Modeling and testing the flexural behaviour of a CFRP pre-impregnated composite in its molten configuration

Gelişen teknolojiyle birlikte mevcut olan malzemeler yetersiz kalmış ve birçok özelliği aynı anda barındıran malzemelere ihtiyaç duyulmuştur. Aslında çok eski zamanlardan beri kullanılmakta olmasına rağmen, günümüzde bilinen anlamıyla kompozit malzemeler bu ihtiyacı karşılamak amacıyla ortaya çıkmış ve yaygın olarak kullanılan malzemeler gruplarından olmuşlardır. İki ya da daha fazla sayıda birbirinden farklı malzemenin makroskobik boyutta bir araya gelmesiyle elde edilen kompozit malzemeler, birbiri içerisinde çözünmemekte ve herbir malzemeden gelen özellikleri bir arada barındırmaktadır. Temel olarak matris adı verilen, malzemeyi bir arada tutmaya ve desteklemeye yarayan malzeme ile takviye malzemesi olarak adlandırılan ve taşıma görevini üstlenen malzemeden oluşan kompozit malzemeler üstün özellikleri sayesinde günümüzde hemen hemen her alanda kullanılmaktadır. Bu tez kapsamında hem elastik hem de viskoelastik özellikleri bir arada barındıran prepreg malzeme için bir malzeme modeli geliştirilmiş ve geliştirilen modeli gerçeklemek amacıyla da teze paralel olarak Münih Teknik Üniversitesi Karbon Kompozit Enstitüsü (TUM, LCC) laboratuvarında çekme testi yapılmıştır. Prepreg malzemeler sahip olduğu üstün özellikleri sayesinde başta havacılık, uzay, askeri, denizcilik, spor alanları olmak üzere, gelişmiş malzemelere ihtiyaç duyulan birçok alanda kullanılmaktadır. Tez kapsamında öncelikli olarak malzeme belirlenmesi kararlaştırılmış ve prepreg malzeme olarak Celstran® CFR-TP PA6 CF60-01 seçilmiş olup bu malzeme ile ilgili detaylı bilgiler Ek-A da verilmiştir. Piyasadan satın alınan malzeme istenilen numune boyutuna ulaşabilmek için öncelikli olarak tigersawing makinası kullanılarak dikey kesitlere bölünmüştür. Elde edilen kesitler testere yardımıyla yatay parçalara ayrılmıştır. El yordamıyla yapılan kesimde insandan kaynaklı hata olasılığı çok yüksek olduğunda numune için istenilen boyut, disc sander makinasıyla verilmiş ve tüm bu işlemler Münih Teknik Üniversitesi Karbon Kompozit Enstitüsü Kompozit Test Laboratuarında gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan numune 10.3177x6.355x0.985 mm boyutlarındadır. Malzemenin belirlenmesinin ardından ikinci aşama olarak çekme testi yapılmış ve elde edilen sonuçlara göre viskoelastik malzeme tanımlanmıştır. Prepreg malzemelerin özelliklerinin belirlenmesinde çok çeşitli mekanik testler kullanılmakta olup Dinamik Mekanik Analiz (DMA) testi polimer ve polimer esaslı kompozit malzemelerin termo – mekanik özeliklerinin belirlenmesinde yaygın olarak uygulanmaktadır. DMA testinde, daha önceden belirlenmiş bir birim uzama miktarı numuneye uygulanır ve sonucunda oluşan kuvvet ve yer değiştirmeler algılayıcılar yardımıyla ölçülür. Sonrasında uygun denklemler kullanılarak gerilme değeri elde edilir. Tez kapsamında yapılan çekme testinde prepreg malzeme önce 280oC sıcaklığa dek ısıtılmış ve aynı sıcaklıkta 10 dk bekletilmiştir. Malzemenin ısıtıldığı sıcaklık, erime noktasının üzerinde olduğundan malzeme yumuşaktır. Sonrasında genliği 0.05 N/dk olan kuasi-statik kuvvet 1N değerine ulaşana dek liflere dik doğrultuda uygulanmış ve elde edilen veriler yardımıyla gerilme – birim uzama grafiği elde edilmiştir. Deney sonuçlarına bakılacak olursa grafiklerin ilk 3.49s lik bölümü farklılık göstermektedir. Bunun sebebi makina hatası olup deneyin ilk saniyelerinde makina sağlıklı sonuçlar verememekte ya da gerekli kuvveti uygulayamamaktadır. Bu sebepten dolayı deney sonuçları 3.4902 saniye geçikmeli olarak yeniden çizdirilmiş ve bu grafikler esas alınmıştır. Çekme testi sonucunda elde edilen ve viskoelastik malzemelerin tanımlanmasında kullanılan deformasyon, kuvvet, gerilme ve birim uzama gibi parametrelerin belirlenmesinin ardından viskoelastisitenin tanımlanmasında yaygın olarak kullanılan Prony birimsiz gevşeme modülü serisinin kullanılması daha önce yapılan literatür araştırmaları sonucunda uygun görülmüştür. Prony serisi katsayıları çekme testi, sürünme ya da gevşeme testi sonucunda elde edilen gerilme - birim uzama grafiği ile belirlenmektedir. Bu eğri gerilmenin birim uzamaya zamana göre oranı olarak düşünülmektedir. Gevşeme modülünü birimsiz hale getirmek için, elde edilen değer başlangıç anında aldığı değere (örneğin t=0 anındaki) bölünür. Kullanılacak olan viskoelastik model tanımlanmasının ardından, üretilen modelin elastik özellikleri (Elastiklik Modülü ve Poisson Oranı) Münih Teknik Üniversitesi Karbon Kompozit Enstitüsünde (TUM LCC) yapılan deneyler sonucunda elde edilen verilerden elde edilmiştir. Bu tez kapsamında üretilen son modelin elastik ve viskoelastik malzeme özellikleri yapılan deneyler sonucunda elde edilen veriler ile belirlenmiştir. Deney sonuçlarının elde edilmesinin ardından tezin üçüncü aşaması olan modelleme kısmına geçilmiş ve bilgisayar ortamında malzeme modeli oluşturulmuştur. Yapılan testlere ek olarak bilgisayar ortamında modelleme de pek çok araştırmacının ilgisini çekmiş ve dünyanın çeşitli yerlerinde birçok araştırmacı tarafından geliştirilmeye çalışılmaktadır. Simülasyon ya da diğer adıyla bilgisayar ortamında modelleme, gerçek hayatta olan sistemlerin bilgisayar ortamında modelinin oluşturulması olup günümüzde yaygın bir şekilde kullanılmakta ve gelişen teknoloji ile de her geçen gün yaygınlaşmaktadır. Gerçek hayatta yapılması çok uzun zaman alan ve çok pahalıya mal olan deneyler, bilgisayar ortamında modellenerek yapılmakta ve böylece hem zamandan hem de maliyetten tasarruf sağlanmaktadır. Bu amaçla ticari bir sonlu elemanlar analizi yazılımı olan ABAQUS (Dassult Systems) kullanılmış ve kuasi - statik çekme testi modeli bu programda geliştirilmiştir. Malzemenin doğrusal viskoelastik özelliklerinin kullanılmasında Paralel Reolojik Sistem ya da diğer ismiyle Genelleştirilmiş Maxwell Modelinin kullanılması uygun görülmüştür. Genelleştirimi Maxwell modeli ile polimer ve elastomer malzemelerin büyük deformasyonları ile doğrusal olmayan viskoz davranışları açıklanabilir. Bu modelde malzeme çok sayıda ağın paralel olarak birleştirilmesiyle oluşturulmaktadır. ABAQUS modelinde kullanılan numune, gerçek numune ile birebir aynı boyutlarda modellenmiş ve üst yüzeyi ankastre sınır koşulları, alt yüzeyi ise tıpkı gerçek deneyde olduğu gibi çekme kuvvetlerine maruz bırakılmıştır. Numune 6 farklı şekilde modellenmiştir. Model1 de numune 3 boyutlu şekil değiştirebilen plaka olarak modellenmiş, standart, doğrusal elemanlar kullanılmış ve kuvvet uygulanarak yer değiştirme ölçülerek gerilme hesaplanmıştır. Model2 de kuadratik eleman tipi kullanılmış, numuneye kuvvet uyulanmış ve yer değiştirme sonucu elde edilmiştir. Doğrusal eleman tipi kullanılan Model3 e yer değiştirme uygulanmış ve analiz sonucunda elde edilen kuvvet değerlerinden gerime hesabı yapılmıştır. Model4 tıpkı Model3 gibi modellenmiş olup farklı olarak kuadratik eleman kullanılmış ve aynı yöntem izlenmiştir. Model5, Model1 in doğrusal elastik malzeme modeli ile modellenmiş versiyonu olup detaylı bilgi tez içerisinde verilmiştir. Son model olan Model6 ise Model1 deki gibi modellenmiş olup elastistiklik modülü farklıdır. Bu modelde de sisteme kuvvet uygulanmış ve oluşan yer değiştirme miktarları kullanılarak gerilme değerine ulaşılmıştır. Her bir model için gerilme - birim uzama grafikleri elde edilmiş ve gerçek deney sonuçları, simülasyon sonuçları karşılaştırılmıştır. Tezin sonuç bölümünde deney sonuçları ile simülasyon sonuçları tartışılmıştır. Modellerin bu grafikleri kullanılarak deney sonuçlarıyla yakınsamasına bakılmış ve en uygun modelin Model6 olduğu görülmüştür. En uygun modelin nasıl seçildiğine, hangi ölçütlerin göz önünde bulundurulduğuna dair detaylı bilgiler tezin sonular bölümünde verilmiştir. Özetle tüm modeller göz önünde bulundurulduğunda doğrusal eleman kullanılan modellerin kuadratik eleman kullanılanlara göre daha iyi sonuçlar verdiği, analizde giriş değeri olarak kuvvet değeri vermenin daha uygun olduğu kararına varılmıştır. Bu tez toplamda 5 bölümden oluşmakta olup, 1. bölümde tezin amacı anlatılmış, ve viskoelastisite, Dinamik Mekanik Analiz (DMA) ve prepreg malzemeler hakkında bilgiler verilmiştir. Tezin 2. Bölümünde numune hazırlanması ve yapılan çekme testi anlatılmış, deney sonucunda elde edilen veriler verilmiştir. 3. Bölümde çekme testi simülasyonu ve modellenmesi anlatılmıştır. Tezin 4. Bölümünde elde edilen deneysel verilerle modelleme sonucunda elde edilen sonuçlar karşılaştırılmış ve son bölümde de tezde yapılan işlemler özetlenmiş ve gelecekte yapılabilmesi muhtemel işlemler hakkında bilgi verilmiştir.