Nano takviyesinin cam elyaf takviyeli epoksi matrislikompozitlerin fiziksel, mekanik ve termal özelliklerindeki etkileri
Effects of nano reinforcementon physical, mechanical and thermal properties of glass fiber reinforced epoxy matrix composites
Yazar: MUSTAFA ŞEKER
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ÖZEN
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Kompozit malzemeler, havacılık, denizcilik, altyapı uygulamalarından spor ekipmanlarına kadar çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Yaygın olarak kullanılan bu malzemeler hizmet ömürleri boyunca birçok yüklemelere maruz kalmaktadır. Bu çalışmada, kompozit malzemelere nano partikül takviyesi yapılarak malzemenin mekanik özelliklerinin hangi durumlarda iyileştirilebileceği araştırılmıştır. Bu malzemelerle düşük maliyet ile birlikte yüksek dayanım elde edilebilmesine rağmen yorulma ömürleri nispeten geliştirmeye açıktır. Bu çalışmada Cam elyaf takviyeli epoksi matrisli kompozitlerin yorulma ömrünü arttırabilmek amacı ile, matris malzeme içirişine nano partikül takviyesi yapılmıştır. Yapılan nano partikül takviyesinin eğilme yorulması davranışı üzerindeki etkisi ile birlikte ayrıca yapılan bu takviyenin kompozitin mekanik özelikleri üzerindeki etkilerinin incelenmesi için çekme testi ve eğilme testi uygulamaları ile çalışmalar yapılmıştır. Cam elyaf takviyeli epoksi matrisli kompozitlerin üretiminde öncelikle nano partikül takviyesi olmadan saf olarak kontrol numunesi üretilmiştir. Daha sonra epoksiye göre %1,2,3 oranlarında Nanokil ve TiO₂ nano partikül takviyesi yapılarak numuneler üretilmiştir. Üretilen bu numunelere çekme ve eğilme testleri yapılmıştır. Çekme testi sonucunda Nanokil takviyesinin %1 ve %2 oranında malzemenin gerilmesini yakın değerlerde arttırdığı ve %3 oranında ise gerilme değerinin %1 ve %2 ye göre daha da arttığı gözlemlenmiş olup, TiO₂  nano takviyesinin %1 oranda eklenmesi gerilmeyi arttırdığı fakat %2 ve %3 oranlarında ise düşürdüğü gözlemlenmiştir. Eğilme deneyi sonucuna göre nanokil takviye miktarı arttıkça gerilmenin açıkça arttığı gözlemlenmiştir. TiO₂  takviyesinin %1 olduğu numunelerde gerilme değerinin arttığı açık bir şekilde görülse de, %2 ve %3 oranında ise saf numunenin gerilme değerlerinin çok daha altına düştüğü gözlemlenmiştir. Sonuç olarak nanokilin matris malzemesi ile homojen bir yapı oluşturarak malzemenin mekanik özelliklerine katkı sunduğu, TiO₂  takviyesinin ise sahip olduğu malzeme boyutu sebebi matris malzemesi ile homojen bir yapıyı %1 oranı üzerinde sağlayamadığı ve böylelikle malzemenin mekanik özelliklerine sadece belirli oranlarda katkı sağladığı anlaşılmıştır. SEM analizi ile incelenen kırılmış numunelerde nanokil takviyesinin homojen bir şekilde reçine içinde dağıldığı gözlenirken,TiO2 takviyesi %1 oranında homojen bir yapı oluşturmasına karşın %2 ve %3 oranlarında topaklanmalar gözlemlenmiştir. Aşınma deneyleri sonucunda ise nano takviyesi arttıkça kompozit malzemenin yoğunluğu artmış, sürtünme katsayısı, hacim kaybı ve özgül aşınma oranı değerleri düşmüştür.

Abstract:
Composite materials are widely used in a variety of applications, from aerospace, marine, infrastructure applications to sports equipment. These commonly used materials are exposed to many loads throughout their service life. In this study, it was investigated in which situations the mechanical properties of the material can be improved by adding nanoparticles to the composite materials. Although high strength with low cost can be obtained with these materials, their fatigue life is relatively open to improvement. In this study, nanoparticle reinforcement was applied to the matrix material in order to increase the fatigue life of glass fiber reinforced epoxy matrix composites. In order to examine the effect of the nanoparticle reinforcement on the bending fatigue behavior and the effects of this reinforcement on the mechanical properties of the composite, studies were carried out with tensile test and bending test applications. In the production of glass fiber reinforced epoxy matrix composites, firstly, pure control sample was produced without nanoparticle reinforcement. Afterwards, the samples were produced by adding 1.2.3% Nanoclay and TiO2 nanoparticles to the epoxy. Tensile and bending tests were performed on these produced samples. As a result of the tensile test, it was observed that the nanoclay reinforcement increased the tensile strength of the material by 1% and 2%, and the tensile value increased at the rate of 3% compared to 1% and 2%, it was observed that the addition of TiO2 nano reinforcement at the rate of 1% increased the stress. It was observed that it decreased by 2% and 3%. According to the results of the bending test, it was observed that the tension clearly increased as the amount of nanoclay reinforcement increased. Although it is clearly seen that the stress value increases in samples with 1% TiO2 reinforcement, it has been observed that the stress values of the pure sample decrease at 2% and 3%. As a result, it has been understood that nanoclay contributes to the mechanical properties of the material by forming a homogeneous structure with the matrix material, while the TiO2 reinforcement cannot provide a homogeneous structure with the matrix material over 1% due to the material size it has, and thus contributes only to the mechanical properties of the material in certain proportions. It was observed that the nanoclay reinforcement was homogeneously dispersed in the resin in the broken samples examined by SEM analysis, while the TiO2 supplementation formed a homogeneous structure at 1%, but agglomerations were observed at 2% and 3%. As a result of the wear tests, as the nano reinforcement increased, the density of the composite material increased the friction coefficient, volume loss and specific wear rate values decreased.