Geri Dön

Hava araçlarında yapısal sağlık izlemesi için mekanolüminesans malzemenin geliştirilmesi

Development of mechanoluminescent material for structural health monitoring in aircraft

PDF İndir

  1. Tez No: 955661
  2. Yazar: ONUR ÖZDAĞ
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ NURİ SOLAK
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 111

Özet

Yapısal sağlık izleme, bir yapıdaki hasar ve uygunsuzlukların sensörler aracılığıyla veri edinme ve analiz etme süreci olarak tanımlanmaktadır. Yapısal sağlık izleme yapının bütünlüğünü tehlikeye atabilecek olayların, anormalliklerin, hasarların veya bozunmaların gerçek zamanlı izlenmesi ve değerlendirilmesi açısından büyük önem teşkil etmektedir. Günümüzde yapısal sağlık izleme havacılık-uzay, inşaat ve enerji alanlarında oldukça yaygın kullanılmaktadır. Yapısal sağlık izleme ile fiziksel olarak ulaşılamayan bölgelerden veri edinerek hasarın konumunu ve şiddetini belirlenmesi sonucu yapının bakım ve onarımı gerekli durumlarda gerçekleşmektedir. Hasarın teşhis ve tahmin edilmesi için gerinim ölçerler, fiber-optik sensörler, ivmeölçerler, piezoelektrik ve mikro elektro-mekanik sistemler kullanılmaktadır. Havacılık-uzay alanında kompozit malzemeler oldukça tercih edilmektedir ve yapısal sağlık izlemesi için kullanılan sensörler bu malzemelere entegre veya gömülü halde bulunmaktadır. Sensör kablolarının kurulum süreleri, yapıyı ağırlaştırmaları ve dizilim hataları karşılaşılan zorluklar arasındadır. Bu yüzden düşük enerji tüketen, tekrar edilebilir, yüksek hassasiyete duyarlı yenilikçi yöntemler geliştirilmeye ihtiyaç duyulmaktadır. Mekanolüminesansın tekrar edilebilirliği, gerilim, darbe ve çatlak gibi deformasyonları algılama ve düşük enerji tüketimi özelliklerine sahip olması pek çok araştırmacının ilgisini çekmektedir. Mekanolüminesans, malzemeye uygulanan mekanik uyarımlar sonucu ışıma yapmasıdır. Mekanolüminesansın alt sınıfı olan elastik mekanolüminesansın tahribatsız gerçekleşmesi, tekrar edilebilir olması ve malzeme üzerine uygulanan yük ile doğru orantılı olarak ışıma yoğunluğunun artması nedeniyle yapısal sağlık izleme alanındaki sensör uygulamaları için uygun kılmaktadır. Mekanolüminesans davranışının incelenmesinde stronsiyum alüminat esaslı fosforesans malzeme oldukça tercih edilmektedir. Stronsiyum alüminat esaslı fosforesans malzemesinin mekanolüminesans davranışı, sentezlenmeleri sırasında kullanılan aktivatörler ve proses parametrelerine bağlı olarak geliştirilebilmektedir. Bu tez çalışmasında, yapısal sağlık izleme uygulamalarına yönelik mekanolüminesans davranışı geliştirmek amacıyla Eu2+ ve Dy3+ aktive edilmiş stronsiyum alüminat esaslı fosforesans malzemesine eklenen Y ve Ho nadir toprak elementlerinin etkileri araştırılmıştır. Deneysel çalışmada, farklı stokiyometrilerdeki stronsiyum alüminat numuneleri Sr(0,96-x)Al2O4:Eu0,01,Dy0,03,Mx (M: Y, Ho) formülüne uyarlanarak üretilmiştir. X değerleri sırasıyla 0; 0,01 ve 0,03 mol olmaktadır. Katı-hal reaksiyonu yöntemiyle Sr0,96Al2O4:Eu0.01,Dy0.03 bileşimi referans numune olarak %10H2-Ar redükleyici atmosferde 1350 °C sıcaklıkta 2 saat boyunca sinterlenerek üretilmiştir. Mekanolüminesans davranışın geliştirilmesinde kullanılacak optimum bileşimi belirlemek için farklı konsantrasyonlarda Y ve Ho katkılı numuneler aynı parametreler doğrultusunda sol-jel yöntemi ile üretilmiştir. Elde edilen ürünlerin yapısal, optik ve morfolojik analizleri için sırasıyla XRD, spektrofotometre ve elektron mikroskobu (SEM) kullanılmıştır. Mekanolüminesans davranışının incelenmesi için tozlar sırasıyla kütlece %10, %30 ve %50 oranlarda epoksi matrise katılmıştır. Mekanolüminesans şiddetleri bilya düşürme testi sırasında görüntü işleme tekniği ile tespit edilmiştir. Numunelerin XRD analizi sonuçlarında monoklinik SrAl2O4 anafazı ve ikincil faz olarak Sr4Al14O25 fazı tespit edilmiştir. Yapıya eklenen Y ve Ho katkıları ikincil faza ait pik şiddetlerini arttırdığı tespit edilmiştir. Spektrofotometre analizi sonucunda numunelerin 520 nm dalga boyunda ışıma yaptıkları tespit edilmiştir fakat holmiyum katkılı bileşimlerde Ho3+ halinden Ho2+ haline redüklenmesi ile 545 nm dalga boyunda ikincil bir pik tespit edilmiştir. Sr0,95Al2O4:Eu0,01,Dy0,03,Ho0,01 numunesinin en yüksek ışıma şiddetine ve en kısa sönümlenme süresine sahip olduğu tespit edilmiştir. Bu kapsamda mekanolüminesans davranışını geliştireceği düşünüldüğü için Sr0,95Al2O4:Eu0,01,Dy0,03,Ho0,01 bileşimi katı- hal reaksiyonu ve sol-jel yöntemi ile üretimine devam edilmiştir. Sr0,96Al2O4:Eu0.01,Dy0.03 bileşimi referans numunesine uygulanan SEM analizi sonucunda genel yapının homojen dağılımda ve tanelerin köşeli olduğu tespit edilmiştir. Her iki yöntemle üretilen Sr0,95Al2O4:Eu0.01,Dy0.03,Ho0.01 bileşiminin SEM analizleri sonucunda tane dağılımının düzensiz olduğu tespit edilmiştir. Sr0,96Al2O4:Eu0,01,Dy0,03 tozu içeren kompozit disklerin mekanolüminesans davranışının analizinde, matris içerisindeki toz oranı artışı ile mekanolüminesans şiddetlerinin de doğru orantılı olarak arttığı tespit edilmiştir. Buna ek olarak, artan toz oranıyla düşük darbe enerjilerinde de mekanolüminesans davranışı gözlemlenmiştir. Sol-jel yöntemi ile üretilen Sr0,95Al2O4:Eu0,01,Dy0,03,Ho0,01 bileşimi içeren tozun katkılı olduğu kompozit disklerin mekanolüminesans davranışının analizinde, matris içerisindeki toz oranı artışı ile mekanolüminesans şiddetlerinin önce azaldığı sonra arttığı tespit edilmiştir. Katı-hal reaksiyonu yönteminde ise matris içerisindeki toz oranı artışı ile mekanolüminesans şiddetlerinin azaldığı tespit edilmiştir. Toz oranının matris içerisindeki artışı ile topaklanmaya neden olması sonucu uygulanan mekanik uyarımın toza iletimi ve tozdan yansıması ışıma şiddetini azaltmasıyla açıklanmaktadır. Bütün kompozit numunelere uygulanan darbe enerjisinin artması ile doğru orantılı olarak mekanolüminesans şiddetinin de arttığı tespit edilmiştir. Ho katkılanması ile numunelerdeki tepki hassasiyetleri artmıştır ve en düşük darbe enerjilerinde dahi mekanolüminesans davranışı göstermiştir. %10 oranında holmiyum katkılı bileşim daha şiddetli mekanolüminesans davranış göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Structural health monitoring (SHM) is defined as the process of acquiring and analyzing data on damage and incongruities within a structure through sensors. This approach is vital for monitoring and assessing the indicators of incidents, anomalies, damage, or deterioration that may compromise the integrity of the structure. At the beginning, structural health monitoring was utilized for damage identification in aircraft within the field of aerospace engineering and industry. Later, SHM was broadened to encompass industries such as civil engineering, infrastructure and energy. Today structural health monitoring is being used at bridges, buildings, rotating machinery, wind turbines, railway axles, aircraft and space shuttles. Unlike NDT, which generally provides local and discontinuous information about the structure; SHM methods facilitates in-situ, continuous, real-time assessments of the structural integrity and can issue alerts regarding the severity, location and nature of any damage. Thanks to these advantages that SHM provides, operation costs have reduced due to the elimination of unnecessary maintenance and data can be read out from physically unreachable regions of the structure. In SHM damage identification levels can be divided into diagnosis and prognosis. Damage identification and the localization of damage are integral components of the diagnostic phase, whereas classification, assessment and lifetime prediction are essential elements of the prognostic phase. Methods such as strain-based analysis, vibration-based analysis and wave propagation methods are extensively employed in SHM. To assess the condition of a structure, it is necessary to use auxiliary equipment such as strain gauges, fiber- optic sensors, accelerometer, piezoelectric sensors and micro electro-mechanic (MEMS). Each sensor should be integrated into the structure after being designed according to its environmental needs. Structural health monitoring is vital in the aviation and aerospace industries, largely attributable to the incorporation of composite materials in their designs. Composite materials offer multiple benefits, including durability, high strength and lightweight. However, understanding the evolution of damage in composite materials is a notably difficult task. Since composite materials are highly preferred in the aviation and aerospace industries, damage tracking is crucial. Damage may develop due to various factors, including the aging process, inappropriate service conditions, errors during the manufacturing and assembly phases and damage resulting from impacts. Therefore, sensor is used in structures in the aviation and aerospace fields. The challenges faced include the weight of the sensor cables, the duration required for installation, and the potential for alignment inaccuracies. For this reason, new methods that are repeatable, simple to interpret, have low power consumption and high sensitivity are needed. Mechanoluminescence has attracted considerable attention from researchers, due to its in situ, repeatability, visible stress-impact sensing, non-destructiveness and low power consumption. Mechanoluminescence is a type of luminescence that describes the phenomenon of light emission from mechanical actions such as tension, compression, impact, shear, vibration, friction and fracture of materials. Mechanoluminescence can be organized into three sections, namely elastico-mechanoluminescence, plastico- mechanoluminescence and fracto-mechanoluminescence. Reproducible and repetitive characteristics of elastico-mechanoluminescence can serve as valuable tool in structural health monitoring field. Elastico-mechanoluminescence emission initiates through pressure application that produces local piezoelectric field in the crystals, afterward, one surface of the region becomes positively charged and the other negatively charged. Thus, the created piezoelectric field reduces the trap depth and releases electrons. Electrons move to the conduction band. Electrons can be trapped within the excited states of activator ions situated near to the bottom of the conduction band. Some electrons recombine with Eu3+ ions and produce Eu2+ ions. Consequently, the excited Eu2+ ions will de-excite by radiating during the transition from the 4f65d band to the 4f7 band resulting in light emission. Mechanoluminescence investigation of strontium aluminate-based phosphors have received extensive focus, because of their exceptionally bright luminescence, mechanoluminescence intensity can be increased by changing activator and process parameters. Moreover, their mechanoluminescence intensity increases with applied pressure and impact velocity. Given that impact velocities frequently exceed 100 m/s in space, the mechanoluminescence application would be advantageous in order to detect location of an impact as well as the magnitude. This study aims to investigate the effects of rare earth elements Y and Ho added to Eu2+ and Dy3+ activated strontium aluminate based phosphorescent materials to develop mechanoluminescence behavior for structural health monitoring. The mechanoluminescence intensities were detected using an image processing technique during ball drop tests. In this experiment, different stoichiometric samples of strontium aluminate were synthesized in accordance with the Sr(0.96-x)Al2O4:Eu0.01,Dy0.03,Mx (M: Y, Ho) formula, where x values set at 0, 0.01 and 0.03 in terms of molar ratio. Firstly, Sr0.96Al2O4:Eu0.01,Dy0.03 composition was synthesized through the solid-state reaction method as a reference specimen. High purity raw material powders were mixed with ethanol in a ball mill for 7 hours. Following that, the precursors-alcohol mixture obtained was dried in an oven at 100 °C for 24 hours. Calcination process set at 900 °C for 6 hours. Lastly, powders were sintered at 1350 °C for 2 hours in %10 H2-Ar reductive atmosphere to reduce Eu3+ to Eu2+. In order to examine the influence of Y and Ho rare earth elements on mechanoluminescence behavior, five different compositions were synthesized through sol-gel method. The nitrate forms of powders were dissolved with deionized water. Oxide-based europium and dysprosium compounds are dissolved in a mixture of nitric acid and deionized water in a separate beaker. Then, two solutions were combined in a single beaker. Stirring continued until a homogeneous solution was obtained and boric acid was added into the solution. Following the complete dissolution, citric acid was added to the system as chelating agent and magnetic stirrer was set up to 100 °C. Maintaining the solution at a temperature of 100 °C for a duration of 3-4 hours, while continuously stirring results in the formation of gelation. The white foamy gel was dried at 250 °C for 30 minutes resulting in brown-gold color dried gels, which were then cooled down to the room temperature. These dried gels were calcinated at 900 °C for 6 hours. After that, powders were sintered at 1350 °C for 2 hours in %10 H2-Ar reductive atmosphere to reduce Eu3+ to Eu2+. XRD, spectrophotometer and SEM were utilized to investigate the structural, optical and morphological analysis, respectively. In order to investigate mechanoluminescence behavior, ball drop testing was conducted, and mechanoluminescence intensity for each specimen was analyzed through image processing of recorded video. XRD patterns showed that monoclinic SrAl2O4 is the main phase. As a secondary phase Sr4Al14O25 was detected. Adding Y and Ho co-dopants into the structure showed an increase in the intensities of secondary peaks. Spectrophotometer results showed that the resulting emissions for whole compositions are observed at a wavelength of 520 nm, which is due to the electronic transitions from the 4f to the 5d states. Although secondary peak was observed at 545 nm wavelength due to the Ho2+, which was obtained in a reductive atmosphere. Based on spectrometer results, the selection of Sr0.95Al2O4:Eu0.01,Dy0.03,Ho0.01 is expected to enhance mechanoluminescence behavior, as it shows the highest brightness and the shortest decay time. The determined composition was synthesized under the same conditions, including both solid-state reaction and sol-gel methods. The SEM micrographs indicate that reference sample has angular grains but distributed homogenously. Synthesized with both sol-gel and solid-state reaction methods of Sr0.95Al2O4:Eu0.01,Dy0.03,Ho0.01 composition showed irregular distribution. The synthesized Sr0.96Al2O4:Eu0.01,Dy0.03 and Sr0.95Al2O4:Eu0.01,Dy0.03,Ho0.01 compositions were subjected to grinding before being introduced into the epoxy matrix at weight ratios of %10, %30 and %50. The mixture was then cured at 100 °C for 1 hour, producing disc shaped composites with a thickness of 2 mm and a diameter of 28 mm. In the analysis of the mechanoluminescence behavior of composite discs containing Sr0.96Al2O4:Eu0.01,Dy0.03 powder, it was determined that the mechanoluminescence intensities increased in direct proportion to the increase in the powder ratio in the matrix. In addition, mechanoluminescence behavior was observed at low impact energies with increasing powder ratio. In the analysis of the mechanoluminescence behavior of composite discs containing Sr0.95Al2O4:Eu0.01,Dy0.03,Ho0.01 powder produced by the sol-gel method, it was determined that the mechanoluminescence intensities first decreased and then increased with the increase in the powder ratio in the matrix. In the solid-state reaction method, it was determined that the mechanoluminescence intensities decreased with the increase in the powder ratio in the matrix. This situation is explained by the fact that the increase in the powder ratio in the matrix causes agglomeration and therefore the transmission of the applied mechanical stimulation to the powder and the reflection from the powder reduce the emission intensity. The results of the mechanoluminescence experiment revealed that holmium contributed to increasing the emission intensity. Holmium co-doped composition with %10 wt. in the composite disc specimens generated higher mechanoluminescence intensities. Also, holmium enhanced sensitivity and exhibited mechanoluminescence behavior even at minimal impact energy levels which is believed to have advantages for potential sensor applications. Additionally, it has been found that as the impact energy increased on composite disc specimens, mechanoluminescence intensities were also increased.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    672918

    Sodyum metaborat dekahidrat (boraks) katkılı pmma polimer kompozitlerin mikrodalga özelliklerinin geliştirilmesi

    The development of microwave properties of sodium metaborate decahydrate (borax) pmma polymer composites

    FUAT BERKE GÜL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN

  2. Tez No

    932927

    Hava araçlarında kullanılan kompozit yapılarında darbeli yük koşullarında yapısal sağlık izleme

    Structural health monitoring under impact loading conditions in composite structures used in aircraft

    ERSİN EROĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Havacılık ve Uzay MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    Havacılık Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ SEYİD FEHMİ DİLTEMİZ

  3. Tez No

    849776

    Damage classification of cnt/cnc-reinforced pu foam-cored sandwich panels through acoustic emission testing

    Akustik emisyon yöntemi ile knt/snk katkılı pu köpük dolgulu sandviç plakaların hasar mekanizmalarının incelenmesi

    EYÜPHAN KÜÇÜKKALFA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ KAAN YILDIZ

  4. Tez No

    777765

    Analytical investigation of quasi-aeroservoelastic behaviour of an aircraft spoiler

    Bir uçak spoilerının quasi-aeroservoelastik davranışının analitik olarak incelenmesi

    YİĞİT KURTİŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZAHİT MECİTOĞLU

    PROF. DR. ATA MUGAN

  5. Tez No

    349662

    Architechtural assessment to emergency housing patterns

    Acil konut modellerinin yapısal olarak değerlendirilmesi

    MAHSA SAFAEI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YURDANUR DÜLGEROĞLU YÜKSEL

Geri Dön