Elektrospin nano-mat takviyeli karbon/epoksi kompozitlerde arayüzey dayanımının fiber demeti testi ile belirlenmesi
Determination of interface strength of electrospun nanofiber interleave reinforced carbon/epoxy composites with fiber bundle tests
Yazar: ALİ FAHRİ DANIŞMAN
Danışman: DOÇ. DR. VOLKAN ESKİZEYBEK
Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Metalurji Mühendisliği = Metallurgical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Karbon fiber takviyeli tabakalı kompozitlerin zayıf tabakalar arası kırılma dirençleri daha geniş alanlardaki yapısal uygulamaları önündeki büyük bir kısıtlamadır. Bu nedenle, karbon fiber takviyeli tabakalı kompozitlerin tabakalar arası mekanik performansının iyileştirilmesi son yıllarda yoğun bir araştırma odağı haline gelmiş ve birçok yöntem önerilmiştir. Komşu tabakalar arasında reçine bakımından zengin ara katmana büyük yüzey alanı ve yüksek tokluğa sahip nanofiber mat ara tabakaların ilave edilmesi, tabakalı kompozitlerin düzlem dışı özelliklerini geliştirmek için tercih edilen bir yöntem haline gelmiştir. Fiber takviyeli tabakalı kompozitlerin tabakalar arası kırılma performanslarının belirlenmesinde kullanılan standart testler mevcuttur. Bu testlerde kullanılan aparat ve ölçüm tekniklerinin zorluğu, makro boyutlu numunelerde ortaya çıkan mikro ve nano ölçekteki tokluk arttırıcı mekanizmaların etkisinin yeterince belirlenememesi, faklı yükleme koşullarında mikromekanik test yaklaşımlarının yüksek sapmalar göstermesi ara yüzey mekanik performansının ölçülmesinde daha basit ve küçük numuneler kullanan mekanik testlerin kullanılması ihtiyacını ortaya çıkarmaktadır. Fiber takviyeli kompozitlerde fiber/matris ara yüzey mekanik performansını değerlendirmek için mikromekanik testlere alternatif olarak fiber demeti testleri de kullanılmaktadır. Bu çalışmada, termoplastik nanofiber matların tabakalı kompozitlerde tabakaları arası mekanik performansa etkisinin belirlenmesi için literatürde ilk defa fiber demeti testleri kullanılmıştır. Bunun için, elektro-eğirme yöntemiyle üretilmiş poliakrilonitril (PAN) nanomatlar iki karbon fiber demeti arasına yerleştirilmiş ve elde edilen numuneler saf çekme ve saf kayma yüklerine maruz bırakılmıştır. Enine fiber demeti çekme ve V-çentikli kayma deneyleri sonrasında elde edilen sonuçlar grafik ve tablolar halinde verilmiş ve sonuçlar kıyaslanarak tartışılmıştır. Ayrıca, mekanik deneyler sonucu numunelerin kırılma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu analizleri ile detaylı bir şekilde incelenmiştir. Kırılma yüzeylerinin incelenmesiyle elde edilen sonuçlar ile mekanik performans sonuçları arasında ilişkiler kurulmuş ve bu ilişkilere göre sonuçlar değerlendirilmiştir. Enine fiber demeti çekme testi sonuçlarına göre iki fiber demeti arasındaki dayanım ortalama 30 MPa olarak ölçülmüş ve iki demet arasına yerleştirilen PAN nanomat ilavesi ile birlikte ara yüzey dayanımı %12.2 arttırılmıştır. V-çentikli kayma testlerine göre PAN mat takviyesiz karbon fiber demeti ara yüzey kayma dayanımı ortalama 26,89 MPa olarak belirlenirken PAN nanomat takviyeli karbon fiber demeti en yüksek kayma ara yüzey dayanımı 52,96 MPa olarak ölçülmüştür ki bu değer saf numunelerden yaklaşık iki kat daha büyüktür. Karbon fiber demetleri arasına ilave edilen PAN nanomat takviyesi mikro ve nano boyutta çeşitlik tokluk arttırıcı mekanizmalar ile ara yüzey dayanımının mekanik performansının artmasına katkıda bulunmuştur. SEM analizlerine göre PAN nanomatların mekanik performansa en önemli katkıları PAN nanofiberlerin epoksi matris içerisinden sıyrılırken yuttukları enerji olduğu belirlenmiş, bununla birlikte, ayrılan iki mikro yüzeyi bağlayan nanofiber köprülemesi, nanofiber kırılması, çatlağın yön değiştirmesi veya durdurulması gibi çeşitli tokluk arttırıcı mekanizmalar da ara yüzey mekanik performansının artmasına katkıda bulunmuştur. Elde edilen sonuçlar fiber demeti testlerinin tabakalar arası kırılma tokluğu ve fiber-matris ara yüzey dayanımının belirlenmesi için kullanılan makro ve mikro boyuttaki testlere bir alternatif olabileceğini göstermektedir.

Abstract:
The weak interlaminar resistance of carbon fiber reinforced laminated composites is a major limitation for being utilized in various structural applications. Therefore, improving the mechanical performance of the carbon fiber reinforced laminated composites has become an intensive research focus in recent years and many methods have been proposed. The addition nanofiber mat interleaves with large surface area and high toughness into the resin-rich region between adjacent fiber plies has become a preferred method for improving the out-of-plane properties of laminated composites. Standard tests are available to determine the fracture performance of fiber-reinforced composites. The difficulty of the apparatus and measurement techniques used in these tests, the impact of micro and nano scale toughness increasing mechanisms in macro-sized samples, the high deviations of micromechanical test approaches under different loading conditions, revealed the need to use mechanical tests that use simpler and smaller samples to measure the mechanical performance of the fiber-matrix interface. Fiber bundle tests are also used as an alternative to micro-mechanical tests to evaluate the mechanical performance of fiber/matrix interface in fiber-reinforced composites. In this study, fiber bundle tests were used for the first time in the literature to determine the effect of thermoplastic nanofiber mats on mechanical performance between plies in laminated composites. For this, polyacrylonitrile (PAN) nanomats produced by the electro-spinning method were placed between two carbon fiber bundles and the obtained samples were subjected to pure tensile and shear loads. The results obtained after transverse fiber bundle and V-notched shear tests are given in graphs and tables and the results are discussed. In addition, as a result of mechanical experiments, the fracture surfaces of the samples were examined in detail with scanning electron microscopy analysis. Relationships between the results obtained by examining the fracture surfaces and mechanical performance results were established and the results were evaluated according to these relations. According to the transverse fiber bundle tensile test results, the strength between the two fiber bundles was measured as an average of 30 MPa and the interfacial strength was increased by 12.2% with the addition of PAN nanomat placed between the two carbon fiber bundles. According to the V-notched shear tests, the PAN mat-reinforced carbon fiber bundle interface shear strength was determined as an average of 26.89 MPa, while the PAN nanomat reinforced carbon fiber bundle was measured as the highest shear interface strength 52.96 MPa, which is about twice as much as pure samples. The PAN nanomat reinforcement has contributed to the increase of the mechanical performance of the interfacial strength with various micro and nano size toughening mechanisms. According to SEM analysis, the most important contribution of PAN nanomatts to mechanical performance was determined to be the energy that PAN nanofibers absorbed while pulling-out from the epoxy matrix, however, various toughness enhancing mechanisms such as nanofiber bridging, nanofiber breakage, crack bifurcation or blunting are also observed. The obtained results show that fiber bundle tests can be an alternative to macro and micro size tests used to determine the interlaminar fracture toughness and fiber-matrix interface strength in fiber reinforced laminated composites.