Grafen nanopartikül takviyesinin kompozit malzemelerin mekanik özellikleri üzerindeki etkisinin araştırılması

Abstract

Kompozit malzemeler günümüzde mühendislik yapılarının büyük bir kısmında kullanım alanına sahiptir. Bu doğrultuda üretilen kompozit malzemelerin mekanik özelliklerinin tespit edilmesi ve bu özelliklerin geliştirilmesi büyük önem arz etmektedir. Son yıllarda araştırmacılar kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini iyileştirmek için yoğunlaşmıştır. Bunun neticesinde nanoboyutlu Grafenin (G), kompozitin mekanik özelliklerini iyileştirmede önemli bir etkiye sahip takviye elemanı olduğu ortaya çıkmıştır. Bu çalışmada, G'nin kompozitin çekme dayanımı üzerindeki etkileri tespit edilmeye çalışılmıştır. Bu doğrultuda, epoksiye % 0 (takviyesiz); % 0,1; % 0,2; % 0,3; % 0,4; % 0,5 ve % 1 oranlarında G eklenmiştir. G eklenmiş epoksi karışımlar sırasıyla ASTM standartlarına göre hazırlanan kalıplara dökülmüştür ve kürleşmesi sağlanmıştır. Ayrıca ağırlıkça % 0 (takviyesiz), % 0,2 ve % 0,4 oranlarında G içeren epoksi karışımlar, cam fiber (CF), karbon fiber (KF) ve aramid fiber'e (AF) elle yatırma yöntemi ile ilave edilmiştir. Böylece farklı ranlarda G içeren cam fiber takviyeli plastik (CFTP), karbon fiber takviyeli plastik (KFTP) ve aramid fiber takviyeli plastik (AFTP) kompozitler üretilmiştir. G takviyeli epoksi matrisli kompozitler ile CF, KF, AF ve G takviyeli kompozitler çekme deneylerine tabii tutulmuştur. G takviyesinin epoksi matris malzemesi ve kompozitler üzerinde önemli bir mukavemet artışı sağladığı tespit edilmiştir. Takviyesiz epoksi malzeme en düşük çekme mukavemetine sahipken, epoksi matrisli G takviyeli kompozitlerde en yüksek çekme mukavemeti % 0,2 G içeren kompozitten elde edildiği görülmüştür. Epoksiye % 0,2'ye kadar G takviyesi eklenmesiyle malzemenin çekme dayanımı artmıştır. Daha fazla oranda eklenmesiyle bu artış düşüşe geçmiştir. Bu doğrultuda maksimum çekme dayanımı % 0,2 G takviyeli epoksi kompozitte gözlemlenmiştir. Ayrıca CF, KF ve AF'ye, G takviyesinin eklenmesiyle elde edilen G/fiber takviyeli kompozitlerin çekme dayanımları sürekli artmıştır. Ancak % 0,4 G takviyeli fiber kompozitlerin çekme dayanımı en yüksek değeri almasına rağmen % 0,2 G takviyeli fiber kompozite nazaran belirgin bir artış görülmemiştir. Ayrıca fiber takviyeli kompozitlerde, matris malzemesine G takviyesinin eklenmesiyle çekme mukavemetleri farklı davranışlar sergilemiştir. G nano partikülün CF, KF ve AF'ye eklenmesiyle elde edilen G/fiber takviyeli kompozitlerde, en fazla artış KFTP kompozitin çekme dayanımında görülürken en az artış AFTP kompozitin çekme dayanımında görülmüştür.

Composite materials, nowadays, have usage area in the majority of engineering structures. In this direction, it is of great importance to determine the mechanical properties of the produced composite materials and to improve their properties. In recent years, researchers have concentrated on improving the mechanical properties of composite materials. As a result, it has been found that nanosize graphene (G) is a reinforcement element which has a significant effect on improving the mechanical properties of the composite. In this study, the effects of G on tensile strength of composite were determined. In this direction, G having 0% (unreinforced), 0.1%, 0.2%, 0.3%, 0.4%, 0.5%, and 1% rates was added to epoxy matrix. Epoxy mixtures reinforced with G were, respectively, poured into molds prepared according to ASTM standards and allowed to cure. In addition, the epoxy mixtures containing 0% (unreinforced), 0.2% and 0.4% G by weight was added to the glass fiber (GF), carbon fiber (CF) and aramid fiber (AF) by hand lay-up. Thus, glass fiber reinforced plastic (GFRP), carbon fiber reinforced plastic (CFRP) and aramid fiber reinforced plastic (AFRP) composites, which contain different rates of G, were fabricated. Epoxy matrix composites reinforced with G, and composites reinforced with GF, CF, AF, and G were subjected to tensile testing. It was found that G reinforcement provided a significant increase in the strength of the epoxy matrix material and composites. While the unreinforced epoxy material had the lowest tensile strength, it was seen that the highest tensile strength in the composites reinforced with G was obtained from the composite containing 0.2% G. The tensile strength of the material increased with the addition of G up to 0.2% to epoxy. When it was added more, this increase decreased. In this respect, the maximum tensile strength was observed in epoxy composite reinforced with 0.2% G. Furthermore, the tensile strengths of G/fiber reinforced composites obtained by the addition of G to GF, CF, and AF continuously increased. However, despite the tensile strength of fiber composites reinforced with 0.4% G was highest, a significant increase wasn't observed compared to fiber composites reinforced with 0.2% G. In addition, in the fiber reinforced composites, tensile strengths by the addition of G reinforcement to the matrix material exhibited different behavior. In G/fiber reinforced composites obtained by the addition of G nanoparticle to GF, CF, and AF; it was observed that the highest increase was seen the tensile strength of the CFRP composite while the least increase was seen the tensile strength of the AFRP composite.