Geri Dön

Understanding the mechanics of nanoreinforced polymer foam core sandwich structures with a numerical and experimental analysis

Sandviç kompozit yapılar için nano takviyeli polimer köpük dolgu yapısının deneysel ve model olarak incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 467297
  2. Yazar: ELİF DEMİR
  3. Danışmanlar: YRD. DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 131

Özet

Sandviç kompozit yapıların ana bileşenlerinden biri olan bal peteği dolgu yapısının olumsuz özelliklerini iyileştirmek amacıyla alternatif olarak polimer köpük dolgu yapısı düşünülmüştür. Polimer köpükler, maruz kaldıkları darbe, yayılı yük ve gerilmeleri yapı içerisinde daha etkin dağıtabildikleri için sandviç kompozit yapıların mukavemet özelliklerini, kayda değer ağırlık artışı olmaksızın arttırabilmektedirler. Aynı zamanda bal peteği yapılarının nem tutma ve sandviç yapı içerisinde yüzeylerden ayrılma gibi istenmeyen etkileri ortadan kaldırılmaktadır. Polimer köpük yapısının sandviç yapıya daha yüksek mukavemet ve çok fonksiyonluluk kazandırması ile birlikte, olası nano parçacıkların köpük yapıya eklenmesi ile sektörel ihtiyaçların karşılanması fikri ilgi çekici olmuştur. Bu bilgilerin ışığında, hafif ve düşük yoğunlukta olan polimer köpüklerin içerisine nano katkıların ilavesi ile onların köpük mikro yapısına olan etkilerini anlamak için bazı yöntemler ve malzemeler araştırılmıştır. Polimer köpükler içerisinde nano parçacıkların eklenmesi ile belirli zorlukları beraberinde getirmesi, nano katkılı mühendislik köpük yapıları daha iyi üretim işlemi gerektirmiştir. Özellikle karbon kaynaklı nano parçacıkların polimer köpük içerisinde kullanılması, polimer reolojisini değiştirebilme potansiyelini de beraberinde getirir. Nano parçacıkların polimer köpük içerisinde karıştırılması ve dağıtılması adımları kontrol altına alınarak nano katkıların özellikleri polimer köpüğe aktarılabilir ve bu özellikler pek çok alanda kullanılabilir. Bu çalışma kapsamında, TiO2, SiO2 (nSi) ve Çok Duvarlı Karbon-nanotüp (ÇDKNT) gibi farklı geometrik özelliklere sahip olan nanoparçacıkların polimer köpüğün hücre iskeletine olan etkileri ve bu etkiler ile birlikte polimer köpük dolgu yapısının mekanik özelliklerinin nasıl değiştiği incelenmiştir. Polimer nanokompozit köpük dolgu yapısını üretebilmek amacıyla Poliüretan(PU) polimer köpük dolgu malzemesi tercih edilmiştir. Nanoparçacıkların PU köpük içeresine eklenmesi ile köpükleşme sürecinde, polimer köpüğün hücre çekirdeklenmesinin nanoparçacıkların etrafında başalayacağı ve bu da PU polymer nanokompozit köpük hücrelerinin hücre kenar açıklık oranı, ve hücre boyunu, nanoparçacık geometrisi ile uyumlu olarak etkieneceği öngörülmüştür. Böylelikle, farklı nanoparçacıkların hücre mikroyapısına ve hücre mikro yapısının da makro yapıya olan etkileri, polimer nanokompozit PU köpüklerin mekanik testslere karşı vermiş oldukları cevap ile değerlendirilmiştir. Kullanılan nano katkılar içerisinde, ÇDKNT silindirik geometriye sahip olması bakımından küresel nSi ve TiO2 nanoparçacıklarından farklıdır. Silindirik geometriye sahip olan KNT ile hücre yapılarının KNT doğrultusunda yönlenmesi ile PU polimer köpük morfolojisinde daha güçlü hücre duvar iskeleti görülmesi öngörülmüştür. Nano katkıların polimer köpük içerisindeki sinerjetik etkisini kimyasal ve yapısal olarak anlamak diğer bir önemli konudur. Nano malzemelerin polimer içersinde dağıtılması nano takviye miktarının artması ile oldukça zorlu bir işlem süreci olduğundan, PU polimer nanokompozit köpüklerin üretimi için, nanokatkıların polimer köpük içerisinde maksimum eklenebileceği miktarlar eklenen nanotakviye çeşidine göre uygun olarak seçilmiştir. nSi ve TiO2 katkılı polimer köpüklerin üretimi için, nano takviyeler ağırlıkça %0.5, %0.75 ve %1 polimer matris içerisine eklenmiştir. Diğer yandan van der Walls kuvvetleri etkisi sebebiyle KNT takviye kullanımı diğer takviye çeşitlerine göre daha sınırlı kalmış ve ağırlıkça %0.01, 0.05 ve 0.1 oranında polimer matris içerisinde kullanılmıştır. Polimer köpüklerin hücre yapıları ve hücre geometrileri ele alındığında, hücre kenar uzunluğu ve hücre duvar kalınlığının hücre yapılarının mikromekaniği üzerine önemli etkilerinin olduğu düşünülmüştür. TiO2 ve nSi nano eklentileri ile üretilmiş polimer köpüklerin hücre duvar kalınlıklarında saf polimer köpüğe göre kayda değer bir değişim olmazken hücre kenar uzunluğu azalmıştır. Genel olarak küresel parçacıklar hücre boyunu azaltmış diğer anlamda köpükleşme sürecinde hücre çekirdeklenme sayısı artmıştır. Silindirik geometriye sahip ÇDKNT takviyelerine gelindiğinde ise polimer köpüğün hem hücre duvar kalınlığı hem de hücre kenar uzunluğu saf polimere göre artmıştır. Hem hücre duvar kalınlığı hem de hücre kenar uzunluğunu kıyaslamak için hücre duvar kalınlığının hücre kenar uzunluğuna oranı farklı nanotakviyeli PU polimer nanokompozit köpükler için kullanılmıştır. Ağırlıkça %1 TiO2 katkılı polimer köpüklerinde bu oran %85'e kadar artarken ağırlıkça %1 nSi katkılı köpüklerde %75'e kadar artmıştır. Ağırlıkça %0.1 ÇDKNT katkılı polimer köpüklerde ise %40 a kadar artış olmuştur. Bu sonuçlar göstermektedir ki nano takviyelerin hücre boyutları üzerine etkisi önemli ölçüde olmuştur. Bütün morfolojik karakterizasyon işlemleri optik görüntülerden alınan görüntülerin, görüntü işlemesi ile gerçekleştirilmiştir. Hücrelerin nanotakviye çeşidine göre hücre özellikleri belirlendikten sonra basma testleri, üretilmiş olan nano katkılı polimer köpük numunelere uygulanmıştır. Deneysel olarak elde edilen basma özellikleri kendi içlerinde değerlendirilmiştir. Saf polimer köpüğe göre en fazla artış ağırlıkça %1 TiO2 katkılı polimer köpüklerde basma mukavemetinde %19 artış olarak gözlemlenmiştir. Nano katkılı polimer köpük yapıların mekanik özelliklerini deneysel verilerle kıyaslamak analitik model kullanılmıştır. Bu aşamada nano katkılı polimer köpüklerin katı haldeki (boşluksuz-polimer nanokompozit) özelliklerini elde etmek önemlidir. İlk olarak polimer nanokompozitlerin mekanik özellikleri, kullanılan nano takviyenin hacim oranı ile nanotakviye geometrisine bağlı katılık tensörü ile elde edilmiştir. Daha sonra, nano katkılı polimer köpüklerin hücrelerinin hücre boşluk oranları kullanılarak nano katkılı polimer köpüklerin mekanik özellikleri elde edilmiştir. Sonuç olarak da analitik sonuçlar denesyesel sonuçlara göre daha fazla çıkmıştır. Nano katkılı polimer köpük dolgu yapılı sandviç kompozitler karbon fiber prepreg ile köpük dolgu yapıların sıcaklık-basınç cihazı kullanılarak üretilmiştir. Sonuç olarak elde edilen polimer nanokompozit köpük dolgulu sandviç kompozit yapıların eğilme yüklerine karşılık mekanik dayanımlarını ölçmek amacıyla üç nokta-eğme testi yapılmıştır. Böylelikle saf köpükle üretilmiş olan sandviç kompozitlere oranla, nanotakviyeli polimer köpükle elde edilmiş sandviç kompozitlerin eğilme yüklerine karşılık dayanım yükündeki artış incelenmiştir.

Özet (Çeviri)

Overcoming the challenges of conventional honeycomb core material with a higher surface area, polymer foams cores can spread the impact, distribute the loads and stresses more effectively and increase the strength of sandwich structures with very low density eliminate moisture absorption and improve delamination of face sheets. Developing polymer foam cores with higher strength and multi functionality have also attracted the possibility of adding nanoparticles to the existing foams to tailor the properties within industrial needs. Several methods and materials have been implemented for the investigation of micromechanical characteristics and foam properties to understand the synergetic effects of adding nanomaterials on the overall properties of these lightweight, low density materials. Particular challenges and important aspects of having nanoparticles in polymer foams require engineering foam-like structures for better processing. All nanoparticles including carbon-based ones have a potential effect of changing the polymer rheology when incorporated into foams. Establishment of controlling the dispersion and distribution of nanoparticles in the polymer foams with complex process steps can result with enhanced characteristics and improved transport properties for applications such as electromagnetic interference shielding cases, primary load-bearing components, electrostatic discharge paintings etc. This study have investigated several nanomaterials as TiO2, SiO2 (nSi) and MWCNT with different geometrical shape that affects cell structure of polymer foam core and results with changes on the mechanical properties of these cores. Rigid polyurethane (PU) foam has been preferred within its good mechanical properties and ease of manufacturing with wide range of possible applications. Cell nucleation processes of PU polymer nanocomposite foams have been estimated to start around the nanoparticles which cause the variations of cell aspect ratio and cell sizes in harmony with type of nanoparticle geometry. Thus, geometry of nanomaterial has an influence on microstructures of PU foam which results with the enhancement through the microstructural effects to macrostructure within the mechanical tests. Among these nanomaterials. MWCNTs differ with its cylindrical geometry compared to spherical nSi and TiO2 in which the cell structures elongate on the direction of MWCNT to form stronger struts within foam morphology. The changes in the cell structure and properties within the nano-inclusions is one critical issues to study for understanding the synergetic effects in between the chemistry and structure relation in polymer foams. Since dispersion and/or distribution of nanomaterials in polymers is a challenging issue when the amount of loading, process, polymer host is considered, achieving the maximum reinforcing capability from these materials would only be possible by proper approeches among the selected nanomaterial-polymers. For nSi and TiO2 the weight fractions as 0.5, 0.75 and 1 wt. % in polymer matrix has studied. However within the van der Walls forces in between MWCNTS, the limit of CNT loading has been decreased (0.01, 0.05 and 0.1 wt. %) to achieve an effective dispersion and distribution in the polymer foam. When cellular structures are considered the geometry of cell, dimensions of cell edge length cell wall thickness would have important effects on the mechanical properties. With the addition of TiO2 and nSi nanoparticles, cell wall dimensions no have remarkable changes have been observed but cell edge lengths have been decreased compared to cell edge length of neat PU polymer foam. Overall, spherical nanoparticles have reduced cell size in other words during the foam processing cell seeding numbers have been increased. When cylindrical MWCNTs is studied, both cell edge length and and cell wall thickness of polymer nanocomposite foam have been increased compared to neat PU. And an increase in cell edge lenth also shows that cell size in neat PU was higher. To compare both cell wall thickness and cell edge length variation distribution, cell wall thickness to cell edge length ratios have been studied. And at similar loading of spherical nanoparticles, TiO2 has showed 85% as highest increase in cell wall thickness to cell edge ratio compared to nsİ 75%. When MWCNTs are considered a 40% increase has been also observed in which the mechanical properties of nanoreinforced polymer foams would be effected through these inclusions. All morphological characterizations have been performed by optical image and image processing to identify the cellular structure changes when nanoinclusions are added to PU foam. After characterization of individual cell of different type of nanoreinforced polymer foam, compression tests have been performed and highest enhancement has been achieved at 1 wt. % TiO2 characterization results. The highest improve of compressive strength has been as 19% compared to neat PU foam. The micromechanics of polymer nanocomposite foams have been studies analytically to identify the geometry, volume fraction effects on the strength and stiffness and compared with the experimental results. First, the mechanical properties of cell wall material (nonporosity-polymer nanocomposite material) of PU polymer nanocomposite foams have been obtained. Then by using volume fraction of cell porosity, micromechanical properties of PU polymer nanocomposite foams have been obtained and results showed that the mechanical properties of polymer nanocomposites depend on cell volume fraction and stiffness tensor which is based on geometry of nanoparticles. The micromechanical model for PU polymer nanocomposite foams have showed higher mechanical strength than experimental results. To identify the mechanical properties of nanoreinforced foam cored sandwich composite structures, three point bending tests have been applied.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    746023

    Nano katkılı aramid kompozit plaka yapının mekanik karakterizasyonu

    Mechanical characterization of nano reinforced aramid composite plate structure

    AHMET KARAVELİOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine MühendisliğiNecmettin Erbakan Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜSEYİN ARIKAN

  2. Tez No

    179080

    Three-dimensional finite element modeling of pacinian corpuscle

    Üç boyutlu pacini cisimciğinin sonlu elemanlar modeli

    SERKAN YELKE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2008

    BiyomühendislikBoğaziçi Üniversitesi

    Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. BURAK GÜÇLÜ

    YRD. DOÇ. DR. CAN A. YÜCESOY

  3. Tez No

    414063

    Modeling of five-axis ball-end milling process for freeform surfaces

    Serbest yüzeyli parçaların küresel uçlu freze ile beş eksenli frezelemenin modellemesi

    SEYED EHSAN LAYEGH KHAVIDAKI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Makine MühendisliğiKoç Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU

  4. Tez No

    462821

    Dişli ve dişsiz bireylerin ısırma kuvvetinin değerlendirilmesi

    Evaluation of bite force for dentate and edentulous individuals

    GİZEM ÖZCAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Diş HekimliğiAnkara Üniversitesi

    Protetik Diş Tedavisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SADULLAH ÜÇTAŞLI

  5. Tez No

    807301

    Design and development of audio-emotional serious games for audiology therapy

    Odyoloji terapisi için işitsel-duygusal ciddi oyunlar tasarlama ve geliştirme

    EGE VERİM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Oyun ve Etkileşim Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HATİCE KÖSE

Geri Dön