Tanecik takviyeli polimer matrisli kompozit malzemelerin fiziksel, mekanik özelliklerinin modellenmesi ve sonlu elemanlar yöntemi ile doğrulanması
Modeling of physical, mechanical properties of particle reinforced polymer matrix composite materials and its verification by finite element method
Yazar: FERDİ YILDIRIM
Danışman: PROF. DR. BİLAL DEMİREL
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology

Özet:
Bu tez çalışmasında kalsiyum karbonat (CaCO3) takviyeli polipropilen (PP) matrisli kompozit malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda; ağırlıkça % 5, % 15, % 30, % 60 katkı oranları belirlenerek çift vidalı ekstrüder yardımıyla CaCO3/PP kompozit peletler hazırlanmıştır. Daha sonra CaCO3/PP kompozit peletlerden dikey enjeksiyon kalıplama yöntemi ile mekanik test numuneleri üretilmiştir.  Kompozit malzemelerin karakterizasyonuna yönelik olarak partikül boyut analizi, XRD, TGA, DSC, FTIR, SEM analizleri gerçekleştirilmiştir. Son olarak kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini belirlemek için çekme ve üç nokta eğme testleri gerçekleştirilmiştir. Simülasyon çalışmalarında ise ağırlıkça % 5, % 15, % 30, % 60 katkı oranlarındaki CaCO3/PP kompozit malzemelerin çekme ve eğilme dayanımı Digimat-Mean Field (MF) homejenizasyon tekniği ve ANSYS sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak analiz edilmiştir. Simülasyon çalışmalarında iki aşamalı çok-boyutlu modelleme yaklaşımı kullanılmıştır. İlk aşamada Digimat-MF kompozit modelleme yazılımı kullanılarak CaCO3/PP kompozit yapıların mikro-mekanik özellikleri elde edilmiştir. İkinci aşamada ise ANSYS yazılımı içerisinde Digimat arayüzü oluşturularak CaCO3/PP kompozit malzemelerin çekme ve üç nokta eğme testleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın son kısmında ise CaCO3/PP kompozit malzemelerin çekme ve eğilme dayanımları deneysel ve simülasyon çalışmaları ile karşılaştırılmıştır. 

Anahtar Kelimeler: Digimat, ANSYS, Kompozit, Kalsit, Polipropilen, Mekanik özellikler, Sonlu elemanlar yöntemi, Çok-boyutlu modelleme

Abstract:
In this thesis, the physical and mechanical properties of calcium carbonate (CaCO3) reinforced polypropylene (PP) matrix composite materials were investigated. In experimental studies; by determining 5%, 15%, 30%, 60% by weight additive rates, CaCO3/PP composite pellets were prepared with the help of twin screw extruder. Then, mechanical test specimens were produced from CaCO3/PP composite pellets by vertical injection molding method. Particle size analysis, XRD, TGA, DSC, FTIR, SEM analyzes were performed for the characterization of composite materials. Finally, tensile and three-point bending tests were performed to determine the mechanical properties of composite materials. In simulation studies, the tensile and flexural strength of CaCO3/PP composite materials at 5%, 15%, 30%, 60% by weight additives were analyzed using Digimat-Mean Field (MF) homogenization technique and ANSYS finite element method. Two-stage multi-scale modeling approach was used in the simulation studies. In the first stage, micro-mechanical properties of CaCO3/PP composite structures were obtained using Digimat-MF composite modeling software. In the second stage, the tensile and three-point bending tests of CaCO3/PP composite materials were carried out by creating a Digimat interface within the ANSYS software. In the last part of the study, the tensile and flexural strengths of CaCO3/PP composite materials were compared with experimental and simulation studies.

Keywords: Digimat, ANSYS, Composite, Calcite, Polypropylene, Mechanical properties, Finite element method, Multi-scale modeling