Benzoksazin matrisli kompozitlerin sentezi ve karakterizasyonu
Synthesis and characterization of benzoxazine matrix composites
- Tez No: 1002749
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA ÜNLÜ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Kimya Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemical Engineering, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Kompozit reçineler, Polimer kompozitler, Composite resins, Polymer composites
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Bursa Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Uzay, havacılık ve savunma sektörüne yönelik tasarlanan araçların üretiminde kullanılan malzemeler, araçların atmosferdeki yolculuğunu güvenli bir şekilde yapabilmesi için büyük öneme sahiptir. Hipersonik hızlara ulaşan hava araçlarının atmosfere giriş ve çıkışı esnasında oluşan yüzey sürtünmesi nedeniyle şiddetli aerodinamik ısınmalara uğradığı tespit edilmiştir. Bu araçların yüksek sıcaklık (>1000 °C) ortamlarındaki ısı etkisinden korunması için termal koruma sistemleri gereklidir. Termal koruma sistemleri yapısında matris veya takviye/dolgu malzemesinden oluşmaktadır. Karbon fiber takviyeli fenolik reçine matrisli kompozitler yüksek termal, ablatif ve mekanik özellik avantajı ile ön plana çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, termal koruma sistemlerinde kullanılan ablatif polimerik kompozitler için matris malzemesi geliştirilerek kompozitler üretilmiştir. Üretilen kompozitlerin ablasyon özellikleri ve ablasyon mekanizmaları incelenmiştir. Benzoksazin reçinesi (BZ), kütlece farklı oranlarda fenilboronik asit (FBA) ile modifiye edilerek ve farklı ağırlık yüzdelerinde zirkonyum diborür (ZrB2) ve titanyum silisit (TiSi2) ile dolgulanarak matris malzemeleri geliştirilmiştir. Matris malzemeleri, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), termogravimetrik analiz (TGA), taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı spektroskopi (EDS) ve X-ışını kırınım (XRD) yöntemleriyle karakterize edilmiştir. Geliştirilen benzoksazin matris malzemesinin borla modifiyelenmesi ve ZrB2-TiSi2 seramikleri ile dolgulanması termal dayanımı ve kömür verimini arttırmıştır. BZ polimerinin kömür verimi 900 °C'de %51,08 iken, reçine kütlesi esas alınarak %20 fenilboronik asit ile modifiye edilen benzoksazin (FBZ) ve ağırıkça %20 ZrB2-TiSi2 ile dolgulanarak hazırlanan matris malzemesinin (FBZ20-ZT20) kömür verimi %86,01 değerine çıkarılmıştır. Hazırlanan matris malzemeleri, poliakrilonitril (PAN) temelli iğneyle delinmiş karbon fiber keçelere emprenye edilerek kompozit yapılar elde edilmiştir. Üretilen benzoksazin matrisli kompozitlerin termal dayanım, faz yapısı ve mikroyapısal özellikleri sırasıyla termogravimetrik analiz (TGA), X-ışını kırınımı (XRD), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve enerji dağılımlı spektroskopi (EDS) yöntemleri kullanılarak karakterize edilmiştir. Kompozitlerin ablasyon özellikleri, oksiasetilen alev testi kullanılarak belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar, kompozit yapısında yer alan fenilboronik asit ve ZrB2-TiSi2 seramiklerinin katkı miktarının artmasıyla birlikte ablasyon direncinin belirgin şekilde iyileştiğini ortaya koymuştur. Kompozitlerin oksiasetilen alevine maruz kalmasının ardından oluşan kömür tabakaları, SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu), EDS (Enerji Dağılımlı Spektroskopi) ve XRD (X-ışını Kırınımı) analizleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Ablasyon işleminde reçine matrisin pirolize uğraması sonucunda açığa çıkan oksijen ile seramikler arasında oksidasyon tepkimeleri meydana gelir ve yeni bileşikler oluşur (ZrO2, B2O3, TiO2, SiO2). Oluşan bileşikler matrise ek olarak kompozit yapısının bütünlüğünü sağlarken, piroliz sonucu yüzeyde oluşan çatlak yapıları doldurarak oksidasyona karşı direnç gösterir. BZ matrisi esas alınarak hazırlanan kompozitte (K-BZ) ortalama doğrusal ablasyon oranı (DAO) 0,027 mm/s, kütle ablasyon oranı (KAO) 0,044 g/s ve kömürleşme oranı (KO) 0,069 mm/s olarak hesaplanmıştır. Buna karşılık, bor modifiyeli ve ZrB2-TiSi2 içeriği en yüksek olan ve en iyi ablasyon performansını sergileyen K-FBZ20-ZT20 kompozitinde DAO, KAO ve KO değerlerinin sırasıyla 0,004 mm/s, 0,023 g/s ve 0,165 mm/s seviyelerine ulaştığı görülmüştür. Oksiasetilen alev testi sırasında kompozitlerin ön yüzeyleri 2738,5–2940,3 °C aralığında sıcaklıklara ulaşırken, arka yüzey sıcaklıklarının 25,4–25,8 °C aralığında kalması, kompozitlerin etkili bir ısı bariyeri oluşturduğunu göstermektedir. Bu sonuçlar, seramik katkısının yüksek sıcaklık altında kompozit yüzeyinde oluşan koruyucu kömür tabakasının sürekliliğini artırarak ablasyon hızını önemli ölçüde sınırladığını göstermektedir. Zirkonyum diborür ve titanyum silisit miktarının artması ile kompozitlerin ablasyon direnci arttırılmıştır. Böylece kompozitlerin ısı bariyeri oluşturmasına imkan sağlamıştır.
Özet (Çeviri)
Materials used in the manufacture of vehicles designed for the aerospace, aviation, and defense sectors are of critical importance to ensure safe operation during atmospheric flight. Hypersonic vehicles are exposed to severe aerodynamic heating due to intense surface friction during atmospheric entry and exit. To protect these vehicles from the effects of heat in high-temperature environments (>1000 °C), thermal protection systems (TPS) are required. Thermal protection systems generally consist of a matrix material and/or reinforcement/filler components. Carbon fiber–reinforced phenolic resin matrix composites stand out due to their superior thermal, ablative, and mechanical properties. In this thesis, composite materials were produced by developing matrix systems for ablative polymeric composites used in thermal protection systems. The ablative properties and ablation mechanisms of the fabricated composites were systematically investigated. Benzoxazine resin (BZ) was modified with phenylboronic acid (FBA) at different weight ratios and further filled with zirconium diboride (ZrB2) and titanium silicide (TiSi2) at various weight fractions to develop the matrix materials. The matrix materials were characterized using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), thermogravimetric analysis (TGA), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive spectroscopy (EDS), and X-ray diffraction (XRD). Boron modification of the benzoxazine matrix and the incorporation of ZrB2-TiSi2 ceramic fillers significantly enhanced the thermal stability and char yield of the matrix materials. While the char yield of the neat BZ polymer was 51.08% at 900 °C, the char yield of the benzoxazine matrix modified with 20 wt.% phenylboronic acid (FBZ) and filled with 20 wt.% ZrB2-TiSi2 (FBZ20–ZT20), based on the resin mass, increased to 86.01%. The prepared matrix materials were impregnated into polyacrylonitrile (PAN)-based needle-punched carbon fiber felts to obtain composite structures. The thermal stability, phase structure, and microstructural properties of the produced benzoxazine matrix composites were characterized using thermogravimetric analysis (TGA), X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and energy-dispersive spectroscopy (EDS). The ablation properties of the composites were determined using an oxy-acetylene flame test. The results showed that the ablation resistance significantly improved with increasing contents of phenylboronic acid and ZrB2–TiSi2 ceramics in the composite structure. The char layers formed after exposure of the composites to the oxy-acetylene flame were evaluated using SEM, EDS, and XRD analyses. During the ablation process, oxidation reactions occurred between the ceramics and the oxygen released as a result of matrix pyrolysis, leading to the formation of new compounds (ZrO2, B2O3, TiO2, and SiO2). These compounds, in addition to maintaining the structural integrity of the composite, filled the surface cracks formed as a result of pyrolysis and provided resistance against oxidation. For the composite prepared with the BZ matrix (K-BZ), the average linear ablation rate (LAR), mass ablation rate (MAR), and carbonization rate (CR) were calculated as 0.027 mm/s, 0.044 g/s, and 0.069 mm/s, respectively. In contrast, for the boron-modified composite with the highest ZrB2–TiSi2 content and exhibiting the best ablation performance (K-FBZ20-ZT20), the LAR, MAR, and CR values reached 0.004 mm/s, 0.023 g/s, and 0.165 mm/s, respectively. During the oxy-acetylene flame test, while the front surface temperatures of the composites reached values between 2738.5 and 2940.3 °C, the back surface temperatures remained within the range of 25.4–25.8 °C, indicating that the composites formed an effective thermal barrier. These results showed that increasing the amounts of zirconium diboride and titanium silicide enhanced the ablation resistance of the composites by significantly limiting the ablation rate and enabling the formation of an effective thermal barrier.
Benzer Tezler
- 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
CANSU AYDIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SENNUR DENİZ
- Development and implementation of high temperature resistant resin systems that can be used with fiber/fabric reinforcement for use in missile/rocket applications
Roket füze sistemlerinde elyaf/kumaş takviyesi ile kullanılabilecek yüksek sıcaklık dayanımlı reçine sistemleri geliştirilmesi ve uygulanması
TUĞBA KAYA DENİZ
Doktora
İngilizce
2017
Polimer Bilim ve TeknolojisiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERDAL BAYRAMLI
PROF. DR. ÖZDEMİR DOĞAN
- Preparation of polybenzoxazine-EPDM rubber based hydrophobic nanocomposite materials
Polibenzokzazin-EPDM kauçuk esaslı hidrofobik nanokomozit malzemelerin hazırlanması
EBRU KURTARAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Metalurji MühendisliğiSakarya ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEFER CEM OKUMUŞ
PROF. DR. UĞURSOY OLGUN
- Bazı 4-hidroksi-2M-1,4-benzoksazin-3(4H)-on türevlerinin sentez, yapı aydınlatması ve antimikrobiyal etkileri üzerinde çalışmalar
Başlık çevirisi yok
AYDIN MURAT ÖZTÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Eczacılık ve FarmakolojiAnkara ÜniversitesiFarmasötik Kimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEÇKİN ÖZDEN
- Bazı benzoksazin türevlerinin ökaryotik DNA topoizomeraz I enzimi üzerindeki inhibisyon etkilerinin incelenmesi
The investigation of inhibitory effects of some benzoxazine derivates on eucaryotic DNA topoisomerase I
EGEMEN FOTO