Geri Dön

SWCNT-REINFORCED COMPOSITE SURFACING FILMS FOR LIGHTNING STRIKE PROTECTION OF AIRCRAFT

UÇAKLARIN YILDIRIM DARBESİNE KARŞI KORUNMASI İÇİN SWCNT TAKVİYELİ KOMPOZİT YÜZEY KAPLAMA FİLMLERİ

  1. Tez No: 1010608
  2. Yazar: KORAY TANSU İLHAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İBRAHİM ERSİN SERHATLI
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Kimya, Kimya Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Chemistry, Chemical Engineering, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Kompozit malzemeler, üstün mekanik performansları ve hafif yapıları sayesinde havacılık uygulamalarında son yıllarda giderek daha yaygın hale gelmiştir. Bu malzemeler, güçlendirici ve matris olmak üzere iki temel malzemenin bir araya gelmesiyle oluşur. Güçlendirici olarak adlandırılan takviye elyaf, mekanik dayanım ve rijitlik sağlar. Matris ise genellikle termoset reçinelerden oluşur ve bir bağlayıcı görevi görür. Matris, sadece takviyeyi yerinde tutmakla kalmaz, güçlendirici elyafı dış etmenlerden korur ve aynı zamanda yük aktarımını da sağlar. Kompozit malzemeler bu özgün yapıları sayesinde birçok kritik uygulamada geleneksel metalleri geride bırakmış ve özellikle havacılık endüstrisi başta olmak üzere birçok sektörde geniş kullanım alanı bulmuştur. Kompozit malzemelerin mühendislikte en çok öne çıkan özelliklerinden biri, yüksek dayanım/ağırlık oranıdır. Bu oran, çoğu zaman metallere kıyasla %20'ye kadar daha fazladır. Havacılık sektöründe bu avantaj kritik öneme sahiptir çünkü ağırlığın azaltılması doğrudan yakıt verimliliğine, manevra kabiliyetine ve sera gazı emisyonlarının düşmesine katkı sağlar. Özellikle sürdürülebilirliğin daha da önem kazandığı günümüz dünyasında kompozit malzemelerin avantajı daha belirgin hale gelmiştir. Bu noktada kompozitler, çözümün merkezinde yer almaktadır. Ticari havacılıkta yaygın olarak kullanılmalarına rağmen, kompozitlerin potansiyelini ilk fark edenler askeri uçak üreticileri olmuştur. Daha hızlı, daha çevik ve daha dayanıklı savaş uçakları üretme amacıyla kompozitleri ilk benimseyen bu üreticiler, sektöre öncülük etmiştir. Günümüzde ise kompozitler hem askeri hem de sivil havacılıkta vazgeçilmez bir unsur haline gelmiş, modern ticari uçakların yapısının yaklaşık %50'sini oluşturmaktadır. Karbon fiber takviyeli polimerler (CFRP'ler), olağanüstü mekanik özellikleriyle öne çıkar. Yüksek mukavemet, sertlik ve çevresel etkilere karşı dayanıklılıkları, onları uçak gövdeleri, kanatlar ve kuyruk bölümleri gibi geleneksel metal yapıların yerine kullanılabilecek ideal malzemeler haline getirir. Bu hafif yapılar sayesinde uçaklar daha uzun menzile, daha yüksek yakıt verimliliğine ve daha iyi aerodinamik performansa ulaşabilir. Ayrıca CFRP'ler, yapısal elemanların yanı sıra pervaneler, rotor kanatları ve iniş takımları gibi kritik havacılık bileşenlerinde de kullanılarak uçakların genel dayanıklılığını ve kullanım ömrünü artırmaktadır. Bu sayede, yüksek mekanik yükleri çok düşük ağırlıkla taşıyabilen CFRP'ler, modern havacılık mühendisliğinde vazgeçilmez hale gelmiştir. Bununla birlikte, CFRP malzemelerin sahip olduğu düşük elektriksel iletkenlik, yıldırım çarpması ve statik boşalmalar gibi sık karşılaşılan doğal olaylar karşısında önemli bir dezavantajdır. Ticari uçaklar ortalama olarak yılda bir ya da iki kez yıldırım çarpmasına maruz kalmaktadır. Zorlu çevre koşullarında faaliyet gösteren askeri uçaklarda ise bu risk çok daha fazladır. Yıldırım çarpması büyük miktarda elektrik enerjisi açığa çıkarır ve bu enerji, ciddi teknolojik sorunlara, yapısal hasarlara ve hatta felaketle sonuçlanabilecek arızalara neden olabilir. Bu nedenle, uçak üreticileri CFRP tabanlı yapıları korumak için yıldırım darbesi koruma (LSP) sistemlerini devreye almak zorundadır. LSP malzemeleri, bu yapısal bileşenlerin güvenliği ve uzun ömürlülüğü için hayati önem taşımaktadır. Uçak üreticileri, yıldırım zararlarını en aza indirmek için çeşitli stratejiler geliştirmiştir. Örneğin, bakır örgü ya da alüminyum folyo gibi iletken malzemeler LSP sistemlerinde kullanılarak yıldırımın enerjisinin takip edebileceği iletken bir yol sağlanır. Ancak bu yaklaşım, uçakların ağırlığını artırarak CFRP kullanımının sağladığı en büyük avantajı ortadan kaldırır. Ayrıca metallerin kolayca korozyona uğraması, özellikle zorlu çevre koşullarında bakım maliyetlerini artırır ve operasyonel performansı olumsuz etkiler. Bir diğer yaklaşım ise kompozit yapıların yüzeyine iletken kaplama uygulamaktır. Buna ek olarak, uçakların çoğunda, yıldırım enerjisini kritik bileşenlerden uzağa yönlendiren yıldırım koruma sistemleri bulunur. Bu sistemlerde genellikle uçak yüzeyine yerleştirilen ve iletken yollarla bağlantılı yıldırım çubukları kullanılır. Bu zorlukları aşmak için günümüzde metalik bileşenlere ihtiyaç duymayan yeni nesil LSP malzemeleri üzerine yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Bu araştırmaların en umut verici yönlerinden biri, iletken nanomalzemelerin LSP'lere entegre edilmesidir. Nanoteknoloji tabanlı bu ileri malzemeler, CFRP'lerin hafif yapısını korurken elektriksel iletkenliği önemli ölçüde artırma potansiyeline sahiptir. Böylelikle, geleneksel LSP tekniklerinin dezavantajlarını ortadan kaldırarak etkili yıldırım koruması sağlayabilecek yeni nesil kompozit filmler geliştirilebileceği düşünülmektedir. Bu doktora tezi, uçak ve havacılık bileşenlerinde yıldırım çarpmalarına karşı korumayı artırmak için CFRP kompozitlerle birlikte kullanılmak üzere yüksek performanslı bir yüzey filmi geliştirmeye odaklanmaktadır. Çalışma, havacılık sınıfı karbon fiberlerden ve yeni formüle edilmiş yüksek performanslı bir epoksi matrisinden üretilecek prepregler kullanılarak bir uçak parçası üretimini içermektedir. Bu prepregler, yıldırım çarpması koruma filminin altındaki kompozit yapıyı oluşturacaktır. CFRP malzemelerin düşük elektrik iletkenliği göz önüne alındığında, yüksek iletkenliğe sahip bir yüzey filmi tasarlanacak ve bir otoklavda CFRP kompozit plakalarla birlikte kürlenecektir. Yüzey filminin elektrik iletkenliğini artırmak için SWCNT kullanılacak ve matrise ve/veya elyaf takviyeye farklı kombinasyonlarda entegre edilerek farklı kombinasyonlarda performansları test edilecektir. Araştırma ayrıca, sonlu elemanlar analizi gibi yöntemlerle olası bozulmaları en aza indirirken, iki kompozit sisteminin birlikte kürleme sırasında uyumluluğunu ve kürleme kinetiğini inceleyecektir. Son olarak, yüzey hasarını ve kompozit levhaların genel performansını değerlendirmek için yıldırım çarpması testleri yapılacaktır. Nanomalzemelerle güçlendirilmiş yüksek iletkenliğe sahip gelişmiş yüzey filmleri, geleneksel ürünlerle karşılaştırıldığında havacılık endüstrisinde devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Bu araştırma, CFRP'lerin yıldırım karşısındaki zayıflıklarını gidererek daha güvenli, daha verimli ve daha dayanıklı uçak yapılarının geliştirilmesine katkı sağlayacaktır. Metalik bileşenlerin LSP'lerden çıkarılması, yalnızca ağırlık sorununu azaltmakla kalmayacak, aynı zamanda korozyon problemlerinin de önüne geçecektir. Çalışmanın sonuçları, rüzgâr türbinleri, otomotiv, yenilenebilir enerji ve savunma sanayii gibi kompozit malzemelerin kullanıldığı diğer sektörlere de önemli katkılar sunabilir. Yüksek performanslı, hafif malzemelere olan talep arttıkça, yeni nesil LSP malzemelerinin havacılığın ve ötesinin geleceğinde belirleyici bir rol oynayacağı açıktır.

Özet (Çeviri)

Composite materials have become increasingly common in aerospace applications in recent years, thanks to their superior mechanical performance and lightweight structure. These materials consist of two basic materials: a reinforcement and a matrix. The reinforcement fiber provides mechanical strength and rigidity. The matrix, typically composed of thermosetting resins, serves as a binder. The matrix not only holds the reinforcement in place but also protects the reinforcement fiber from external factors and ensures load transfer. Thanks to this unique structure, composite materials have surpassed traditional metals in many critical applications and have found widespread use in many sectors, especially the aerospace industry. One of the most important properties of composite materials in engineering is their high strength-to-weight ratio, often up to 20% higher than metals. This advantage is critical in the aerospace industry, as weight reduction directly contributes to fuel efficiency, maneuverability, and reduced greenhouse gas emissions. The advantages of composite materials have become even more evident in today's world, where sustainability has become increasingly important. In this regard, composites are at the heart of the solution. Although widely used in commercial aviation, military aircraft manufacturers were the first to recognize the potential of composites. These manufacturers, who adopted composites to produce faster, more agile, and more durable fighter jets, pioneered the industry. Today, composites have become an indispensable element in both military and civil aviation, accounting for approximately 50% of the structure of modern commercial aircraft. Carbon fiber-reinforced polymers (CFRPs) stand out for their exceptional mechanical properties. Their high strength, stiffness, and resistance to environmental impacts make them ideal replacements for traditional metal structures such as aircraft fuselages, wings, and tail sections. These lightweight structures allow aircraft to achieve longer ranges, higher fuel efficiency, and better aerodynamic performance. CFRPs are also used in critical aerospace components such as propellers, rotor blades, and landing gear, in addition to structural elements, increasing aircraft's overall durability and service life. This ability to support high mechanical loads with very low weight has made CFRPs indispensable in modern aerospace engineering. However, the low electrical conductivity of CFRP materials poses a significant disadvantage when faced with common natural phenomena such as lightning strikes and static discharges. Commercial aircraft are struck by lightning once or twice a year on average. This risk is even greater for military aircraft operating in harsh environmental conditions. Lightning strikes release large amounts of electrical energy, which can cause serious technological problems, structural damage, and even catastrophic failure. Therefore, aircraft manufacturers must implement lightning strike protection (LSP) systems to protect CFRP-based structures. LSP materials are vital to the safety and longevity of these structural components. Aircraft manufacturers have developed various strategies to minimize lightning damage. For example, conductive materials such as copper meshes or aluminum foil are used in LSP systems to provide a conductive path for lightning energy. However, this approach increases aircraft weight, negating the significant advantage of CFRP. Furthermore, metals corrode easily, increasing maintenance costs and negatively impacting operational performance, especially in harsh environmental conditions. Another approach is to apply a conductive coating to the surface of composite structures. Additionally, most aircraft are equipped with lightning protection systems that direct lightning energy away from critical components. These systems typically utilize lightning rods placed on the aircraft's surface and connected to conductive paths. To overcome these challenges, intensive research is currently underway on next-generation LSP materials that do not require metallic components. One of the most promising aspects of this research is the integration of conductive nanomaterials into LSPs. These advanced nanotechnology-based materials have the potential to significantly increase electrical conductivity while maintaining the lightweight structure of CFRPs. This suggests that next-generation composite films could be developed that can provide effective lightning protection while overcoming the disadvantages of traditional LSP techniques. This doctoral thesis focuses on developing a high-performance composite surfacing film for use with CFRP composites on aircraft and aviation components to enhance protection against lightning strikes. The study involves manufacturing an aircraft part using prepregs, which will be produced from aerospace-grade carbon fibers and a newly formulated high-performance epoxy matrix. These prepregs will form the composite structure underneath the lightning strike protection film. Given the low electrical conductivity of CFRP materials, a high-conductivity surfacing film will be designed and co-cured with the CFRP composite plates in an autoclave. SWCNT will be used to increase the electrical conductivity of the surfacing film, and different combinations, including integration into the matrix and/or reinforcement, will be tested. The research will also examine the compatibility and curing kinetics of the two composite systems during co-curing, while minimizing potential distortions through methods such as finite element analysis. Finally, lightning strike tests will be conducted to evaluate surface damage and overall performance of the composite plates. Advanced, highly conductive composite surfacing films reinforced with nanomaterials have the potential to revolutionize the aerospace industry compared to traditional products. This research will address the weaknesses of CFRPs against lightning, contributing to the development of safer, more efficient, and more durable aircraft structures. Removing metallic components from LSPs will not only reduce weight but also prevent corrosion problems. The results of the study could significantly impact other sectors that use composite materials, such as wind turbines, the automotive industry, renewable energy, and the defense industry. As demand for high-performance, lightweight materials grows, next-generation LSP materials will play a decisive role in the future of aerospace and beyond.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    697762

    Nanomalzemelerle güçlendirilmiş radyasyon zırhlama özelliğine sahip polimer kompozit üretilmesi

    Production of radiation shielding polymer composite reinforced with nanomaterials

    ALİ MURAT SÜRÜCÜ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Nükleer MühendislikDüzce Üniversitesi

    Kompozit Malzeme Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SERKAN SUBAŞI

  2. Tez No

    761696

    Multi scalable design and performance characterization of glass fiber reinforced epoxy composites by incorporation of hexagonal boron nitride in resin and on interfaces

    Cam elyaf takviyeli epoksi kompozitlerin reçine ve arayüzeylere hegzagonal bor nitrür dahil edilmesi ile çok ölçeklenebilir tasarımı ve performans karakterizasyonu

    SAMET ÖZYİĞİT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Savunma ve Savunma TeknolojileriSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN

  3. Tez No

    630947

    Performance improvement of composite materials used as hydrogen storage tanks by microstructural modifications

    Hidrojen depolamaya yönelik kompozit tank malzemelerinin performansının mikroyapı modifikasyonu ile iyileştirilmesi

    ZEYNEP AY

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN TANOĞLU

  4. Tez No

    680406

    Preparation and incorporation of multi-functional carbon nano materials into fiber reinforced polymeric composites

    Çok fonksiyonlu karbon nano malzemelerin hazırlanması ve elyaf takviyeli polimerik kompozitlere katılması

    NECDET ÖZÇELİK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Polimer Bilim ve TeknolojisiSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SERKAN ÜNAL

  5. Tez No

    960083

    Termoplastik kompozitlerde elektriksel ve termal özelliklerin nano malzemeler kullanımıyla geliştirilmesi

    Improvement of electrical and thermal properties in thermoplastic composites by using nano materials

    EZGİ UÇAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Kimya MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ELÇİN YILMAZ

    DR. MUSTAFA DOĞU

Geri Dön