Adhezif birleştirme dayanımını arttırmak için karbon fiber katkılı kompozit malzemelerin yüzeylerinin lazer ile işlenmesi
Laser beam processing of carbon fiber reinforced composite materials surfaces to increase adhesive joining strength
Yazar: YALÇIN ERDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. ERHAN AKMAN
Kocaeli Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektro-Optik Sistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Karbon fiber katkılı kompozitler (CFRC-Carbon Fiber Reinforced Composites) olağanüstü dayanıklılıkları, düşük yoğunlukları gibi özeliklerinin getirdiği avantajlar sebebiyle havacılık veya otomotiv sektöründe çok fazla tercih edilen kompozit malzemeler arasındadır. İhtiyaca göre havacılık, askeri uygulamalar, türbinler, otomotiv, tıbbi ve spor malzemeleri gibi farklı sektörlerde kullanıl alanları her geçen gün artmaktadır.  Kompozit parçaların kullanılacakları uygulama büyük ve karmaşıksa genellikle birden fazla parçanın birleştirilmesi ile üretilirler. Eklemler doğal olarak yapının en zayıf kısmıdır ve bu nedenle tasarımda eklemlerin imalatı çok önemlidir. 
Karbon fiber kompozitlerinin birbirlerine bağlanması işlemi birçok zorlukları beraberinde getirmektedir. Mekanik bağlantılar yük taşıyıcı görevini üstlenen fiberlere zarar vermekte ve birleştirme noktalarında yüksek gerilme yığılmalarının oluşmasına neden olmakta ki bu da birleştirmenin beklenenden daha düşük bir yükte hasarlanmasına sebep olmaktadır. Bu noktada alternatif bir teknik olarak kabul edilen yapıştırma ile birleştirme mekanik bağlantı yöntemlerine göre, hafifilik, sızdırmazlık, korozyon ve maliyet gibi avantajlar sunmaktadır. Adhezif yapıştırma prosesinde bağlanma kalitesini belirleyen belki de en önemli faktör malzeme yüzeyidir. Güçlü ve dirençli bir yapışma bağlantısı sağlamak için yapıştırıcı ve malzeme arasında iyi bir adezyon sağlanmalıdır. Bu durum yapışma öncesi kompozit yüzeylerin işlenmesi ile gerçekleştirilir. Yüzeylerde yapılacak ön işleme, yüzeydeki zayıf sınır tabakalarını kaldırır, yüzey enerjisini değiştirir ve yüzeyin mikrotopografik yapısını geliştirir. Geleneksel yöntemlere alternatif olarak ortaya çıkan lazer ile yüzey işleme, karbon fiber katkılı kompozitlerin işlenmesinde kullanım potansiyeli olan bir tekniktir. Günümüz lazer teknolojilerinin geldiği noktada, lazer demetinin yüzeye aktardığı ısı miktarı atım süresi, atım enerjisi ve tekrarlama oranı olmak üzere birçok farklı parametre ile kontrol edilebilmektedir. Bunlara ek olarak malzemelerin lazer dalgaboyuna verdiği tepkide farklılık göstermektedir. Bu durum yüzeylerin başka hiçbir teknik ile mümkün olamayacak hassaslıkta işlenebilmesine imkan sağlamaktadır.  
Bu çalısmada Karbon Fiber Katklı Kompozitlerin adhezif yapışma için yüzey temizleme işlemi infrared ve ultraviyole bölgesinde ışıma veren farklı özeliklerdeki lazerler ile gerçekleştirilmiştir. Lazer parametrelerinde gerçekleştirilen değişimler ile dayanım arttırılmıştır. Üretilen yüzeylerin mekanik ve spektroskobik analizleri ile yapışmaya uygunluğu yapıştırma sonrası gerçekleştirilen tekil bindirme çekme testleri ile karşılaştırmalı olarak belirlenmiştir. 

Anahtar kelimeler: Karbon Fiber Katkılı Kompozit Malzemeler, Lazer ile Yüzey İşleme, Yapıştırma ile Birleştirme.

Abstract:
Carbon fiber reinforced composites (CFRC-Carbon Fiber Reinforced Composites) are highly preferred composite materials in the aerospace or automotive industry due to their advantages such as extraordinary durability and low density. Carbon fiber reinforced composites usage increase day by day according to the needs of different sectors such as aerospace, military applications, turbines, automotive, medical and sports equipment. Composite parts are usually produced by combining multiple parts if the application is large and complex. Joints are the weakest part of the structure as naturally. Therefore, the manufacture of joints is very important.
The process of bonding carbon fiber composites to one another has many difficulties. The mechanical joints damage the fibers which serve as load carriers and cause high stress buildup at the joints, which causes the joint to be damaged at a lower expected load. At this point, adhesive bonding, which is considered as an alternative technique, offers advantages such as lightness, tightness, corrosion and cost compared to mechanical connection methods. The most important factor that determines bonding quality in the adhesive bonding process  is perhaps the material surface. In order to provide a strong and durable adhesion bonding, good adhesion between the adhesive and the material should be provided. This is accomplished by processing composite surfaces prior to bonding. Pretreatment will remove the weak boundary layers on the surface, change the surface energy and improve the micro photographic structure of the surface. As an alternative to conventional methods, surface treatment with laser is a technique that has the potential to be used in the processing of carbon fiber reinforced composites. The amount of heat transferred by the laser beam to the surface can be controlled by a number of different parameters including pulse duration, pulse energy and repetition rate with the help of the today's technology. In addition to these, the material response differs to the laser wavelength. This allows the surface to be processed with precision that is not possible with any other technique.
In this study, the surface cleaning process of adhesive bonding of Carbon Fiber reinforced Composites was performed with different laser types. Radiation was given in infrared and ultraviyolet region. The strength is increased by the changes made in the laser parameters. The mechanical and spectroscopic analysis were carried out for the surface treatment.Its suitability for adhesion were determined in comparison with the single lap tensile tests after bonding.

Keywords: Carbon Fiber Reinforced Composite Materials, Surface Treatment with Laser, Adhesion Bonding.