Fracture characterization of knitting fabric reinforced laminated composites

Abstract

Sağlamlık ve hafiflik gibi özellikler teknolojinin ilerlemesi ile birlikte mühendislik uygulamalarında ön plana çıkmıştır. Bu durum metalik malzemelerin yerine onun kadar sağlam ve ondan daha hafif olan kompozit malzemelerin kullanımını zorunlu kılmıştır. Polimerik kompozitler, ağırlıklarına oranla yüksek dayanım, yüksek rijitlik ve stabilite, üstün korozyon ve yorulma dayanımlarından ötürü birçok mühendislik uygulamasında kullanılmaktadır. Bu amaçla polimer esaslı kompozitlerde takviye elemanı olarak kullanılan cam ve karbon lifleri daha mukavim yapılar oluşturma açısından geliştirilmelidir. Yapı elamanı olarak kullanılan kompozit malzemeler üretim, montaj veya kullanım sırasında çeşitli şekillerde hasara uğrayabilirler. Bu hasarlar çevresel etkiler ve dış yükler altında yapının zamanla bozulmasına neden olurlar. Bu hasarlardan biri de çatlak oluşumu ve çatlak yayılımına bağlı olarak meydana gelen kırılmadır. Kompozit yapılarda tehlikeli bir durum olan kırılma, can ve mal kaybıyla sonuçlanan hasarlara sebep olabilir. Yapılardaki güvenliği arttırmak için, kırılma tokluğu olarak adlandırılan malzemenin çatlak ilerlemesine karşı dayanımının bilinmesi gerekir. Bu çalışmada, hibrit ve hibrit olmayan örgü kumaşlarla takviye edilmiş tabakalı kompozitlerin farklı yükleme durumlarındaki kırılma karakteristiği incelenmiştir. Bu amaçla 1x1 rib örgü yapısına sahip cam ve karbon lifleri kullanılarak hibrit ve hibrit olmayan kumaşlar örülmüştür. Hibrit olmayan kumaşlar sadece cam (%100) ve sadece karbon (%100) lifi ile örülürken, hibrit kumaşlar ise ağırlıkça eşit cam-karbon (%50-%50) liflerinden örülmüştür. Ayrıca örgü desen genişliğinin kırılma tokluğuna etkisini incelemek için hibrit kumaşlar 3 farklı desen genişliğinde örülmüştür. Örgü kumaşlarla takviye edilecek tabakalı kompozitler el yatırma yöntemiyle üretilmiş ve üretilen tabakalı kompozitlerden istenilen ölçülerde Arcan test numunesi elde edilmiştir. Daha sonra üretilen her bir Arcan test numunesine 4mm uzunluğunda çatlak açılmıştır. Çatlaklı Arcan test numunelerinin mod I (0o), mod I-II (30o, 45o ve 60o), ve mod II (90o) yükleme şartlarındaki kırılma toklukları belirlenmiştir. Arcan testleri sonrası taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak kırılma yüzeylerinin morfolojisi incelenmiştir. Bu tezde yapılan bir diğer çalışma ise, cam ve karbon hibrit ve hibrit olmayan kumaşlarla takviye edilmiş kompozit malzemelerin kırılma tokluklarının J-integral yöntemi ile ANSYS paket programı kullanılarak nümerik olarak belirlenmesidir. Ayrıca, nümerik çalışma için gerekli olan her bir yapıya ait mekanik özellikler deneysel olarak belirlenmiştir.

Features such as strength and lightness come into prominence in the engineering application with the development of technology. This situation obligates the use of composite materials, which are as strong as metallic materials but lighter than the metallic materials, instead. Polymeric composites have been used in many engineering applications due to their high strength in proportion to their weight, high stability, rigidity, superior corrosion, and fatigue resistance. For this aim, glass and carbon fibers used as reinforcement materials in the polymeric composites must be improved in order to constitute more strength in the structures. Composite materials used as a structure material can be damaged during manufacturing, assembly, and usage of them. These damages can cause breaking of the construction under environmental effects and external loadings in some period of times. One of these damages is creating crack and fracture, which depends on crack propagation. Fracture, which is dangerous for composite structures, can cause loss of life and property. To improve safety level of the structures, strength value of materials for crack propagation named fracture toughness must be known.In this study, fracture characterizations of laminated composites reinforcing with hybrid and non-hybrid knitting fabric were investigated under different loading conditions. For this purposes, hybrid and non-hybrid fabrics were knitted in 1x1 rib knitting structure by using glass and carbon fibers. Non-hybrid fabrics were knitted with pure glass fibers (100%) and pure carbon fibers (100%) and hybrid fabrics were knitted with equal as weight glass-carbon fibers (50%-50%). Also, hybrid fabrics were knitted in 3 different pattern widths in order to investigate the effect of knitting pattern width on the fracture toughness. Laminated composites, which reinforced with knitted fabrics, were manufactured by hand lay-up method and Arcan test specimens having desired sizes were obtained from manufactured laminated composites. After that crack having 4mm length was created on the each manufactured Arcan test specimens. Fracture toughness of cracked Arcan test specimens were determined under mode I (0o), mode I-II (30o, 45o, and 60o), and mode II (90o) loading conditions. After Arcan tests, morphology of fracture surfaces was examined by using scanning electron microscope (SEM).Another study in this thesis is determination of fracture toughness of laminated composites, which reinforced with hybrid and non-hybrid glass and carbon fabrics by using J-integral method in ANSYS package program, numerically. Mechanical properties of each composite structure, which is needed for numerical study, were also determined experimentally.