Preliminary studies of the mechanical properties and production methods of carbon fiber reinforced polymers

Abstract

KISA ÖZET Bu tez çalışmasının amacı karbon lifle takviye edilmiş plastiklerin elastik özelliklerim ve kırılmalarını incelemek ve üretim yöntemleri hakkında temel know-how bilgisini edinmektir. Tek bir doğrultuda yerleştirilmiş ve bir reçineyle birbirine bağlanmış karbon liflerden oluşan tek-yönlü laminaların elastik özellikleri tartışılmış, değişik sayı ve doğrultuda laminalar içeren laminatların konstitütif ilişkileri türetilmiş, mekanik yüklemelere ve sıcaklık değişikliklerine maruz kalan laminatlarda oluşan gerilmeleri bulmak için geliştirilen yöntemler anlatılmıştır. Mukavemet problemine niceliksel bir yaklaşım, düzlem içi yüklemelere maruz kalan laminatlar gözönüne alınarak tartışılmış, mikroskopik düzeyde kırılmalar ile ilgili gözlemler, çeşitli kırılma modlanyla birlikte aktarılmıştır. Kompozit laminatları matematiksel bir süreklilik olarak kabul eden ve kırılmalarını tahmin etmede kullanılan çeşitli kırılma kriterleri incelenmiştir. Temel tek-yönlü laminaları karakterize etmek, kırılma mekanizmaları ve modlarını, çatlakların başgöstermesi ve yayılmasını belirlemek için kullanılan standard test yöntemleri incelenmiştir. Ön emprenye edilmiş tek-yönlü APC-2 (AS4/PEEK) kompozitinden laminatlar üretilmesi amaçlanmış, ancak bu malzeme çalışma süresi içinde temin edilememiş bu nedenle laminatların üretimi gerçekleştirilemiştir. Fakat APC-2 kompoziti için üretici firma tarafından belirtilen konsolidasyon proses çevrimi incelenmiş ve bu çevrimin şartlarını yerine getirecek basınç ve ısıtma birimleri tasarlanmış ve imal edilmiştir. Konsolidasyon prosesinin ayrıntıları, basınç ve ısıtma birimlerinin spesifikasyonları anlatılmıştır.

IV ABSTRACT The aim of this thesis is to examine the elastic and failure properties of carbon fiber reinforced plastics and to gain the basic know-how on the production methods of them. Elastic properties of unidirectional laminae which consists of fibers oriented in a single direction and bonded together by a resin are discussed. Constitutive relations of laminates containing arbitrary numbers and orientations of laminae are derived. Methods of stress analysis of laminates subjected to mechanical loads or temperature changes are described. A qualitative approach to the problem of strength is discussed by considering a laminate loaded in its plane. Observations on failure at a microscale level of magnification with its several modes are cited. Several failure criteria which regard the composites laminates as a mathematical continuum- and predict the failure of them are examined. Standard test methods for qualification and characterization of the basic unidirectional lamina, and for identification of failure mechanisms, and modes, initiation and propagation of flaws are examined. It is aimed to produce laminates of different configuration from APC-2 (AS4/PEEK) unidirectional prepreg. The material could not be obtained in the time span of the study, and production of laminates could not be achieved. However, the consolidation process cycle of APC-2 composite recommended by the manufacture is examined and pressurizing and heating units meeting the requirements of this cycle is designed and manufactured. The details of consolidation process, specifications of the pressurizing and heating units are discussed.