Geri Dön

Development of H-BN and CNT reinforced polymer composites for electronic warfare receivers and transmitters: Examination of thermal performance

Elektronik harp almaç ve göndermeç kasaları için H-BN ve CNT takviyeli polimer kompozit malzeme geliştirilmesi: Isıl performansın incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 901405
  2. Yazar: GÜRCAN CENGİZ
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 129

Özet

Elektronik harp (EH), elektromanyetik spektrumun (EM) mümkün olduğunca geniş bir şekilde kullanılmasıyla spektrumu kontrol etmek, bir düşmana saldırmak veya düşman saldırılarını engellemek için yapılan herhangi bir askeri eylem olarak tanımlanır. EH, elektromanyetik spektrumu içeren düşman eylemlerine karşı çatışmanın başından sonuna kadar mücadele kapasitesini sağlar. Elektronik harp, savaş kabiliyetinin bir parçası olarak düşmanın elektronik sistemlerinin varlığını belirlemeyi, düşman elektronik harp sistemlerinin etkinliğini ortadan kaldırmayı ve dost EH kaynaklarının etkinliğinin yok edilmesini engellemeyi amaçlar. Yirminci yüzyılda radyo teknolojisi ilerledikçe, iletişim, radar ve navigasyonda yaygın bir şekilde kullanılmaya başlandı ve askeriye etkili araçlar elde etti. Birliklerin koordinasyonun sağlanması amacı ile radyo harberleşmeleri oluşturuldu. Konuşlandırılmış birliklerin konumlandırılması radyo navigasyon ile sağlandı. Kuvvet konuşlandırmalarını kesinleştirmek ve onaylamak, ayrıca düşman kuvvetlerinin konumlarını belirmenmesi radar ile sağlandı. Bu teknolojik muharebe meydanı, politik ve askeri tehditlerle birlikte, düşmanın radyo frekansı (RF) teknolojisinin avantajına karşı EH teknolojisinin gelişimini tetikledi. Askeri radyo iletişiminin, mühimmat ve birlik konuşlandırmalarını kontrol etmek için kullanıldığı erken dönemler, hızla bu iletişimlerin düşman tarafından istismar edilmesiyle karşılaştı. Mesaj anlaşılmasa bile, radyo üçlemesi yayının konumunu belirlemek için kullanılabilir ve mesajın işlevsel kökeni diğer istihbarat kaynaklarından çıkarılabilir. Bu, elektronik harbi en üst düzeyde kullanan taraflara önemli askeri istihbarat sağlar. Tipik bir radar sistemi, değişken frekanslı yüksek güçlü bir RF sinyali üreten bir göndermeçten, enerji yayan ve yansıyan dalgaları topladığı bir anten sisteminden, sinyal dönüşünü algılayan bir almaçtan ve menzil, yön ve hız gibi hedef ölçümlerini çıkaran sinyal işleme elektroniklerinden oluşur. Elektronik harp sistemlerinin güvenilir çalışmaları, elektronik bileşenlerine ve iletişim sistemlerine derinden bağımlıdır. Elektronik bileşenler ve iletişim sistemleri, Joule etkisi sebebiyle çalışma ömürleri boyunca önemli miktarda enerji açığa çıkarır, ayrıca gerilme ve bükülme streslerine dayanmak zorundadır. Verimli bir ısıl tasarım, bu enerjiyi sistemden uzaklaştırmak için önemlidir. Gerilme ve bükülme dayanımı gibi mekanik özellikler de ayrıca kritik önem göstermektedir. Genellikle elektronik harp sistemlerinde, yüksek ısıl iletkenlik katsayısına ve mükemmel mekanik özelliklere sahip olduklarından dolayı, bu bileşenlerin mekanik yapılarında alüminyum gibi metal alaşımlar kullanılır. Ancak, metallerin yüksek yoğunluğu sistemlerin genel ağırlığını artırır. Görev sistemlerindeki toplam ağırlık azaltımı uçak, helikopter ve insansız hava araçlarında daha fazla miktarda kabiliyet eklenebilmesi, faydalı yük miktarının artırılması ve personel kapasitesini artırma konularında imkân sağlar. Bu nedenle savunma sanayi sektörü, elektronik harp görev sistemlerinde hafif kompozitler kullanarak ağırlığı azaltmaya büyük önem vermektedir. Kompozit malzemeler, katı hallerinde farklı kimyasal ve fiziksel özellikteki iki ya da daha fazla malzemenin birleştirilmesi ile oluşturulan ileri mühendislik malzemeleridir. Tek başınlarına bileşenlerinden farklı özelliklere sahip olabilen bu malzemeler, benzersiz özelliklere sahip olduklarından malzeme seçim süreçleri için oldukça önemlidir. Kompozit malzemelerin, yüksek mukavemet, düşük yoğunluk, iyi ısıl özellikler ve korozyon direnci gibi özellikleri onları diğer malzemelere göre tercih edilebilir kılar. Polimer matrisli kompozitler genellikle havacılık ve askeri uygulamalarda kullanılır ve yüksek mukavemet/ağırlık oranları ve ısıl tasarım gibi belirli amaçlar için gerekli özelliklere sahiptir. Polimer matrisli kompozitler matris ve takviye fazlarından oluşur. Takviyeler, polimer matrisine eklenerek çekme mukavemeti, ısıl iletkenlik ve darbe direnci gibi belirli özellikleri değiştirip iyileştirebilir. Bu takviyeler, polimer malzemelerin fiziksel, mekanik ve ısıl özelliklerini önemli ölçüde etkiler. Genellikle takviyeler ve polimerler farklı özelliklere sahiptir, ancak iki bileşeni amaçlı olarak karıştırarak, bileşenlerin özelliklerini aşan bir malzeme oluşturulması mümnkündür. Matrisin önemli rolleri arasında takviyeleri yapısal olarak bir arada tutmak, nem ve mekanik bozulma gibi dış etkenlere karşı korumak ve maruz kalınan yüklerin takviyelere transferini ve dağılımını kolaylaştırmak yer alır. Metaller, seramikler ve polimerler matris seçimindeki temel çeşitlerdir. Elektronik harp almaç ve göndermeç mekanikleri için polimer matris kompozit, mükemmel elektrik yalıtım özellikleri ve hafif yapısı nedeniyle uygun bir seçenek olabilir. Bu bağlamda, termoplastikler yüksek dayanıklılık ve rijitlik sunar, aynı zamanda hafiflerdir ve işlenmeleri kolaydır, bu da onları bir polimer matris olarak ideal bir seçenek yapar. Termoplastik elastomer (TPE) türü bir malzeme olan termoplastik vulkanizatın (TPV), ABS matrisine takviye olarak eklenmesi, elde edilen kompozit malzemenin birçok özelliğini artırabilir. TPV'nin yüksek esneklik özelliği, ABS kompozitinin esnekliğini artırarak otomobil parçaları veya tüketici ürünleri gibi esneklik gerektiren uygulamalar için daha uygun hale getirebilir. Ayrıca, ABS'ye TPV eklemek, dayanıklılığını artırarak, tekrarlanan veya sık stres altında kullanılan durumlarda yorgunluğa ve darbeye daha dayanıklı hale getirebilir. Karbon nanotüplerin ABS/TPV kompozite takviye olarak eklenmesiyle, elde edilen kompozit malzeme artan rijitlik, dayanıklılık ve sertlik gibi iyileştirilmiş mekanik özelliklere sahip olabilir, ayrıca ısıl ve elektriksel iletkenlik açısından da gelişmesine yol açabilir. Sonuç olarak, havacılık, otomotiv ve elektronik sektörleri gibi üstün performans ve dayanıklılık gerektiren uygulamalarda kullanılmak üzere uygundur. Genel olarak, karbon nanotüplerin ABS/TPV kompozite eklenmesi, mekanik ve ısıl performansını artırabilir, kullanım alanlarını genişletebilir ve yüksek performanslı mühendislik malzemesi olarak değerini yükseltebilir. Altıgen bor nitrürün kompozite takviye olarak eklenmesi, dayanıklılık, sertlik, rijitlik ve aşınma direnci gibi mekanik özellikleri iyileştirebilir. Altıgen bor nitrürün ABS/TPV/CNT kompozite dahil edilmesiyle artan ısı iletimi başka bir olası faydadır. Karbon nanotüplerin gelişmiş bir ısıl iletim özelliği vardır, ancak altıgen bor nitrürün kompozite eklenmesi, bunun daha da iyileştirilmesine olanak tanır ve yüksek ısı transferi gerektiren uygulamalar için uygun hale getirir. Altıgen bor nitrürün dahil edilmesi ayrıca kompozitin aşınma direncini artırarak sürtünme ve aşınma gerektiren uygulamalar için uygun hale getirebilir. Ayrıca, altıgen bor nitrür kompozit malzemenin elektriksel yalıtım özelliklerini artırabilir, bu da elektrik ve elektronik uygulamalarda kullanım için ideal bir takviye yapar. Ayrıca, kompozitin kimyasal direncini artırarak bozulmaya ve korozyona karşı daha fazla dayanıklılık sağlar. Buna ek olarak, karbon nanotüp ve altıgen bor nitrürün beraber takviye olarak kullanılması sinerjistik etkileri sayesinde beklenenden daha yüksek bir verim ile kompozitin mekanik ve ısıl özelliklerinde iyileştirmeye yol açabilir. Matris ve takviyeler çift vidalı ekstrüder kullanılarak eritme karıştırma işlemiyle birleştirilmiştir. Yeni kompozitin ısıl iletkenliğini maksimize etmek için altıgen bor nitrür ve CNT takviyelerinin matriste homojen olarak dağılması gerekmektedir. Homojen dağılımı sağlamak için mekanik karıştırma sürecinde maleikleştirilmiş polietilen (MAPE) adlı bir bağlayıcı ekstra bir katkı maddesi olarak kullanılmıştır. Deneysel karakterizasyonlar için örnekler, enjeksiyon kalıplama imalat yöntemi kullanılarak üretilmiştir. Bu tez kapsamında kompozitlerin mekanik ve ısıl özelliklerini değerlendirmek ve takviyelerin kompozitin özellikleri üzerindeki etkisini keşfetmek için FTIR spektrografi analizleri yapılmıştır. Bu analizler kapsamında takviyelerin polimer matris ile kompozit içerisinde kurduğu bağlar incelenmiştir. MWCNT ve h-BN katkılarının kompozit malzeme üzerindeki etkilerini incelemek için kırılma yüzeylerinin SEM görüntüleri incelenmiştir. Kompozitlerin yoğunluk analizleri yapılmıştır, bu vesile ile bu malzemelerin kullanılması durumunda mevcut sistemlerdeki toplam ağırlığın kayda değer miktarda düşmüş olacağı çıkarımına varılmıştır. Gerilme testleri ile kompozitlerin çekme mukavemetleri, elastisite modülleri ve esneklik/gevreklik özellikleri incelenmiştir. Bükülme testleri ile de eğilme mukavemetleri ve eğilme modülleri incelenmiştir. Takviyelerin kompozitlerdeki çentikli ve çentiksiz darbe dayanımlarına ve sertliklerine olan etkilerini incelemek için Izod darbe testleri ve sertlik testleri gerçekleştirilmiştir. Kompozitlerin özgül ısıl kapasite değerlerinin belirlenmesi için DSC analizleri yapılmıştır. Kompozitlerin üretimleri gerçekleştirilmeden önce ısıl iletkenlik katsayıları hakkında öngörü yapabilmek adına teorik modeller kullanılarak mühendislik hesapları yapılmıştır. Ardından, takviyelerin geometrik özelliklerini daha detaylı hesaba katan materyal homojenleştirme yöntemi ile bir simülasyon yazılımı vasıtasıyla ısıl iletkenlik katsayıları hesaplanmıştır. Bu veriler, üretilen kompozit malzemelerin ısıl yayınım testleri sonucunda elde edilen ısıl iletkenlik katsayısı değerleri ile karşılaştırılmıştır. Analitik ve simülasyon sonuçlarının deneysel değerlerle olan ilişkileri incelenmiştir. Bu tez çalışması kapsamında geliştirilen kompozit malzemeler elektronik harp almaç ve göndermeç mekaniklerinde kullanılma hedefleri için önemli nitelikler arasında olan gerilme dayanımı, bükülme dayanımı, darbe direnci ve ısıl iletkenlik gibi kritik özellikler açısından, alüminyumun yerine kullanılma potansiyelleri değerlendirilmiştir.

Özet (Çeviri)

Electronic warfare (EW) is specified as military capabilities concerning electromagnetic spectrum (EM) manipulation to the greatest extent possible to achieve control over the spectrum and provide the capability of attacking an opponent or obstructing adversary attacks. EW provides the capability to counter hostile acts utilizing the electromagnetic spectrum throughout the conflict. Electronic warfare attempts to detect the presence of the adversary's electronic supports as part of combat capabilities, eliminate the efficacy of the adversary's electronic warfare supports, and prevent the destruction of friendly EW resources' effectiveness. The main subsystems of a typical radar system include a transmitter, an antenna system, a receiver, and signal-processing electronics. The transmitter is used to generate a high-powered RF signal with variable frequency. The antenna system radiates energy and collects reflected waves. The receiver detects signal return. Meanwhile, the signal-calculating electronics transcribe range, speed, and bearing target measurements. The reliable operations of electronic warfare systems rely profoundly on their electronic components and communication systems, which dissipate significant amounts of energy over their lifetime due to the Joule effect and must endure tensile and bending stresses. Effective thermal management is essential to remove this energy from the system. Tensile and flexural strength are also critical mechanical qualities. Typically, metallic alloys such as aluminium are used in the casings of these components due to their high thermal conductivity coefficients and excellent mechanical properties. However, the high density of such metals increases the system's overall weight. Therefore, the aerospace industry actively seeks lightweight polymer composites to reduce the weight of the casings. This thesis aims to create a high-performance composite material with improved thermal and mechanical properties for electronic warfare transmitter and receiver casings while lowering their overall weight. To accomplish this goal, multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs), hexagonal boron nitride (h-BN), and thermoplastic vulcanizate (TPV) were integrated into a thermoplastic matrix composed of acrylonitrile butadiene styrene (ABS). Theoretical models and calculations, as well as material homogenization, were established in order to estimate tensile properties and thermal conductivity. Matrix and reinforcements were melt mixed using a twin screw extruder. The coupling agent maleated polyethylene (MAPE) was added in the twin-screw extrusion process to ensure the homogeneous mixing of the reinforcements and the matrix. For the experimental characterizations, specimens were manufactured using the injection molding process. Experimental characterizations such as FTIR spectrography analysis, SEM analysis of fracture surfaces, density analysis, tensile and flexural tests, impact tests, hardness tests, DSC analysis, and thermal diffusivity testing of the composite were conducted to assess its mechanical and thermal properties, as well as to explore the influence of the reinforcements on the composites' properties. The newly developed composites were evaluated and assessed for their usability as an alternative to aluminium in transmitter and receiver unit casings regarding critical qualities such as density, tensile strength, flexural strength, impact resistance, and thermal conductivity.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    639053

    Developing 3D-printable high performance polymer composites for thermal management applications

    3B-basılabılır yüksek performanslı polimer kompozitlerin termal yönetim sistemleri için geliştirilmesi

    YUNUS EMRE BOZKURT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Savunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜLYA CEBECİ

  2. Tez No

    558708

    Synthesis of acrylic modified hexagonal boron nitride polymers by ATRP

    Akrilik fonksiyonlandırılmış hekzagonal bor nitrür polimerlerinin ATRP ile sentezlenmesi

    BÜŞRA AKIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Polimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM ERSİN SERHATLI

  3. Tez No

    878593

    BSA ile kaplanmış h-BN NP'ler: Kanser tedavisinde potansiyel bir taşıyıcı sistem

    BSA-coated h-BN NPs: A potential carrier system for cancer therapy

    KARYA AKBIYIKOĞULLARI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. FATMA SENİHA GÜNER

    PROF. DR. MUSTAFA ÇULHA

  4. Tez No

    645448

    Bor katkılı epoksi reçineli termoset kompozit malzemelerin geliştirilmesi

    Development of thermoset composite materials with boron additive epoxy resin

    ABDURRAHMAN YILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Metalurji MühendisliğiOndokuz Mayıs Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÖZGÜR DEMİRCAN

  5. Tez No

    654154

    Demir yolu taşıtları için asbest içermeyen organik esaslı kompozit balata bileşimlerinin geliştirilmesi

    Development of non-asbestos organic based composite brake lining compositions for railway vehicles

    HARUN YANAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Makine MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GENÇAĞA PÜRÇEK

Geri Dön