Plazma yüzey işleminin epoksi film yapıştırıcılı CFRP kompozit bağlantılarının performansına etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of plasma surface treatment on the performance of CFRP composite connections with epoxy film adhesive
Yazar: AHMETCAN ALKOÇ
Danışman: PROF. DR. AFİFE BİNNAZ HAZAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Malzeme Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Günümüzde havacılık endüstrisinde yapıştırma teknolojisi; yapıya hafiflik katması, kolay kullanımı ve yüksek verimliliği nedeniyle uçak yapımında geleneksel yöntemlere göre giderek daha fazla tercih edilmektedir. Özellikle kompozit-kompozit yapıştırma işleminden önce, sergilediği düşük yüzey enerjisi ve ıslanabilirlik nedeniyle polimer yüzeylerin ön işlemden geçirilmesi büyük önem arz etmektedir.
Sunulan doktora tez çalışması; karbon fiber takviyeli polimer malzemelerin üretimi, yüzey hazırlığı, yüzey karakterizasyonu ve hızlandırılmış yaşlandırma koşulları altındaki dayanıklılık testleri olmak üzere dört ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, karbon fiber takviyeli epoksi kompozit bağlantılar önceden emprenye edilmiş prepreg malzemeler kullanılarak vakum torbalama ve otoklav yöntemiyle üretilmiştir. İkinci bölümde, üretilen plakaların farklı dokuya sahip her iki yüzeyine (vakum torba ve kalıp taraf yüzey) atmosferik basınçlı plazma yüzey işlemi (APT) uygulanmış ve optimum proses parametreleri belirlenmiştir. Üçüncü bölümde, temas açısı ölçümleri ile yüzeyin hidrofilik davranışı; Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR-ATR) ve X-ışını Fotoelektron Spektroskopisi (XPS) kullanılarak yüzeyin kimyasal bileşimi ve fonksiyonel gruplar; Profilometre, Atomik Kuvvet Mikroskobu (AFM) ve Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak yüzey topografyası ve morfolojisi belirlenmiştir. Yüzey karakterizasyon sonuçları, APT işleminin ardından temas açısındaki azalmanın, yüksek oksijen konsantrasyonu ve kompozit yüzey üzerinde polar fonksiyonel grupların (örnek: -OH, C=O, O-C=O, -NH2, -NH3) varlığıyla ilişkili olduğunu göstermiştir. APT işlemi, 22,41 MPa tek bindirmeli kesme mukavemet değeri ile %19,2 oranında dikkate değer bir artışa yol açarak işlemin etkinliğini vurgulamıştır. Dördüncü bölümde, yüzey hazırlama tekniklerinin uzun vadeli bağlantı dayanıklılığı üzerindeki etkisini incelemek amacıyla 576 saat boyunca 71°C ve %95 bağıl nem ortamında çalıştırılan bir iklimlendirme kabininde kama testi gerçekleştirilmiştir. Son olarak, kama testinden elde edilen bulgular; APT işleminin ilk çatlak oluşumuna ve çatlak ilerlemesine karşı üstün direnç göstererek, havacılıkta en yaygın kullanılan peel-ply yöntemine göre %25 daha yüksek kırılma tokluk enerjisi (GIC) sergileyerek 1492 J/m² değeri elde edilmiştir. Bu sonuçlar, APT tekniğinin potansiyel olarak geleneksel yüzey tekniklerinin yerini alabileceğini ve uzun süreli bağlanma mukavemeti sağlayabileceğini göstermiştir.

Abstract:
Today, bonding technology in the aviation industry is increasingly preferred over traditional methods for aircraft construction due to its lightness to the structure, ease of use, and high efficiency. Especially before the composite-composite bonding process, the pre-treatment of polymer surfaces, which exhibit low surface energy and wettability, is of great importance.
This doctoral thesis consists of four main parts: production of carbon fiber reinforced polymer materials, surface preparation, surface characterization, and durability tests under accelerated aging conditions. In the first part, carbon fiber reinforced epoxy composite joints were produced using prepreg materials through vacuum bagging and autoclave methods. In the second part, atmospheric pressure plasma surface treatment (APT) was carried out on both surfaces of the produced plates (vacuum bag and tool side surface), and optimum process parameters were determined. In the third part, a variety of surface characterization techniques including contact angle measurements, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR-ATR), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) for analyzing the chemical composition and functional groups, as well as profilometry, atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscopy (SEM) for evaluating surface topography and morphology were used. The results of surface characterization showed that the decrease in contact angle after APT was associated with the high oxygen concentration and the presence of polar functional groups (e.g., -OH, C=O, O-C=O, -NH2, -NH3) on the composite surface. The APT process has demonstrated its effectiveness by leading to a remarkable 19.2% increase, achieving a single lap shear strength value of 22.41 MPa. In the fourth part, to examine the effect of surface preparation techniques on long-term joint durability, a wedge test (WT) was conducted in a climate chamber operated at 71°C and 95% relative humidity for 576 hours. Finally, the findings from the wedge test revealed that the APT exhibited superior durability to initial crack formation and crack propagation, with a fracture toughness energy (GIC) of 1492 J/m², which was 25% higher than the most commonly used peel-ply method in aerospace industry. These results suggest that APT technique could potentially replace traditional surface techniques and provide long-term bonding strength.