Mikro Hücreli Karbon Köpüklerin İstatiksel Ve Sayısal Olarak Modellenmesi

Abstract

Bu çalışmada yeni ve ileri teknoloji malzemelerinden biri olan mikro gözenekli karbon köpük yapılarının mekanik davranışlarının incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaç doğrultusunda iki ana aşamadan oluşan çalışmanın ilk aşamasında karbon köpüğün gerçek yapısına en yakın geometrik modelin elde edilmesi üzerinde çalışıldı. Bunun için yakın zamanda gerçekleştirilen çalışmalardan elde edilen mikro fotoğraflar yardımıyla küresel hücre şekli kabulü yapılmıştır. Literatürdeki karakterizasyon bilgileri doğrultusunda rasgele hücre büyüklüğüne ve koordinatlarına sahip karbon köpük modeli CAD (Computer Aided Drawing) ortamında elde edilmiştir. Rasgeleliğin sağlanması amacıyla mevcut istatiksel karakterizasyon sonuçlarını kullanan bilgisayar programları geliştirilmiştir. Bu programlar (donusum.f, radius.m, macro.m) birbiri ardına çalıştırılarak köpüğe ait CAD modeli elde edilir. Daha sonra çalışmanın ikinci aşamasında elde edilen geometrik modelin basma yüklemesi altındaki lineer elastik mekanik davranışı incelenerek karbon köpüğün basma elastisite modülü ve Poisson oranı bulunmuştur. Literatürdeki deneye dayalı formüllerle karşılaştırılarak elde edilen köpük modelinin geçerliliği sınanmıştır. Sonuçların uyumluluk göstermesi yapılan modellemenin gerçek yapıya olan yakınlığını göstermiştir.

In the first stage of this study, a modeling technique in CAD (Computer Aided Design) environment is developed with the aim of obtaining a foam model as close as to real structure of carbon foam incorporating the randomness nature of structural parameters at the same time. For this purpose, the shapes of the cells are assumed to be spherical. Random central coordinates and related random diameters of spherical cells are calculated by two coordinated computer programs named as “donusum.f” and “radius.m”. Statistical distributions are used to manage this randomness in diameters and locations of cells. The number of pores around the cells is also governed by these randomness management programs. Moreover, in order to get three dimensional geometry of carbon foam model in CAD environment, a script program (macro.m) is written. Thus, a carbon foam structure characterized in terms of its characteristic parameters such as porosity, cell dimension variations can be modeled in a CAD environment with the nature of random cell size and cell locations. In the second stage of the study, mechanical behaviors of carbon foams, which are modeled as CAD geometry, by using finite element method. Compressive Young’s modulus and Poisson’s ratio that are obtained with these finite element analyses are comparable with the values which are on literature obtained from experimental results. This shows that carbon foam models that are created based on random nature in CAD environment is close to real carbon foam structure.