Peek matrisli kompozitlerin nano malzemeler ile mekanik performansının iyileştirilmesi
Improving the mechanical performance of peek matrix composites with nano additives
Yazar: SELAHATTİN BERAT BIRAK
Danışman: DOÇ. DR. CİHAN KABOĞLU ; DOÇ. DR. YAHYA ÖZ
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Nanomalzeme  Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering

Özet:
Polimer esaslı malzemeler günümüzde metal ve seramik esaslı malzemelere alternatif oluşturmaya başlamışlardır. Otomotiv, tıp, uzay ve havacılık, elektronik, inşaat ve daha birçok endüstriyel alanda polimer esaslı malzemeler yaygınca kullanılmaktadır. Polimer malzemelerin performans ve maliyet avantajlarının yanı sıra erime sıcaklıkları ve mekanik performans özellikleri gibi dezavantajları da mevcuttur. Polimer malzemelerin daha fazla uygulama alanlarında kullanımını kısıtlayan bu dezavantajlar matris polimerine farklı türde katkılar eklenerek üretilen polimerik kompozit malzemelerle ortadan kaldırılmaya çalışılmaktadır. Bu bağlamda araştırmacılar polimerik kompozitlerin özelliklerini geliştirmek için çokça çalışma yürütmektedir. Literatürde yapılan çalışmalarda polimer malzemelere nano/mikro boyutlu partikül veya fiber şeklinde birçok katkının eklenerek polimer matrisli kompozitlerin üretildiği ve bu malzemelere yapılan testler sonucunda polimerin mekanik özelliklerinin geliştiği açıkça ortaya konmuştur. Çok fazla sayıda polimer ve katkı malzemesi olması nedeniyle polimerik kompozitler hakkında araştırmaların yeterli olmadığı bilinmektedir. Bu nedenle polimerik kompozitler günümüzde araştırılması ve kanıtlarla bilgilerin ortaya konulması gereken konulardandır. Bu çalışmada genellikle uçak ve havacılık uygulamalarında kullanılan mühendislik polimerlerinden termoplastik polieter eter keton (PEEK) polimer malzemesine farklı oranda grafen nano platelet (GNP) ve çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) nano katkıları sıcak pres yöntemiyle kompozit üretimi gerçekleştirildi. Bu iki karbon bazlı nano katkının polimer matrisin mekanik özelliklerine olan etkileri incelenildi. Mekanik özelliklerin incelenmesi için gerekli olan çekme, darbe, üç nokta eğme ve sertlik test numuneleri mekanik karıştırma ve sıcak pres yardımıyla üretimler tamamlandı. En yüksek sertlik değerindeki artış ağırlıkça %5 MWCNT katkısı ile %15 olurken, GNP katkısı ile eser miktarda artış yaşanmıştır. Çekme ve akma dayanımları PEEK matrise her iki katkıda artış yaşamış en yüksek çekme dayanımını %40 artış ile ağırlıkça %10 MWCNT katkısıyla gözlemlenmiştir. Eğme testi ağırlıkça %0,5 MWCNT oranından ve ağırlıkça %1 GNP oranından daha fazla oranlarda yapının gevrekleştiğini ve eğme dayanımının azaldığını ortaya koymuştur. Darbe test sonuçlarında ağırlıkça %0,1 katkı oranında MWCNT'nin dayanımı %200, GNP'nin ise dayanımı %300'den fazla arttırdığı görülmüştür. Yapılan SEM analizleri ile yapıdaki topaklanma ve matris/katkı arayüzey bağ durumu ortaya konmuştur.

Abstract:
Polymer-based materials have now begun to provide alternatives to metal and ceramic-based materials. Polymer-based materials are widely used in automotive, medical, space and aviation, electronics, construction and many other industrial fields. In addition to their performance and cost advantages, polymer materials also have disadvantages such as melting temperatures and mechanical performance properties. These disadvantages, which restrict the use of polymer materials in more application areas, are being tried to be eliminated by polymeric composite materials produced by adding different types of additives to the matrix polymer. In this context, researchers are conducting a lot of work to improve the properties of polymeric composites. Studies in the literature have clearly demonstrated that polymer matrix composites are produced by adding many additives in the form of nano/micro-sized particles or fibers to polymer materials, and that the mechanical properties of the polymer improve as a result of the tests performed on these materials. It is known that there is a lack of information about polymeric composites due to the large number of polymers and additive materials. For this reason, polymeric composites are among the issues that need to be researched and presented with evidence. In this study, composite production of different ratios of graphene nano platelet (GNP) and multi-walled carbon nanotube (MWCNT) nano additives to the thermoplastic polyether ether ketone (PEEK) polymer material, which is one of the engineering polymers generally used in aircraft and aviation applications, was produced by the hot press method. The effects of these two carbon-based nano additives on the mechanical properties of the polymer matrix were examined. The production of tensile, impact, three-point bending and hardness test samples required for the examination of mechanical properties was completed with the help of mechanical mixing and hot press. While the increase in the highest hardness value was 15% with the 5% MWCNT additive by weight, there was a slight increase with the GNP additive. Tensile and yield strengths increased with both nano additives to the PEEK matrix, and the highest tensile strength was observed with a 40% increase with a 10% MWCNT additives by weight. The bending test revealed that the structure became brittle and the bending strength decreased at more than 0.5% MWCNT by weight and 1% GNP by weight. In the impact test results, it was seen that MWCNT increased the strength by 200% and GNP increased the strength by more than 300% at an additive rate of 0.1% by weight. The SEM analysis revealed the agglomeration and matrix/additive interfacial bonding in the structure.