Aramid fiber takviyeli silika aerojel kompozitlerin balistik ve mekanik performansının belirlenmesi
Determination of ballistic and mechanic performance of aramid fiber reinforced silica aerogel composites
Yazar: HASAN YAVUZ ÜNAL
Danışman: PROF. DR. YELİZ PEKBEY
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tezde, laboratuvar ortamında süperkritik kurutucu ile kurutularak gözenek yapısı korunmuş çapraz bağlı silika aerojeller üretilmiştir. Silika aerojelin nano dolgu olarak nanokompozit ve kompozit malzemelerin mekanik, termal ve balistik özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Silika aerojelin yoğunluğu en düşük malzemelerden biri olması, yüksek yüzey alanı ve gözenek oranı bu dolgu malzemesinin seçiminde rol oynamıştır. El yatırması yöntemi ile üretilen kompozit plakalar su jeti ile kesilmiştir. Reçine ağırlığına göre % 1, % 2 ve % 3 oranında çapraz bağlı silika aerojel dolgusunun kompozit malzemenin özelliklerine olan etkisi ASTM ve NIJ standartlarında gerçekleştirilen testler ile belirlenmiştir. Reçine ağırlığına göre % 2 çapraz bağlı silika aerojel dolgusu, kompozit malzemenin mekanik özellikleri göz önüne alındığında en fazla katkıyı yapmıştır. Ayrıca, bu takviye oranında çekme dayanımı, elastisite modülü, eğme dayanımı, eğme modülü ve basma dayanımı takviyesiz kompozite göre sırasıyla yaklaşık % 20,43, % 30,91, % 10,09, % 24,01 ve % 3,62 oranında artmıştır. Bunun yanı sıra % 3 çapraz bağlı silika aerojel dolgusu camsı geçiş sıcaklığını takviyesiz kompozite kıyasla % 1,45 oranında arttırmıştır. Buna ek olarak çapraz bağlı silika aerojel dolgusu ile nanokompozit malzemeler üretilmiş olup çekme ve üç nokta eğme testlerine tabi tutulmuştur. Epoksi reçineye % 2 çapraz bağlı silika aerojel katkısı ile takviyesiz nanokompozite kıyasla çekme dayanımında % 74, elastisite modülünde % 5 ve toklukta % 641 artış kaydedilmiştir.
Takviyesiz ve % 2 çapraz bağlı silika aerojel dolgulu kompozit plakalardan on farklı kombinasyonda balistik hedef oluşturulmuştur. NIJ 0101.04 III-A standartına göre 436 m/s hızda gerçekleştirilen testler neticesinde, çapraz bağlı silika aerojel dolgulu kompozit plakanın mermi ile temas eden ön yüzde yer alması arka yüz imza değerini azaltmıştır. Çapraz bağlı silika aerojel takviyeli kompozit plakanın hedef plakadaki konumuna bağlı olarak merminin sebep olduğu arka yüzdeki yer değiştirme değeri değişmiş olup, minimum arka yüz imza değeri 16,63 mm tespit edilmiştir.
Sonlu elemanlar yöntemi ile takviyesiz kompozitin çekme testi analizi gerçekleştirilmiştir. Deney sonuçlarından elde edilen çekme dayanımına kıyasla nümerik analizde % 0,8 hata ile sonuç bulunmuştur. Kil destek malzemesi üzerine çelik kürenin serbest düşme analizi de nümerik olarak araştırılmıştır. Analiz sonucu bulunan yer değiştirme değeri standartta kabul edilen aralıkta, 18,1 mm olarak bulunmuştur. Deneysel olarak incelenen on farklı kombinasyonun ilk atışlarının nümerik modellemesi LS DYNA programında gerçekleştirilmiştir. Nümerik olarak oluşturulan model, yekpare ya da tek değişkenli plakaların balistik sonuçlarını, deneysel olarak bulunan sonuçlarla benzer bulmuştur.

Abstract:
In this thesis, cross-linked silica aerogels with preserved pore structure were produced by drying with a supercritical dryer in the laboratory. The effect of silica aerogel as nano filler on the mechanical, thermal and ballistic properties of nanocomposite and composite materials was investigated. The fact that silica aerogel is one of the lightest materials, its high surface area and pore ratio played a role in the selection of this filler material. Composite plates produced by hand lay-up method were cut with water jet. The effect of 1 %, 2 % and 3 % cross-linked silica aerogel filler according to resin weight on the properties of composite material was determined by tests performed in ASTM and NIJ standards. 2 % cross-linked silica aerogel filler by weight of the resin made the largest contribution when considering mechanical properties. In addition, at this reinforcement ratio, tensile strength, modulus of elasticity, flexural strength, flexural modulus and compressive strength increased by approximately 20.43 %, 30.91 %, 10.09 %, 24.01 % and 3.62 %, respectively, compared to the non-reinforced composite. Also, 3 % cross-linked silica aerogel filler increased the glass transition temperature by 1.45 % compared to the non-reinforced composite. Furthermore, nanocomposite materials were produced with cross-linked silica aerogel filler and subjected to tensile and three-point bending tests. With the addition of 2 % cross-linked silica aerogel to the epoxy resin, an increase of 74 % in tensile strength, 5 % in modulus of elasticity and 641 % in toughness was recorded.
Ten different combinations of ballistic targets were created from non-reinforced and 2 % cross-linked silica aerogel filled composite plates. As a result of the tests carried out at 436 m/s according to NIJ 0101.04 III-A standard, the presence of cross-linked silica aerogel filled composite plate on the front face in contact with the bullet reduced the back face signature value. Depending on the position of the cross-linked silica aerogel reinforced composite plate on the target plate, the displacement value on the back face caused by the bullet has changed, and the minimum back face signature value was determined as 16.63 mm. 
Tensile test analysis of the non-reinforced composite was carried out with the finite element method. Compared to the tensile strength obtained from the test results, a result with 0.8% error was found in the numerical analysis. Free fall analysis of steel sphere on clay backing material was also investigated numerically. The displacement value found as a result of the analysis was found to be 18.1 mm, within the range accepted in the standard. Numerical modeling of the first shots of ten different combinations that were examined experimentally was carried out in the LS DYNA program. The numerically generated model found the ballistic results of monolithic or univariate plates to be similar to those found experimentally.