Performance of composites from 3d orthogonal woven preforms in terms of architecture and sample location during resin infusion
Üç boyutlu dikey dokunmuş öncül formlardan müteşekkil kompozitlerin mimari ve reçine emilimi esnasındaki numune konumu açısından performansının incelenmesi
- Tez No: 740506
- Danışmanlar: PROF. DR. ABDEL-FATTAH MOHAMED SEYAM
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Textile and Textile Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: North Carolina State University
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Lif ve Polimer Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 332
Özet
İpliklerin birbirinin altından üstünden geçmeleri, iplik sıklığı, iplik boyutu, iplik kesit şekli vb. gibi mimariyi büyük ölçüde değiştiren karmaşık içyapıları nedeniyle; dokuma öncül formları katmanlı yapılardan oldukça farklıdır. Dokuma öncül formlarının bir diğer ayırt edici özelliği ise yapının genel özelliklerini yansıtan ve“temsili birim hücre”olarak da adlandırılan“doku (desen) tekrarı”dır. 3D dokuma öncül formlar, tüm kumaş kalınlığı boyunca hareket ederek katmanların birbirinden ayrılmasını önleyen ve katmanlar arası özellikleri iyileştiren elemanların (z-iplik bileşenlerinin) mevcudiyeti nedeniyle 2D dokuma katmanlı yapılardan daha üstündür. Z-ipliğinin geometrisi ve nispi miktarı, düzlem içi ve düzlem dışı performansı kontrol etmek için kritik öneme sahiptir. Z-ipliğinin miktarındaki artış, kompozit malzemenin düzlem içi mekanik özellikleri pahasına düzlem dışı mekanik performansında iyileşmeye yol açmaktadır. Dokuma öncül formlarının geometrik modellemesi, öncül form kalınlığını, öncül form alansal yoğunluğunu ve bileşen ipliklerin lif hacmi oranını (LHO) tahmin etmek için kullanışlı bir araçtır. 3D dikey dokuma öncül formlarının geometrik modellenmesi üzerine yapılan önceki çalışmalar Bölüm 2'de kapsamlı bir şekilde gözden geçirilmiştir ve bu gözden geçirme bu çalışmaların sıkışık durumda (dokuna bilirlik limitlerinde) bezayağı dokuma deseniyle sınırlı olduğunu göstermiştir. Bu çalışmada, doku tasarımı açısından (“doku faktörü”olarak adlandırılan ve sayısal bir değerle temsil edilen) genelleştirilmiş geometrik modeller geliştirilmiştir. Geliştirilen modeller hem sıkışık (dokuna bilirlik limitlerindeki) hem de açık (gözenekli) durumları kapsarken; dairesel, yarış pisti ve dikdörtgen iplik kesit şekillerini göz önünde bulundurmaktadır. Geliştirilen modeller, 3D dikey dokuma öncül formlarının kalınlığını, bileşen iplik ağırlıklarını ve lif hacimsel oranlarını tahmin etmektedir. Ortaya konan modeller, 3D dikey dokuma öncül formlarının kumaş mimarisi potansiyelini açığa çıkarmıştır. Hipotetik yapılar için elde edilen sayısal sonuçlar, düzlem içi ve düzlem dışı özellikleri doğrudan kontrol eden kalınlık boyunca ilerleyen z-ipliği ve toplam lif hacmi oranının z-ipliği numarası (doğrusal yoğunluğu) ve desen (doku faktörü) ile nasıl kontrol edilebileceğini göstermiştir. Geliştirilen modellerin, tahmin edilebilir düzeyde yapısal parametreler ve performans sergileyen kompozitler geliştirmek için kullanılabilecek temel bir tasarım aracı olduğu gösterilmiştir. Cam ipliği kullanarak; muhtelif z-ipliği deseni, y-ipliği katman sayısı ve x-ipliği sıklığı seviyelerinde olmak üzere geniş bir yelpazede 3D dikey dokuma öncül formları dokunmuş ve bu formlar vakum infüzyon süreci (VİS) yoluyla kompozite dönüştürülmüştür. Bu üretilen kompozitler geliştirilen modellerden filament iplikler için olanının doğrulanmasında kullanılmıştır. Filament iplikler için geliştirilen model tarafından tahmin edilen kuru öncül form kalınlığı ve düzlem içi ipliklerin ağırlıkları, deneylerden elde edilen sonuçlarla iyi bir ilgileşim (korelasyon) sergilemiştir. Gerçek kuru öncül formlarda, z-ipliğindeki gerilim x-ipliklerinin düzleşmesine neden olmuştur ve bu düzleşme iplik kesişim noktalarında z-ipliğinin kısalmasıyla sonuçlanmıştır. Dolayısıyla geliştirilen model kuru öncül formlarda z-ipliği ağırlığını gerçekleşen değerden % 24,3 daha fazla tahmin etmiştir. Gerçek kuru öncül formun toplam lif hacmi oranı model tahmininden % 0,4 daha büyük gerçekleşmiştir. Bununla birlikte, geliştirilen model kompozitin toplam lif hacmi oranını (deneysel hata limitleri içinde sayılabilecek bir seviyede) % 5,4 daha fazla tahmin etmiştir. Vakum yoluyla reçine emdirme işleminde kalıbın bir tarafında esnek vakum torbasının varlığı ve reçine girişinden reçine akış çizgisine kademeli basınç değişimi, reçine emdirilmekte olan öncül form üzerindeki sıkıştırma basıncını değiştirerek katılaşmış kompozit malzemede kalınlık ve lif hacmi oranı varyasyonu ile sonuçlanır. Vakum yoluyla reçine emdirme kullanarak kompozit üzerine yapılan önceki çalışmalar reçine akış modelleme ile ilgili olup, bu çalışmalarda amaç: kalınlık, lif hacmi oranı ve reçine basınç profilini tahmine etmeye yöneliktir. Ancak bu profillerin mekanik özellikler üzerindeki etkisi araştırılmamıştır. Bu çalışmada kompozit panellerinden alınan numuneler reçine girişine göre konumları açısından dikkate alınmıştır. Numune konumunun kompozitin fiziksel ve performans özellikleri üzerindeki etkisini araştırmak için numunelerin analitik (kalınlık, lif hacmi oranı ve boşluk içeriği) ve mekanik (çekme, üç nokta eğilme ve darbe) özellikleri ölçülmüştür. Ek olarak kompozit üretimi ve performansı üzerine etkisini araştırmak için uygulanan vakum bir değişken olarak (75 ve 100 kPa seviyelerinde) ele alınmıştır. Kumaş mimarisinin reçine infüzyon performansı üzerindeki etkisi; düz ve sepet örgülü öncül formların düz, üniform ve geniş reçine akış kanalları nedeniyle dimi örgülü öncül formlardaki kıvrımlı kanallara kıyasla daha hızlı kalıp doldurma süreleri ile gösterilmiştir. Cam elyaf 3D dikey dokuma kompozitlerin reçine girişinden reçine çıkışına doğru analitik özelliklerinin değişimi önceki vakum yoluyla reçine emdirme araştırmalarıyla paralel sonuçlar göstermiş olup; bu bağlamda girişten çıkışa doğru kalınlık azalmış, lif hacmi oranını artmış ve boşluk içeriği dalgalanmıştır (değişmiştir). X ve y yönlerinde çekme özelliklerinde reçine girişinden reçine çıkışına doğru hafif bir artış gözlemlenmiştir. Desenleri (dokuları) farklı diğer iki kompozite kıyasla daha yüksek lif hacimsel oranları nedeniyle, dimi desenli (dokulu) kompozitler daha iyi mekanik özellikler sağlamıştır. X-iplik sıklığının artması, x yönünde çekme mukavemetinde artışa neden olurken, y yönünde çekme özelliklerinde azalmaya neden olmuştur. Vakum basıncındaki artış, her iki yönde de çekme mukavemetini bir miktar iyileştirmiştir. 100 kPa vakum altında, 3 katlı ve katman başına bir santimetrede 5,48 adet x-ipliği barındıran dengeli (x ve y yönlerinde birim numune eni başına toplam denye sayısı aynı olan) öncül formdan üretilen kompozitin y yönündeki en yüksek çekme gerilimi x yönündeki en yüksek çekme geriliminden % 15,24 daha yüksek çıkmıştır. Bu sonuç y ipliklerinin x ipliklerine nazaran daha üniform yerleşmesine atfedilmiştir. Eğilme gerilimi bağımsız değişkenlerden (y ipliği kat sayısı, doku (desen), x ipliği sıklığı ve vakum basıncından) çekme geriliminin etkilendiğinin aynısı şekilde etkilenmiştir. Bununla birlikte, eğilme geriliminin kalınlık değişimine çekme geriliminden daha fazla duyarlılığı nedeniyle eğilme gerilimindeki varyasyon çekme geriliminden daha büyük gözlemlenmiştir. Kompozitlerin maksimum darbe yükü reçine girişinden çıkışına doğru bir miktar azalma sergilemiştir. Bezayağı ve sepet desenli kompozitlere nazaran daha yüksek toplam lif hacmi oranına sahip dimi desenli kompozitler, bezayağı ve sepet desenli kompozitlere nazaran daha iyi maksimum darbe yükü ve toplam penetrasyon enerjisi sergilemişlerdir. 75 kPa vakum altında üretilen kompozitler, 100 kPa vakum altında üretilen kompozitlerden daha düşük toplam lif hacmi oranı ve daha yüksek boşluk içeriği sergilemiştir. Ancak 75 kPa vakum altında üretilen kompozitler, 100 kPa (tam) vakum altında üretilen kompozitlere nazaran daha iyi maksimum darbe yükü ve toplam penetrasyon enerjisi göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Woven preforms are different than laminates due to their complex internal structure such as yarn interlacing, yarn spacing, yarn size, yarn cross-sectional shape, etc. that change the architecture greatly. Another distinguished property of woven preforms is“weave repeat”also called“representative unit cell”which reflects the overall properties of the structure. 3D woven preforms are superior to 2D woven laminates due to presence of through-thickness elements (z-yarn components) that suppress delamination and improve interlaminar properties. The geometry and relative amount of z-yarn is critical to manipulate in-plane and out-of-plane performance. The increase in the z-yarn content leads to improvement in the out-of-plane performance of composite at the expense of in-plane properties. Geometric modeling of woven preforms is a useful tool to predict preform thickness, preform areal density and fiber volume fraction (FVF) of constituent yarns. Previous geometrical models of 3D orthogonal woven preforms, which are extensively reviewed in Chapter 2, were limited to plain weave interlacing pattern in jammed case. In this study, generalized geometric models in terms of weave design (represented by a numerical value termed“weave factor”) were developed. The models cover both jammed and non-jammed cases, consider circular, racetrack, and rectangular yarn cross-sectional shapes. The models predict thickness, constituent yarn weights, and FVFs of 3D orthogonal woven preforms. The models illustrated fabric architecture potential of 3D orthogonal woven preforms. Numerical results for hypothetical structures showed how to control through the thickness components of the z-yarn and total FVF, that have direct effect on the in-plane and out-of-plane properties, with interlacing pattern (weave factor) and z-yarn linear density. The models were demonstrated as an essential design tool that may be used to develop composites with predicted level of structural parameters and performance. Broad range of 3D orthogonal woven preforms from glass fibers with different architectures were woven and consolidated by vacuum infusion process (VIP) with different z-yarn interlacing pattern, number of y-yarn layers, and x-yarn spacing to verify the model for filament yarns. Dry preform thickness and weight of in-plane yarns predicted by the geometric model for filament yarns correlated well with experimental results. Z-yarn weight of dry preform was 24.3% overestimated by the model due to shortening of z-yarn at cross overs in real preforms due to the flattening of x-yarns caused by the tension of z-yarns. Total FVF of actual dry preform was 0.4% greater than model prediction. However, total FVF of composite was 5.4% overestimated by the model, which is within the experimental error. In VIP, presence of flexible vacuum bag on one side of the molding and pressure gradient from resin inlet to flow front change the compaction pressure on unsaturated preform that results in thickness and FVF variation in cured composite. Previous work on composite using VIP dealt with resin flow modeling to predict thickness, FVF, and resin pressure profiles. However, the effect of these profiles on mechanical properties was not investigated. In this study, specimens from composite panels were tracked in terms of their positions relative to resin inlet. Analytical (thickness, FVF, and void content) and mechanical (tensile, three-point flexure, and impact) properties of the specimens were measured to investigate the effect of specimen location on composite dimension and performance. Additionally, vacuum (75 and 100 kPa levels) was considered as variable to investigate its effect on composite formation and performance. Effect of fabric architecture on resin infusion performance was demonstrated by faster mold filling times of preforms with plain and basket weaves due to their straight, uniform, and wide resin flow channels compared to tortuous channels in preforms with twill weaves. Analytical properties of 3D orthogonal woven glass fiber composites showed parallel result with previous VIP researches such as thickness decreased, FVF increased and void content fluctuated from resin inlet to outlet. Slight increase from resin inlet to outlet was observed for the tensile properties in x- and y-directions. Due to their higher FVF compared to the composites with other two weaves, composites with twill weaves resulted in better mechanical properties. Increase in x-yarn density caused increase in tensile stress in x-direction, whereas it resulted in reduction in tensile properties in y-direction. Increase in vacuum pressure slightly improved tensile stress in both directions. Peak tensile stress in y-direction of three layers, 5.48 x-yarns/layer/cm balanced (defined as identical total denier in x- and y-directions/unit sample width) composites manufactured at 100 kPa vacuums was 15.24% greater than peak tensile stress in x-direction due to more uniform placement of y-yarn than x-yarn. Flexural stress was affected by the independent variables (number of y-yarn layers, weave, x-yarn density, and vacuum pressure) the same as tensile stress was affected; however, the variation in flexural stress was greater than tensile stress due to more sensitivity of flexural stress to thickness variation than tensile stress. Peak impact load of composites slightly decreased from resin inlet to outlet. Composites with twill weaves having higher total FVF than composites with plain and basket weaves indicated better peak impact load and total penetration energy than composites with plain and basket weaves. Composites manufactured at 75 kPa vacuums resulted in lower total FVF and high void content than composites manufactured at 100 kPa vacuums; however, they demonstrated better peak impact load and total penetration energy than composites infused at 100 kPa (full) vacuums.
Benzer Tezler
- Aramid kumaş özelliklerine bağlı iplik çekme (yarn pull?out) testi ile çok katlı dikişli yapıların balistik performansının deneysel belirlenmesi
Experimental determination of ballistic performance of multilayered aramid fabric stitched structures by yarn pull out test
MAHMUT KORKMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiErciyes ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. ABDÜLKADİR BİLİŞİK
- Çamaşır makinesi körüğünün dinamik özelliklerinin belirlenmesi ve makinenin dinamiğine etkisi
Determination of washing machine gasket characteristics and its effect on machine dynamics
MERVE EMEKSİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KENAN YÜCE ŞANLITÜRK
- Halloysit nanotüp katkısının karbon-aramid fiber takviyelinanokompozitlerin aşınma özelliklerine etkisinin incelenmesi
Examination of the effect on wear behavior of carbon-aramid fiber reinforced nanocomposites with the halloysite nanotube modification
YUSUF BAŞTOSUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Metalurji MühendisliğiNecmettin Erbakan ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET EMİN ÇETİN
- Dayanım ve dayanıklılık açısından yüksek performanslı çimento esaslı tabakalı kompozitlerin geliştirilmesi
Development of high performance cementitious laminated composites in terms of high strength and high durabilty
ESMA GİZEM DAŞKIRAN
Doktora
Türkçe
2018
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA GENÇOĞLU
- Material based computation: Composites for a responsive façade design
Malzeme tabanlı bilgisayım: Etkileşimli cephe tasarımı için bileşik malzemeler
ZEYNEP SÜMBÜL ENHOŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MİNE ÖZKAR KABAKÇIOĞLU