Termoplastik keçe katmanın karbon kumaş-cam kumaş/ epoksi kompozitlerde mekanik özelliklerine ve dinamik davranışlarına etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of thermoplastic veil layer on mechanical properties and dynamic behavior in carbon fabric-glass fabric/epoxy composites
Yazar: YAVUZ SELİM TARİH
Danışman: PROF. DR. ÖMER GÜNDOĞDU ; DOÇ. DR. ADEM YAR
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Cam elyafı = Fiberglass ; Düşük hızlı darbe = Low velocity impact ; Frekans = Frequency ; Karbon lifler = Carbon fibers ; Termoplastik = Thermoplastic

Özet:
Amaç: Tabakalı kompozit yapılar, günümüzde birçok sektörde kullanılmaktadırlar. Dolayısıyla bu yapılara olan talep giderek artmaktadır.  Özellikle havacılık alanında tabakalı kompozit yapılar daha yoğun ilgi görmektedir. Bu geniş kullanım alanları, kompozit malzemeleri çalışma ortamları açısından başta mekanik ve dinamik gibi çeşitli yönlerde etkilemektedir. Mekanik ve dinamik yüklere maruz kalan bu yapılarda oluşan zamana bağımlı değişken gerilmeler, titreşimler ve yorulmalar kompozit malzemelerin hem içyapısını hem de dış yapısını olumsuz yönde etkilemektedir. Bu durum ise kompozit malzemelerin emniyetli kullanım ömürlerini azaltmaktadır. Elyaf takviyeli tabakalı kompozit yapıların ekonomik kullanım ömürlerini olumsuz yönde etileyen faktörlerin giderilmemesi ya da minimize edilememesi önemli bir problemdir. Bu sorun/sorunların giderilmesi için, endüstriyel bazda yaygın kullanım alanına sahip olan elyaf kumaşların arasına beş farklı termoplastik keçe katmanları ilave edilerek yeni kompozit yapıların oluşturulması amaçlanmıştır.
Yöntem: Bu çalışma kapsamında, elyaf kumaş olarak karbon ve cam elyaf, termoplastik keçe katmanı olarak da Poliamid (PA), Polieter eter keton (PEEK), Polfenilen sülfür (PPS), Polietermit (PEI) ve Poliimid (PI) keçeler kullanılmıştır. Üretimler Vakum Destekli Reçine Transferiyle Kalıplama (VARTM) yöntemiyle yapılarak ilgili ASTM sıtandartarına göre mekanik (üç nokta eğilme, düşük hızlı darbe ve ILSS) ve dinamik (doğal frekans ve sönüm oranı) testler yapılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar ile termoplastik keçe katmanlı karbon elyaf/epoksi-cam elyaf/ epoksi kompozitlerde hem keçe katmanlarının hem de farklı elyaf içeriklerinin etkisini belirlemek amacıyla mekanik ve dinamik özellikleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir.
Bulgular: Bu inceleme sonuçlarınada termoplastik keçe katmanları, interlaminar kayma mukavemetini, düşük hızlı darbe dayanımını ve titreşim karakteristiğini (doğal frekans ve sönüm oranlarını) iyileştirdiği bulunmuştur. Fakat kullanılan termoplastik keçe katmanları, eğilme dayanımını -sonuçları açısından- ya etkisiz bırakmış ya da dayanımını azalttığı gözlemlenmiştir. 
Sonuç: Gelişmiş kompozit malzemelerin hem ekonomik açıdan hem de yapısal olarak daha verimli tasarlanabilmesi için ara katman dahil edilmesi oldukça önemlidir. Kompozit yapı kesme yüklerine maruz kalacaksa PA, PPS, PEI ve PEEK keçeler tercih edilmesi daha uygun olacaktır. Ayrıca çalışma koşulları gereği darbeye her an maruz kalabilecek kompozit yapılar için PA keçe katmanlı kompozit yapılar kullanılması mantıklı bir yaklaşım olacaktır. Dayanıklık ve etkili kullanım ömrü açısından yapısal kısıtların dikkate alınarak, uygun kumaş türü ve uygun termoplastik keçe türünün doğru seçilmesi oldukça önemlidir.

Abstract:
Purpose: Laminar composite structures are used in a multi-sectoral manner today. Therefore, the demand for these structures is gradually increasing. Especially in the field of aviation, layered composite structures are attracting more intense attention. These wide areas of use affect composite materials in various aspects, especially mechanical and dynamic ones, in terms of working environments. The time-dependent variable stresses, vibrations and fatigue that occur in these structures exposed to mechanical and dynamic loads negatively affect both the internal structure and the external structure of composite materials. This reduces the safe service life of composite materials. It is an important problem that the factors that negatively affect the economic service life of fiber-reinforced layered composite structures are not eliminated or minimized. In order to eliminate these problems, it is aimed to create new composite structures by adding five different thermoplastic veil layers between the fiber fabrics that have a widespread use area on an industrial basis.
Method: In this study, carbon and glass fiber were used as fiber fabrics, Polyamide (PA), Polyether ether ketone (PEEK), polyphenylene sulfide (PPS), Polyethermite (PEI) and Polyimide (PI) were used as thermoplastic veil layers. The productions were made by Vacuum Assisted Resin Transfer Molding (VARTM) method and mechanical (three-point bending, low speed impact and ILSS) and dynamic (natural frequency and damping ratio) tests were carried out according to the relevant ASTM standarts. With the experimental results obtained, the mechanical and dynamic properties of thermoplastic veil layers in carbon fiber / epoxy-glass fiber/ epoxy composites were examined comparatively in order to determine the effect of both felt layers and different fiber contents.
Findings: In the results of this study, it was found that thermoplastic veil layers improved interlaminar shear strength, low-velocity impact resistance and vibration characteristics (natural frequency and damping ratios). However, the thermoplastic veil layers used were either ineffective in terms of bending strength results or they were observed to reduce the strength.
Results: It is very important to include an intermediate layer so that advanced composite materials can be designed more economically and decisively. If the composite structure will be subjected to cutting loads, it will be more appropriate to prefer PA, PPS, PEI and PEEK veils. In addition, it would be a logical approach to use PA veil layered composite structures for composite structures that may be exposed to impact at any time due to operating conditions. Taking into account the structural constraints in terms of durability and effective service life, it is very important to choose the right type of fabric and the appropriate type of thermoplastic veil correctly.