Design and characterization of conductive nanocomposites using recycled carbon fabrics and carbon nanofibers for lightning strike protection of aerospace structures
Havacılık yapılarının yıldırım koruması için geri dönüştürülmüş karbon kumaşlar ve karbon nanofiberler kullanılarak üretilen iletken nanokompozitlerin tasarımı ve karakterizasyonu
- Tez No: 1005933
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR DEMİRCAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Hibrit kompozit, Karbon lifler, Karbon nanofiber, Nanokompozitler, Polianilin, Polimer kompozitler, Hybrid composite, Carbon fibers, Carbon nanofiber, Nanocomposites, Polyanilines, Polymer composites
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ondokuz Mayıs Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Havacılık ve uzay endüstrisinde, hafiflik ve yüksek mukavemet avantajları nedeniyle karbon fiber takviyeli polimer (CFRP) kompozitlerin kullanımı hızla artmaktadır. Bununla birlikte, CFRP malzemelerin düşük elektriksel iletkenliği, yıldırım çarpmalarından kaynaklanan ciddi hasar riskini önemli ölçüde artırarak uçuş güvenliğini tehdit etmektedir. Mevcut metalik koruma sistemlerinin ağırlık ve korozyon dezavantajlarının üstesinden gelmek için bu tez, yeni nesil, sürdürülebilir ve yüksek performanslı bir nanokompozit yıldırım çarpma koruma (LSP) sistemi sunmaktadır. Bu çalışmada, atık epoksi/karbon fiber prepreglerden termal oksidasyon yoluyla geri kazanılan karbon fiberler (rCF), elektro eğirme ile sentezlenen karbon nanofiberler (CNF) ve iletken polimer polianilin (PANI) kullanılarak bir nanokompozit LSP katmanı tasarlanmıştır. Mekanik karakterizasyon testleri, rCF'lerin geri kazanım işleminden sonra başlangıçtaki eğme modülüsünün %85,6'sını koruduğunu ve yapısal bütünlüğün bozulmadan kaldığını göstermiştir. Üretilen karbon nanofiberlerin yüksek en boy oranı (L/D ~15) ve geniş yüzey alanı, matris içinde etkili bir iletken ağın oluşmasını kolaylaştırarak elektron transferini artırmıştır. PANI matrise %2 ağırlık oranında CNF eklenmesiyle (2CNF-P-rCF), nanofiberlerin nano köprü etkisi yarattığı, elektron transferini kolaylaştırdığı ve yüzey elektriksel iletkenliğinin 221 S/cm'ye ve termal iletkenliğin 215 W/mK'ye ulaşmasını sağladığı gözlemlenmiştir. 100 kA akım uygulanan yıldırım çarpması testlerinde, 2CNF-P-rCF LSP tabakası, yıldırım enerjisini yüzey boyunca hızla dağıtarak, kompozit yüzeyinde oluşan hasar alanını korumasız CFRP numunesine kıyasla yaklaşık %69,7 oranında azaltmıştır. Yıldırım çarpma testinden sonraki 3-nokta eğme testleri, 2CNF-P-rCF nanokompozit kaplamalı kompozitin, başlangıçtaki eğme dayanımının %98'ini koruduğunu göstermiştir. Bu sonuçlar, geri dönüştürülmüş karbon fiberlerin yüksek dayanımını, PANI iletken polimerindeki nanofiberlerin iletken özellikleriyle birleştirerek, ticari metalik koruyuculara alternatif olarak havacılık yapılarında yapısal yük taşıma kapasitesine katkıda bulunan hafif, korozyona dayanıklı ve sürdürülebilir bir çözümün başarıyla uygulanabileceğini kanıtlamaktadır.
Özet (Çeviri)
In aerospace industry, the utilization of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites is increasing rapidly due to their lightweight and high strength advantages. However, the low electrical conductivity of CFRP materials poses a significant risk of severe damage from lightning strikes, threatening flight safety. To overcome the weight and corrosion disadvantages of current metallic protection systems, this thesis presents a next-generation, sustainable, and high-performance nanocomposite lightning strike protection (LSP) system. In this study, a nanocomposite LSP layer was designed using carbon fibers (rCF) recovered from waste epoxy/carbon fiber prepregs via thermal oxidation, carbon nanofibers (CNF) synthesized by electrospinning, and the conductive polymer polyaniline (PANI). Mechanical characterization tests revealed that the rCFs retained 85.6% of their initial flexural modulus after the recovery process, demonstrating that structural integrity remained intact. The high aspect ratio (L/D ~15) and large surface area of the produced carbon nanofibers facilitated the formation of an effective conductive network within the matrix, enhancing electron transfer. With the addition of 2 wt% CNF into the PANI matrix (2CNF-P-rCF), it was observed that nanofibers created a nano-bridge effect, facilitating electron transfer and enabling the surface electrical conductivity to reach 221 S/cm and thermal conductivity to 215 W/mK. In simulated lightning strike tests conducted at 100 kA intensity, 2CNF-P-rCF LSP layer rapidly dissipated the lightning energy across the surface, reducing the damage area of composite by approximately 69.7% compared to the unprotected CFRP sample. The post-lightning strike 3-point bending tests demonstrated that 2CNF-P-rCF nanocomposite coated composite retained 98% of its initial flexural strength. These results prove that by combining the high stiffness of recycled carbon fibers with the conductive properties of nanofibers in PANI conductive polymer, a lightweight, corrosion-resistant, and sustainable solution that contributes to structural load-carrying capacity can be successfully applied to aerospace structures as an alternative to commercial metallic protectors.
Benzer Tezler
- Development of novel thermal conductive polymer nanocomposites
Yeni nesil termal iletken polimer nanokompozitlerin geliştirilmesi
ELİFTEN SEMERCİ
Doktora
İngilizce
2021
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN
DOÇ. DR. TUBA ERDOĞAN BEDRİ
- Development of multi-layer conductive polymer nanocomposites for electromagnetic shielding application
Elektromanyetik kalkanlama uygulamaları için katmanlı iletken polimer nano kompozitlerinin geliştirilmesi
FATMA ZEHRA ENGİN SAĞIRLI
Doktora
İngilizce
2017
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EYÜP SABRİ KAYALI
PROF. DR. ABDÜLKADİR SEZAİ SARAÇ
- Grafen ve bor nitrür takviyeli epoksi reçine ile hibrit nanokompozit üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of hybrid nanocomposite with graphene and boron nitride reinforced epoxy resin
MAHİDE BETÜL ÖZTÜRKMEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiGazi ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURSEL DİLSİZ
DR. ÖĞR. ÜYESİ YAHYA ÖZ
- Enerji, optik sensör ve aktif gıda paketleme alanlarında kullanılmak üzere yüzeyi işlevselleştirilmiş floresans karbon noktaların geliştirilmesi
Development of surface functionalized fluorescence carbon dots for use in energy, optical sensor, and active food packaging areas
MELİS ÖZGE ALAŞ
Doktora
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiMersin ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RÜKAN GENÇ ALTÜRK
- Gıda güvenliği ve ilaç analizlerine yönelik nanoyapılıhibrit malzemeler destekli elektrokimyasal algılamaplatformlarının geliştirilmesi
Development of nanostructured hybrid material–supportedelectrochemical sensing platforms for food safety andpharmaceutical analysis
EBRU BEYYAVAŞ