Tabakalı kompozitlere arayüzey uygulaması ile sensör özelliği kazandırılması ve arayüzeyin mekanik özelliklere etkisi
Imparting sensor properties to laminated composites by interleaving application and the effect of interleaving on mechanical properties
Yazar: TUGAY ÜSTÜN
Danışman: DOÇ. DR. EBRU SARALOĞLU GÜLER
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kompozit malzemeler = Composite materials ; Yapısal sağlık izleme = Structural health monitoring

Özet:
Havacılık endüstrisinde maliyet azaltma, performans artırma hedefiyle uçak yapılarında ağırlık azaltılması ihtiyacı ortaya çıkmıştır. Fiber takviyeli kompozit malzemelerin tasarım esnekliği, dayanıklılığı ve hafif oluşu gibi özellikleri uçaklarda bu ihtiyaç ve hedeflere cevap verebilmektedir. Fiber takviyeli kompozit malzemelerin bir çeşidi olan fiber metal tabakalı (FMT) kompozitler, yapısal ağırlık tasarrufları ve yüksek dayanımları sayesinde önemli havacılık malzemelerinden biri olmuştur. Ancak, bu avantajlarına rağmen, fiber metal takviyeli kompozit malzemelerde oluşan hasarların tespit edilmesi zordur. Bunun sebebi, malzemenin içinde oluşan delaminasyon ve fiber kırılması gibi hasarların genellikle yüzeyde belirgin olmamasıdır. Dolayısıyla hasarların belirlenmesi için yapısal sağlık izleme (YSİ) konusu önem arz etmektedir. Kendi hatalarını algılayan kompozit sistem ise havacılık endüstrisi için önemli bir hedeftir. Bu tez çalışmasında, uçak parçalarının hafifletilmesine olanak sağlayan FMT kompozitlerin bir çeşidi olan karbon takviyeli alüminyum tabakalı kompozit (CARALL) ele alınmış ve karbon fiber - alüminyum ara yüzey dayanımının, ara yüzeye ilave edilecek selüloz nanokompozit ile arttırılması hedeflenmiştir. Ayrıca, bu yapı üzerinde oluşan gerilmelere bağlı hasar oluşumunun selüloz tabanlı sensör ile anlık olarak ölçümünün yapılması çalışmanın genel çerçevesini oluşturmaktadır. Bu amaçlar doğrultusunda, çok duvarlı karbon nanotüp (ÇDKNT), Grafen ve ÇDKNT/Grafen (Hibrit) nanomalzemeleri ile modifiye edilmiş üç farklı selüloz tabaka, karbon fiber ve alüminyum tabakaları arasına yerleştirilmiştir. Selüloz tabaka içerisinde kullanılan nanomalzemelerin miktarı mekanik ve elektriksel özellikleri etkilediğinden üç farklı oran (ağırlıkça %5, %7 ve %9) seçilmiştir. Bu oranların etkisi de araştırılmış ve 18 farklı selüloz tabaka üretilmiştir. Selüloz tabakanın FMT kompozitin mekanik özelliklerine etkisini analiz etmek için çekme, üç noktadan eğilme ve Mod I tabakalar arası kırılma için çift ankastre kiriş testleri uygulanmıştır. Testler sonucunda kırılma yüzeyleri optik mikroskop ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile görüntülenerek hasar mekanizmaları araştırılmıştır. Ayrıca, FMT kompozite uygulanan bu mekanik testler sırasında FMT kompozit yapıda yük altında oluşan hasar alüminyum ile karbon fiber tabakaları arasına yerleştirilen selüloz tabaka ile belirlenmiştir. Kompozit yapıda oluşan hasar takibi için Arduino ile elektronik devre oluşturulmuş ve bu devre vasıtası ile direnç değişimi anlık olarak izlenmiştir. FMT kompozitlerin YSİ'de bu şekilde takip edilmiştir.

Abstract:
In the aviation industry, the need for weight reduction in aircraft structures has emerged with the aim of cost reduction and performance improvement. The design flexibility, durability and lightness of fiber reinforced composite materials are able to satisfy this need in aircrafts. Fiber metal laminated (FML) composites which is a type of fiber reinforced composite materials, have become one of the important aviation materials due to their structural weight savings and high strength. However, despite these advantages, it is difficult to detect damages occurring in fiber metal reinforced composite materials. This is because damages such as delamination and fiber breakage that occur inside the material are generally not apparent on the surface. Therefore, structural health monitoring (SHM) is important to determine the damages. A composite system that detects its own errors is an important goal for the aviation industry. In this thesis, the general framework is to increase the carbon fiber - aluminum interface strength for carbon reinforced aluminum laminates (CARALL) which is a type of FML composite that allows the lightweighting of aircraft parts, by adding cellulose nanocomposite to the interface and to instantly measure the damage formation due to stresses on this structure with a cellulose based sensor. For these purposes, three different cellulose layers modified with multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), Graphene and MWCNT/Graphene (Hybrid) nanomaterials were placed between carbon fiber and aluminum layers. Since the amount of nanomaterials used in the cellulose layer affects the mechanical and electrical properties, three different ratios (5%, 7% and 9% by weight) were selected. The effects of these ratios were also studied and searched and 18 different cellulose sheets were produced. In order to understand the effect of the cellulose layer on the mechanical properties of FML composite, tensile test, three-point bending test and double cantilever beam test for Mode I interlayer fracture were applied. As a result of the tests, the fracture surfaces were imaged with optical microscope and scanning electron microscope (SEM) and the damage mechanisms were analyzed. During these mechanical tests applied to the FML composite, the damage that occurred under load in the FML composite structure was determined with the cellulose layer placed between the aluminum and carbon fiber layers. In order to monitor the damages occurring in the composite structure, an electronic circuit was created with Arduino and the resistance change was instantly monitored through this circuit. The SHM issue of FML composites was also followed in this way.