Elyaf takviyeli kompozit malzemelerin yüzey modifikasyonu ile mekanik özelliklerinin geliştirilmesi

Abstract

Gelişmiş lif takviyeli kompozit yapılar, metalik malzemeler ile kıyaslandığında yüksek özgül mukavemet ve sertliklere sahip olması onları yüksek performanslı yapısal uygulama için ideal kılar. Karbon lifi takviyeli polimer kompozitler modern havacılık yapılarında birçok parçasında bulunur ve otomotiv sektöründe de giderek yaygınlaşmaktadır. Karbon lifi takviyeli polimerler sergilediği fiziksel özelliklerin arzu edilen kombinasyonuna rağmen, kullanılan polimer matrisler tipik olarak oldukça kırılgandır. Bu nedenlede bir darbenin neden olduğu, katlar arasında gerilim birikmesinden kaynaklanan delaminasyona karşı hassastırlar. Bu tez çalışması kapsamında karbon lifi takviyeli polimer kompozit laminatların delaminasyon dirençlerini geliştirmek için iki farklı yöntem üzerine çalışmalar gerçekleştirilmiştir. İlk yöntem olarak karbon lifi takviyeli kompozit yapılara, termoplastik mat (mat) ara katmanlar ilavesi ve ardından yüzey modifikasyonu (ozon ve ozon/UV) sayesinde gelişmiş mat-matris adezyonunun mekanik testlere (Mod-I, Mod-II ve tabakalar arası kayma dayanımı) olan etkisi üzerine deneysel çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Yüzey karakterizasyonundan (XPS (X-Ray Fotoelektron Spektroskopisi)), kompozitlerin mekanik testlerinden ve fraktografiden, mat-epoksi adezyon seviyesinin, liflerin yüzeyindeki fonksiyonel gruplarla ilişkilendirilebilecek tabakalar arası kırılma tokluğunda önemli değişikliklere neden olabileceği sonucuna varılmıştır. İkinci yöntem olarak da olarak karbon lifi takviyeli kompozit yapılarda, haşıllı ve haşılsız karbon liflerinin yüzeyi ozon ile modifiye edilerek karbon lifi-matris adezyonunun mekanik testler (tabakalar arası kayma dayanımı ve çekme) üzerindeki değişimleri detaylı olarak araştırılmıştır. Bu yöntem kapsamında, haşıllı ve haşılsız karbon lifinin yüzeyi XPS, AFM (Atomik Kuvvet Mikroskop), Raman ve SEM (Taramalı Elektron Mikroskop) ile analiz edilerek oluşan fonksiyonel grupların karbon lifi-epoksi adezyonundaki değişimin tabakalar arası kayma dayanımı ve çekme testleri ile değerlendirilmiştir. Bu yöntem kapsamındaki sonuçlar, kombine yüzey modifikasyon yönteminin daha etkin rol oynadığını göstermiştir.

Advanced fiber-reinforced composite structures, with their high specific strength and stiffness compared to metallic materials, are ideal for high-performance structural applications. Carbon fiber-reinforced polymer composites are found in many parts of modern aerospace structures and are increasingly prevalent in the automotive industry. Despite the desirable combination of physical properties exhibited by carbon fiber-reinforced polymers, the polymer matrices used are typically quite brittle. Consequently, they are susceptible to delamination due to stress accumulation between layers caused by an impact. This thesis focuses on two different methods to enhance the delamination resistance of carbon fiber-reinforced polymer composite laminates. The first method involves the addition of thermoplastic mat interlayers to carbon fiber-reinforced composite structures and subsequent surface modification (ozone and ozone/UV) to study the effects of improved mat-matrix adhesion on mechanical tests (Mode-I, Mode-II, and interlaminar shear strength). Surface characterization (XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy)), mechanical testing of composites, and fractography led to the conclusion that the level of mat-epoxy adhesion, which can be linked to the functional groups on the fiber surfaces, significantly affects the interlaminar fracture toughness. The second method involves modifying the surface of sized and desized carbon fibers with ozone to investigate the changes in carbon fiber-matrix adhesion as observed in mechanical tests (interlaminar shear strength and tensile strength). In this approach, the surfaces of sized and desized carbon fibers were analyzed using XPS, AFM (Atomic Force Microscope), Raman, and SEM (Scanning Electron Microscope) to assess the changes in functional groups and their impact on carbon fiber-epoxy adhesion, evaluated through interlaminar shear strength and tensile tests. The results from this method indicated that the combined surface modification technique plays a more effective role.