Composite materials
198 theses under this subject heading
Taşınabilir hava savunma sistemi kompozit fırlatma tüpünün yapısal eniyilemesi
Savunma sanayi alanında üretilen parçalarda ağırlık kriteri her zaman büyük bir önem taşımıştır. Kompozit malzemeler ağırlık ve mekanik dayanım özellikleri açısından avantaj sağlaması sebebiyle savunma sanayisinde sıklıkla tercih edilen malzemeler arasında yer almaktadır. Bu tezde, geliştirilmekte olan ve taşınabilir hava savunma sisteminde kullanılan kompozit yapıdaki fırlatma tüpü için sonlu elemanlar modeli oluşturularak ağırlık eniyileme çalışması gerçekleştirilmiştir. Ağırlık kriterine ek kriterler de eklenerek gerçekçi bir çözüm elde edilmesi amaçlanmıştır. Tüm kriterler göz önünde bulundurularak maliyet formülasyonu oluşturulmuş ve optimum tasarıma ulaşılmıştır. Ağırlık eniyileme çalışmasında sarım kalınlıkları ve sarım açısı tasarım değişkenleri olarak belirlenmiştir. Kısıt fonksiyonu olarak Tsai-Wu hasar kriteri kullanılarak elde edilmiş olan emniyet katsayısı kullanılmıştır. Fırlatma tüpü sonlu elemanlar yöntemiyle modellenmiş, ısıl ve yapısal yükler fırlatma tüpü üzerine uygulanmıştır. Çözüm ağı yakınsama çalışması gerçekleştirilerek sonlu elemanlar yöntemi için uygun olan eleman boyutu belirlenmiştir. Sonraki aşamada, latin hiperküp örnekleme ve merkezi kompozit tasarım yöntemleri kullanılarak deney tasarımları oluşturulmuştur. Belirtilen deney tasarımları kullanılarak farklı vekil modeller ve farklı eniyileme yöntemleri ele alınmış ve ağırlık için eniyileme çalışması gerçekleştirilmiştir. İlgili çalışma, cam elyaf takviyeli epoksi matrisli malzeme (cam/epoksi), karbon elyaf takviyeli epoksi matrisli malzeme (karbon/epoksi) ve aramid elyaf takviyeli epoksi matrisli malzeme (aramid/epoksi) için gerçekleştirilmiş olup, kullanılan malzemeler ve yöntemler arasında karşılaştırma yapılmıştır. Üç malzeme için de latin hiperküp örnekleme yöntemi ile oluşturulan deney tasarımları kullanıldığında merkezi kompozit tasarıma göre daha hafif yapılar elde edildiği görülmüştür. Vekil model yöntemleri kıyaslandığında cam/epoksi ve karbon/epoksi malzeme için karesel polinom yanıt yüzey yöntemi, aramid/epoksi malzeme için ise Kriging yöntemi ile daha iyi sonuçlar elde edildiği gözlemlenmiştir. Eniyileme yöntemleri kıyaslandığında ise cam/epoksi malzeme için seçkisiz arama yönteminin, karbon/epoksi ve aramid/epoksi malzeme için ise genetik algoritma yönteminin daha iyi sonuçlar verdiği gözlemlenmiştir. Ağırlık eniyileme çalışması gerçekleştirildikten sonra ağrlık kriterine ek olarak bulunabilirlik, fiyat ve üretilebilirlik kriterleri de ele alınmıştır. Bu dört kriter önem sırasına göre yüzdesel olarak değerlendirilerek kullanılan kompozit malzemeler için maliyet formülasyonu oluşturulmuştur. Sonuç olarak, karbon elyaf takviyeli epoksi matrisli malzemenin fırlatma tüpü için maliyet etkin optimum tasarımı sağladığı gözlemlenmiştir.
Kompozit malzeme üretiminde kullanılan paralel fırınların çizelgelenmesi için bir optimizasyon modeli ve sezgisel çözüm yaklaşımı geliştirilmesi
Bu çalışma kapsamında havacılık ve uzay sanayine yönelik çalışan ve kompozit parçalar üreten gerçek bir üretim departmanında karşılaşılan bir çizelgeleme problemi ele alınmaktadır. Kompozit parçaların üretim sürecindeki iki ana adım, kompozit parçaların kalıplara montesi ve ardından parçaların kalıplar içerisinde otoklav adı verilen basınçlı paralel fırınlarda ısıl işlem görmesidir. Parçalar, ısı seviyesi, basınç ve süre açısından farklı işlem gereksinimlerine sahiptirler. Yalnızca bu özelliklere göre uyumlu parçalar bir arada aynı partiye girebilir. Çizelgeleme problemi, sürecin ikinci adımı ile ilgilidir ve parçaların birlikte gruplandırılıp partilerin oluşturulmasını ve ardından otoklav adlı fırınlara giren partilerin fırınlarda çizelgelenmesini içerir. Problemin otoklavların alan ve termocouple kapasiteleri, süreçte kullanılan kalıp sayısı, parçaların teslim tarihi, en erken ve en geç işleme alınabilecekleri zaman, ardışıklık durumu gibi pek çok kısıtları vardır. Otoklavlar yüksek düzeyde elektrik tükettiği için problemin amacı kullanılan parti sayısını en azlayarak enerji tüketiminin en aza indirilmesidir. Problem literatürde uyumsuz iş aileleri ile parti çizelgeleme olarak geçmektedir. Tez kapsamında problemin matematiksel modeli geliştirilmiş ve farklı senaryolar altında ön çözümler elde edilmiştir. Problem NP-zor kategoride olduğundan yüksek boyutlu problemler için makul sürede çözüm elde edilememektedir. Bu sebeple problem için K-ortalama algoritması ile işleri partilere bölen, sonra partileri fırınlara çizelgeleyip ilk olurlu çözümü elde eden ve değişken komşu arama (DKA) algoritması ile elde edilen çizelgeleri iyileştiren bir sezgisel algoritma geliştirilmiştir. Problem farklı senaryolarda denenerek oluşturulan matematiksel modelin parametre hassasiyet analizi ve geliştirilen sezgiselin performansı test edilmiştir. Yapılan testler sonucu sezgisel algoritmanın ortalamada optimalden %5,12732 saptığı gözlemlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Parti çizelgeleme, Uyumsuz iş aileleri, Matematiksel modelleme, Sezgisel algoritma
Karbon nanotüp (CNT) takviyeli delikli lamine kompozit panellerin burkulma analizi
This research offers a thorough examination employing both analytical and computational approaches to ascertain the buckling load of composite plates reinforced with carbon nanotubes (CNTs). The primary goal of this research is to understand and anticipate the buckling effects of composite plates reinforced by carbon nanotubes (CNTs). To achieve this goal, the researchers first analyze the effect of carbon nanotubes (CNTs) on the material's mechanical properties and their influence on elastic properties. Subsequently, the buckling load is analytically computed employing the Classical Laminated Plate Theory (CLPT). Subsequently, numerical methodologies, particularly the finite element method, are utilized to compute the buckling load. The developed computational model is then rigorously validated through comparison with analytical results. Once the model's validation is established, a series of parametric analyses are conducted, encompassing both unperforated and perforated plates. Furthermore, the outcomes of this research are used to provide secondary validation for perforated plates by comparing the findings to those available in the literature. The parametric analyses unveil the diverse effects of variables such as the CNT reinforcement ratio, matrix material properties, stacking lay-up, and hole diameter on the buckling load.
Sürtünmeli temas koşulları altında yanal dereceli malzemelerde yüzey altı gerilme dağılımı
Fonksiyonel derecelendirilmiş malzemeler (FDM), mekanik özellikleri bir noktadan diğer bir noktaya sürekli değişen, homojen olmayan özel bir malzeme tipidir. Belirli bir hacimsel oranda karıştırılan iki malzeme ile oluşturulan FDM yapılar, kompozit malzemelerin teknolojide cevap veremediği durumlara çözüm kaynağı olmuştur. Mühendislik uygulamalarında parçaların, malzemelerin çoğu zaman kaçınılmaz temasından dolayı ortaya çıkan sürtünme en önemli problemlerden biridir. Aşınma çoğunlukla sürtünmeli yüzeylere uygulanan yüksek gerilmelerden kaynaklanmaktadır. Yüzey altı gerilmelerin hesaplanması bileşenlerin mekanik tasarımı açısından çok önemlidir çünkü hasarların çoğu yüzey altı gerilmelerin daha yüksek seviyelere ulaştığı bölgelerdeki yorulma ve kırılmadan kaynaklanmaktadır. Bu çalışmada yanal dereceli malzemeler yüzeyde uzaysal değişim gösteren sürtünme katsayısı içerecek şekilde modellenmiştir, sürtünmeli temas kaynaklı yüzey altı temas gerilme dağılımı sonlu elemanlar programında analizler koşturularak çözülmüştür. Bu çalışmanın temel özgünlüğü yanal derecelendirilmiş malzemelerde yüzey altı gerilme dağılımı sonuçlarının temas bölgesinde uzaysal değişim gösteren sürtünme katsayısı düşünülerek elde edilmesidir. Elde edilmiş sonuçları doğrulamak için daha önce literatürde yer alan benzer çalışmalardan ve analitik sonuçlardan faydalanılmıştır. Sürtünmeli temasa maruz yanal dereceli malzemeler genel amaçlı bir sonlu elemanlar analizi programı olan ANSYS Mechanical APDL (ANSYS Parametric Design Language) kullanılarak modellenmiştir. Yanal yönde derecelendirilmiş malzeme modeli ve yüzeyde uzaysal değişen sürtünme katsayılı temas için parametrik bilgisayar kodları geliştirilmiş olup bu kodlar ANSYS Mechanical APDL içerisinde çalıştırılarak parametrik analizler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlarda yanal dereceli malzemelerde farklı temas şartları altında (örneğin farklı malzeme heterojenliği, sürtünme katsayısı, sürtünme katsayısının uzaysal değişimi) yüzey altında oluşan gerilim dağılımı incelenmiştir.
Şeffaf plak ataşman yapımında kullanılan farklı kompozit materyallerinin uygulama süresi, yüzey pürüzlülüğü ve bağlanma dayanıklılığı bakımından karşılaştırılması
Amaç: Bu çalışmanın amacı, ataşman yapımına yönelik özel olarak üretilmiş Gc Aligner Connect (GC Corp, Tokyo, Japan) kompozit rezini ve farklı viskozitelerdeki 3 kompozit rezini (Gc Ortho Connect (GC Corp, Tokyo, Japan), Z350 XT (3M Unitek, Monrovia, CA, USA), Filtek Z350 XT Universal (3M Unitek, Monrovia, CA, USA)), üçüncü nesil LED ışık (VALO Ortho; Ultradent Products, South Jordan, Utah) cihazı ile polimerize ederek şeffaf plak ataşmanları elde etmek, sonra da elde edilen bu ataşmanları çalışma süreleri, yerleştirme doğrululukları, yüzey pürüzlülükleri ve dişlere bağlanma dayanıklılıkları bakımından karşılaştırmaktır. Materyal ve Metod: Çalışmada 160 adet üst küçük azı dişi her bir grupta 40 adet diş olacak şekilde 4 farklı gruba ayrılmıştır (Grup 1: Gc Aligner Connect, Grup 2: Gc Ortho Connect, Grup 3: 3M Z350 XT akışkan ve Grup 4: Filtek Z350 XT Universal). Gruplar kendi içerisinde A ve B olarak 20 dişten oluşan 2 alt gruba ayrılmıştır. A grubundaki dişlere ışık cihazı ile 10 saniye boyunca 1000 mW/cm2 güç, B grubundaki dişlere ise 3 saniye boyunca 3200 mW/cm2 güç uygulanmıştır. Daha sonra örnekler ataşman yapıştırma süreleri, yüzey pürüzlülüğü, yerleştirme doğruluğu ve bağlanma dayanıklılığı bakımından karşılaştırılmıştır. Bulgular: Gc Ortho Connect rezinin kısa süreli ve yüksek güçte ışık uygulanan alt grubunun en kısa toplam ataşman uygulama zamanına sahip olduğu bulunmuştur (115,15±10,65 saniye). En uzun toplam ataşman uygulama süresi ise yüksek viskoziteli Filtek Z350 XT Universal kompozit rezin için bulunmuştur (282,64±43,27 saniye). Işık cihazının 10 saniye ve 1000 mW/cm2 uygulandığı durumda, 3M Z350 XT akışkan kompozit rezinin yerleştirme doğruluğunun "fazlalık" ölçüm ortalaması, GC Aligner Connect, GC Ortho Connect ve Universal kompozit rezinlerinin ölçüm ortalamalarından yüksek bulunmuştur (3-1, p<0,001) (3-2, p=0,002) (3-4, p=0,005). Işık cihazının 3 saniye uygulandığı durumda ise 3M Z350 XT akışkan ve Universal kompozit rezinlerin yerleştirme doğruluğunun "fazlalık" ölçüm ortalaması, GC Aligner Connect kompozit rezininin ölçüm ortalamalarından yüksek bulunmuştur (1-3, p=0,001) (1-4, p<0,001). Tüm kompozit rezin gruplarında 'eksiklik' ölçüm ortalamaları arasında istatistiksel olarak anlamlı bir sonuç elde edilememiştir. 10 saniye süre ile ışık uygulanan durumda ataşman yüzey pürüzlülük ölçümlerine göre GC Aligner Connect, GC Ortho Connect ve 3M Z350 XT akışkan kompozit rezinlerin Ra, Rz ve R-Maks. ölçüm ortalamaları, Universal kompozit rezinin Ra, Rz ve R-Maks. ölçüm ortalamalarından yüksek bulunmuştur (p<0,005). 3 saniye ışık uygulamasının sonuçlarına göre GC Aligner Connect kompozit rezinin Ra ve Rz ölçüm ortalaması, 3M Z350 XT akışkan kompozit rezinin Ra ve Rz ölçüm ortalamalarından yüksek bulunmuştur (1-3, p=0,010) (1-3, p=0,032). Işık cihazının 10 saniye süre ve 1000 mW/cm2 güç uygulanan alt gruplarında ataşmanların dişlere bağlanma kuvvetleri arasında istatistiksel olarak anlamlı bir fark bulunamamıştır. 3 saniye süre ve 3200 mW/cm2 güç uygulanan alt gruplarda ise Universal kompozit rezinin bağlanma dayanıklılığı ortalaması (19,27±6,37 MPa), GC Aligner Connect (11,42±2,54 MPa) ve GC Ortho Connect (14,43±4,61MPa) kompozit rezinlerinin ortalamasından yüksek bulunmuştur (4-1, p<0,001) (4-2, p=0,015). Kompozit rezin gruplarının kendi içerisinde ışık faktörüne göre bağlanma dayanıklılığı bakımından karşılaştırılmasına bakıldığında Universal kompozit rezinin 3 saniye ışık faktörü için bağlanma dayanıklılığı ölçüm ortalaması (19,27 ± 6,37 MPa) 10 saniye ışık faktörü için olan ölçüm ortalamasından (15,75±3,90 MPa) yüksek bulunmuştur (B-A, p=0,041). 10 saniye ışık faktörü için ARI skorları ile kompozit rezin grupları arasında istatistiksel olarak anlamlı bir ilişki elde edilmemiştir (p=0,124). 3 saniye ışık faktörü için ARI skoru 0 olduğu durumda kompozit rezinlerin çoğunlukla GC Aligner Connect ve GC Ortho Connect olduğu ve ARI skoru 2 olduğu durumda kompozit rezinlerin çoğunlukla 3M Z350 XT akışkan ve Universal olduğu tespit edilmiştir.Sonuç: Şeffaf plak ataşman yapımı için farklı viskozitelerde kompozit rezinler tercih edilebilir. Kompozit rezin seçimi klinisyenin beklentileri doğrultusunda değişebilir. Düşük ve yüksek viskoziteli kompozit rezinlerle ataşman yapımı mümkün görünmektedir. Anahtar Kelimeler: Şeffaf plak, kompozit rezin, ataşman
Süreksiz liflere sahip kompozit malzemelerin boyuna elastisite modüllerinin sınır elemanlar yöntemiyle hesaplanması
Şimdiye kadar, süreksiz lifli kompozit malzemelerin boyuna elastisite modüllerinin hesaplanması için literatürde analitik, deneysel ile sonlu elemanalar gibi sayısal yöntemler yaygın olarak kullanılmıştır. Bu çalışmada, süreksiz lifli kompozitlerin boyuna elastisite modüllerinin hesaplanması için kuadratik sınır elemanlar yöntemi sunulmuştur.Sunulan sınır elemanlar forrmulasyonu süreksiz lifli boron/epoxy kompozit malzemesine uygulanmıştır. Sonuçlar, analitik deneysel ile sonlu elemanlar yöntemi sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sunulan formulasyonun kompozit malzemelerin boyuna elastisite modullerinin hesaplanmasında etkin olarak kullanılabileceği gösterilmiştir.
Cam elyaf takviyeli polimer matrisli kompozit malzemelerde sürünme davranışının incelenmesi
Teknolojik gelişmelere paralel olarak ürün yaşam sürelerinin kısalmasıyla Ar-Ge ve Ür-Ge faaliyetleri önem kazanmış, yeni ürün geliştirme, ürünlerin özelleştirilebilmesi, hızlı model değişimi gibi konular ön plana çıkmıştır. Çevik üretim yöntemlerinin ön plana çıkmasıyla birlikte günümüz piyasa koşullarında firmaların ürünlerini hem kaliteli hem hızlı aynı zamanda optimum maliyet ile üretmek gibi zorlu hedefleri vardır. Firmaların kar edebilmesi için ürün maliyetleri en önemli unsurlardan biridir. Ürün maliyetine etki eden faktörlerden biri de en az üretim süreci kadar önemli olan malzeme seçimidir. Ürünün kullanım alanına göre en uygun malzemenin seçilmesi kritik önem arz etmektedir. Doğru malzeme seçimi, üretim sürecindeki birçok maliyet unsurunu devre dışı bırakabilir. Gelişen teknoloji ile birlikte uzay, havacılık, savunma sanayii ve ulaşım sektörlerindeki kullanımı giderek yaygınlaşan polimer matrisli kompozit malzemelerin kullanıldığı ürünler için üretim maliyetlerini düşürmek, daha az maliyetle daha kaliteli malzemeler üretmek, yeniden işleme maliyetlerini minimize etmek daha önemli hale gelmiştir. Bu anlamda üretilecek olan kompozit malzemelerin sıcaklık, basınç, yük, gerilme, zaman vb. faktörlerin etkisindeyken nasıl bir davranış sergileyeceğinin önceden bilinmesi, meydana gelecek hasarların önceden tahmin ve tespit edilmesine olanak sağlayacaktır. Kompozit malzemelerin sıcaklıktan ve maruz kaldığı gerilmelerden kaynaklanan sürünme hasarının önlenmesi büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle yüksek sıcaklık ve gerilme altında çalışacak olan ürünlerde kullanılan malzemeleri yüksek sürünme davranışına sahip olması gerekmektedir. Bu çalışmada 20℃, 30℃, 40℃ ve 50℃ olmak üzere 4 farklı sıcaklık değerinde 2 kg, 4 kg ve 6 kg olmak üzere 3 farklı yükleme altında 4 farklı kumaş yoğunluğuna sahip (200 gr/m2, 300 gr/m2, 500 gr/m2, 800 gr/m2 ) elyaf takviyeli polimer matrisli kompozit malzemenin davranışı incelenmiştir. Çekme ve eğme deneyleri sayesinde mekanik özelleri belirlenen kompozit malzemeler belirtilen yük ve sıcaklıklarda sürünme deneyine tabi tutulmuşlardır.
Pultruzyon yöntemi ile hibrit kompozit profillerin üretilmesi
Kompozit malzemeler sahip oldukları yüksek dayanım, hafiflik, korozyon direnci, elektriksel ve termal yalıtım özelliklerinden dolayı birçok mühendislik uygulamalarında tercih edilmektedir. Pultruzyon yöntemi, sabit en kesitli kompozit profillerin % 80'ninin üretilmesinde, sağlamış olduğu kolaylıklar ve üstünlüklerden dolayı, tercih edilen bir kompozit malzeme üretim metodudur. Cam elyaf takviyeli kompozit malzemelerin mekaniksel ve fiziksel özellikleri bazı mühendislik uygulamalarında yetersiz kalmaktadır. Uygun maliyetli ve istenilen özelliklere sahip kompozit malzeme üretimi hibritleştirme işlemleri ile gerçekleştirilebilmektedir. Bu çalışmada; farklı oranlarda cam elyaf ve karbon elyaf fitil takviyesine, farklı oranlarda Al2O3 - TiO2 (87/13) parçacık takviyesine sahip kompozit malzemeler polyester ve vinilester matrisli olmak üzere toplamda 13 farklı tipte üretilmiştir. Pultruzyon yöntemi ile üretilen kompozit I profillerin mekaniksel ve fiziksel özellikleri deneysel olarak araştırılmış ve incelenmiştir. Cam elyaf fitil, karbon elyaf fitil, cam elyaf sürekli keçe, hibrit karbon kumaş ve Al2O3 - TiO2 (87/13) toz kompozit I profillerin üretiminde takviye elemanı olarak kullanılmıştır. Matris malzemesi olarak IR 355 izoftalik polyester ve PV 300 vinilester reçine kullanılmıştır. Pultruzyon yöntemi ile üretilen kompozit I profillerin mekaniksel özellikleri çekme, basma, tam kesit eğme, üç nokta eğme, kısa kiriş katmanlar arası kayma, yataklama dayanımı, İzod çentik darbe, V çentik kayma, Barcol sertlik deneyleri ile ve ayrıca fiziksel özellikleri plastikler için su emme, kalsinasyon, yanmazlık deneyleri ile ilgili ASTM, EN ISO ve TS standartlarına göre belirlenmiştir. Kompozit I profillerin üretiminde kullanılan takviye elemanı konfigürasyonu ve oryantasyonu, hibritleştirme miktarları, parçacık takviyesi oranı ve matris malzemesi cinsinin kompozit I profilin mekaniksel ve fiziksel özelliklerini önemli ölçüde etkilediği deneysel çalışmalar sonucunda belirlenmiştir.
Elyaf takviyeli kompozit malzemelerde üretim parametrelerinin malzemenin mekaniksel ve fiziksel özelliklerine etkisinin incelenmesi
Bu tez çalışmasında el yatırma yöntemi ile üretimi yapılan elyaf takviyeli kompozit malzemelerde üretim parametrelerinin malzemenin mekaniksel ve fiziksel özelliklerine etkisi incelenmiştir. Kompozit malzemelerin üretiminde 4 farklı dokuma kumaş yoğunluğuna sahip cam elyaflı dokuma kumaşlar (200gr/m2, 300gr/m2, 500gr/m2, 800gr/m2) ve epoksi reçine kullanılarak hibrit ve hibrit olmayan kompozit malzemelerin üretimleri yapılmıştır. Yapılan deneylerin ve testlerin sonuçlarına göre; üretim parametrelerinin kompozit malzemelerin mekaniksel ve fiziksel özelliklerini önemli oranda etkilediği tespit edilmiştir.
Pultrüzyon yöntemi ile üretimi yapılan kompozit malzemelerin çevre koşulları altındaki performanslarının incelenmesi
Endüstride kompozit malzemelerin kullanımı her geçen gün artış göstermektedir. Özellikle hem maliyet açısından daha uygun olmaları hem de korozyona karşı dayanımlarının yüksek olması nedeniyle pultrüzyon yöntemi ile üretimi yapılan kompozit malzemelerin kullanımı oldukça yaygındır. Bu sebeple geçmişten günümüze kadar pultrüzyon yöntemi ile üretimi yapılan kompozit malzemelerin mekaniksel davranışları farklı çalışmalarla incelenmektedir. Bu tez çalışmasında, pultrüzyon yöntemi ile üretilmiş olan cam elyaf takviyeli polimer matrisli kompozit profillerin bir kısmı MIL-STD 810 w/Change 1 askeri standardına göre çevre koşulları testlerine maruz bırakılmıştır ve bir kısmı ise sürekli ortam koşullarına (+23°±2°C, %50±10 BN) maruz bırakılmıştır. Pultrüzyon yöntemi ile üretilen U, I ve kutu profiline sahip kompozitler yüksek sıcaklık, düşük sıcaklık, sıcaklık şoku, tuz sisi, yağmur ve düşük basınç (irtifa) gibi çevre koşulları testlerine maruz bırakılmıştır. Çevre koşulları testlerine maruz bırakılan kompozit profillerin yüzeylerinde, testler sonrasında meydana gelebilecek değişimler incelenerek kaydedilmiştir. Ayrıca numunelerin iç yapısında da meydana gelebilecek değişimleri gözlemlemek amacıyla tahribatsız muayene yöntemlerinden birisi olan X-RAY yöntemiyle numunelerin iç yapıları incelenmiştir. Sonrasında kompozit profillerden üç nokta eğme, çekme ve İzod çentik darbe testleri için ASTM standartlarına uygun şekilde test numuneleri hazırlanarak ilgili standartlara göre mekaniksel testler gerçekleştirilmiştir. Çevre koşulları testlerine maruz bırakılan kompozit malzemelerin ve sürekli ortam koşullarında bulunan kompozit malzemelerin mekaniksel özellikleri incelenerek sonuçlar karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda; çevre koşullarının kompozit malzemelerin mekaniksel özelliklerinde önemli etkileri olduğu görülmüştür. Genel olarak sonuçlar birbirleri ile kıyaslandığında, düşük sıcaklık testine maruz kalan kompozit malzemelerin mekaniksel özelliklerinin daha yüksek değerlerde çıktığı, tuz sisi ve yağmur testlerine giren kompozit malzemelerin mekaniksel özelliklerinin ise daha düşük değerler çıktığı gözlemlenmiştir. Sıcaklığın kompozit malzemelerin mekaniksel özelliklerine etkisi incelendiğinde ise yüksek sıcaklık testlerine giren kompozit malzemelerin mekaniksel özelliklerinin düşük sıcaklık testlerine giren kompozit malzemelerin mekaniksel özelliklerinden daha düşük çıktığı gözlemlenmiştir. Düşük basınç testlerine maruz bırakılan kompozit numunelerin mekaniksel özellikleri ise düşük sıcaklığa maruz bırakılan kompozit numunelerin mekaniksel özelliklerinden biraz daha düşük değerlerde çıkmıştır.
Dronlarda kullanılan pervanelerin kompozit malzemeden tasarımı ve prototip imalatı
Dronlar geçmişten günümüze kadar birçok sektörde kullanıma sahip olan ve bir kişi tarafından kumanda edilen, ayrıca video kayıt ve resim çekme özelliği olan insansız hava aracıdır. Bu araçlar ilk olarak savaş zamanlarında kullanılırken şimdilerde yine askeri alan haricinde; paket servisi, zirai alanların kontrolü ve ilaçlaması, sulama gibi insan gücü gereken birçok yerde kullanılmaktadır. Kullanım alanlarına bağlı olarak farklı boyutlarda, malzemelerde ve ağırlıklarda üretilebilmektedir. Dronların bu denli yüksek kullanım alanlarından ötürü her geçen gün bu araçlara ihtiyaç artmaktadır. Dronlar pervanesinden-bataryasına, kontrol kartlarından-motoruna kadar sürekli olarak gelişme eğilimindedir. Bu gelişme neticesinde birçok ülke dron sektörü için her sene daha fazla yatırım yapmış ve yapmaya da devam etmektedir. Yapılan yatırımların en önemlilerinden biri de pervane bölümünde olmaktadır. Pervaneler dronun havada hareket etmesini sağlayan önemli bir parçadır. İlk zamanlarda, savaş zamanında pervaneler yıprandığı gibi nedenine bakılmadan aynı pervanenin yenisiyle değişim yapılmaktaydı. Sonrasında bilim adamları konu hakkında düşünüp pervanenin dayanımını arttırmak ve daha iyi manevra kabiliyeti sağlamak için araştırmalar yapılmışlardır. Ahşap kullanılan pervanelerden sonra metal pervaneler, plastik pervaneler ve sonrasında günümüzde kompozit pervaneler kullanılmaya başlanmıştır. Ahşap ve metal pervanelerin ağır olması ve çok ses çıkartması, plastik pervanelerin ise dayanımının daha az olması sebebiyle kompozit pervanelerin kullanımı her geçen gün artmaktadır. Kompozit pervaneler dayanımı yüksek olması haricinde ayrıca daha hafiftir ve uçuş sırasında daha az ses çıkartmaktadır. Bu tez çalışmasında, iki kanatlı karbon elyaf takviyeli epoksi matrisli kompozit malzemeden imalatı yapılan dron pervanesinin, mekaniksel özelliklerini belirlemek için çekme deneyi, eğilme deneyi, çentik darbe deneyi ve kalsinasyon deneyleri yapılmıştır. Yapılan mekanik testlerden ASTM standartlarına uygun numuneler alınıp testleri yapılmıştır. Yapılan test sonuçları, pervanenin yüksek mekaniksel özelliklere sahip olduğunu göstermiştir. Mekanik özellikleri belirlenen pervanenin 3D tarayıcılar ile modellemesi yapılmıştır. Modellemesi yapılan pervaneye bilgisayar destekli program ile sonlu elemanlar analizleri yapılmıştır. Analizler üç farklı durum için yapılmıştır. Bunlar; akış analizi, dönme durumunda yapısal analiz ve durma durumundaki analizlerdir. Akış analizinde, pervanenin 5000 devir/dak'daki karakteristiği kontrol edilmiş; kaldırma kuvveti, havanın pervane üzerindeki direnci ve hava akış hızı analiz edilmiştir. Dönme durumundaki yapısal analizde, pervanenin 5000 devir/dak'daki hava direncinin pervaneye uyguladığı direncin pervane üzerindeki etkisi analiz edilmiştir. Durma durumundaki analizde ise, motor çalıştığı ve pervaneye kuvvet uyguladığı halde bir engelden dolayı pervanenin dönmediği durumda pervane üzerindeki etkisi analiz edilmiştir. Yapılan analizler sonucunda deformasyon miktarının en az kanat uçlarında olduğu ve en fazla da pervanenin orta tarafında bulunduğu tespit edilmiştir. Ayrıca en fazla gerilme de kanat uçlarında meydana gelmiş en az gerilme de pervanenin orta kısmında görülmüştür.
Üst süt kesici dişlere uygulanan kompozit kron ve zirkon kronların klinik başarılarının değerlendirilmesi
Süt ön dişlerin restorasyonu; süt ön dişlerin hacminin diğer dişlere göre küçük olması, pulpa dokusunun mekanik açılım riskinin daha yüksek olması, nispeten ince mineye sahip olması ve restorasyonların estetik özelliği nedeniyle göreceli yüksek tedavi maliyeti gibi nedenlerle daha güçtür. Öte yandan, süt dişlerinin daimi dişlerin sürme zamanı gelene kadar korunması ve restore edilmesi, estetik ihtiyaçların ötesinde oklüzyon rehberliği yönünden çok önemlidir. Amerikan Pediatrik Diş Hekimliği Akademisi (AAPD) tarafından bu amaçla önerilen yaklaşımlardan kompozit rezin strip kronlar ve prefabrike zirkon kronlar diş hekimliğinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu çalışmaya, 3-5 yaş aralığında, üst çenede en az iki süt kesici dişinde kron uygulama endikasyonu gerektirecek düzeyde büyük çürük lezyonları bulunan, kız ve erkek toplam 25 birey dahil edilmiştir. Klinik ve radyolojik muayeneler sonrasında belirlenen tedavi planlamaları çerçevesinde kompozit strip kron veya estetik zirkon kronlar uygulanmıştır. Tedavilerin tamamlanmasını takiben 1,6,12 ve 18. aylarda hastalar klinik ve radyografik kontrollerin yapılması amacıyla çağırılmıştır. Plak indeksi, gingival sağlık, kron retansiyonu ve başarısı, renk uyumu, klinik pulpal sağlık (spontan ağrı, mukozada şişlik/fistül varlığı, mobilite, perküsyon/palpasyon hassasiyeti) ve radyografik olarak pulpal sağlığı (periradiküler/interradiküler radyolusensi, lamina dura kaybı, internal/eksternal kök rezorpsiyonu, pulpa kanal obliterasyonu) değerlendirilmiştir. Ek olarak 6 ve 12. ayda radyografik kontroller yapılmıştır. Grupların klinik ve radyografik değerlendirmelere ilişkin veriler istatistiksel olarak Fisher'ın kesin ki kare testi, Cochran Q testi, Friedman'nın 2 yönlü varyans analizi, Kruskal-Wallis tek yönlü varyans analizi ve marjinal homojenlik testi kullanılarak değerlendirilmiştir. Zirkon kronlar retansiyon, renk uyumu, restorasyon başarısı ve gingival sağlık yönünden daha başarılı olarak bulunmuştur. Ayrıca daha düşük plak indeksi ve gingival indeks değerleri göstermişlerdir.
Yüksek florür konsantrasyonuna sahip iki farklı materyalin kompozitin dentine bağlanma dayanıklılığına etkisinin incelenmesi
Bu in vitro çalışmanın amacı, dentin çürüğü ve dentin aşırı duyarlılığı tedavilerinde kullanılan yüksek florür konsantrasyonuna sahip iki farklı materyalin, uygulandıktan hemen sonra ve yaşlandırıldıktan sonra kompozitin sağlam ve demineralize dentine bağlanma dayanıklılığına etkisini araştırmaktır. Bu çalışmaya çürüksüz 60 adet insan büyük azı dişi dahil edilmiştir. Dişlerden on tanesi rastegele bir şekilde tarama elektron mikroskop görüntüleme işlemi için ayrılmıştır. Dişler bukko-lingual/palatinal yarı olmak üzere ikiye bölünmüş, akrilik blokların içerisine yerleştirilmiş ve bukkal/lingual/palatinal mine uzaklaştırılarak 100 adet dentin örneği oluşturulmuştur. Dentin örneklerinin yarısı demineralizasyon solüsyonunda bekletilerek demineralize edilmiştir. Ardından örnekler her bir grupta örnek sayısı (n=10) olacak şekilde rastgele 10 gruba ayrılmıştır. Deney gruplarında topikal florürlü ajanlar, gümüş diamin florür solüsyonu/potasyum iyodür(GDF/KI; Riva Star, SDI, Avustralya) ve florürlü vernik(FV; Fluor Protector, Ivoclar Vivadent, Lihtenştayn) dentin yüzeylerine uygulanmış ve uygulama sonrası hemen ve florürlü ürünler termal siklus ile yaşlandırıldıktan sonra universal bir adeziv (Solare Universal Bond, GC, Japonya) ile kompozit rezin (Gradia Direct Posterior, GC, Japonya) tüm örneklere bağlanmıştır. Kompozit rezin bağlanmasının ardından tüm örneklere termal siklus ile yaşlandırma uygulanmıştır. Bağlanma dayanıklıklılığını ölçmek için makaslama bağlanma dayanıklılık testi (MBDT) uygulandı. MBDT ardından örnekler stereomikroskop altında incelenerek kırılma tipleri değerlendirilmiştir. Tüm gruplar arasında makaslama bağlanma dayanıklılık testi ortalama değerlerinde fark olup olmadığı Tek Yönlü ANOVA ile belirlenmiştir. Genel veri karşılaştırması amacıyla, aşağıdaki bağımlı değişkenlerle Üç Yönlü ANOVA analizi yapılmıştır: zaman (florürün termal yaşlandırması ve sonrası), florür tedavileri (GDF/KI, FV) ve dentinin durumu (demineralize ve sağlam). Gruplar arasında farklılık olması durumunda Post Hoc karşılaştırma testleri kullanıldı. İstatistiksel anlamlılık düzeyi p=0,05 olarak alınmıştır. Florürlü ürünlerin kullanımı kontrol gruplarına göre bağlanma dayanıklılığında anlamlı bir fark oluşturmamıştır (p>0,05). İki ürün arasında bağlanma dayanıklılığına etkisi açısından istatistiksel olarak anlamlı bir fark görülmemiştir (p>0,05). Florürlü materyallerin yaşlandırılması hemen bağlanma yapılan gruplara göre bağlanma dayanıklılığını anlamlı olarak azaltmıştır(p<0,05). Sağlam dentin grupları demineralize dentin gruplarına göre istatistiksel olarak anlamlı bir şekilde daha yüksek bağlanma dayanıklılık değerleri göstermiştir (p<0,05). GDF/KI ve FV kullanımı, kompozit restorasyonların sağlam ve demineralize dentine bağlanma dayanıklılığını olumsuz etkilememiştir.
Failure behavior of composite laminates under-out-of-plane loads
In this study, failure behavior of fiber-reinforced composites under out-of-plane loads is investigated by means of four ? point bending tests. Firstly, four ? point bending tests are modeled analytically using the classical lamination theory (CLT). Considering unidirectional [?6]s as well as balanced symmetric [?3/-?3]s composite laminates , the maximum allowable moment resultants as a function of fiber orientation angle, ?, are obtained using Tsai-Wu, maximum stress, maximum strain, Hashin, Tsai-Hill, Hoffman, quadric surfaces, modified quadric surfaces and Norris failure criteria. Secondly, the same tests are simulated using the finite element method (FEM) in ANSYS with layered 3-D solid elements. In order to apply the failure criteria like Tsai-Hill and obtain the maximum allowable moment resultants as a function of fiber orientation angle, ?, according to these failure criteria, ANSYS Parametric Design Language is used Convergence analysis is carried out to find a balance between computational cost and accuracy of results. Another analysis is conducted for optimal positioning of the loads so as to ensure that static failure modes dominate delamination failure mode. For this purpose, the failure index results of a delamination criterion are compared with the results of Tsai-Wu and maximum stress failure criteria for different loading positions. A test setup is then constructed according to the predicted optimal support positioning and experiments are conducted for both unidirectional and symmetric balanced laminates having fiber orientation angles ranging from 0° to 90° with 15° increments. The differences between the model predictions and experimental results are discussed.
Mimari yapılar için çevre dostu kompozit malzemelerin geliştirilmesi
Yapı malzemelerinin gerek ticari olarak gerekse insan ve çevre sağlığı açısından etkileri mimari uygulamalarda oldukça önemlidir. İklim değişikliği sorunuyla beraber yapıların zamana ve çevresel etkilere karşı dayanımlarının arttırılması için teknolojik gelişmelerle birlikte yeni, üstün nitelikli kompozit malzemeler geliştirilmektedir. Nanoteknoloji ve inşaat sektöründeki gelişmeler sayesinde çeşitli akıllı malzemeler üretilebilmektedir. Bu sayede yapı malzemelerine kendini yenileyebilme, antibakteriyel özellik ve hidrofilik-hidrofobik özellikler sergileme, mukavemet artışı ve çevresel etkilere karşı direnç kazanma gibi önemli özellikler yüklenebilmektedir. Tıp ve sağlık alanında kullanımıyla öne çıkan biyouyumlu bir malzeme olan hidroksiapatitin (HA), su arıtımı ve fotokatalitik kaplama gibi uygulamalarda kullanımı da mevcuttur. HA, gösterdiği üstün hidrofilik özellikleri sayesinde kendini temizleyebilen leke ve aşınmalara karşı dayanıklı yapı malzemeleri üretiminde kompozit ve kaplama olarak kullanılmaktadır. Bor karbür (B4C) ise üstün mukavemet, aşınma direnci ve fotokatalizör etkinlik gibi özellikler sergileyen önemli bir nanomalzemedir. Farklı konsantrasyonlardaki bor karbürün hidroksiapatit ile homojen karışımları oluşturularak çeşitli oranlarda bağlayıcı ilavesi ile preslenip çeşitli sıcaklıklarında sinterlenmesi ile kompozitler üretilmiştir. Bu sayede yapıya uzun ömür, biyouyumluluk özellikleri kazandırarak insan ve çevre sağlığına zarar vermeyen, çevresel etkilere karşı dirençli yeni HA-B4C kompozitlerin geliştirilmesi ve karakterizasyonu amaçlanmıştır. Üretilen kompozit numunelerin fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikleri çeşitli analizler ile incelenmiştir. Moleküler seviyede bir reaksiyonun gerçekleşmesine dayalı sol-jel kimyasal sentez yöntemi ile nano boyutta saf HA üretimi gerçekleştirilmiştir. Öğütülmüş B4C tozlarının sol-jel yöntemi ile sentezlenmiş HA ile solüsyon ortamında bağlayıcı ilavesi ile mekanik olarak homojen karıştırılması ile nanokompozit tozlar üretilmiştir. Kompozit tozlar, farklı analizler için preslenerek çeşitli sıcaklıklarda (800 °C, 950 °C ve 1100 °C) sinterlenmiştir. Saf HA ve %10 ve %20 oranında B4C katkılı HA olarak üretilen ve çeşitli sıcaklıklarda sinterlenen kompozitler fiziksel, kimyasal ve biyolojik olarak çeşitli analizler yoluyla karakterize edilmiştir. Numunelerin mekanik özellikleri mikrosertlik ve basma testi; morfolojik özellikleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleme tekniği; hidrofilik-hidrofobik yüzey özellikleri temas açısı ölçümü; kimyasal özellikleri, X-ışını kırınımı analizi ve EDX element analizi ve biyolojik olarak antibakteriyel özellikleri iki farklı bakteri türüne (Gram negatif: Escherichia coli ve Gram pozitif: Staphylococcus aureus) karşı disk-difüzyon yöntemi ile test edilmiştir. Araştırma sonuçları HA-B4C kompozitlerin artan B4C konsantrasyonu ile antibakteriyel ilaç kontrolünden daha fazla miktarda üstün antibakteriyel etkinlik sergilediğini göstermiştir. HA-B4C kompozitler süperhidrofilik özellikler göstermiştir ve bunun kendi kendini temizleyen yüzey özellikleri sağlayacağı öngörülmektedir. Yapılara uzun ömür, biyouyumluluk özellikleri kazandırarak insan ve çevre sağlığına zarar vermeyen çevresel etkilere karşı dirençli yeni HA-B4C kompozitlerin toz halde çeşitli reçineler içerisine entegre edilerek kaplama olarak kullanım amacına hizmet edebileceği gibi kompozit yapı elemanı olarak da yeni nesil mimari yapılarda ve çeşitli diğer uygulamalarda kullanım potansiyeli olabileceği düşünülmektedir.
Fabrication of polymer-bioactive glass nanocomposite materials in bone tissue engineering applications
The main driving idea of the study was to produce nano-scaled bioactive glass/polymer composite scaffolds with the inclusion of relevant ions in order to develop multifunctional scaffolds for bone tissue engineering. The originality of the study was related to the integration of several functions in a single advanced scaffold composite system based on specific compositions of bioactive glasses, providing a platform for the delivery of therapeutic ions, and biodegradable polymers as the backbone material. This new material was aimed to have the capacity, through engineered nanoparticles and tailored kinetic release of specific ions, to stimulate early angiogenesis and provide an ideal scaffold for cell recruitment and proliferation, thereby accelerating the bone repair process. In this context, nano-scaled materials from polymer blends (e.g., gelatin/sodium alginate and gelatin/poly(ε-caprolactone)), as well as their composites with bioactive glasses were fabricated with the use of electrospinning technique. In electrospinning technique, solutions containing blends of polymers without or with bioactive glass particles were prepared to be converted into electrospun nanofibers at the relevant conditions. For this purpose, the optimal solution parameters (i.e., concentration of each polymer solution, ratio of one polymer to another, and solvent composition) to produce polymeric scaffolds were first investigated by using Box-Behnken design technique. Secondly, the processing parameters (e.g., applied voltage, tip-to-collector distance, and feeding rate) were also optimized in order to conduct a stable electrospinning process and to have a desirable surface topography.Then, cross-linking treatment was also carried out for enhancing the surface properties of the obtained scaffolds. After that, microstructural and physical properties of the polymeric and nanocomposite scaffolds were determined by using scanning electron microscope, X-ray diffraction, Fourier transform infrared spectrophotometer, and differential thermal analyzer. Finally, a comprehensive in vitro simulated body fluid study was also evaluated to determine the bioactivity of the nanocomposite scaffolds. Furthermore, the release of therapeutic ions from the nanocomposite scaffolds was investigated by using inductively coupled plasma optical emission spectrometry. The overall results put forth that scaffolds obtained in this study could be promising candidates for bone tissue engineering applications.
Effects of spatial distribution of fullerenes on the mechanical behaviour of graphene fullerene composites
Carbon based nanostructures such as carbon nanotubes (CNTs), graphene and fullerenes have attracted great attention due to their remarkable thermal, mechanical and electrical properties. In the last years, hybrid carbon nanomaterials, which enable to construct higher scale, tailorable materials consisting of coupled nanostructures such as graphene-CNT, fullerene-CNT and graphene-fullerene, are in the focus of researchers. In this respect, this study examines the mechanical characteristics of a hybrid nanostructured material that consists of fullerenes covalently sandwiched between parallel graphene sheets. After checking stability of the covalent junctions and thermodynamic feasibility of the overall nanostructure by monitoring the free energy profiles over a sufficiently long period through molecular dynamics simulations (MD),as the main objective of this study, the effects of layerwise spatial distribution of fullerenes on the compressive mechanical properties are investigated. For this purpose, atomistic models for the proposed fullerene-graphene composite structures are generated by the use of C180 fullerene with different spatial arrangements between graphene sheets. Random and ordered type fullerene dispersions are considered as two main fullerene distribution schemes employed in the atomistic modelling process. Comparisons are performed between fullerene-graphene composite structures with randomly and evenly distributed fullerenes in terms of elastic mechanical properties and energy absorbing characteristics. In this regard, compressive loading tests at different strain rates and various temperatures are performed via MD simulations to capture the mechanical response of sandwiched fullerene-graphene structures with different fullerene arrangements. In the MD simulations, the four nanostructures were assumed to be different spatial fullerene arrangement between graphene layers and results were compared. It was found that spatial distribution of fullerenes has remarkable influence on both compressive stress level and stress-strain characteristic of the novel fullerene –graphene foams. Mechanical response of the hexagonal and square fullerene arrangement models are in good agreement with both each other and conventional foam materials while rotated hexagonal and randomly fullerene distributed models are exhibited totally unique mechanical behaviours due to their special structures. In addition to investigation of spatial fullerene distribution effects on mechanical properties of the fullerene-graphene specimens, temperature and strain rate sensitivity of nano foams are studied in this thesis. As a consequence of certain MD simulation results, applied temperatures have no major impact on stress-strain curve tendency; however, young modulus of the materials tend to decrease with higher employed temperature level. In parallel that mechanical tests of fullerene-graphene foams under uniaxial compression show that the form of the stress-strain diagram does not depend on the applied strain rates. However, higher strain rates in general lead to higher stresses under compression at the beginning of the plateau regime and densification phase.
Fabrication and characterization of nickel oxide functionalized graphene oxide-polyacrylamide nanocomposites
Graphene oxide (GO) and its functionalized - modified - reduced derivatives take important place in a variety of technological applications because of their unique electrical conductivity properties and excellent mechanical properties which intrinsically come from two dimensional, sp2 bonded carbon honeycomb crystal structure of graphene and its high specific surface area (~2600 m2 g-1). Having this large surface area allow graphene to be homogenously dispersed in polymer matrix, thus it can be used to fabricate advanced nanocomposites which can be integrated in energy storage systems, physical and biological sensors, flexible electronics and many other applications. Generally, graphene oxide is produced using main three methods known as Hummer method, Brodie method or Staudenmaier method. All these three methods contain a familiar, incredibly cost-effective route; an oxidation reaction of graphite and then followed by exfoliation step to form graphene oxide. Widely accepted, oxygen functional groups on surface graphite oxide allow it to be exfoliated to form graphene oxide. However, oxygen based groups distort intrinsic graphene properties, thus reduction step is needed to yield much accurate graphene form. Several reduction routes have been studied and reported, including chemical treatment, thermal treatment, electrochemical treatment. Some of oxygen groups can be removed, but a portion will remain that can be eliminated by several reduction steps. Besides, the certain functional groups can be chemically anchored on graphene oxide surface in reduction steps. This process is described as functionalization of graphene oxide with like inorganic molecules(e.g., metal oxides) or organic molecules (e.g., polymers). Polymers have been used in many application and product because of being relatively cheaper and easily processed. However, their low mechanical and electrical properties limit their applications in some areas. Most of publication in literature has reported remarkable improvements in mechanical and electrical properties, compared to the bare polymers with a small portion of graphene filler, as crosslinker. But, an important point, the improvements intensely depend on distribution of graphene in polymer matrix and forming interfacial bondings between the graphene and host matrices. Hydrophilic polymer lead the graphene sheets to aggregate owing to interactions between the hydrophilic polymer chains and graphene layers. In contrast, graphene oxide, having oxygen based functional groups anchored on the surface, is more suitable with hydrophilic - organic polymers. However, oxygen based groups hinder intrinsic electrical properties of graphene. Hereby, grafting or intercalating of reduced - functionalized graphene oxide into polymer matrix is the most compatible option among all routes to improve its mechanical and electrical properties, simultaneously. This work has focused on fabrication of nickel oxide functionalized graphene oxide - polyacrylamide nanocomposites, (NiO/GO)n/PAAM, and investigation of their structural, mechanical, electrical properties and self-healing ability. The aim of this study is to observe the effect of nickel oxide functionalized graphene oxide (NiO/GO) amount on structural, mechanical, electrical properties and self-healing ability of nanocomposite samples and compare them with that of (BIS) crosslinked (PAAM) samples to determine the difference between (NiO/GO) and (BIS). In the first step, (NiO/GO)n/PAAM and (BIS)n/PAAM samples were fabricated by using in-situ polymerization of polyacrylamide in presence of (NiO/GO) and (BIS), seperately. Secondly, structural characterization of (NiO/GO)n/PAAM nanocomposite samples were investigated by FTIR analysis and XRD to confirm the nanocomposition and crystal structure occured. After structural correction, mechanical properties, electrical properties and self-healing abilities of (NiO/GO)n/PAAM nanocomposite samples were determined and discussed.
Karbon-alüminyum nanokompozitlerinin moleküler dinamik simülasyonu
Nanoscience and nanotechnology provide many research areas due to extraordinary properties of nanomaterials and nanocomposites. The most popular of these materials are mainly carbon based nanomaterials such as fullerene, nanotube and graphene as well as their composite structures formed with each other and other materials such as metals and polymers. Because of the fact that carbon nanomaterials have a high potential for new applications and a high possibility to improve current structures and systems, scientists investigate carbon structures to understand their properties and behaviors in a better way by both performing experiments and using computational methods and modelling. In this thesis, we investigate behaviors of two different nanostructures such as graphene coated aluminum and sandwich structure of aluminum, fullerene and graphene. To understand the characteristics of the structures, molecular dynamics simulations are performed under compressive and tensile loadings. Moreover, deformation behaviors of the nanostructures are observed by performing a common neighbor analysis. Firstly, we investigated the graphene coated aluminum nanostructure. The model of the nanostructure is created by a convergence of tensile analysis which is performed for different models with different dimensions and thicknesses. After determining the dimensions of the model, boundary conditions are applied as non-periodic simulation box and canonical ensembles at 0 K to accomplish static conditions. Tensile loading is simulated with a strain rate of 0.001 ps1 which is the value taken from literature. According to the result of the performed molecular dynamics simulation, elastic modulus and ultimate tensile stress of the structure and the pure aluminum is compared. Approximately 77.5% and 200% increase in elastic modulus and ultimate tensile stress is observed by graphene coating, respectively. Moreover, softening and hardening behaviors are observed for graphene coated aluminum nanostructure with higher failure strain value. Even though the tensile behavior is investigated, deformation characteristics are also examined for fully understanding of the nanostructure. Hexagonal close-packed atoms initiate the slip-slide mechanisms and undefined crystal structures move from graphene surface to the structure by the slip-slide mechanism. Because of that the density of atoms in undefined crystal structure is very high (i.e. 70% approximately), amorph behavior is observed. Thus, coated structure shows high resistance to the deformation and this resistance causes high tensile stress values under loading. Secondly, we investigated the aluminum-fullerene-graphene hybrid nanocomposite. In the model, fullerenes are merged in between two graphene sheets which are coated with an aluminum layer on both outer surfaces. For a detailed understanding of tensile and compressive behaviors, the effect of different fullerene types (i.e. C60, C80, C180, C240 and C320) are also observed. Periodic boundary conditions are applied to all dimensions of the structure. Welding of fullerenes to graphene layers is implemented to connection areas between fullerenes and graphene layers by a canonical ensemble at high temperatures. After welding, the ensemble is reduced to room temperature and applied to the entire structure. Tensile and compressive loadings are applied at different strain rates (i.e. 0.5, 0.3, 0.1, 0.05 and 0.005 ps1) to examine the effect of loading rate. From results for the compressive response, maximum and minimum stress values are 175 GPa and 85 GPa at 0.5 strain for the models C60 and C320, respectively. Due to the homogeneity of the structures, densification process shows differences and stress values differ from the model C60 to C320. The strain rate of the loading effects the characteristics of the structure. As a result of the change in the strain rate, hardening and softening regimes occur within densification process. While compression continues, body-centered cubic structure density increases under loading and to the end of the simulation these structures transform into the hexagonal close-packed structure. According to results for the tensile response, maximum and minimum stress values are 4.8 GPa and 2.5 GPa at 0.5 strain for the models C60 and C320, respectively. Similar to compressive response, tensional behavior shows differences and stress values differ from the model C60 to C320 because of homogeneity. The effect of the strain rate which causes hardening and softening regimes is observed. Deformation of the structure starts from the areas under and over the fullerenes where there is no graphene layer to hold the aluminum atoms. The undefined crystal structure is the dominant deformation structure during tensile loading.
Mechanical behaviour of nanoporous metals reinforced with carbon based nanomaterials
Nanomaterials have gained attention as nano-science and nanotechnology improves. Nanoporous (np) metals have attracted considerable attention owing to their cellular morphological features at atomistic scale which yield ultra-high specific surface area awarding a great potential to be employed in diverse applications such as catalytic, electrocatalytic, sensing, mechanical and optical. As one of the carbon based nanostructures, fullerenes, nanoribbons and CNTs are also another type of outstanding nanomaterials that have been extensively investigated due to their remarkable chemical, mechanical and optical properties. In this study, the idea of improving the mechanical behavior of nanoporous metals by inclusion of the carbon based nanomaterials, which offers a new metal-carbon nanocomposite material, is examined and discussed. With this motivation, tensile and compressive mechanical behavior of nanoporous metals reinforced with carbon based nanomaterials is investigated by classical molecular dynamics (MD) simulations. Atomistic models of the nanoporous metals with ultra-thin ligaments are obtained through a stochastic process simply based on the Voronoi tessellation which has been used previously in literature. According to this technique, quasi-random points are created that depends on determined distance and volume. Voronoi volumes or surfaces are obtained by using these points with Voronoi tessellation method and line segmets occur. Then, the line segments are turned into volumetric structure. Afterwards, this volumetric structure is filled with gold atoms. Therefore, np atomic skeleton are obtained. Finally, carbon based nanomaterials are added into the cellular voids to obtain final atomistic configurations for the numerical tensile and compressive tests. Several numerical specimens are prepared with different type of carbon based nanomaterials such as CNTs, nanoribbons and, fullerenes per cell. LAMMPS (Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator) code was used to perform classical MD simulations to conduct uniaxial tension and compression experiments on np models filled by carbon based nanomaterials. The interactions between the metal atoms are modeled by using embedded atomic method (EAM) while adaptive intermolecular reactive empirical bond order (AIREBO) potential is employed for the interaction of carbon atoms. Furthermore, atomic interactions between the metal and carbon atoms are represented by Lennard-Jones potential with appropriate parameters. In conclusion, the ultimate goal of the study is to present the effects of carbon based nanomaterials embedded into the cellular structure of np metals on the tensile and compressive response of the porous metals. The results are believed to be informative and instructive for the experimentalists to synthesize hybrid nanoporous materials with improved properties and multifunctional characteristics.
Aluminyum matrisli B4C takviyeli kompozit kaplamanın soğuk gaz dinamik püskürtme yöntemiyle üretilmesi ve mekanik özelliklerinin incelenmesi
Alüminyum malzemeler yüksek korozyon dirençleri, termal iletkenlik özellikleri ve yüksek spesifik mukavemetleri ile günümüzde birçok alanda tercih edilmektedir. Özellikle yüksek spesifik mukavemetleri (mukavemet/ağırlık) ile günümüzde otomativ ve havacılık sektöründe demir esaslı malzemelerin yerini almaktadır. Bu üstün özelliklerinin yanında düşük sertlik ve düşük aşınma direnci gibi özelliklerinden dolayı , sürtünme ve aşınmanın yoğun olduğu tribolojik uygulamalarda alüminyum kullanımı istenilen düzeyde olamamaktadır. SGDP yöntemi, 1980'li yıllarda Rus bilim adamı Prof. Anatolii Papyrin ve arkadaşları tarafından keşfedilmiştir. SGDP yöntemi prensip olarak, toz partiküllerinin taşıyıcı bir gaz yardımıyla yüksek hızlarda bir altlık üzerine püskürtülmesi prosesidir. Bu yöntemde tozlar, ultrasonik hızlarda ve düşük sıcaklıkta hedef altlık üzerine püskürtülmek suretiyle biriktirilir. Aşınma ve sürtünmenin yoğun olduğu ortamlarda yüksek sertlik ve aşınma direnci gösteren malzemelerin kullanımı gerekmektedir. Bu tip uygulamalarda en yaygın kullanılan malzemelerden birisi de bor karbür (B4C)'dür. Yüksek sertliği, yüksek korozyon direnci ve yüksek sıcaklıklarda bile kullanılabilir olması ile B4C, hem mekanik hem de tribolojik performans beklenen uygulamalarda beklentileri karşılamaktadır. Bu nedenle genellikle farklı malzemeler ile birlikte destek malzemesi olarak kullanılmaktadır. Özellikle metal matrisli kompozit malzemelerde en sık kullanılan destek malzemelerinden birisidir. Bu çalışmanın amacı, Soğuk Gaz Dinamik Püskürtme (SGDP) yöntemi ile aşınma direnci yüksek alüminyum matrisli B4C takviyeli kompozit kaplamaların üretilmesidir. Bu amaç doğrultusunda, alüminyum ve bor karbür tozları farklı hacim oranlarında karıştırılarak, 6061 kalite alüminyum altlık üzerine kaplanmıştır. Kaplanan numuneler daha sonra mikroyapı incelemeleri ve faz analizleri ile incelenmiş, sertlik ve aşınma testlerine tabii tutulmuştur. Böylece SGDP yöntemiyle oluşturulan alüminyum matrisli B4C takviyeli kaplamaların farklı aşınma koşullarındaki aşınma davranışları incelenerek, B4C katkısının ve aşınma ortamının bu kaplamaların aşınma özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Yapılan çalışmalar ve analizler göstermiştir ki, SGDP yöntemi ile alüminyum ve B4C takviyeli alüminyum kompozit kaplamalar başarılı bir şekilde yapılabilmektedir. Yapılan kaplamalara uygulanan aşınma testleri sonucunda B4C katkısının alüminyum kaplamalarda sürtünme katsayısını düşürdüğü ve aşınma direncini arttırdığı görülmüştür. Kuru ve ıslak ortamda yapılan testler sonucunda kaplamaların, ıslak ortamda daha az aşındığı görülmüştür. Suda yapılan aşınma testleri sonucunda, B4C takviyesinin alüminyum kaplamaların aşınma direncini 26 kata kadar arttırdığı görülmüştür. Ayrıca numunelere 45℃ sıcak suda aşınma testleri yapılarak sıcaklığın ıslak ortam aşınma performansına etkisi incelenmiştir. Kaplamaların sıcak suda normal suya göre daha az aşındıkları tespit edilmiştir.
Development of multi-layer conductive polymer nanocomposites for electromagnetic shielding application
Nowadays, due to requirement of humanity and technology, development of new multifunctional material researches have been receiving a revitalized interest. Academical, commercial, economical and ecological participants of nano technology, surface science, polymer technology and material science have been congregated for developing multifunctional materials for next generation applications. Multi layer nano-particle polymer composites exhibits several benefits like widely exchangeable properties due to polymer or particle type and obtaining multifunction on unique material such as conductivity, thermal resistivity, electrochemical and electromagnetic shielding efficiency. Therefore, multi layer nanoparticle-polymer composites and their coating on substrates researches have mostly interest for many applications such as conductive nanocomposite based materials, conductive textiles, electromagnetic shielding materials, paints, dyes, medical and biomaterials, sensors multilayer ceramic capacitors, and holographic memory materials. Electromagnetic shielding problem has emerged as a result of enormous and sophisticated increase in the application of electronic devices and equipment. Therefore electromagnetic waves have been one of the most important research areas for many multidisciplinary researches during the past decades because of their negative effects on the living tissues and electronic systems. For decades, many studies have been designed with a variety of ferroelectric/magnetic core particles such as gold, silver, titanium dioxide, ferrite, etc. for improving electrical, magnetic, thermal and mechanical properties of produced materials. Ferroelectric materials could emit electromagnetic radiations due to polarization process. Lead-based ferroelectric materials have excellent properties, however they are restricted for health and environmental issues due to their toxicity. Due to ferroelectric properties and high dielectric constant barium titanate (BaTiO3) should be used for developing electromagnetic shielding materials. Nano sized BaTiO3 is a ferroelectric material with high dielectric constant, high permittivity and a large propagation constant leading to a high value of attenuation constant due to the exploitation of the pronounced surface area to volume ratio. On the other hand , due to the bandwidth of the barium titanate, the value of the reflection loss is no more satisfactory. If BaTiO3 can be coated with conductive polymers, both the physiochemical properties and the electromagnetic shielding performance are expected to be improved. Conducting polymers are widely used in new material applications, since discovery of their inherent electrical conductivity due to conjugated system, which is closely connected to the charge transfer rate and electrochemical redox efficiency. Pyrrole derivatives were chosen in this study because, it can be dissolved in water and has high reaction efficiency, electrical conductivity (to 100 S/cm in doped form) and low oxidation potential. The addition of inorganic fillers to conductive polymers modifies desirable properties but this procedure often leads to poor processability and deteriorated mechanical properties. The conductivity and other desirable properties can be enhanced by adding another layer which has large manufacturing are, flexibility, and cost effectiveness. In this thesis BaTiO3 nanoparticles have been used as core to obtain high absorbing shielding material by combination with polypyrole derivatives, in order to enhance conductivity, thermal and electrochemical properties of conductive polymers. Also, Acrylonitrile (AN) copolymer has been chosen as shell material in this structure to improve processability and flexibility, so these structures can be used in textile industry. Copolymers of (AN) have found great interest for the different high-performance products applications as fibres, thin films and composites in conventional and technical textiles, polymer electrolytes, coating, adhesive and plastic industries. There are several methods for generating multi layer nanoparticle-polymer composites. Core-shell nanostructures have widely received attention because the material properties can be enhanced independently from core or shell contents properties; like electrical, mechanical, thermal and electrochemical properties. Core shell structures can be synthesized with different methods, but in this system emulsion polymerization technique has been chosen due to such desired properties; easy process control, water usage as solvent which make process environmentally friendly, additives can easily be used and there is a broad range of design possibilities. Emulsion polymerization is propagated in micelles and micro emulsion technique allows particles to transfer into spherical aggregates through the surfactant template. So firstly ceramic nanoparticles dispersed in the aqueous surfactant solution by stirring vigorously which is important for micro emulsion polymerisation. Also surfactant was used to improve the physical properties of polymers such as conductivity, stability, solubility in solvents and processability. In this thesis, three different publications are presented, which are respectively based on synthesis and characterization of polypyrrole derivatives –BaTiO3- polyacrylonitrile-co-methacrylate [P(AN-co-MA)] core shell nanocomposites by in-situ emulsion polymerization in the presence of dodecylbenzene sulfonic acid (DBSA) surfactant and then investigation of their electrical conductivity and electrochemical behaviour. In the last part of the thesis electromagnetic shielding efficiency of the coated fabrics were investigated due to obtained conductivity and capacitive behaviour of these nanocomposites. The first section of the thesis is about the preparation and characterization of core shell nanocomposites. Preliminary studies were performed for finding optimum conditions, derivatives, ratios to obtain best yield and conductivity. As a result of this step Pyrrole (Py) and Tert- butyl 1- pyrrole- carboxylate (TBPy) monomers were chosen and the best conditions were obtained. Then emulsion polymerization method was used to synthesize [P(AN-co-MA)] by using ammonium per sulphate (APS) in the aqueous medium. Lastly [P(AN-co-MA)]/ PPy derivatives core–shell nanoparticles were obtained by in situ emulsion polymerization process. At the last step of this section BaTiO3 -[P(AN-co-MA)], BaTiO3–PPy and PTBPy nanocomposites were synthesized by in-situ emulsion polymerization .Then particle size, yield, crystalline structure (XRD), chemical structure (FT-IR ATR) (Raman) (UV-Vis), morphology (SEM-EDX, TEM) and thermal properties (DSC, TGA), of the nanocomposites were fully characterised. Uniform particle size distributions of the nanocomposites were obtained. The size of the nanocomposites decreased with the increase of PPy and PTBPy concentrations. The spectroscopic characterizations during the formation of (BaTiO3-[P(AN-co-MA)]-PPy) and (BaTiO3- [P(AN-co-MA)]-PTBPy) nanocomposites demonstrated that there is a strong interaction between the [P(AN-co-MA)]-PPy and BaTiO3 and also [P(AN-co-MA)]-PTBPy and the BaTiO3. The morphological characterizations of the nanocomposites were indicated that efficient coverage was occurred for BaTiO3 nanoparticles with polymer shell. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) and electrical conductivity study of synthesised nanocomposites were performed in the second section of the thesis for investigation of individual effects of BaTiO3, PPy, PTBPy, and [P(AN-co-MA)] on obtained nanocomposite conductivity and electrochemical behaviour. (EIS) and equivalent electrical circuit modelling (ECM) were used to investigate the changes in electrical properties of nanocomposites in the presence of BaTiO3, [P(AN-co-MA)], PPy and PTBPy. ECM describes the electrochemical properties and simulates the impedance behaviour of the nanocomposites with charge transfer resistance (Rct), double layer and specific capacitance values of nanocomposites by usage of EIS data. The EIS data suggested that PPy nanocomposites act like capacitors and that capacitance values of nanocomposites were increased with BaTiO3, and conductivity increased due to the interaction between P[AN-co-MA] and BaTiO3. On the other hand, capacitance values of PTBPy nanocomposites were increased with P[AN-co-MA] and BaTiO3. The ECM was utilised using experimental EIS spectral data, and an excellent agreement between experimental results and the parameters was observed with Chi-square (χ2) around 10−3. The increase in total Rct value was found to be dependent on the size and surface area of nanoparticles. The conductivities of the nanoparticle containing solutions indicated that conductivity results have been enhanced by the addition of BaTiO3, PPy and PTBPy. Further, atomic force microscope (AFM) measurements illustrated that BaTiO3-P[AN-co-MA]-PPy nanocomposites show a good ordering of the aggregates and nodules with semi-circular shapes. In the last section of thesis, PPy was deposited separately on BaTiO3, BaTiO3-[P(AN-co-MA)] nanocomposite-coated fabrics by an in-situ chemical polymerization process. Electromagnetic Shielding Effectiveness (EMSE), electrical conductivity, chemical structure, colour measurements and morphology of fabrics were fully characterized and systematically studied for investigation of individual effects of BaTiO3, PPy and BaTiO3-[P(AN-co-MA)] on obtained fabrics' conductivity and shielding behaviour. Shielding properties were measured according to the ASTM D4935-10 protocol, in the frequency range of 15–3000 MHz which includes cell phone, wireless and other electronic equipment working frequency. PPy-coated fabrics showed the highest EMSE performance at 2000-2300MHz. The fabric conductivity values indicated that the use of BaTiO3 enhanced conductivity and PPy-BaTiO3 coated fabrics more conductive than PPy-coated fabrics. Conductivity increased due to the relationship between PPy and BaTiO3-P[AN-co-MA]. Because of high electrical, capacitive and shielding properties, these synthesized nanocomposite based materials can be used in technical textiles such as covering materials of baby rooms, sensitive laboratories or other working areas such as carpets, curtains, military cloths, and radar absorbing materials.
Termoplastik kaplı sürekli cam elyaf takviyeli kompozit ip üretimi ve uygulama alanlarının araştırılması
Bu tez çalışmasının ilk amacı sürekli elyaf takviyeli termoplastik kompozit ip üretim prosesinin masaüstü prototipini tanıtmaktır. Diğer amaç ise polilaktik asit (PLA), termoplastik poliüretan (TPU), polietilen tereftalat glikol (PET-G) kaplı cam elyaf kompozit iplerin çekme dayanımı gibi mekanik özelliklerini inceleyerek endüstride amaca uygun kullanılabilirliğini araştırmaktır. Kompozit iplerin kaplanabilmesi için maksimum çalışma sıcaklığı 300°C olan ve 250-660 mm/dak ekstrüzyon hızında çalışabilen 120W masaüstü filament ekstrüder kullanılmıştır. Kaplanma işlemi sırasında kompozit ipleri bobine sarabilmek için 60W nominal güce, 1350 dev/dak hıza, tork arttırıcı redüktöre ve hız kontrol ünitesine sahip (0–135 dev/dak) bir AC motor kullanılmıştır. Kompozit ip üretiminde elyaf olarak 300 tex, 600 tex ve 1200 tex lineer yoğunluğa sahip sürekli E-cam elyaf, reçine olarak ise polilaktik asit (PLA), termoplastik poliüretan (TPU) ve polietilen tereftalat glikol (PET-G) kullanılmıştır. Süreç sonunda çapları Ø0.52 mm–Ø1.16 mm aralığında, fiber hacim oranları %31–%53 aralığında ve yoğunlukları 1.610 g/cm³–1.919 g/cm³ aralığında 9 farklı kompozit ip üretimi yapılmıştır. Test edilen sürekli cam elyaflar ortalama 1025 MPa'lık yüksek bir çekme mukavemetine ve 20300 MPa'lık bir elastikiyet modülüne sahip olmasına rağmen, kırılgan davranış göstermişlerdir. Termoplastik malzemeler ile kaplandıktan sonra sürekli cam elyafların çekme mukavemetinde ortalama %48'lik (533 MPa) ve elastisite modülünde %64'lük (7318 MPa) azalma elde edilmiştir. Bununla birlikte kompozit iplerin kırılganlığı, uzama oranındaki ortalama %53'lük bir artış ile önemli ölçüde azalmıştır. Çalışma sonunda elde edilen veriler, PLA, TPU ve PET-G kaplı cam elyaf takviyeli kompozit iplerin endüstride amaca uygun olarak kullanılabilirliği açısından umut vericidir.
Karbon ve bazalt takviyeli kompozitlerde silisyum dioksit nanopartikül katkısının mekanik özelliklere etkisinin incelenmesi
Kompozitlerde istenilen mekanik özellikleri sağlamak adına kullanılan takviye elemanının yapısı ve cinsi önem arz etmektedir. En çok kullanılan takviye elemanları ise yüksek performans liflerinden elde edilen dokuma kumaşlardır. Aynı zamanda kompozitten yüksek performans elde etmek için bu takviye elemanlarına ek nanopartiküllerin kullanımı da mevcuttur. Dokuma kumaş yapısının ve malzemesinin farklılaşmasıyla, kullanılan nanopartikülün bu değişimlere etkisi incelenmesi gereken bir konu olmuştur. Bu çalışmada takviye kumaşı olarak farklı kumaş alan kütlelerinde bezayağı desen karbon dokuma kumaşlar ve aynı kumaş alan kütlelerinde bezayağı desen bazalt dokuma kumaşlar kullanılmıştır. Nanopartikül olarak ise silisyum dioksit kullanılmıştır. Ardından vakum infüzyon yöntemi ile oluşturulan kompozit parçalar çekme, üç nokta eğilme ve izod darbe deneylerine tabii tutulmuştur. Yapılan tüm deneylerde silisyum dioksit nanopartikülünün etkisi en iyi, alan kütlesi 200 g olan karbon kumaş takviyelilerde görülmüştür. Bu kumaşlardan yapılan kompozitlerde vakum infüzyon yöntemi, elyaf/reçine arayüzlerinde daha optimum silisyum dioksit bulundurmasına yardımcı olmuştur. Kumaş alan kütlesi 245 g olan karbon kumaşın daha yoğun, 200 g olan bazalt kumaşın ise daha boşluklu kumaş yapısına yapıya sahip olması vakum infüzyon yöntemi ile bu etkinin oluşmamasına neden olmuştur. Silisyum dioksit olmayan karbon kumaşlardan oluşturulan kompozitlerde, alan kütlesinin artması çekme dayanımını düşürmüş olup eğilme ve izod darbe dayanımını artırmıştır. Dokuma sıklığı arttığı için bu etki gözlemlenmiştir.