Geri Dön

Fabrication and characterization of a carbon fiber/ epoxy composite reflector antenna

Karbon fiber/ epoksi kompozit reflektör anten imalatı ve karakterizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 885624
  2. Yazar: SÜMEYYA YAZAN ÖZCAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. DUYGU AĞAOĞULLARI
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Savunma ve Savunma Teknolojileri, Defense and Defense Technologies
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  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: 103

Özet

Antenler, iletişim teknolojisinde kritik öneme sahip bileşenlerdir ve sinyal iletim ve alımını kolaylaştırmak için iletim hatları ile serbest alan arasında bir arayüz görevi görürler. Farklı anten türleri, frekans, bant genişliği, radyasyon deseni ve polarizasyon gibi belirli ihtiyaçlara göre uyarlanarak çeşitli uygulamalarda kullanılır. Özellikle reflektör antenler, elektromanyetik dalgaları odaklama kapasiteleri sayesinde sinyal gücünü ve yönlülüğünü artırmaları nedeniyle yüksek değer taşır. Bu antenler, yüksek kazanç ve hassas radyasyon deseni kontrolünün gerekli olduğu uydu iletişimi, radyo teleskopları ve radar sistemlerinde geniş ölçüde kullanılır. Reflektör antenler genellikle gelen veya giden elektromanyetik dalgaları bir odak noktasına yönlendiren parabolik şekilli bir reflektöre sahiptirler. Bu antenlerin başlıca avantajı, yüksek yönlülük ve kazanç elde edebilmeleridir, bu da onları uzun mesafeli iletişim ve yüksek çözünürlüklü görüntüleme için ideal kılar. Bir reflektör anten tasarlamak, reflektörün şekli ve boyutu, kullanılan malzemeler ve besleme mekanizmasının entegrasyonu gibi faktörlerin titizlikle göz önünde bulundurulmasını gerektirir. Reflektör antenler için malzeme seçimi, performanslarını, dayanıklılıklarını ve ağırlıklarını belirlemede kritik rol oynar. Geleneksel malzemeler olan alüminyum ve çelik, mükemmel elektrik iletkenlikleri, kolay üretimleri ve nispeten düşük maliyetleri nedeniyle yaygın olarak kullanılır. Ancak, bu malzemelerin daha yüksek ağırlık ve mekanik ve termal gerilimler altında deformasyona karşı duyarlılık gibi sınırlamaları vardır. Yüksek performanslı, hafif ve dayanıklı antenlere duyulan ihtiyaç arttıkça, dikkatler gelişmiş kompozit malzemelere, özellikle karbon fiber takviyeli polimerlere (CFRP) yönelmiştir. CFRP, bir polimer matrisi ile takviye edilmiş karbon fiberlerden oluşur ve yüksek çekme mukavemeti, sertlik ve düşük yoğunluk gibi olağanüstü mekanik özellikler sunar. Polimer matrisi, fiberleri bağlayarak şekil ve dayanıklılık sağlar. Bu kombinasyon, ağırlık azaltımı ve yüksek yapısal performans gerektiren uygulamalar için CFRP'yi ideal bir malzeme haline getirir. Reflektör antenler için CFRP, geleneksel malzemelere göre birçok avantaj sunar. CFRP kullanmanın ana faydalarından biri önemli ölçüde ağırlık azaltımıdır. Bu, özellikle ağırlığın azaltılmasının önemli maliyet tasarruflarına ve performans artışına yol açtığı uydu ve havacılık uygulamalarında kritiktir. CFRP'nin düşük yoğunluğu, alüminyum veya çelik gibi metallerle ilişkili ağırlık yükü olmadan büyük reflektör antenlerin inşasını mümkün kılar. Bu ağırlık azaltımı ayrıca yapısal tasarım ve montaj gereksinimlerini de basitleştirerek sistemin genel verimliliğini artırır. CFRP'nin bir diğer önemli avantajı ise yüksek mukavemet/ağırlık oranıdır. Karbon fiberler, kompozite yüksek çekme ve basınç mukavemeti kazandırarak reflektörün çeşitli yükler ve çevresel koşullar altında şeklini ve yapısal bütünlüğünü korumasını sağlar. Bu tez, karbon fiber/epoksi kompozit reflektör anteninin üretimi ve karakterizasyonunu araştırmakta ve malzeme seçiminden nihai performans değerlendirmesine kadar olan kapsamlı süreci detaylandırmaktadır. Çalışma, üstün mekanik özellikleri, hafif doğası ve yüksek mukavemet/ağırlık oranı nedeniyle karbon fiber takviyeli polimerin (CFRP) seçimine vurgu yaparak malzeme seçimi ile başlamaktadır. Optimum konfigürasyonu belirlemek için karbon fiberler çeşitli açılarda yönlendirilmiş ve beklenen yük koşulları altında performanslarını değerlendirmek için üç farklı yönelim için ANSYS simülasyonları yapılmıştır. CFRP numuneleri üretmek için prepreg tabakalar belirlenen sıraya ve yönelime göre istiflenmiştir. Her bir tabakanın kalınlığı 0.2 mm olan ve toplam kalınlığı 24 mm olan bir reflektör modeli oluşturulmuştur. Lif yöneliminin malzemenin yapısal performansı üzerindeki etkisini belirlemek için ANSYS ile 0°/90°, 45°/0° ve 30°/0°/60°/0°/90°/0°/0°/0°/0°/0°/0° açılarında istifleme sırası analiz edilmiştir. Dengeli mukavemet ve yapısal kararlılık nedeniyle 0°/90° yönelimi en uygun yönelim olarak belirlenmiş ve nihai üretim için seçilmiştir. Bu araştırmada, farklı yükleme koşulları altında bir anten reflektörünün yapısal bütünlüğünü ve performansını incelemek için hem CFRP hem de alüminyum alaşımı 6061-T6 kullanılmıştır. CFRP, mükemmel mukavemet/ağırlık oranı ve olağanüstü mekanik özellikleri nedeniyle özel olarak seçilmiştir ve VTP H 300 CFA 210 3KT RC42 HS karbon fiber prepreg kullanılmıştır. Bu malzeme 210 g/m² karbon fiber miktarı ve ağrlıkça %42 epoksi içeriğine sahiptir. Üretim süreci, sekiz karbon fiber katmanının ardından bir köpük çekirdeğin ve ardından başka sekiz karbon fiber katmanının katmanlanmasını içermiştir. Bu sandviç yapı, mekanik özellikleri geliştirirken ağırlığı en aza indirmek için seçilmiştir. Katmanlar, boşlukları ortadan kaldırmak ve katmanlar arasında uygun yapışmayı sağlamak için ısı ve basınç uygulayarak kompozitin istenen mukavemete ve dayanıklılığa ulaşmasını sağlayan yüksek basınçlı bir fırın olan otoklavda kürlenmiştir. Üretimden sonra, CFRP reflektör numunesi, tasarım gereksinimlerine karşı performansını doğrulamak için kapsamlı bir karakterizasyon sürecinden geçirilmiştir. Karakterizasyon, çeşitli mekanik ve elektromanyetik testleri içermiştir. CFRP'nin mekanik özelliklerini değerlendirmek ve yüksek mukavemet ve sertliğini doğrulamak için çekme ve kesme testleri yapılmıştır. Epoksi matrisinin bütünlüğünü doğrulamak için kimyasal bileşimini analiz etmek amacıyla Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) kullanılmıştır. Antenin sinyal iletimi ve yansıması açısından performansını değerlendirmek için radyo frekansı (RF) ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Bu RF ölçümleri, reflektörün öngörülen uygulamasındaki performansını değerlendirmek için kritik öneme sahiptir ve dış elektromanyetik paraziti önlemek için yankısız bir odada gerçekleştirilmiştir. CFRP reflektörün performansı, geleneksel bir alüminyum reflektör ile karşılaştırılmıştır. CFRP reflektör, daha az sinyal kaybı ve bozulma ile daha iyi sinyal gücü ve netlik sağlayan hassas şekli ve malzeme özellikleri sayesinde üstün RF performansı sergilemiştir. Ayrıca, ağırlık karşılaştırması, CFRP kullanmanın önemli avantajlarından birini vurgulamıştır. CFRP reflektör yaklaşık 650 kg ağırlığındadır ve yapısal bileşenleri nedeniyle yaklaşık 1.2 ton ağırlığında olan alüminyum eşdeğerinden önemli ölçüde daha hafiftir. Bu önemli ağırlık azaltımı, daha kolay kullanım, uydu uygulamaları için daha düşük fırlatma maliyetleri ve dağıtım ve işletim sırasında daha az yapısal stres anlamına gelmektedir. Bu sonuçlar, CFRP kullanımının reflektör antenlerin genel ağırlığını azaltmakla kalmayıp, aynı zamanda anten performansını da iyileştirdiğini ve böylece geleneksel alüminyum yapılara göre daha avantajlı bir seçenek haline getirdiğini göstermektedir. Bu çalışmada 7.3 m CFRP reflektör antenin detaylı analizi ve başarılı uygulanması, malzemenin yeteneklerini ve iletişim teknolojisi alanındaki potansiyelini kanıtlamaktadır. Malzeme seçiminden simülasyona, üretimden karakterizasyona kadar uzanan kapsamlı yaklaşım, değerli içgörüler sunmakta ve ileri performans mühendislik uygulamalarında gelişmiş kompozitlerin kullanımına yönelik güçlü bir temel oluşturmaktadır. Sonuç olarak, bu tez, reflektör antenlerde karbon fiber kompozitlerin uygulanmasının, anten teknolojisinde önemli bir ilerleme olduğunu ve modern iletişim sistemlerinin sıkı taleplerini karşılayan hafif, yüksek mukavemetli bir alternatif sunduğunu sonucuna varmaktadır.

Özet (Çeviri)

Antennas are crucial elements in communication technology, serving as the interface between transmission lines and free space to facilitate signal transmission and reception. Various antenna types are deployed across different applications, each tailored to specific needs such as frequency, bandwidth, radiation pattern, and polarization. Reflector antennas, in particular, are highly valued for their capacity to focus electromagnetic waves, thereby enhancing signal strength and directivity. These antennas are extensively utilized in satellite communications, radio telescopes, and radar systems where high gain and precise radiation pattern control are essential. Reflector antennas generally feature a parabolic-shaped reflector that channels incoming or outgoing electromagnetic waves to or from a focal point. Their primary advantage lies in their ability to achieve high directivity and gain, making them ideal for long-distance communication and high-resolution imaging. Designing a reflector antenna involves meticulous consideration of factors like the reflector's shape and size, the materials used, and the feed mechanism's integration. The material choice for reflector antennas is pivotal in determining their performance, durability, and weight. Traditional materials such as aluminum and steel are commonly used due to their excellent electrical conductivity, ease of fabrication, and relatively low cost. However, these materials have limitations, including a higher weight and vulnerability to deformation under mechanical and thermal stresses. As the need for high-performance, lightweight, and durable antennas grows, attention has shifted to advanced composite materials, notably carbon fiber-reinforced polymers (CFRP). Carbon fiber-reinforced polymer matrix polymer (CFRP) has remarkable mechanical qualities, including low density, stiffness, and high tensile strength. By binding the fibers together, the polymer matrix gives them resilience and form. This combination makes CFRP an ideal material for applications requiring weight reduction and high structural performance. For reflector antennas, CFRP offers numerous advantages over conventional materials. A key benefit of using CFRP in reflector antennas is the significant weight reduction. This is especially critical in satellite and aerospace applications, where reducing weight translates to substantial cost savings and enhanced performance. CFRP's low density enables the construction of large reflector antennas without the weight burden associated with metals like aluminum or steel. This weight reduction also simplifies structural design and assembly requirements, enhancing overall system efficiency. Another crucial advantage of CFRP is its high strength-to-weight ratio. The carbon fibers impart high tensile and compressive strength to the composite, allowing the reflector to maintain its shape and structural integrity under various loads and environmental conditions. This thesis explores the fabrication and characterization of a carbon fiber/epoxy composite reflector antenna, detailing the comprehensive process from material selection to final performance evaluation. The study starts with the material selection, with a focus on carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) because of its excellent strength-to-weight ratio, lightweight design, and exceptional mechanical qualities. To identify the optimal configuration, carbon fibers were oriented at various angles, and ANSYS simulations were conducted for three different orientations to assess their performance under anticipated load conditions. To fabricate the CFRP specimens, the prepreg sheets were stacked in a predetermined order and orientation. A reflector model was created, with a total thickness of 24 millimeters and a thickness of 0.2 millimeters for each layer. ANSYS was used to analyze the stacking sequence at various angles, including 0°/90°, 45°/0°, and 30°/0°/60°/0°/90°/0°/0°/0° to ascertain the impact of fiber orientation on the material's structural performance. Because of its balanced strength and structural stability, the 0°/90° orientation was found to be the most appropriate, and it was chosen for final fabrication. In this research, both CFRP and aluminum alloy 6061-T6 were employed to examine the structural integrity and performance of an antenna reflector under different loading conditions. CFRP was specifically chosen for its excellent strength-to-weight ratio and remarkable mechanical properties, utilizing the VTP H 300 CFA 210 3KT RC42 HS carbon fiber prepreg. This material weighs 210 g/m^2 and contains 42% epoxy content. The manufacturing process involved layering eight carbon fiber layers, followed by a foam core, and then another eight carbon fiber layers. This sandwich structure was selected to enhance mechanical properties while minimizing weight. The layers were cured in an autoclave, a high-pressure oven that applies heat and pressure to eliminate voids and ensure proper adhesion between the layers, enabling the composite to achieve the desired strength and durability. Following production, the CFRP reflector sample underwent a comprehensive characterization process to verify its performance against design requirements. The characterization included various mechanical and electromagnetic tests. Tensile and shear tests were conducted to evaluate the mechanical properties of CFRP and confirm its high strength and stiffness. The integrity of the epoxy matrix was confirmed, and its chemical composition was examined using Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR). To evaluate the antenna's performance in terms of signal transmission and reflection, radio frequency (RF) tests were done. These RF measurements were crucial in evaluating the reflector's performance in its intended application and were conducted in an anechoic chamber to prevent external electromagnetic interference. The performance of the CFRP reflector was compared to that of a conventional aluminum reflector. The CFRP reflector demonstrated superior RF performance, with better signal strength and clarity, attributed to its precise shape and material properties that reduce signal loss and distortion. Additionally, the weight comparison underscored one of the significant advantages of using CFRP. The CFRP reflector weighs approximately 650 kg, significantly lighter than its aluminum counterpart, which weighs around 1.2 tonnes due to its frame and structural components. This substantial weight reduction translates to easier handling, lower launch costs for satellite applications, and reduced structural stress during deployment and operation. These results show that the use of CFRP for reflector antennas not only reduces the overall weight but also improves the antenna performance, making it a more advantageous choice compared to conventional aluminium structures. The detailed analysis and successful implementation of a 7.3 m CFRP reflector antenna in this study is a testament to the material's capabilities and potential in the field of communications technology. The comprehensive approach, ranging from material selection and simulation to fabrication and characterization, provides valuable insights and lays a strong foundation for future developments in the use of advanced composites in high-performance engineering applications. In conclusion, this thesis concludes that the application of carbon fibre composites in reflector antennas represents a significant advance in antenna technology and offers a lightweight, high-strength alternative that meets the stringent demands of modern communication systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    323844

    Fabrication and characterization of a helicopter composite tail cone

    Bir helikopter kompozit kuyruk konisi üretimi ve karakterizasyonu

    DENİZ KAVRAR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HALİT S.TÜRKMEN

    PROF. DR. M:LÜTFİ ÖVEÇOĞLU

  2. Tez No

    444482

    Karbon nano tüp ve SiO2 nano parçacık takviyeli üç boyutlu cam elyaf-epoksi kompozitlerin üretimi ve karakterizasyonu

    Fabrication and characterization of the carbon nanotube and SiO2 nano particle reinforced three dimensional glass fiber-epoxy composite

    FERHAT YILDIRIM

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    Makine MühendisliğiDumlupınar Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA AYDIN

    PROF. DR. AHMET AVCI

  3. Tez No

    631104

    Development and characterization of innovative fiber reinforced prepregs and their composites containing functional fillers

    Fonksiyonel dolgular içeren yenilikçi fiber takviyeli prepreglerin ve onların kompozitlerinin geliştirilmesi ve karakterizasyonu

    YUSUF CAN UZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. METİN TANOĞLU

  4. Tez No

    540567

    Yüzeyine grafen film kaplanmış karbon fiber epoksi ileri kompozitlerin üretimi

    Fabrication of graphene film deposited carbon fiber-epoxy advanced composites

    GÖKHAN MUTLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mühendislik BilimleriÇanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi

    Biyomühendislik ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ VOLKAN ESKİZEYBEK

  5. Tez No

    900773

    Yüzey ve boya işlemi uygulanan doğal liflerle güçlendirilmiş epoksi esaslı kompozitler: Özelliklerinin belirlenmesi ve endüstri ürünleri tasarımında uygulanması

    Epoxy based composites reinforced natural fibres with surface and paint treatment: Characterisation and application in industrial products design

    MUSTAFA KADİR YALMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Endüstri Ürünleri TasarımıKahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi

    Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATİH MENGELOĞLU

Geri Dön