KOMPOZİT UÇAK YAPILARINDA KIRIŞMA VE KATMAN AYRILMASININ MODELLENMESİ VE ANALİZİ BİTİRME ÇALIŞMASI. Ercan Koç. Uçak Mühendisliği

Transkript

1 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ UÇAK VE UZAY BİLİMLERİ FAKÜLTESİ KOMPOZİT UÇAK YAPILARINDA KIRIŞMA VE KATMAN AYRILMASININ MODELLENMESİ VE ANALİZİ BİTİRME ÇALIŞMASI Ercan Koç Uçak Mühendisliği Tez Danışmanı: Prof. Dr. Zahit Mecitoğlu AĞUSTOS 2018

2

3 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ UÇAK VE UZAY BİLİMLERİ FAKÜLTESİ KOMPOZİT UÇAK YAPILARINDA KIRIŞMA VE KATMAN AYRILMASININ MODELLENMESİ VE ANALİZİ BİTİRME ÇALIŞMASI Ercan Koç ( ) Uçak Mühendisliği Tez Danışmanı: Prof. Dr. Zahit Mecitoğlu AĞUSTOS 2018

4

5 İTÜ, Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesinin numaralı öğrencisi Ercan Koç, ilgili yönetmeliklerin belirlediği gerekli tüm şartları yerine getirdikten sonra hazırladığı KOMPOZİT UÇAK YAPILARINDA KIRIŞMA VE KATMAN AYRILMASININ MODELLENMESİ VE ANALİZİ başlıklı tezini aşağıda imzaları olan jüri önünde başarı ile sunmuştur. Tez Danışmanı : Prof. Dr. Zahit Mecitoğlu... İstanbul Teknik Üniversitesi Jüri Üyeleri : Prof.Dr. Halit Süleyman TÜRKMEN... İstanbul Teknik Üniversitesi Dr.Öğr.Üye.Özge ÖZDEMİR... İstanbul Teknik Üniversitesi Teslim Tarihi : 3 Ağustos 2018 Savunma Tarihi : 6 Ağustos 2018

6

7 Aileme, III

8 IV

9 ÖNSÖZ Önsöz bölümünün içerisindeki metinler 1 satır aralıklı yazılır. Tezin ilk sayfası niteliğinde yazılan önsöz ikisayfayı geçmez. Tezi destekleyen kurumlara ve yardımcı olan kişilere bu kısımdateşekkür edilir. Önsöz metninin altında sağa dayalı olarak ad-soyad, sola dayalı olarak ay, yıl biçiminde tarih yazılır. Bu iki unsur aynı hizada olur. Ağustos 2018 Ercan Koç V

10 VI

11 İÇİNDEKİLER Sayfa ÖNSÖZ... v İÇİNDEKİLER... vii KISALTMALAR... ix TABLO LİSTESİ... xi ŞEKİL LİSTESİ... xiii ÖZET... xv SUMMARY... xvii 1. GİRİŞ Tezin Amacı Literatür Araştırması KOMPOZİT MALZEMELER Takviye Edilme Şekillerine Göre Kompozitler Parçacık Takviyeli Kompozitler Tabakalı Kompozitler Elyaf Takviyeli Kompozitler Matriks Elemanına Göre Kompozitler Plastik Matriksli Kompozitler Metalik Matriksli Kompozitler Seramik Matriksli Kompozitler KOMPOZİT UÇAK YAPILARINDAKİ KUSURLAR..13 vii

12 3.1 Üretim Sırasında Ortaya Çıkan Kusurlar İşletme Sırasında Ortaya Çıkan Kusurlar Fiber-Matriks Bağ Çözülmesi (Fiber-Matrix Debonding) Lif Çekilmesi (Fiber Pull-Out) Düzlem İçi Matriks Çatlaması (Intralaminar Matrix Cracking) Plastik Akış (Plastic Flow) Fiber Kırığı (Fibre Fracture) Kırışıklık (Wrinkle) Katman Ayrılması (Delamination) Katman Ayrılması Modları Kusurları belirleme yöntemleri (Tahribatsız muayene yöntemleri) Görsel Test (Visual Testing) Optik Testler Sesötesi Test (Ultrasonic Testing) Termografi Testi (Thermography Testing) Radyografik Test (Radiographic Testing) 23 KAYNAKLAR... EKLER... ÖZGEÇMİŞ... viii

13 KISALTMALAR SEM : Scanning Electron Microscope (Taramalı Elektron Mikroskobu ) NDT : Non-Destructive Testing (Tahribatsız Test) DSP : Digital Speck Photography (Dijital Benek Fotoğrafçılığı) ESPI : Electronic Speckle Pattern Interferometry (Elektronik Benek Desenli İnterferometri) CCD : Charge Coupled Devices (Şarj Bağlı Cihazlar) UT : Ultrasonic Testing (Sesötesi Test) IRT : Infrared Thermography Testing (Kızılötesi Termografi Testi) RT : Radiographic Testing (Radyografik Test) XCT : X-ray Computed Tomography (X-Ray Bilgisayarlı Tomografi) vii

14 x

15 TABLO LİSTESİ Sayfa Tablo1.1 : Tek satırlı ve kolonlar ortalanmış tablo... 2 Tablo 2.1 : Tablo ismi nokta ile bitirilmelidir Tablo3.1 :Yatay sayfada birden fazla satırlı tablo isimlendirme : önemli nokta satırların aynı hizadan başlamasıdır Tablo4.1:Tablo örneği Tablo5.1 : Beşinci bölümde örnek tablo Tablo6.1 : Altıncı bölümde tablo Tablo A.1: Ekler bölümünde tablo örneği xi

16 xii

17 ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 2.1 : Elyaf takviyeli kompozit malzemeler; a) Tek yönlü sürekli elyaflı b) Kırpılmış elyaflı c) Ortogonal elyaflı d) Açılı dizilmiş 10 sürekli elyaflı e) Rastgele dizilmiş sürekli elyaflı Şekil 3.1 : 2 Joule çarpma enerjisine maruz kalan bir AS4 / karbon 14 fiber epoksi içinde reçinece zengin bir bölgede hasar başlangıcı Şekil 3.2 : Aşırı ısıl gerilmelerden kaynaklanan bir karbon fiber epoksi 16 kompozitde bir matris çatlaması Şekil 3.3 : Katman ayrılması modları 19 xiii

18 xiv

19 KOMPOZİT UÇAK YAPILARINDA KIRIŞIKLIK VE KATMAN AYRILMASININ MODELLENMESİ VE ANALİZİ ÖZET Özet hazırlanırken 1 satır boşluk bırakılır. Türkçe tezlerde, Türkçe özet 300 kelimeden az olmamak kaydıyla 1-3 sayfa, İngilizce genişletilmiş özet de 3-5 sayfa arasında olmalıdır. İngilizce tezlerde ise, İngilizce özet 300 kelimeden az olmamak kaydıyla 1-3 sayfa, Türkçe genişletilmiş özet de 3-5 sayfa arasında olmalıdır. Özetlerde tezde ele alınan konu kısaca tanıtılarak, kullanılan yöntemler ve ulaşılan sonuçlar belirtilir. Özetlerde kaynak, şekil, tablo verilmez. Özetlerin başında, birinci dereceden başlık formatında tezin adı (önce 72, sonra 18 punto aralık bırakılarak ve 1 satır aralıklı olarak) yazılacaktır. Başlığın altına büyük harflerle sayfa ortalanarak (Türkçe özet için) ÖZET ve (İngilizce özet için) SUMMARYyazılmalıdır. Türkçe tezlerde Türkçe özetin İngilizce özetten önce olması önerilir. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. xv

20 Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. xvi

21 MODELING AND ANALYSIS OF WRINKLE AND DELAMINATION IN COMPOSITE AIRCRAFT STRUCTURE SUMMARY 1 line spacing must be set for summaries. For theses in Turkish, the summary in Turkish must have 400 words minimum and span 1 to 3 pages, whereas the extended summary in English must span 3-5 pages. For theses in English, the summary in English must have 400 words minimum andspan 1-3 pages, whereas the extended summary in Turkish must span 3-5 pages.a summary must briefly mention the subject of the thesis, the method(s) used and theconclusions derived. References, figures and tables must not be given in Summary. Above the Summary, the thesis title in first level title format (i.e., 72 pt before and 18pt after paragraph spacing, and 1 line spacing) must be placed. Below the title, theexpression ÖZET (for summary in Turkish) and SUMMARY (for summary inenglish) must be written horizontally centered. It is recommended that the summary in English is placed after the summary in Turkish for the thesis written in Turkish. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero xvii

22 eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea takimata sanctusest Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut lab ore sit et dolore magna. Lorem ipsum dolor sit amet, consetetur sadipscing elitr, sed diam nonumy eirmod tempor invidunt ut labore et dolore magna aliquyam erat, sed diam voluptua. At vero eos et accusam et justo duo dolores et ea rebum. Stet clita kasd gub rgren, no sea xviii

23 1. GİRİŞ Eskiden insanların kilden yapılmış ve saman ile güçlendirilmiş tuğlalar kullanması, erken kompozitlerin uygulama örneğidir. Kil ve saman kendi başlarına yapısal işlevi olmayan malzemeler ama bir araya getirildiğinde çok verimli. Kompozitlerin tarihsel örnekleri literatürde bol miktarda bulunmaktadır. Önemli Örnekler evlerde takviye çamur duvarlarının kullanımını içerir Bambu sürgünleri, Mısırlılar tarafından yapıştırılmış lamine ahşap (1500 M.Ö.) ve lamine dövme kılıçlarda metaller (M.S. 1800). 1930'larda modern Cam elyaf takviyeli reçinelerin kullanıldığı kompozitler kullanıldı. Tekneler ve uçaklar, genellikle cam elyafı olarak adlandırılan bu cam kompozitlerden inşa edilmiştir. 1970'lerden beri, karbon, bor ve aramidler gibi yeni lifler geliştirildi ve yeni metal ve seramik matrisli kompozit sistemlerin kullanımı büyük ölçüde arttı. Kompozit malzeme, iki veya daha fazla sayıdaki farklı özelliklere sahip malzemelerin makro seviyede birleştirilmesiyle elde edilen bir üründür. Herbiri makroskopik düzeyde birleştirilen ve çözünmeyen bileşenlerdir. Bir bileşen güçlendirici faz olarak adlandırılır ve gömülü matris denir. Diğer bileşen takviye fazı olarak adlandırılır ve lifler, parçacıklar veya pullar halinde malzemeler olabilir. Matris faz materyalleri genellikle süreklidir. Çelik takviyeli beton ve grafit elyaf takviyeli epoksi kompozit sistemlere örnek verilebilir. [1] Fiber takviyeli kompozit malzemeler spor ürünlerinden gelişmiş uçak yapılarına kadar muazzam çok sayıda mühendislik uygulamasında kullanım potansiyeline sahiptir. Uzun elyaf kompozitlerin üstün sertlik ve mukavemet özellikleri düşük ağırlık ve maliyette karmaşık bileşenlerin üretimi için kullanılabilir. Kompozitler farklı anizotropik özellikler gösteren karmaşık malzemelerdir. Kompozit bileşenlerin imalatı sırasında, genellikle mm kalınlıktaki ince katlar veya önceden emdirilmiş lif tabakaları istenen sıraya göre istiflenir ve daha sonra tüm laminant, istenen fiziksel özellikleri sergileyen yapısal olarak sağlam bir bileşen elde etmek üzere işlenir. Ne yazık ki, üretim süreci, istenmeyen artifaktlar ve boşluklar, reçine açısından zengin alanlar ve inklüzyonlar gibi kusurların varlığına 1

24 neden olabilir. Bu sözde kusurların çoğunun tespit edilmesi zor olsa da, bunların bileşenin genel yapısal bütünlüğü üzerindeki etkileri, felaket değilse de ciddi olabilir. Kompozit bileşenlerin hizmet içi çalışması sırasında hasar ve genel malzeme bozulması da meydana gelebilir. Bu tür hasarların tipik nedenleri sürekli döngüsel yükleme, lokal sıcaklıkta hızlı değişiklikler ve düşürülmüş bir takım veya pist kalıntılarından kaynaklanan darbe yüklemesidir. Bununla birlikte, kusur veya stres artırıcı boyutunun kritik bir değere ulaşması durumunda, başarısızlık felaket ve sonuçlarda ciddi olabilir. Açıkçası, imalat ve işletim hizmeti sırasında kompozit malzemelerde meydana gelen çeşitli hasar ve kusurları tanımaya ve tanımlamaya güçlü bir ihtiyaç vardır. Ne yazık ki, bu tür kusurları ve kompozit parçalarda hasarı karşılamak için tutarlı bir genel tasarım felsefesi yoktur. [2] 1.1 Tezin Amacı Bu çalışmada, tabakalı kompozitlerde hem imalat sürecinde hem de operasyonel hizmetlerde ortaya çıkan çeşitli hasar ve bozulma mekanizmaları incelenecek ve tartışılacaktır. Bunu takiben, kompozit malzemelerde arıza tespit etmek için geliştirilen tekniklerin birçoğu sunulacak ve avantajları ve sınırlamaları tartışılacaktır. Daha sonra bu kusurlardan delaminasyon ve buruşmanın mekanik özelliklere ve yorulmaya etkisi incelenecektir. 1.2 Literatür Araştırması Karaaslan,[3] çalışmasında farklı kompozit rotor pala malzemelerinin, sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmesi ve döner kanat yüzey kaplamalarında yaygın olarak kullanılan [(±45/0/90)2] yönlenmesinde dokunmuş karbon elyaf ve [(±45)8] yönlenmesinde dokunmuş cam elyaf takviyeli epoksi matrisli kompozit levhaların çekme ve eğme yükleri altındaki davranışlarını incelemiştir. Bununla birlikte delaminasyon kusuru içeren malzemelerin davranışlarını modelleyerek kusursuz malzemeler ile karşılaştırmıştır. Bu simülasyonlar yapılırken ASTM standartları esas alınmış ve buradaki geçerli deney fikstürleri ve numune boyutları kullanılarak simülasyondaki sınır şartları belirlenmiştir. Yapılan simülasyonlarda 2B kabuk ve 3B 2

25 katı eleman tipleri karşılaştırılmış ve çok katmanlı katı eleman tipinin kullanılmasının daha uygun olduğu gösterilmiştir. Yapılan simülasyonlar neticesinde deneysel çalışmadan elde edilen sonuçlara yakın değerler elde edilmiş ve modelin çalıştığı gösterilmiştir. Aynı servis koşulları altında karbon elyaf takviyeli malzemenin cam elyaf takviyeli malzemeye göre daha yüksek elastiklik modülü değerleri elde edilmiştir. Cam elyafa kıyasla çok daha gevrek yapıdaki karbon elyaf kompozit delaminasyon hasarına karşı duyarlılığı sonlu elemanlar yöntemi ile modellenmiştir. Xie ve diğ. [4] çalışmalarında, düzlem dışı kırışıklıkların etkilerine odaklanmıştır ve sonlu elemanlar modeli oluşturulmuştur. Mekanik performansı değerlendirmek için ABAQUS kullanılmıştır. Deneysel gözlemlerle tahmin edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. Katman ayrılması büyümesinin çoğu analizi, Kırılma Mekaniği yaklaşımına dayanmaktadır ve enerji salım oranını değerlendirmektedir. Schoeppner ve Pagano tarafından [5] çatlaklar etrafındaki gerilme alanlarını tanımlamak ve çapraz katlı laminatlar için enerji salım oranının doğru tahminlerini elde etmek için varyasyonel yöntemler kullanılmıştır. Sun ve Jih [6] benzemez izotropik katılar arasındaki arayüz çatlakları için Mod I ve II enerji salım oranlarını araştırmışlardır. Enerji salınımı oranı yaklaşımı, daha sonra, iki ortotropik katı madde arasındaki ara yüzey çatlaklarını analiz etmek için Sun ve Manoharan [7] tarafından genişletilmiştir. 3

26 4

27 2. KOMPOZİT MALZEMELER Kompozit malzeme, iki yada daha fazla malzemenin istenen özellikleri sağlayacak bir malzeme oluşturmak için makro seviyede birleştirilmesi sonucu meydana gelen yeni bir malzemedir. Yapısal uygulamalarda kullanılmak üzere kabul edilebilir bir kompozit malzemenin tanımlanmasında üç ana nokta vardır. Bunlar matris, elyaf ve bu ikisini birleştirecek arayüzey. Kompozit malzemeleri konvansiyonel malzemelerden ayıran en önemli özellik; kompozit malzemelerdeki malzeme kombinasyonunun sonsuz sayıda olmasıdır. Bu, oluşturulacak olan malzemenin özelliklerinin istenildiği gibi değiştirilmesi olanağını sağlar. Kompozit malzemeler, ekonomik olmaları ve mevcut malzeme kaynaklarının daha iyi şekilde değerlendirilmesi sebebiyle, geniş kullanım alanına sahiptir. Daha önceleri kompozit malzemelerin üretim maliyetlerinin oldukça yüksek olmasına rağmen, gelişen teknolojiyle bu maliyet giderek azalmaktadır. Kompozit malzemelerin metal ve diğer malzemelere alternatif hale gelmelerinin en önemli nedeni, aynı ağırlıktaki metallere göre dayanımlarının çok daha fazla olması, yeni tasarım esneklikleri sunmaları, korozyona ve aşınmaya karşı dirençleri ile düşük ısı iletkenlikleri gibi özellikleridir. Kompozit malzemelerin dezavantajı ise, henüz çok iyi tanımlanmış tasarım parametrelerinin olmaması ve ham malzeme açısından en yüksek imalat verimliliğine ulaşmamış olmasıdır[8]. Kompozit malzemeler özellikleri farklı iki veya daha fazla malzemeden oluşur. Bunlardan birinin takviye amaçlı diğerinin de matris amaçlı olarak kullanılmasından dolayı kompozit malzemeler iki ana sınıfa ayrılır. Bunlar; Takviye Edilme Şekillerine Göre; a) Parçacık Takviyeli Kompozitler b) Lamine (Levha) Kompozitler c) Elyaf Takviyeli Kompozitler 5

28 Matris Elemanına Göre; a) Metal Matrisli Kompozitler b) Seramik Matrisli Kompozitler c) Polimer Matrisli Kompozitler 2.1 Takviye Edilme Şekillerine Göre Kompozitler Parçacık Takviyeli Kompozitler Matris, parçacık olarak malzemedeki başka bir malzemenin varlığıyla oluşturulur. Bu tür kompozit malzemeler, sıfır boyutlu parçacıklar olarak düşünülen tek veya iki boyutlu mikroskobik parçacıklardan veya mikroskobik parçacıklardan yapılmış malzemelerdir ve ortalama gömülü parçacık boyutu 1 um'den fazla değildir ve elyaf hacim oranı % 25'ten fazla değildir.. En çok kullanılan parçacıklar Al2O3 ve SiC'den oluşan seramiklerdir. Burada yük, lif ve matriks ile birlikte taşınır ve özellikler hala izotropiktir. Bu kompozitler, mukavemetin iyileştirilmesinden alışılmadık şekilde beklenmedik sıra dışı kombine özellikler elde etmek için tasarlanmıştır. Bu kompozitler; metaller, seramikler ve polimerler. Örnekler sert metal uçlar ve betondur. Yapının mukavemeti parçacıkların sertliğine bağlıdır. En yaygın tip, plastik matriste bulunan metal parçacıklardır. Metal parçacıklar termal ve elektriksel iletkenlik sağlar. Metal matrisinde seramik matriks içeren yapılar (sermet), sertlik ve yüksek sıcaklık dayanımı yüksektir. Bunlar kolları, kolları, elektrikli parçaları, muhafazaları ve benzerlerini içerir. Dökme ile üretilen kompozitlerde karşılaşılan bir problem gibi küçük parçacıkların yapımında kullanılırlar, parçacıklar eklendiğinde ve eriyik viskozunu azaltıp tozların karıştırılmasındaki zorluktur veya sıvı metalin seramik parçacıkları ıslatılamaz. Islanabilirliği arttırmak için; a) Katı yüzey enerjisinin artırılması, b) Sıvı metal yüzey geriliminin azaltılması, c) Katı ve sıvı ara yüzey enerjisinin azaltılması gibi parametreler üzerinde durulması gerekir. Bu nedenle de, parçacık yüzeyine kaplama yapılması ve ısıl işlem uygulanması veya matris bileşiminin ayarlanması gibi metotlar uygulanmaktadır. Metal matrisle 6

29 kompozitlerde ıslanabilirliği iyileştirmek için genellikle magnezyum elementi kullanılmaktadır. Bu şekildeki bir kompozitin dayanımı; Parçacıkların büyüklüğüne, Parçacıklar arası mesafe ve homojen dağılıma, Matrisin özelliklerine, Parçacıkların özelliklerine bağlı olarak değişir. Bu tip kompozitlerde artan takviye elemanı ilavesi ile birlikte yapı içerisinde porozite vb. hatalar artmaktadır. Dolayısı ile haddeleme gibi ikinci bir işlemde uygulanabilmektedir[9] Tabakalı Kompozitler Katmanlı kompozit yapı en eski ve en yaygın kullanılan tiptir. Farklı lif oryantasyonları ile tabakaların bileşimi ile çok yüksek sertlik değerleri elde edilir. Isı ve neme karşı dayanıklıdırlar. Hafifliği ve mukavemeti nedeniyle aynı zamanda tercih edilen malzemelerdir. Sürekli fiber takviyeli katmanlı kompozitler, uçak yapıları, kanat ve kuyruk gruplarında yüzey kaplama malzemesi olarak çok yaygın bir kullanıma sahiptir. Ek olarak, uçak yapılarında yaygın olarak kullanılan sandviç yapılar da katmanlı kompozit malzemelerin örnekleridir. Sandviç yapılar, sadece yalıtım özelliklerine ve yüke sahip olmayan, düşük yoğunluklu bir çekirdek malzemenin üst ve alt yüzeylerine dirençli plakaların yapıştırılmasıyla elde edilir[10] Elyaf Takviyeli Kompozitler Elyaf takviyeli kompozitler, kompozit malzemelerin önemli bir bölümünü oluşturmaktadır. Bilindiği gibi, her malzeme çeşitli olumlu ve olumsuz özelliklere bir arada sahip olabilir. Değişik malzemeler elyaf ile takviye edilerek, çeşitli özelliklerini değiştirmeye yönelik çalışmaların teorik yönü ile ele alınışının yeni olmasına karşın, ilk uygulamaların çok eskilere dayandığı bilinmektedir. Kerpiç malzemenin bitkisel elyaf ve samanla karıştırılarak yapılması, alçı hamurunda yine bitkisel elyaflar ile atkuyruğu ve yelesi gibi hayvansal kılların kullanılması herkesçe bilinen örneklerden bir kaçıdır. 7

30 Elyaf takviyeli plastiklerde, bazı mükemmel fiziksel ve mekanik özelliklere sahip olan fiberler ile plastikler, yeni ve daha üstün özelliklere sahip olan bir malzeme üretmek için birleştirilirler. Elyaflar, çok yüksek dayanım ve modüle sahiplerdir. Fakat bu yalnızca 7-15 μm çapa sahip gevrek yapılı çok ince fiberlerde gözlenmiştir. Plastikler ise sünek veya gevrek yapıya sahip olup, genellikle kimyasal ortama karşı dirençlidirler. Elyafları ve reçineyi birleştirerek, plastiğin kimyasal direnci ile elyafa yakın rijitlik ve dayanımda yeni bir malzeme üretilir. Ek olarak, bu yeni malzemenin çatlak ilerlemesine karşı direnç sağlaması mümkündür ve deformsyon boyunca enerjiyi absorbe edebilir. Birim ağırlık başına modül (özgül modül) ve birim ağırlık başına dayanım (özgül dayanım) esas alındığı zaman, kompozit malzemelerin avantajı açığa çıkar. Kompozit malzemelerin daha yüksek özgül modül ve özgül dayanımı, elemanlarının ağırlığının azalabileceği anlamına gelir. Bu, elemanların taşınmasında, özellikle de ağırlıktaki azalmaların daha büyük verim ve enerji tasarrufuna sebep olduğu taşımaların bütün biçimlerinde, büyük öneme sahip bir faktördür[11] Malzemelerin elyaflarla donatılması öncelikle, mekanik dayanımları daha iyi olacak kompozit malzeme üretmeye yöneliktir. Malzemeler, özellikle çekme, eğilme ve çarpma dayanımları gibi mekanik dayanımların iyileştirilmesi, gevrek kırılma özelliğinin kısmen giderilmesi amacı ile elyaflar kullanılmaktadır. Elyaflarla takviye edilmiş kompozit malzemede, en basit hali ile iki fazlı kompozit olarak ele alınabilmektedir. Kompozitin sürekli fazını, elyafları bir arada tutan ve kompozit içindeki hakim oranının yüksekliği nedeniyle kompozitin ana bileşeni olarak da düşünebileceğimiz matriks malzemesi oluşturmaktadır. Bu matriks içinde, elyaf olarak kullanılan malzeme ikinci fazdır. Elyafın etkinliği, elyaf malzemesinin Elastisite modülünü matriksin Elastisite modülünden çok daha büyük olmasına bağlıdır. Matris ve elyaf fazının Elastisite modülü değerlerinin birbirine yakın olması halinde, elyaf fazı taşımaya yeterince katılamamakta ve dolayısıyla kompozit amaçlanan özelliklere sahip olamamaktadır. Elyaf takviyeli kompozitlerde elyafın taşımaya katılabilmesi için matriks üzerindeki mekanik etkinin elyafa iletilmesi gerekir. Burada elyaf ile matriks arasında herhangi bir kimyasal bağ yoktur ve iletim kayma kuvvetiyle olacaktır. Dolayısıyla elyafla matriks arasında meydana gelebilecek kayma gerilmelerine dayanabilecek yapışma kuvvetinin bulunması gerekmektedir. Ayrıca fazlar arasında kimyasal etkileşimin olmaması ve yine 8

31 fazların ısı genleşmesi değerlerinin kompozitin yapısını bozacak düzeyde farklılık taşımaması öngörülmektedir. Elyaflı kompozitlerde özellikle çekme, eğilme, darbe dayanımlarında önemli artışlar olmaktadır. Dolayısıyla bu tip kompozit malzemede, sözü edilen çekme, eğilme gibi gerilmelerin birim ağırlığa oranı da diğer malzemelere gore daha yüksektir. Bir boyutu diğer boyutlarına oranla çok fazla olan malzemelerin hakim içindeki konumu, elyaflı kompozitlere has özellik olan elyaf yönü ile ilgili bir diğer kriteri oluşturmaktadır. Elyaf yönü, kompozitin dayanımı ve elyafların taşımaya katkısı açısından önemli bir faktördür. Dolayısıyla yönelmiş elyaf takviyeli kompozitler değişik yönlerden farklı özellikler gösterir. Elyafların matriks içinde rastgele gelişi güzel dağılmış olması halinde malzeme izotrop kabul edilir. Sünek matriksli ve kırılgan elyaflı kompozitlerde, matriks fazını epoksi, polyester, fenolik reçinesi gibi organic maddeler oluşturur.bu kompozitlerde, matriks malzemesine oranla, daha kırılgan özellik taşıyan cam ve seramik esaslı elyafla, yüksek dayanımlı çelik elyaflar kullanılmaktadır. Sünek matriksli ve kırılgan elyaflı kompozitlere örnek olarak, ülkemizde de yaygın üretimi ve çok yönlü kullanımı olan cam elyaf takviyeli polyester reçinesi gösterilebilir. Bu malzeme dilimizde uzun yıllar, kısmen de hatalı biçimde Fiberglas adıyla anılmıştır. Günümüzde cam elyaf takviyeli plastic adıyla yaygınlaşmıştır. Göreceli olarak daha ucuz olan cam elyaf takviyeli plastikler, genellikle otomotiv endüstrisi, elektrik-elektrik endüstrisi, kimya endüstrisi, gemi inşa endüstrisinde kullanılmaktadır. Havacılık endüstrisinde ise hafifliğin ve yüksek mekanik dayanımının belirleyici olması nedeniyle, pahalı takviye elemanları kullanılmaktadır[12]. Elyaf takviyeli kompozitler Şekil 2.1 de görüldüğü üzere; a) Tek yönlü sürekli elyaflı b) Kırpılmış elyaflı c) Ortogonal elyaflı d) Açılı dizilmiş sürekli elyaflı e) Rastgele dizilmiş sürekli elyaflı olmak üzere diziliş şekillerine göre beş sınıfa ayrılır. 9

32 Şekil 2.1 : Elyaf takviyeli kompozit malzemeler; a) Tek yönlü sürekli elyaflı b) Kırpılmış elyaflı c) Ortogonal elyaflı d) Açılı dizilmiş sürekli elyaflı e) Rastgele dizilmiş sürekli elyaflı 2.2 Matris Elemanına Göre Kompozitler Plastik Matrisli Kompozitler Güçlendirilmiş polimer kompozitler, tipik olarak 400 F ve daha yüksek sıcaklıklarda sürekli kaynak sıcaklıklarında malzeme mukavemeti ve bütünlüğünü koruyabilir ve uçak, otomotiv yapıları, inşaat malzemeleri, makine parçaları ve çeşitli tüketici ürünü yapıları için önemli bir kullanıma sahiptir. metal ve ahşap. Plastik ve plastik matriks kompozit endüstrisini ele alan önemli bir problem, bu kompozitlerin birleştirilmesi için uygun teknolojinin olmamasıdır. Günümüzün en gelişmiş yapıştırma yöntemleri yetersizdir; Bunlar arasında yapıştırıcılar, direnç kaynağı, ultrasonik bağlama, titreşim kaynağı, indüksiyon yapıştırma, yüksek frekanslı kaynak, mekanik tutturucular ve kızılötesi radyan ısı yer alır. Her yöntemin, bu buluşun üstesinden geldiği doğal problemler vardır. Yapıştırıcıların muntazam bir şekilde uygulanması zordur ve bileşimdeki farklılık ve moleküler devamlılığın olmaması nedeniyle kırılma çizgileri yaratır. Direnç kaynağı, direnç akımı uygulandıktan sonra eklemde kalan iletken metal veya karbon şeritleri gerektirir. Bu, 10

33 plastiğin bütünlüğünde bir süreksizlik üreterek bağı zayıflatır. Ultrasonik bağlama işleminde bulunan malzemenin yüksek frekanslı titreşimi, malzemenin zayıflamasına neden olacak şekilde kompozit malzemenin elyaf yapısını çürütmekte ve aşındırmaktadır. Titreşimsel bağlanma, matris içine gömülmüş lifleri bozan iki yüzeyin bağlanması gereken hızlı sürtünmeli aşınmayı gerektirir. İndüksiyon yapışması, bağlanan iki parçanın ara yüzünde bırakılan ve böylece kompozit plastik malzemenin bütünlüğünü bozan ve birleştirmeyi gerçekleştirmek için bağlanma hatlarının altında olmasını gerektiren demirli metal tozlarının kullanılmasını gerektirir[13] Metalik Matrisli Kompozitler Tarihsel olarak, çelik telle güçlendirilmiş bakır gibi MMC'ler, model sistem olarak çalışılan ilk sürekli fiber takviyeli kompozitler arasındaydı. 1960'ların sonlarındaki ilk çalışma, havacılık endüstrisinin yüksek performans gereksinimleri ile uyarıldı. Bu geliştirme çabalarında, maliyet değil, performans ön planda oldu. İlk yüksek dayanımlı, yüksek modüllü takviye bor filamanı, hem metal hem de organik-matriks kompozitler için geliştirilmiştir. Erimiş alüminyum alaşımlarında lif mukavemeti ve zayıf ıslanabilirlik nedeniyle, erken karbon elyaflar sadece organik matris kompozitlerinde uygun şekilde takviye edilebilir. Bu nedenle, MMC'lerin gelişimi öncelikle difüzyon-bağlama işlemine yönelmiştir. Aynı zamanda, işlem sırasında alüminyum veya magnezyum alaşımları ile ıslatmanın ve reaksiyonun engellenmesini kolaylaştırmak için bor ve grafit elyaflar için optimum (hava stabil) yüzey kaplamaları geliştirilmiştir[14] Seramik Matrisli Kompozitler Seramiklerin yüksek erime noktaları vardır ve oksidasyon ve korozyona karşı dayanıklıdır. Bu bakımdan metallerden üstündürler. Bununla birlikte, bunlar son derece kırılgandır ve termal şok arızasına eğilimlidir. Sonuç olarak, yüksek sıcaklıklarda yapısal uygulamalarda kolayca kullanılamazlar. Seramiklerin bu olumsuz özelliklerinin üstesinden gelmek için, sermetler yaparak seramik ve 11

34 metalleri birleştirmek için girişimlerde bulunulmuştur. Bu küçük başarılar ile bir araya geldi. Silikon nitrit 1960'larda geliştirilmiştir. Geleneksel seramiklere göre üstün termal şok direnci ve daha iyi tokluk vardı. Bunu, mükemmel bir termal şok direncine sahip olan ve yüksek sıcaklıklarda mukavemetini koruyabilen SiC'nin katı hal yoğunluğu izledi. SiC dönüşümü ile eşzamanlı olarak sertleştirilmiş zro2'si ortaya çıkmıştır. Bu keşifler, yüksek performanslı uygulamalarda seramiklerin kullanımında yalnızca pahalı süperalaşımların yerini almakla kalmayıp, aynı zamanda süper alaşımların bile gerçekleştirmediği alanlarda da kullanım için ilgi uyandırdı[15]. 12

35 3. KOMPOZİT UÇAK YAPILARINDAKİ KUSURLAR Bu bölümde, tabakalı kompozitlerde hem imalat sürecinde hem de işletme sürecinde ortaya çıkan çeşitli iç hasar ve bozulma mekanizmaları incelenecek ve tartışılacaktır. Bunu takiben, kompozit malzemelerde arıza tespit etmek için geliştirilen tekniklerin birçoğu sunulacak ve avantajları ve sınırlamaları tartışılacaktır İmalat Sırasında Ortaya Çıkan Kusurlar Kompozit üretimi aşamasında, tek yönlü elyafların veya dokuma kumaşların ince katları önceden belirlenmiş bir sırada istiflenir ve katı bir tabaka oluşturmak üzere bir kimyasal veya füzyon işlemi ile birleştirilir. Üretim işlemi genellikle hassas bir işlemdir ve tavsiye edilen üretim işlemlerinin takip edilmesini sağlamak için büyük özen gösterilmelidir. Ancak, en büyük özen ve dikkatle bile, kritik işlem aşamasında bazen istenmeyen kusurlar ve gerilme düşürücüler ortaya çıkar. Tabakalı kompozitlerin üretimi sırasında ortaya çıkabilecek yaygın kusurlardan bazıları aşağıda sıralanmıştır: (a) bireysel kat veya kat arayüzünde reçine bakımından zengin alanlar; (b) boşluklar; (c) katılık dalgası gibi çarpık elyaflar; (d) kırık elyaflar; (e) toz veya pre-preg arka kağıdı gibi inklüzyonlar[16]. Reçine bakımından zengin alanlar kusuru, parça üreticinin şartnamesine göre işlenmiş olsa bile, genellikle kompozit malzemelerde gözlenmektedir. Bir AS4 karbon fiber epoksi laminatta reçineden zengin bir bölgenin tipik bir örneği, Şekil3.1'de sunulan mikrografta gösterilmektedir. Bu bölüm, bir yerden 2 Joule darbesine maruz kalan bir örnekten çıkarılmıştır. Şekilde gösterilen alan. Mikrografın incelenmesi, elyaflara bitişik reçine açısından zengin bölgenin üst kısmında çatlamayı gösterir. Bu yerel hata, bu örnekte tespit edilen ilk hasar formunu temsil ederken, 13

36 bu tür reçine açısından zengin kusurların, kompozit materyallerin mekanik performansının azaltılmasından sorumlu olabileceğini düşündürmektedir. Dokuma kumaşı içeren laminatlar üzerindeki yorulma testlerinden sonra, kumaşın yapısının çapraz-geçiş noktalarında reçine bakımından zengin bir alan ile sonuçlandığı benzer sonuçlar elde edilmiştir. Uzun süreli yorulma yüküne maruz kaldığında, bu reçine zengini bölgeler içinde çatlaklar oluşmaya başlamıştır ve tabaka ayrılmasının yerel düzlemlerinin oluşmasına yol açmıştır[17]. Şekil 3.1 : 2 Joule çarpma enerjisine maruz kalan bir AS4 / karbon fiber epoksi içinde reçinece zengin bir bölgede hasar başlangıcı 3.2 İşletme Sırasında Ortaya Çıkan Kusurlar Kompozitlerde hata mekanizmaları: fiber-matriks bağ çözülmesi, fiber çıkması, lamine içi matriks çatlaması, plastik akış, katman ayrılması ve elyaf kırılması Elyaf-Matris Bağ Çözülmesi (Fiber-Matrix Debonding) Elyaf matris interfazındaki gerilme, lokal mukavemeti aştığında, bağ açma meydana gelir ve bir çatlak oluşur. Bu nedenle, çevreleme, geleneksel teknikleri kullanarak tespit etmek çoğu zaman çok zordur, çok yerel bir başarısızlık tarzını temsil eder. 14

37 Bir kompozit içinde mevcut olan bağlanma miktarı, pre-preg imalatı sırasında elyaflara uygulanan yüzey işlem seviyesine bağlıdır. Genel olarak, düşük seviyelerde yüzey işlemine sahip olan lifler daha kolay ayrılma eğilimi gösterirler ve ortaya çıkan kırılma yüzeyleri, bir taramalı elektron mikroskobunda bakıldığında genellikle kaba ve kuvvetli bir şekilde üç boyutludur. Yüksek derecede işlenmiş lifler daha az ayrılır ve kırıklar doğrudan lifler boyunca yayılan çatlaklarla düzlemsel olma eğilimindedir[18]. Elyaflara uygulanan yüzey işlem seviyesinin arttırılması, bağlanma uzunluğunu azaltır, bağlanma kırılma enerjisini azaltır. Elyaf bağlandıktan sonra, daha fazla yükleme, elyaf ve matris arasındaki diferansiyel yer değiştirmeye ve iki bileşen arasındaki sınırdaki sürtünme kuvvetine neden olur. Cam elyaf takviyeli kompozitlerde, post-debond kayma, temel enerji emici mekanizmalardan birini temsil eder ve kısmen fiberglas esaslı kompozit malzemelerle ilişkili nispeten yüksek tokluktan sorumludur[19] Lif Çekilmesi (Fiber Pull-Out) Gelişen bir çatlağın ucunda olduğu gibi yüksek gerilme yığılması olduğu bir bölgede, elyaflar genellikle başarısız olur ve kırılır. Çatlak cephesi ilerlemeye devam ettikçe, bu elyaflar çevre matrisinden dışarı çekilir. Ortaya çıkan sürtünme kuvvetinin üstesinden gelmek için iş yapılır ve enerji dağıtılır. Elyafların yüzey işlemden geçirilmesi, kritik transfer uzunluğunu azaltır, bu da lif çekilmesinde yayılan enerjide bir azalmaya neden olur. Bununla birlikte, lif çekme karbon fiber takviyeli epoksilerde birincil enerji dağıtma mekanizmalarından biridir[19] Düzlem İçi Matris Çatlaması (Intralaminar Matrix Cracking) Düzlemiçi matriks çatlaması, polimer matriks kompozitlerinde çok yaygın bir başarısızlık şeklidir. matriks çatlaması, ya matriste ya da interfaz bölgesinde liflere paralel uzun çatlaklara değinen bir terim içerir. Aşırı tortu stres alanından kaynaklanan büyük bir matriks çatlamasının bir örneği Şekil 3.2'de gösterilmektedir. Lokalize matriks çatlakları nihayetinde bir birincil çatlak oluşturacak şekilde birleşebilir[20]. 15

38 Şekil 3.2 : Aşırı ısıl gerilmelerden kaynaklanan bir karbon elyaf epoksi kompozitde bir matris çatlaması Matris çatlamasının sıklıkla çok lokalize olmasına ve çoğu zaman tespit edilmesi son derece zor olmasına rağmen, yorulma yükleme gibi koşullar altında, delaminasyonun daha zararlı bir hasar formuna öncülük eder. Esnek bir hedef üzerindeki darbe sırasında, matriks çatlaması hedefin alt yüzeyinde başlar ve laminasyonlu laminat oluşturma düzlemleri boyunca yukarı doğru yayılır[21] Plastik Akış (Plastic Flow) Polimer esaslı bir kompozitin matriksindeki plastik akış, ileri kompozitlerde hata süreçleri göz önüne alındığında nadiren tartışılmaktadır. Bununla birlikte, çok önemli bir deformasyon aşamasıdır ve mevcut termoplastik kompozitlerin birçoğu tarafından sergilenen yüksek tokluk özelliklerinden büyük ölçüde sorumludur. Kusur sırasında meydana gelen kayma deformasyonu miktarı, bir taramalı elektron mikroskobunda (SEM) kırık yüzeyinin incelenmesiyle belirlenebilir. Kırılma yüzeyinin incelenmesi, matrisin hatırı sayılır bir şekilde çekildiğini ve önemli bir enerji yayılımının söz konusu olduğunu göstermektedir. Kompozitlerde kesme akışı, keskin çatlakların körleştirilmesi etkisine sahip olduğundan, yerel gerilme alanının yeniden dağıtılmasıyla sonuçlandığından, son derece arzu edilir. Karbon elyaf üzerinde çift konsol kiriş testleri, plastik akışa daha fazla girme yeteneği olan örneklerde çatlak başlangıcına karşılık gelen kırılma dayanıklılığının daha yüksek olduğunu 16

39 göstermiştir[22] 17

40 3.2.5 Elyaf Kırılması (Fibre Fracture) Elyaflar, elyaf takviyeli bir kompozitin temel yük taşıyıcı bileşenini temsil ettiğinden, elyaf kırılması, çok yönlü bir kompozitin sertliği ve mukavemeti üzerinde ciddi bir etkiye sahip olabilir. Kompozit malzemelerdeki elyaf hasarı bir dizi nedenden dolayı ortaya çıkabilir. Enine darbe yüklemesi, genellikle çarpma noktasına kadar yerel lif kırığı bölgeleri oluşturur. Kompozit bir bileşendeki çok az sayıda lifin bile kırılması, başarısızlığı hızlandırmak için yeterli olabilir. Elyaf kırıklarının, bir kompozit parçanın gerilme mukavemetine en fazla zarar vermesi muhtemeldir[23] Kırışma (Wrinkle) Tekstil takviye şekillendirme işlemi sırasında ortaya çıkan kusurlar arasında kırışma en yaygın olanlardır. Kırışma, iplik yönünde basma (genellikle biçimlendirme işleminde bu işlemden kaçınılmaktadır) veya yüksek düzlem içi kesme gerilmelerinden dolayı oluşabilir. Bir kumaşın düzlemsel kesme dayanımı, kesme açısı, özellikle "kilitleme açısına" ulaştığında ve aşıldığında, büyük ölçüde artar. Yine de buruşma, tüm gerilmelerin ve sertliklerin kümesine bağlı olan evrensel bir olgudur. Bu kırışmalar, liflerden yapılan tekstil takviyesinin iç bileşimi nedeniyle kolaylıkla gelişir. Muhtemel göreceli lif hareketleri, kırışıklıklar için elverişli koşullar yaratan çok düşük bükülme sertliğini karakterize eden spesifik bir mekanik davranışla sonuçlanır ve ön formunun yararlı kısmına uzanmadıklarını doğrulamak için başlangıçlarını simüle etmek, aynı zamanda büyümelerini ve şekillerini simüle etmek gerekir[24] Katman Ayrılması (Delamination) Katman ayrılması, kompoziti oluşturan tabakaların birbirinden ayrılması olarak tanımlanmaktadır. Tabakalı kompozit malzemelerde 18

41 tabakalar arasındaki mukavemetin düşük olması sebebiyle en çok karşılaşılan hasar tipidir. Malzemede rijitlik kaybı ve malzeme ömrünün kısalması gibi sonuçlar ortaya çıkarabileceğinden önemli bir çalışma konusudur[25]. Malzeme içerisindeki veya yüzey kenarlarındaki darbeden kaynaklanan etkiler, geometrik ve malzeme süreksizlik bölgelerindeki gerilme yığılması, kompozit parçaya gelen basma yükleri ile burkulmanın gerçekleşmesi, imalattan kaynaklanan kusurlar ile taşıma, montaj ve servis ömrü sırasında gerçekleşebilecek darbeler katman ayrılmasının sebepleri arasında sayılabilmektedir. Basma yükü altındaki plakalarda katman ayrılmasına uğramış tabakalar burkulabilmektedir ve burkulma ile katman ayrılması etkisinin ilişkisinden ötürü çatlak büyüyebilmektedir. Katman ayrılmasının varlığı burkulma yükünü ve tabakaların basma yükü altındaki dayanımını ciddi bir şekilde düşürebilmektedir. Yanal yüklemelerde de burkulmadan ötürü katman ayrılması gözlemlenebilmektedir[26]. Katman ayrılması, hava ve nemin açılan boşluklardan içeri girmesine ya da diğer hasar modlarını tetikleyerek hasarın büyümesine sebep olabilmektedir. Katman ayrılması hasarı tabakalar arasında gerçekleştiğinden çalışma koşulları altında parça üzerinde katman ayrılması kontrolü yapmak oldukça güçtür. Bu sebeple güvenilir ve verimli çalışan bir matematiksel modelin ortaya koyulması katman ayrılması hasarına karşı dayanıklı tasarımların yapılabilmesi açısından oldukça önemlidir. Çok sayıda çalışmanın ve yayının ortaya koyulmasına rağmen kompozit malzemelerdeki katman ayrılması hasarı günümüzde hala yeteri kadar anlaşılabilmiş değildir[27] Katman Ayrılması Modları Katman ayrılması yüklemeleri normal ve kayma doğrultularında gerçekleşir. Çekme gerilmesi mod I, kayma gerilmesi ise mod II ve mod III katman ayrılması modlarında görülür. Şekil 3.3 te farklı katman ayrılması modları görülmektedir. 19

42 Şekil 3.3 : Katman ayrılması modları Mod I yüklemede çatlak yüzeylerinin yer değiştirmesi çatlak yüzeyine diktir ve açılma (çekme) olarak adlandırılmaktadır. Mod II ve Mod III yüklemelerinde çatlak yüzeylerinin yer değiştirmesi çatlak düzlemindedir ve sırasıyla kesme ve yırtılma yüklemesi olarak adlandırılmaktadır. Karışık mod yüklemesi normal, kesme ve yırtılma yüklerinin kombinasyonundan oluşmaktadır. Farklı modların birbirleriyle etkileşimi bir çekme kanunuyla bulunmaktadır. Modlar arasındaki etkileşimi tanımlayan çoğu model denklem 1 de belirtilen kriteri temel almaktadır[28]: Karışık mod için enerji yayınım hızı hasar modlarının enerji yayınım hızlarına bağlı bir fonksiyon olarak ifade edilmekte ve hasar ilerleme kriterinde kullanılmaktadır. Enerji yayınım hızı ve sonrasında gerçekleşen karışık mod zorlanmasındaki hasar kriteri için üstel kanun (power law) sıklıkla kullanılmaktadır. Malzemeye bağlı olarak kullanılan Benzeggagh and Kenane gibi farklı kriterler de mevcuttur[29]. 20

43 G değerleri hesaplanan enerji yayınım hızlarını, GC değerleri kritik enerji yayınım hızlarını göstermektedir. M, n, p ve η deneysel olarak bulunabilen parametrelerdir. 3.3 Kusurları belirleme yöntemleri (Tahribatsız muayene yöntemleri) Kompozitlerde hasar tespitinde potansiyel olarak kullanılabilecek birçok tahribatsız test yöntemi (NDT) bulunmaktadır. Bazıları ucuz ve basitken, bazıları daha pahalı ve karmaşıktır. Ancak maliyet, bir yöntem seçmek için çok iyi bir kriter değildir. Test yöntemi, çeşitli faktörler göz önüne alındıktan sonra seçilmelidir, örneğin ilgili maliyet, gerekli süre, kompozitlere erişim ve yöntemin yeteneği. Maliyet, ölçüm ekipmanlarına yapılan yatırımları, yazılımları ve personel eğitimini içerir. Tüm NDT yöntemleri, test sonuçlarını yorumlamak için eğitimli personel gerektirir. Ekipmanı kurmak, kalibre etmek ve kullanmak için de gereklidirler. Karbon fiber kompozitlerde hasar tespitinde kullanılan ana NDT yöntemleri Akustik Emisyon sinyallerini ve kompozitlerin elektriksel özelliklerini kullanır[30] Görsel Test (Visual Testing) Kompozitler için belki de en basit tahribatsız test yöntemi, Para Tıklatma (Coin Tapping) Yöntemidir. [31]. Günümüzde hala kullanılan bu yöntem, kompozitin bir madeni para veya metalik bir nesneye dokunmasını ve sesin değişmesini dinlemeyi içerir. Bir değişiklik, hasarın verildiğini gösterir. Bu yöntemle katman ayrılması ve boşluklar gibi hasarlar tespit edilebilir. Doğruluk operatöre bağlıdır ve bu nedenle çok güvenilir bir yöntem değildir. Ayrıca, bir kompozitin tamamen kontrol edilebilmesi için operatörün kapsamlı bir araştırma yapması gerektiğinden test çok zaman alıcı olabilir. Titreşime dayalı yöntemler, kompozitlerin frekans tepkisini ölçmek için kullanılabilir. Yöntemler, kompozit üzerinde eşit olarak dağılmış sertlik 21

44 indirgemesini tespit edebilir, bu tür sertlik azaltma, diğer test yöntemleriyle fark edilmeden geçebilir [32]. Doğal frekanslarda bir değişiklik, değişen sertliğin bir göstergesidir.. Zou ve arkadaşları [33] 'ya göre, yöntemi geliştirmek için model tabanlı teknikler kullanılmaktadır. Ayrıca, doğal frekanslardaki değişikliklerin her zaman hasar türünün tanımlanmasını sağlamak için yeterli bilgi sağlamadığını belirtmektedirler. Kessler ve ark.nın [32] yaptığı bir makalede, ölçülen sinyalden bir zararı bulmanın zor olduğu belirtilmektedir. Oryantasyonu ve şiddetin belirlenmesi de zor. Yöntemin doğruluğunun, sensörlerin çözünürlüğü ve frekans bandına ve sensörlerin sayısına ve konumlarına bağlı olduğuna değinirler. Çevreden gelen titreşimleri kompoziti harekete geçirmek için ve kompoziti çevrimiçi izlemek için kullanma fikrini getirirler.. Titreşim tabanlı yöntemler, gerçek zamanlı izleme için de kullanılabilir [34]. Görsel testler ayrıca, kompoziti görsel olarak inceleyerek yapılan basit testlerdir. Görsel test, kompozitlere dokunmama avantajına sahiptir ve bunların çalıştırılması kolaydır. Ancak, madeni para tıklatma gibi, yöntemin doğruluğu operatöre bağlıdır. Yöntemi geliştirmek için boya nüfuz edici kullanılır. Kompozit üzerine bir boya püskürtülür ve yüzey gerilimi nedeniyle çatlaklara ve gözeneklere çekilir. Bazı durumlarda, kompozitden bir yük çıkarıldığında çatlaklar kapanır ve boya bu çatlaklara girmeyecektir. Belirli bir bekleme süresinden sonra, kompozit silinerek temizlenir ve geliştirici uygulanır. Geliştirici, genellikle kuru beyaz bir toz, çatlaklardan ve gözeneklerden nüfuz eder. Görsel inceleme daha sonra gerçekleştirilir[34] Optik Testler Görsel testleri daha güvenilir ve izlenebilir hale getirmek için birçok araç ve yöntem tasarlanmıştır. Bu tür yöntemler genellikle optik testler olarak adlandırılır. Son birkaç yılda, iki yöntem artan ilgiye ulaşmıştır. Bunlar Dijital Benek Fotoğrafçılığı (DSP) ve Elektronik Benek Desenli İnterferometri (ESPI). Her ikisi de görüntüleri çekmek için şarj-bağlı cihazlar (CCD) ve silikon çipler kullanır. Bu yöntemlerin artan popüleritesinin ana nedeni, hem algoritmaların hem de CCD silikon çiplerinin hızlı gelişmesidir. DSP'de, kompozitin yüzeyinde bir desen yansıtılmaktadır. İzleme başlangıcında bir görüntü çekilir. Daha sonra tüm sonraki görüntülerden çıkarılır. 22