Karbon nanotüp ve naylon-6,6 nanofiber ile takviyelendirilmiş Al-Al yapıştırma bağlantılarında kırılma tokluğu ve yorulma davranışları
Fracture toughness and fatigue behaviour of Al-Al adhesive joints reinforced with carbon nanotubes and nylon-6,6 nanofibers
Yazar: FIRAT DURMUŞ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. GÜROL ÖNAL
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, ilk önce elektrospin yöntemiyle saf naylon 6,6 (N-6,6) nanofiber ve ağırlıkça %1, 3 ve 5 oranında çok cidarlı karbon nanotüpler (ÇCKNT) ile takviye edilmiş N-6,6 nanofiberler üretilmiştir. Daha sonra ÇCKNT takviyeli/takviyesiz N-6,6 nanofiber ile güçlendirilen epoksi reçine ile tek taraflı bindirmeli bağlantı (TTBB) ve çift konsol kiriş (ÇKK) test numuneleri hazırlanmıştır. Yapıştırılan malzeme olarak Al 2024-T3 levha kullanılmıştır. TTBB'larda kayma gerilmesi ve yorulma davranışları, ÇKK bağlantılarda ise kırılma tokluğuna takviyeli/takviyesiz N-6,6 nanofiberlerin etkisi incelenmiştir. Modifiyeli yapıştırıcıların mekanik özelliklerinin belirlenmesi için TTBB'larda ASTM D1002-10 ve ÇKK testleri için ise ASTM D3433-99 standardı kullanılmıştır. TTBB'ların kayma şekil değiştirmeleri deneysel olarak ölçülmüş ve N-6,6 nanofiberlerin TTBB'larda etkileri karşılaştırılmıştır. Öncelikle, saf epoksi ve ÇCKNT takviyeli/takviyesiz N-6,6 nanofiber/epoksi yapıştırıcıların çekme testinden elde edilen gerilme değerleri hesaplanmıştır. Daha sonra, bu gerilme değerlerinin  %75, 70, 65, 60 ve 55'i oranında yorulma testi uygulanmış ve test sonucunda elde edilen yorulma ömrü değerlerine göre S-N grafikleri çizilmiştir. Saf epoksi ve ÇCKNT takviyeli/takviyesiz N-6,6 nanofiber/epoksi yapıştırıcıların karakterizasyonu Fourier Dönüşümlü Infrared Spektrometre (FT-IR), Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC), Termogravimetrik Analiz (TGA), Geçirimli Elektron Mikroskobu (TEM)  ve Taramalı Elektron Mikroskopisi (SEM) ile incelenmiştir. Saf epoksi ve ÇCKNT takviyeli/takviyesiz N-6,6 nanofiber/epoksi yapıştırıcıların kırılma yüzeylerin morfolojisi makroskobik görüntüler ve SEM analizleri ile incelenmiştir. Ayrıca, kırılma yüzeylerinin hasar mekanizmaları ile kırılma tokluğuna etki eden faktörler araştırılmıştır. 
TTBB ve ÇKK test bağlantılarında ağırlıkça %1 ve 3 oranlarında ÇCKNT takviyeli N-6,6 nanofiber ile güçlendirilmiş yapıştırıcıların kayma dayanımları ve kırılma toklukları önemli ölçüde artmıştır. Yorulma testi sonucunda, ÇCKNT takviyeli N-6,6 nanofiber/epoksi yapıştırıcıların tamamında, %55 yükleme durumunda sonsuz ömür olarak kabul ettiğimiz, 106 tekrar sayısına ulaşılmıştır. Diğer yükleme koşullarında, en iyi yorulma ömrü %3 ÇÇKNT takviyeli N-6,6 nanofiber/epoksi yapıştırıcılarda elde edilmiştir. ÇKK testleri sonucunda, ÇCKNT ile takviye edilen N-6,6 nanofiber/epoksi yapıştırıcılarda, nanofiberlerin köprüleme etkisiyle, çatlak ucunun yön değiştirmesi veya çatallanmasıyla çatlak ilerlemesine karşı direnç sağlayarak, kırılma tokluğu değerlerinde büyük artışlar sağlamıştır.

Abstract:
In this thesis, firstly,  pure nylon 6,6 (N-6,6) nanofibers and then nylon-6,6 (N-6,6) nanofibers reinforced with %1, %3, and %5 wt. Multi-Wall Carbon Nanotube (MWCNT) were produced by electrospinning. Later, Single Lap Joint (SLJ) and Double Cantilever Beam (DCB) test specimens were prepared with neat epoxy, epoxy blend with nylon-6,6 and epoxy blend with nylon-6,6 reinforced with MWCNT. Al 2024-T3 plate was used as a substrate. In SLJs tests, shear stress and fatigue behavior; in DCB tests, the effect of N-6,6 nanofibers reinforced  with/without MWCNT on fracture toughness were investigated. In order to determine the mechanical properties of modified adhesives, ASTM D1002-10 standard in SLJ, and ASTM D3433-99 standard in DCB tests were employed. Shear stress of SLJs were experimentally measured and the effects of N-6,6 nanofibers on SLJs were compared. At first, tensile values of pure epoxy and N-6,6 nanofiber/epoxy adhesives reinforced with/without MWCNT were calculated. Then, 75, 70, 65, 60 and 55% rate of these tensile values, the fatigue tests were performed, and the S-N graphs were plotted according to the obtained fatigue life values as a result of the test. The characterization of neat epoxy, N-6,6 nanofibers reinforced with/without MWCNT was investigated by Fourier Transform Infrared Spectrometry (FT-IR), Differential Scanning Calorimetry (DSC), Thermogravimetric Analysis (TGA), Transmission Electron Microscopy (TEM) and Scanning Electron Microscopy (SEM). The morphology of fracture surfaces of neat epoxy, N-6,6 nanofibers reinforced with/without MWCNT was examined by macroscopic images and SEM analyzes. In addition, damage mechanisms of fracture surfaces and factors affecting the fracture toughness were investigated.
In SLJs and DCB test specimen, the shear strength and fracture toughness of adhesive were increased significantly by N-6,6 nanofibers reinforced with 1% and 3 wt. of MWCNT. As a result of the fatigue test, in 55% loading condition regarded as infinite life, we reached 106 cycle in all N-6,6 nanofiber/epoxy adhesives reinforced with MWCNT. In other loading conditions, the best fatigue life was obtained with 3% MWCNT reinforced N-6,6 nanofiber/epoxy adhesives. As a result of the DCB test, the fracture toughness of nanofiber reinforced adhesives had been greatly increased by bridging effect of nanofibers changing direction of crack tip or bifurcation resisting to crack propagation.