SiO2 nanopartikül katkısının yüzey çatlaklı ve çatlaksız bazalt elyaf takviyeli kompozit boruların yorulma davranışlarına etkisi
The effects of SiO2 nanoparticle addition on the fatigue behaviors of surface cracked and uncracked basalt fiber reinforced composite pipes
Yazar: MEHMET TURAN DEMİRCİ
Danışman: PROF. DR. NECMETTİN TARAKÇIOĞLU
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Savunma ve Savunma Teknolojileri = Defense and Defense Technologies
Dizin: Nanokompozitler = Nanocomposites ; Plastik kompozitler = Plastic composites ; Polimer kompozitler = Polymer composites ; Tabakalı kompozitler = Laminated composites

Özet:
Bu tez çalışmasında; SiO2 nanopartikül katkısının eliptik yüzey çatlaklı ve çatlaksız bazalt elyaf takviyeli plastik(BTP) kompozit boruların yorulma davranışlarına etkileri incelenmiştir. SiO2 nanopartikül katkılı ve katkısız, eliptik yüzey çatlaklı ve çatlaksız [±55o]6 BTP kompozit boruların serbest uçlu iç basınç yorulma deneyleri ASTM D 2992-12 standardına göre 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 ve 0.7σθθstatik gerilme oranlarında 25 çevrim/dak ve R = 0.05 deney şartlarında gerçekleştirilmiştir. Serbest uçlu iç basınç yorulma deneyleri uygulanmadan önce [±55o]6 BTP kompozit borulara en iyi mekanik özellikleri ve yorulma ömrünü sağlamak için epoksi matrise ilave edilen ağırlıkça % SiO2 nanopartikül katkı oranı ASTM D 638-13 ve ASTM D 5045-99 standartlarına göre tespit edilmiştir. Ağırlıkça %4 katkı oranında SiO2/Epoksi nanokompozitler, çekme dayanımında %14 ve Mod I kırılma tokluğunda ise %25-39 artışlar sağlayarak en yüksek mekanik özellikleri göstermiştir. Ağırlıkça %4 SiO2 nanopartikül katkılı ve katkısız, eliptik yüzey çatlaklı ve çatlaksız [±55o]6 BTP kompozit boruların ASTM D 1599-99 standardına göre serbest uçlu statik iç basınç deneyleri yapılmıştır.  Serbest uçlu statik iç basınç deneyleri neticesinde, SiO2 nanopartikül katkısının eliptik yüzey çatlaklı ve çatlaksız [±55o]6 BTP kompozit boruların maksimum teğetsel gerilmelerinde %29-31.5 arasında artış sağladığı gözlemlenilmiştir. 

SiO2 nanopartiküllerin BTP kompozit borulara sağlamış olduğu en büyük etki yorulma ömürlerinde tespit edilmiştir. Eliptik yüzey çatlaklı ve çatlaksız BTP kompozit borulara ağırlıkça %4 SiO2 nanopartikül katkısı,  yorulma ömürlerinde 0.7σθθstatik 'de 1.5-2 kat, 0.6σθθstatik'de 2.5-3 kat, 0.5σθθstatik'de 4 kat, 0.4σθθstatik'de 6.5-7 kat ve 0.3σθθstatik gerilme oranında ise 8-9 kat artışlar sağlamıştır. BTP kompozit borulara %4 SiO2 nanopartiküllerin ilavesi sadece yorulma ömürlerine etki etmemiş, sonuç hasarlarına da tesir etmiştir. SiO2 nanopartiküller; çatlak tutulması, çatlak ucu körelmesi, çatlak sapma ve dallanmaları, çatlak oluşumunu geciktirmesi ve yavaşlatması, lokal plastik deformasyonlar ve arayüzey alanını artması gibi kırılma mekanizmları ile BTP kompozit boruların mekanik özelliklerinin ve yorulma ömürlerinin artışlarına etki ettiği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
In this Ph.D. thesis study, the effects of the addition of SiO2 nanoparticles to the eliptical surface cracked and uncracked basalt fiber reinforced plastic composite pipes on fatigue behaviors have been investigated.  According to ASTM D 2992-13 standard, the internal pressurized fatigue tests of SiO2 nanoparticles added and pure, elliptical surface cracked and uncracked [±55o]6 BFR plastic composite pipes have been performed by loading 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 and 0.7σθθstatic stress levels at 25cycle/min and R=0.05 open ended experimental conditions. Before the internal pressurized fatigue tests, for providing the highest mechanical properties and the fagiue life to [±55o]6 BFR plastic composite pipes, %wt SiO2 nanoparticles mixture ratio which have been added to epoxy matrix materials, have been determined accordance with ASTM D 638 -13 and ASTM D 5045 – 99 standards. 4% wt SiO2/Epoxy nanocomposites have been shown 14% increase for tensile strength and 25-39% increases for Mod I fracture toughness. 4%wt SiO2 nanoparticles added and pure, elliptical surface cracked and uncracked [±55o]6 BFR plastic composite pipes have been carried out the static internal pressure tests at open ended experimental conditions according to ASTM D 1599 – 99 standard. At the end of the static internal pressure tests, it was observed that the maximum hoop stress of the elliptical cracked and uncracked [±55o]6 BFR plastic composite pipes presented 29-31.5 increases by adding 4%wt SiO2 nanoparticles. 

The most significant effect of the SiO2 nanoparticles have been seen on the internal pressure fatigue life of BFR plastic composites. The 4%wt SiO2 nanoparticles adding to elliptical surface cracked and uncracked [±55o]6 filament wound BFR composites pipes have been increased by up to approximately  1.5-2 times at 0.7σθθstatic stress level, 2.5-3 times at 0.6σθθstatic stress level, 4 times at 0.5σθθstatic stress level, 6.5-7 times at 0.4σθθstatic stress level and 8-9 times at 0.3σθθstatic  stress level in the fatigue life. Not only fatigue life, SiO2 nanoparticles have been affected the final failure of BFR composite pipes. It was commented that SiO2 nanoparticles improved the mechanical properties and fatigue life of BFR plastic composites by ensuring the fracture mechanisms consisting of crack pinning, crack tip blinding, crack bowling and branching, retarding of crack occurance and propagation, local plastic deformation and increasing the interface area.