Exploring the relationship between manufacturing methods processing parameters, environmental factors and long-term performance of carbon fiber reinforced poly-ether-ketone-ketone composites
Karbon elyaf takviyeli poli-eter-keton-keton kompozitlerinin üretim yöntemleri, parametreleri ve çevresel faktörlerin uzun vadeli performansı üzerindeki etkilerinin araştırılması
- Tez No: 899327
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HATİCE SİNEM ŞAŞ ÇAYCI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Metalurji Mühendisliği, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 114
Özet
Havacılık sektörünün daha sürdürülebilir hale getirilmesi açısından havacılık araçlarının ağırlığının azaltılması ve daha hafif yapıların entegre edilmesi kritik önem taşımaktadır. Havacılık araçlarında kompozit malzeme kullanımının her geçen gün artmasıyla birlikte daha güçlü, dayanıklı ve sürdürülebilir yeni malzemelerin arayışına olan talep de artmaktadır. Termoplastik polimerler, termoset muadillerine göre çeşitli avantajlarından dolayı dikkat çekmektedir. Ancak, bunların benimsenmesi, üretimden hizmet ömrü performansına kadar geniş bir değer zincirini kapsayan kapsamlı ve disiplinler arası bir araştırma gerektirmektedir. Bu tez çalışması, karbon fiber takviyeli poli-eter-keton-keton (CF-PEKK) kompozitlerin üretimi üzerine kapsamlı bir bilgi sağlamakta ve süreç parametrelerinin ve çevresel koşullandırmanın etkisi ve ısıl işlemlerle hasar onarımını vurgulamaktadır. CF-PEKK kompozit üretimi için birincil üretim yöntemi olarak vakum torbalama (VBO) ve yeniden konsolidasyon prosesi olarak pres kürleme yöntemleri uygulanmıştır. İlk olarak, uygun maliyetli bir proses olan VBO, birincil üretim yöntemi olarak kullanılmıştır. Sıcaklık profili, konsolidasyon basıncı ve diğer proses parametrelerinin başarılı bir şekilde tasarlanması, %1'den az boşluk içeriğine sahip havacılık sektörüne uygun kalitede kompozit üretilmişti. Ardından, termal işlemlerin (tavlama ve yeniden konsolidasyon) mekanik performans ve hasar iyileşmesi üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Tavlama işleminin CF-PEKK kompozit yapılar üzerindeki etkisi, üç farklı numune seti kullanılarak, referans, önceden hasar görmüş ve tavlanmış, eğme ve basma yükleri altında incelenmiştir. Sonuçlar, tavlama işlemi sonrasında her iki yük altında da mevcut hasarların önemli ölçüde iyileştiğini gösterir. Akustik emisyon (AE) incelemesi, eğme yükü altında fiber baskın, basma yükü altında ise matris baskın hataları ortaya çıkarmıştır. Kompozitteki hasarların, matris, arayüz ve fiberle ilgili hataların kümülatif sayısını değiştirmiş ve bu hataların başlangıç zamanlarını etkilemiştir. Tavlama sonrasında, tavlanmış numunelerin kümülatif sayım yüzdeleri referans numunelere benzer hale gelmiştir ve bu da yapısal bütünlüğün yeniden sağlandığını göstermektedir. Ayrıca, CF-PEKK kompozitlerin mekanik özellikleri ve hasar iyileşmesi üzerindeki yeniden konsolidasyonun etkisi araştırılmıştır. Sıcak pres yöntemi kullanılarak uygulanan yeniden konsolidasyon prosesi sonucunda delik delme ve çevresel yaşlanmadan kaynaklı hasarların iyileştiği gözlemlenmiştir. Mekanik özellikler, basma ve açık delik basma testleri (OHC) ile değerlendirilirken, dijital görüntü korelasyonu (DIC) detaylı deformasyon davranışını incelenmiştir. Ayrıca, termal analiz sonuçları yeniden konsolidasyonun CF-PEKK kompozitlerin termal özelliklerini de iyileştirdiğini kanıtlamıştır. Sonuçlar yeniden konsolidasyon işleminin CF-PEKK kompozitin yapısal bütünlüğünü önemli ölçüde iyileştirdiğini, operasyonel ve çevresel stresler altında performanslarını artırdığını ve hizmet ömürlerini ve güvenilirliklerini uzattığını ortaya koymuştur. Bu bulgular, termal işlemlerin CF-PEKK kompozitlerinin mekanik özelliklerini artırarak yapısal ve fonksiyonel bütünlüğünü korumak için umut verici bir çözüm sunduğunu göstermektedir. DIC ve AE sonuçları, farklı yükleme koşulları altında kompozitlerin davranışını aydınlatmaktadır. Kontrollü ısıtma ve basınç uygulanması, operasyonel ya da çevresel kaynaklı artık gerilmeleri gevşetmekte ve yeniden dağıtmaktadır. Sonuç olarak, bu tez, süreç parametreleri, çevresel koşullandırma ve hasar iyileştirme stratejilerine odaklanarak yüksek performanslı termoplastik kompozitlerin üretim süreçlerinin önemini vurgulamaktadır. Bu etkileşimlerin anlaşılması, havacılık endüstrisi için daha dayanıklı, güvenilir ve sürdürülebilir malzemelerin geliştirilmesini sağlayacaktır.
Özet (Çeviri)
Reducing aircraft weight is essential for enhancing efficiency. As the use of composites increases, there is a growing demand for new materials that are stronger, more durable, and sustainable. Thermoplastic polymers are gaining attention due to their advantages over thermoset counterparts. However, their adoption requires extensive and multidisciplinary investigation, covering the entire value chain from manufacturing to service life performance, to attain aerospace-grade standards. This thesis provides comprehensive know-how on manufacturing carbon fiber reinforced poly-ether-ketone-ketone (CF-PEKK) composites, highlighting a cost-effective manufacturing method, the effects of process parameters and environmental conditioning, and damage recovery through heat treatments. Two different manufacturing methods, vacuum bag only (VBO) as the primary manufacturing method and compression molding as a healing process, are utilized. Firstly, VBO, a cost-effective process, is used as the primary manufacturing method. Successful design of the debulking process, temperature profile, and consolidation pressure results in aerospace-grade composite structures with less than 1% void content. Subsequently, the impact of thermal treatments (annealing and reconsolidation) on the mechanical performance and damage healing is evaluated. The effect of annealing treatment on CF-PEKK composite structures is investigated under both flexural and compressive loadings using three distinct sets of samples: reference, pre-damaged, and annealed. Results show significant healing of pre-existing damages under both loadings. Acoustic emission (AE) inspection reveals fiber-related failures under flexural loading and matrix-related failures under compressive loading. Pre-damages in the matrix change the cumulative counts of failures related to the matrix, interface, and fibers, and affect the initiation times of these failures. After annealing, the cumulative count percentages of the annealed samples become similar to the reference samples, suggesting a restoration of structural integrity. Furthermore, the impact of reconsolidation on the mechanical properties and damage healing of CF-PEKK composites is explored. Using a hot-press method, reconsolidation mitigates damages from hole drilling and environmental aging. Both reference and aged samples undergo a reconsolidation cycle through hot-press process to heal microcracks and other damages. Mechanical properties are evaluated through compression and open-hole compression (OHC) tests, while digital image correlation (DIC) provides detailed deformation behavior. Additionally, thermal analysis reveals that reconsolidation significantly improves the mechanical properties and structural integrity of CF-PEKK composites, enhancing performance under operational and environmental stresses, and extending their service life and reliability. These findings demonstrate that thermal treatments offer a promising solution for maintaining the structural and functional integrity of CF-PEKK composites by enhancing their mechanical properties. DIC and AE results shed light on the failure behavior of composites under different loading conditions. Controlled heating and pressure relax and redistribute residual stresses that might negatively interact with the operational environment of the aircraft. Consequently, this thesis emphasizes the importance of manufacturing processes in producing high-performance thermoplastic composites by focusing on process parameters, environmental conditioning, and damage healing strategies. Understanding these interplays allows for the development of more durable, reliable, and sustainable materials for the aerospace industry.
Benzer Tezler
- Çifte kaynak kısıtlı grup teknolojisi üretim sistemlerinin bozucu faktörlere dayanıklı tasarımı
Robust design of dual resource constrained group technology production systems
MUSTAFA AKHUN
Doktora
Türkçe
1999
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. M. BÜLENT DURMUŞOĞLU
- Alüminyum 6061 T651 alaşımının delme işleminde kesme parametrelerinin optimizasyonu
Optimization of cutting parameters during drilling ofaluminum 6061 T651 alloy
TEVFİK KÜRŞAD KUZUCU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiSakarya ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT ÖZSOY
- Robot kol ile doğal taş işleme için bir çerçeve önerisi
A framework proposal for natural stone processing with robotic arm
BERFİN AYBİKE KÖRÜKCÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN MERT ŞENER
- Pertübasyon yöntemi ile hassas veri güvenliğine yönelik çok değişkenli veriler için tahmin analizi
Prediction analysis for multivariate data with respect to sensitive data security using the perturbation method
İLKER İLTER
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Endüstri ve Endüstri MühendisliğiSakarya ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SAFİYE SENCER
- Küçük ölçekli bir kimya sanayi işletmesinde kalite güvence sisteminin incelenmesi ve değerlendirilmesi
The examination and evolution of a quality assurance system from a small-scale chemical industry plant
ZEKİ YÖRÜR
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesiİşletme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEMRA DURMUŞOĞLU