Halloysite nanotüp ve nano kauçuk parçacık takviyeli epoksi imalatı ve mekanik karakterizasyonu
Manufacturing and mechanical characterization of halloysite nanotube and nano rubber particle reinforced epoxy
Yazar: İNCİ PİR
Danışman: PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Epoksi = Epoxy ; Halloysit = Halloysite ; Kauçuk = Rubber

Özet:
Gelişen teknoloji ile birlikte mühendisler günümüzde yaygın olarak kullanılan demir, çelik gibi metal ve metal alaşımlarının yerine alternatif malzemeler aramaya başlamıştır. Alternatif malzemelerin araştırılmasındaki amaç ise bu malzemelere alternatif olarak hafiflik, dayanıklılık, üstün mekanik, elektriksel, kimyasal ve ısıl özellikler gösteren ve ekonomik açıdan daha avantajlı malzemeler ile birlikte çalışmaktır. Bu amaç doğrultusunda kompozit malzemelerin kullanıma yönelinmiştir ve geleneksel malzemelerin yerlerini kompozit malzemeler almaya başlamıştır. Kompozit malzemeler matris ve takviye fazlarından oluşmakta olup iki fazdaki malzemelerin fiziksel bir etki ile bir araya gelmesi ve malzeme içerisinde kendi özelliklerini kaybetmeden bulunması ile oluşurlar. Takviye malzemelerinin boyutlarının küçük olduğu durumlarda ise matris-takviye ara yüzey alanı artar ve etkileşimlerinin artması ile üstün özellikleri sahip kompozit malzeme elde edilir. Partikül takviyeli kompozit malzemeler havacılıktan elektroniğe, bilgisayardan gıda sektörüne kadar birçok alanda tasarlanmakta ve etkin olarak kullanılmaktadırlar.
Bu çalışmada halloysite nanotüp (HNT) takviyeli epoksi kompozit, CTBN (carboxyl-terminated butadiene-acrylonitrile) kauçuk takviyeli epoksi kompozit ve hem HNT hem CTBN kauçuk takviye edilmiş epoksi kompozit malzemeler üzerine çalışmalar yapılmıştır. Yapılan çalışmalar kapsamında epoksi matrisli kompozit malzemelerin mekanik karakterizasyonunun sayısal yöntemlerle, deneysel yöntemlerle ve taramalı elektron mikroskobu ile yapılması amaçlanmıştır.
Birinci bölümde kompozit malzemelerin kullanım alanları, bu çalışma kapsamında kullanılan takviye malzemeleri olan HNT ve CTBN kauçuk hakkında ve matris malzemesi olan epoksi reçine hakkında bilgilendirme yapılmıştır. HNT ve CTBN kauçuk takviyelerinin epoksi matris üzerindeki etkileri literatürden araştırılmış ve bu bölümde sunulmuştur. Ayrıca bu bölümde, kompozit malzemelerin mekanik karakterizasyonu için kullanılan sayısal ve deneysel yöntemlerden bahsedilmiş ve literatürde kullanılan yöntemler ve bu çalışmada kullanılan yöntemler hakkında yapılan literatür araştırmasına yer verilmiştir. Son olarak da bu bölümde kompozit malzemelerin imalat yöntemleri hakkında bilgilendirme yapılmıştır.
İkinci bölümde ise, kompozit malzemelerin mekanik karakterizasyonu için bu çalışma kapsamında kullanılan sayısal ve deneysel yöntemler ve taramalı elektron mikroskoobu hakkında bilgilendirme yapılmıştır. Yapılan hesaplara ve deney prosedürlerine yer verilmiştir. Çalışma kapsamıda kullanılan malzemelere, çalışılması amaçlanan kompozit malzemelerin imalat prosedürlerine yer verilmiş, malzeme üzerinde deneysel olarak gerçekleştirilecek karakterizasyon çalışmalarının uygun sonuçlar vermesi için imalat sırasında dikkat edilmesi gereken unsurlar vurgulanmıştır. 
Bu tezin üçüncü bölümünde ise deneysel ve numerik çalışmaların sonuçları ve taramalı elektron mikroskobu görüntüleri verilmiş ve bu verilerin ışığında malzeme karakerizayonu yapılmışır. Her bir malzeme kombinasyonunun farklı deneyler altında ve farklı deney hızlarındaki davranışları elde edilmiştir. Elde edilen sonuçların ışığında malzemenin davranışı yorumlanmış ve sonuçlar tartışılmıştır.
Dördüncü bölümde ise genel bir değerlendirme yapılmış, kapanış bölümü sunulmuş ve gelecek çalışmalar için çeşitli önerilerde bulunulmuştur.

Abstract:
With the developing technology, engineers have started to look for alternative materials instead of traditional engineering materials namely metals and alloys such as iron and steel, which are widely used today. The common aim of these research studies is to study materials that exhibit lightweight, durability, superior mechanical, electrical, chemical and thermal properties and are feasible. For this reason, composite materials started to be used more often and widely replacing the traditional materials. 
Composite materials usually consist of two phases, namely, matrix and reinforcement phases, and they are formed by the physical combination of materials in these phases and existing in the material without losing their physical properties. In the cases where the dimensions of the reinforcement materials are very small, the matrix-reinforcement interface area increases and with the increase of their interactions, nanocomposite materials with superior properties are obtained. Particle-reinforced composite materials are designed and used effectively in many areas from aviation to electronics, from computers to the food industry. Thus, this thesis is structured around the numerical and experimental investigation of the mechanical properties of nanocomposites. Hence, the present thesis consists of four chapters and in this summary section where each chapter is also briefly explained. 
To be more specific, in this study, investigations are carried out on halloysite nanotube (HNT) reinforced epoxy composite, carboxyl-terminated butadiene-acrylonitrile (CTBN) rubber particle reinforced epoxy composites and both HNT and CTBN rubber reinforced epoxy composite materials. Here, it is aimed to explore the effects of the addition of HNT, and CTBN rubber reinforcements on epoxy composites individually and together which allows one to investigate the synergetic effect of HNT and CTBN rubber reinforcement on the epoxy-based composite material. Within the scope of this study, mechanical characterization of epoxy matrix composite materials by numerical methods, experimental methods performed and internal structure of samples are observed using the scanning electron microscope. 
In the first chapter, an introduction to the thesis is formulated, which defines the research problem, and the knowledge present in the literature is given, which also includes the usage areas of composite materials and the reinforcing materials used in this study. Since the composite material is made of HNT and CTBN rubber particles as reinforcements and the epoxy polymer which is the matrix material, the studies published in the literature, that investigate the effects of the individual presence of HNT and CTBN rubber reinforcement particles on the mechanical properties of the epoxy-based polymeric composites, are presented in this section. Moreover, the numerical modelling methods and experimental methods, that are used in the mechanical characterization of composite materials, and scanning electron microscopy method for the characterization of composite materials' internal morphology and structure are explained. Also, a literature review of the methods used in this study is presented in this first section alongside the manufacturing processes and methods for the preparation of the composite materials in the literature are summarized.
In the second chapter, the manufacturing process of the composite materials as well as the experimental and numerical methods used in this study for the mechanical characterization of composite materials and the scanning electron microscopy method is explained in detail. To manufacture the composite samples, moulding and degassing processes are found to be crucial. Thus, a Teflon mould is manufactured and the samples are cast into this manufactured mould. To be able to perform the degassing, a vacuum chamber is also manufactured in which the mould would fit. The experimental characterization process consists of tensile tests, three-point bending tests, and Charpy impact tests. These tests are carried out within the scope of this study and they are described here presenting all the necessary details regarding these procedures. In order to identify the viscoelastic behaviour of composite materials manufactured, the samples are put through tensile tests and three point bending tests at different strain rates. In terms of numerical procedures, the Mori-Tanaka mean-field homogenization method and the Halpin-Tsai model for composite modelling are chosen. These modelling techniques are also described in detail and the way they are applied is presented. 
In the third chapter of this thesis, the results of strain rate dependent tensile and three-point bending tests, Charpy impact tests, Mori-Tanaka homogenization method and Halpin-Tsai model, and scanning electron microscopy images are given. The behaviour of each material combination is obtained for tensile and three-point bending tests and at different strain rates and results are given. Conducting the tensile and three-point bending tests at various strain rates is a useful technique for the identification of the strain rate dependent mechanical properties. The scanning electron microscopy images suggest that there are no significant material flaws exist in the microstructure of the composite material. From the results of the mechanical characterisation, it can be said that HNT and CTBN reinforcements have significantly opposite effects on the epoxy-based polymeric composites. While HNT reinforcement increases the material stiffness, CTBN rubber reinforced epoxy shows a softer behaviour. Also, usually, HNT reinforcements tend to lead to a brittle behaviour whereas CTBN rubber increases ductility and toughness. When the synergetic effect of HNT and CTBN rubber reinforcements is examined, it is observed that the samples show both high stiffness and ductile behaviour. The numerical studies, it is aimed to evaluate the stiffness variation of the epoxy matrix with different reinforcement materials and reinforcement ratios. The results of the numerical studies coincide with the experimental results. When the numerical results are examined, it is seen that the HNT additive to the epoxy matrix increases the rigidity of the material, while the CTBN rubber reinforcement to the epoxy matrix decreases the stiffness of the material. It is concluded that the synergetic effect of CTBN and HNT additives on the stiffness of the composite material depends on the reinforcement ratios, in some cases stiffness of the epoxy matrix increases and in some cases, it decreases. The data acquired show that all types of reinforcement lead to toughening behaviour. However, CTBN rubber particle reinforced epoxy-based composites are found to be the best in terms of impact resistance. 
In the fourth chapter, a general assessment is carried out, and the work done and the acquired results are summarised. Hence, the conclusion part is presented and various suggestions are discussed for future studies.
It is believed that in the future, the manufacturing of composites using these and similar reinforcements together and examining their mechanical properties will become a necessity in terms of designing composite materials and expanding their application areas. Therefore, it is recommended to address this issue in future studies.