Nano parçacık katkılı epoksi yapıştırıcı ile birleştirilmiş T bağlantılı kompozit levhalarda enine darbe hasarının incelenmesi
Investigation of trausverse impact damage in T-jointed composite plates bonded with nanoparticle added epoxy adhesive
Yazar: ZEKİ TÜRKMEN
Danışman: PROF. DR. NECATİ ATABERK
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Darbe kuvveti = Impact force ; Epoksi bileşikleri = Epoxy compounds ; Grafen = Graphene ; Karbon nanotüp = Carbon nanotube ; Nanokompozitler = Nanocomposites ; Tabakalı kompozit levhalar = Laminated composite plates

Özet:
Kompozit malzemeler sahip oldukları üstün mühendislik özellikleri sebebiyle havacılık ve uzay sanayisi gibi önemli kullanım alanlarına sahiptirler. Kompozit malzemeler yüksek mekanik dayanım, sertlik, hafiflik, düşük termal genleşme ve yüksek sönümleme gibi birçok özellikleri ile mühendislik uygulamalarında kullanılan metallere üstünlük sağlamaktadır.
Bu çalışmada farklı kalınlıklardaki destek elemanlarının daha önce yapılmış çalışmalar incelenerek belirlenmiş oranlarda nano parçacık katkılı yapıştırıcılar ile T birleştirmelerinin darbe dayanımları teorik ve deneysel olarak incelenmiştir. Kullanılan kompozit levhanın matris malzemesi epoksi reçine olup takviye malzemesi ise karbonfiber kumaştır. Çalışmalarda 6, 8, 10 mm kalınlığında levhalar kullanılmıştır. Ayrıca plakaları birleştirmek için saf epoksi, ağırlıkça %0.3 grafen , %0.3 karbon nanotüp (CNT) katkılı epoksi ve ağırlıkça %0.15 grafen ile %0.15 karbon nanotüp katkılı epoksi (Hibrit) olmak üzere dört farklı yapıştırıcı kullanılmıştır. Kullanılan yapıştırıcıların çekme deneyi yapılarak kopma gerilmeleri ve % birim şekil değiştirmeleri elde edilip yapıştırılan T bağlantılı levhaların darbe deneyi sonucunda kuvvet-zaman grafikleri elde edilmiştir.
Çekme deneyi sonuçlarına göre saf epoksi yapıştırıcı için kopma gerilmesi 41 MPa , ağırlıkça %0,3 grafen katkılı yapıştırıcı kopma gerilmesi 56 MPa , ağırlıkça %0,3 CNT katkılı yapıştırıcı kopma gerilmesi 50 MPa ve ağırlıkça %0,15 grafen ile %0,15 CNT katkılı yapıştırıcının kopma gerilmesi 58 MPa olarak bulunmuştur. Aynı şekilde kopmadaki en küçük birim şekil değiştirme %3 mm/mm saf epoksi yapıştırıcı için görülürken ağırlıkça %0,3 grafen katkılı yapıştırıcı ve ağırlıkça %0,3 CNT katkılı yapıştırıcı için kopmadaki birim şekil değiştirme %4,3 mm/mm olmuştur. Kopmadaki en büyük birim şekil değiştirme değeri %4,5 mm/mm ile ağırlıkça %0,15 grafen ile %0,15 karbon nanotüp nano parçacık katkılı yapıştırıcı da görülmüştür. Buna göre hibrit nano kompozit malzeme saf epoksi malzeme ile karşılaştırıldığında çekme dayanımında %41 en büyük birim şekil değiştirmede ise %50 artış elde edilmiştir. Bu çalışmadan beklenen bir diğer önemli sonuç ise yapıştırıcıların tokluk değerleridir. Tokluk malzeme kırılıncaya kadar harcadığı enerjiyi ifade eder ve gerilme-birim şekil değiştirme eğrisinin altında kalan alana eşittir. Çekme deneyi sonucunda elde edilen grafiklere göre yapılan hesaplamalarda en büyük tokluk değeri 139,43x104 J/m3 olarak hibrit yapıştırıcıda görülmüştür.
Darbe deneyi sonucunda yapıştırıcı ile birleştirilmiş T bağlantılı kompozit levhalarda en küçük darbe kuvveti değeri saf epoksi yapıştırıcı ile birleştirilmiş 6 mm kalınlıklı levha için görülürken en büyük kuvvet değeri hibrit yapıştırıcı ile birleştirilmiş 10 mm kalınlıklı levhada görülmüştür.
Darbe deneyi sonucunda elde edilen kuvvet-zaman grafiği kullanılarak çarpma sonrası hızlar hesaplandığında en düşük hız değeri hibrit yapıştırıcı ile birleştirilmiş 10 mm kalınlıklı levhada görülürken en yüksek hız hibrit yapıştırıcı ile birleştirilmiş 6 mm kalınlıklı levhada görülmüştür. İlk hız tüm testler için aynı olduğundan bu sonuç daha fazla enerji yutulması anlamına gelmektedir. Bu sonuç çekme deneyinden elde edilen tokluk verileri ile uyumludur.Çalışmada ayrıca çekme deney parçaları ile darbe deney parçalarının kırık yüzey SEM görüntüleri incelenmiştir. Saf epoksi ile birleştirilmiş deney parçalarına göre hibrit deney parçalarının kırık yüzeyleri daha pürüzlü görülmektedir. Bunun anlamı kırılma için harcanan enerjinin hibrit deney parçalarında daha fazla olduğudur. Bu sonuç çekme deneyi sonuçları ile uyumludur.

Abstract:
Composite materials have important usage areas such as aerospace industry due to their superior engineering properties. Composite materials are superior to metals used in engineering applications with many properties such as high mechanical strength, hardness, lightness, low thermal expansion and high damping.
In this study, the impact strengths of nanoparticle added adhesives and T joints at determined ratios were determined theoretically and experimentally by examining previous studies of support elements of different thicknesses. The matrix material of the composite plate used is epoxy resin and the additive material is woven carbon fibers. In the studies; 6, 8, 10 mm thick plates were used. In addition, four different adhesives were used to join the plates: pure epoxy, 0.3% by weight graphene nanoparticle added epoxy, 0.3% carbon nanotube (CNT) nanoparticle added epoxy and 0.15% by weight graphene and 0.15% CNT added epoxy (Hybrid). Tensile test of the adhesives used, breaking stresses and strains in percent were obtained, and force-time graphs were obtained as a result of the impact test of the adhered T-joint plates.
According to the tensile test results, tensile stress for pure epoxy adhesive is 41 MPa, 0.3% by weight graphene-doped adhesive tensile stress is 56 MPa, 0.3% by weight CNT added adhesive breaking stress is 50 MPa and 0.15% by weight graphene and 0.15% CNT the breaking stress of the doped adhesive was found to be 58 MPa. Likewise, the smallest strain was observed for 3% mm/mm pure epoxy adhesive, while the strain was 4.3 mm/mm for 0.3% w/w graphene added adhesive and 0.3% wt CNT added adhesive. The biggest strain value of 4.5% mm/mm was observed in the adhesive with 0.15% graphene and 0.15% CNT by weight. Accordingly, when the hybrid nano-composite material is compared with the pure epoxy material, 41% increase in tensile strength and 50% increase in strain was obtained. Another important result expected from this study is the toughness values of the adhesives. Toughness refers to the energy consumed by the material until it breaks. It is equal to the area under the stress-strain curve. In the calculations made according to the graphics obtained as a result of the tensile test, the highest toughness value was seen as 139.43x104 J/m3 in the hybrid adhesive.
As a result of the impact test, the smallest force value was observed for the 6 mm thick plates bonded with pure epoxy adhesive, while the highest force value was observed for the 10 mm thick sheet joined with the hybrid adhesive in the T-jointed composite sheets bonded with adhesive.
When the post-impact velocities were calculated using the force-time graph obtained as a result of the impact experiments, the lowest velocity value was seen in the 10 mm thick plate bonded with hybrid adhesive, while the highest velocity was observed in the 6 mm thick plate bonded with hybrid adhesive. Since the initial velocity is the same for all tests, this result means more energy is absorbed. This result is compatible with the toughness data obtained from the tensile test.Fractured surface SEM images of tensile test specimens and impact test specimens were also examined in the study. Fractured surfaces of hybrid test pieces appear to be more rough compared to test pieces combined with pure epoxy. This means that the energy spent for fracture is higher in hybrid test pieces. This result is in agreement with the tensile test results.
When the post-impact velocities were calculated using the force-time graph obtained as a result of the impact test, the lowest velocity value was seen in the 10 mm thick plate bonded with hybrid adhesive, while the highest velocity was observed in the 6 mm thick plate bonded with hybrid adhesive. Since the initial velocity is the same for all tests, this result means more energy is absorbed. This result is compatible with the toughness data obtained from the tensile test.
Fractured surface SEM images of tensile test pieces and impact test pieces were also examined in the study. Fractured surfaces of hybrid test pieces appear to be more rough compared to test pieces combined with pure epoxy. This means that the energy spent for fracture is higher in hybrid test pieces. This result is in agreement with the tensile test results.