Havacılık sektörü için otoklavda üretilen karbon fiber takviyeli epoksi polimer kompozitlerin termal ve mekanik özelliklerine otoklav basıncının etkisi

Abstract

Kompozit malzeme iki veya daha farklı malzemenin makroskopik olarak birleşimi olarak tanımlanır. Üstün mekanik, termal, elektriksel ve kimyasal özelliklerinin avantajlarının yanı sıra hafif ve yüksek dayanıma sahip olması sebebiyle kompozit malzemeler günümüzde birçok sektörde kullanılmaktadır. Havacılık sektörü de kompozit malzemelerin kullanıldığı başlıca sektörlerden biridir. Matris malzemesi ve takviye elemanı kompozit malzemelerin iki ana yapı elemanıdır. Kompozitler matris malzemelerine göre organik reçine matrisli, metal matrisli, seramik matrisli ve polimer matrisli olarak dörde ayrılmaktadır. Matrislerin görevi takviyeleri form içinde tutmak ve yapıya gelecek yükleri takviyelere aktarmaktır. Takviye malzemeler sürekli ve süreksiz olarak iki sınıfa ayrılır. En çok kullanan takviye malzemeleri, cam fiberler, karbon fiberler ve aramid fiberlerdir. İstenilen özelliklere göre uygun matris ve takviye malzemesi seçilir. Havacılık sektöründe en çok karbon fiber takviyeli epoksi polimer matrisli kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Polimer matrisli kompozit üretiminde yalnızca uygun matris takviyesi ve malzemeler seçilmesi tek başına yeterli değildir, aynı zamanda bu malzemelerin üretim yönteminin uygun olması gerekmektedir. Üretim metodunun uygun seçilmesi nihai kompozit malzemeden istenen özellik ve forma sahip olması açısından mutlak önem taşır. Üretilen kompozit malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri otoklav veya fırında kürlenme parametrelerine büyük oranda bağlıdır. Otoklav kürlemesi için üreticinin tavsiye ettiği kürlenme şeklinde (MRC) belirtilen parametreler şu şekilde sıralanabilir; Kompozit malzemelerin kürlenme süresi, kürlenme sıcaklığı, otoklav basıncı ve vakum basıncıdır. Üretimde meydana gelebilecek kürleme parametre farklılıkları, kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini olumsuz etkilemesi ile sonuçlanabilir. Kompozit üretim yöntemlerinden otoklav kalıplama yöntemi ile termoset kompozit malzemeye yüksek ısı ve basınç uygulanarak içerisindeki hava boşluklarını giderilmesi sağlanır. Bu sayede kompozit malzemenin içerisindeki reçine başına düşen fiber oranı arttırılarak malzemenin performansında artış hedeflenir. Bu yöntemin maliyeti yüksek olup, yüksek kalite ürün istendiğinde başvurulan yöntemdir. Günümüzde havacılık yapısal malzemeleri, uzay araçları bu yöntem ile üretilmektedir. Bu çalışmada, reçine malzemesi olarak epoksi emdirilmiş, karbon prepregler olarak anılan, karbon fiberler kullanılmıştır. Karbon takviyeli prepreglerin temiz odada serimi ve farklı basınçlarda otoklav prosesine tabi tutulmaları ile üretilen kompozitlerin ultrasonik görüntülemeler ile, camsı geçiş sıcaklıkları ölçümleri ile, dinamik mekanik analiz (DMA) testleri ile ve katmanlar arası kayma mukavemeti (ILSS) testleri ile kompozit malzemenin termal ve mekanik özelliklerine otoklav basıncının etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Deneylerde kullanılan Kompozit prepreg malzeme Hexcel firması tarafından üretilen M21 reçine sistemli HexPly M21/34%/UD194/IMA-12K isimli tek yönlü (UD) karbon fiber prepreglerdir. Prepregler -18°C sıcaklık koşullarında depolanmaktadır. Kullanılmadan önce soğuk odadan çıkartılarak sıcaklıklarının oda sıcaklığına gelmesi beklenmiştir. Kullanıma uygun malzemeler kesim cihazına alınmıştır. Prepreglerin kesim işlemi için, Bilgisayardan ayarlanmış teknik resime göre plyların GERBER cutter cihazında kesimi yapılmıştır. 300 mm ve 215 mm boyunda 12 adet tekyönlü ply alınmıştır. Serim kalıbı hazırlandıktan sonra kesilen prepreglerin serim işlemi yapılmıştır. Malzemelerin serimden sonra otoklova hazırlanması nem, sıcaklık ve basınç kontrollü temiz odada yapılmıştır. Karbon prepreg hazırlanan tablaya serilmiştir. Serim yapılırken sonra otoklavda sızdırma problemi olmaması için etrafına sealant çekildikten sonra malzeme vakuma alınmıştır. Uygulanan ara vakum değeri 530 mmHg'dir. Hava akışını sağlayacak vakum çıkışları üzerinde bulunan numune otoklav işlemine alınmıştır. Otoklav tam basınca ulaşınca ısıtma işlemi başlatılmıştır. Isıtma ve soğutma hızı dakikada 2,5°C dir. Malzemenin otoklavda kalış süresi 120 dakika ve sıcaklığı 180 °C kadardır. Otoklavda 2,7 ± 0,30 bar ve 6,9 ± 0,30 bar basınçlarda üretim yapılmıştır. Kompozit malzemelerin kesiminde sıcaklık etkisini ortadan kaldırmak için su jeti kullanılmıştır. Ultrasonik C-Tarama Görüntüleme (İletim yoluyla ultrasonik metot) yöntemiyle, kompozit parçanın yüzeyi boyunca ultrasonik dalgaların görece zayıflaması ölçülür. TAI imalatı olan robotik yarı otomatik ultrasonik cihaz kullanılarak Ultrasonik İletim Yöntemi ile Ultrasonik C-Tarama Görüntüsü elde edilerek üretilen malzeme içerisinde hata olup olmadığı gözlenmiştir. Manuel darbe-yankı methodu ile Ultrasonik A-Tarama Görüntüleme yapılmıştır. Referans olarak hata içeren malzeme ile üretilen malzemelerin kontrolü yapılarak görüntüler karşılaştırılmıştır. 2,7 bar basınçta üretilen numunelerde boşluk oluşumu 6,9 bar basınçta üretilen numunelere göre fazla olduğu için ultrasonik hız düşmüştür. Ultrasonik inceleme sonrasında 6,9 bar basınçta üretilen numunenin C-tarama ve A-taramaya göre hata içermediği gözlenmiştir. Üretilen karbon fiber kompozit numunelerin camsı geçiş sıcaklıklarını bulmak amacıyla Dinamik Mekanik Analiz testi EN6032 standardına uygun şekilde DMA Q800 cihazında yapılmıştır. 2,7 bar basınçta üretilen numunelerin Tg değerleri minimum 187,50 °C, maksimum 193,44°C olarak ölçülmüştür. Nem absorpsiyonu, bir epoksi reçinesinin camsı geçiş sıcaklığını (Tg) azaltır. Literatürde de yapılan çalışmaların ışığında, otoklav basıncının düşük olması sebebiyle boşluk oluşumunun engellemesinin yeterli olmadığından katmanların birbirlerine zayıf bağlanmasına neden olarak camsı geçiş sıcaklığının düşük olmasına sebep olmuştur. 6,9 bar basınçta üretilen numunelerin Tg değerleri minimum 195,75 °C, maksimum 205,24 °C olarak ölçülmüştür. Camsı geçiş sıcaklığında önemli bir epoksi özellikleri kaybı meydana geldiğinden çoğu zaman Tg, kompozit malzemenin üst kullanım sıcaklığını tanımlar. Artan otoklav basıncı nem absorbiyonunu azaltacağı ve daha iyi kürlenme sağlayacağı için daha yüksek camsı geçiş sıcaklığı verilerine ulaşılmıştır. DMA testinde 2,7 ± 0,30 barda üretilen kompozit malzemelerin camsı geçiş sıcaklığı Tg ortalama 190,98 °C olarak bulunurken, 6,9 ± 0,30 barda üretilen kompozit malzemelerin Tg değeri ortalama 199,60 °C olarak bulunmuştur. En yüksek Tg değerinin 6,9 barda 205,24 °C olduğu gözlenmiştir. Katmanlar arası kayma mukavemeti (ILSS) testi EN 2563 standardına uygun olacak şekilde 25,4 mm uzunluğunda 6,35 mm genişliğinde beşerli numuneler hazırlanarak Instron 5966 cihazında testler gerçekleştirilmiştir. ILSS testinde her iki basınçta da üçer adet numune alınması ve her numuneden beşer adet değer alınması ile ortalama değerler bulunmuştur. 2,7 bar basınçta üretilen numunelerin katmanlar arası kayma mukavemeti değerleri: 55,18, 59,89, 52,46 MPa olarak kaydedilmiştir. Otoklav basıncının düşük olması, katmanların birbirlerine zayıf bağlanmasına bu sebeple de katmanlar arası kayma mukavemetinin düşük olmasına sebep olmuştur. 6,9 bar basınçta üretilen numunelerin katmanlar arası kayma mukavemeti değerleri: 87,03, 87,60, 89,36 MPa'dır. Kürleme basıncı tabakaların sıkışmasını ve boşluk miktarını doğrudan etkilediği ve reçine akışını ve ILSS'i desteklediği gözlenmiştir Otoklav basıncı arttıkça yapışma miktarı daha fazla olacağından katmanlar arası kayma mukavemeti artmıştır. 2,7 barda üretilen kompozit malzemelerin katmanlar arası kayma mukavemeti ortalama 55,84 MPa olarak bulunurken, 6,9 barda üretilen kompozit malzemelerin katmanlar arası kayma mukavemeti ortalama 88 MPa'dır. En yüksek ILSS değerinin 6,9 barda 89,40 MPa olduğu gözlenmiştir. Buna göre otoklav basıncı arttıkça Tg ve ILSS değerlerinin arttığı gözlenmiştir. Artan Tg değeri ile ILSS değeri arasında korelasyon olduğu söylenebilir. Bu sebeple de malzemenin kullanılabileceği maksimum sıcaklık artmıştır.