Nanoparçacık takviyeli epoksi malzemelerin teorik ve deneysel incelemesi
Theoretical and experimental investigation of nanoparticle reinforced epoxy materials
Yazar: CAN DİKİCİOĞLU
Danışman: PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde kullanılan geleneksel malzemelerin mühendislik uygulamaları için yetersiz kalması, yaygın olarak kullanılan çelik benzeri metal alaşımların istenen özellikleri karşılamaması, yeni malzemelerin araştırılıp geliştirilmelerine sebep olmuştur. Geleneksel olarak kullanılan yetersiz malzemelere alternatif olarak üretilecek ve mühendislik uygulamalarında kullanılacak malzemelerin, yeterince hafif ve yüksek dayanımlı olması ve aynı zamanda mekanik, termal, kimyasal ve elektriksel özelliklerinin daha üstün olması ve maliyetlerinin daha düşük olarak kullanımlarının kolay bir hale gelmesi amaçlanmaktadır. Bu amaç için kompozit malzemeler, araştırılmaya ve geliştirilmeye başlanmıştır. Matris ve bir veya birden fazla takviyeden oluşan kompozit malzemeler, yapısında farklı fazlarda bulunan malzemelerin olumlu özelliklerinin bir araya gelmesi sonucunda geleneksel malzemelere göre daha üstün özellikler göstermektedirler. Matris içerisinde beraber bulunan takviye malzemeler, kendilerine özgü özellikleri koruyarak kompozit yapısı içerisinde yer alırlar. Takviye malzemelerin matris ile olan etkileşimini malzemenin boyutları ve geometrik özellikleri de etkilemektedir. Takviyelerin boyutlarının küçülmesi sonucunda artan yüzey alanı-hacim oranları, takviyelerin matris ile oluşturduğu etkin yüzeyini artırarak malzemenin mekanik özelliklerini daha iyi bir duruma getirmektedir. Nano ölçekte olan takviyeler, bu sebeplerden dolayı kompozit imalatında daha yaygın olarak tercih edilmeye başlanmıştır. Kompozitler günümüzde, havacılık, savunma, otomotiv, denizcilik, inşaat, enerji, sağlık, elektronik, makine gibi sektörlerde farklı amaçlar doğrultusunda sıklıkla kullanılmaktadır. Bunların yanı sıra, dünyanın sağlığı, gelecekte daha yaşanılabilir bir çevre için yenilenebilir kaynaklar, sürdürülebilir malzemeler ve teknolojiler oldukça önemlidir. Gelişen teknoloji doğrultusunda malzeme biliminde ve mühendislik uygulamalarında aranan üstün malzeme özellikleri ile birlikte sürdürülebilirlik, bir zorunluluk haline gelmiştir. Teknolojide, yeni gelişmelerin gerçekleşmesi ve ilerleme kat edilmesi için kullanılacak malzemelerin çevreye olan etkisi incelenip doğa için uygun olan malzemeler kullanılmalıdır. Bu çalışma kapsamında kompozit malzemeyi oluştururken takviye malzemesi seçimlerinde sürdürülebilirlik özellikleri de dikkate alınmıştır.
Çalışmada epoksi matrisli, selüloz nanofiber (CNF) ve halloysit nanotüp (HNT) takviyelerinin ağırlıkça farklı oranlarda birlikte ve ayrı ayrı bulunduğu nanokompozit malzemeler imal edilmiş ve bu doğrultuda incelemeler yapılmıştır. İmal edilen nanokompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesinin, çalışmada kullanılan sayısal modelleme yöntemleriyle, deneysel yöntemlerle ve taramalı elektron mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilen iç yapı incelemeleri ile gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. CNF ve HNT takviyelerinin birlikte bulunma durumunun epoksi reçine matris malzemeli nanokompozitlerdeki sinerjik etkileri araştırılmıştır.
İlk bölümde, kompozit malzemelerin geleneksel malzemelere göre üstün özelliklerinden, kompozit malzemelerin kullanım alanlarından, nano ölçekteki takviye malzemelerin kompozit yapısına kazandırdığı özelliklerden, çalışmada tasarlanan ve üretilen nanokompozit malzemelerde kullanılan epoksi reçine, CNF ve HNT takviyesi hakkında bilgi verilmiştir. CNF'nin takviye olarak nanokompozit malzemelerde kullanılmasının, malzemenin sürdürülebilirlik üzerindeki etkisi ve çevreye olan olumlu etkilerinden bahsedilmiştir. Literatürdeki çalışmalar incelenerek, CNF ve HNT takviyesinin, epoksi bazlı nanokompozit imalatında kullanılmasının malzeme özellikleri üzerindeki etkileri ve sonuçları incelenerek sunulmuştur. Çalışma kapsamında ayrıca kompozit malzemelerin tasarımının yapılması aşamasında mekanik özelliklerinin belirlenmesi için kullanılan sayısal modellemelerden ve deneysel yöntemlerden bahsedilmiştir. Malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi hakkında literatürde gerçekleştirilen çalışmalar incelenerek sunulmuştur. Bölümün sonunda, kompozit malzemelerin yaygın olarak kullanılan imalat yöntemleri hakkında bilgi verilmiştir.
İkinci bölümde, bu çalışma kapsamında kullanılan, kompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için tercih edilmiş sayısal modelleme yöntemleri ve deneysel yöntemler hakkında bilgi verilmiş, ayrıca iç yapı incelemelerini gerçekleştirmek üzere kullanılan taramalı elektron mikroskobu yöntemi açıklanmıştır. Sayısal yöntemler için kullanılan modeller, yapılan hesaplamalar ve çalışmada yapılan deneysel çalışmaların prosedürlerine detaylı bir şekilde yer verilmiştir. Çalışmada tasarımı ve imalatı yapılan nanokompozit malzemelerin içeriğindeki matris ve takviye malzemeleri, imalat prosedürleri, üretilen malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi  için gerçekleştirilen deneysel çalışmalar açıklanmıştır. Deneysel çalışma kapsamında üretilen numuneler kullanılarak çekme, üç noktadan eğme ve çentik darbe deneyleri gerçekleştirilmiştir. Sayısal yöntemler olarak Mori-Tanaka homojenleştirme yöntemi ve sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Ayrıca, kendi içerisinde ve birbirleriyle karşılaştırmalı olarak tutarlı sonuçların elde edilmesi için imalat sürecinde dikkat edilmesi gereken önemli hususlara değinilmiştir. Nano takviye içeren epoksi matrisli kompozit imalatından ve deneylerin standartlarına uygun numunelere göre tasarlandığından bahsedilmiştir. 
Üçüncü bölümde, çalışmada üretilen nanokompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için gerçekleştirilen deneysel çalışmaların sonucuna, yazılım yardımı ile yapılan sayısal modellemelerin sonucuna ve malzemelerin taramalı elektron mikroskobu yardımı ile alınmış iç yapı görüntülerine yer verilmiştir. Deneysel sonuçların olduğu kısımda, farklı malzeme grupları için gerçekleştirilen çekme, üç noktadan eğme ve çentik darbe deneylerinin sonuçları sunulmuştur. Ayrıca çalışmada kullanılan Mori-Tanaka homojenleştirme yöntemi ve sonlu elemanlar yönteminin farklı malzeme grupları için hesaplanan sonuçları karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Taramalı elektron mikroskobu yardımı ile gerçekleştirilen iç yapı incelemelerinde, malzemelerde önemli olacak süreksizliklerin bulunmadığı ve takviye malzemelerin matris içinde düzgün ve homojen bir şekilde dağıldığı belirtilmiştir. CNF ve HNT takviyesinin ağırlıkça farklı oranlarda birlikte ve ayrı ayrı bulunduğu nanokompozit malzemelerin, statik deformasyon hızı altında gerçekleştirilen deneylerin sonuçları incelenmiş ve malzemelerin davranışları gözlemlenmiştir. Sonuçlar doğrultusunda CNF takviyesinin epoksi matrisli nanokompozit malzemelerin rijitliğini önemli ölçüde artırdığı, HNT takviyesinin de malzemenin rijitliğini olumlu yönde etkilediği belirtilmiştir. Takviyelerin birlikte bulunma durumunda da sinerjitik etkilerle birlikte takviyelerin, nanokompozit malzemelerin mekanik özelliğini geliştirdiği sonuçlarla sunulmuştur. Sayısal yöntemler kullanılarak elde edilen sonuçların deneysel sonuçlara paralellik gösterdiği ancak daha yüksek olduğu, bu durumun yazılımda gerçekleştirilen sayısal modelleme için yapılan, takviyelerin matris içerisinde içerisinde homojen dağılım kabulünden dolayı gerçekleştiği açıklanmıştır.

Deneysel sonuçlar özetlendiği zaman, çekme deneyi sonuçları için HNT takviyesinin ağırlıkça %0,5 ve %1 olduğu durumlarda malzemenin elastisite modülü değerlerinin %49,87 ve %62,28 oranında arttığı, CNF takviyesinin ağırlıkça %0,5 ve %1 olduğu durumlarda elastisite modülü değerlerinin %19,87 ve %52,99 oranında arttığı görülmüştür.  Üç noktadan eğme deneyi sonuçları için HNT takviyesinin ağırlıkça %0,5 ve %1 olduğu durumlarda malzemenin eğilme modülü değerlerinin %14,42 ve %20,94 oranında arttığı, CNF takviyesinin ağırlıkça %0,5 ve %1 olduğu durumlarda eğilme modülü değerlerinin %20,59 ve %39,04 oranında arttığı görülmüştür. Takviyelerinin birlikte bulunma durumlarında, malzemenin rijitliğinde farklı oranlarda artış gerçekleşmesine sinerjik etkinin takviyelerin yalnız bulunma durumu referans alınarak karşılaştırıldığında beklenenin altında olduğu yorumlanmıştır.
Çalışmanın dördüncü bölümü olan son bölümünde, çalışma hakkında genel bir değerlendirme yapılarak ve sonuçların özetlenmesi ile birlikte yapılan çıkarımlardan bahsedilerek kapanış bölümü sunulmuştur. Ayrıca gelecekte yapılacak çalışmalar ve gerçekleştirilecek mühendislik uygulamaları için önerilerde bulunulmuştur. Süregelen çalışmalarda ve gelecekte, bu çalışmada kullanılan nanokompozitlere benzer olarak matris ve takviye malzemelerinin kullanılması durumunun aranan üstün mekanik özellikleri karşılayacağı ve doğanın korunması için kullanılan malzemelerin sürdürülebilir olduğu düşünülmektedir. Bu sebeplerden dolayı, çalışmaya paralel öneriler yapılmıştır.

Abstract:
The insufficiency of the materials now employed in engineering applications, along with their inability to match the desired properties of commonly used steel-like metal alloys, has prompted the exploration and creation of novel materials. The goal is to develop materials that can serve as alternatives to conventional, inadequate materials in engineering applications. These materials should possess a combination of desirable qualities, including being lightweight, durable, and having superior mechanical, thermal, chemical, and electrical properties. Additionally, they should be cost-effective and easy to use. In order to achieve this objective, there has been becoming a priority on the investigation and advancement of composite materials. Composite materials, which consist of a matrix and one or more reinforcement materials, surpass traditional materials by combining the benefitial characteristics of materials found in distinct phases of their manufacturing process. The reinforcements coexist within the matrix in a composite manufacturing while preserving their individual properties. The interaction between the materials and the matrix is affected by reinforcements' dimensions. The mechanical properties of the material are enhanced by reduced dimensions of the reinforcements, which leads to obtain greater surface area-volume ratios. Rise in this ratio, creates a larger active surface area generated between the reinforcements and the matrix. The use of nano-scale reinforcements has gained popularity in composite manufacturing due to these factors. Composite materials are widely utilized in aviation, defense, automotive, marine, construction, energy, health, electronics, and manufacturing industries. Furthermore, the utilization of renewable resources, sustainable materials and technologies are vital for the well-being of the planet and the establishment of a more sustainable environment in the future. The search for enhanced material qualities in materials science and engineering applications has made the sustainability a must as technology progresses. When it comes to technology, it is essential to thoroughly assess the environmental consequences of the materials used for new advancements and prioritize the usage of environmentally-friendly materials. The selection of materials was made with a focus on sustainability.
This study involved the manufacturing and investigation of nanocomposite materials consisting of an epoxy matrix, cellulose nanofiber (CNF), and halloysite nanotube (HNT) reinforcements. The material groups were manufactured in various weight ratios of reinforcements, combined and individually. The objective of this study is to perform the mechanical characterisation of the nanocomposite materials by utilizing numerical modeling methods, experimental techniques, and using scanning electron microscopy for internal structure analysis. The jointly assessed impacts of the presence of CNF and HNT reinforcements in nanocomposites with an epoxy resin matrix material were analyzed.
The first part of the study provided details on the enhanced characteristics of composite materials in comparison to conventional materials. The various applications of composite materials and the particular characteristics that nanoscale particle reinforced materials contribute to the composite structure is also discussed. Furthermore, the study emphasized the use of epoxy resin, CNF, and HNT reinforcement in the design and manufacturing of nanocomposite materials. The utilization of cellulose nanofibrils (CNF) as reinforcement in nanocomposite materials was discussed, pointing out its impact on the sustainability of the material and its beneficial effects on the environment. This thesis also presents the impacts of including CNF and HNT reinforcements in the manufacturing of epoxy-based nanocomposites on material properties, based on the studies of existing researchs in the literature. The use of numerical modeling and experimental approaches to mechanically investigate composite materials throughout the design process is discussed. A comprehensive evaluation and presentation of materials' characterization process in literature is also mentioned. The chapter concludes by providing details on the commonly used manufacturing techniques for composite materials.
The second part of this study explains the numerical modeling approaches and experimental techniques performed to analyze the mechanical properties of composite materials. Furthermore, the utilization of a scanning electron microscope for investigating the interior structure of these materials is discussed. The study provides a comprehensive description of the models utilized for the numerical approaches, conducted calculations, and the procedures used to execute the tests. This study also provides an explanation of the matrix and reinforcement materials used in the design and manufacture of nanocomposite materials. The manufacturing techniques and experimental tests conducted to characterize the manufactured materials are explained. The experimental study involved conducting tensile, three-point bending, and impact tests on the manufactured samples. The numerical methods employed in this study were the Mori-Tanaka homogenization method and the finite element method. Additionally, this research illustrates the crucial factors that must be taken into consideration during the manufacturing procedure in order to ensure consistent results. The manufacturing of epoxy matrix composites with nano-reinforcements was carried out by molding process. A Teflon mold, constructed to fulfill the requirements of the research's test procedures, was used as the casting mold. The significance of utilizing a vacuum incubator during the manufacturing process was emphasized due to the potential issues that can arise from exposure to air before and after the casting process.
The third part presents the results of the experimental studies, numerical analysis conducted to characterize the nanocomposite materials manufactured in this study.  Also, the internal structure images of the materials obtained using scanning electron microscopy. The experimental results section presents results of tensile, three-point bending, and impact tests conducted on several material groups. Furthermore, this research also poses a comparison of the results obtained from the Mori-Tanaka homogenization method and the finite element method, applied to several material groups. The internal structural investigations conducted using scanning electron microscopy confirmed that there were not any noteworthy discontinuities existed in the materials, and the reinforcements were homogeneously and uniformly dispersed throughout the matrix material. The mechanical properties of nanocomposite materials were observed by examining the results of experiments conducted under a static deformation rate. Materials contained both CNF and HNT reinforcement, either combined or separately, in various weight ratios. The results indicate that the addition of CNF reinforcement greatly enhances the stiffness of epoxy matrix nanocomposite materials, whilst the inclusion of HNT reinforcement has a minor beneficial impact on the material's stiffness compared to CNF reinforcement. The nanocomposite materials exhibit improved mechanical characteristics due to synergistic effects when the reinforcements were combined. The numerical approaches yield results that are similar to the experimental results, but slightly greater. This difference can be explained to the assumption of a perfect homogeneous distribution of reinforcements in the matrix during the numerical modeling conducted in the software.
When the experimental results are summarized, it was observed that the elastic modulus values of the material increased by 49.87% and 62.28% for the tensile test results when the HNT reinforcement was 0.5% and 1% by weight, respectively. For the CNF reinforcement, the elastic modulus values increased by 19.87% and 52.99% when the reinforcement was 0.5% and 1% by weight, respectively. For the three-point bending test results, the bending modulus values of the material increased by 14.42% and 20.94% when the HNT reinforcement was 0.5% and 1% by weight, respectively. For the CNF reinforcement, the bending modulus values increased by 20.59% and 39.04% when the reinforcement was 0.5% and 1% by weight, respectively. When both reinforcements were present together, it was interpreted that the increase in the material's rigidity was different from the expected synergistic effect when compared to the condition where the reinforcements were present alone.
The fourth part of the research, which is the concluding section, presents a comprehensive review of the investigation, briefly summarizes the results, and concludes with a summary. Additionally, recommendations were provided for future researchs and implementations in the field of engineering.
Research suggests that the utilization of matrix and reinforcement materials, similar to the nanocomposites used in this research, would achieve the desired superior mechanical properties in future studies. Furthermore, these materials are considered to be sustainable, thus contributing to the protection of the environment.