KOMPOZİT MALZEMELERİN TERMAL ANALİZİ

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "KOMPOZİT MALZEMELERİN TERMAL ANALİZİ"

Hakan Öçal
9 yıl önce
İzleme sayısı:

1 T.C. DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KOMPOZİT MALZEMELERİN TERMAL ANALİZİ Bitirme Projesi Orkun Övez Nalçacı Projeyi Yöneten Yrd. Doç. Dr. Dilek Kumlutaş Haziran 2005 İzmir 54

2 TEŞEKKÜR Bu projenin, her aşamasında beni yönlendiren değerli hocam Yrd. Doç. Dr. Dilek Kumlutaş a teşekkür ederim. Çalışmamın başından beri bana yol gösteren ve destekleyen Ar. Gör. Haktan Karadeniz e bana ayırdığı değerli zamanı için teşekkür ederim. 55

3 ÖZET Genellikle yapısal özellikleri için kullanılan kompozit malzeme, iki yada daha fazla değişik malzemenin kombinasyonundan oluşur. Kompozitler matriks malzemeye bir veya daha çok destekleyici malzeme (elyaf yada partiküller gibi) ilavesiyle oluşturulan malzemeler olarak tanımlanırlar. Bu çalışmada, yüksek yoğunluklu polietilene (YYPE) değişik hacimsal oranlarda katılan alüminyum (Al) ve çinko (Zn) metal toz karışımlarının, tek tek ve birlikte karışımlarının kompozitin ısıl özelliklerine etkisi araştırıldı. Ayrıca değişik hacimsel konsantrasyonlar için ANSYS sonlu elemanlar paket programında üç boyutlu termal analiz yapıldı. Son olarak deneysel sonuçlarla nümerik sonuçlar karşılaştırıldı. 56

4 BÖLÜM 6 DENEYSEL ÇALIŞMA 6.1. Deneyde Kullanılan Malzemeler Bu çalışmada matriks malzeme olarak toz halindeki yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) kullanılmıştır. Katkı maddesi olarak değişik hacimsel oranlarda toz halinde Çinko (Zn) ve Alimünyum (Al) seçilmiştir. Numune hazırlanmasında kullanılan malzemelerin özellikleri aşağıda verilmiştir. Tablo 6.1 Deneysel malzemelerin özellikleri YYPE Zn Al Yogunluk (kg/m 3 ) Isı iletim katsayısı (W/mK) Elastisite Modülü (Gpa) Poison Oranı Isıl Genleşme katsayısı (1/ 0 C) 85x x x10-6 Özgül ısı (kj/kg.k) Numunenin Özellikleri Isı iletim katsayısını ölçen cihazımızın sınırlamalarına dayanarak numune boyutumuz 104 x 58 x 18 mm olarak seçilmiştir. Ölçümlerimizin doğruluğu madde dağılımının homojenliğine doğrudan alakalı olduğundan öncelikle, 180 x 180 x 3 mm boyutlarında ince levhalar üretmeyi ve bu levhları keserek büyük kalıpta bir kez daha kalıplamayı uygun bulduk. 57

5 6.3. Numunenin Hazırlanışı Belirli hacimsel oranlarda karışımlar hazırlamak üzere YYPE, AL ve Zn tozlarını hassas terazide tarttık. 180 x 180 x 3 mm boyutlarındaki kalıbımızın alt yüzeyine yapışmayı önlemek için röntgen filmi koyduk. Tartılan karışımları kalıbımıza döktük ve üst yüzeyi bir cetvelle düzelttik. Fazlalıkları bir fırça yardımıyla kalıptan temizledik Kalıbın üst yüzeyinede bir film koyduktan ve kalıbın üstü kapandıktan sonra, sıcak prese yerleştirdik. Sıcak preste 40 Amper akımda 400 kg/cm 2 basınçta 150 o C ye kadar kalıbımız ısıtıldı ve daha sonra soğumaya bırakıldı. Üretilen ince levhalar kesilerek 104 x 58 x 18 mm boyutlarındaki numune kalıbımıza yerleştirildi. Yapışmayı önlemek için röntgen filmi yerine kalıp ayırıcı sprey kullandık. Kalıbımızı sıcak prese yerleştirdik, 40 Amper akımda 400 kg/cm 2 basınçta 160 o C ye kadar ısıttık. Daha sonra kalıbı soğumaya bıraktık Kalıptan çıkan numune ölçüme hazır hale geldi. 58

6 Şekil 6.1 Kalıp ve Numune görüntüleri 6.4. Isı İletkenliği Ölçümü Yapı ve çeşitli ısı yalıtım malzemesinin ısı iletkenliğinin ölçümü, kararlı durumda ve geçiş durumunda olmak üzere iki yöntemle yapılmaktadır. Alışılmış yöntem, kararlı durumda ısıtılmış plaka yöntemidir. Bu metodla ısıtılmış bir plakanın iki tarafina simetrik olarak yerleştirilen, levha biçiminde muayene örneğinin, ortalama ısı iletkenliği bulunur. Geçiş durumunda ölçüm yapan cihazlar, daha ufak boyutlardaki malzemenin ısı iletkenliğini daha kısa sürede saptayabilmektedir. Geçiş yöntemleri arasında Angstrom yöntemi. Flash yöntemi ve Hot Wire yöntemi başlıcalandır. Laboratuvanmızda mevcut olan ısı iletim katsayısı ölçme cihazı ( Shotenn QTM - D2 ) "Hot Wire" yönteminden yararlanılarak geliştirilmiştir, ve W / m.k aralığında ısı iletim katsayısını ölçebilmektedir. 59

7 Şekil 6.2 Isı iletim katsayısı ölçme cihazı ( Shotherm QTM - D2 ) Bölüm 7 SONUÇ Bu çalışmada, matris malzeme yüksek yoğunluklu polietilene (YYPE) değişik hacimsal oranlarda katılan alüminyum (Al) ve çinko (Zn) metal toz karışımlarının, kompozitin ısıl özelliklerine etkisi incelenmeye çalışıldı. Ayrıca Al ve Zn un tek tek ve birlikte karışımlarının kompozitin ısıl özelliklerine etkisi araştırıldı. Ayrıca değişik hacimsel konsantrasyonlar için ANSYS programında modeller oluşturuldu. Çalışmanın deneysel kısmında, üretilen beş farklı hacimsel konsantrasyondaki numunenin ısı iletim katsayıları oda koşullarında ölçüldü. Analiz çalışması kapsamında ise on iki farklı metal - hacimsel oran kombinasyonunda dizayn çalışması yapıldı. Hesaplanan 60

8 ısı iletim katsayısı değerleri, kendi bulduğumuz deneysel sonuçları ve Yard. Doç. Dr. D. Kumlutaş ın yaptığı çalışmalardan alınan deney sonuçları birbirleriyle karşılaştırıldı. Böylelikle değişik hacimsel oranlarda yüksek yoğunluklu polietilen malzeme içerisine karıştırılan Al ve Zn in ısı iletim katsayısına olan etkisi nümerik ve deneysel olarak incelenmiş oldu. Matriks malzemeye ilave edilen alüminyumun, ısı iletim katsayısını en çok etkileyen metal katkı maddesi olduğu görüldü. Aynı şekilde çinkonun ısı iletim katsayısına etkisinin en az olduğu kanıtlandı. Nümerik açıdan aynı konstanrasyonlarda farklı madde ilavesinin sistemin ısı iletim katsayısına etkisinin küçük olduğu görülürken, deneysel açıdan gözlemlenebilir bir farklılık olduğu belirlendi. Bu çalışmadan elde edilen verilere dayanarak ısı iletim katsayısı yüksek ve pahalı olan bir metal malzemeyi kompozite direk olarak eklemek yerine ısı iletim katsayısı daha düşük ve daha ucuz olan bir malzeme ile karıştırarak kompozite eklemenin daha uygun olabileceği sonucuna varıldı. Isı iletim katsayısının belirli bir değerde elde edilmesi istenen bir imalat probleminde iki farklı katkı maddesinin kompozite birlikte katılmasının ekonomik açıdan daha uygun olabileceği sonucuna varıldı. 61

9 Şekil 7.1 %5 Al Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı Şekil 7.2 %10 Al Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı 62

10 Şekil 7.3 %15 Al Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı Şekil 7.4 %20 Al Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı 63

11 Şekil 7.5 %5 Zn Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı Şekil 7.6 %10 Zn Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı 64

12 Şekil 7.7 %15 Zn Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı Şekil 7.8 %20 Zn Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı 65

13 Şekil 7.9 %5 Al + Zn Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı Şekil 7.10 %10 Al + Zn Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı 66

14 Şekil 7.11 %15 Al + Zn Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı Şekil 7.12 %20 Al + Zn Kompozitinde yüzeysel ısı dağılımı 67

15 %5 Al %10 Al %15 Al %20 Al Şekil 7.13 Alüminyum için ısıl dağılım vektörleri 68

16 1,6 1,4 Isı iletim Katsayısı (Wm/K) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Hacimsel Oran (%) Al Deneysel Al Analiz Şekil 7.14 Alüminyum oranına bağlı olarak ısı iletim katsayısının değişimi 69

17 %5 Zn %10 Zn %15 Zn %20 Zn Şekil 7.15 Çinko için ısıl dağılım vektörleri 70

18 1,4 1,2 Isı İletim Katsayısı (Wm/K) 1 0,8 0,6 0,4 0, Hacimsel Oran (%) Zn Deneysel Zn Analiz Şekil 7.16 Çinko oranına bağlı olarak ısı iletim katsayısının değişimi 71

19 %5 Al + Zn %10 Al + Zn %15 Al + Zn %20 Al + Zn Şekil 7.17 Alüminyum ve Çinko karışımları için ısıl dağılım vektörleri 72

20 1,4 1,2 Isı İletim Katsayısı (Wm/K) 1 0,8 0,6 0,4 0, Hacimsel Oran (%) Al+Zn Deneysel Al+Zn Analiz Şekil 7.18 Alüminyum ve Çinko karışım oranına bağlı olarak ısı iletim katsayısının değişimi 73

21 1,6 1,4 Isı İletim Katsayısı (Wm/K) 1,2 1 0,8 0,6 0,4 Al Zn Al 0, Hacimsel Oran (%) Şekil 7.19 Alüminyum,Çinko ve karışımlarının oranına bağlı olarak ısı iletim katsayısının değişimi 74

22 EK1 Deneyde kullanılan Madde Miktarları Hacimsal Yüzde Katkı Malzemesi Matris Malzeme(YYPE) %10 Al 14.9 g Al g %5 Zn 19.6 g Zn 52.3 g % 15 Zn 58.8 g Zn 46.8 g % 2.5 Zn 9.8 g Zn 52.3 g % 2.5 Al % 7.5 Zn % 7.5 Al 3.7 g Al 29.4 g Zn 11.1 g Al 46.8 g EK 2 Deneysel Sonuçlar Numune Adı % 5 Zn T ilk ( 0 C) T ort ( 0 C) k (W/mK) Ortalama değerler Numune Adı % 7.5 Zn, % 7.5 Al T ilk ( 0 C) T ort ( 0 C) k (W/mK) Ortalama değerler Numune Adı % Al T ilk ( 0 C) T ort ( 0 C) K(W/mK) Ortalama değerler Numune Adı % 2.5 Zn, % 2.5 Al T ilk ( 0 C) T ort ( 0 C) K(W/mK)

23 Ortalama değerler Numune Adı %15 Zn T ilk ( 0 C) T ort ( 0 C) K(W/mK) , , , , ,985 Ortalama değerler ,

Benzer belgeler

T. C. GÜMÜŞHANE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK VE DOĞA BİLİMLERİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ DENEYLER 2

T. C. GÜMÜŞHANE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK VE DOĞA BİLİMLERİ FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ DENEYLER 2 DOĞAL VE ZORLANMIŞ TAŞINIMLA ISI TRANSFERİ DENEYİ ÖĞRENCİ NO: ADI SOYADI: