Geri Dön

Fabrication and investigation of carbon nanotube reinforced aluminum matrix composite material

Karbon nanotüp takviyeli alüminyum matrisli kompozit malzeme üretimi ve özelliklerinin incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 315979
  2. Yazar: BEDRİ ONUR KÜÇÜKYILDIRIM
  3. Danışmanlar: PROF. DR. AYŞEGÜL AKDOĞAN EKER
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 151

Özet

Nanoteknoloji çalışmaları son yıllarda çok yaygınlaşmakla birlikte birçok disiplinde önemli gelişmeler sağlanması açısından önem arzetmektedir. Karbon nanotüpler, en dayanıklı ve rijit malzemeler olarak bilinmektedir. Bu sebeplerden ötürü, karbon nanotüplerin kompozitlerde takviye malzemesi olarak kullanımları son derece önemlidir.Günümüze kadar, karbon nanotüp takviyeli polimer matrisli kompozitlerin üretimi ile ilgili birçok çalışma gerçekleştirilmiştir. Fakat, karbon nanotüplerin ıslatılması gibi zorluklardan ötürü karbon nanotüp takviyeli metal matrisli kompozit malzeme üretimi çalışmaları daha sınırlı sayıda kalmıştır. Karbon nanotüp takviyeli alüminyum matrisli kompozit malzeme çalışmaları ise 90'lı yılların sonlarında başlamıştır. En önemlisi birçok çalışma, pahalı takımlar ve uzun üretim süresi gerektiren toz metalurjisi yöntemleri ile ilişkilidir. Dolayısıyla döküm yöntemi ile karbon nanotüp takviyeli alüminyum matrisli kompozit üretiminde halen önemli eksiklikler bulunmaktadır.Çalışmanın amacı, karbon nanotüp takviyeli metal matrisli kompozitleri literatürde bulunan çalışmalardan farklı, ekonomik bir üretim yöntemi ile üretmektir. Bu doğrultuda, karbon nanotüp takviyeli metal matrisli kompozit üretimi, karbon nanotüp içeren preformun takviye olarak kullanıldığı vakum destekli infiltrasyon yöntemiyle başarılı olarak gerçekleştirilmiştir.Tezin birinci bölümünde karbon nanotüp takviyeli alüminyum matrisli kompozit malzemelerle ilgili literatür özetine yer verilmiştir. Literatür özetinin artından tez çalışmasının amacı belirtilmiş ve çalışmanın bilim ve teknolojiye olan katkısına yer verilmiştir.İkinci bölüme alüminyum ve alaşımlarının tarihçesi ile giriş yapılarak, alüminyum ve alaşımlarının özellikleri, sınıflandırılması ve üretim yöntemleri hakkında genel literatür bilgisi verilerek devam edilmiştir. Çalışmada, 6063 alüminyum alaşımı akıcılığı ve içerisindeki magnezyumun kazandırdığı ıslatabilme özelliği iyi olduğu için matris malzemesi olarak tercih edilmiştir.Üçüncü bölümde öncelikle nanoteknolojinin tanımı ve tarihçesi ile birlikte nanomalzemelere giriş yapılmıştır. Ardından, çalışmada takviye malzeme olarak kullanılan karbon nanotüplerin yapıları ve mekanik özellikleri detaylıca incelenmiş, karbon nanotüp sentezleme yöntemleri ve kullanım alanlarına da kısaca değinilmiştir.Dördüncü ve beşinci bölümlerde sırasıyla kompozit malzemeler ve nanokompozit malzemeler hakkında araştırılmış olan literatür bilgilerine yer verilmiştir. İlk olarak kompozit malzemeler tanımlanmış ve sınıflandırılmıştır. Ardından, yapılan çalışmanın metal matrisli kompozit malzemelerle ilgisi dolayısıyla bu tür malzemelerin üretim yöntemleri verilmiş, bu yöntemler içerisinde karbon nanotüp takviyeli metal matrisli kompozitler için yapılmış çalışmalarda pek rastlanmayan sızdırma (infiltrasyon) yöntemi detaylıca anlatılmıştır. Sızdırma yöntemi, poroz yapıya sahip preform adı verilen takviye elemanlarının hazırlanmasının ardından sıvı fazda bulunan matris malzemesinin preform içine sızdırılması ile gerçekleştirilmektedir. Bu yöntem basınçsız olarak uygulanabildiği gibi sızdırmanın kısa sürede tam olarak gerçekleştirilebilmesi için basınç veya vakum altında da gerçekleştirilebilmektedir. Çalışmada kullanılacak üretim yönteminin açıklanmasının ardından kompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin açıklandığı mekanizmalar hakkında bilgi verilmiş ve bu mekanizmaları inceleyen matematiksel modeller açıklanmıştır. Günümüzde birçok kompozit malzeme araştırmacısı tarafından kullanılmakta olan bu modellerin bir bölümü, gerekli olan bazı modifikasyonların ardından nano boyutlu takviye içeren kompozit malzemelerin mekanik dayanımlarının hesaplanmasında da kullanılabilmektedir. Beşinci bölümde genel bir tanımı ve sınıflandırılması verilen nanokompozitlerle ilgili olarak çok duvarlı karbon nanotüp takviyeli kompozit malzemeler hakkında bilgi verilmiştir. Karbon nanotüp takviyeli metal matrisli kompozitlerin üretim yöntemlerini inceleyen çalışmalarla ilgili detaylı bilgi verilmiş, literatürde rastlanmış olan sınırlı sayıdaki sızdırma çalışmalarına değinilmiştir. Karbon nanotüp takviyeli metal matrisli kompozitlerin vakum destekli sızdırma yöntemi ile üretimi üzerine literatürde belirgin bir eksiklik olduğu vurgulanarak tezde bu yöntemle ilgili deneysel çalışmalar yapılmakta olduğu belirtilmiştir.Altıncı bölüm tez çalışmasının deneysel kısımlarını içermekte ve dört alt başlıktan oluşmaktadır. İlk alt başlıkta deneysel çalışmalarda kullanılmakta olan karbon nanotüplerin karakterizasyonu ve fonksiyonelleştirme işlemleri irdelenmiştir. Öncelikle, Çin menşeli bir firmadan temin edilen %85'ten yüksek saflıkta endüstriyel tip çok duvarlı karbon nanotüplerin Raman spektroskobisi ile türü ve yapısal hata içeriği, x-ışını difraksiyonu ile karbon nanotüp varlığı ve içerdiği diğer metaller, termo gravimetrik analiz ve diferansiyel termal analiz ile de karbon nanotüplerin saflıkları kontrol edilmiştir. Analizlerin ardından, matris tarafından ıslatılması zor olan karbon nanotüplerin yüzeyinin kimyasal fonksiyonelleştirilme işlemleri, oksitleyici özelliğinin yüksek olduğu literatür araştırmalarından da bilinen nitrik asit çözeltisi ile gerçekleştirilmiştir. Fonksiyonelleştirme sonucu oluşan hidroksil ve karboksil grupların varlığı Fourier trasform kızılötesi spektrometresi ile yapılan analizler ile kontrol edilmiştir.Fonksiyonelleştirme işlemleri tamamlanan karbon nanotüpler ile takviye olarak kullanılacak preformların üretimine geçilmiştir. Karbon nanotüplerin preform içerisinde homojen dağılımını sağlamak amacıyla karbon nanotüpler öncelikle alüminyum tozlar ile karıştırılmıştır. Ön karıştırmanın ardından, yüksek sıcaklıklarda (~600°C) ısıl yöntemlerle rahatlıkla uzaklaştırıldığında poroz bir yapı sağlayan, düşük sıcaklık bağlayıcısı polivinil alkol (PVA) ve yüksek sıcaklık bağlayıcısı (~1000°C) olarak bilinen kolloidal silika ile mekanik olarak karıştırılan tozlar bir kalıp içerisine dökülerek oda sıcaklığında su giderme (dehidrasyon) işlemi gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan preformların 600°C'ta poroz yapısı elde edildikten sonra 1000°C'ta kürlenmesi ile döküme hazır hale getirilmesi sağlanmıştır. Preformlar, nihai karbon nanotüp takviye oranı kütlece %0.25, %0.5 ve %0.75 olacak şekilde üç farklı oranda hazırlanmıştır.Sızdırma yöntemi ile kompozit üretiminin gerçekleştirilebilmesi için öncelikle alçı esaslı döküm kalıbı hazırlanmıştır. Hazırlanan kalıp döküm işlemi öncesinde kademeli olarak kürlenmiştir. 6063 alüminyum alaşımı döküm sıcaklığına getirildikten sonra, kürlenmiş olan kalıp vakum destekli döküm makinasına yerleştirilmiştir. Vakum uygulaması ile birlikte karbon nanotüp içerikli preform kalıp gravürüne sıkı geçme olarak yerleştirilmiş ve hemen ardından döküm işlemi gerçekleştirilmiştir. Sızdırmanın tam olarak gerçekleştirilebilmesi için katılaşma tamamlanana kadar vakum uygulamasına devam edilmiştir. Üretim işlemlerinin ardından basma dayanımı testleri ve gerekli yapısal analizler yapılmış ve elde edilen sonuçlar tartışılmıştır. Farklı oranlarda karbon nanotüp takviyesi ile üretilen kompozit malzemelerin takviye oranları, karışımlar kuralı ile hesaplanan yoğunluk değerleri ile kompozit numunelerin Arşimet yöntemiyle ölçülen yoğunluklarının karşılaştırılması ile de kontrol edilmiştir.Üretim prosesi başarıyla gerçekleştirilen karbon nanotüp takviyeli 6063 alüminyum matrisli kompozit malzemelerin basma yükleri altındaki özelliklerinin irdelenmesi için verilen standartlara uygun basma numuneleri ile basma testleri uygulanmıştır. Basma testleri sonuçları, karbon nanotüp ilave miktarının artışı ile basma dayanımının artmakta olduğunu göstermektedir. Kütlece %0.75 takviye miktarına ulaşıldığında dispersiyon zorlaşmakta ve yapıdaki karbon nanotüp yığılmaları basma dayanımının yükselmesini engellemektedir. Üst sınıra ulaştığı görülen basma dayanımı değerleri karbon nanotüp miktarının daha da artırılması ile düşmektedir. Bu durum yapılan mikrosertlik ölçümlerinden de anlaşılmaktadır. En yüksek sertlik değerleri kütlece %0.5 karbon nanotüp takviyeli kompozit malzemelerde elde edilmiştir.X-ışını difraksiyonu ile gerçekleştirilen faz analizlerinde yapıda az miktarda alüminyum karbid (Al4C3) fazı olduğu görülmektedir. Al4C3 fazı, 6063 alüminyum matris malzemesi ile bir miktar karbon nanotüp arasında kalıp içinde kalmış olan eser miktardaki hava ve yüksek döküm sıcaklığının etkisi ile oluşan doğal bir reaksiyon olarak değerlendirilmektedir.Kompozit malzemelerin mekanik özelliklerin geliştirilmesinde matris malzemesi ile takviye malzeme arayüzey bağının önemi bilinmektedir. Yapılan çalışmada üretilen kompozit malzemelerin basma dayanımlarının artışının mikroyapı incelemeleri ile de desteklenmesi amacıyla kırılma yüzeylerinden taramalı elektron mikroskobisi ile görüntüler alınmıştır. Mikroyapı görüntülerinin incelenmesi sonucu dayanım artışı ile doğrudan ilgili iki mekanizmanın var olduğu gözlemlenmiştir. Yapıda görülen lif (karbon nanotüp) sıyrılmaları (pull-out), matris-takviye arayüzeyindeki gerilme iletiminin niteliğini göstermektedir. Kısa olan sıyrılmalar matris malzemesi-takviye eleman arayüzeyinin kuvvetli olduğunu gösterirken, uzun sıyrılmış lifler arayüzey bağının kuvvetinin yeteri kadar yüksek olmadığını göstermektedir. Kırılma yüzeyleri arasında köprülenme (bridging) olarak gözlemlenen takviye elemanlarıysa kırılma yüzeyleri arasında gerilme iletimini sağlayarak mekanik özellikleri iyileştirmektedir.Elde edilen deneysel basma dayanımı sonuçları dördüncü bölümde verilmiş olan ve literatürde sıklıkla kullanıldığı bilinen Halpin-Tsai eşitlikleri, kayma gecikmesi (shear lag) modeli ve ısıl uyumsuzluk (thermal mismatch) modeli ile elde edilen hesaplamaların sonuçlarıyla bir grafik yardımıyla karşılaştırılmıştır. Takviye elemanı olarak kullanılan karbon nanotüpler ile matris malzemesi olan 6063 alüminyum alaşımı arasındaki ısıl genleşme katsayısı farklılığından dolayı arayüzeylerde dislokasyonları kitleyen bir yapı oluşumu gerçekleştiğinden, bu durumu dikkate alan ısıl uyumsuzluk modeli akma dayanımı açısından deneysel çalışmadakilere en yakın sonuçları vermektedir. Basma dayanımı açısından incelendiğinde matris-takviye arayüzeyi ile ilgili parametreleri içeren kayma gecikmesi modeli deneysel sonuçlara en yakın değerleri sağlamaktadır. Halpin-Tsai modeli doğru oryantasyon faktörlerinin seçilmesi ile çok hassas sonuçların elde edilebildiği bir model olarak bilinmektedir. Efektif takviye elemanı modülü veya efektif oryantasyon faktörlerinin belirlenebilmesi sayesinde aynı yöntemle üretilecek başka karbon nanotüp takviyeli metal matrisli kompozitler için Halpin-Tsai eşitliklerinin kullanımı mümkündür.Sonuç olarak tezde, diğer karbon nanotüp takviyeli kompozit malzeme üretim yöntemlerine nazaran daha ekonomik olan vakum destekli sızdırma yöntemi ile çok duvarlı karbon nanotüp takviyeli 6063 alüminyum matrisli kompozit malzeme üretimi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Kompozit malzemelerin dayanımı karbon nanotüp takviyesi ile doğru orantılı olarak artmaktadır. Basma dayanımında yaklaşık %330 artış sağlanmıştır ve sonuçlar matematiksel modeller ile de uyuşmaktadır. Model sonuçları, gerçek dataya uyumlu parametrelerin seçimi ile en doğru sonucu vereceği için tam sonuç elde etmek, nano boyutta yapılabilecek karakterizasyonların zorluğundan dolayı mümkün görülmemektedir. En iyi dayanım ve sertlik sonuçları homojen dağılımın en iyi olduğu kütlece %0.5 karbon nanotüp takviyeli kompozitlerde elde edilmiştir.Vakum destekli sızdırma yöntemi kullanılarak üretilecek olan karbon nanotüp takviyeli alüminyum matrisli kompozitlerin, basma yüküne maruz kalacak yapılarda kullanılabileceği anlaşılmaktadır. Potansiyel uygulama alanlarına örnek olarak bazı spor ekipmanları verilebileceği gibi, bu kompozitlerden endüstriyel ve otomotiv alanında kullanılan kama ve takozlar da imal edilebilir. Ayrıca, vakum destekli infiltrasyon yönteminin avantajı olarak bölgesel takviyelendirilmiş parçalar imal etmek de mümkündür. Bu sayede, basma yüküne direkt maruz kalacak bölgeler takviyelendirilerek daha dayanıklı hale getirilirken diğer bölgeler daha sünek yapıya sahip olacaktır. Böylece bazı bariyerler, yol reflektör gövdeleri, taşıyıcılar, yatak elemanları gibi parçalar da uygulama alanları içerisinde yer alabilirler. Bu yöntemle, karmaşık şekilli bir çok parçanın da, ergime sıcaklığı düşük metal ve alaşımları ile imal edilmesi mümkündür.

Özet (Çeviri)

Nanotechnology studies have become widespread and important in terms of contribution in multidisciplinary research areas in recent years. Carbon nanotubes have been known as the strongest and stiffest materials discovered in terms of strength and elastic modulus, respectively. For that reason, the usage of carbon nanotubes as reinforcements in composites has become vital.Until today, great deals of carbon nanotube reinforced polymer matrix composite fabrication studies were carried out. However, very few studies are performed in carbon nanotube reinforced metal matrix composite fabrication area because of the difficulties such as wetting of carbon nanotubes. Carbon nanotube reinforced aluminum composite studies started at the end of 90?s. Above all, most of the studies were related to powder metallurgy techniques, which require expensive tooling and much production time. Consequently, there is still an important deficiency in casting of carbon nanotube reinforced aluminum matrix composites.The aim of this study is to fabricate carbon nanotube reinforced aluminum matrix composites by using an economic fabrication technique different than the studies in the literature. In this regard, carbon nanotube reinforced aluminum matrix composite fabrication is successfully carried out by vacuum assisted infiltration method with the use of carbon nanotube containing preform as reinforcement. In addition, two different types of preforms are used in this study to investigate the enhancement of dispersion with the addition of aluminum powder into the preform. First of all, strengthening effect of carbon nanotubes in compressive loads are investigated for fabricated composites and compared with the calculated prediction model results. The trend in compressive strength results is also supported with microhardness measurements. Furthermore, phase analysis and microstructures of fabricated composites are investigated and success of the method reported.As a result, a new and economic fabrication process for the fabrication of carbon nanotube reinforced aluminum matrix composite materials is performed. Overall, the reinforcement of 6063 aluminum matrix composite with carbon nanotube reinforcement increased yield and compressive strength of the composites in direct proportion to nanotube ratio. This can be explained with various strengthening mechanism models.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    426069

    Toz metalurjisi yöntemiyle karbon nanotüp takviyeli alüminyum matrisli kompozitlerin üretimi ve mikroyapı,mekanik,korozyon özelliklerinin araştırılması

    Fabrication of carbon nanotube reinforced aluminum matrix composites by powder metallurgy process and investigation of microsructural,mechanical and corrosion properties

    ABDULHADİ KOŞATEPE

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Mühendislik BilimleriAtatürk Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HARUN MİNDİVAN

  2. Tez No

    569575

    Investigation of thermal and mechanical behavior of carbon nanotube reinforced ultra-high molecular weight polyethylene composites under cryogenic conditions

    Karbon nanotüp takviyeli ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen kompozitlerin termal ve mekanik davranışlarının kriyojenik koşullar altında incelenmesi

    GÜLŞAH BAHÇELİ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ

  3. Tez No

    389211

    Mechanical enhancement of woven composite with vertical aligned carbon nanotubes: Investigation of interlaminar shear strength property of nano-stitched laminated composites

    Karbon nanotüpler kullanılarak kompozitlerin mekanik özelliğinin geliştirilmesi: Nano-dikişli lamine kompozitlerin lamineler arası kayma mukavemetinin incelenmesi

    İDRİS GÜRKAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ

  4. Tez No

    636590

    hBN ve MWCNT Katkılı PA66/Cam Nanokompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi

    Investigation of mechanical properties of hBN and MWCNT integrated PA 66/Glass Nanocomposites

    NASER REZAEI ANSAROUDI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Mühendislik BilimleriOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM İNANÇ

  5. Tez No

    418953

    Investigation of CNT smart paint for structural health monitoring in advanced and nano-enhanced carbon fiber composites

    Gelişmiş ve nano takviyeli kompozit malzemeler için karbon nanotüp içerikli akıllı boyanın yapısal sağlık izleme için geliştirilmesi

    YAĞMUR ATEŞCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. HÜLYA CEBECİ

Geri Dön