Karbon elyaf takviyeli epoksi matrisli kompozitlerin özelliklerine poss nanodolgusunun etkileri

Abstract

Yüksek performanslı kompozitler; denizcilik, otomotiv, uzay-havacılık ve savunma sanayilerinde sıklıkla kullanılan bir malzeme grubudur. Gelişen teknolojiyle birlikte bu malzemelerin özelliklerinin iyileştirilmesi beklenmektedir. Son yıllarda yeni malzemelerin geliştirilmesinde nanokompozitler önemli katkılar sağlamaktadır. Nanokompozitler polimer sistemleri içerisine en az bir boyutu 100 nanometreden küçük olan parçacıkların dağılması ile oluşan heterofazlı kompozit yapılardır. Kullanılan nano boyutlu parçacıkların yüzey alanının çok büyük olmasından dolayı ilave edildiği polimerlerin mekanik ve ısıl dayanımlarını saf hallerine göre arttırma potansiyeli vardır. Polimer nanokompozit üretimi amacıyla kullanılan malzemelerden biri de üç boyutuda nanometrik ölçüde olan polihedral oligomerik silseskuokzan (POSS) dır. Polimer matris içerisine POSS molekülleri dağıtılarak nanokompozitler elde edilmektedir. Bu polimerik nanokompozitler; sürekli elyaflar ile takviyelendirilerek, özellikleri önemli ölçüde iyileştirilmiş yüksek performanslı elyaf takviyeli kompozitler oluşturulabilmektedir.Tez çalışmamızda; matris sistemi olarak POSS katkılı epoksi nanokompozit, takviye sistemi olarak iki eksenli (0o-90o) kıvrımsız karbon elyaf kumaş kullanılmıştır. Epoksi matris ile uyumlu olması amacıyla epoksi fonksiyonalitesine sahip POSS nanodolgusu tercih edilmiştir. POSS nanoparçacıklarının, karbon elyaf takviyeli epoksi matrisli kompozitlerin mekanik özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Burada amaç matris sistemi olan epoksi reçinenin dayanımını arttırmak ve elyaf-matris arası arayüzey iyileştirmesi sağlayarak kompozit yapının mekanik özelliklerini iyileştirmektir. Öncelikle %1, 2, 4 ve 8 oranlarında POSS/epoksi nanokompozitleri hazırlanıp, bunların mekanik ve ısıl analizleri sonucu optimum POSS yükleme oranı belirlenmiş. Ardından karbon elyaf takviyeli kompozit plakalar vakum torbalama yöntemi ile üretilmiştir. Kompozit malzemelerin mekanik karakterizasyonu; düzlem içi kayma, tabakalar arası kayma dayanımı ve üç nokta eğme testleri ile yapılmıştır. Sonuçlar; POSS nanodolgusuz numunelerin sonuçları ile karşılaştırılmış ve POSS varlığının kompozit özelliklerine etkisi araştırılmıştır. Ayrıca kırılma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir.Epoksi matris için %2 oranında POSS içeriğinin optimum yükleme oranı olduğu belirlenmiştir. Buna göre üretilen %2 POSS/epoksi matrisli karbon elyaf takviyeli tabakalı kompozit yapının mekanik karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Yapılan tüm mekanik testlerde POSS nanodolgusu içeriğine sahip kompozitlerin dayanım ve modül değerlerinde %3,78 ile %20,4 arası değişen oranlarda iyileşmeler tespit edilmiştir. Böylece karbon/epoksi tabakalı kompozit malzemenin mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla kullanılan POSS nanodolgusunun elyaf-matris arayüzey dayanımını arttırdığı görülmüştür. Bu durum nanoyapıların varlığından dolayı arayüzeyde güçlü bağların oluşmasına dayandırılmış ve SEM mikrograflarıyla doğrulanmıştır.

High performance composites are daily used materials in marine, automotive, aerospace and defense industries. With the developing technology, their properties should be improved to fulfill the novel application's requirements. Nowadays, the nanocomposites, which are one kind of composite materials containing nanometer-sized inorganic nanoparticles, can be utilized to improve physical properties of polymers. The nanosized reinforcing materials, typically in the range of 1–100 nm, are uniformly dispersed in and fixed to a polymer matrix. Depending on the nanoscale dimension, nanosized reinforcing materials are categorized as one-dimensional (graphites and clays), two-dimensional (nanofibers, nanotubes, or whiskers) and three-dimensional (spherical silica, metal particles, polyhedral oligomeric silsesquioxanes (POSS), and semiconductor nanoclusters). Among them, the POSS nanoparticles are three-dimensional oligomeric, organosilicon compounds with cage frameworks surrounded by functional groups on the periphery. The inclusion of nanosized reinforcing materials into a polymer matrix not only dramatically improves the mechanical properties (e.g., strength, modulus, rigidity) but also reduces its flammability, heat evolution and viscosity during processing. Moreover, it brings advanced new functions in the final materials that finds applications in many industrial fields. In this thesis, mechanical properties of carbon fiber-reinforced epoxy composites were improved by addition of glycidyl-POSS as nanosized reinforcing material. The aim of this study is to improve the pyhsical properties of epoxy matrix by addition of glycidyl-POSS, which contains reactive epoxy groups. First of all, to determine the optimum POSS ratio; 1, 2, 4 and 8% glycidyl POSS was added to epoxy resin. The nanocomposites were characterized by mechanical and thermal analysis. The mechanical properties of obtained nanocomposites were investigated in accordance with the standard tests (ISO 527-2 and ISO 178). Thermal properties of the nanocomposites were also investigated by DSC and TGA analyses. The optimum improvement has been observed in the nanocomposites containing 2% glycidyl-POSS. After that, two-dimensional (0o-90o) non-crimp carbon fiber reinforcements were chosen in epoxy resin with 2% glycidyl POSS feeding ratio. The composite samples were produced by vacuum bagging method. For these samples, the mechanical properties were investigated in accordance with the standard tests (ISO 14125, ISO 14129 and ISO 14130). The strength and modulus of carbon fiber reinforced nanocomposites have been improved from 3.78 up to 20.4%. Examination of the surface morphology and interfacial debonding of the specimens was also performed via scanning electron microscopy (SEM). In conclusion, the addition of glycidyl-POSS not only enhance the interactions between carbon fiber and epoxy matrix, but also improves the mechanical properties of final composites.