Hegzagonal bor nitrür katkılı karbon/bazalt hibrit kompozitlerin karakterizasyonu ve mekanik özelliklerinin araştırılması
Characterization and investigation of the mechanical characteristics of hexagonal boron nitride doped carbon/basalt hybrid composites
Yazar: FATMA BAKAL GÜMÜŞ
Danışman: PROF. DR. AHMET YAPICI
İskenderun Teknik Üniversitesi / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Mekanik özellikler = Mechanical properties

Özet:
Bu çalışmanın amacı, elle yatırma ve vakum torbalama tekniği ile hegzagonal nano bor nitrür (h-nBN) katkılı karbon kumaş, bazalt kumaş ve hibrit (karbon kumaş+bazalt kumaş) takviyeli polimer matrisli kompozitlerin üretilmesi ve yapısal, termal ve mekanik olarak karekterize edilmesidir.  Kompozit malzemelerin yapısına ağırlıkça %1; %2; %4 oranlarında h-nBN katılmıştır.  Elde edilen malzemelerin mekanik özelliklerinin tayininde, ASTM D3039 standardına göre çekme, ASTM D7264 standardına göre üç noktalı eğilme, ASTM D256 standardına göre darbe deneyleri kullanılmıştır. Diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) ve termal gravimetri (TGA) analizleri ile nano partikül ilavesinin kompozitlerin termal özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Numunelerdeki organik bileşenleri belirlemek için FTIR analizleri yapılmıştır. Kompozitlerin yapısal ve mikroyapısal özellikleri, X-ışını difraktometrisi (XRD) kullanılarak kapsamlı bir şekilde karakterize edilmiştir. Yüzey morfolojisi ve nano bor nitrürün dağılımları taramalı elektron mikroskobu (SEM)-EDS haritalama, çekme testinden sonra kırık yüzey morfolojileri ise stereo mikroskop ile incelenmiştir. Ayrıca numunelerin mikrodalga emilim özellikleri, 3-18 GHz frekans aralığında Agilent marka 2 Portlu PNA-L network analizör cihazında iletim/yansıma ölçümleri ile araştırılmıştır.
Mekanik deneylerden elde edilen sonuçlara göre, kompozit malzemelere eklenen h-nBN partikülleri, belli oranlarda, kompozitin çekme, eğilme ve darbe dayanımlarını arttırmıştır.  Hegzagonal nano bor nitrür katkılı malzemeler içerisinde en yüksek çekme ve eğilme dayanımları olan malzeme grupları, %1 h-nBN takviyeli, en yüksek darbe dayanımı olan malzemeler ise %4 h-nBN takviyeli kompozitlerdir. Çekme deneyleri sonrasında ortaya çıkan hasarlar gözlemlenerek hasar türü tespit edilmiştir. Bunlar katmanlar arasındaki zayıf ara yüzey yapışmasından kaynaklanan matris çatlaması, lif kırılması ve delaminasyondur. Ayrıca h-nBN takviyesinin polimer matrisli kompozit malzemelerin mikrodalga emilimi üzerinde de olumlu etkileri olduğu saptanmıştır. Çalışmalar sonucunda referans malzemeleri daha nitelikli bir kompozit ürüne dönüştürülmüştür.

Abstract:
The aim of this study is the production of hexagonal nano boron nitride (h-nBN) doped carbon fabric, basalt fabric, and hybrid (carbon fabric+basalt fabric) reinforced polymer matrix composites by hand lay up and vacuum bagging technique and characterized structural, thermal and mechanical. The composites were reinforced by 1 wt.%; 2wt.%; 4 wt.  ratios with h-nBN. Tensile tests according to the ASTM D3039 standard, three-point bending according to the ASTM D7264 standard and impact experiments according to the ASTM D256 standard were carried out to determine the mechanical properties of the composite samples. The effects of nanoparticle addition on the thermal properties of composites were investigated by differential scanning calorimetry (DSC) and thermal gravimetry (TGA) analyses. FTIR analyses were performed to determine the organic components in the samples. The structural and microstructural properties of composites have been extensively characterized using X-ray diffractometry (XRD). Surface morphology and dispersions of nano boron nitride were investigated using Scanning Electron Microscopy- EDS Mapping, the fracture morphologies were investigated after tensile test by means of stereo microscope. Microwave properties of samples were investigated through transmission/reflection measurements in Agilent brand 2-Port PNA-L Network Analyzer in the frequency range of 3-18 GHz.
According to mechanical test results, the addition of the h-nBN particles increased the tensile, bending and impact strengths of the composite in certain proportions. The highest tensile and bending strength were obtained at 1 wt.% h-nBN ratios and the highest impact results obtained at 4 wt.% h-nBN ratios. Types of the damage formation were determined by the observation of damages occuring after tensile testing. These are matrix cracking, fiber breakage, and delamination caused by poor interface adhesion between layers. In addition, it has been determined that h-nBN reinforcement has positive effects on microwave absorption properties of polymer matrix composite materials. As a result of the studies, the reference materials have been transformed into a more qualified composite product.