Tek fazlı ve çok fazlı kayma ile kalınlaşan akışkan emprenye edilmiş aramid fiber kompozit yapıların düşük hızlı darbe ve batma yükleri altındaki davranışlarının incelenmesi
Investigation of the behavior of single-phase and multi-phase shear-thickening fluid-impregnated aramid fiber composite structures under low-speed impact and puncture loads
Yazar: ABDULHALİM AŞKAN
Danışman: DOÇ. DR. MURAT AYDIN
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Sivil Havacılık Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Sivil Havacılık = Civil Aviation

Özet:
2000'li yılların başında kayma ile kalınlaşan akışkanların, hafif zırh sistemlerinin geliştirilmesinde kullanılabilirliği ile ilgili yapılan ilk çalışmalar, zırhların darbe direncinin geliştirilmesine farklı bir yön vermiştir. Kayma ile kalınlaşan akışkanlar (KKA), uygulanan kayma gerilmesi ile viskoziteleri artan, Newtonyan olmayan (non-Newtonian) koloidal dispersiyonlardır. Kayma oranı arttığında, akışkanın viskozitesinde belirgin ve süreksiz bir artış meydana gelirken, uygulanan kayma gerilmesi ortadan kalktığında akışkanın viskozitesi tekrar azalmakta ve ilk haline geri dönmektedir. Bu akışkanların hafif zırh tasarımında kullanılmasının altında yatan temel gerekçe, akışkanın kuvvet altında sertleşen spesifik özelliğinden faydalanarak olası bir darbeyi kısmen sönümleyebilmektir. 
Bu tez çalışmasında silika ve polietilen glikol ile sentezlenen kayma ile kalınlaşan akışkanlar, aramid kumaşa emprenye edilerek kompozit numuneler üretilmiş ve düşük hızlı darbe ile yarı-statik delme testlerine tabi tutulmuştur. Öncelikle akışkan içerisindeki silika artış oranının etkisi test edilmiştir. Ardından, KKA içerisine ağırlıkça %5, 10 ve 20 oranlarında bor karbür takviye edilerek, bor karbür takviye oranının etkisi araştırılmıştır. Son olarak, bor karbür parçacık boyutunun etkisini ortaya koymak için farklı parçacık boyutlarında üç farklı bor karbür, %10 ve \%20 oranlarında kayma ile kalınlaşan akışkana takviye edilmiş ve düşük hızlı darbe ile yarı-statik kesilme direnci test edilmiştir. 
Yapılan testler kayma ile kalınlaşan akışkan içerisindeki silika oranının, KKA/fiber kompozitinin düşük hızlı darbe ve yarı-statik delme direncinin gelişiminde belirleyici rol oynadığını ortaya koymuştur. Silika artışı ile KKA emprenye edilmiş numunelerin dinamik darbe ve yarı-statik delinme direnci önemli derecede artış göstermiştir. 
Bor karbür takviyesi, dinamik darbe testlerinde kritik bir katkı oranına kadar kompozitin direncinde artış sağlarken, kritik değerin üzerinde bor karbür atışı direncin hafif azalmasına neden olmuştur. Söz konusu kritik bor karbür oranı %10 olarak belirlenmiştir. Yarı-statik testlerde ise bor karbür artış oranı ile direnç az da olsa artış göstermiştir ve bu testlerde herhangi kritik bir bor karbür oranı gözlemlenmemiştir. 
Bor karbür parçacık boyutu artışı, düşük hızlı darbe direncinde çarpıcı bir iyileşme sağlarken, yarı-statik testlerde delinme direncinde kayda değer bir artış sağlayamamıştır. Bu farklılık dinamik darbe ve yarı-statik test mekanizmaları ve bu testlerde kullanılan tehditlerin farklı olmasına atfedilmiştir. Dinamik darbe testlerinde numuneye yarı-küresel uçlu bir tehdit ile ani kuvvet uygulanması, KKA'nın kalınlaşma mekanizmasının ve parçacık sertliğinin darbe direncinde aktif rol almasını sağlamıştır. Ancak yarı-statik testlerde numuneye doğru devamlı (ani olmayan) kuvvet uygulanması ve tehdit olarak sivri uçlu ve keskin kenarlı olan bir bıçak kullanılması, yarı-statik testlerde KKA'nın kalınlaşma mekanizması ve parçacık sertliğinin dirence katkısını sınırlandırmıştır.

Abstract:
The initial studies undertaken in the early 2000s about the applicability of shear-thickening fluids in the advancement of soft armor systems provided a new approach to enhancing the impact resistance of armor. Shear-thickening fluids (STFs) are colloidal dispersions that display non-Newtonian behavior, indicating an increase in viscosity upon the application of shear force. As the shear rate increases, there is a notable and abrupt rise in the viscosity of the fluid. However, when the applied shear stress is removed, the viscosity of the fluid reduces once more and reverts back to its original state. The primary motivation for using these fluids in soft armor design is to take advantage of their capacity to thicken under force and provide some impact damping.
This thesis work involved the production of composite targets by impregnating shear-thickening fluids, which were created using silica and polyethylene glycol, into aramid fabric. These targets were then subjected to low-speed impact and quasi-static puncturing tests. The effect of the silica increase rate in the fluid was initially tested.  Subsequently, boron carbide was added to the STF in proportions of 5%, 10%, and 20%, and the impact of the boron carbide reinforcement ratio was examined. Ultimately, in order to demonstrate the effects of varying particle sizes of boron carbide, three distinct boron carbides with varied particle sizes were incorporated into the shear-thickening fluid at rates of 10\% and 20\%. Subsequently, low-speed impact and quasi-static puncture resistance tests were conducted.
The conducted experiments showed that the silica ratio in the shear-thickening fluid significantly influenced the low-speed impact and quasi-static puncture resistance of the STF/fabric composite. It was found that adding silica to STF-impregnated targets made them much more resistant to both impact and quasi-static knife deformation.
Adding boron carbide to the composite boosted its resistance in low-speed impact testing up to a certain contribution rate. However, adding more boron carbide beyond this critical value actually decreased the resistance. The precise boron carbide ratio in question was determined to be 10\%. During quasi-static tests, the resistance exhibited a modest rise as the boron carbide rate rose. Therefore, quasi-static testing did not reveal any significant boron carbide ratio.
Although increasing the size of boron carbide particles resulted in a remarkable enhancement in low-speed impact resistance, it did not lead to a substantial improvement in puncture resistance during quasi-static tests. The variation in results can be related to the distinct low-speed impact and quasi-static test procedures, as well as the diverse threats employed during these tests. During impact tests, the application of impact force to the target using a blunt-ended threat allowed the thickening mechanism and particle hardness of the STF to actively contribute to its impact resistance. Nevertheless, in quasi-static testing, the utilization of a pointed and sharp-edged knife as a threat, along with the application of a continuous (non-sudden) force towards the target, restricted the involvement of the thickening mechanism and particle hardness in the resistance.