The effects of manufacturing defects on the material properties of carbon fiber reinforced low melting point polyaryletherketone (PAEK) composite laminates manufactured by autoclave consolidation
Üretim hatalarının otoklav konsolidasyonu ile birleştirilen karbon fiber takviyeli düşük erime noktasına sahip poliarileterketon (PAEK) plakaların malzeme özellikleri üzerine etkileri
- Tez No: 756701
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET FATİH ÖKTEM, DR. ÖĞR. ÜYESİ METE BAKIR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 124
Özet
Termoplastik kompozitlerin havacılık endüstrisinde kullanımı gün geçtikçe artmaktadır. Termoplastik malzemelerin avantajları ve kendine has özellikleri termoset malzemelerin yerine kullanılması için oldukça uygun bir alternatif olarak kabul görmektedir. Yüksek hasar toleransı, tekrar şekil verilebilirlik ve üretilebilirlik, düşük hızlarda oluşan darbelere karşı dayanım ve çevresel ortam koşullarına karşı dayanıklılığı gibi birçok özellik termoplastik malzemelerin kullanımını arttırmak için mühendislik uygulamalarında oldukça tatmin edici özelliklerdir. Ancak termoplastik malzemelerin termosetler yerine kullanımı henüz keşfedilmemiş birçok konunun açığa kavuşması ile gerçekleşecek olup, malzeme özelinde mevcut olan az sayıda bilginin hızla arttırılması gerekmektedir. Termoplastik kompozitlerin tahribatsız muayenesi ve üretim aşamalarında sıklıkla oluşabilecek hataların nihai etkilerinin incelenmesi gibi önemli konular henüz yeterli sayıda çalışmaya konu olmamış ve birçok keşfedilmemiş bilgiyi içermektedir. Bu çalışmanın temel amacı havacılık ve uzay endüstrisi içerisinde kullanılması hedeflenen termoplastik kompozit parçaların tahribatlı ve tahribatsız testlerinin gerçekleştirilmesi ve sık karşılaşılan üretim hatalarının tespit edilerek mekanik özelliklere etkisinin incelenmesidir. Bahsi geçen hatalar kompozit parçaların serim, torbalama ve konsolide edilmesi sırasında ortaya çıkabilecek olan boşluk, gözenek ve yabancı madde mevcudiyetidir. Bu tip hatalar termoset kompozit parçaların üretimi aşamasında sıklıkla görüldüğü gibi termoplastik kompozit parçaların üretimi aşamasında da görülmektedir. Bu çalışmada deneysel yöntemler ile hataların bilinçli bir şekilde parçalar içerisinde meydana getirilmesi, tahribatlı ve tahribatsız testler ile hataların miktarının tespit edilerek parçaların kesme dayanım performasına etkisi incelenmiştir. Çalışma kapsamında üretilen test numuneleri, önceden konsolide edilen karbon fiber takviyeli düşük erime sıcaklığına sahip poliarileterketon termoplastik (CF/PAEK) plakalar otoklav vasıtası ile birleştirilerek elde edilmiştir. Kullanılan CF/PAEK plakaların fiber dizilimi [+45/−45]5S ve kalınlığı 2.3 mm olup birleşme yüzeyleri arasında boşluk, gözenek ve yabancı madde oluşumu sağlanmıştır. Hatalı parça üretimi için, torba vakum değeri -573.45 ve 246.9 mmHg arasında ve otoklav konsolidasyonu sırasında basıncı 2 ile 5 bar arasında değişken tutarak boşluk ve gözenek oluşumu sağlanmıştır. Mevcut hatalara ek olarak birleşme alanlarına yabancı maddeler yerleştirilerek kesme dayanımındaki düşüşler incelenmiştir. Tahribatsız muayene kapsamında ultrasonik ve radyografik muayeneler gerçekleştirilmiştir. Faz dizilimli (Phased array) ultrasonik muayene yöntemi ile hatalı birleşme alanlarından alınan ultrasonik sinyallerde % 0 ile 49.4 arasında bir kayıp olduğu tespit edilmiştir. Ultrasonik muayene ile tespit edilen hataların mevcudiyeti ve miktarı, diğer ultrasonik ve radyografik test yöntemleri ile beraber tahribatlı testler uygulanarak da ispatlanmaya çalışılmıştır. Tahribatlı testler kapsamında, mikroskobik incelemeler, fiber ve reçine tayini testi ve kristalleşme derecesi tayini yapılmıştır. Birleşme bölgesine ait kesme dayanımı testlerinden elde edilen sonuçlara göre boşluklu ve gözenekli yapışma bölgelerinin hatasız olan bölgelere göre % 14 daha az dayanıma sahip olduğu tespit edilmiştir. Boşluklu ve gözenekli yapışma bölgesine ek olarak yerleştirilen yabancı maddelerin mevcudiyeti ise hatasız olan numunelere göre kıyaslandığında % 17 daha az dayanıma sahip olduğu tespit edilmiştir. Çalışma sonuçları ele alındığında kesme dayanımı testinde elde edilen veriler ultrasonik muayene aşamasında elde edilen desibel cinsinden bölgesel sinyal şiddeti düşüklüğü ile ilişkilendirilmiştir. Elde edilen bağıntı ve formül ile ultrasonik muayene esnasında tespit edilecek olan sinyal düşüşlerindeki miktarın kesme dayanımının ne kadar etkileyeceği öngörüsünde bulunulması sağlanmıştır. Böylelikle ileri uygulamalar için bu çalışma ile üretilen parçaların birleşme bölgelerinde oluşabilecek boşluk ve gözenekli yapıların tahribatlı testleri yapılmadan mukavemet düşüşü hesaplanabilecek olup parçanın kabul veya ret kriterlerinin oluşuturulması sağlanabilecektir.
Özet (Çeviri)
The usage of thermoplastics composites is increasing day by day in aerospace industries. Their advantages and key features like excellent damage tolerances, resistance to low-velocity impact damages, recyclability, and durability to ambient conditions are very convincing to replace traditional thermoset composites by thermoplastics. However, replacing thermoset composite by thermoplastic ones will not be easy due to lack of sufficient knowledge and experience about non-destructive inspections and effects of defects coming from manufacturing processes. The main object of this study is to find the effect of the defects that may occur in advanced thermoplastic composite materials used in aerospace industry by destructive and non-destructive test methods. The defects, primarily foreign object inclusions, voids and porosities, which have the highest probabilities to occur during manufacturing and co-consolidation processes. With the presented experimental methods, characterization of defects and their effects on mechanical and physical characteristics of the carbon fiber reinforced polyaryletherketone composite parts are included in this study. Different autoclave co-consolidation scenarios are performed to form bondline defects like porosity and voids in order to observe negative impacts on mechanical performance of co-consolidated CF/PAEK composites. Furthermore, randomly sized foreign object inclusions are placed at defective bondline to witness any additional changes in mechanical and physical properties of the defective specimens. A series of [+45/−45]5S 2.3 mm thick laminates were used to get reference and discrepant test panels. Defect contents were assessed by varying the vacuum value from -573.45 to 246.9 mmHg and pressure value from 2 to 5 bar during autoclave co-consolidation process. Bondline inclusions are observed with the resulting ultrasonic signal loss in dB units for a range between 0 and 49.4% during phased array and pulse echo inspections. Microscopic evaluations and fiber volume content tests proved the presence of void, porosity and foreign object inclusions. However, it was observed that foreign object inclusions prevent and deflect the ultrasonic signal losses caused by void and porosity contents in a positive manner. Additionally X-ray radiographic evaluations are indicated that defective specimens have distorted bondlines compared to reference specimens. Effects of average ultrasonic signal loss at joint areas on mechanical and physical properties of CF/PAEK composites are evaluated. Results show that shear strengths are decreased by 14% as increasing average ultrasonic signal losses due to void and porosity formations. On the other hand addition of foreign objects to defective specimens having voids and porosities showed negative effect on shear strength by lowering by 17% with respect to defect free specimens. In the light of the acquired information in this study, a relation is set between ultrasonic inspection outputs and lap shear strength for specimens having void and porosities. Moreover, experimental outputs can be used to identify accept/reject criteria of mentioned defects in carbon fiber reinforced PAEK composite parts for now and future.
Benzer Tezler
- Plastik enjeksiyon kalıplamanın mekanik davranış üzerindeki etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of plastic injection molding on mechanical behavior
OSMAN KAYALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EKREM TÜFEKCİ
- Yüksek gerilim kondansatörü tasarımı ve üç boyutlu yazıcı ile üretimi
High voltage capacitor design and production by using fdm type three dimensional printer
SALİH DENİZ UZEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZCAN KALENDERLİ
- Soğuk sprey eklemeli imalat yöntemiyle üretilen ınconel 718 süperalaşımının yüzey özelliklerine kutu alüminyumlama işleminin etkisi
Effect of pack aluminizing process on surface properties of inconel 718 superalloy produced by cold spray additive manufacturing
OSMAN KAHRAMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- NiCoCrAlY+YSZ ile kaplanmış kanatçıklı diskin dinamik sonluelemanlar analizi ve toplu parametreli sistem ilemodellenmesi
Dynamic fem analysis and modeling of NiCoCrAlY+YSZ coated blisk with lumped parameter system
MUSTAFA YİĞİT OTAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. VAHİT MERMERTAŞ
- Mechanical characterization of additively manufactured Ti-6Al-4V aircraft structural components produced by electron beam melting
Elektron demeti ile ergitme eklemeli imalat yöntemiyle üretilen Ti-6Al-4V uçak yapısal parçalarının mekanik karakterizasyonu
FATİH YILMAZ
Doktora
İngilizce
2022
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MELİN ŞAHİN
DOÇ. DR. ERCAN GÜRSES