Geri Dön

Havacılık sektörü için otoklavda üretilen karbon fiber takviyeli epoksi polimer kompozitlerin termal ve mekanik özelliklerine otoklav basıncının etkisi

The effect of autoclave pressure on the thermal and mechanical properties of carbon fiber reinforced epoxy polymer composites produced in autoclave for aviation industry

PDF İndir

  1. Tez No: 838679
  2. Yazar: MURAT KALENDER EVİRGEN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA KELAMİ ŞEŞEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Metallurgical Engineering, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 91

Özet

Kompozit malzeme iki veya daha farklı malzemenin makroskopik olarak birleşimi olarak tanımlanır. Üstün mekanik, termal, elektriksel ve kimyasal özelliklerinin avantajlarının yanı sıra hafif ve yüksek dayanıma sahip olması sebebiyle kompozit malzemeler günümüzde birçok sektörde kullanılmaktadır. Havacılık sektörü de kompozit malzemelerin kullanıldığı başlıca sektörlerden biridir. Matris malzemesi ve takviye elemanı kompozit malzemelerin iki ana yapı elemanıdır. Kompozitler matris malzemelerine göre organik reçine matrisli, metal matrisli, seramik matrisli ve polimer matrisli olarak dörde ayrılmaktadır. Matrislerin görevi takviyeleri form içinde tutmak ve yapıya gelecek yükleri takviyelere aktarmaktır. Takviye malzemeler sürekli ve süreksiz olarak iki sınıfa ayrılır. En çok kullanan takviye malzemeleri, cam fiberler, karbon fiberler ve aramid fiberlerdir. İstenilen özelliklere göre uygun matris ve takviye malzemesi seçilir. Havacılık sektöründe en çok karbon fiber takviyeli epoksi polimer matrisli kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Polimer matrisli kompozit üretiminde yalnızca uygun matris takviyesi ve malzemeler seçilmesi tek başına yeterli değildir, aynı zamanda bu malzemelerin üretim yönteminin uygun olması gerekmektedir. Üretim metodunun uygun seçilmesi nihai kompozit malzemeden istenen özellik ve forma sahip olması açısından mutlak önem taşır. Üretilen kompozit malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri otoklav veya fırında kürlenme parametrelerine büyük oranda bağlıdır. Otoklav kürlemesi için üreticinin tavsiye ettiği kürlenme şeklinde (MRC) belirtilen parametreler şu şekilde sıralanabilir; Kompozit malzemelerin kürlenme süresi, kürlenme sıcaklığı, otoklav basıncı ve vakum basıncıdır. Üretimde meydana gelebilecek kürleme parametre farklılıkları, kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini olumsuz etkilemesi ile sonuçlanabilir. Kompozit üretim yöntemlerinden otoklav kalıplama yöntemi ile termoset kompozit malzemeye yüksek ısı ve basınç uygulanarak içerisindeki hava boşluklarını giderilmesi sağlanır. Bu sayede kompozit malzemenin içerisindeki reçine başına düşen fiber oranı arttırılarak malzemenin performansında artış hedeflenir. Bu yöntemin maliyeti yüksek olup, yüksek kalite ürün istendiğinde başvurulan yöntemdir. Günümüzde havacılık yapısal malzemeleri, uzay araçları bu yöntem ile üretilmektedir. Bu çalışmada, reçine malzemesi olarak epoksi emdirilmiş, karbon prepregler olarak anılan, karbon fiberler kullanılmıştır. Karbon takviyeli prepreglerin temiz odada serimi ve farklı basınçlarda otoklav prosesine tabi tutulmaları ile üretilen kompozitlerin ultrasonik görüntülemeler ile, camsı geçiş sıcaklıkları ölçümleri ile, dinamik mekanik analiz (DMA) testleri ile ve katmanlar arası kayma mukavemeti (ILSS) testleri ile kompozit malzemenin termal ve mekanik özelliklerine otoklav basıncının etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Deneylerde kullanılan Kompozit prepreg malzeme Hexcel firması tarafından üretilen M21 reçine sistemli HexPly M21/34%/UD194/IMA-12K isimli tek yönlü (UD) karbon fiber prepreglerdir. Prepregler -18°C sıcaklık koşullarında depolanmaktadır. Kullanılmadan önce soğuk odadan çıkartılarak sıcaklıklarının oda sıcaklığına gelmesi beklenmiştir. Kullanıma uygun malzemeler kesim cihazına alınmıştır. Prepreglerin kesim işlemi için, Bilgisayardan ayarlanmış teknik resime göre plyların GERBER cutter cihazında kesimi yapılmıştır. 300 mm ve 215 mm boyunda 12 adet tekyönlü ply alınmıştır. Serim kalıbı hazırlandıktan sonra kesilen prepreglerin serim işlemi yapılmıştır. Malzemelerin serimden sonra otoklova hazırlanması nem, sıcaklık ve basınç kontrollü temiz odada yapılmıştır. Karbon prepreg hazırlanan tablaya serilmiştir. Serim yapılırken sonra otoklavda sızdırma problemi olmaması için etrafına sealant çekildikten sonra malzeme vakuma alınmıştır. Uygulanan ara vakum değeri 530 mmHg'dir. Hava akışını sağlayacak vakum çıkışları üzerinde bulunan numune otoklav işlemine alınmıştır. Otoklav tam basınca ulaşınca ısıtma işlemi başlatılmıştır. Isıtma ve soğutma hızı dakikada 2,5°C dir. Malzemenin otoklavda kalış süresi 120 dakika ve sıcaklığı 180 °C kadardır. Otoklavda 2,7 ± 0,30 bar ve 6,9 ± 0,30 bar basınçlarda üretim yapılmıştır. Kompozit malzemelerin kesiminde sıcaklık etkisini ortadan kaldırmak için su jeti kullanılmıştır. Ultrasonik C-Tarama Görüntüleme (İletim yoluyla ultrasonik metot) yöntemiyle, kompozit parçanın yüzeyi boyunca ultrasonik dalgaların görece zayıflaması ölçülür. TAI imalatı olan robotik yarı otomatik ultrasonik cihaz kullanılarak Ultrasonik İletim Yöntemi ile Ultrasonik C-Tarama Görüntüsü elde edilerek üretilen malzeme içerisinde hata olup olmadığı gözlenmiştir. Manuel darbe-yankı methodu ile Ultrasonik A-Tarama Görüntüleme yapılmıştır. Referans olarak hata içeren malzeme ile üretilen malzemelerin kontrolü yapılarak görüntüler karşılaştırılmıştır. 2,7 bar basınçta üretilen numunelerde boşluk oluşumu 6,9 bar basınçta üretilen numunelere göre fazla olduğu için ultrasonik hız düşmüştür. Ultrasonik inceleme sonrasında 6,9 bar basınçta üretilen numunenin C-tarama ve A-taramaya göre hata içermediği gözlenmiştir. Üretilen karbon fiber kompozit numunelerin camsı geçiş sıcaklıklarını bulmak amacıyla Dinamik Mekanik Analiz testi EN6032 standardına uygun şekilde DMA Q800 cihazında yapılmıştır. 2,7 bar basınçta üretilen numunelerin Tg değerleri minimum 187,50 °C, maksimum 193,44°C olarak ölçülmüştür. Nem absorpsiyonu, bir epoksi reçinesinin camsı geçiş sıcaklığını (Tg) azaltır. Literatürde de yapılan çalışmaların ışığında, otoklav basıncının düşük olması sebebiyle boşluk oluşumunun engellemesinin yeterli olmadığından katmanların birbirlerine zayıf bağlanmasına neden olarak camsı geçiş sıcaklığının düşük olmasına sebep olmuştur. 6,9 bar basınçta üretilen numunelerin Tg değerleri minimum 195,75 °C, maksimum 205,24 °C olarak ölçülmüştür. Camsı geçiş sıcaklığında önemli bir epoksi özellikleri kaybı meydana geldiğinden çoğu zaman Tg, kompozit malzemenin üst kullanım sıcaklığını tanımlar. Artan otoklav basıncı nem absorbiyonunu azaltacağı ve daha iyi kürlenme sağlayacağı için daha yüksek camsı geçiş sıcaklığı verilerine ulaşılmıştır. DMA testinde 2,7 ± 0,30 barda üretilen kompozit malzemelerin camsı geçiş sıcaklığı Tg ortalama 190,98 °C olarak bulunurken, 6,9 ± 0,30 barda üretilen kompozit malzemelerin Tg değeri ortalama 199,60 °C olarak bulunmuştur. En yüksek Tg değerinin 6,9 barda 205,24 °C olduğu gözlenmiştir. Katmanlar arası kayma mukavemeti (ILSS) testi EN 2563 standardına uygun olacak şekilde 25,4 mm uzunluğunda 6,35 mm genişliğinde beşerli numuneler hazırlanarak Instron 5966 cihazında testler gerçekleştirilmiştir. ILSS testinde her iki basınçta da üçer adet numune alınması ve her numuneden beşer adet değer alınması ile ortalama değerler bulunmuştur. 2,7 bar basınçta üretilen numunelerin katmanlar arası kayma mukavemeti değerleri: 55,18, 59,89, 52,46 MPa olarak kaydedilmiştir. Otoklav basıncının düşük olması, katmanların birbirlerine zayıf bağlanmasına bu sebeple de katmanlar arası kayma mukavemetinin düşük olmasına sebep olmuştur. 6,9 bar basınçta üretilen numunelerin katmanlar arası kayma mukavemeti değerleri: 87,03, 87,60, 89,36 MPa'dır. Kürleme basıncı tabakaların sıkışmasını ve boşluk miktarını doğrudan etkilediği ve reçine akışını ve ILSS'i desteklediği gözlenmiştir Otoklav basıncı arttıkça yapışma miktarı daha fazla olacağından katmanlar arası kayma mukavemeti artmıştır. 2,7 barda üretilen kompozit malzemelerin katmanlar arası kayma mukavemeti ortalama 55,84 MPa olarak bulunurken, 6,9 barda üretilen kompozit malzemelerin katmanlar arası kayma mukavemeti ortalama 88 MPa'dır. En yüksek ILSS değerinin 6,9 barda 89,40 MPa olduğu gözlenmiştir. Buna göre otoklav basıncı arttıkça Tg ve ILSS değerlerinin arttığı gözlenmiştir. Artan Tg değeri ile ILSS değeri arasında korelasyon olduğu söylenebilir. Bu sebeple de malzemenin kullanılabileceği maksimum sıcaklık artmıştır.

Özet (Çeviri)

A composite material is defined as a macroscopic combination of two or more different materials. Composite materials are used in many sectors today due to their superior mechanical, thermal, electrical and chemical properties, as well as their lightness and high strength. The aviation industry is one of the main industries in which composite materials are used. Matrix material and reinforcement element are the two main structural elements of composite materials. Composites are divided into four types according to their matrix materials as organic resin matrix, metal matrix, ceramic matrix and polymer matrix. The task of the matrices is to keep the reinforcements in the form and transmit the loads that will come to the structure to the reinforcements. Reinforcement materials are divided into two classes as continuous and discontinuous. The most commonly used reinforcement materials are glass fibers, carbon fibers and aramid fibers. Appropriate matrix and reinforcement material are selected according to the desired properties. Carbon fiber reinforced polymer matrix composite materials are mostly used in the aviation industry. In the production of polymer matrix composites, not only the selection of suitable matrix reinforcement and materials is sufficient, but also the production method of these materials must be suitable. Appropriate selection of the production method is of absolute importance in terms of having the desired properties and form from the final composite material. The mechanical and physical properties of the produced composite materials are highly dependent on the curing parameters in the autoclave or oven. The parameters specified in the MRC cycle for autoclave curing can be listed as follows; Curing time, curing temperature, autoclave pressure and vacuum pressure. Curing parameter differences that may occur in production may result in adverse effects on the mechanical properties of composite materials. With the autoclave molding method, which is one of the composite production methods, high heat and pressure are applied to the thermoset composite material to eliminate the air spaces inside. In this way, it is aimed to increase the performance of the material by increasing the fiber ratio per resin in the composite material. The cost of this method is high and it is the method used when a high quality product is desired. Today, aviation structural materials and space vehicles are produced with this method. In this study, carbon fibers impregnated with epoxy, known as carbon prepregs, were used as resin material. The thermal and mechanical properties of the composite material by ultrasonic imaging, glass transition temperature measurements, dynamic mechanical analysis (DMA) tests and interlaminar shear strength (ILSS) tests of composites produced by laying carbon reinforced prepregs in a clean room and subjecting them to autoclave process at different pressures. It was aimed to determine the effect of autoclave pressure. Composite prepreg material used in the experiments are carbon fiber prepregs named HexPly M21/34%/UD194/IMA-12K with M21 resin system produced by Hexcel company. Prepregs are stored at -18°C temperature conditions. Before use, they were removed from the cold room and allowed to reach room temperature. Materials suitable for use were taken to the cutting device. For the cutting process of the prepregs, the plys were cut in the GERBER cutter device according to the technical drawing set from the computer. 12 unidirectional ply with 300 mm and 215 mm length were taken. After the laying mold was prepared, the cut prepregs were laid. The autoclave preparation of the materials after laying was carried out in a clean room with humidity, temperature and pressure control. The carbon prepreg was placed on the prepared tray. After laying, the material was taken into vacuum after the sealant was drawn around it so that there would be no leaking problem in the autoclave. The intermediate vacuum value applied is 530 mmHg. The sample on the vacuum outlets that will provide the air flow has been taken to the autoclave process. When the autoclave reaches full pressure, the heating process is started. Heating and cooling rate is 2.5 °C per minute. The residence time of the material in the autoclave is 120 minutes and the temperature is 180 °C. Production was made in the autoclave at pressures of 2.7 ± 0.30 bar and 6.9 ± 0.30 bar. Water jet is used to eliminate the effect of temperature in the cutting of composite materials. With the Ultrasonic C-Scan Imaging (Transmission ultrasonic method) method, the relative attenuation of ultrasonic waves along the surface of the composite part is measured. Using the robotic semi-automatic ultrasonic device manufactured by TAI, Ultrasonic C-Scan Image was obtained with the Ultrasonic Transmission Method and it was observed whether there were any errors in the produced material. Ultrasonic A-Scan Imaging was performed with the manual pulse-echo method. The images were compared by checking the materials produced with the material containing errors as a reference. Since the void formation in the samples produced at 2.7 bar pressure was higher than the samples produced at 6.9 bar pressure, the ultrasonic velocity decreased. After ultrasonic examination, it was observed that the sample produced at 6.9 bar pressure did not contain any errors compared to C-scan and A-scan. In order to find the glass transition temperatures of the produced samples, the Dynamic Mechanical Analysis test was performed in the DMA Q800 device in accordance with the EN6032 standard. The Tg values of the samples produced at 2.7 bar pressure were measured as a minimum of 187.50°C and a maximum of 193.44°C. Moisture absorption reduces the glass transition temperature (Tg) of an epoxy resin. In the light of the studies carried out in the literature, since the autoclave pressure is low, it is not sufficient to prevent the formation of voids, causing the layers to bond weakly to each other, resulting in a low glass transition temperature. The Tg values of the samples produced at 6.9 bar pressure were measured as a minimum of 195.75°C and a maximum of 205,24°C. Since a significant loss of epoxy properties occurs at the glass transition temperature, Tg often defines the upper use temperature of the composite material. As the increased autoclave pressure will reduce moisture absorption and provide better curing, higher glass transition temperature data have been achieved. In the DMA test, the glass transition temperature Tg of composite materials produced at 2.7 ± 0.30 bar was found to be 190.98 °C on average, while the average Tg value of composite materials produced at 6.9 ± 0.30 bar was found to be 199.60 °C. The highest Tg value was observed to be 205.24 °C at 6.9 bar. Interlaminar shear strength test between layers was carried out in Instron 5966 device by preparing 5,4 mm long and 6.35 mm wide five-piece samples in accordance with EN 2563 standard. In the ILSS test, five samples were produced at both pressures, and average values were found by taking 5 values from each sample. In the ILSS test, three samples were produced at both pressures, and average values were found by taking 5 values from each sample. Interlaminar shear strength values of the samples produced at 2.7 bar pressure were recorded as 55.18, 59.89, 52.46 MPa. The low autoclave pressure caused the layers to bond weakly to each other and therefore the shear strength between the layers to be low. Interlaminar shear strength values of the samples produced at 6.9 bar pressure are: 87.03, 87.60, 89.36 Mpa. It has been observed that the curing pressure directly affects the compression of the layers and the amount of voids and supports the resin flow and ILSS. While the average shear strength between the layers of composite materials produced at 2.7 bar is 55,84 MPa, the average shear strength between the layers of composite materials produced at 6.9 bar is 88 MPa. The highest ILSS value was observed to be 93,40 MPa at 6.9 bar. Accordingly, it was observed that Tg and ILSS values increased as the autoclave pressure increased. It can be said that there is a correlation between increasing Tg value and ILSS value. For this reason, the maximum temperature at which the material can be used has increased.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    831675

    Development and characterization of high entropy (HfTiZrMn/Cr)B2 based ceramics

    Yüksek entropi (HfTiZrMn/Cr)B2 bazlı seramiklerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

    İLAYDA SÜZER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI

  2. Tez No

    611503

    Havacılık sektörü için heterojen katalizör kullanılarak yenilenebilir bazlı, biyojet yakıt üretimi

    Development of renewable based on fuels for aviation, using heterogeneous catalysis

    SILA ÖZKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimya MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ NURCAN KAPUCU

  3. Tez No

    880809

    Sivil havacılık sektörü yer hizmetleri çalışanlarının yabancı dil ihtiyaçlarına yönelik görüşlerinin değerlendirilmesi: İstanbul örneği

    Evaluation of the opinions of civil aviation sector ground services employees towards foreign language needs: Istanbul case

    SELİN ÇOLAKOĞLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    TurizmSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Turizm İşletmeciliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AKİF GÖKÇE

  4. Tez No

    585004

    Estimating the future role and success of the Istanbul airport: A regional planning perspective

    İstanbul havalimanının gelecekteki rolünün ve başarısının tahmini: Bölge planlama perspektifi

    BARAN CAN KARADOĞAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Sivil HavacılıkOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET MELİH PINARCIOĞLU

  5. Tez No

    343279

    A multi-period stochastic portfolio optimization and hedging model applied for the aviation sector in the EU ETS

    EU ETS havacılık sektörü için uygulamalı çoklu süreçli stokastik portföy optimizasyon ve koruma modelı

    ERKAN KALAYCI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2013

    EkonometriOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Finansal Matematik Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ESMA GAYGISIZ LAJUNEN

Geri Dön