Cam elyaf takviyeli epoksi nanokompozitlerin (CTP) hızlandırılmış yaşlandırma koşullarında dinamik davranışlarının incelenmesi
Investigation of the dynamic behavior of glass fiber reinforced epoxy nanocomposites (GRP) under accelerated aging conditions
Yazar: İLYAS ERDOĞAN
Danışman: PROF. DR. MURAT KISA
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Lif takviyeli polimer kompozitler sahip oldukları yüksek dayanım ve diğer üstün mekanik ile hafif olma özelliklerinden dolayı klasik kompozitlere göre daha fazla tercih edilirler. Ancak bu malzemeler ultraviyole radyasyon (UV), donma-çözülme döngü ve/veya değişken hidrotermal koşullar gibi çevresel koşullara maruz kaldıklarında ömürleri azalır. Cam elyaf takviyeli polimer kompozitlere (CTP) dinamik davranışlarının iyileştirilmesi için nanomalzeme ilave edilir. Nanokil ve nanosilika bu maksatla kullanılan en yaygın nanomalzemelerdir. Bu çalışmada kompozit malzeme üretimindelifli takviye malzemesi olarak cam elyaf dokuma örgü kumaş ve matris polimer malzemesi olarak da polimer termoset epoksi reçine kullanılmıştır. Literatürde CTP'lerin dinamik davranış özelliklerini iyileştirme konusu üzerine çalışmalar mevcuttur. Ancak bu çalışmalar sınırlı sayıda olup, yeni araştırmalarla daha iyi dinamik davranış özelliklerine sahip CTP kompozit malzemelere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu nedenle nanokompozit malzemelerin dinamik davranışlarının incelenmesi oldukça önemlidir. Yapılan sınırlı sayıda çalışmalarda nanomalzeme katkılı CTP nanokompozitlerin (Nano CTP'ler) dinamik davranış özelliklerinde belirgin iyileşmeler olduğu görülmekle beraber, özellikle çevresel koşullara maruz kaldıklarında dinamik davranış özelliklerini ne ölçüde koruyabildiği ya da bu özelliklerinin nasıl ve ne oranda değiştiği ile ilgili çalışmalar yok denecek kadar azdır. Bu çalışmada katkısız, ağırlıkça %1, %3 ve %5 oranında nanokil ve %0.5, %1 ve %1.5 oranında nanosilika katkılı olmak üzere sırasıyla toplamda yedi farklı yapıda CTP kompozit/nanokompozit plaka malzeme Vakum Destekli Reçine İnfüzyon Tekniği ile üretilmiş ve bu plaka malzemelerden kesilen test numunelerinin dinamik davranışları deneysel, analitik ve sayısal olarak incelenmiştir. Ayrıca numuneler donma-çözülme döngüsü ile değişken hidrotermal hızlı yaşlandırma koşullarına ayrı ayrı maruz bırakılmış, ardından bu koşulların malzemenin dinamik davranış, mekanik, fiziksel ve termal özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Deneysel çalışma sonuçlarına göre %1 nanokil katkının ilk üç mod doğal frekans üzerinde, özellikle 1. ve 3.mod doğal frekanslar üzerinde belirgin bir etkisinin olduğu, doğal frekanslarda belirgin oranda bir artış sağladığı gözlenmiştir. Benzer şekilde %1 nanosilika katkınında ilk üç mod doğal frekans üzerinde, özellikle 3. mod doğal frekans üzerinde belirgin bir etkisinin olduğu, doğal frekanslarda keza yine belirgin oranda bir artış sağladığı görülmüştür. Donma-çözülme ile hidrotermal hızlı yaşlandırma koşullarının etkisi ayrı ayrı değerlendirildiğinde ise yapıya en fazla hasar veren koşulun hidrotermal yaşlandırma olduğu görülmüştür. Bu yaşlandırmaların malzeme ilk üç mod doğal frekansı, özellikle de 1.mod doğal frekansı esas alındığında, nanokil katkılı nanokompozit malzemeyi belirgin şekilde daha fazla etkilediği, doğal frekanslarının düşmesine sebep olduğu görülmüştür. Nanosilika katkılı kompozit malzemeyi ise daha az etkilediği, ancak bu malzemenin doğal frekanslarında da belirgin düşüşlere sebep olduğu görülmüştür. Bu yaşlandırmaların saf kompozit malzemeyi ise neredeyse etkilemediği, 1.mod doğal frekansı değiştirmediği, 2. ve 3. mod doğal frekansların ise belirgin oranlarda artışına sebep olduğu görülmüştür.

Abstract:
Fiber-reinforced polymer composites are preferred over conventional composites due to their high strength and other superior mechanical and lightweight properties. However, when these materials are exposed to environmental conditions such as ultraviolet radiation (UV), freeze-thaw cycles and/or variable hydrothermal conditions, their lifespan decreases. Nanomaterials are added to glass fiber-reinforced polymer composites (GRP) to improve their dynamic behavior. Nanoclay and nanosilica are the most common nanomaterials used for this purpose. In this study, glass fiber woven roving was used as the fibrous reinforcement and polymer thermoset epoxy resin was used as the matrix material for production of the composite material. There are studies in the literature on improving the dynamic behavior properties of GRPs. However, these studies are limited in number and new researches are needed for GRP composite materials with better dynamic behavior properties. Therefore, it is very important to examine the dynamic behavior of nanocomposite materials. Although it has been observed in a limited number of studies that there are significant improvements in the dynamic behavior properties of nanomaterial added GRP nanocomposites (Nano GRPs), there are almost no studies on the extent to which they can maintain their dynamic behavior properties or how and to what extent these properties change, especially when exposed to environmental conditions. In this study, totallyseven different structures of GRP composite/nanocomposite plate materials neat and including 1%, 3% and 5% nanoclay and 0.5%, 1% and 1.5% nanosilica additives by weight were produced by Vacuum Assisted Resin Infusion Technique and the dynamic behaviors of the samples cut from these plate materials were investigated experimentally, analytically and numerically. In addition, the samples were exposed to freeze-thaw cycles and variable hydrothermal accelerated aging conditions separately and then the effects of these conditions on the dynamic behavior, mechanical, physical and thermal properties of the material were investigated. According to the results of the experimental study, it was observed that 1% nanoclay additive had a significant effect on the first three mode natural frequencies, especially on the 1st and 3rd mode natural frequencies and provided a significant increase in natural frequencies. Similarly, it was observed that 1% nanosilica additive had a significant effect on the first three mode natural frequencies, especially on the 3rd mode natural frequency and provided a significant increase in natural frequencies. When the effects of freeze-thaw and hydrothermal accelerated aging conditions were evaluated separately, it was seen that the condition that caused the most damage to the structure was hydrothermal aging. It was seen that these aging processes significantly affected the nanoclay added nanocomposite material more, when the first three mode natural frequencies of the material were taken into account, especially first mode natural frequency,caused a decrease in its natural frequencies. It was seen that they affected the nanosilica added composite material less,caused also a significant decrease in its natural frequencies. These aging processes almost did not affect the neat composite material, did not change the 1st mode natural frequency,caused a significant increase in the 2nd and 3rd mode natural frequencies.