The investigation of advanced thermoplastic composite materials in aerospace applications
Havacılık uygulamalarında ileri termoplastik kompozit malzemelerin geliştirilmesi
- Tez No: 801790
- Danışmanlar: PROF. DR. EMRAH ÖZENSOY, DR. DÖNÜŞ TUNCEL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
Yük taşıyıcı takviyeli kompozitlerin geliştirilmesi, havacılık, otomotiv, spor endüstrisi gibi geniş bir uygulama yelpazesi açısından önem arz etmektedir. Bu alanlar dikkate alındığında, performanstan ödün vermeden yapısal malzemelerin aşırı ağırlığının azaltılması gerekmektedir. Bu nedenle, kompozitlerde polimerik matrisler için takviye malzemelerinin (örn. karbon fiberler) kullanılması izlenecek en uygun yoldur. Bu çalışmada, termoplastik esaslı kompozitler için takviye malzemesi olarak karbon fiber (CF) kullanılmıştır. Çıplak CF'ler işlenemeyecek kadar kırılgan olduklarından, endüstriyel uygulamalar sırasında CF'lerin kırılganlığından kaçınılabilecek şekilde kaplanmaları / boyutlandırılmaları gerekir. Bu nedenle, karbon fiberlerin uygun metot ve malzemelerle kaplanmaları, CF'nin yüzeyini koruyarak hizmete girmelerini sağlamak için çok önemlidir. Bununla birlikte, geleneksel haşıl maddesi (yani epoksi), 300 ℃'nin üzerindeki yüksek işleme sıcaklıklarına sahip sürekli CF takviyeli termoplastik kompozitlerin (CFRTP'ler) işlenmesi için uygun değildir. Bu çalışmada, bu amaç için yeni bir haşıl maddesi geliştirilmiştir. Bu kaplamanın CF'lerin fizikokimyasal yanı sıra yüzey özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Sonuç olarak, fiber-matriks interfaz davranışı üzerindeki etki incelenebilmektedir. Ayrıca, termoplastik esaslı kompozitler için temel problem olan takviyeli elyaf ve termoplastik matris arasındaki delaminasyon, yeni kaplama malzemesinin geliştirilmesiyle çözülebilir, böylece reaktif olmayan karbon elyaflar matris ile uyumlu hale getirilebilir. Bu tezde, karbon fiber yüzeyinin aktivasyonu, ardından fonksiyonel bir haşıllama ajanı ve CF ile termoplastik matriks (Polietereter keton) arasındaki uyumsuzluktan kaynaklanan mevcut boşlukları azaltmak için adezyonu arttıracak bir yöntem geliştirilmiştir. Bu nedenle, polietereter keton (PEEK) matrisi ile CF'nin ıslanabilirliği; CF'nin yüzey serbest enerjisi değiştirilerek, optimize edilmiş adezyon ile arttırılmıştır. Böylece, termoplastik esaslı kompozitlerdeki delaminasyon problemi, CF'lerin kaplanması yöntemiyle çözülmüştür. Bu çalışmanın ilk bölümünde, havacılık sınıfı ticari karbon fiberler üzerinde mevcut epoksi kaplamanın kaldırılması, ardından CF'lerin haşıl işlemine hazır hale getirilmesi için yüzey aktivasyon yönteminin uygulanması yer almaktadır. CF'leri çevreleyen mevcut epoksi kaplamanın bozunmasının ardından, CF'nin asidik modifikasyon ile yüzeyinde başarılı bir şekilde fonksiyonel kimyasal gruplar (COOH, OH) oluşturulmuştur. Sonuç olarak, geliştirilen haşıllama malzemeleri hidrojen bağı yoluyla CF'nin aktifleştirilmiş yüzeyine kolayca bağlanabilmektedir. İkinci bölümde, matris ile kimyasal uyumluluğu dikkate alınarak dört farklı polimerik haşıl malzemesi hazırlanmıştır. Kaplama yöntemine karar verildikten sonra yüzeyi aktive edilen CF'ler için daldırma yöntemiyle kaplama işlemi yapılmıştır. Saf ve işlenmiş CF'ler için kimyasal ve fiziksel analizler, mikroskobik ve spektroskopik tekniklerle gerçekleştirilmiştir. Kaplama işlemi sonucunda, Temas Açısı Analizi ve Young denklemine göre yüzey serbest enerji hesaplamaları ile matris ve takviye malzemesi arasındaki artan uyumluluk kanıtlanmıştır.
Özet (Çeviri)
The development of load-carrier reinforced composites is crucial in terms of a wide range of applications, such as aerospace, automotive, sports industry and so on. When these fields are taken into consideration, reducing the excessive weight of structural materials without any sacrifice in the performance is required. Thus, using reinforcement materials (e.g. carbon fibers) for polymeric matrices in composites is the most convenient way to follow. In this study, carbon fiber (CF) was used as a reinforcement material for thermoplastic based composites. Since bare CFs are too fragile to process they must be coated / sized such that the brittleness of CFs can be avoided during industrial applications. Therefore, sizing of carbon fibers is crucial for guiding them into service by protecting the CF's surface. Yet, the traditional sizing agent (i.e. epoxy) is not suitable for handling continuous CF reinforced thermoplastic composites (CFRTPs) with high processing temperatures above 300 ℃. In this study a novel sizing agent was developed for this purpose. The effects of this sizing on the CFs' physicochemical as well as surface properties were investigated. As a result, the impact on fibermatrix interphase behavior can be analyzed. Moreover, the main problem for thermoplastic based composites which is the delamination between the reinforced fiber and thermoplastic matrix can be solved throughout the development of novel coating material so that inert carbon fibers can be made compatible with the matrix. In this thesis, the activation of carbon fiber's surface, then providing a functional sizing agent and method in order to expel the present voids because of incompatibility between CF and thermoplastic matrix (i.e. Polyetherether ketone) were carried out by enhancing the adhesion. Hence, the wettability of CF by polyetherether ketone (PEEK) matrix was enhanced by altering the surface free energy of CF resulting in optimized adhesion. Thus, the delamination problem in thermoplastic based composites was solved throughout the sizing of CFs. The first part of this work consists of the elimination of current epoxy coating on the aerospace grade commercial carbon fibers. Then, the application of surface activation method was performed by acidic modification to make CFs ready for sizing process. The formation of functional groups (-COOH, -OH) on CF's surface was achieved after degrading of present epoxy coating throughout CFs. As a result, the developed sizing agents could be binded easily onto CF's activated surface through the hydrogen bonding. In the second part, four different polymeric sizing agents were prepared by taking the chemical compatibility with the matrix into consideration. The sizing process was performed via dip-coating method for the surface-activated CFs. The chemical and physical analyses for neat and treated CFs were carried out via microscopic and spectroscopic techniques. As a result of sizing process, the enhanced compatibility between the matrix and reinforcement material was proved by the Contact Angle Analysis and surface free energy calculations according to Young's equation.
Benzer Tezler
- Creep behavior investigation of 3d printed polyetherimide parts with carbon black reinforcement via experimental analysis and modeling
3b basılmış karbon siyahı takviyeli polieterimid parçaların deneysel analiz ve modelleme ile sürünme davranışının incelenmesi
MERVE KARABAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALPTEKİN YILDIZ
- Development of hexagonal boron nitride reinforced thermoplastic composites for advanced thermal management with multi-processing techniques
Çoklu işleme teknikleri ile ileri ısıl yönetim için hekzagonal bor nitrür takviyeli termoplastik kompozitlerin geliştirilmesi
SAHER GUL
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik BilimleriSabancı ÜniversitesiMühendislik ve Doğa Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BURCU SANER OKAN
- Metallerle elyaf takviyeli termoplastik kompozitlerlerin sıcak baskı yöntemi ile birleştirilmesinin araştırılması
Investigation of joining metals and fiber reinforced thermoplastic composites by hot pressing method
BURAK KILIÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT VURAL
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALİ TANER KUZU
- İleri termoplastik matrisli kompozitlerin ısı ile şekillendirilebilirliğinin araştırılması
Investigation of thermoforming of advanced thermoplastic matrix composites
İBRAHİM MURAT ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞEGÜL AKDOĞAN EKER
- Termoplastik keçe katmanın karbon kumaş-cam kumaş/ epoksi kompozitlerde mekanik özelliklerine ve dinamik davranışlarına etkilerinin incelenmesi
Investigation of the effects of thermoplastic veil layer on mechanical properties and dynamic behavior in carbon fabric-glass fabric/epoxy composites
YAVUZ SELİM TARİH
Doktora
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER GÜNDOĞDU
DOÇ. DR. ADEM YAR