Farklı çevre koşullarının tabakalı kompozitlerin statik ve dinamik dayanımlarına etkisi
The effect of different environmental condition on the static and dynamic strength of laminated composites
Yazar: HÜSEYİN ERSEN BALCIOĞLU
Danışman: PROF. DR. HALİT GÜN
Uşak Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kısa ömürlü yorulma = Low cycle fatique ; Stres-mekanik = Stress-mechanical ; Tabakalı kompozit levhalar = Laminated composite plates

Özet:
Teknolojinin ilerlemesi ile birlikte sağlamlık ve hafiflik gibi özellikler mühendislik uygulamalarında ön plana çıkmıştır. Bu durum geleneksel metalik malzemelerin yerine onun kadar sağlam ve ondan daha hafif olan kompozit malzemelerin kullanımını zorunlu kılmıştır. Kompozit malzemeler, iki ya da daha fazla malzemenin kendi özelliklerinden daha üstün özelliklere sahip yeni bir malzeme oluşturmak için makro düzeyde bir araya gelmeleriyle oluşur. Kompozit malzemeler üstün darbe ve korozyon direnci, yüksek rijitlik, hafiflik ve iyi ısıl iletkenlik gibi özelliklerinden dolayı kara, deniz ve hava taşıtlarında, ayrıca inşaat ve savunma sanayinde yapı elemanı olarak kullanılmaktadırlar.
Kompozit malzemelerin mekanik özellikleri kullanılan fiber ve matrise göre değişmektedir. Bundan dolayı kompozit yapı elemanlarının kullanılacağı ortam koşullarının ve yapı üzerindeki gerilme durumunun iyi bilinip, fiber ve matris malzemesinin ona göre seçilmesi gerekir. Polimer esaslı kompozitler ortamın sıcaklık, ph, nem vb. durumlardan olumsuz etkilenerek dayanımlarını kaybedebilirler. Mühendislik malzemelerinin birçoğu, kullanım esnasında tekrarlanan yükler altında çalışmaktadırlar. Dinamik yükler altında çalışan malzemeler akma dayanımlarının altında dahi hasara uğrayabilirler. Dinamik yükler altında malzemenin yüzeyinde çatlağın oluşması, ilerlemesi ve bunu takiben kırılması, yorulma olarak adlandırılmaktadır. Uygun olmayan ph ortamlarında kompozit malzemelerin yorulma ömrünü düşürebilir. Bu yüzden asidik ve bazik ortamlarda çalışacak kompozit malzemelerin iş güvenliği bakımından yorulma ömürlerinin bilinmesi gerekir. 
Bu projede, asidik ve bazik ortamlarda bekletilmiş sadece cam, sadece karbon ve cam-karbon takviyeli hibrit kompozit malzemelerin statik dayanımları, yorulma ömürleri ve yorulma hasarları araştırılacaktır. Bu kapsamda sekiz tabakalı hibrit olmayan cam/epoksi (C8), karbon/epoksi (K8) ve hibrit cam-karbon/epoksi (C2K4C2), karbon-cam/epoksi (K2C4K2) tabakalı kompozit malzemeler el yatırma yöntemi ile üretilecektir. Üretilen kompozit malzemeler %5, %15 ve %25 derişime sahip asidik ve bazik çözeltide 4, 8, 12 ve 16 hafta boyunca bekletilecektir. Çevresel koşulların cam ve karbon takviyeli hibrit ve hibrit olmayan kompozitlerin yapısına olan etkisini anlamak için dinamik (yorulma) testler öncesinde her bir yapıya ait tarama elektrom mikroskobu (SEM) görüntüleri alınacaktır. Eğilme yüklemesi altındaki yorulma ömürleri eğilme daynımlarının %80, %70, %60, %50 ve %40'ına karşılık gelen yükleme değerlerinde belirlenecektir. Dinamik (Yorulma) testler sonrası numunelerde meydana gelen hasarların mekanizmasını incelemek için hasarlı numunelerin SEM görüntüleri alınacaktır. Asidik ve bazik ortamların yorulma ömrü üzerindeki etkisini daha iyi anlamak için herhangi bir ortamda bekletilmemiş (0%) hibrit ve hibrit olmayan kompozitlere de dinamik (yorulma) testler uygulanacaktır.

Literatürde farklı hibrit yapıların yorulma ömürleri ile ilgili oda sıcaklığında çalışmalar olmasına rağmen, asidik ve bazik ortam altındaki dinamik (yorulma) davranışları ile ilgili yapılmış çalışma mevcut değildir. Ülkemizde kompozit malzemelerin yukarıda belirtilen sanayi dallarında kullanımı her geçen gün artmaktadır. Hazırlanan bu proje ile farklı ortam koşullarında bekletilmiş cam-karbon kompozit malzemelerin statik ve dinamik davranışlarının belirlenmesi amaçlanmaktadır. Proje sonuçları, ülkemizde kompozit yapılar üreten firmalar için (özellikle otomobil parçaları, rüzgâr türbinleri, kompozit yapı malzemeleri) hem üretim hem de ekonomik anlamda yararlı sonuçlar doğuracaktır. Buna ek olarak proje ekibinin çalışma süresince kazanacağı deneyim ve yapılacak yayın çalışmaları da projenin diğer önemli çıktıları olacaktır.

Abstract:
Properties such as stiffness and lightness have come into prominence by developing technology in engineering application. This circumstance caused to unavoidable usage of composite materials which is as durable as conventional metallic materials and lighter than it. Composite materials occur by coming together two or more materials in macro scale to make a new material having superior properties than own properties. Composite materials have been used as structural material in land, sea, and air vehicle also building industry and defense industry due to their properties as ultra-impact and corrosion resistance, high rigidity, lightness and good thermal conductivity. 
The mechanical properties of composite materials change according to used fiber and matrix. Therefore ambient conditions, where this type of composite will be used, and stress situation on the structure must be well known, after that fiber and matrix material should be chosen this phenomenon. Polymer based composites can be loss their strength by negatively affecting from environmental conditions such as temperature, ph, and moisture etc. Many of engineering materials are working under cycling load during usage. The materials which is working under dynamic loading, can be damaged even under their yield strength. Under dynamic load, creating of crack on the surface of material, progressing of crack, and following that fracturing is named fatigue. The fatigue life of composite materials can be decreased in improper ph environments. For that reason, the fatigue life of composite materials, which works at acidic and basic atmosphere, must be known in case of workers and job safety.  
Static strength, fatigue life and failure mechanism of pure glass, pure carbon and glass-carbon reinforced hybrid composite materials, which retained into acidic and alkali environments, will be investigated with this project. In this content, glass/epoxy (C8), carbon/epoxy (K8) un-hybrid composites and glass-carbon/epoxy (C2K4C2), carbon-glass/epoxy (K2C4K2) hybrid composites having eight layers will be produced by using hand lay-up method. The produced composite materials will be retained into acidic and alkali solution having 5%, 15%, and 25% concentration along 4, 8, 12, and 16 weeks. To understand the environmental condition effects on the internal structure of hybrid and un-hybrid composites, scanning electron microscope (SEM) image belonging each structure will be taken before fatigue test. Fatigue life under flexural loading will be defined in load value which equal to 80%, 70%, 60%, 50%, and 40% of bending strength. To describe failure mechanism of damage which occurs after fatigue, SEM image of damaged specimens will be taken. Also, to better understand of environmental condition on the fatigue life, results will be compared with results of hybrid and un-hybrid composites, which didn't retained into any environments (0%). 

Although there are studies about fatigue life in the room temperature of different hybrid structures, there is not study about the fatigue behavior under acidic and alkali environments. The usage of composite materials in our country increasing every passing day in the industry branches given above. The aim of this prepared project is determination of static and dynamic (fatigue) behaviors the fatigue life of glass-carbon composite materials, which retain into different environments. Project results will present beneficial knowledge's in terms of both manufacturing and economical for composite manufacturing firms (especially automotive parts, wind tribune, and composite structure materials) in our country. In addition, the acquired experience of project team during working time and to be done publication study will be the other important output of this project.