Nanoparçacık takviyeli epoksi malzemelerin teorik ve deneysel incelemesi

Abstract

Günümüzde kullanılan geleneksel malzemelerin mühendislik uygulamaları için yetersiz kalması, yaygın olarak kullanılan çelik benzeri metal alaşımların istenen özellikleri karşılamaması, yeni malzemelerin araştırılıp geliştirilmelerine sebep olmuştur. Geleneksel olarak kullanılan yetersiz malzemelere alternatif olarak üretilecek ve mühendislik uygulamalarında kullanılacak malzemelerin, yeterince hafif ve yüksek dayanımlı olması ve aynı zamanda mekanik, termal, kimyasal ve elektriksel özelliklerinin daha üstün olması ve maliyetlerinin daha düşük olarak kullanımlarının kolay bir hale gelmesi amaçlanmaktadır. Bu amaç için kompozit malzemeler, araştırılmaya ve geliştirilmeye başlanmıştır. Matris ve bir veya birden fazla takviyeden oluşan kompozit malzemeler, yapısında farklı fazlarda bulunan malzemelerin olumlu özelliklerinin bir araya gelmesi sonucunda geleneksel malzemelere göre daha üstün özellikler göstermektedirler. Matris içerisinde beraber bulunan takviye malzemeler, kendilerine özgü özellikleri koruyarak kompozit yapısı içerisinde yer alırlar. Takviye malzemelerin matris ile olan etkileşimini malzemenin boyutları ve geometrik özellikleri de etkilemektedir. Takviyelerin boyutlarının küçülmesi sonucunda artan yüzey alanı-hacim oranları, takviyelerin matris ile oluşturduğu etkin yüzeyini artırarak malzemenin mekanik özelliklerini daha iyi bir duruma getirmektedir. Nano ölçekte olan takviyeler, bu sebeplerden dolayı kompozit imalatında daha yaygın olarak tercih edilmeye başlanmıştır. Kompozitler günümüzde, havacılık, savunma, otomotiv, denizcilik, inşaat, enerji, sağlık, elektronik, makine gibi sektörlerde farklı amaçlar doğrultusunda sıklıkla kullanılmaktadır. Bunların yanı sıra, dünyanın sağlığı, gelecekte daha yaşanılabilir bir çevre için yenilenebilir kaynaklar, sürdürülebilir malzemeler ve teknolojiler oldukça önemlidir. Gelişen teknoloji doğrultusunda malzeme biliminde ve mühendislik uygulamalarında aranan üstün malzeme özellikleri ile birlikte sürdürülebilirlik, bir zorunluluk haline gelmiştir. Teknolojide, yeni gelişmelerin gerçekleşmesi ve ilerleme kat edilmesi için kullanılacak malzemelerin çevreye olan etkisi incelenip doğa için uygun olan malzemeler kullanılmalıdır. Bu çalışma kapsamında kompozit malzemeyi oluştururken takviye malzemesi seçimlerinde sürdürülebilirlik özellikleri de dikkate alınmıştır. Çalışmada epoksi matrisli, selüloz nanofiber (CNF) ve halloysit nanotüp (HNT) takviyelerinin ağırlıkça farklı oranlarda birlikte ve ayrı ayrı bulunduğu nanokompozit malzemeler imal edilmiş ve bu doğrultuda incelemeler yapılmıştır. İmal edilen nanokompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesinin, çalışmada kullanılan sayısal modelleme yöntemleriyle, deneysel yöntemlerle ve taramalı elektron mikroskobu kullanılarak gerçekleştirilen iç yapı incelemeleri ile gerçekleştirilmesi amaçlanmıştır. CNF ve HNT takviyelerinin birlikte bulunma durumunun epoksi reçine matris malzemeli nanokompozitlerdeki sinerjik etkileri araştırılmıştır. İlk bölümde, kompozit malzemelerin geleneksel malzemelere göre üstün özelliklerinden, kompozit malzemelerin kullanım alanlarından, nano ölçekteki takviye malzemelerin kompozit yapısına kazandırdığı özelliklerden, çalışmada tasarlanan ve üretilen nanokompozit malzemelerde kullanılan epoksi reçine, CNF ve HNT takviyesi hakkında bilgi verilmiştir. CNF'nin takviye olarak nanokompozit malzemelerde kullanılmasının, malzemenin sürdürülebilirlik üzerindeki etkisi ve çevreye olan olumlu etkilerinden bahsedilmiştir. Literatürdeki çalışmalar incelenerek, CNF ve HNT takviyesinin, epoksi bazlı nanokompozit imalatında kullanılmasının malzeme özellikleri üzerindeki etkileri ve sonuçları incelenerek sunulmuştur. Çalışma kapsamında ayrıca kompozit malzemelerin tasarımının yapılması aşamasında mekanik özelliklerinin belirlenmesi için kullanılan sayısal modellemelerden ve deneysel yöntemlerden bahsedilmiştir. Malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi hakkında literatürde gerçekleştirilen çalışmalar incelenerek sunulmuştur. Bölümün sonunda, kompozit malzemelerin yaygın olarak kullanılan imalat yöntemleri hakkında bilgi verilmiştir. İkinci bölümde, bu çalışma kapsamında kullanılan, kompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için tercih edilmiş sayısal modelleme yöntemleri ve deneysel yöntemler hakkında bilgi verilmiş, ayrıca iç yapı incelemelerini gerçekleştirmek üzere kullanılan taramalı elektron mikroskobu yöntemi açıklanmıştır. Sayısal yöntemler için kullanılan modeller, yapılan hesaplamalar ve çalışmada yapılan deneysel çalışmaların prosedürlerine detaylı bir şekilde yer verilmiştir. Çalışmada tasarımı ve imalatı yapılan nanokompozit malzemelerin içeriğindeki matris ve takviye malzemeleri, imalat prosedürleri, üretilen malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için gerçekleştirilen deneysel çalışmalar açıklanmıştır. Deneysel çalışma kapsamında üretilen numuneler kullanılarak çekme, üç noktadan eğme ve çentik darbe deneyleri gerçekleştirilmiştir. Sayısal yöntemler olarak Mori-Tanaka homojenleştirme yöntemi ve sonlu elemanlar yöntemi kullanılmıştır. Ayrıca, kendi içerisinde ve birbirleriyle karşılaştırmalı olarak tutarlı sonuçların elde edilmesi için imalat sürecinde dikkat edilmesi gereken önemli hususlara değinilmiştir. Nano takviye içeren epoksi matrisli kompozit imalatından ve deneylerin standartlarına uygun numunelere göre tasarlandığından bahsedilmiştir. Üçüncü bölümde, çalışmada üretilen nanokompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesi için gerçekleştirilen deneysel çalışmaların sonucuna, yazılım yardımı ile yapılan sayısal modellemelerin sonucuna ve malzemelerin taramalı elektron mikroskobu yardımı ile alınmış iç yapı görüntülerine yer verilmiştir. Deneysel sonuçların olduğu kısımda, farklı malzeme grupları için gerçekleştirilen çekme, üç noktadan eğme ve çentik darbe deneylerinin sonuçları sunulmuştur. Ayrıca çalışmada kullanılan Mori-Tanaka homojenleştirme yöntemi ve sonlu elemanlar yönteminin farklı malzeme grupları için hesaplanan sonuçları karşılaştırmalı olarak sunulmuştur. Taramalı elektron mikroskobu yardımı ile gerçekleştirilen iç yapı incelemelerinde, malzemelerde önemli olacak süreksizliklerin bulunmadığı ve takviye malzemelerin matris içinde düzgün ve homojen bir şekilde dağıldığı belirtilmiştir. CNF ve HNT takviyesinin ağırlıkça farklı oranlarda birlikte ve ayrı ayrı bulunduğu nanokompozit malzemelerin, statik deformasyon hızı altında gerçekleştirilen deneylerin sonuçları incelenmiş ve malzemelerin davranışları gözlemlenmiştir. Sonuçlar doğrultusunda CNF takviyesinin epoksi matrisli nanokompozit malzemelerin rijitliğini önemli ölçüde artırdığı, HNT takviyesinin de malzemenin rijitliğini olumlu yönde etkilediği belirtilmiştir. Takviyelerin birlikte bulunma durumunda da sinerjitik etkilerle birlikte takviyelerin, nanokompozit malzemelerin mekanik özelliğini geliştirdiği sonuçlarla sunulmuştur. Sayısal yöntemler kullanılarak elde edilen sonuçların deneysel sonuçlara paralellik gösterdiği ancak daha yüksek olduğu, bu durumun yazılımda gerçekleştirilen sayısal modelleme için yapılan, takviyelerin matris içerisinde içerisinde homojen dağılım kabulünden dolayı gerçekleştiği açıklanmıştır. Deneysel sonuçlar özetlendiği zaman, çekme deneyi sonuçları için HNT takviyesinin ağırlıkça %0,5 ve %1 olduğu durumlarda malzemenin elastisite modülü değerlerinin %49,87 ve %62,28 oranında arttığı, CNF takviyesinin ağırlıkça %0,5 ve %1 olduğu durumlarda elastisite modülü değerlerinin %19,87 ve %52,99 oranında arttığı görülmüştür. Üç noktadan eğme deneyi sonuçları için HNT takviyesinin ağırlıkça %0,5 ve %1 olduğu durumlarda malzemenin eğilme modülü değerlerinin %14,42 ve %20,94 oranında arttığı, CNF takviyesinin ağırlıkça %0,5 ve %1 olduğu durumlarda eğilme modülü değerlerinin %20,59 ve %39,04 oranında arttığı görülmüştür. Takviyelerinin birlikte bulunma durumlarında, malzemenin rijitliğinde farklı oranlarda artış gerçekleşmesine sinerjik etkinin takviyelerin yalnız bulunma durumu referans alınarak karşılaştırıldığında beklenenin altında olduğu yorumlanmıştır. Çalışmanın dördüncü bölümü olan son bölümünde, çalışma hakkında genel bir değerlendirme yapılarak ve sonuçların özetlenmesi ile birlikte yapılan çıkarımlardan bahsedilerek kapanış bölümü sunulmuştur. Ayrıca gelecekte yapılacak çalışmalar ve gerçekleştirilecek mühendislik uygulamaları için önerilerde bulunulmuştur. Süregelen çalışmalarda ve gelecekte, bu çalışmada kullanılan nanokompozitlere benzer olarak matris ve takviye malzemelerinin kullanılması durumunun aranan üstün mekanik özellikleri karşılayacağı ve doğanın korunması için kullanılan malzemelerin sürdürülebilir olduğu düşünülmektedir. Bu sebeplerden dolayı, çalışmaya paralel öneriler yapılmıştır.