Farklı karbon tekstilleriyle ve reçinelerle oluşturulan karbon kompozitlerin karakterizasyonu
Characterization of carbon composites prepared with different fabrics and resins
Yazar: SEVİM ÖRS
Danışman: PROF. DR. AHMET SİRKECİOĞLU ; PROF. DR. MEHMET FERHAT YARDIM
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Eğitimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Havacılık, uzay ve savunma gibi endüstrideki hızlı teknolojik gelişim ve artan rekabet, yüksek performansa sahip ürünlerin tasarlanmasına, bu durumda da hafif ve yüksek mukavemetli malzemelerin gerekli kılmıştır. Bu ihtiyaca cevap vermek üzere, 1950 yılından itibaren kompozit malzemeler üretilmeye başlanılmış̧ ve gün geçtikçe kullanım alanları giderek yaygınlaşmıştır
Kompozit malzemeler, sağladıkları avantajlar ve uygulama alanlarındaki çeşitlilik dolayısı ile bugün tekstil dünyasında önemli bir yer işgal etmektedir. Kompozit tekstilinin neredeyse sonsuz bir konfigürasyonda üretilebilme imkanı, bu konuda yeni araştırmalara ve gelişmelere yol açmıştır. Kullanılan matris elemanı ve takviye elemanı, kompozitlerin karakterizasyonunu birebir etkilediğinden dolayı bu çalışmada bu değişiklikler ortaya koyulmuştur.
Kompozitler iki temel bileşenden oluşurlar: bağlayıcı veya matris ve takviye elemanı.  Takviye elemanı kompozit maddede mukavemet ve sertlik sağlarken, matrisin yapı içerisinde birden fazla görevi vardır.  Matris, takviye elemanını bir arada tutan bağlayıcı görevi görür,  onu çevresel etkenlere karşı korur ve dışarıdan gelen etki ve yükleri takviye elemanına iletir. Aynı zamanda takviye elemanını yönlendirerek yapıyı bir arada tutmaya yardımcı olur. Matris ve Takviye Elemanı bu yapının içerisinde kendi kimyasal ve fiziksel özelliklerini korurken, oluşturdukları yapıya bu özelliklerden bağımsız, farklı özellikler katarlar. 
Kompozit malzemeler, farklı şekil ve boyutlarda üretilebilirler. Bu sayede; yüksek mukavemet, sertlik ve korozyona karşı dayanım gibi üstün özelliklerini bir çok farklı alanda kullanabilirler. Bu çalışmada, sahip olduğu yaygın kullanım alanı ve üstün özellikler nedeniyle polimer matris - karbon kompozit malzeme seçilmiştir.
Vakum infüzyon yöntemiyle, farklı tekstiller ve reçineler kullanılarak üretilen karbon kompozitlerin karakterizasyonu, çekme testi, sertlik ve kompozit malzemenin elyaf oranı ile belirlenmiştir. 
Bu çalışmada, karbon kumaşların gramaj farklarının kompozit özelliklerini ortaya koymak için 150 gr/m2 ve 300 gr/m2 kumaşlardan üretilen kompozit malzemelerin karakterizasyonu yapılmıştır ve gramajı düşük olan kumaşın daha iyi çekme ve basma dayanımına sahip olduğu görülmüştür.
Daha sonra, karbon kumaş tekstilinde yeni bir üretim tekniği olan yayılmış(spread) elyaf  bu teknolojiye sahip olmayan aynı gramajdaki karbon kumaşlarla karşılaştırılmıştır. Yayılmış elyaf yöntemi ile hazırlanan kumaşların daha kapalı bir yüzey oluşturmasından dolayı, kompozit malzemenin daha homojen bir elyaf-reçine dağılımı gösterdiği bilinmektedir. Epoksi ve Vinilester reçine kullanılarak yapılan karşılaştırmada, her iki reçine içinde, yayılmış elyaf ile üretilen kompozit malzemenin daha iyi sonuç verdiği gözlemlenmiştir.
Karbon Elyaf tekstilinde kullanılan diğer bir tekstil türü dokuma ve multiaksiyel oluşudur. Dokuma kumaşlarda elyaflar biri arasından geçirilerek birbirine tutturulur. Multiaksiyel kumaşlarda ise elyaflar, belirli açılarda, birbirileri üzerine dikilmesi ile oluşturulur. Bu çalışmada, dokuma ve multiaksiyel olarak üretilen karbon kumaşlar hem epoksi hem de vinilester reçine ile üretilmiştir. Dokuma kumaşlara göre daha az kumaş boşluğu içeren multiaksiyel kumaşların her iki reçinede de daha iyi sonuç verdiği görülmüştür.
Kompozit sektöründe bir problem olarak bilinen elyaf yönünün kalıba doğru yerleştirilememesi, kompozit malzemenin mekanik özelliklerini değiştirdiği bilinmektedir. Bu çalışmada, farklı açı sapmalarıyla oluşturulan karbon kompozit plakaların karakterizasyon değişiklikleri ortaya konmuştur. Elyaf yönlerinin, 00 den 450ye kadar, 50 lik açı sapmalarıyla ile oluşturulan karbon kompozitlerinin sapma açılarının değerleri artıkça mekanik değerlerinin düştüğü görülmüştür.

Abstract:
Composite materials, are materials made from two or more constituent materials with significantly different physical or chemical properties, that when combined, produce a material with characteristics different from the individual components. The individual components remain separate and distinct within the finished structure. The new material may be preferred for many reasons: common examples include materials which are stronger, lighter or less expensive when compared to traditional materials.
Competition is getting harder day by day on the industries like military equipments, ballistics, space. These industries need lightweight and high impact resistance high strength on their raw materials. With these needs, composite materials started to get produced at 1950 and this industry is growing bigger since that day. 
Carbon fiber composites, particularly those with polymeric matrices, have become the dominant advanced composite materials for aerospace, auto- mobile, sporting goods, and other applications due to their high strength, high modulus, low density, and reasonable cost. 
Composite materials are covering a huge role in textile industry with their advantages of easy-to-process and variety of uses. Composite textile industry has many various production methods and therefore researches are ongoing on all of those methods. The type of matrix and reinforcement has a huge impact on composite characterization. This impact is shown in this study. 
Composite materials have two main raw materials: polymer or matris and reinforcement. Reinforcement gives the strength and stiffness to the composite. On the other hand, matrix has many various functions in the structure. Matrix acts as a binder to reinforcement, protects it from enviromental effects and transfer impacts and pressure to the reinforcement. Although, it redirects the reinforcement to help maintaining the structure. Matrix and reinforcement keep their own chemical and physical properties in this composite structure and they also give more properties to the structure independent from their own properties.
Composite materials, can be produced in many different shapes and sizes. With this properties, they can be used in many different areas with their superior functions such as high strength, stiffness and corrosion resistance. In this study, polymer matrix – carbon composites have been chosen for its superiour properties and various application areas. 
In the production of composites, it is significant to choose suitable matrix and reinforcement. In this study, polymer matrix was chosen because of superiour properties. The most common advanced composites are polymer matrix composites. These composites consist of a polymer thermoplastic or thermosetting reinforced by carbon fiber. These materials can be fashioned into a variety of shapes and sizes. They provide great strength and stiffness along with corrosion resistance. The reason for those being most common is their low cost, high strength and simple manufacturing principles. The other important step is choosing of appropriate reinforcement. The carbon fibers have upper hand qualifications from other reinforcement in many applications. Carbon fiber is defined as a fiber containing at least 92% carbon. Carbon fibers generally have excellent tensile properties, low densities and high thermal and chemical stabilities in the absence of oxidizing agents, good thermal and electrical conductivities, and excellent creep resistance.
The global carbon fiber polymer matrix composites market is growing rapidly and developing technologically. The role of carbon fiber polymer matrix is increasing day by day in daily life. New applications of carbon fiber polymer matrix composites are fast growing to include aerospace, automotive and general industry that are expected to lead to important and continued growth of this sector over the next decade.
Carbon fiber polymer-matrix composites have enjoyed widespread use in the aerospace, automobile, marine, sports, construction, biomedical and other industries because of the decreasing price of carbon fiber. The areas of aerospace applications are space vehicles, military aircraft, helicopters, commercial aircraft and commercial aircraft engines. Carbon fiber polymer-matrix composites are used for decreasing weight in the automobiles. The usage of the carbon fiber epoxy-matrix composites in the automobile industry are body panels, structrural members, bumpers, wheels, drive shaft, engine components and suspension systems.
Composite materials can be produced through hand lay-up molding, spray-up molding, compression molding, resin transfer molding, injection molding, reaction injection molding, pultrusion and flament winding. Vacuum infusion is a widely used process for the manufacturing of large composite structures. Its popularity is partly due to the low cost of the tooling and enviromental safety. Vacuum infusion method was used for the manufacture of carbon fiber epoxy composite in this study experimentally. 
With different types of textiles and resins, vacuum infusion method has been chosen for production. Tensile test, stiffness and amount of fibers are calculated to obtain composite characterization.
In this study, 150 gr/m2 and 300 gr/m2 fabrics have been used in composites and compared to see their performance with different weight of fabrics. After all the tests, lightweight fabrics improves the performance of carbon composites according the obtained results. 
After these tests, spreading method is also tested with the same weight fabrics, spreaded and unspreaded type of production. The fabrics which are produced with spreading technology are more homogeneous compared to unspreaded. Epoxy and vinylester are used for this comparison and with both resins, spreaded fabrics shown better results.
In this study, weaving and multiaxial production techniques are used. In application of weaving technique, carbon fibers pass between each other. In multiaxial fabrics, fibers weaved on each other with certain angles. Epoxy and vinylester are used with both techniques. Multiaxial fabrics showed better results than weaving with either resins. 
Implementing the direction of fibers in mould is a known problem for composite industry. This problem also affects the mechanical properties of composite. In this study, characterization changes are shown on carbon composite plates produced with different angles. Between 0o and 45o, 5o angle change is applied during the production of carbon composites and results shown that when the angle goes higher, mechanical properties decrease.