Fonksiyonel kademelendirilmiş sandviç plakaların balistik davranışı
Ballistic impact behaviors of functionally graded sandwich plates
Yazar: MURAT AYDIN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KEMAL APALAK
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Balistik darbe = Ballistic impact ; Sandviç yapı elemanları = Sandwich structure elements ; Sonlu elemanlar yöntemi = Finite element method

Özet:
Bir insanı ya da bir aracı korumak için kullanılan koruyucu giysi, levha ya da kaplamaya zırh denir. Bilinen en eski zırh hayvan postları ve derilerinden yapılmıştır. Metal teknolojisinin gelişmesiyle zırh yapımında kullanılan malzemeleri bronz ve demir takip etmiştir. 15. yüzyılda geliştirilen yay, yaylı tüfek ve ateşli silahlara karşı korunmada mevcut zırhların savunma kabiliyetlerini kaybetmesiyle çelik plaka ve diskler kullanılmıştır. Silah sistemlerinin gelişimine paralel olarak, ağırlığın azaltılarak hareket kabiliyetinin arttırılması ihtiyacından dolayı daha sonraki yılarda bu malzemelerin yerini kompozit zırhlar almıştır. Günümüzde de gelişen tehditler karşısında daha etkin balistik koruma sağlayacak hafif ve yüksek performanslı zırhların geliştirilmesi kritik bir ihtiyaç haline gelmiştir. Bu sahadaki yeni malzeme arayışları seramik ön yüzlü kompozit zırhları ön plana çıkarmıştır. Her ne kadar balistik sistemlerde kullanılacak bir malzemeden beklenilen yüksek sertlik, termal direnç ve basma dayanımına seramik malzemeler sahip olsa dahi kırılgan bir yapıya sahip olmalarından dolayı tek başına bu amaç için kullanılmazlar. Ön yüz malzemesi olarak kullanılan seramik, merminin delici ucunu deforme ederken arka yüzeyde kullanılan metal ya da fiber takviyeli polimer matrisli kompozit enerjiyi absorbe ederek merminin durdurulmasını sağlamakta, mermi ve parçacıkları tutarak tam nufuziyeti engellemektedir. Katmanlı yapıya sahip bu plakalar yüksek mukavemetleri ve yüksek rijitlikleri nedeniyle balistik sistemlerde yaygın olarak kullanılırlar. Ancak, katmanlardaki malzeme özelliklerinin ani olarak değişmesi nedeniyle ara yüzeylerde yüksek gerilmeler meydana gelir ve bu gerilmeler de katmanlar arasında ayrılmalara (delaminasyon) neden olur. Bu olumsuz etkiler fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler (FGM) kullanılarak azaltılabilir ya da ortadan kaldırılabilir. Fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler (Functionally Graded Materials=FGMs) belirli bir pozisyonda malzeme kompozisyonunun sürekli olarak değiştiği yapılar olarak tanımlanırlar. Genellikle seramik-metal bileşiminden oluşan bu malzemeler kötü çalışma şartlarına sahip uygulamalar için son derece uygundurlar. Örneğin malzemenin bir tarafı yüksek mekanik dayanıma sahip olabilirken diğer tarafı ise yüksek ısıl dayanıma sahip olabilir, bu durum söz konusu malzemenin içerisinde iki ayrı özelliği barındırması demektir. Fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerde malzeme kompozisyonundaki değişim sürekli ya da kademeli olarak gelişir ismini de bu değişimden ötürü almıştır. Malzeme özellikleri, seramik yüzeyden metal yüzeye doğru oldukça yumuşak bir geçişe sahip olan fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler ileri malzemeler arasında oldukça ilgi çekicidir. Bu fonksiyonel geçiş sayesinde fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler yüksek sıcaklık gradyantına sahip ortamlara dayanım gösterdikleri gibi malzeme bütünlüğünü de koruyabilmektedirler. Ayrıca fonksiyonel kademelendirilmiş malzemeler, seramik-metal bağlantıların ara yüzeylerinde termo-mekanik uyumsuzlukların azaltıldığı ideal yapılardır ve böylece yüksek sıcaklık ortamlarında çalışan yapılarda oluşan artık gerilmeleri de azaltabilirler. Fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerdeki ısıl gerilmeler kompozisyonel ve mikro-yapısal dağılımın kontrol edilmesiyle azaltılabilir. Yine de fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerin çoğu kompozisyonundaki sürekli makroskobik değişimler nedeniyle artık gerilmelere sahiptirler ve bu artık gerilmeler fonksiyonel kademelendirilmiş malzemenin mekanik özelliklerini de etkiler. Her ne kadar yeni ve gelişme aşamasında olan bir teknoloji olsa da fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerin uygulama alanları uzay, nükleer ve otomobil endüstrileri gibi oldukça özellikli alanlardır. Ayrıca metal-seramik bileşenlere sahip fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerin büyük yapısal yüklemelere dayanım göstermesi ve balistik uygulamalarda sağladığı avantajlar nedeniyle savunma sanayinde kullanımı da öne sürülmüştür. Bu nedenle fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerin mekanik özelliklerinin ve malzeme karakterizasyonunun belirlenmesi oldukça önem taşımaktadır. Bu alanda yapılan çalışmalar fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerin ortaya atılmasından bu güne hızlı bir şekilde ilerlemektedir. Fonksiyonel kademelendirilmiş malzemelerin zor çalışma şartlarına sahip darbeli ortamlarda veya balistik amaçlı olarak da kullanıldıklarından dolayı bu malzemelerin darbe dayanımlarının belirlenmesi oldukça önemlidir. Bu tez çalışması ile, son derece kritik uygulamalara sahip olan farklı malzeme kompozisyonundaki fonksiyonel kademelendirilmiş sandviç plakalarda balistik darbe yükleme şartları altında meydana gelen hasar mekanizmaları ve deformasyonları sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Sayısal çalışmalarda, fonksiyonel kademelendirilmiş sandviç malzemelerin mikro yapısı esas alınarak oluşturulan nümerik modelin LS-DYNA yazılımında analizi yapılmıştır. Deneysel çalışmalarda ise toz istifleme sıcak presleme yöntemi ile üretilen fonksiyonel kademelendirilmiş sandviç plakaların balistik testleri yapılarak elde edilen sonuçların sayısal çalışmalarla uyumluluğu incelenmiştir. Çalışmanın en önemli sonucu; değişen malzeme kompozisyonu ile fonksiyonel kademelendirilmiş sandviç plakaların, balistik dayanımları ve hasar mekanizmalarının değiştiği bu sebeple doğru fonksiyonel yapının tasarlanması ve optimum kalınlık tespitinin söz konusu plakaların balistik amaçlar için kullanılabilirliği açısından önemli olduğudur.

Abstract:
Any protective cover made from clothing, plate or coating in order to protect a person or vehicle against to lethal effects is called armor. The oldest known armor was made of animal skins and leathers. In the development of metal technology, bronze and iron were appeared to be used for armor. For the first time, steel plates and discs began to be used an armor in the fifteenth century because the existing armor equipments lost their defensive abilities against to bow, crossbow and other weapons. In later years, composite armor was used in order to reduce weight and to increase mobility. Throughout history, the development of armor systems has continued to be parallel to the development of weapon systems. Today, the development of high-performance and light armors has become a critical requirement against emerging threats. The research for new materials in this field has brought ceramic-faced composite armors to the forefront. Eventhough having high hardness, thermal resistance and compressive strength, ceramics are not used as armor alone due to their brittle. In a firearm shot, through ceramic material, while the ceramic front-surface deforms tip of the bullet piercing, back-surface of the metal or fiber-reinforced polymer matrix composite absorbs the energy and prevents the perforation. Layered composite structures are widely used in ballistic systems due to their high strength and high stiffness. An abrupt change in their material properties across an interface between discrete materials introduces large interlaminar stresses that could cause delamination. One way to overcome this adverse effect is to use a functionally graded material (FGM). The mechanical and physical properties of functionally graded material (FGM) vary continuously along a direction in the macroscopic sense. In general, they are composed of ceramic and metal, and are most suitable structures in order to relieve thermo-mechanical mismatches along the bi-material interfaces; therefore, thermal residual stresses in such structures become more uniform in high temperature environments. FGMs have found special applications in the fields of economics such as aerospace, nuclear and automotive industries. FGMs can serve for ballistic purposes or percussive applications where the operating conditions are severe. Consequently, the mechanical behavior of FGMs becomes important under impact loadings. Functionally graded materials have been increasingly used in the design of impact resistant structures as well as in the design of advanced thermal barrier coatings. A functionally graded plate with a tailored ceramic to metal through-thickness gradient combines the superior features of ceramics and metals in the same material system. The ceramic side provides good protection against projectiles, while the metal-rich side offers toughness and strength to maintain the integrity of the structure as long as possible. Thus, the ceramic plates are used for single impact applications, whereas the FGM can be used multiple impact applications with high ballistic performance. The purpose of this thesis is to determine damage and deformation mechanisms of functionally graded sandwich plates, which have highly critical applications, under ballistic impact loads by means of both theoretical and experimental approaches. In the theoretical studies, the analysis of numerical models that developed on the base of micro structure of functionally graded sandwich materials was conducted using explicit code LS-DYNA software. In the experimental studies, the ballistic tests of functionally graded sandwich materials manufactured with powder stacking-hot pressing method were performed and the results were compared to the theoretical results.