Improving the mechanical properties of layered composites under out-of plane loading by means of adding nanofibers produced with novel solution blowing technique

Abstract

Delaminasyon lamine kompozitlerdeki çözülmesi gereken en büyük sorunlardan biridir. Bu tez çalışmasında ileri kompozit malzemelerin katmanlar arası kırılma tokluğu nanolif yapılı dokusuz kumaş takviye edilerek iyileştirilmiştir. Nanolifler reçine ve güçlendirici elyaf arasında köprü görevi görmektedir ve böylece katmanlar arasındaki süreksizlikleri doldurarak yükün elyaf üzerinde dağılmasını sağlamaktadır. Bu sebepten katmanlar arası kırılma tokluğu artmaktadır ve bu durum malzemenin delaminasyon direncini artırmaktadır. Nanolif takviyesinin bir diğer avantajı da ağırlığının kompozit malzemenin ağırlığına göre ihmal edilmesidir. Bu tez çalışmasında en iyi iyileştirme gösteren nanolif miktarı güçlendirici elyafın ağırlıkça %0,5’i kadardır. Karbon elyaf takviyeli kompozitlerin Mod-I ve Mod-II kırılma toklukları elyafın üzerine direk olarak nanolif üretimi ile sırası ile %48 ve %57 oranında iyileştirilmiştir. Buna ek olarak kompozit malzemelerin dinamik mekanik özellikleri, darbe sonrası basma dayanımı ve çekme dayanımı da iyileştirilmiştir. Bu iyileştirmeleri sağlayan nanolif üretimi için yenilikçi ve endüstriyel üretime uygun olan çözeltiden üfleme tekniği kullanılmıştır. Bu yöntemde pnömatik kuvvetler tahrik kuvveti olarak kullanılmaktadır ve polimer çözeltisinden nano ölçekte lif formu elde edilmektedir. Nanolif takviyesi yapıldıktan sonra kumaşlar üst üste dizilerek kompozit üretime hazırlanmıştır. Kompozit üretimi için vakum destekli reçine transfer yöntemi kullanılmıştır. Bu tez çalışmasının hipotezi endüstriyel uygulamalarda kullanılan lamine kompozitlerin düzlem dışı yük altında kırılma tokluğu ve mekanik özellikleri ağırlık ve maliyetinde ihmal edilebilir seviyede artış olacak şekilde iyileştirlirken düzlem içi yük altında mekanik özelliklerinin düşürülmemesidir.

The delamination issue is one of the biggest challenges to overcome the drawbacks of laminated composites. In this thesis study, the interlaminar fracture toughness of advanced composites was improved by incorporating nanofibrous web into the plies. Nanofibers create a bridge between resin and reinforcing fibers, hence block the discontinuities between laminas and distribute the load over the fibers. Thus, the interlaminar fracture toughness of the composite materials was enhanced. Another advantage of the nanofibrous layer is the negligible weight increase in the composite material. In this study, the optimum nanofiber amount is only 0.5 wt.% of reinforcing fabric. The Mode-I and Mode-II fracture toughness of carbon fiber reinforced laminated composites were improved nearly 48% and 57%, respectively, by direct production of nanofibers over the fabrics. In addition to this, dynamic mechanical properties, compression after impact strength, and tensile properties were improved. A novel and industrially scalable method solution blowing was used for nanofiber production. In this method, pneumatic forces are used as the driving force for the fiber formation in nano-scale from polymer solution. After the incorporation of the nanofibrous web into composite layer stacking, the materials were produced by using vacuum-assisted resin transfer molding.The hypothesis of the thesis study is the production of fiber-reinforced plastics with improved out-of-plane mechanical properties without increasing the weight and cost, and without decreasing the in-plane mechanical properties for industrial-scale applications.