Yüksek performanslı polimer ve polimer kompozitlerin tribolojik özelliklerine proses şartlarının etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of process conditions on tribological properties of high-performance polymers and polymer composites
Yazar: AHMET MASLAVİ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN ÜNAL
Sakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Yüksek performanslı polimerler ve polimer kompozitler mekanik ve yüksek sıcaklıklara dayanım özelliklerinin ön plana çıktığı plastikler sınıfıdır. Özellikle kuru kayma şartları altında aşınma direnç özellikleriyle dikkat çekmektedir. Bu çalışmada, poli-eter-eter-keton (PEEK), poliamid-imid (PAI), poli-eter-imid (PEI), politetra-flor-etilen (PTFE) ve poliamid-6 (PA-6) polimer ile cam elyaf, karbon elyaf takviyeli sentetik mika, bronz, PTFE, grafit ve vaks katkılı kompozitlerinin aşınma ve sürtünme davranışları incelenmiştir. Tribolojik deneyler, kuru kayma şartlarında AISI 304 paslanmaz çelik diske karşı pim-disk aşınma test cihazında gerçekleştirilmiştir. Malzemelerin aşınma ve sürtünme davranışlarına polimer malzeme çeşidi, katkı çeşidi ve oranı ile kayma hızı ve uygulanan yükün etkisi incelenmiştir. Her bir polimer malzeme bir normal yük değeri için dört farklı kayma hızında test gerçekleştirilmiştir. Tribolojik deneylerde farklı yükler ve kayma hızları kullanılmıştır. Tribolojik deneylerde uygulanan yükler 30, 60, 100, 150, 200 ve 250 N, kayma hızları ise 1,0, 2,0, 3,0 ve 4,0 m/s olarak belirlenmiştir. Her bir test 2000 m kayma yolu boyunca gerçekleştirilmiştir. Tribolojik deneylerde spesifik aşınma oranı, sürtünme katsayısı ve pim/disk yüzey sıcaklıkları tespit edilmiştir. Yapılan tribolojik deneyler sonucunda uygulanan yüke ve hıza göre numunelerin spesifik aşınma oranı ve sürtünme katsayısı değişimleri malzeme gruplarına göre belirlenmiştir. Her bir gruptaki deney numunelerinin kendi arasındaki tribolojik çalışma alanları belirlenmiştir. Aynı zamanda her bir malzemenin aşınma mekanizması haritası oluşturulmuştur. Tribolojik deneyler sonucunda elde edilen aşınma yüzeylerinin sınırları belirlenmiştir. Deneylerde kullanılan tüm malzemelerin sürtünme katsayısı uygulanan yük ve kayma hızının artması ile azalma göstermiştir. Uygulanan yük ve kayma hızı arttıkça deneylerde kullanılan tüm malzemelerin spesifik aşınma oranı artmıştır. Çalışmalar sonucunda saf polimerlere göre katkı ve mukavemet artırıcı katkıların kompozitin aşınma oranı ve sürtünme katsayılarını belirli oranlarda düşürdüğü belirlenmiştir. En düşük sürtünme katsayısı ve spesifik aşınma oranı her bir grup içinde PEEK-HPV, PAI kompozit, PA6-GF-wax, PEI-30CF ve PTFE-207 polimer kompozitlerinde elde edilmiştir. Yapılan tribolojik deneyler sonucunda test numunelerinin aşınma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile disk yüzey incelemeleri ise optik mikroskop (OM) kullanılarak incelenmiştir.

Abstract:
High-performance polymers and polymer composites are a class of plastics known for their mechanical properties and resistance to high temperatures. They are particularly noted for their wear resistance under dry sliding conditions. In this study, the wear and friction behaviors of polyetheretherketone (PEEK), polyamide-imide (PAI), polyetherimide (PEI), polytetrafluoroethylene (PTFE), and polyamide-6 (PA-6) polymers, along with composites reinforced with glass fibers, carbon fibers, synthetic mica, bronze, PTFE, graphite, and wax, were investigated. Tribological tests were carried out under dry sliding conditions using an AISI 304 stainless steel disk in a pin-on-disk wear testing apparatus. The effects of polymer type, filler and reinforcement type and theirs content, sliding speed, and applied load on the wear and friction behaviors of the materials were analyzed. In the experiments, loads ranging from 30N to 250N and sliding speeds between 1,0 and 4,0 m/s were used. Specific wear rate, coefficient of friction, and pin/disk surface temperatures were measured in the tribological tests. The results of the tribological tests revealed changes in the specific wear rate and coefficient of friction according to the applied load and sliding speed for different material groups. The tribological operating ranges of the samples within each group were determined. Additionally, the wear mechanism map for each material was created. The wear surfaces obtained from the tribological tests were examined, and the boundaries of the wear areas were determined. The results showed that the addition of solid lubricants and reinforcements reduced the specific wear rate and coefficient of friction of the composite to certain extents compared to pure polymers. The lowest coefficient of friction and specific wear rate within each group were observed in PEEK-HPV, PAI composite, PA6-GF-wax, PEI-30CF, and PTFE-207 polymer composites. The wear surfaces of the test samples were analyzed using a scanning electron microscope (SEM), and disk surface inspections were performed using an optical microscope (OM).