Elektromanyetik kalkanlama özelliğine sahip termoplastik kompozitlerin üretilmesi
Production of the thermoplastic composites with electromagnetic shielding property
Yazar: AYŞE SEZER HİÇYILMAZ
Danışman: PROF. DR. AYŞE BEDELOĞLU
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Polimer Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Polimer Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Polimer Bilim ve Teknolojisi = Polymer Science and Technology
Dizin: Fonksiyonel polimerler = Functional polymers ; Kompozit polimerler = Composite polymers ; Lif takviyeli polimerler = Fiber reinforced polymers ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Polimer kompozitler = Polymer composites

Özet:
21. yüzyılın teknolojisindeki gelişmeler ile hayatımıza girerek vazgeçilmez olan akıllı 
cep telefonları, elektronik aletler, elektrikli araçlar, kablosuz internet ağları, uydu, 
radar, iletişim veya sensör sistemleri insan yaşamını kolaylaştırırken, bu cihazların 
yaydığı elektromanyetik (EM) radyasyonların insan sağlığına olumsuz etkileri giderek 
artmaktadır. Ayrıca elektromanyetik girişim olayı da cihazların sağlıklı çalışmasını 
engellemektedir. Son yıllarda, toplumun bu konuda bilinçlenmesi ve ilgili kurumların 
EM girişimi önleme ve elektromanyetik alana maruz kalma sınırları üzerine yönerge 
ve standartlar yayınlamasıyla elektromanyetik kalkanlama yapan malzemelerin önemi 
artmıştır. Elektronik cihazlar, sistemler ve araçlarda yaygın olarak kullanılan 
termoplastik malzemelerin hem geri dönüştürülebilir hem de EM kalkanlama (EMK)
özelliğine sahip olması, çevre problemlerinin azaltılması, insan sağlığı ve cihaz 
güvenliği açısından kritik bir önem kazanmıştır.
Bu tezin amacı, geri dönüştürülebilir termoplastik bir polimer olan poli(bütilen 
teraftalat) (PBT) matris ile nikel kaplı karbon elyaf ve titanyum dioksit-nikel kaplı 
karbon elyaf takviyeler ile matriste TiO2 nanopartiküllerinin katkı olarak kullanıldığı, 
elektronik cihazlarda, otomotiv, havacılık, savunma sektörlerinde kullanım alanı 
bulabilecek, EMK özelliğine sahip kompozitler geliştirilmesidir.
Bu tez çalışmasında, öncelikle, elektrodepozisyon yöntemi ile karbon elyafa nikel ve 
TiO2-Nikel kaplaması yapılması için optimum kaplama parametreleri belirlenmiştir ve 
kaplanan karbon elyafların elektriksel, morfolojik, yapısal özellikleri incelenmiştir. 
Sonrasında, nikel ve TiO2 nanopartikülleri ile kaplanmış kesikli karbon elyaflar, PBT
polimeriyle çift vidalı ekstrüder kullanılarak karıştırılmış ve enjeksiyon kalıplama 
yöntemi ile kompozit test plakaları üretilmiştir. Katkı tiplerinin ve oranlarının,
geliştirilen kompozitlerin termal, mekanik, elektriksel özellikleri ve EMK etkinliği 
üzerindeki etkileri incelenmiştir. Son kısımda ise, matrise eklenen TiO2
nanopartiküllerinin etkisini inceleyebilmek için; PBT granüllere TiO2 nanopartikülleri 
kaplanmış, sonrasında nikel kaplanmış karbon elyaflar ile çift vidalı ekstrüder 
kullanılarak karıştırılmış ve enjeksiyon kalıplama yöntemi ile kompozit test plakaları 
üretilmiştir. TiO2 nanopartikül miktarının ve katkı tiplerinin, üretilen kompozitlerin 
termal, mekanik, elektriksel özellikleri ve EMK etkinliği üzerindeki etkileri 
incelenmiştir.
Sonuç olarak, 3 mm kalınlığa sahip, ağırlıkça %30 oranında TiO2-Nikel kaplanmış 
karbon elyaf içeren PBT kompozitleri ile 8 - 13 GHz frekans aralığında, ortalama 55,1
xxi
dB (%99,9997) EMK etkinliği elde edilirken; 500 MHz - 4 GHz frekans aralığında 
ortalama 18,4 dB (%98,4151) EMK etkinliği elde edilmiştir.
TiO2 nanopartiküllerinin, karbon elyaflara nikel ile birlikte kaplanması yerine, matriste 
dağılmış halde kullanılmasının hem düşük frekans (500 MHz - 4 GHz) hem de yüksek 
frekans aralığında (8 - 13 GHz) EMK özelliğine daha fazla katkısı olduğu sonucuna 
varılmıştır.
3 mm kalınlığa sahip, ağırlıkça %20 oranında nikel kaplanmış karbon elyaf içeren PBT 
kompozitine, ağırlıkça %3 oranında TiO2 eklenmesiyle, 8 - 13 GHz frekans 
aralığındaki ortalama EMK değeri, %18,2 oranında artış göstererek, 44,1 dB
(%99,9961)'den 51,7 dB'e (%99,9994) yükselmiştir. Ayrıca, %30 oranında nikel 
kaplanmış karbon elyaf içeren PBT kompozitinin EMK değerine (56,0 dB, %99,9997)
yakın bir etkinlik elde edilmiştir. TiO2 nanopartiküllerinin katkısıyla, daha düşük 
ağırlığa ve yoğunluğa sahip kompozit ile 8-13 GHz frekans aralığında yüksek EMK 
etkinliği sağlanmıştır.
Elektriksel iletkenlik ve manyetik özelliğe sahip nikel kaplanmış karbon elyaflar ve 
dielektrik özelliğe sahip TiO2 nanopartikülleri arasında sinerjik bir etki olduğu 
sonucuna varılmıştır. Geliştirilen kompozitler, elektrik-elektronik, otomotiv, 
havacılık, savunma sanayinde elektromanyetik kalkanlama uygulamalarında 
kullanılabilecektir.

Abstract:
While smart mobile phones, electronic devices, electric vehicles, wireless internet 
networks, satellite, radar, communication or sensor systems, which are indispensable 
by entering our lives as a result of the developments in technology in the 21st century, 
make human life easier, the negative effects on human health caused by the 
electromagnetic (EM) radiations emitted by these devices are gradually increasing. In 
addition, electromagnetic interference prevents the devices from working properly. In 
recent years, the importance of electromagnetic shielding materials has increased with 
the awareness of the society on this issue and the publication of guidelines and 
standards by relevant institutions on EM interference prevention and exposure limits 
to electromagnetic field. In this respect, EM shielding materials gained critical 
importance especially for recyclable thermoplastic materials which are used 
extensively in electronic devices and systems or vehicles, in terms of reducing 
environmental problems, human health and device safety.
The aim of this thesis is to develop thermoplastic composites with EM shielding
properties, which can be used in electronic devices, automotive, aerospace and defense 
sectors, using poly(butylene terephthalate) (PBT) matrix, a recyclable thermoplastic 
polymer, and nickel-coated carbon fiber and titanium dioxide-nickel-coated carbon 
fiber reinforcements and TiO2 nanoparticles in the matrix as additives.
In this thesis, first of all, optimum coating parameters for nickel and TiO2-Nickel 
coating on carbon fiber by electrodeposition method were determined. Electrical, 
morphological and structural properties of coated carbon fibers were investigated. 
Afterwards, carbon fibers coated with nickel and TiO2 nanoparticles were mixed with 
PBT polymer by melt mixing method with a twin screw extruder and composite test 
plates were produced by injection molding method. The effects of additive types and 
ratios on the thermal, mechanical, electrical properties and EM shielding efficiency of 
the developed composites were investigated. In the last part, in order to examine the 
effect of TiO2 nanoparticles added to the matrix; PBT granules were coated with TiO2, 
then mixed with nickel-plated carbon fibers with a twin screw extruder, and composite 
test plates were produced by injection molding method. The effects of TiO2
nanoparticle amount and additive types on the thermal, mechanical, electrical 
properties and EM shielding efficiency of the produced composites were investigated.
As a result, an average of 55.1 dB (99.9997%) EM shielding efficiency was achieved 
in the 8 - 13 GHz frequency range with PBT composites with a thickness of 3 mm
containing 30% by weight TiO2-Nickel coated carbon fiber, an average of 18.4 dB EM 
xxiii
shielding efficiency (98.4151%) was obtained in the 500 MHz - 4 GHz frequency 
range.
It was concluded that the use of TiO2 nanoparticles as dispersed in the matrix instead 
of coating the carbon fibers with nickel contributes more to the EM shielding
properties both in the low frequency range (500 MHz - 4 GHz) and in the high 
frequency range (8 - 13 GHz). With the addition of 3% by weight TiO2 to the 3 mm 
thick PBT composite containing 20% by weight of nickel-plated carbon fiber, the 
average EM shielding value in the 8 - 13 GHz frequency range increased by 18.2%, 
reaching from 44.1 dB (99,9961%) to 51.7 dB (99.9994%). In addition, an efficiency 
close to the EM shielding value (56.0 dB, 99.9997%) of the PBT composite containing 
30% nickel-coated carbon fiber was obtained. With the contribution of TiO2
nanoparticles, the EM shielding efficiency was increased in the 8 - 13 GHz frequency 
range with the composite with lower weight and density.
It was concluded that there is a synergistic effect between nickel coated carbon fiber 
with electrical conductivity and magnetic properties and TiO2 nanoparticles with 
dielectric properties. Developed composites can be used in electromagnetic shielding 
applications in electrical-electronics, automotive, aerospace and defense industries.