Gelişmiş Ve Nano Takviyeli Kompozit Malzemeler İçin Karbon Nanotüp İçerikli Akıllı Boyanın Yapısal Sağlık İzleme İçin Geliştirilmesi

Abstract

Fiber takviyeli polimer matrisli kompozit malzemeler havacılık, otomotiv, denizcilik gibi pek çok alanda önemli ölçüde kullanılmaktadır. Gelişen teknolojiye bağlı olarak hafif, dayanıklı ve güvenilir malzemeler için olan talep her geçen gün artmaktadır. Bu talepleri karşılayabilmek ve yenilikçi uygulamalar gerçekleştirebilmek için gelişmiş ve nano takviyeli kompozit malzemeler üzerinde ciddi çalışmalar yapılmaktadır. Kompozit malzemeler yüksek mekanik özellikleri ve hafifliği, kimyasal ve çevre koşullarına gösterdiği direnç gibi üstün özelliklerine rağmen katmanlı yapıları nedeni ile hasar oluşumu ve hasarın ilerlemesi konusunda büyük sorunlar göstermektedir. Kompozit malzemelerde çatlak ilerlemesinin takip edilmesi oldukça zordur, ayrıca ara katmanlarda oluşan hasarlar gözle muayene gibi basit yöntemlerle tespit edilememekte ve bunlar için özel muayene yöntemlerinin kullanılması gerekmektedir. Havacılık sektöründe en çok karşılaşılan sorunlardan birisi parçaların yorulma nedeni ile hasara uğramasıdır. Kullanılan parçalar tekrarlanan yüke maruz kaldıklarında yorulmakta ve belli bir sınırın üzerinde yük uygulandığında ani ve kalıcı hasara uğramaktadırlar. Bu hasar planlanmmış bakım dönemlerinin arasında gerçekleştiğinde ciddi kazalara neden olabilmektedir. Bunun yanı sıra operasyon maliyetleri değerlendirildiğinde, büyük bir kısmını bakım ve onarım giderleri oluşturmaktadır. Herhangi bir hasar onarımının yapılmadığı kontrol amaçlı gerçekleştirilen bakımlar gereksiz yapılan masraf anlamına gelmektedir. Bütün bu durumlar dikkate alındığında hem güvenilir hem de tasarruflu operasyonların gerçekleştirilmesi için eş zamanlı yapısal sağlık izleme yöntemlerinin kullanılması ticari uygulamalar için büyük önem arz etmektedir. Ticari olarak kullanılmakta olan gerinim ölçer ve fiber optik sensör uygulamaları ekonomik olmalarına rağmen geniş ölçekli yapılarda yeterli bilgiyi sağlamadıklarından verimli olarak kullanılamamaktadırlar. Bu nedenle, eş zamanlı yapısal sağlık izleme yöntemlerinin geliştirilmesi için çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Bunların en dikkat çekeni, çok yönlü özellikleri ile pek çok kullanım alanı olan karbon nanotüplerin (KNT) yapısal sağlık inceleme metotlarında kullanılmasıdır. KNT’lerin sisteme eklenmesi için temel olarak iki yöntem bulunmaktadır. Bunlardan birisi KNT’lerin kompozit yapı içerisine entegre edilmesi, diğeri ise kompozitin yüzeyine uygulanmasıdır. Bu çalışma kapsamında hazırlanan KNT’li yapısal sağlık inceleme sistemi akıllı boya olarak kompozitin yüzeyine uygulanmış ve gerinim sensörü olarak kullanılmıştır. Yapısal sağlık izleme sistemlerinin kullanılabilir hale gelmesi için önemli olan parametrelerden birisi sistemin mekanik değişimlere verdiği tepkinin doğru şekilde belirlenmesidir. Bu amaçla ilk etapta kompozit malzemelerin hasara uğrama şekli belirlenmelidir. Gelişmiş kompozit malzemeler yaygın olarak kullanıldığından bu yapılar için bilgi edinmek mümkün iken, henüz gelişmekte olan bir alan olması nedeni ile nano-takviyeli kompozit malzemelerin hasar şekilleri tam olarak bilinmemektedir. Bu nedenle çalışmanın ikinci kısmında nano-takviye ile geliştirilmiş komplex şekilli kompozit malzemenin mekanik özellikleri belirlenecektir. Bu çalışmanın sonucunda ulaşılmak istenen hedef KNT’li yapısal sağlık izleme yönteminin hem gelişmiş hem de nano-takviyeli ve komplex şekilli kompozit yapılar için etkin bir şekilde kullanılmasıdır. KNT’ler tek sıra karbon atomlarından oluşan bir grafen katmanının silindir şeklinde bükülerek birleşmesinden oluşan içi boş yapılardır. Bu yapıların çapları nanometre mertebesindeyken uzunlukları santimetre mertebesine kadar çıkabilmektedir. Bu durum yüksek uzunluk-çap oranı ve yüzey alanına sahip olmasını sağlamakta, ve bu gibi üstün özellikleri karbon nanotüpleri havacılık endüstrisi dahil bir çok alanda ileri teknoloji uygulamaları için kullanılmasını sağlamaktadır. KNT’ler temel olarak tek duvarlı ve çok duvarlı olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Tek duvarlı yapılarda bir tane grafen katmanı bulunurken çok duvarlı yapılarda iç içe geçmiş birden çok grafen katmanı bulunmaktadır. Genellikle çok duvarlı yapıların çapları 5nm ile 20 nm arasında değişim gösterirken tek duvarlı yapıya sahip KNT’lerin çapları 0.8 ile 2 nm arasındadır. Bu iki tip nanotüpün elektriksel ve mekanik özellikleri de farklılık göstermektedir. KNT’ler kusursuz moleküler yapısı ve kuvvetli C-C bağlarından dolayı çok yüksek mekanik özelliklere sahiptir. Tek duvarlı bir nanotüp yaklaşık 1TPa’lık elastik modüle sahip iken çok duvarlı nanotüpler 1.8TPa elastik modüle sahip olabilmektedir. Bu değer yaklaşık olarak çeliğin 5 katına eşit olmaktadır. Nanotüplerin bu üstün özellikleri sayesinde, kompozit malzemelerin özelliklerini nanotüpler kullanarak geliştirmek, oldukça ilgi gören konular arasındaki yerini almıştır ve bu konuda yapılan çalışma sayısı her geçen gün artmaktadır. Bu tarz kompozitler nano-mühendislik kompozitleri veya nano-takviyeli gelişmiş kompozitler olarak adlandırılmaktadırlar. Yüksek mekanik özelliklerinin yanı sıra KNT’ler yüksek elektriksel iletkenliğe de sahiptir. Teorik olarak elektriksel direnci 10-6 Ω.m gibi oldukça düşük bir değere sahiptir ve bakır ile karşılaştırıldığında yüksek elektrik iletkenliği göstermektedir. KNT’lerin elektriksel iletkenlik özellikleri kristal yapısına bağlı olarak değişmektedir. Fonksiyonlaştırmalar yapılarak elektriksel iletkenlik özelliklerinin daha da yüksektilmesi mümkündür. KNT’lerin yapısal sağlık izleme sistemlerinde kullanılmasını sağlayan temel özellikleri elektriksel iletkenliklerinin ve piezo-rezistans (mekanik yükler altında elektriksel direncin değişmesi) özelliğinin yüksek olmasıdır. Havacılıkta kullanılan epoksi matrisler yalıtkan malzemelerdir ve fiber takviyeli epoksi kompozitlerin yapısına iletken dolgu malzemesi eklenerek elektriksel iletkenliklerinin yükseltilmesinde önemli olan parametre yalıtkan halden iletken hale geçtiği eşik (percolation threshold) değeridir. Bu değer kullanılan dolgu malzemesine, malzemenin geometrik özelliklerine, kompozit malzemenin içerisine entegre edilme şekline ve kullanılan matris çeşidine bağlı olarak farklılık göstermektedir. Literatürde KNT ile yapılan çalışmalar incelendiğinde bu eşiğin yaklaşık olarak ağırlıkça % 0.1 KNT değerine denk geldiği görülmektedir. Bu çalışma kapsamında iki tip KNT kullanımıştır. Bunlardan ilki laboratuvar ortamında gerçekleştirilen termal kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile sentezlenen KNT’ler, diğeri ise Sigma Aldrich firmasından ticari olarak satın alınan KNT’lerdir. KNT sentezlemek için kullanılan farklı yöntemler vardır fakat hem ekonomik olması, hem de laboratuvar koşullarında üretime imkan sağlaması nedeni ile kimyasal buhar biriktirme yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem ayrıca farklı uzunluklarda yüksek saflıkta KNT sentezlenmesine imkan sağlamaktadır. Bu çalışmada, KNT’lerin epoksi içerisine dağıtılmasıyla hazırlanan polimer nanokompozitler kompozit yüzeyine akıllı boya olarak uygulanarak yapısal sağlık izleme sisteminde kullanılmıştır. Akıllı boya uygulamasına geçmeden önceki ilk adım hazırlanan KNT-polimer nanokompozitlerin elektirksel özelliklerinin incelenmesi ve iletkenlik eşiğinin belirlenmesidir. Hazırlanan KNT-polimer nanokompozitlerde kullanılan KNT’nin ağırlıkça oranı sentezlenen KNT’ler için % 0.1, 0.25 ve 0.5 olarak değişirken Sigma KNT için % 0.25, 0.5 ve 1 olarak değişmektedir. KNT-polimer nanokompozitlerin iletkenlik değerleri iki prob yöntemi kullanılarak ölçülmüştür. Bu yöntemde numunelere sabit bir voltaj uygulayarak direnç değerleri elde edilmiş ve farklı yüzdelerde KNT içeren polimer nanokompozitlerin iletkenlik özelliklerinin nasıl değiştiği incelenmiştir. Yapılan ölçümlerde Sigma KNT için elektirksel iletkenlik değerlerinin iletkenlik eşiğinin oldukça altında kaldığı görülmüş ve sentezlenen KNT’ler ile hazırlanan polimer nanokompozitler akıllı boya olarak uygulanmıştır. Yapısal sağlık izleme testleri için karbon fiber takviyeli polimer kompozitler vakum infüzyon yöntemi ile üretilmiş ve gerekli boyutlarda kesilmiştir. Akıllı boya uygulaması bu kompozitlerin yüzeyine belirlenmiş boyutlar ile yapılmıştır. Bu çalışma kapsamında elastik ve plastik mode çekme testleri ve üç nokta eğme testleri gerçekleştirlmiştir. Mekanik testlerin gerçekleştirlmesi sırasında eş zamanlı olarak akıllı boya üzerine sabit bir voltaj uygulanmış ve gerinim değerlerinin değişime bağlı olarak elektriksel direncinde görülen değişimler takip edilmiştir. Elde edilen sonuçlar değerlendirilip KNT’siz baz numune ile karşılaştırıldığında KNT takviyeli akıllı boya uygulamasının gerinim değişimlerinin takip edilmesinde önemli bir farklılık yarattığı görülmüştür. Elde edilen direnç değişimleri KNT miktarına ve uygulanan mekanik yüke bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Yapılan testlerde akıllı boyanın tamamen hasara uğraması durumunda elektrik akımının karbon fiber kompozit üzerinden akmaya devam etmesi akıllı boya uygulamasının gerinim sensörü olarak gösterdiği verimlilik durumunu etkilemektedir. Bu çalışmadaki amaç akıllı boyanın etkinliğini belirlemek olduğundan son yapılan testlerde akıllı boya ile karbon fiber kompozit arasına yalıtkan akrilik boya sürülmüştür. Bu uygulamada akıllı boyanın tamamen hasara uğraması durumunda elektriksel direnç değerinin ani olarak hızlı bir artış gösterdiği belirlenmiştir. Ayrıca bu uygulamada lamina hasarlanmasının direnç değerlerindeki ani artış noktaları ile net olarak takip edilebildiği görülmüştür. Bu çalışmanın bir sonraki adımı bu uygulamanın farklı yükleme koşulları altında test edilmesidir. Bu tez çalışmasının ikinci aşamasında ise nano-takviyeli gelişmiş kompozitlerin üretimi ve testleri gerçekleştirlmiştir. Nano-takviyeli kompozitlerin üretimi için kullanılan farklı yöntemler bulunmaktadır. Bunlardan en yaygın olanı KNT’lerin polimer matris içerisine çeşitli yöntemler kullanılarak dağıtılmasıdır. Bu yöntemde karşılaşılan en büyük problem KNT’lerin topaklaşması ve homojen olarak yapı içerisine dağıtılamamasıdır. Bu problemi önlemek ve katmanlar arasında sürekli bir yapı oluşturabilmek için ‘electrospinning’ (polimer esaslı nanolif üretiminde kullanılan yöntem) yöntemi kullanılmıştır. Bu üretimlerde ağırlıkça % 0.5, 1 ve 2 oranlarında Sigma KNT kullanılmış ve solüsyonun hazırlanması için ağırlıkça %10 oranında polyvinyl butyral (PVB) eklenen methanol içerisine ilave edilerek 24 saat manyetik karıştırıcı ile karıştırılmıştır. Hazırlanan solüsyon ile karbon fiber prepreg üzerinde nanolifler üretilmiştir. Bu çalışma kapsamında nanolif içermeyen, orta ara yüzeylerde ve aralıklı arayüzeylerde nanolif içeren olmak üzere üç farklı içi boş silindirik kompozit yapı üretilmiştir. Silindirik kompozitlerin üretilmesi için içte ve dışta teflon kalıplar kullanılmıştır. Üretilen silindirik kompozitler üzerine burulma testi uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlar nanolif içermeyen numunelerin sonuçları ile karşılaştırıldığında ağrlıkça % 0.5 ve 1 oranında KNT içeren nanolifli kompozitlerin daha yüksek kayma dayanımı gösterdikleri belirlenmiştir. Silindirik kompozitler prepreg katmanlarının elle sarılması ile üretildiğinden sarım koşulları mekanik özellikleri etkilemekte ve elde edilen sonuçların farklılaşmasına neden olmaktadır. Bu durumu engellemek ve yapı içerisine entegre edilen nanoliflerin mekanik özellikler üzerindeki etkinliğini tam olarak belirleyebilmek amacı ile Mode-I Mode-II test numuneleri üretilmiştir. Bu numuneler test edilerek nanoliflerin ara yüzey özelliklerine olan katkısı belirlenecektir. Bu tez çalışmasının devamında ulaşılmak istenen hedef buradan elde edilen bilgiler kullanılarak KNT takviyeli yapısal sağlık izleme sisteminin nano-takviyeli ve kompleks şekilli kompozit yapılar üzerine uygulanması ve etkin bir şekilde eş zamanlı ölçümler için kullanılmasıdır.

Fiber reinforced polymer composites are widely used in aerospace, automotive, civil and marine applications, through their excellent mechanical properties, and low density. With improving technology, the demand for lighter, stronger and reliable materials increases day by day. To satisfy these demands, deeply researches are being carried out on advanced and nano-enhanced composite structures. Since the composites are laminated structures, most of the damage types generate under the surface of structures and that is why composites are more vulnerable to failure during operation. Therefore, structural health monitoring (SHM) is an essential application to provide reliability and cost saving for aerospace operations. There are many SHM methods like strain gauges, fiber optic sensors and lamb waves; however, because of their multifunctionality, such as high mechanical properties, electrical and thermal conductivity, carbon nanotubes (CNTs) are novel applications for SHM methods. There are mainly two types for adding CNTs into the system, one of them is embedding CNTs within the composite and the other one is applying onto the surface of structure. In this study, both growth CNTs which are synthesized using thermal chemical vapor deposition (th-CVD) method and commercially provided CNTs from Sigma Aldrich are used for CNT based SHM application. CNT embedded polymer nanocomposites (CNT-PNCs) are applied onto the surface of carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites as a smart paint for strain sensing. In addition to SHM application, nano-enhanced cylindrical composite structures are fabricated and torsional tests are performed in this study to determine the failure mode of these structures before applying CNT based SHM method. To synthesize CNTs, using th-CVD method Si substrate covered with Alumina oxide and Ferrous catalyst are used and C2H4/H2 gases are deposited at atmospheric pressure with specified recipe. Growth and commercially provided CNTs are added into the epoxy resin and shear mixing and homogenization are applied for dispersion of CNTs. For CNT based SHM applications percolation threshold is a critical parameter to obtain an effective system. So, the first step of this study is determining percolation threshold for CNT-PNCs. 0.1, 0.25 and 0.5 wt% growth CNTs and 0.25, 0.5 and 1 wt% Sigma-CNTs are used to fabricate CNT-PNCs. 2-probe electrical conductivity measurement method is used to determine electrical conductivity of CNT-PNCs. According to electrical conductivity measurements, electrical conductivity of growth CNT-PNCs (0.3x10-3-5x10-1 S/m) are beyond the percolation threshold even at low CNTs loading, however Sigma CNT-PNCs have six order of magnitude lower electrical conductivity than growth CNT-PNCs. As a result, growth CNT-PNCs are applied onto the surface of CFRP composites, which are fabricated by vacuum infusion method, with specified dimensions as a smart paint for strain sensing. Elastic mode, plastic mode and flextural tests are applied for CFRP composites and resistance change of CNT smart paint is measured simultaneously with keithly source meter. When is compaired with base specimen, which does not containe CNTs, CNT smart paint displays an important effect on resistance change. According to results, resistance change of 0.25 and 0.5 wt% CNT embedded smart paints show a decisive increament related to strain changes. While the resistance change is higher for 0.25 wt% CNT smart paint (120%) at elastic mode tension tests, 0.5 wt% CNT smart paint displays higher resistance change (300%) for plastic mode tension and flextural tests where the composite specimens are totally fractured. This would be the result of tunneling effect and for high strain conditions, tunneling effect lose its importance. Since the carbon fibers are conducting materials and they also carry electrons when the CNT smart paint is fractured, CFRP composite structure have to be eliminated from CNT smart paint application to determine real effectiveness of CNT smart paint as a strain sensor. That is why, at the last step of SHM application, insulator acrylic paint is applied between CNT smart paint and CFRP composites. Flextural test is performed on these specimens and a sudden and huge increment is obtained for resistance change of CNT smart paint. Nano-enhancement is an ongoing research area for novel applications, so at the second part of this study, nano-enhanced cylindrical composite structures are fabricated to determine their failure modes, which is important for investigation of effectiveness of SHM systems on these structures. Electrospinning method is used to fabricate electrospun carbon nanofibers (ECNs) mats. Since CNT agglomeration is a critical problem for application of electrospinning and aspect ratio of CNTs is effective on agglomeration, Sigma-CNTs with 5 µm length are used to obtaine well dispersed CNTs in ECNs mats. To prepare polymer solutions, 10 wt% polyvinyl butyral (PVB) is added in methanol and Sigma CNTs are also added with different weight fractions (0.5, 1 and 2 wt%). Polymer solutions are magnetically stirred for 24 hours to provide homogenious dispersion of CNTs and electrospinning is directly applied on carbon fiber prepreg. For fabrication of carbon fiber prepreg reinforced composites (CFp-RC) 10 plies of carbon fiber prepreg are wrapped on a cylindrical Teflon mold continuously and a Teflon hose is used as an outer mold. The specimen fabrication of the CFp-RC cylinder with embedded ECNs mats includes three types of specimens, such as base specimen, middle interphase specimen and separate interphase specimen. Base specimens without ECNs mats are fabricated as reference materials. For middle interphase specimens the ECNs mats are applied to middle four surfaces and for separate interphase specimens ECNs mats are applied to separate four surfaces. Torsion tests are applied on composite specimens and shear stress vs. shear strain data are obtanined to determine effect of ECNs mats on interlaminar shear strength (ILSS) properties of composites. 0.5 and 1 wt% CNT ECNs mats specimens show higher shear stress results when compared with base specimens, however 2 wt% CNT ECNs mats specimens have lower shear strength results. The worse results of 2 wt% CNT-ENCs mats specimens might be attributed to CNTs agglomeration and decreased curing degree that causes decrease on mechanical properties of structures. Since cylindrical composites are hard to fabricate by hand, the mechanical test results are affected from fabrication conditions. To eliminate this problem, Mode-I Mode-II mixture test specimens are also fabricated in the second part of this study to determine effectiveness of ECNs mats on ILSS properties of laminated composites. To fabricate test specimens, 16 plies carbon fiber prepreg are used and only one layer of ECNs mat is used for each specimens. ECNs mat coated carbon fiber prepreg is placed to the middle surface of laminates. ECNs mat is applied upto the crack initiation points and a release film is placed after the ECNs mats to obtaine delamination at the middle surface. Mode-I Mode-II mixture tests will be performed on these specimens and effect of ECNs mats on ILSS of composite structures will be determined. After the investigation of failure modes of nano-enhanced composites, CNT based SHM method will be applied to the nano-enhanced and complex shaped structures.