Elektrospun PAN nanofiber ve grafen oksit ile takviye edilmiş polimer kompozit tabakaların mekanik performansının belirlenmesi
Determination of mechanical performance of electrospun PAN nanofiber and graphen oxide reinforced polymer composite plates
Yazar: MUSTAFA SEVBAN AKKAYA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ VOLKAN ESKİZEYBEK
Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Havacılık uygulamalarında giderek artan kullanım alanına sahip olan fiber takviyeli kompozitler (FTK) üretim hatalarından, artık gerilmelerden veya statik/dinamik yüklemelerden dolayı hasara uğramaktadır. Bu hasarlar özellikle düzlem dışı yüklemeler ve yükler sonucunda tabakalar arası matrisçe zengin bölgede oluşan delaminasyon hasarlarıdır ve delaminasyon servis ömrü sırasında FTK'in yapısal dayanımını azaltarak kalıcı hasara neden olmaktadır.
Bu motivasyondan yola çıkılarak çalışma ile havacılık uygulamalarında kullanılmak üzere karbon fiber/epoksi polimer kompozitinin tabakalar arası dayanımını arttırmak amaçlanmıştır. Bunun için PAN (Poliakrilonitril) nanofiber ve grafen oksit (GO) film hibrit tabaka ile takviye edilmiş yeni bir kompozitin geliştirilerek, bu ürünün mekanik performansı incelenmiştir.
Bu çalışmada öncelikle PAN esaslı nanofiberlerin sentezi elektro eğirme tekniğiyle gerçekleştirilmiştir. Ardından PAN nanofiberler üzerine grafit tozundan kimyasal yöntemler yardımı ile üretilen GO farklı kalınlıklarda olacak şekilde (6,5-13,3-26,6 µm) film şeklinde biriktirilmiş ve sürekli hibrit bir tabaka elde edilmiştir. Daha sonra hibrit tabaka, tabakalı karbon epoksi kompozitinin reçinece zengin kısmına takviye olarak ilave edilerek ileri kompozit üretimi gerçekleştirilmiştir. Tabaklar arasına yerleştirilen farklı kalınlıklardaki PAN/GO hibrit tabakasının kompozitin mekanik özelliklerine etkisinin belirlenmesi için eğme, kesme, mod II ve dinamik mekanik analiz testleri uygulanmıştır.
Hibrit tabaka ile takviye edilen kompozit numunelerin eğilme deneyi sonuçlarına göre yalnızca PAN nanofiber ile takviye edilmiş kompozite göre tüm numunelerde artan GO film kalınlığı ile birlikte eğilme dayanımı azalmıştır. Kısa kesme kuvveti sonuçlarına göre PAN nanofiber takviyeli kompozitlere göre % 9 luk artış elde edilmiştir. Üretilen kompozit malzemelerin mod II tabakalar arası kırılma tokluğu değerleri referans kompozite göre % 56'ya varan düşüşler göstermiştir. Dinamik mekanik analiz sonuçlarına göre en yüksek depolama modülü değerlerinin oda sıcaklığında en düşük kalınlıktaki GO filmi içeren numuneler için 1.8 GPa seviyelerinde olduğu ölçülmüştür. Taramalı elektron mikroskobu analizleri sonucunda PAN nanofiber ve GO film arasında gelişen çatlakların yapısal bir kusur gibi davranan çatlak başlangıçlarına neden olduğu, bununla birlikte yüzeyler arası fiziksel uyumsuzluğun ve bu yüzeyler arasındaki yapışma probleminin üretilen ileri kompozitlerin performansını olumsuz etkilediği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Fiber Reinforced Composites (FTK), which are increasingly used in aerospace applications, are damaged by manufacturing failures, residual stresses, or static/dynamic loading. These damages are delamination damages that occur in the matrix rich region between layers, especially as a result of off-plane loads and loads, resulting in permanent damage by reducing the structural strength of the FTK during the delamination service life.
Based on this motivation, the study aims to increase the inter-layer resistance of carbon fiber/epoxy polymer composite for use in aerospace applications. For this, the mechanical performance of this product was studied by developing a new composite reinforced with PAN (polyacrylonitrile) nanofiber and graphene oxide (GO) film hybrid layer.
In this study, the synthesis of PAN-based nanofibers was performed by electro spinning technique. Then pan nanofibers are produced with the help of chemical methods from graphite powder so that the GO is of different thicknesses (6,5-13,3-26,6 µm) were deposited in film form and a continuous hybrid layer was obtained. Later, the hybrid layer was added as reinforcement to the resin-rich part of the stratified carbon epoxy composite and advanced composite production was carried out. Bending, cutting, mode II and dynamic mechanical analysis tests were applied to determine the effect of the pan/GO hybrid layer of different thickness placed between plates on the mechanical properties of the composite.
According to the results of the bending experiment of composite samples reinforced with hybrid layer, bending resistance was reduced with increased GO film thickness in all samples compared to composite reinforced with PAN nanofiber only. Short shear force results showed a 9 % increase in PAN nanofiber reinforced composites The mode II inter-layer fracture toughness values of the composite materials produced showed declines of up to 56 % compared to the reference composite. According to the results of dynamic mechanical analysis, the highest storage module values were measured at 1.8 GPa levels for samples containing the lowest thickness GO film at room temperature. Scanning electron microscopy Analyses concluded that cracks developing between PAN nanofiber and GO film cause crack onset acting as a structural defect, however, physical mismatch between surfaces and the adhesion problem between these surfaces negatively affect the performance of the Advanced Composites produced.