Karbon nanotüp ve seramik nanopartikül takviyeli hibrit nanokompozit yapıştırıcıların mekanik özelliklerinin araştırılması
Investigation of mechanical properties of hybrid nanocomposite adhesives reinforced with carbon nanotube and ceramic nanoparticle
Yazar: ŞAKİR YAZMAN
Danışman: PROF. DR. AHMET AKDEMİR
Necmettin Erbakan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, ağırlıkça farklı oranlarda epoksi yapıştırıcı içerisine ilave edilen çok cidarlı karbon nanotüp (ÇCKNT), Al2O3 nanapartikül ve bunların ikisinin birlikte ilavesiyle elde edilen hibrit nanokompozit yapıştırıcıların ve bu yapıştırıcılar ile yapılan yapıştırma bağlantılarının mekanik özellikleri ve nanopartiküllerin mekanik özelliklere etkileri araştırılmıştır. 
Çalışmanın ilk aşamasında, ağırlıkça % 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5, 1.75 ve 2 oranlarında ÇCKNT ve Al2O3 nanopartikül ilaveli epoksi nanokompozit yapıştırıcıların mekanik özelliklerini belirlemek amacıyla ASTM D638-14 standartlarına uygun olarak her bir parametre için 10 ar adet çekme numunesi üretilmiştir. Nanopartiküllerin miktarının ve cinsinin, epoksi yapıştırıcının kürlenme davranışına, termal kararlılıklarına etkileri fourier dönüşümlü infrared (FTIR) spektrofotometre, diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ve termalgravimetrik analiz (TGA) karakterizasyon yöntemleri ile belirlenmiştir. Çekme deneyleri sonrasında elde edilen değerler (kopma gerilmesi, kopma uzaması) kullanılarak deney sonuçlarının ne derece güvenilir, kararlı ve tekrarlanabilir olduğunu belirlemek amacıyla Weibull istatiksel analizleri yapılmıştır. ÇCKNT ilaveli nanokompozit yapıştırıcıların çekme testleri sonucu, kopma gerilmesi ve uzama açısından en yüksek sonuçlar saf epoksiye göre sırasıyla, % 15.1 ve 50.6 artışla, %1.25 ÇCKNT ilaveli nanokompozitlerden elde edilmiştir. Al2O3 ilaveli nanakompozitlerde en yüksek kopma gerilmesi ve uzama değerleri sırasıyla saf epoksiye göre % 27.6 ve 75.6 artışla, %1 Al2O3 ilaveli epoksi nanokompozitlerden elde edilmiştir. Özelliklerin daha da iyileştirilmesi amacıyla, ağırlıkça %1.25 ÇCKNT ilavesine farklı oranlarda (% 0.5, 0.75 ve 1) Al2O3 nanopartikül ilavesi ile hibritleme yapılmıştır. Yine ağırlıkça %1 Al2O3 nanopartikül ilavesine farklı oranlarda (% 0.5, 0.75 ve 1) ÇCKNT ilavesi yapılıp üretilen hibrit nanokompozit yapıştırıcıların mekanik özellikleri incelenmiştir. Hibrit nanopartikül ilavesinde, ÇCKNT ve Al2O3 ilavelerine oranla kopma gerilmesi ve çekme modülü değerlerinde artışlar elde edilirken, buna karşın tokluk değerlerinde genel olarak düşüşlerin olduğu görülmüştür. Çekme deneyleri sonrası, numunelerin hasar yüzeylerinin optik mikroskop ve farklı büyültmelerde SEM görüntüleri alınıp nanopartiküllerin şeklinin, boyutlarının ve dağılımının kırılma davranışına etkileri ve toklaştırma mekanizmaları tartışılmıştır. Homojen dağılmış küresel şekildeki Al2O3 nanopartiküllerin mekanik özelliklere özellikle tokluğa etkisi, fiber şekilli ÇCKNT' lerden daha olumlu etkisinin olduğu belirlenmiştir. 
Çalışmanın ikinci aşamasında, epoksi nanokompozit yapıştırıcılar ile yapılan yapıştırma bağlantılarının mekanik özellikleri belirlenmiştir. Bu amaçla, havacılık ve uzay sanayiinde yaygın olarak kullanılan Al 2024-T3 malzemelerin tek taraflı bindirmeli yapıştırma bağlantıları ASTM D1002-10 standartlarında uygun olarak yapılmıştır.  Yapıştırılan alüminyum numunelerin yüzeyleri, ASTM D2651-01 standardında belirlenen şartlara göre ilk olarak sülfürik asit - sodyum dikromat çözeltisi ile dağlama (FPL) işleminden sonra ASTM D3933-98 standartlarına uygun olarak fosforik asit anodizasyonu (PAA) yöntemleri ile hazırlanmıştır. Hazırlanan yüzeylerin pürüzlülük değerleri ölçülmüş ve yüzeylerinde oluşan pürüzlülüklerin morfolojisi atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve optik mikroskopta alınan görüntüler ile incelenmiştir. Epoksi yapıştırıcıya ilave edilen nanopartiküllerin, ıslatabilirliğe etkisini görmek amacıyla bütün ilave oranlarında ıslatma temas açıları ölçülmüştür. Hazırlanan tek taraflı bindirmeli yapıştırma bağlantılarına çekme testleri yapılarak, kayma gerilmesi, kayma uzaması ve tokluk değerleri belirlenmiştir. ÇCKNT ilaveli nanokompozit yapıştırıcılar ile yapılan yapıştırma bağlantılarında en yüksek kayma gerilmesi ve kayma uzaması değerleri, saf epoksi yapıştırıcılarla yapılan yapıştırma bağlantılarına göre sırasıyla % 20.1 ve 54.7 artışla % 1.25 ÇCKNT ilaveli nanokompozit yapıştırıcılarla yapılan yapıştırma bağlantılarından elde edilmiştir. Al2O3 nanopartikül ilaveli nanokompozit yapıştırıcılarla yapılan yapıştırma bağlantılarında en yüksek kayma gerilmesi ve kayma uzaması değerleri, saf epoksi yapıştırıcılarla yapılan yapıştırma bağlantılarına oranla sırasıyla % 38.6 ve 81.9 artışla, % 1 Al2O3 nanopartikül ilaveli nanokompozit ile yapılan yapıştırma bağlantılarından elde edilmiştir. Hibrit nanokompozit yapıştırıcılar ile yapılan yapıştırma bağlantılarının kayma gerilmesi, kayma uzaması ve tokluk değerlerinin, saf epoksiye göre yüksek çıkmasına rağmen, ÇCKNT ve Al2O3 nanopartikül ilaveli yapıştırıcılarla yapılan yapıştırma bağlantılarına göre düşüşler olduğu görülmüştür. Nanokompozit yapıştırıcıların mukavemet ve tokluk özelliklerindeki iyileşme yapıştırma bağlantılarının mukavemetini olumlu yönde etkilerken, bunun yanında rijitlikteki yüksek artış oranları yapıştırma bağlantılarının mukavemetini düşürmektedir.

Abstract:
In this study, the aim was investigating effect of multi-walled carbon nanotube (MWCNT), Al2O3 and their hybrid reinforcement on mechanical properties of epoxy adhesive by adding different weight ratios. 
In the first stage of study, in order to identify mechanical properties of MWCNT and Al2O3 reinforced epoxy nanocomposite adhesive with proportions of % 0.5, 0.75, 1, 1.25, 1.5, 1.75 and 2 by weight, 10 tensile test specimens are produced for each parameter according to ASTM D638-14 standard. Effect of nanoparticles' amount and kind on curing behavior and thermal stability of epoxy adhesive were determined through fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), differential scanning calorimetry (DSC) and thermogravimetric analysis (TGA). In order to identify reliability, stability and repeatability of experiment results, Weibull statistical analyses were conducted through using data (stress, elongation) which were gathered as a result of tensile tests. Best tensile test results for MWCNT reinforced nanocomposite adhesives were achieved at 1.25% addition with 15.1 and  50.6 % increment in regard to stress and elongation with respect to neat epoxy. Best stress and elongation values for Al2O3 reinforced nanocomposites were gained from 1% addition with 27.6 and 75.6 % increase with respect to neat epoxy. To enhance the properties more, 1.25 % of MWCNT reinforcement was hybridized with different Al2O3 ratios (0.5, 0.75 and 1 %) by weight. Furthermore, 1% Al2O3 reinforcement was hybridized with different ratios of MWCNT (0.5, 0.75 and 1) by weight and produced nanocomposite adhesives' mechanical properties were investigated. Although, there were increase in stress and tensile modulus in respect to MWCNT and Al2O3 additions with the reinforcement of hybrid nanoparticle, decreases were found generally at toughness values. After tensile tests, damaged surfaces of specimens were investigated through optic microscope and with different magnifications of SEM images and discussed to identify effects of nanoparticles' shape, dimensions and dispersion on fracture behavior and toughness mechanisms. Homogenous dispersed spherical shaped Al2O3 nanoparticles were found to affect mechanical properties better than fiber shaped MWCNTs.
In the second stage of study, mechanical properties of adhesively bonded joints, which was bond with epoxy nanocomposite adhesives, were determined. In respect to this, Al 2024-T3 materials, which are used in aerospace industry commonly, single-lap joints were made according to ASTM D1002-10 standards. Surfaces of adhesively bonded aluminum specimens were prepared through subjecting firstly etching (FPL) according to ASTM D2651-01 standard with sulfuric acid – sodium dichromate solution then anodizing with phosphoric acid (PAA) according to ASTM D3933-98 standard. Roughness values of deformed surfaces were measured and occurred roughnesses' morphologies were investigated through atomic force microscope and images that were gathered from optic microscope. In order to determine effect of nanoparticles, which reinforced epoxy adhesive, on wettability, contact angles were measured for every addition amount. Shear stress, shear elongation and toughness values were identified through conducting tensile test to prepared single-lap joints. Best results for MWCNT reinforced nanocomposite adhesives were achieved by 1.25 MWCNT reinforcement as increment in shear stress and elongation values in respect to adhesively bonded joints by neat epoxy, with 20.1 and 54.7 % increase respectively. In adhesively bonded joints by Al2O3 nanoparticle reinforced adhesives, best results were achieved with 1 % Al2O3 addition, increases for shear stress and elongation were 38.6 % and 81.9 % respectively. In joints which were made by hybrid nanocomposite adhesives, shear stress and elongation values were increased in respect to neat epoxy adhesives, but decreases were found in respect to joints which were made by MWCNT and Al2O3 reinforced adhesives. Although, increment in stress and toughness properties of adhesives affected positively strength of joint, high increment in rigidity makes strength of joint decrease. Results, which were gathered through experimental works, compared with previous works in literature.