Nanopartikül katkılı tabakalı kompozit malzemelerin darbe davranışı
Impact behavior of nanoparticle reinforced laminated composite materials
Yazar: ERAY SABANCI
Danışman: PROF. DR. ZÜLEYHA ASLAN
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Darbe deneyi = Impact test ; Epoksi = Epoxy ; Karbon nanotüp = Carbon nanotube ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites

Özet:
Bu çalışmada nanopartiküllerin kompozit malzemelerin darbe davranışı üzerine etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. Deneyler tek yönlü ve iki yönlü dokuma E-cam fiberler kullanılarak iki grup halinde gerçekleştirilmiştir. Birinci grupta öncelikle karbon nanotüp katkısının boyut etkisini incelemek için tek vuruşlu darbe ve tekrar eden darbe deneyleri yapılmıştır. Takviye malzemesi olarak üç farklı boyutta çok duvarlı karbon nanotüp (epoksi ağırlığına göre %0,3 oranında) matris malzemeye ilave edilmiştir. Daha sonra nanokil katkısının (epoksi ağırlığına göre %3 oranında) etkisi belirlenmiştir. Numuneler 8 tabakalı olarak ve iki yönlü dokuma kumaş kullanılarak üretilmiştir ve 20J ile 120J arasında değişen darbe enerjileri uygulanmıştır. 80J'de en küçük boyutlu karbon nanotüp katkısı absorbe edilen enerjiyi %31,30, temas kuvvetini %44,28 ve çökme miktarını %35,99 oranında iyileştirmiştir. Ayrıca 20J uygulanan tekrarlı darbe testlerinde delinme hasarı oluşturan tekrar sayısı %394,74 oranında artmıştır. İkinci grupta ise karbon nanotüp katkısının karışım oranı etkisini araştırmak için darbe ve darbe sonrası basma testleri yapılmıştır. En küçük boyuttaki karbon nanotüp epoksi ağırlığına göre %0,1, %0,2 ve %0,3 oranlarında kullanılmıştır. Numuneler 8 tabakalı, çapraz katlı olarak ve tek yönlü E-cam fiber kumaş kullanılarak imal edilmiştir. Darbe enerjileri 40J, 55J ve 70J olarak seçilmiştir. 55J'de temas kuvveti açısından en fazla iyileştirme %0,3 katkı oranında, absorbe edilen enerji ve çökme miktarı açısından ise %0,2 katkı oranında elde edilmiştir. Sonuç olarak en küçük boyutlu karbon nanotüp katkısının tek vuruşlu darbe ve tekrar eden darbe testlerinde en iyi sonuçları verdiği tespit edilmiştir. Darbe deneylerinde epoksi ağırlığına göre %0,2 ve %0,3 katkı oranının %0,1'e göre daha iyi olduğu, darbe sonrası basma testlerinde ise 0J ve 40J'de %0,2 katkı oranının, 55J'de %0,3 katkı oranının daha iyi olduğu, 70J'de ise katkısız numuneye kıyasla tüm oranlardaki karbon nanotüp katkısının CAI mukavemetini düşürdüğü sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this study, the effects of nanoparticles on the impact behavior of composite materials were investigated experimentally. Experiments were performed in two groups using unidirectional and woven E-glass fibers. In the first group, initially, single and repeated impact tests were conducted to examine the size effect of the carbon nanotube additive. Three different sizes of multi-walled carbon nanotubes (0.3 wt%) were added to the matrix material. Then, the effect of nanoclay (3 wt%) was determined. The specimens have eight layers and were produced using bidirectional woven fabric and impact energies ranging from 20J to 120J were applied. At 80J, the smallest carbon nanotube additive improved the absorbed energy by 31.30%, contact force by 44.28% and deflection by 35,99%. Additionally, the number of repetitions causing penetration damage increased by 394.74% in repeated impact tests at 20J. In the second group, impact and post-impact compression tests were carried out to investigate the mixing ratio effects of carbon nanotube. The smallest carbon nanotube was used at the rates of 0.1 wt%, 0.2 wt% and 0.3 wt%. The specimens manufactured using unidirectional E-glass fiber fabric are eight-layered and cross-ply. Impact energies were chosen as 40J, 55J and 70J. At 55J, while the most improvement was observed at the rate of 0.3 wt% according to contact force, it was formed at the rate of 0.2 wt% in terms of the absorbed energy and deflection. As a result, it has been determined that the smallest carbon nanotube additive gives the best results in single and repeated impact tests. For the impact tests, it has been concluded that 0.2 wt% and 0.3 wt% ratios were better than 0.1 wt%. In the post-impact compression tests, it has been concluded that 0.2 wt% ratio at 0J and 40J and 0.3 wt% ratio at 55J were better and at 70J, all ratios of carbon nanotube additives reduced CAI strength compared to the control sample.