirmek amacıyla, karbon-nanotüp (CNTs), graphene Nano Platelets (GNPs) gibi nanodolgu malzemeleri de reçine malzemesine eklenmiştir. Böylece, kompozitin tokluk ve mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi sağlanmıştır. Nanodolgu malzemelerin epoksiye eklenmesi, arayüzey bölgesinin iyileşmesine sebep olmuş ve elyaf ile reçine arasında daha kuvvetli bağ oluşmasına katkı sağlamıştır. 
Bu çalışma kapsamında, pür (saf) karbon, pür bazalt, pür Bazalt-karbon intra-ply hibrit takviye elemanları, %0,1 veya %0,5 oranlarında CNT veya GNP dolgulu matris malzemeleri ile onbeş çeşit çok-ölçekli kompozit malzeme vakum torbalama yöntemi kullanılarak üretilmiştir. 
Üretilen kompozitler, çalışma kapsamındaki deneylere tabi tutulmak amacıyla ASTM standartlarına göre farklı boyutlarda kesilerek deney numuneleri üretilmiştir. Numunelerin termal çevrimden önce ve sonraki mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla çekme, eğilme, tabakalar arası kayma mukavemeti (ILSS), düşük hız darbe ve titreşim deneyleri yapılmıştır. Ayrıca malzemelerin termal karakterizasyonu için termogravimetrik Analizi (TGA), uygulanmıştır. Termal çevrim deneyleri, oda sıcaklığındaki numunelerin 20, 40, 60 ve 80 çevrimlerde -50° ile +120°C aralığında her sıcaklıkta 10 dakika bekletilerek gerçekleştirilmiştir. 
Termal çevrimin kompozit malzemenin özellikleri üzerindeki etkilerini araştırmak amacıyla, numunelerin termal çevrim öncesi ve sonrası elastisite modülü, çekme mukavemeti, eğilme modülü, eğilme mukavemeti, tabakalar arası kayma mukavemeti, doğal frekans, sönüm oranı, maksimum darbe kuvveti, enerjisi, çökme değerleri gibi mekanik ve termal stablite, termal özellikleri belirlenerek kıyaslamalar yapılmıştır. 
Bu çalışmanın sonuç bölümü üç kısımdan oluşmaktadır; birinci kısımda, hibritleşmenin kompozit malzemenin mekanik ve termal özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır, ikinci bölümde, nanodolgu malzemelerin reçineye eklenmesi ile kompozitin özelliklerindeki değişimler incelenmiştir ve son bölümde ise, termal çevrimin kompozitlerin özelliklerindeki etkileri araştırılmıştır.

Abstract:
In this thesis, design of materials that are able to work in periodic transient thermal conditions, have high strength under different loads such as tensile load, bending moment and shear force and have good impact and fracture performance has been aimed. For this purpose, the carbon fibers having high mechanical properties and basalt fibers having high thermal stability and impact performance were hybridized in epoxy resin in intra-ply structure.
Furthermore, for decreasing the coefficient of thermal expansion of epoxy and improving the thermal behavior of the obtained composite, nano particles such as Carbon Nanotube (CNTs) or graphene Nano Platelets (GNPs) are dispersed in matrix material. Thus, improvement of the toughness and mechanical properties of the composite has been targeted. The dispersing nanoparticles in the epoxy improve the interface region and also has been yielded stronger bonds between fibers and matrix. In the scope, using pure carbon, pure basalt, pure carbon-basalt intra-ply hybrid reinforcements with matrix materials with 0,1% or 0,5% CNT or GNP, multi-scale composites have been fabricated in fifteen types by vacuum bagging (VARTM) method. The manufactured composites were cut in different dimensions in order to use the tests according to ASTM standards. In order to determine the mechanical properties of samples tensile, bending, inter-laminar shear strength, mod-I fracture, low velocity impact and vibration tests have been carried out before and after thermal cycling. Also, for thermal characterization the materials, Thermo Gravimetric Analyze (TGA) has been determined. Thermal shock tests have been carried out for the samples in room temperature and exposed to -50°C and +120°C and keeping samples for 10 minutes at each temperature for 20, 40, 60, and 80 cycles
For the investigation of thermal shock effects on the properties of composite material, modulus of elasticity, tensile strength, flexural modulus, flexural strength, inter laminar shear strength (ILSS), natural frequency, damping ratio, fracture toughness, maximum impact force, impact energy and impact deformation, thermal properties such as thermal stability has been determined and compared for after and before thermal cycling. 
The last chapter of this research includes three sections; in the first section, the effects of hybridization on thermal and mechanical properties of composites are examined, in the second section the effects of nano materials dispersing in matrix of composite are studied and in the last section effects of the thermal cycling on properties of composite material are investigated.