Establishing microstructure – mechanical property relationship in multifunctional polymer foam core sandwich composites
Çok fonksiyonlu polimer köpük dolgulu sandviç kompozitlerin mikroyapıları ve mekanik özellikleri arasındaki ilişkinin kurulması
- Tez No: 562034
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Uçak Mühendisliği, Aircraft Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 87
Özet
Havacılık endüstrisinde balpeteği yapılar, sağladıkları yüksek basma mukavemeti ile sandviç kompozitlerde dolgu malzemesi olarak sıklıkla kullanılmaktadır. Fakat bu yapılar, beklenilen yüksek mukavemete karşın açık hücreli olmaları nedeni ile nem tutma, su biriktirme ve yük altında dolgu malzemesinin yüzey malzemesinden ayrılması gibi bazı dezavantajlara sahiptir. Balpeteği yapıların bahsedilen dezavantajlarını ortadan kaldırmak için polimer köpükler, özellikle de sağladığı üretim kolaylığı ve mukavemeti ile poliüretan köpükler, son yıllarda yoğun bir ilgi görmeye başlamıştır. Bu kapsamda gerek yüzey malzemesi ile dolgu arasındaki yapışma kalitesinin artırılması, gerek kapalı hücreli poliüretan köpüklerin nem tutma oranının az olması sandviç kompozitlerin kullanım ömrünü uzatmış ve araştırmacıları bu alanda çalışmaya teşvik etmiştir. Poliüretan köpükler (PU) endüstriyel ölçekte üretimleri kolayca yapılabilen düşük yoğunluk, yüksek termal özelliklere sahip polimer bir köpüktür. Yapı ve ulaşım sektöründe sıklıkla kullanılırken bir çok yapısal uygulamaları da mevcuttur. Yapısal bir elemanda kullanılması planlanan bu kompozitler için poliüretan dolgu malzemesinin mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi hedeflenmiştir. Düşük yoğunluğa sahip köpüklerin mekanik ve termal özelliklerini ağırlık artışı olmadan geliştirmek amacı ile literatürde bir çok çalışma yapılmaktadır. Bu kapsamda çok düşük yoğunluklara ve parça boyutlarına sahip nanoparçacıklar köpük matris içerisine eklenerek ağırlık artışı olmadan köpük özelliklerinin geliştirilmesi hedeflenmektedir. Literatür araştırmalarında görüldüğü üzere PU köpüklerin mekanik özelliklerini artırmak adına karbon nanotüpler (KNT), nanosilikalar (nSi), nanokiller vb. bir çok nanoparçacık kullanılmaktadır. Poliüretan köpüklerin özelliklerini geliştirebilmek için bu çalışmada, yüksek mukavemeti ve düzgün yük transferi sağlaması sebebi ile çok duvarlı karbon nanotüp (KNT) güçlendirici katkı malzemesi olarak seçilmiş ve %0.05, %0.1 gibi farklı oranlarda sisteme eklenmiştir. Karbon nanotüplerin homojen dispersiyonu için hem poliol hem de polimerik diizosiyanat bileşenleri ile çalışılmıştır. Dispersiyonlar homojenizatör ve sonikatör ile farklı güçlerde ve sürelerde yapılmıştır. KNT dahil edilmiş bileşen hazırlandıktan sonra PU köpüğün diğer bileşeni karışıma eklenerek mekanik karıştırıcı ile PU köpük üretilmiştir. Köpüklerin morfolojileri buna bağlı olarak da mukavemetleri her bir katkı durumu ve proses parametresi için incelenmiştir. KNT ile güçlendirilmiş PU köpükler (KNT/PU) daha sıkı paketlenmiş, hücreleri küçülmüş ve sonuç olarak hücre yoğunluğu artmıştır. Ek olarak, KNT/PU köpüklerin hücre duvar kalınlıklarının arttığı görülmüştür. PU köpüklerde yük taşıyıcı mekanizmalar hücre kenarları ve yüzeyi olduğu için KNT katkısı ile gelen hücre duvar kalınlıklarındaki bu artış daha iyi mekanik özellikler elde etmek için umut vaat edici olmuştur. %0.1 KNT/PU köpüklerin basma testleri sonucu özgül mukavemetin saf köpüğe kıyasla yaklaşık %13 artış gösterdiği görülmüştür. Bu gelişme sandviç kompozitlerin eğilme mukavemetine dolgu malzemesi için %30 kesme mukavemeti olarak yansımıştır. Ek olarak, polimer köpüklerin yüksek hızlı darbe altındaki hasarlarını minimuma indirmek ve katastrofik kırılmaları önlemek için yenilikçi bir yaklaşım ile Newtonsal olmayan akışkanların kayma kalınlaşması özelliklerinden köpük içerisinde yararlanılması düşünülmüştür. Şimdiye kadar, birçok araştırmacı Newtonsal olmayan akışkanlar ve kayma kalınlaşması ile Kevlar kompozitlerin zırh, kask gibi koruyucu malzemeler olarak kullanımı üzerine çalışmıştır. Kayma kalınlaşması yüksek derişimli bir çözeltinin içerisindeki nanoparçacıkların hidrodinamik kuvvetler ile etkileşimi sonucu kümelenmesi veya düzenlerinin bozulması sonucu viskozitenin belirli bir kayma gerilmesinden sonra ani artışı olarak tanımlanmaktadır. Bahsedilen kayma kalınlaştırıcı sıvıların (STF) yapı içerisine emdirilmesi ile yüksek hızlı darbeyle gelen şok dalgasını sönümlemesi savunma sanayii uygulamaları için umut vaat etmektedir. STF üretimleri silika nanopartiküllerin kütlece %24, 33, 40 ve 43 oranlarında etilen glikol (EG) içerisine kademeli olarak eklenmesi ile elde edilmiştir. Gerçekleştirilen reoloji testleri sonucu, kayma kalınlaştırıcı sıvıların 20s-1 kesme hızına kadar viskozitesinde bir düşüş olduğu, bu kesme hızından sonra ise yapının başlangıç viskozitesinin yaklaşık üç katına yükseldiği görülmüştür. Bu da yüksek hızlı bir darbe esnasında STF yapısının ani viskozite artışı ile sertleşmesi ve gelen enerjiyi sönümlemesi için yeterli bulunmuştur. STF/PU köpükler kütlece %1 ve 2 katkı oranlarında üretilmiş, morfolojik ve mekanik özellikleri karakterize edilmiştir. Kütlece %1 STF-40 katkılı köpüğün özgül basma mukavemeti saf köpüğe kıyasla %28 gelişme göstermiştir. Bu da STF yapısındaki silika nanopartiküllerin yapıya kazandırdığı tokluk olarak yorumlamıştır. Saf ve STF/PU köpükler ASTM-D7766 standardına uygun olarak ağırlık düşürme deneyleri altında test edilmiş, sandviç kompozitlerin sönümlediği enerjiler karşılaştırılmıştır.
Özet (Çeviri)
In foam cored sandwich composites, it is crucial to link micromechanical characteristics of foams with their properties to identify synergetic effects of adding nanomaterials such as CNTs. Even though, honeycombs are conventionally used in aerospace industry with their high strength-to-weight ratio, the risks of debonding and moisture absorption are inevitable within their open cell structure behaving as potential water ingress in cavities. Hence, honeycomb core sandwich composites are not durable and advantageous enough to attract engineers for further applications. Closed cell rigid polymer foams receive an increasing interest in both scientific and industrial communities since they promise to generate new class of materials with light-weight, stiffness and multifunctionality minimizing water accumulation and debonding. Among all structural solid polymer foams, polyurethane (PU) foams are distinguished with their ease-of-manufacture, accessibility, moderate price and, intrinsic properties. Besides, the opportunity of PU foams to be tailored easily by nanomaterials as well as adding multifunctionality to the system make them good candidates for various applications. In this study, first, the effects of carbon nanotube (CNT) dispersion and distribution on cell morphology and foamability of rigid PU foams, which is directly related to microstructure and mechanical performance of overall structures are investigated. Raw and functional CNTs are added to rigid polyurethane foams up to 0.2 wt.% and their compressive strengths are tested. The results show that dispersion media such as PMDI with low viscosity performs a better CNT dispersion and results into an enhancement of 13% in compressive strength compared to neat PU foams. This enhancement in CNT-reinforced PU foams bring an advantage to sandwich with a 30% increase in both core shear and face ultimate strength. Hence, core shear is the common failure mechanism for all sandwich composites. Besides, polymer foams attract a great attention as a core for sandwich composites within its potential to absorb impact energies compared to traditional honeycombs tested and presented in literature. Cellular structure of polymer foam cores with their compressible characteristics up to high strain rates is seen through squeezing of cells initially and followed by a crush under load with a higher energy absorption capability. Herein, a novel approach is implemented with shear thickening fluids (STFs) added into closed cell rigid polymer foams to investigate their synergetic effect on the impact performance of sandwich composites. Within this implementation, any catastrophic failure of sandwich composite under impact is expected to be prevented by rapid toughening mechanism of STF inside the structure that absorbs received energy. STFs are highly concentrated colloidal suspensions of solid particles in an inert carrier fluid and are prepared by adding silica nanoparticles gradually into ethylene glycol (EG) with different loading fractions of 24, 33, 40 and 43 wt.%. It is deduced from rheological analysis that STF has a shear thinning behavior until 20s-1 while the behavior turns into a rapid thickening after that critical shear rate. In shear thinning, particles are oriented in the direction of flow so they can slide over each other easier yielding to a decrease in viscosity. However, at higher shear rates, particles in the suspension tend to agglomerate within the increased hydrodynamic interactions and suspension viscosity increased sharply. It is found that the viscosity of STF-40 is tripled compared to its initial viscosity under shear stress. STF/PU foams are prepared by adding 1 and 2 wt.% STF into polyol component of the foam and the blend is then mixed with the other component, PMDI. Compression tests show that STF/PU foams have higher specific compressive strength since the density is reduced significantly. Hence, a higher specific strength is provided by a lighter core. Neat and STF integrated PU foams are subjected to drop-weight impact tests. Considering the different absorbed energy levels, this study reveals the importance of foam core presence in sandwich composites.
Benzer Tezler
- In-situ synthesis of MAB phases by spark plasma sintering and chemical exfoliation to 2D MBenes
MAB fazlarının spark plazma sınterleme ile yerınde sentezi ve 2B MBenes fazlarına kimyasal eksfoliasyonu
BURAK DEMİR
Doktora
İngilizce
2023
Metalurji MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERHAN AYAS
- Machine learning assisted design of biomedical high entropy alloys with low elastic modulus for orthopedic applications
Ortopedik uygulamalar için düşük elastik modüle sahip biyomedikal yüksek entropili alaşımların makine öğrenimi destekli tasarımı
HÜSEYİN CAN ÖZDEMİR
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiKoç ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DEMİRCAN CANADİNÇ
- Doğal lif takviyeli kompozitlerde lif / matris ara yüzey iyileştirme çalışmaları ve çevresel koşullara göre karakterizasyonu
Fiber / matrix interfacial improvement techniques and characterization due to environmental conditions for natural fiber reinforced composites
MEHMET SAFA BODUR
Doktora
Türkçe
2016
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA BAKKAL
- Investigating effects of heat treatment processes on microstructural and mechanical properties of additively manufactured 18Ni300 maraging steel
Isıl işlemlerin eklemeli imalat ile üretilmiş 18Ni300 maryaşlanma çeliğinin mikroyapısına ve mekanik özelliklerine etkilerinin incelenmesi
İBRAHİM AYDIN
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CEMİL HAKAN GÜR
- Production and development of light metal containing high entropy alloys by a self-propagating high-temperature synthesis method
Kendiliğinden ilerleyen yüksek sıcaklık sentezi yöntemi ile hafif metal içerikli yüksek entropili alaşımların üretilmesi ve geliştirilmesi
ASLIHAN KARAKANAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ESRA DOKUMACI ALKAN