Kumaş takviyeli hibrit kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi ve iyileştirilmesi

Çeliğin keşfinden bu yana, metal malzemeler, mühendislik uygulamaları için en çok tercih edilen malzeme türleri olmuştur. Fakat günümüzde birçok uygulama alanında yüksek spesifik mekanik özelliklere, yüksek rijitlik/ağırlık oranına ve yüksek mukavemet/ağırlık oranına sahip malzemelere karşı artarak devam eden ihtiyaçların neticesinde yapılan araştırmalar, yeni ve üstün nitelikli kompozit malzemelerin ortaya çıkmasına ön ayak olmuştur. Kompozit yapılar çoğu zaman alaşımlarla karıştırılsa da aslında alaşımlardan tamamen farklıdırlar. Malzemeler kompozit yapılarda makroskopik olarak birleştirilirken, alaşımlarda mikroskopik olarak birleşmektedirler. Bu nedenle, alaşımlar makroskopik boyutlarda homojen bir görünüm sergilerken, kompozitler homojen olmayan görüntüdedirler. Ayrıca, kompozit yapılardaki her bir bileşen kendi mekanik, kimyasal ve fiziksel özelliklerini korur. Gelişmiş kompozit malzemeler, askeri, sivil havacılık uygulamaları, otomotiv endüstrisi ve ulaşım gibi birçok farklı alanda kullanılmaktadır. İleri uygulamalarda kullanılan kompozit yapıların birçoğunun tekstil takviyeli kompozitler olması da önemli bir gerçektir. Bu çalışmanın ilk amacı mekanik özellikleri geliştirilmiş yeni nesil hibrit bir kompozit yapı oluşturmaktır. İki veya daha fazla farklı lif türü içeren bir hibrit yapı kullanıldığında, bir lifin istenen özellikleri diğerinin istenmeyen özelliklerini yok etmektedir. Sonuç olarak, uygun malzeme tasarımı ile performans ve maliyet dengesi elde edilebilmektedir. Ayrıca lif-matris arayüzünün, tekstil takviyeli kompozitlerin mekanik performansında belirgin bir role sahip olduğu bilinmektedir. Bu katkı esas olarak arabirimin yükleme esnasında matristen takviye malzemesine mekanik yük transfer edebilme yeteneği ile ilgilidir. Literatürden, kompozitlerin uzun süreli performansı ve yorulma ömrünün lif-matris arayüzünde meydana gelen mikromekanik hasar süreçleri tarafından etkili bir şekilde kontrol edildiği görülmüştür. Bu doktora tezi kapsamında takviye malzemesi olarak üç farklı dokuma kumaş (jüt, E-camı ve karbon) ve matris malzemesi olarak da polyester reçine kullanılarak vakum infüzyon yöntemi ile hibrit kompozit yapılar elde edilmiştir. Malzeme seçiminde E-camı ve karbon kumaş kullanılarak mekanik özelliklerin iyileştirilmesi amaçlanırken jüt kumaş eklenerek maliyetin düşürülmesi hedeflenmiştir. Ayrıca, tekstil takviyeli kompozitlerle ilgili önceden yapılmış olan çalışmalarda genel olarak lif ve tek yönlü yapıların kullanıldığı görülmüştür. Bu çalışmada ise onlardan farklı olarak daha iyi darbe dayanımı ve daha stabil bir yapı göstermesinden dolayı dokuma kumaş yapısı tercih edilmiştir. Bu malzemeler ile birlikte ilk olarak, üç adet tek tip lif içeren dört katlı kumaş takviyeli kompozit yapılar ve bu üç farklı kumaşın ikili kombinasyonları şeklinde dokuz adet dört kat kumaş takviyeli hibrit kompozit malzemeler üretilmiştir. Üretilen bu oniki farklı kompozit yapının boşluk oranları, mekanik özellikleri (çekme ve darbe dayanımı) ve termal özellikleri (dinamik mekanik analiz, termogravimetrik analiz ve diferansiyel taramalı kalorimetri analizi) incelenmiştir. Önceden yapılmış çalışmalar incelendiğinde, tekstil takviyeli kompozitlerin mekanik özelliklerinin araştırıldığı bir çok çalışma olduğu görülmektedir. Bu çalışmalarda, takviye malzemelerini (farklı lif tipleri) ve kullanılan bu malzemelerin sıralımlarını değiştirerek bu faktörlerin mekanik özellikler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Gerçekleştirilmiş olan bu tez kapsamında ise, farklı lif tipi ve kumaş sıralımlarının yanı sıra dokuma kumaşlar için önemli bir faktör olan kumaşın atkı ve çözgü yönü de göz önünde bulundurularak testler her iki yönden alınan numunelerle gerçekleştirilmiş ve elde edilen sonuçlar bu iki yönden alınan numunelerin birbirinden oldukça farklı mekanik özellikler gösterdiğini gözler önüne sermiştir. Literatürde bugüne kadar takviye malzemesinin atkı ve çözgü yönlerini dikkate alarak yapılmış çalışmaya rastlanmaması tekstil takviyeli kompozitler alanında önemli bir eksikliğin olduğunu göstermektedir. Üretilecek olan kompozit numunelerin otomotiv sektöründe kullanıma uygun olacağı düşünüldüğünden bu malzemelere mekanik testler dışında termal analizlerin de yapılmasının uygun olduğu sonucuna varılmıştır. Otomobillerin çalışması esnasında iç aksamlarda oluşan sıcaklık artışının malzemenin yapısına ve termo-mekanik özelliklerine ne derece etkide bulunduğunu anlamak amacıyla bu testler gerçekleştirilmiştir. Elde edilen mekanik test sonuçları, en yüksek çekme dayanımının karbon kumaş takviyeli kompozit yapı ile elde edildiğini gösterirken, en yüksek darbe dayanımına ise E-camı takviyeli kompozit malzeme ile ulaşıldığını ispat etmiştir. Jüt kumaş takviyeli numune ise her iki test sonucunda da en düşük değerleri elde etmiştir. Hibrit numuneler incelendiğinde ise, çekme dayanımı testlerinde en iyi sonuçların çekme dayanımı daha yüksek olan kumaşların kompozit yapının dış katmanlarına yerleştirildiği konstrüksiyonlarla elde edildiği görülürken, darbe dayanımında ise bunun tam tersi olarak darbe dayanımı yüksek olan kumaşların kompozit yapının iç katmanlarına yerleştirildiği numunelerle yüksek darbe dayanımı elde edildiği anlaşılmıştır. Elde edilen bu sonuçlardan sonra tez çalışmasının ikinci kısmında ise nano dolgu malzemelerinin üretilen bu kompozit yapıların mekanik ve termal özelliklerine etkisi incelenmiştir. Bu çalışmada, nano dolgu malzemesi olarak mükemmel mekanik, elektronik ve termal özelliklerin kombinasyonuna sahip olan karbon nanotüpler tercih edilmiştir. Kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini geliştirmek için önceden yapılmış olan çalışmalarda en çok kullanılan çok duvarlı karbon nanotüp (ÇDKNT) tipinin saf ÇDKNT olduğu görülmüş ve ayrıca hidroksil ve karboksil fonksiyonel grubu eklenmiş ÇDKNT'lerle ilgili yapılmış hiç bir çalışma olmaması dikkat çekmiştir. Farklı fonksiyonel grup içeren ÇDKNT'lerin saf ÇDKNT'e göre mekanik özelliklere ne oranda etki ettiğini belirlemek amacıyla bu tez kapsamında nano dolgu malzemesi olarak saf ÇDKNT, ÇDKNT-OH ve ÇDKNT-COOH kullanılmıştır. Önceden üretilmiş olan oniki farklı konstürksiyona bu üç nano takviye malzemesi de eklenerek otuz altı kompozit numunesi daha üretilmiştir. Üretilen bu otuz altı numunenin de mekanik ve termal analizleri yapılarak sonuçlar nano takviye uygulanmamış kompozit malzemelerin sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Mekanik özelliklerdeki değişimlere bakıldığında her üç tipteki ÇDKNT'ün de çekme ve darbe dayanımlarını olumlu bir şekilde etkilediği görülmüş ve bu üç tip ÇDKNT arasından en iyi sonuçların ÇDKNT-OH ve ÇDKNT-COOH'a kıyasla saf ÇDKNT ile elde edildiği anlaşılmıştır. Ayrıca, kompozit malzemelerin mekanik özellikleri üzerinde büyük etkisi olan boşluk oranları da hesaplanmış ve ÇDKNT ilave edilmiş numunelerde boşluk oranlarının azaldığı tespit edilmiştir. Termal analiz testi olarak ise dinamik mekanik analiz (DMA), termogravimetrik analiz (TGA) ve diferansiyel taramalı kalorimetri (DSC) analizi gerçekleştirilmiştir. Her üç test, kompozit numunelerin yanında ayrıca polyester reçine ve kumaş numunelerine de uygulanmıştır. Literatür incelendiğinde, dinamik mekanik analiz yönteminin daha önce kumaş yapılarına uygulandığı bir çalışmaya rastlanmamıştır. Karbon kumaş yapısının diğerlerine göre daha yüksek modüllere (depolama ve kayıp modülü) sahip olduğu ve artan sıcaklıkla birlikte karbon ve E-camı kumaşlarının modüllerinde azalma görülürken, jüt kumaş yapısının modülünde ise artış olduğu anlaşılmıştır. Kompozit numunelerinin dinamik mekanik analiz sonuçlarında ise mekanik analiz testlerinde olduğu gibi malzemenin çözgü yönünden alınan numunelerde modüllerin daha yüksek olduğu ve ÇDKNT ilavesinin modül değerlerini olumlu bir şekilde etkilediği görülmüştür. Kumaş yapılarının termogravimetrik analiz sonuçlarından jüt kumaş yapısının 255°C ve 345°C civarlarında iki degradasyon evresinden geçtiği görülürken, karbon kumaşlarda 520°C civarında bir bozunmanın başladığı, E-camı kumaşlarda ise 600°C'ye kadar malzemede bir bozunmanın olmadığı anlaşılmıştır. Kompozit yapıların termogravimetrik analiz sonuçlarına bakıldığında ise üç farklı tip ÇDKNT ilavesi kompozit malzemelerin bozunma sıcaklığını bir miktar arttırmıştır. Hem kumaşlara hem de kompozit malzemelere yapılan DSC analizlerinde ise jüt içeren numunelerin jüt kumaşın içerisinde bulunan safsızlıklar ve nemden dolayı 55°C civarında endotermik bir reaksiyon verdiği görülmüştür. TGA sonuçlarına kıyasla DSC'den elde edilen bozunma sıcaklıklarına ÇDKNT ilavesinin anlamlı bir etkide bulunmadığı saptanmıştır. Yapılan mekanik testlerin (çekme ve darbe dayanımı) sonuçları MINITAB yazılım programında tam faktöriyel analiz metodu ile incelenmiş ve seçilen dört faktörün (İplik tipi, kumaş yönü, farklı kumaş sıralımları ve ÇDKNT tipi) de mekanik özellikler üzerinde istatiksel olarak anlamlı bir etkisi olduğunu gözler önüne serilmiştir. Mekanik özellikler üzerinde en çok etkili olan faktörün iplik tipi olduğu görülürken, en az etkiyi ise ÇDKNT tipinin gösterdiği anlaşılmıştır. Ayrıca taramalı elektron mikroskobu görüntüleri aracılığıyla takviye ve matris malzemelerinin birbirine tutunumları incelenmiştir. Bu çalışmanın sonucu olarak üretilecek olan hibrit kompozit yapının, mekanik özellikleri ve hafifliği sayesinde otomotiv sektöründe uygun bir malzeme olacağı düşünülmektedir. Araçlarda daha az enerji ve yakıt tüketimini sağladığı için hafiflik, otomobil yapıları için bir zorunluluk halini gelmiştir. Fosil yakıt stoğundaki azalış ve küresel ısınma göz önünde bulundurulduğunda, araçların hafifliğinin çevre için ne kadar önemli bir faktör olduğu açıkça görülmektedir. Bu doktora tezi kapsamında tekstil takviyeli kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini geliştirmek amacıyla gerçekleştirilmiş olan önceki önceki çalışmalarda yapılmamış olan;  Kumaş yapılarının dinamik mekanik analizi gerçekleştirilmiş,  Dokuma kumaş takviyeli kompozitlerin mekanik ve termo-mekanik özelliklerinin kumaşın atkı/çözgü yönlerinden alınmış numunelerde oldukça farklılık gösterdiği ispat edilmiş,  E-camı ve karbon takviyeli kompozitlerin çoğunda kullanılan epoksi reçine yerine daha az maliyetli ve daha düşük yoğunluğa sahip olan polyester reçine tercih edilerek, polyester bazlı kompozit yapılarla da otomotiv sektörü için yeterli mukavemet elde edileceği görülmüş,  Hidroksil ve karboksil fonksiyonel gruplu ÇDKNT'lerin saf ÇDKNT'e göre malzemelerin mekanik özelliklerine ne oranda katkı sağladığı incelenmiş ve saf ÇDKNT'lerin mekanik özellikleri daha fazla geliştirdiği anlaşılmıştır. Yapılan bu çalışmalar ışığında, bu doktora tezinden elde edilen sonuçların tekstil takviyeli kompozit malzemelerle ilgili bundan sonra yapılacak olan çalışmalara yol gösterici olacağı düşünülmektedir.