Polimer - metal matrisli kompozitlerden oluşturulmuş sandviç yapıların balistik davranışları
Ballistic behavior of sandwich structures constructed from polymer-metal matrix composites
Yazar: ERTAN KÖSEDAĞ
Danışman: DOÇ. DR. RECEP EKİCİ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada metal matrisli kompozit ve polimer matrisli kompozit tabakalardan üretilmiş yeni bir çeşit sandviç yapının balistik davranışları incelenmiştir. Bu amaçla öncelikle metal matrisli kompozit takviye elamanı türü ve oranını belirlemek için çeşitli oranlarda B4C ve SiC takviyeli Al6061 matrisli kompozit malzemeler üretilmiş ve düşük hızda darbe testlerine tabi tutularak sonuçları incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar değerlendirilip sandviç yapıda kullanılacak metal matrisli kompozit malzemenin hacimce % 20 SiC takviyeli Al6061 matrisli kompozit malzeme olmasına karar verilmiştir. Polimer matrisli kompozit malzeme olarak, aramid fiber takviyeli polimer matrisli kompozit malzemeler prepreg yapıdan üretilmişlerdir. Bu iki tür kompozit malzeme çeşitli konfigürasyonlarda bir araya getirilerek beş farklı sandviç yapı elde edilmiştir. Bu sandviç yapılara üç farklı hız düzeyinde atışlar gerçekleştirilmiş olup tabaka diziliminin balistik davranış üzerindeki etkisi ortaya konmuştur. Bu amaçla delinen numunelerde mermi giriş hızı ve çıkış hızından yola çıkılarak sandviç yapıların absorbe ettikleri enerji ortaya konulmuştur. Delinmeyen sandviç yapılar da ise mermi batma miktarı ölçülüp kıyaslanmıştır. Bu sonuçlara göre en dayanıklı sandviç yapı konfigürasyonu tespit edilmiştir.
Tez çalışması kapsamında sandviç yapıyı oluşturan her bir tabaka olan metal matrisli ve polimer matrisli kompozitlerin düşük hızda darbe testleri ayrı ayrı gerçekleştirilmiş olup ayrıca bu kompozit malzemelerin yoğunlukları deneysel olarak ölçülüp teorik değerleri ile karşılaştırılmıştır. Bunun yanında, metal matrisli kompozit malzemenin sertlik değerleri deneysel olarak tespit edilmiştir. Metal matrisli kompozitleri oluşturan tozların ve kompozit malzemelerin taramalı elektron mikroskobu görüntüleri alınıp incelenmiştir.
Düşük hızda darbe testi yapılan metal matrisli kompozit malzemeler ve sadece metal matrisli kompozitten meydana gelen beşinci tip kompozit malzeme sonlu elemanlar yöntemi kullanılarak modellenmiş ve darbe testleri gerçekleştirilmiştir. Düşük hızlı darbe testlerinden elde edilen temas kuvveti - zaman eğrileri ile balistik testlerde elde edilen mermi batma miktarı ve çıkış hızı sonuçlarının deneysel sonuçlar ile uyum içerisinde oldukları tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, the ballistic behaviors of a new type sandwich structure made of metal matrix composite and polymer matrix composite layers were investigated. For this purpose, first of all, B4C and SiC reinforced Al6061 matrix composite materials were produced in order to determine the type and volume fraction of metal matrix composite reinforcement. Then, it was subjected to the low velocity impact tests and its results were examined. The results obtained were evaluated and, it was decided that the metal matrix composite material to be used in the sandwich structure would be a composite material with 20% SiC reinforced Al6061 matrix. As a polymer matrix composite material, aramid fiber reinforced polymer matrix composite materials are produced from prepreg. Five different sandwich structures have been obtained by combining these two types of composite materials in various configurations. These sandwich structures were fired at three different velocity levels and the effect of layer sequencing on ballistic behavior was revealed. For this purpose, the energy absorbed by the sandwich structures has been determined based on the bullet entry velocity and exit velocity in the drilled samples. In non-puncture sandwich structures, the amount of bullet penetration was measured and compared. According to these results, the most durable sandwich structure configuration was determined.
Within the scope of the thesis work, low velocity impact tests of metal matrix and polymer matrix composites, which are each layer forming the sandwich structure, were carried out separately. In addition, the densities of these composite materials were measured experimentally and compared with their theoretical values. Besides, the hardness values of the metal matrix composite material were determined experimentally. Scanning electron microscope images of the powders and composite materials that make up the composites were taken and examined.
Metal matrix composite materials undergoing the low velocity impact test and the fifth type composite material consisting only of metal matrix composite were modeled using the finite element method and impact tests were performed. It was determined that the contact force-time curves obtained from the low velocity impact tests and the bullet penetration and exit velocity results obtained in ballistic tests were in a good agreement with the experimental results.