Anahtar Kelimeler: Karbon elyaf, Karbon nanotüp, Grafen, darbe, mekanik özellikler

Transkript

1 Reçinesine Grafen ve Karbon Nanotüp Eklenmesinin Karbon Elyaf Takviyeli Kompozitlerin Mekanik Özellikleri ve Darbe Davranışları Üzerindeki Etkileri F. Azimpour Shishevan 1 *, V. Acar 2, H. Akbulut 2, M. Özgür SEYDİBEYOĞLU 3 1 Maragheh Devlet Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Maragheh, Iran 2 Atatürk Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Erzurum, Türkiye 3 İzmir Kâtip Çelebi Üniversitesi, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü Özet Günümüzde karbon elyaf takviyeli kompozit malzemeler yaygın olarak havacılık, denizcilik ve diğer endüstri alanlarında kullanılmaktadırlar. Karbon elyafın epoksi reçinesi ile sağlam bağ kuramaması ve üretilen malzemelerin tokluklarının düşük olması bu tür kompozitlerin en önemli dezavantajlarını teşkil etmektedir. Bu çalışmada, kompozitin reçinesine iki farklı oranda grafen veya karbon nanotüp eklenerek bu kompozitlerin elyaf-matris arayüzey davranışlarının iyileştirilmesi ve kompozit tokluğunun artırılması üzerinde çalışılmıştır. Çalışma kapsamında kullanılan kompozit numuneleri vakum torbalama yöntemi kullanılarak üretilmiş ve su jeti ile kesilmiştir. Üretilmiş saf ve çok-ölçekli kompozit malzemeler, arayüzey mukavemetinin belirlenmesi için kısa kiriş ve ayrıca tokluğun belirlenmesi amacıyla düşük hızlı darbe deneyine tabi tutulmuşlardır. Çalışmadan elde edilen sonuçlara göre, reçinesine karbon nanotüp ve grafen eklenmiş çok-ölçekli kompozitin mekanik özellikleri yüksek oranda arttığı ve ayrıca tokluğunun artmasıyla birlikte darbe davranışının iyileştiği gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Karbon elyaf, Karbon nanotüp, Grafen, darbe, mekanik özellikler 1. Giriş Gelişen teknoloji, modern mühendislik sorunlarına farklı bir bakış açısı getirmiştir. Geleneksel malzemeler ve üretimler, yerlerini alışılmamış imalat yöntemlerine ve yeni malzemelere bırakmışlardır. İkinci dünya savaşından sonra bilim ve teknikte kaydedilen gelişmeler, çok kısa sürede günlük hayatı derinden etkilemiştir. Yeni malzemeler ve üretim tekniklerinin öncü versiyonları ortaya çıkmış; daha ucuz, daha hafif ve daha dayanaklı ürün * Sorumlu Yazar: Farzin Azimpour Shishevan, TEL : , M: fazimpoor@gmail.com

2 odaklı çalışmalar hız kazanmıştır. Kompozit malzemeler, genel olarak en az iki adet farklı tip malzemenin, birbirlerinin zayıf yönlerini gidererek üstün malzeme özellikli yeni bir malzeme oluşturması hedeflenerek mikroskobik ölçekte birleştirilmesiyle elde edilir [1]. Doğru bir tasarımda, geleneksel rakiplerinden daha hafif, daha ucuz ve daha yüksek mekanik ve termal özelliklere sahip kompozit malzemeler kolayca elde edilebilir. Kompozit malzemelere etkiyen yükün taşımasında görev alan takviye elemanları geniş bir yelpazede var olabilmektedir [2-3]. Karbon elyaf takviyeli epoksi kompozitlerin hava taşımacılığı sektöründe ve askeri amaçlı kullanımına (füze yapımı), uzay uygulamaları (uzay mekiği, uydu parçaları) ve sportif amaçlı kullanım (raket, golf sopası, olta çubuğu, bisiklet kadrosu, kayak, vb.) eklenmiş [4], biyomedikal uygulamaları (kemik plağı, alt ekstre mite protezleri, eksternal fikstürler) üzerine yapılan çalışmalar ise devam etmektedir. Son zamanlarda, bazı inorganik dolguların, polimer matris içeresinde nanometre boyutlarında dispersiyonu sonucunda elde edilen polimer kompozitlerin özelliklerinde, çok yüksek iyileşmeler elde edilmiştir. Nanokompozit malzemeler, bir fazın diğer ikinci bir faz içerisinde nanometre (10-9 m) boyutlarında dispersiyonu sonucunda elde edilmekte ve en az iki fazlı malzeme grubu olarak tanımlanmaktadırlar[5]. Karbon nanotüpler, en basit tarzda, karbon atomlarının bal peteği şeklindeki levhaların silindirik sarılması ile elde edilirler. Bu malzemelerin yapısında bulunan atomlar birbirleri ile sp 2 şeklinde (grafit plakta olduğu gibi) bağlanırlar. Atomlar sadece altıgen geometri oluşturur, her atomun sadece üç komşusu bulunur. Karbon nanotüpler delik yapıları ve yüksek uzunluk/çap oranları sebebiyle, bası, eğilme, bükülme gibi etkilere karşı dirençleri yüksektir [6]. Başka bir değişle karbon nanotüpler, grafen levhalarının rulo şeklinde yuvarlatılmasıyla elde edilmektedir. Grafen levhasının yuvarlatılması, eğilme miktarına bağlı olarak tüpün enerjisinin artırmaktadır. Bu durumda, nanotüpün çapının azalması ile birlikte, şekil değiştirme enerjisi artmakta ve böylece daha küçük çaplı bir nanotüpün daha büyük çapa sahip olan bir nanotüpten daha kararlı olduğu anlaşılır. GNP, karbon atomlarından oluşan tek tabakalı ve iki boyutlu yapıya sahip bir nano partikül olup, 0 boyutlu fulleren [7], bir boyutlu karbon nanotüp [8] ve üç boyutlu grafit [9] nano malzemelerin yapı taşını oluşturmaktadır. GNP levhasının teorik alanı, hiç bir örtüşme (overlap) olmaksızın 2630 m 2 /g dir. [10]. Başka araştırmalarda da, kalınlığı 0,35 nm den 1 nm ye kadar değişen levhalar üzerinde çalışılmıştır. Tek tabakalı GNP, çeliğe göre 200 kat daha fazla mukavemete sahiptir ki, o en dayanıklı malzeme olarak bilinmektedir [11]. 1 TPa lık elastisite modülü [12] ve 130 GPa lık çekme mukavemeti [13], bu malzemeyi ultra

3 mukavemetli kompozit yapılarında kullanımını uygun hale getirmiştir. Xu et al.[14] epoksi reçinesine sadece kütlece %0,1 MWCNT nanodolgu eklenmesi ile elastisite modülünün %20 arttığını belirlemişlerdir. Araştırma sonuçlarına göre, epoksi nanokompozitinin mekanik özelliklerinin daha da iyileştirmesi için kullanılan MWCNT oranını artırmak gerekmektedir. Rafiee et al.[15], epoksi reçineli GNP, SWCNT, MWCNT dolgulu nanokompozitlerin mekanik özelliklerini incelemişlerdir. Çalışma sonuçlarına göre, GNP dolgu malzemesi, CNT dolgu malzemelerine göre, kompozitin mekanik özelliklerini büyük oranda geliştirdiği görülmüştür. Epoksi matris malzemesine GNP nin dâhil edilmesi ile, elde edilen nanokompozitin elastisite modülünde, katkısız epoksiye göre %31 ve SWCNT dolgulu nanokompozitlere göre %3 oranında artış olmuştur. GNP esaslı nanokompozitin çekme mukavemetlerinde %40 ve MWCNT nanokompozitlerin bu özelliğinde %14 artış meydana gelmiştir. Çalışmada, GNP nin epoksiye eklenmesi ile üretilen nanokompozitlerin mod-i kırılma tokluğunda %53 artış görülmüştür. Hâlbuki bu artış MWCNT dolgulu nanokompozitlerde bu kırılma tokluğundaki artış %20 ile sınırlandırılmıştır[15]. Kim et al. [16], karbon elyaf takviyeli epoksi kompozit malzemesinin reçinesine, CNT dolgusu eklemişler ve mekanik özelliklerini araştırmışlardır. Bu çalışmanın sonuçlarına göre, elde edilen çok ölçekli malzemenin çekme özelliklerinde pek fazla bir değişime olmamıştır. Bununla birlikte, deney sonuçlarına göre, sisteme sadece %0,3 oranında CNT eklendiğinde malzemenin eğilme modülünde %12 ve eğilme mukavemetinde %18 lik bir artış görülmüştür. Malzemenin özelliklerindeki bu gelişmeler, nano taneciklerin eklenmesi ile malzeme kusurlarında azalmasından kaynaklandığı belirtilmiştir. Hao et al.[17], karbon elyaf takviyeli kompozit malzemelerin reçinesini GNP kullanarak modifiye etmiş ve bu modifikasyonun etkilerini eğilme deneyleri yaparak araştırmışlardır. Karbon-epoksi tabakalı kompozit malzemesine GNP eklenmesi, elde edilen çok-ölçekli kompozit malzemesinin sertliğinin ve eğilme mukavemetinin artmasına neden olmuştur. %0, %0,5 ve %1,5 oranlarında GNP matris malzemesine eklenmesi ile eğilme modülü 27,94±2,74 GPa dan 76,87±4,03 GPa a kadar artmıştır. Kompozitin matris malzemesine %1,0 ve %1,5 GNP eklenmesi, numunelerin sertlik değerlerine hafif bir artışa neden olmuş ve sırasıyla 38,44±4,12 GPa lık ve 58,71±13, 25 GPa lık eğilme rijitliği değerleri elde edilmiştir. Bu çalışmada karbon elyaf takviyeli epoksi kompozit malzemenin reçinesine % 0,1 ve 0,5 oranında CNT ve GNP nano tanecikler eklenip, bu olayın etkileri kompozitin mekanik ve darbe davranışında araştırılmıştır.

4 2. Materyal ve Yöntem Çalışma kapsamında vakum torbalama yöntemi kullanılarak beş tür saf ve çok-ölçekli kompozit malzeme üretilmiştir. Üretilmiş olan malzeme ve içerdiği bileşen oranları Tablo 1 de verilmektedir. Çalışmada kullanılan karbon elyafı Karbon elyaf, Spinteks Tekstil A.Ş. / Denizli den temin edilmiştir. Matris malzemesi olarak termoset reçine grubundan epoksi reçinesi ve epoksi sistemi olarak Araldite 1564 Epoksi Reçine / Aradur 3487 Sertleştirici (Huntsman Advanced Materials / A.B.D.) ürünü kullanılmıştır. Numune hazırlama işlemleri, su jeti ile kesim metodu ile ASTM standartlarına göre gerçekleştirilmiştir. (a) (b) Şekil 1 Reçinesine grafen ve karbon nanotüp eklenmesinden elde edilen karbon elyaf takviyeli çok-ölçekli kompozitler Bu kategoride yer alan kompozit malzemelerin esas bileşeni karbon elyaftır ve Çizelge 1 de gösterilmişlerdir. Bütün bu malzemelerin %60 ını karbon elyaf ve %40 ını nanodolgu içeren epoksi reçinesi oluşturmaktadır. Bu kategoride bulunan malzemelerin nano takviye fazları farklı olup, %0,1 CNT, %0,5 CNT, %0,1 GNP ve %0,5 GNP oluşmaktadır. Kompozitin çekme özelliklerini incelemek için, reçineye nanopartikül ekleyerek ASTM D3039 standardına göre çekme deneyleri yapılmıştır.

5 Elastisite Modülü (GPa) Çizelge 1 Üretilmiş olan kompozitlerin esas bileşeni Sayı Malzeme Karbon Elyaf Epoksi GNP CNT Kalınlık Oranı Oranı Oranı Oranı (mm) 1 Karbon-pür %60 % Karbon-0,1 CNT %60 %40 0 %0, Karbon-0,5 CNT %60 %40 0 %0, Karbon-0,1 GNP %60 %40 %0, Karbon-0,5 GNP %60 %40 %0,5 %0, TARTIŞMA Bilindiği gibi CNT nano partikül malzemeleri, nano boyutlarda çap ve mikro boyutlarda boya sahip oldukları için çok büyük bir en-boy oranına sahiptirler. Bu nano partiküllerin elastisite modülleri yaklaşık 950 GPa ve çekme mukavemetleri 150 MPa dır. CNT nano partikülün karbon takviyeli klasik kompozitlerin reçinesine eklenmesi sonucunda elde edilen kompozitin elastisite modül değerleri Şekil 2 de verilmektedir Karbon Esaslı Kompozitlere Nanodolgu Eklenmesinin Etkileri Karbon-pür Karbon-0.1 CNT Karbon-0.5 CNT Karbon-0.1 GNP Karbon-0.5 GNP Şekil 2 Karbon nanotüp ve grafen taneciklerin karbon elyaf esaslı kompozitlerin elastisite modül değerlerinde etkileri Bu grafiğe göre %0,5 CNT partiküllerin kompozitin reçinesine eklenmesi ile pür kompozit malzemesinin elastisite modülünü %85,90 artırarak en iyi performansa sahip olmuştur. Bu arada matrisi %0,1 CNT içeren çok-ölçekli kompozit malzemesi pür karbon kompozite göre

6 Maksimum Kuvvet (N) Çekme Mukavemeti(MPa) %40,26 oranında daha yüksek elastisite modülüne sahip olarak en zayıf performansı sergilemiştir. CNT ve GNP nano partiküllerin karbon esaslı kompozite eklenmesinin malzemenin çekme mukavemetinde ortaya çıkardığı etkiler Şekil 3 te verilmektedir Nanodolgu Etkileri Karbon-pür Karbon-0.1 CNT Karbon-0.5 CNT Karbon-0.1 GNP Karbon-0.5 GNP Şekil 3 Karbon nanotüp ve grafen taneciklerin Karbon elyaf esaslı kompozitlerin çekme mukavemet değerlerinde etkileri CNT ve GNP nano partiküller ve ağırlık oranlarının kompozitin çekme mukavemet değerlerinde etkileri Şekil 4 te gösterilmektedir. Bu grafiğe dikkat ederek, elastisite modülünde olduğu gibi %0,5 CNT dolgu malzemesinin kompozitin reçinesine eklenmesi, pür kompozit malzemesinin çekme mukavemetini %32,50 oranında artırarak en iyi performansı sağlamıştır. Bu arada matrisi %0,1 CNT ve GNP içeren çok-ölçekli kompozit malzemeler pür karbon kompozite göre %26,58 oranında artış gösterek en zayıf performansa sahip olmuşlardır. Şekil 4 te grafen nano malzeme eklenmesinin karbon elyaf takviyeli kompozitlerin darbe davranışındaki etki gösterilmiştir Nanodolgu Etkileri Karbon-pür Karbon-0.1 GNP Şekil 4. Nano dolgu eklenmesinin darbe sonucu maksimum kuvvet değerlerinde etkileri

7 Şekil 4 te görülen değerlere göre, karbon elyaf esaslı pür kompozitin darbe sonucu yapısında ortaya çıkan maksimum kuvvet değeri 9,291 kn olarak bulunmuştur. Klasik kompozitin reçinesine %0,1 GNP eklenmesi ile kompozitin maksimum kuvvet değerinde %5,06 oranında artış meydana gelerek 9,76 kn değerine yükselmiştir. Bu artış GNP nano partiküllerin kompozitin reçinesine eklenmesi ile kompozitin tokluğu ve mukavemetini artırmasından kaynaklanmaktadır. 4. SONUÇLAR Geleneksel karbon elyaf takviyeli kompozitlerin reçinesine karbon nanotüp veya grafen eklenmesi ile ortaya çıkmış olan çok-ölçekli kompozitlerin mekanik özelliklerinde yüksek oranda artış görülmektedir. Bu arada %0,5 karbon nanotüp eklenmesi diğer nano malzeme ve oranlara göre malzemenin mekanik özelliklerini daha fazla etkilemiştir. Ayrıca karbon elyaf takviyeli kompozitin reçinesine grafen eklenmesi ile reçine tokluğunun artmasından dolayı kompozitin darbe davranışı yüksek oranda gelişmiştir. KAYNAKLAR [1] Daniel, I.M. and Ishai, O., Engineering mechanics of Composite Materials. Oxford University Press, 395 p, New York, [2] Jones, R.M., Mechanics of Composite Materials, McGraw Hill, 355 p, Washington, D.C., [3] Kollar, L.P, Springer G.S., Mechanics of Composite Structures, Cambridge University Press, 480 p, New York, [4] Mallick P K. Fiber-Reinforced Composites. Marcel Dekker, Inc [5] Kornmann, X Polymer Layered Silcate Nanocomposites, EMP, Dübendorf, Switzerland. [6] Özyurt, D Sıcak filament destekli kimyasal buhar biriktirme yöntemi ile karbon nanotüp yüzey modifikasyonu. Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi, Konya. [7] Dyachkov, P. N. and Breslavskaya, N. N Calculations of the electronic structure of tubulenes and fullerenes with the use of data on the structure of sigma- and pibands of graphite. Chemical Physics Reports, 18, [8] Kumskov, A. S., Zhigalina, V. G., Chuvilin, A. L., Verbitskiy, N. I., Ryabenko, A. G., Zaytsev, D. D., Eliseev, A. A. and Kiselev, N. A The structure of 1D and 3D CuI

8 nanocrystals grown within nm single wall carbon nanotubes obtained by catalyzed chemical vapor deposition. Carbon, 50, [9] Compton, O. C., Nguyen, S. T Graphene Oxide, Highly Reduced Graphene Oxide, and Graphene: Versatile Building Blocks for Carbon-Based Materials. Small, 6, [10] Yuan, W., Feng, J. L., Judeh, Z., Dai, J. and Chan-Park, M. B Use of polyimide-graft-bisphenol a diglyceryl acrylate as a reactive noncovalent dispersant of singlewalled carbon nanotubes for reinforcement of cyanate ester/epoxy composite. Chemistry of Materials, 22, [11] Balandin, A. A., Ghosh, S., Bao, W. Z., Calizo, I., Teweldebrhan, D., Miao, F. and Lau, C. N Superior thermal conductivity of single-layer graphene. Nano Letters, 8, [12] Zhang, B. M., Yang, Z. and Sun, X. Y Measurement and analysis of residual stresses in single fiber composite. Materials and Design, 31, [13] Lee, J. K., Song, S. and Kim, B Functionalized graphene sheets-epoxy based nanocomposite for cryotank composite application. Polymer Composites, 33, [14] Xu, Y. and Van Hoa, S Mechanical properties of carbon fiber reinforced epoxy/clay nanocomposites. Composites Science and Technology, 68, [15] Yavari, F., Rafiee, M. A., Rafiee, J., Yu, Z. Z. and Koratkar, N Dramatic Increase in Fatigue Life in Hierarchical Graphene Composites. Acs Applied Materials and Interfaces, 2, [16] Kim, K. S., Zhao, Y., Jang, H., Lee, S. Y., Kim, J. M., Kim, K. S., Ahn, J. H., Kim, P., Choi, J. Y. and Hong, B. H Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes. Nature, 457, [17] Hao, L. C. and Yu, W. D Comparison of the morphological structure and thermal properties of basalt fiber and glass fiber. Proceedings of 2009 International Textile Science and Technology Forum, Xian, China.