Nano-melez sistemlerin karbon fiber takviyeli polimer matris kompozitlerde (KFTP) arayüz toklaştırma amacıyla kullanımı

Abstract

Bu çalışmada, naylon 6 (N6) ve PCL belirli kütle oranlarında (N6/PCL: 100/0, 80/20, 60/40, 40/60 ve 0/100) ortak bir çözücüde karıştırıldıktan sonra elektroeğrilmiş ve elde edilen nanofiber tüller KFTP prepreg arayüzlerine aktarılmıştır. Polimer karışımlarından elde edilen sonuçlar ışığında, tül arayüzlerine harici olarak GO parçacıkları eklenmiş ve kompozitlerin Mod I arayüz toklukları belirlenmiştir.Üretilen nanofiberler Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ile incelenmiş ve polimerlerin birleşme oranlarının polimerlerin karışma karakteristiğini etkilediği tespit edilmiştir. Çift Ankastre Kiriş (DCB) testi sonrası ayrılma yüzeylerinin Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) görüntüleri incelendiğinde; oluşan farklı karışımların, çatlak ilerlemesine karşı farklı toklaşma mekanizmalarını etkinleştirdiği görülmüştür. En iyi artışların sağlandığı, kütlece 60/40 N6/PCL oranında, karışım arayüz eklentisi yapılmamış referans numunesine göre Mod 1 yönünde GIC başlangıç değerinde %69, GIC ilerleme değerinde %59 artış göstermiştir. 60/40 karışımında, N6 ve PCL polimerlerinin nanofiber içinde faz ayrışması sonucu birbirlerinden ayrı bölgelerde bulunduğu ve bu bölgelerin, arayüzde oluşan çatlağın ilerleyişine karşı direnç oluşturacak bağaçımı, sıyrılma ve köprüleme mekanizmalarını işbirliği içerisinde aynı anda devreye soktuğu tespit edilmiştir.Harici GO eklentisi yapılan çalışmalarda ise, farklı boyutlarda hazırlanmış GO yaprakçıklar kullanılmış, yaprakçıklar nanofiber tüllerinin arasına bir sandviç yapı oluşturacak şekilde püskürtülmüştür. Fakat gerek elektropüskürtme işleminin parametrelerinin optimizasyonunda, gerekse GO parçacıklarını homojen dağıtımı konusunda yaşanılan problemlerden dolayı bu setlerden beklenilen performans elde edilememiştir. Ancak kompozitlerin yük-uzanım davranımında GO eklenmemiş tüllere göre çarpıcı farklılıklar elde edilmiş ve nedenleri tartışılmıştır.Performans düşüklüğünün temel nedeni püskürtme işlemi sırasında GO'i dağıtmak için kullanılan çözücünün elektroeğirilmiş nanofiber katmanlarını çözerek, o bölgedeki nanofiber yapısını bozmuş olmasıdır. Bu şekilde bozulan sandviç yapısında ilerleyen çatlağın, tok tül tabaka yerine gevrek epoksi katmana doğru geçebileceği belirlenmiştir. Tabaka asimetrisi sorunlarının çözümüyle, hem başlangıç hem de ilerleme bölgesinde elde edilmiş dikkat çekici davranım değişikliklerinin mekanik performansı pozitif yönde etkileyecek şekilde kullanılabileceğine dair ön veriler elde edilmiştir.

In this study, nylon 6 (N6), PCL and their blends with different mass ratios (N6/PCL: 100/0, 80/20, 60/40, 40/60 and 0/100) were electrospun and interleaved between carbon fiber reinforced polymer composites (CFRP). In addition, GO flakes were sprayed between the nanofiber layers to investigate the effect of these hybrid interleaves on Mode I interlaminar fracture toughness of CFRPs. With Differential Scanning Calorimetry (DSC) analyses, it was identified that weight ratios of polymers affect the phase separation characteristic of polymer blends. In Scanning Electron Microscope (SEM) analyses which were carried out after Double Cantilever Beam (DCB) test, it was observed that the specific phase separation behaviors facilitates the activation of different toughening mechanisms. N6/PCL with 60/40 ratio showed the best result with respect to the unmodified reference sample with a 69% improvement on the Mode 1 G1c initiation and 59% on that of G1c propagation. At 60/40 ratio, a phase separation between PCL and N6 was observed and this lead to a cooperative synergistic increase in the resistance against crack progression by activating the debonding and fiber bridging mechanisms simultaneously.GO flakes that were synthesized in different sizes were electrosprayed between elektrospun nanofiber veils and hybrids with different sandwich structures were produced. Due to the problems in optimization of electropsraying process parameters and dispersion of GO flakes in the spray solvent, the improvements in GIC were insignificant. However, load-displacement behavior of the composites were significantly altered. The reasons of this change were discussed. The main reason behind the poor mechanical performance was the dissolution of the veil layers by the spray solvent. Losing the structural integrity of base layer formed an asymmetry in the sandwiches' mechanical behavior, which in turn lead to a crack diversion from tough veil layers to the brittle epoxy layers. However, it can be anticipated that, upon rectification of process parameters in spraying the GO component, the already observed significant changes in the load-displacement behavior can be utilized in favor of building structures with even higher interlaminar toughness.