Yüksek sıcaklık uygulamaları için farklı silika formları ile ablatif termoset kompozitlerin geliştirilmesi
Development of ablative thermoset composites with different silica forms for high temperature applications
Yazar: CANSU AYDIN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENNUR DENİZ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Ablatif malzemeler piroliz reaksiyonu veren, termal koruma sistemlerinde kullanılan kompozit malzemelerdir.  Bu tez çalışmasında, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılmak üzere ablatif özellikli termoset kompozit malzemeler geliştirilmiştir. Vakum destekli reçine transfer kalıplama (VARTM) ve el yatırması yöntemleri ile kompozit malzemeler hazırlanmış ve özellikleri karşılaştırılmıştır. Kompozit malzemelerin matrisleri için fenol-formaldehit ve benzoksazin reçineleri seçilmiştir. İki boyutlu silika dokunmuş kumaş, üç boyutlu silika dokunmuş preform ve seramik yün battaniye malzemeleri kompozit malzemelerin hazırlanmasında takviye malzemesi formları olarak kullanılmıştır. Seçilen iki ve üç boyutlu takviye malzemeleri en az %94 SiO2 içeriğine sahip yüksek silika dokuma kumaş ve preform malzemeleri iken, seramik yün battaniye malzemesi SiO2, Al2O3 ve ZrO3 içermektedir. VARTM ve el yatırması yöntemleri ile hazırlanan kompozit plaka malzemelerin ablatif özelliklerini incelemek üzere oksi-asetilen erozyon hızı testi yapılmış olup, mekanik, fiziksel ve termal özellikleri incelenerek malzemeler karakterize edilmiştir. TGA termogramlarından 900 °C'deki en yüksek kül verimi, iki boyutlu yüksek silika takviyeli ve fenolik matrisli kompozitler için % 88 ve % 84 oranında elde edilirken benzoksazin matrisli kompozit malzemede % 75 kül oranı elde edilmiştir. Kül verimlerinin yüksek silika elyaf oranları ile orantılı olduğu saptanmıştır. Oksi-asetilen test sonuçlarına göre (90° yönünde kompozit numunesine, 20 saniye maruziyet için), en iyi ağırlık kaybı verisi VARTM yöntemi ile üretilen iki boyutlu yüksek silika/fenolik reçine kompozitine ait iken (0,022 g/s), VARTM yöntemi ile üretilen iki boyutlu yüksek silika/benzoksazin reçine kompozitinin test sonuçları (0,024 g/s) oldukça yakındır.

Anahtar Kelimeler: Ablatif kompozit malzemeler, silika formlar, fenolik kompozitler, benzoksazin matrisli kompozitler, VARTM.

Abstract:
Ablative materials are composite materials used in thermal protection systems that give pyrolysis reactions. In this thesis, ablative thermoset composite materials were developed for use in high-temperature applications. Composite materials were prepared by vacuum-assisted resin transfer molding (VARTM) and hand lay-up methods, and their properties were compared. Phenol-formaldehyde and benzoxazine resins were chosen for the matrices of the composite materials. Two-dimensional silica woven fabric, three-dimensional silica woven preform, and ceramic wool blanket materials were used as reinforcement material forms in the preparation of composite materials. While the selected two- and three-dimensional reinforcement materials are high silica woven fabric and preform materials with at least 94% SiO2 content, the ceramic wool blanket material contains SiO2, Al2O3, and ZrO3. To examine the ablative properties of composite plate materials prepared by VARTM and hand layup methods, an oxy-acetylene erosion rate test was performed, and the materials were characterized by examining their mechanical, physical, and thermal properties. From the TGA thermograms, the highest char yield at 900 °C was obtained at 88 % and 84 % for two-dimensional high silica-reinforced and phenolic matrix composites, while a 75 % char ratio was obtained for the benzoxazine matrix composite material. It was determined that char yields were proportional to high silica fiber ratios. According to the oxy-acetylene test results (90° direction to the composite sample, for 20 seconds exposure), while the best weight loss data belongs to the two-dimensional high silica/phenolic resin composite produced by the VARTM method (0.022 g/s), the test results of the two-dimensional high silica/benzoxazine resin composite produced by the VARTM method (0.024 g/s) were quite close.

Keywords: Ablative composite materials, silica forms, phenolic composites, benzoxazine matrix composites, VARTM.