Geri Dön

Sürekli elyaf takviyeli termoplastik kompozit malzemelerin yorulma ömrü tahmininin sıcaklık değişimi yardımıyla belirlenmesi

Determination of fatigue life prediction of continuous fiber reinforced thermoplastic composite materials via temperature change

  1. Tez No: 946304
  2. Yazar: METE KAYIHAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Polimer Bilim ve Teknolojisi, Mechanical Engineering, Engineering Sciences, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 114

Özet

Günümüzde başta otomotiv, savunma sanayi ve gemi inşaatı gibi pek çok endüstri, hafiflik, dayanıklılık ve çevresel sürdürülebilirlik gibi avantajlardan ötürü kompozit malzemelere yönelmektedir. Bu amaçla, çeşitli dayanım arttırıcı takviye elemanlarıyla matrislerin birleşiminden oluşan kompozitler yaygın olarak kullanılmaktadır. Matris malzemesi olarak da ekseriyetle polimer malzemeler tercih edilmektedir. Diğer yandan günbegün artan polimer malzemelerin kullanımı neticesinde yeryüzünde artan mikroplastiklerin varlığı 21. yüzyılın en önemli çevre sorunlarından biri olan plastik kirliliğini meydana getirmiştir. Bu nedenle kullanılan bu polimerlerin mümkün mertebe geri dönüşümü istenmektedir. Fakat termoset esaslı polimerlerin geri dönüşümünün teoride mümkün olsalar da pratikte çok daha zorlu olması nedeniyle termoplastik polimerlerin kullanımının arttırılması istenmektedir. Bu amaçla, yüksek molekül ağırlığına sahip akrilik esaslı bir termoplastik olan polimetil metakrilat (PMMA), dikkat çekici bir alternatif termoplastik reçine olarak ortaya çıkartıldı. Arkema firması tarafından geliştirilen Elium®, düşük viskozitesi sayesinde iyi derecede elyaf ıslatma kabiliyeti sunmakta ve oda sıcaklığında sıvı formda olması nedeniyle mevcut termoset üretim ekipmanlarıyla üretilebilme avantajı sağlamaktadır. Termoplastik yapısı sayesinde geri dönüştürülebilir olması ve mikrodalga ile ısıtma teknolojisi (MW) kullanılarak prepolimerizasyon işlemi sonucunda dakikalar içinde üretilebilmesi, bu malzemeyi hem çevresel hem de ekonomik açıdan cazip hale getirmektedir. Bu üstünlükleri nedeniyle Elium®, Avrupa Birliği ülkeleri başta olmak üzere raylı sistemler ve araçlardaki yapısal bileşenlerde kullanılması planlanmaktadır. Bu malzemeye eklenecek cam elyaf takviyesiyle dayanımı arttırılmakta ve kullanım spektrumu genişlemektedir. Ancak günümüz endüstrisinde bir malzemenin sadece statik şartlardaki dayanımının tespiti yeterli görülmemekte uzun performans isterlerinin de yerine getirilmesi beklenmektedir. Bu nedenle“Integrated manufacturing of REciclable multi-material COmposites for the TRANSport sector”(RECOTRANS) akronimli Avrupa Birliği (AB) projesi kapsamında yenilikçi cam elyaf takviyeli termoplastik polimer malzemenin mekanik özelliklerinin karakterizasyonunun yanı sıra mekanik parçaların hasarının önemli nedenlerinden biri olan yorulma davranışının da testleri gerçekleştirildi. Bilindiği gibi yorulma testleri yoğun enerji, zaman ve iş gücü gerektiren testlerin başında gelmektedir. Bundan ötürü polimer malzemelerin tercih edilmesinin önündeki en büyük engellerden biri olan bir özellik, bu testlerin asgari ölçüde gerçekleştirme fırsatı sağladı. Bu özellik polimer ve polimer matrisli malzemelerin belirli frekans altındaki yükler altında düşük ısı iletim katsayıları nedeniyle bölgesel olarak ısınması davranışı göstermesidir. Bu sıcaklık artışı davranışı aynı zamanda sonlu elemanlar yöntemiyle de belirlenecek ve minimum sayıdaki testin ardından yorulma ömrü hakkında fikir beyan edilebilecektir. Endüstrinin isterlerinin de dikkatle takip edildiği bu tez çalışmasında, akrilik esaslı termoplastik matris olarak Elium® reçine içeren yeni bir sürekli E-cam elyaf takviyeli kompozitin yorulma özellikleri incelendi ve S-N eğrileri elde edildi. Cam elyaf katmanlarının 0°/90°/±45°, 0°/90° ve ±45° yönlenmesine sahip çeşitli elyaf yönlenmelerinin etkisi değerlendirildi. Çalışma sonucunda, en yüksek yorulma dayanımları 0°/90° elyaf yönlenmesine sahip kompozitler için kaydedildi. ±45° elyaf yönlenmesine sahip kompozit malzemeler, S-N eğrilerinde en düşük yorulma dayanımına sahiptir. 0°/90° ve 0°/90°/±45° elyaf yönlenmesine sahip kompozitlerin ortalama gerilme seviyelerinde rijitlik düşüşü değerleri hesaplandı ve 0°/90°/±45° yönlenmesinin daha yüksek rijitlik düşüşü gösterdiği tespit edildi. Tez kapsamında gerçekleştirilen yorulma testi sırasında sıcaklık artışı, 0°/90°/±45° elyaf yönlenmesi için ortalama bir gerilme seviyesi için bir kızıl ötesi termal kamera (IR) kullanılarak ölçüldü. 0°/90°/±45° ve 0°/90° elyaf yönlenmesi için tüm gerilme genliklerinde sıcaklık artışları bu oluşturulan analitik formülle hesaplandı. 5 Hz frekansta gerçekleştirilen deneyler sonucunda, elde edilen sıcaklıkların camsı geçiş sıcaklığının altında kaldığı tespit edildi. ±45° elyaf yönlenmesinde ise yorulma testinin bir noktasında camsı geçiş sıcaklığına ulaştığı için nihai kırılmanın diğer numunelere göre daha erken gerçekleştiği gözlemlendi. Tespit edilen bu sıcaklık artışlarından yorulma ömrü tahminine geçiş için bir analitik formülizasyon kullanıldı. Bu formülizasyon vasıtasıyla malzemenin sıcaklığı ve nihai kırılma için gereken yorulma çevriminin ilişkisi kanıtlandı. Bu denklemde yer alan bazı değerlerin tespiti için malzemeye DMA (Dinamik Mekanik Analiz) ve DSC (Diferansiyel Taramalı Kalorimetri) testleri de gerçekleştirildi. Bu formül sonucunda tespit edilen yorulma çevrimlerinin validasyon testlerinde görülen nihai kırılma değerleriyle en fazla %3'lük bir fark bulundu. Bu testlerin yanı sıra malzemenin bu yorulma değerleri sırasında elde edilen nihai kırılma seviyelerine değin malzemelerin yüzeyinde oluşan sıcaklıklar sonlu elemanlar yöntemiyle tespit edildi. Bu yöntemle elde edilen sıcaklık artışı değerleri hem kızılötesi termografi (IRT) yöntemiyle elde edilenler hem de analitik hesapla elde edilen sıcaklık artışlarıyla kıyaslandı. Aradaki farkın IRT yöntemiyle ölçülen sıcaklığa düşük çevrimli yorulma şartlarında en fazla %8.37, yüksek çevrimli yorulma şartlarında ise en fazla %4.11 değerindedir. İlaveten, kayıp modülünün deneylerle ölçüldüğü analitik sıcaklık artışı hesaplamalarının, sonlu elemanlar yöntemiyle olan hesaplamalara göre gerçek sıcaklık artışı değerlerine daha yakın sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Tüm çalışmada elde edilen sonuçların akabinde artık belirli sayıda testlerle bilhassa polimer ve polimer matrisli malzemelerin yorulma davranışı sıcaklık artışının ölçülmesiyle tespit edilebilecektir. Bu sayede enerji tasarrufu sağlanıp, sürdürülebilir bir malzeme olan sürekli cam elyaf takviyeli termoplastik reçineli kompozit malzemelerin kullanımının da teşvik edilmesiyle ekonomik ve sosyal faydalar sağlanabilecektir.

Özet (Çeviri)

Today, many industries such as automotive, defence industry and shipbuilding have a tendency to use composite materials due to advantages such as lightweight, durability and environmental sustainability. For this purpose, composites consisting of a combination of matrices with high strength reinforcing elements are widely used in the engineering. Polymer materials are generally preferred as matrix materials. Also the use of lightweight and recyclable materials will reduce fuel consumption and may increase the range of electric vehicles. This may also facilitate the integration of electric vehicles into rail systems. At the same time, it will be possible to use these materials in the interior panels to be used in rail systems. The fact that thermoplastic materials are recyclable contributes to waste management and circular economy, while microwave curing method makes it possible to produce with lower energy consumption compared to traditional production techniques owing to rapid production capacity. Nevertheless, as a result of the increasing use of polymer materials day by day, the presence of microplastics on the earth has enhanced plastic pollution, which is one of the most important environmental problems of the 21st century. For this reason, it is desired to recycle these polymers used as much as possible. However, it is desired to increase the use of thermoplastic polymers due to the fact that the recycling of thermoset based polymers is much more difficult in practice. Thermoplastic matrix composites could be used at every point from interior parts to exterior body panels, from structural components to powertrains. On the other hand, the production processes of these materials can be problematic due to their applicability, cost and equipment requirements. With using some different techniques, it is planned to accelerate the production times of innovative thermoplastic materials such as Elium® by microwave curing method and to reduce energy costs by producing at room temperatures. In this direction, polymethyl methacrylate (PMMA) (Elium®), a high molecular weight acrylic-based thermoplastic, has emerged as an attractive alternative thermoplastic resin. Elium® offers good fiber wetting ability due to its low viscosity and has the advantage that it can be produced with existing thermoset production equipment due to its liquid form at room temperature. The fact that it is recyclable thanks to its thermoplastic structure and can be produced in minutes as a result of prepolymerisation process using microwave (MW) heating technology makes this material attractive both environmentally and economically. By adding glass fiber reinforcement to this material, its strength is boosted and its usage spectrum is expanded. Nonetheless, in today's industry, it is not only sufficient to determine the strength of a material under static conditions, but it is also expected to fulfil long-term performance requirements. In this direction, in addition to the characterisation of the mechanical properties of the innovative glass fiber-reinforced thermoplastic polymer material, it is also important to investigate its fatigue behaviour, as this is one of the main causes of damage to mechanical parts. However, fatigue tests are among the most energy and labour intensive tests. Therefore, an unappreciated property of polymer materials has paved the way for these tests to be carried out to a minimum extent via decreasing the conventional fatigue test. This feature is the local heating behaviour of polymer and polymer matrix materials under loads below a certain frequency due to their low transmission coefficients. In this thesis, the fatigue properties of a new continuous E-glass fibre reinforced composite containing thermoplastic Elium® resin as an acrylic based thermoplastic matrix were investigated and S-N curves were obtained after the mechanical characterization tests such as tensile and three point bending tests. From these tests, the elastic modulus and tensile strength of the material are determined. The effect of various fiber orientations of the glass fiber layers with 0°/90°/±45°, 0°/90° and ±45° alignment was evaluated. The highest fatigue strengths were recorded for composites with 0°/90° fiber orientation. Composite materials with ±45° fiber orientation have the lowest fatigue strength in S-N graphs. Stiffness degredation values were calculated at the average stress levels of 0°/90° and 0°/90°/±45° composites and showed higher stiffness degredation for 0°/90°/±45° alignment. In addition, the fracture surface of the materials was examined by optical microscope. While fiber breakage was observed in 0°/90° samples, both fiber breakage and fiber pull out were observed in 0°/90°/±45° samples. Therefore, it is understood that the fatigue strength is lower due to ±45° fiber layout. Hysterisis curves were drawn for all fiber orientations fatigue tests, the viscoelastic behaviour was identified via phase angle and dissipated energy per cycle was calculated for all tests. It is proved that the stiffness degredation and temperature increase are correlated by the correlation of the dissipated energy in each cycle with high percentage. The temperature rise during fatigue testing was measured using an infrared thermal camera for an average stress level for the 0°/90°/±45° alignment. The temperature rise at all stress amplitudes for 0°/90°/±45° and 0°/90° fiber orientations was calculated using an analytical formula. Both calculated and measured surface temperatures were below the glass transition temperature. In the ±45° fiber orientation, it was observed that the final fracture occurred earlier than the other specimens because it reached the glass transition temperature at final part of the fatigue test. An analytical formulation has been used to transition from these detected temperature rises to fatigue life prediction. By means of this formulation, the correlation of a formula linking the temperature of the material and the fatigue cycle required for final fracture was revealed. DMA (Dynamic Mechanical Analysis) and DSC (Differential Scanning Calorimetry) tests were also performed on the material to determine some physical values which is needed in this equation. The fatigue cycles determined as a result of this formula have a maximum difference of 3% with the final fracture values observed in the validation tests. In addition to these tests on the final stage of the thesis, the temperatures formed on the surface of the materials up to the final fracture levels obtained during these fatigue values of the material were determined by finite element methods via heat transfer equations. The temperature rise values obtained by this method were compared with both those obtained by the IRT method and those obtained by analytical calculation. The difference between the temperature measured by IRT method is 8.37% at low cycle fatigue conditions and 4.11% at high cycle fatigue conditions. In addition, it was observed that analytical temperature calculations gave more accurate results in temperature determination than the finite element method. Following the results obtained in the whole this thesis, the fatigue behaviour of polymer and innovative and environmentally friendly continuous glass fiber reinforced polymer matrix materials can now be determined by measuring and calculating the temperature increase with a certain number of tests. At the same time, fuel savings will be achieved by designing the transmission parts of vehicles from less dense materials instead of metalic materials. In this way, economic and social benefits will be achieved by saving energy and promoting the use of continuous glass fiber reinforced thermoplastic resin composite materials, which is a sustainable material. In addition, not only for these materials, but also for all polymeric materials, after DMA and DSC tests are performed and their physical properties are observed, the fatigue life can be determined by temperature change and labor and costs of long test periods can be reduced in this context.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    605132

    Sürekli elyaf takviyeli termoplastik kompozit esaslı çok katmanlı piramit kafes çekirdekli çok hafif sandviç plakaların statik ve dinamik incelemesi

    Static and dynamic investigation of multi layered pyramid lattice core which constitutes continuous carbon fiber reinforced thermoplastic based ultra light sandwich structures

    ECE SEVİNÇ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Mühendislik BilimleriBursa Uludağ Üniversitesi

    Otomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT YAZICI

  2. Tez No

    276497

    Thermal and mechanical properties of continuous fiber reinforced thermoplastics

    Sürekli elyaf takviyeli termoplastiklerin mekanik ve termal özellikleri

    HAMDİ BAL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2009

    Makine MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesi

    Enerji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DİLEK KUMLUTAŞ

  3. Tez No

    521520

    Sürekli karbon elyaf takviyeli termoplastik monokompozit flament esaslı ,kafes geometrili çekirdek yapıların kullanıldığı hafif sandviç paneller geliştirilmesi ve statik ve dinamik yükler altında performansının deneysel olarak belirlenmesi

    Development of novel sandwich structures by using continuous carbon fiber reinforced thermoplastic mono-composite lattice truss cores,and measurement of performance under static and dynamic loads experimentally

    GONCANUR AKBULUT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Makine MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BEHİYE KORKMAZ

    DOÇ. DR. MURAT YAZICI

  4. Tez No

    921565

    Uzun karbon elyaf takviyeli poliamit 6 esaslı kompozit malzeme üretimi ve karakterizasyonu

    Production and characterization of long carbon fiber reinforced polyamide 6 based composite material

    EMİNE CANBAY GÖKÇE

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MAHMUT ERCAN AÇMA

  5. Tez No

    413436

    Sürekli cam elyaf takviyeli polipropilen levhaların şekillendirilmesi ve karakterizasyonu

    Forming and characterization of continious glass elyaf reinforced polypropylen sheets

    SAMET ŞAHİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Mekatronik MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Mekatronik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÖKSÜZ

Geri Dön