Fracture analysis of interleaved composites with resin-rich layers using mechanical testing, acoustic emission, and micro-visualization
Reçine zengin tabakalara sahip aralı kompozitlerin kırılma analizi: mekanik testler, akustik emisyon ve mikro-görselleştirme kullanılarak
- Tez No: 930977
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET YILDIZ, DOÇ. DR. HATİCE SİNEM ŞAŞ ÇAYCI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 136
Özet
Kompozit malzemelerin arayüz tokluğu, yüksek yük taşıma kapasitesi ve tabakalaşmaya direnç gerektiren endüstrilerde daha geniş uygulamalarını sınırlayan kritik bir zorluk olmaya devam etmektedir. Bu tez, termoset ve termoplastik kompozitlerin kırılma performansını artırmak için yenilikçi arayüzleme yöntemlerini araştırmaktadır. Reçine-dolgun tabakalar kullanılarak, Mode-I ve Mode-II yükleme koşullarında gerçekleştirilen kırılma testleri ile çatlak başlama ve ilerleme süreçlerinde enerji salınım oranları ölçülmüştür. Arayüzleme, fiber/matris sistemleriyle uyumu optimize etmek ve mekanik performansı geliştirmek için üretim perspektifinden değerlendirilmiştir. Araştırmada, Otomatik Elyaf Yerleştirme (AFP) yöntemiyle üretilen termoplastik kompozitler analiz edilmiştir. Sıkıştırma kuvveti ve laminasyon hızının boşluk içeriği ve morfolojisi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Hava geçirgenliği ölçümleri ve mikroskopi, yalnızca AFP kullanılarak boşluksuz arayüz alanlarının elde edilmesinin mümkün olmadığını ortaya koymuştur. Vakum Torbası Yöntemi (VBO) ve otoklav konsolidasyonu gibi son işleme yöntemleri karşılaştırılmış ve VBO'nun otoklavla işlenmiş numunelere eşdeğer performans sağlayan boşluksuz bileşenler üretebileceği, maliyet açısından etkili bir alternatif olduğu gösterilmiştir. Termoset kompozitlerde, cam fiber takviyeli epoksi prepregler ile örme fiber içeren yapışkan filmlerle arayüzleme yapılmış ve bu malzemelerin Mode-II yüklemede kırılma tokluğunu artırdığı gözlemlenmiştir. Bu iyileşme, daha geniş kırılma yüzeyi ve örme fiberlerin sağladığı enerji yayılım mekanizmalarıyla ilişkilendirilmiştir. Ancak, kalınlık varyasyonlarının Mode-I testlerinde kırılma davranışını etkilediği ve reçine-dolgun bölgeler ile fiber-matris etkileşimlerinin önemli olduğu saptanmıştır. Son olarak, termoplastik kompozitler için ayrı reçine filmleri kullanmadan reçine-dolgun tabakalar oluşturan yenilikçi bir üretim yöntemi önerilmiştir. Kırılma performansı sınırlı bir iyileşme göstermiş olsa da, yöntem sönümleme ve darbe dayanımı gibi özellikleri geliştirme potansiyeli sunmuş ve üretim süreçlerinin kompozit malzeme tasarımını geliştirmedeki kritik rolünü vurgulamıştır.
Özet (Çeviri)
The interlaminar toughness of composite materials remains a critical challenge, limiting their broader application in industries requiring high load-bearing capacity and resistance to delamination. This thesis investigates innovative interleaving methods to enhance the fracture performance of thermoset and thermoplastic composites. Using resin-rich layers, fracture tests under Mode-I and Mode-II loading conditions quantify strain energy release rates for crack initiation and propagation. Interleaving is evaluated from a manufacturing perspective to optimize compatibility with fiber/matrix systems and improve mechanical performance. The study analyzes thermoplastic composites fabricated using Automated Fiber Placement (AFP), focusing on the effects of compaction force and lamination velocity on void content and morphology. Air permeability measurements and microscopy reveal that achieving void-free interlaminar areas through AFP alone is unfeasible. Post-processing methods, including Vacuum Bag Only (VBO) and autoclave consolidation, are compared. Results demonstrate that VBO can produce void-free components with performance comparable to autoclave-processed samples, establishing it as a cost-effective alternative. In thermoset composites, glass fiber-reinforced epoxy prepregs interleaved with adhesive films embedded with knit fibers exhibit enhanced fracture toughness under Mode-II loading due to increased fracture surface area and energy dissipation mechanisms. However, thickness variations influence fracture behavior in Mode-I tests, highlighting the interplay between resin-rich regions and fiber-matrix interactions. A novel manufacturing approach is proposed for thermoplastic composites, creating resin-rich layers without distinct resin films. While fracture performance enhancement was limited, the method showed potential for improving properties like damping and impact resistance, emphasizing the role of tailored manufacturing processes in advancing composite material design.
Benzer Tezler
- Elektrospin nano-mat takviyeli karbon/epoksi kompozitlerde arayüzey dayanımının fiber demeti testi ile belirlenmesi
Determination of interface strength of electrospun nanofiber interleave reinforced carbon/epoxy composites with fiber bundle tests
ALİ FAHRİ DANIŞMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiÇanakkale Onsekiz Mart ÜniversitesiBiyomühendislik ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. VOLKAN ESKİZEYBEK
- Production of carbon nanotube reinforced nanoprepregs and their characterization
Karbon nanotüp takviyeli nanoprepreglerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
BEYZA BOZALİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Tekstil ve Tekstil Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ELİF ÖZDEN YENİGÜN
- Toughening of carbon fiber based composites with electrospun fabric layers
Elektroeğrilmiş kumaş tabakaları ile karbon elyaf esaslı kompozitlerın toklaştırılması
BERTAN BEYLERGİL
Doktora
İngilizce
2017
Makine Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. METİN TANOĞLU
DOÇ. DR. ENGİN AKTAŞ
- Electrospinning of super tough nylon 6,6 fibers and their use in layered composites
Süper tok naylon 6,6 fiberlerin elektroeğrilmesi ve katmanlı kompozitlerde kullanımı
ALİCAN KARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiFen Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BORA MAVİŞ
- Nano-melez sistemlerin karbon fiber takviyeli polimer matris kompozitlerde (KFTP) arayüz toklaştırma amacıyla kullanımı
Use of nano-hybrid systems in carbon fiber reinforced polymer matrix composites (CFRP) for interfacial toughening
MELİKE KILIÇOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. BORA MAVİŞ
YRD. DOÇ. DR. ERHAN BAT