Investigation of mechanical properties and adhesively bonded joint performance in carbon fiber-reinforced polymer composites through surface treatments: An acoustic emission study on failure mechanisms and progression
Karbon fiber takviyeli polimer kompozitlerin mekanik özellikleri ve yapıştırma bağlantı performansı üzerine yüzey işlemlerinin etkilerinin incelenmesi: Hasar mekanizmaları ve ilerlemesi üzerine akustik emisyon çalışması
- Tez No: 930455
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HATİCE SİNEM ŞAŞ ÇAYCI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Mühendislik Bilimleri, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Nanoteknoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Karbon fiber takviyeli polimerik (CFRP) kompozitlerin geleneksel malzemelere kıyasla sahip oldukları üstün mukavemet-ağırlık oranı ve korozyon direnci sayesinde havacılık, denizcilik, ulaşım ve enerji gibi endüstrilerde kullanımları yaygınlaşmaktadır. CFRP kompozitlerin mukavemeti ve dayanıklılığı, takviye ve matris arasındaki bağlanmadan önemli ölçüde etkilenmektedir. Bu bağlanmanın performansı, yüzey pürüzlülüğü ve yüzey serbest enerjisine bağlı olan yüzey ıslanma kapasitesiyle ilişkilidir. Ancak, karbon fiberin doğası gereği pürüzsüz ve kimyasal olarak edilgen yapısı, ıslanma kabiliyetini sınırlamaktadır. Karbon fiberlere uygulanan yüzey işlem yöntemleri, yüzey pürüzlülüğünü ve yüzey serbest enerjisini artırarak ıslanabilirliği iyileştirebilir. Bununla birlikte, endüstriyel uygulamalarda CFRP kompozitlerin birleştirilmesi, perçin ve cıvata takviyesi gibi geleneksel yöntemler yerine genellikle yapıştırma bağlantıları ile gerçekleştirilmektedir. CFRP yapıştırma bağlantılarının mukavemeti ve dayanıklılığı, bağlantı yüzeyinin ıslanabilirliği ile doğrudan ilişkilidir. Yüzey işlem yöntemleri ile yapışmanın artırılması, özellikle CFRP kompozit yapıştırma bağlantıları için kritik öneme sahiptir. Bununla beraber, CFRP ve yapıştırıcıyla birleştirilmiş CFRP bağlantılarının hasar analizi, kompozit yapıların tasarımını iyileştirmek için hayati önem taşımaktadır. Bu çalışma, yüzey işleme yöntemlerinin, farklı yükleme koşulları altında, CFRP kompozitlerin ve CFRP yapıştırma bağlantılarının mukavemeti, hasar mekanizmaları ve hasar gelişim davranışı üzerindeki etkisini araştırmayı amaçlamaktadır. Bu amaçla, bu araştırmaların sonuçları, iki makale ile bu tezde ayrı ayrı sunulmuştur. Bu tezin ilk bölümünde, atmosferik plazma aktivasyonu (APA) yönteminin karbon fiber/Epoksi kompozitlerin mukavemeti üzerindeki etkisi ele alınmaktadır. APA yönteminin karbon fiber yüzeyinin kimyasal ve fiziksel özellikleri üzerindeki etkisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi (XPS) kullanılarak incelenmiştir. Kompozitlerin mukavemeti çekme, mod-I ve mod-II yükleme koşulları altında değerlendirilmiştir. Ayrıca, Akustik emisyon (AE) yöntemi, kompozit içerisinde meydana gelen hasar gelişimini ve hasar mekanizmalarını analiz etmek için kullanılmıştır. AE verileri, K-means yöntemi kullanılarak ağırlıklı tepe frekansı (WPF) ve kısmi güç parametrelerine dayalı olarak kümelenmiş ve dört ayrı hasar mekanizması, - matris kırılması, elyaf/matris arayüz hatası, elyaf/matris ayrılması ve elyaf kırılması - dört ayrı kümeyle ilişkilendirilmiştir. Bu çalışmanın ikinci kısmında, mekanik aşındırılmış (MA), APA uygulanmış ve soyma kumaşlı (PP) yüzeylerin, karbon fiber/Epoksi yapıştırma bağlantılarının kırılma tokluğu ve hasar davranışı üzerindeki etkisi incelenmektedir. İşlem görmüş yüzeylerin kimyasal ve fiziksel özellikleri çeşitli karakterizasyon teknikleri kullanılarak analiz edilmiştir. CFRP kompozitlerin yapıştırılmasında Axiom Ax-2114 film yapıştırıcısı kullanılmıştır. Ayrıca, yapıştırma bağlantılarının mukavemeti mod-I ve mod-II yükleme koşulları altında değerlendirilmiştir. Test sırasında meydana gelen hasarları gerçek zamanlı olarak gözlemlemek ve hasar mekanizmaları ve hasar gelişimini analiz etmek üzere AE yöntemi kullanılmıştır. AE analizi, yapıştırma bağlantılarında gerçekleşen beş farklı hasar mekanizmasının, yapıştırıcı/matris kırılması, ince tabaka yapıştırıcı hasarı, yapıştırıcı elyaf ayrılması, kohezif hasar ve yapıştırıcı elyaf kırılması, beş farklı kümeyle ilişkilendirildiğini ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
The increasing use of carbon fiber-reinforced polymer (CFRP) composites in industries such as aerospace, marine, transportation, and energy are driven by their superior strength-to-weight ratio and corrosion resistance compared to conventional materials. The performance and durability of CFRP composites are significantly influenced by the adhesion between the reinforcement and matrix. Adhesion performance depends primarily on surface wetting, which is governed by surface roughness and surface free energy (SFE). However, the inherently smooth and chemically inert nature of carbon fiber (CF) limits their wetting capability. The application of surface treatment methods to CF can enhance both surface roughness and SFE, thereby improving wetting. However, in industrial applications, assembling CFRP composites often involves adhesively bonded joints, which are preferred over traditional methods such as riveting and bolting. The adhesion performance, strength and durability of adhesively bonded CFRP joints are highly influenced by the surface wetting of the adherends. Enhancing adhesion through surface treatment methods is particularly critical for CFRP bonded joints. Nevertheless, the failure analysis of CFRP and adhesively bonded CFRP joints is crucial to improve the design of composite structures. Therefore, this study investigates the effect of surface treatment methods on mechanical performance, damage mechanisms, and damage propagation behavior of CFRP composites and adhesively bonded joints under different loading conditions. To this end, the findings of this study are presented in two manuscripts, both included in this dissertation. The first paper presents the effect of atmospheric pressure plasma (APA) treatment on the adhesion and mechanical performance of CF/epoxy composites. The effect of APA treatment on chemical and physical properties of CF surface is examined using scanning electron microscopy (SEM) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). The mechanical performance is evaluated under tensile, mode-I, and mode-II loading conditions. Additionally, the AE technique is used to analyze the damage propagation and damage mechanisms governing within the material. The AE data is clustered based on weighted peak frequency and partial power parameters using K-means method and four distinct damage mechanisms-matrix cracking, delamination, fiber pull-out, and fiber breakage- are correlated with four clusters. The second paper investigates the impact of various surface treatments on the fracture toughness and failure behavior of adhesively bonded CF/epoxy composite joints, with applied treatment methods including mechanical abrasion (MA), APA, and peel ply (PP). The chemical and physical properties of treated adherend surfaces are analyzed using various characterization techniques. Axiom Ax-2114 adhesive is used to adhere CFRP composites. Further, mechanical performance is evaluated under mode-I and mode-II loading conditions. During the test, the AE technique is used to monitor the occurring damages in real-time providing insight on damage mechanisms, failure behavior and damage propagation. The analysis revealed that five clusters are associated with five distinct damage mechanisms namely, adhesive/matrix cracking, thin layer adhesive failure, mat fiber pull-out, cohesive failure and mat fiber breakage.
Benzer Tezler
- Yapıştırıcı ile birleştirilmiş tek tesirli bindirme bağlantısının mekanik özelliklerinin deneysel ve teorik incelenmesi
Experimental and theoretical investigation of mechanical properties of adhesively bonded single lap joint
MURAT DEMİR AYDIN
Doktora
Türkçe
2003
Makine MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADNAN ÖZEL
- Değişik sıcaklık ve nem etkisinde çalışan birleştirilmiş kompozit malzemelerin yorulma mukavemetlerinin incelenmes
Investigation of the fatigue strengths of jointed composite materials under various temperature and moisture effects
GÜRKAN ALTAN
Doktora
Türkçe
2009
Mühendislik BilimleriPamukkale ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUZAFFER TOPÇU
- Yapıştırma bağlantılı panellerin titreşimini sönümlemede akustik kara delik etkisinin deneysel incelenmesi
Experimental research on vibration reduction characteristics of adhesively bonded panels with acoustic black hole geometry
RIDVAN ONGUN
Doktora
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiDüzce ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAMİT SARUHAN
- Multifaceted characterization and optimization of aerospace grade thermoplastic composites joints: Advances in surface treatments, mechanical performance, and environmental resilience
Havacilik ve uzay sinifi termoplastik kompozit bağlantilarin çok yönlü karakterizasyonu ve optimizasyonu: Yüzey işlemleri, mekanik performans ve çevresel koşullarda dayaniklilik alanindaki gelişmeler
CEREN YILDIRIM
Doktora
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay MühendisliğiSabancı ÜniversitesiÜretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET YILDIZ
- Nano-yapı takviyeli kompozit yapıştırıcı ile birleştirilmiş bağlantıların tam değişken yorulma performanslarının incelenmesi
Investigation of fully variable fatigue performance of joints bonded with nano-structure reinforced composite adhesive
KÜBRA DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Havacılık MühendisliğiErzurum Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SALİH AKPINAR