DELİK AÇILMIŞ PVC KOR İÇEREN DENİZEL SANDVİÇ KOMPOZİTLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN DEĞERLENDİRİLMESİ Fatih Balıkoğlu 1, Mustafa Yıldız 2, T.Kerem Demircioğlu 3, Nurettin ARSLAN 4 Balıkesir Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü Yıldırım Beyazıt Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü Balıkesir Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü Celal Bayar Üniversitesi,Hasan Ferdi Turgutlu Teknoloji Fak.,Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü fatih@balikesir.edu.tr ÖZET E-cam elyaf/vinilester tabakalardan oluşan, PVC kor içeren sandviç kompozitlerin mekanik davranışları çalışılmıştır.. PVC kor malzemeye açılan farklı çap ve mesafe değerlerinin, eğilme ve basma davranışlarına etkisi araştırılmıştır. ASTM C-393 standartına uygun şekilde yapılan üç nokta eğilme test sonuçları çalışmada sunulmuştur. Eğilme testleri sonucunda maksimum eğilme yükleri ve hasar durumları rapor edilmiştir. Test sonuçları, işlem görmemiş PVC kor içeren referans numune ile karşılaştırılmıştır. Eğilme hasar yükü değerlerinde % 83.3 artış sağlanmıştır. ASTM C365 standartları gereğince, delik açılmış PVC kor içeren sandviç kompozitlerin kalınlık doğrultusunda basma testleri yapılmıştır. Basma testlerinde ise yüksek dayanım ve rijitlik değerleri elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Sandviç, eğilme, basma, PVC 1. GİRİŞ Literatürde sandviç kompozitlerin yük taşıma kabiliyetlerinin artışını sağlamak amacı ile tabaka-kor malzeme ara yüzeyin güçlendirilmesi gerektiği ortaya çıkmıştır. Nilanja Mitra PVC köpük içeren sahip sandviç kompozitlerin kor modifikasyonları üzerine çalışmalar yürütmüştür. PVC kor yüzeyi üzerinde farklı boyut, şekil ve yönlenmeye sahip olukların düzlem içi kayma mukavemetlerine etkisini ASTM C273 sandviç kompozitlerin kayma özelliklerinin belirlenmesi standartına uygun şekilde yaptığı testlerde araştırmıştır. Çalışmalarında shear key olarak tanımladığı yüzeysel oluklarda prepreg cam fiber ve balsa takviyesi kullanmıştır. Prepreg cam takviyeli oluklu kor içeren sandviç kompozitlerde düz ve balsa takviyeli oluklu PVC içeren numunelere göre daha başarılı sonuçlar elde etmiştir. Mitra N. PVC kor modifikasyonu çalışmalarında yüzeye açılan yarım daire olukların düzlem içi kayma va basma mukavemetlerine etkisini araştırmış ve delaminasyon direncinde olumlar sonuçlar elde etmiştir [1,2]. A. Mostafa ve arkadaşları, Mitra N., çalışmalarını referans göstererek PVC ve PU köpük içeren sandviç kompozitlerde farklı çap değerlerine ve yönlemlere sahip olukların düzlem içi kayma mukavemetine etkisini nümerik olarak araştırmıştırlar [3,4,5]. Çap değeri artışı ile kayma rijitliği artışı sağlanırken, kayma hasar şekil değiştirme miktarı azalmıştır [3]. Tek yönlü ve çift yönlü oluklu PVC köpük ihtiva eden sandviç kompozitlerin hasar kayma mukavemetleri ve elastik rijitlik değerlerinde artış gözlenmiştir. Oluksuz PVC içeren numuneler ise yüksek hasar şekil değiştirmeleri göstermiştir[4]. Hai F. ve arkadaşları, delikli ve oluklu PVC içeren sandviç kompozitlerin eğilme performanslarını araştırmışlar. Modifikasyona uğramış PVC kor malzemenin basma dayanım ve modül değerlerinde artış sağlanmıştır. Bu noktada reçine içeren kor yapının hasar durumuna etki ettiği görülmektedir. Özellikle fiber tabakalı laminasyonların basma dayanımı, çekme mukavemet değerlerinden düşük ise, güçlendirilmiş kor yapının önem arz ettiği vurgulanmıştır. Reçinenin doldurduğu olukların ve deliklerin, alt ve üst tabakaların kor yapıya tutunmasını sağladığı ve çivilediği belirtilmiştir [6]. May-Pat ve arkadaşları çalışmalarında, delik açılmış PVC kor içeren E-cam/polyester tabakalı sandviç kompozitlerin basma, kayma ve tabaka-kor kırılma tokluğu testlerini yapmıştırlar. Reçine ile tamamen veya kısmen dolan deliklerin sandviç 139
kompozit plakanın mekanik davranışlarına farklı etki ettiği ortaya çıkmıştır. Delikli kor yapının kayma mukavemeti ve kırılma tokluğu değerlerinde düz PVC içeren örneklere göre üstünlük sağlamadığı ve sadece çatlak ilerlemesine engel teşkil ettiği vurgulanmıştır. Basma dayanımı ve rijitlik değerlerinde başarılı sonuçlar alınmıştır. May-Pat ve arkadaşları, çalışmalarında sabit delik çapı ve mesafe değerlerinde sonuçlar elde etmiştir [7]. Halimi F. ve arkadaşları farklı dizilimlerde delik içeren PVC kor malzemeye sahip E-cam/polyester reçine tabakalı sandviç kompozitlerin eğilme ve tabaka-kor kırılma tokluğu sonuçlarını araştırmıştırlar. Eğilme testlerinde, maksimum yük ve absorbe ettiği enerji miktarlarında sırası ile %38 ve % 100 artış elde etmiştirler. Dayanım değerleri yüksek çıkan plakanın ağırlığında % 3,6 artış gözlenmiştir. Kırılma tokluğu testlerinde, kritik yük ve kırılma tokluk değerlerinde az miktarda iyileşme görülmektedir [8]. İleriye sürülen çalışmada, farklı çap değerleri ve mesafelerde delik şablonları içeren PVC kor malzemeli denizel sandviç kompozit malzemelerin eğilme ve basma davranışları incelenmiştir. Önceki çalışmalarda kayma mukavemet ve kırılma tokluğu kritik yük değerlerinde yeterli artış sağlanamadığı için delik çap ve mesafe değerlerinin sadece basma ve eğilme performanslarına etkisi incelenmiştir. Literatürde verilen çap değerlerinin (ø 2,3,4 mm) dışında, farklı çap ve mesafe değerlerinde dayanım değerleri ve hasar durumları rapor edilmiştir. 2. MATERYAL VE METOD 2.1. Vakum İnfüzyon ile Delik Açılmış PVC Köpük İçeren Sandviç Kompozit Üretimi Sandviç kompozit plakalar laboratuvarda VARTM (vakum destekli infüzyon yöntemi) ile üretilmiştir. Üretim laminasyon planına uygun olarak dikişli E-cam elyaf ve keçe malzemelerin laminasyon planlarına göre kalıp ayırıcı uygulanmış kalıba yerleştirilmesi ile başlar. Kalıp üzerinde vakum ve reçine hatları belirlenir, spiral hortumlar sandviç plaka etrafına yerleştirilir. Reçine hattı spiral hortumlara bağlanır ve vakum hattı ise sandviç plakanın üst yüzeyine yerleştirilir. Böylece reçine sandviç kompozit plakayı alt kısımdan başlayarak vakum hattına ulaşana kadar ıslanmayı sağlayacaktır. Delikli PVC kor malzeme içeren sandviç plaka üretiminde akış filesi ve soyma kumaşı kullanılmasına gerek kalmamıştır. Sızdırmazlık bandı ile çevrelenen laminasyon son olarak vakum torbasıyla kaplanır. Vakum sırasında yırtılma dolayısıyla kaçak olmasını engellemek amacıyla vakum torbasına bolluk bırakılması gerekmektedir. Vakum infüzyon üretimi sırasında vakum pompası negatif 760 mm hg basınç oluşturulması sağlar. Vakum sağlandıktan sonra reçine hattı kapalı iken vakum torbasında kaçak olup olmadığı kontrol edilir. Reçine hattı açılır ve reçine vakum hattına doğru ilerler. Vakum hattına ulaşan reçine kaçış deposuna vardıktan sonra reçine hattı kapatılır ve fazla reçinenin çekilmesi sağlanır. Son olarak vakum hattı ve pompası kapatılır ve plaka kalıpta kürleşmesi için 24 saat açık havada bırakılır. Sandviç kompozit plakalar test numunesi olarak kesilmeden önce iki (2) hafta kadar tamamen kürleşmesi için beklenir. Delikli PVC kor içeren sandviç plakaların, VARTM yöntemi ile üretimi Şekil 1. de verilmiştir. Şekil 1. Delikli PVC kor içeren sandviç kompozitlerin VARTM üretim yöntemi ile üretimi 140
2.2. Malzeme Özellikleri Elyaf malzeme olarak iki eksenli (biaxial stitched fabric) 850 gr/m 2 [0/90]s elyaf, 450 gr/m 2 keçe malzeme kullanılmıştır. VARTM üretimine uygun Poliya marka Polives 702 infüzyon tipi Bisfenol-A Epoksi vinilester reçine tercih edilmiştir. Reçine içerisine, başlatıcı olarak ağırlıkça %1-2 wt oranında MEKP (Metiletilketonperoksit), hızlandırıcı olarak ağırlıkça % 0,2-0,5 wt oranında kobalt naftanat kullanılmıştır. Kor malzeme Airex C.70.75 PVC köpük malzeme kullanılmıştır. PVC köpük malzemenin fiziksel ve mekanik özellikleri Tablo 1. de verilmiştir. PVC köpük üzerine delikler CNC tezgahında işlenmiştir. Çap değerleri ø 4, 6,8 mm ve delik çap merkezleri arası 12, 14, 16, ve 18 mm olarak belirlenmiştir. Şekil 1 de delik şablonları verilmiştir. Test numunelerine ait sonuçlar şu şekilde ifade edilmiştir. ø 4 numuneleri: D-12,D-14,D-16,D-18, ø6 numuneleri: A-12,A-14,A-16, A18, ø 8 numuneleri: S-12, S-14, S-16, S-18 kısaltılmış olarak gösterilmektedir. Şekil 2. PVC köpük üzerinde farklı delik şablonları (Delik çap değerleri ø4,6,8 mm, delikler arası mesafe 12,14,16,18 mm) Tablo 1. Airex C.70.75 PVC köpük fiziksel ve mekanik özellikleri Yoğunluk, kg/m 3 80 Basma Dayanımı,MPa 1.45 Basma Modülü, MPa 104 Çekme Dayanımı, MPa 2 Çekme Modülü,MPa 66 Kayma Dayanımı,MPa 1.2 Kayma Modülü, MPa 30 Kayma Kopma Uzaması % 23 141
Sandviç kompozitler, 4 mm kalınlığına sahip 2x450 gr/m2 keçe (2x0,5 mm), 4x [0/90]s çift yönlü dikişli E-cam elyaf (4x0,75mm) ve iç taraf ise 2,25 mm 3x[0/90]s çift yönlü dikişli E-cam elyaf (3x0,75 mm) içermektedir. Tablo 2 de, σç:çekme dayanımı, σb:basma dayanımı,τu:düzlm içi kayma dayanımı, ν 12 :poisson oranı, vf: fiber oranı (%), E 1, E 2 : 1 ve 2 yönünde elastisite modülü, G 12 : kayma modülü mekanik özellikleri verilmiştir. Laminasyonların mekanik özellikleri: çekme testleri ISO 527-4, basma testleri ASTM D 6641 ve kayma testleri ise ASTM D 7078 standartlarına gore en az 5 er numune test edilerek bulunmuştur. Tablo 2. Laminasyon mekanik özellikleri Mek. Öz. 2x450g/m 2 mat, 4x[0/90]s 3x[0/90]s V f 52 49 E 1 (MPa) 21280 23740 E 2 (MPa) 22100 22260 G 12 (GPa) 4370 4072 ν 12 0,273 0,143 σ ç (MPa), 352 415 σ b (MPa), 218 309 τ u, MPa, 53,5 51,6 2.3. Deneysel Çalışma Sandviç kompozit numunelerin ASTM C393/C393M-11 standartlarına uygun olarak üç (3) nokta eğilme testleri yapılmıştır [9]. Üç (3) nokta eğilme testleri için destek mesafesi 200 mm belirlenmiştir (Şekil 3.). Eğilme testleri Zwick Roell 250 kn elektromekanik çekme-basma cihazında 6 mm/dak yükleme hızıyla gerçekleşmiştir. Basma testleri, ASTM C365 / C365M-05 standartına gereğince 0,5 mm/dak test hızı ile gerçekleşmiştir [10]. Deneyler sırasında kuvvet-deplasman değerleri cihaz üzerinden alınmıştır. Farklı çap ve mesafe değerlerine sahip delik açılmış sandviç kompozitlerin sonuçları sunulmuştur. Şekil 3. Üç (3) nokta eğilme ve basma testleri(astm C393/C393M-11) 142
3. BULGULAR VE TARTIŞMA 3.1. Üç (3) Nokta Eğilme Test Sonuçları Sandviç kompozit numunelerin ASTM C393/C393M-11 standartlarına uygun olarak üç (3) nokta eğilme testleri yapılmıştır [9]. Destek mesafesi 200 mm olarak belirlenmiştir. a.d-12 b.d-14 c.d-16 d. D-18 a. A-12 b.a-14 c.a-16 d.a-18 143
a.s-12 b.s-14 c.s-16 d.s-18 Şekil 4. Sandviç kompozitlerin üç (3) nokta eğilme test sonuçları (D:ø4,12,14,16,18, A:ø6,12,14,16,18, S:ø8,12,14,16,18) Numunelerin üç (3) nokta eğilme testi sonuçları Şekil 4. de verilmiştir. Tablo 3 de numunelerin maksimum yük değerleri ve hasar durumları, düz PVC içeren referans numune ile karşılaştırılmıştır. D-18 numunesinde, fiber kırılması ve kor ezilmesi şeklinde hasar durumuna rastlanmıştır. D-18 numunesi eğilme yükü altında en düşük dayanıma sahiptir. Diğer tüm numuneler kor kayma kırılması şeklinde hasara uğramıştır. Kor kayma kırılması, çatlağın kor malzemede kalınlık doğrultusunda ilerleyip alt tabaka-kor ara yüzeyine ulaşması ve ardından tabaka-kor ayrılması şeklinde sonuçlanmıştır (Şekil 6). Çap artışı ile % maksimum yük artışı % 83.3 e ulaşmıştır. Sandviç kompozitlerin maksimum yük ve % maks. yük. artış değerlerinin, D-16, A-16 ve S-16 numunelerinde yakınlaştığı görülmektedir (Şekil 5). Ayrıca D- 16, A-16 ve S-16 numuneleri benzer mekanik davranışlar göstermiştir (Şekil 4). Delik açılmış PVC kor içeren numunelerde, reçine dolan delikler çivi gibi davranarak tabakaları kor malzemeye bağlamış ve dayanım değerlerinin yükselmeni sağlamıştır (Şekil 6). Tablo 3. Sandviç kompozitlerin mekanik özellikleri (üç (3) nokta eğilme testi sonrası) Numune kodu Maksimum yük (N) Maks. Yük. Artış % Hasar durumları D-12 D-14 D-16 D-18 A-12 A-14 A-16 A-18 S-12 S-14 S-16 S-18 Referans 6760 5905 7383 4468 5885 7888 7734 6624 7409 8786 7855 9289 5067 33,4 16,5 45,7-11,8 16,1 55,7 52,6 30,7 46,2 73,4 55,0 83,3 KKK KKK KKK FK KKK KKK KKK KKK KKK KKK KKK KKK FK Not: Hasar durumları: KKK: Kor kayma kırılması, FK:Fiber kırılması, Referans:Düz PVC içeren sandviç kompozit. 144
10000 9000 Hasar yükleri (N) 8000 7000 6000 5000 D 4 mm-12/14/16/18 D 6-12/14/16/18 D 8-12/14/16/18 4000 3000 10 12 14 16 18 20 Delik merkez. mesafesi (mm) Şekil 5. Sandviç kompozitlerin üç (3) nokta eğilme hasar yük dağılımları Şekil 6. Üç (3) nokta eğilme testi sonrası hasara uğramış sandviç kompozit numune Eğilme testleri sonucunda kor malzemede oluşan çatlağın alt tabaka-kor ara yüzeyine ilerleyişi ve delaminasyon şeklinde oluşan hasar ayrıntılı olarak Şekil 6 da görülmektedir. VARTM yöntemi ile PVC kor malzemede açılan deliklerin tamamen doldukları ve başarılı olduğu görülmüştür (Şekil 6). 145
3.2 Basma Test Sonuçları Sandviç kompozit numunelerin ASTM C365 / C365M-05 standartlarına uygun olarak basma testleri yapılmıştır [10]. Basma testleri sonucu, kuvvvet- deplasman grafikleri aşağıda Şekil 7 de verilmiştir. a. D-12 b.d-16 c. A-14 d. A-16 e. S-12 f. Referans numune Şekil 7. Sandviç kompozitlerin basma testi sonuçları Tablo 4. Sandviç kompozitlerin basma test sonrası mekanik özellikleri Mek.Öz. D-12 D-16 A-14 A-16 S-12 Referans Ez fc 187,7 105,8 207,7 174,9 270,7 76,5 P mak 26691,0 18327,8 55968,5 59932,6 75672,4 11323,5 Fz fcu 7,0 2,9 10,2 9,4 15,7 1,4 δ Pmak 4,6 5,9 3,6 4,3 3,9 5,0 146
Tablo 4 de Ez fc : Basma modülü, Pmak: Maks. Kuvvet, Fz fcu : Basma dayanımı, δ Pmak :mak. kuvvet karş. deplasman. Basma test sonuçlarında delik çap değeri artış ile basma dayanım ve rijitlik değerlerinde artış gözlenmiştir. Delik merkezleri arası mesafe artışı, rijitlik değerlerinin azalmasına ve deplasman değerlerinin artışına neden olmuştur. 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Delik açılan PVC kor ile üretilen sandviç kompozitler başarı ile üretilmiştir. PVC köpüğün kalınlık doğrultusunda açılan dairesel kesitli kanalların reçine ile dolması sağlanmıştır. VARTM üretim tekniği ile üretilen sandviç kompozitlerin üretimleri sırasında akış filesi ve soyma kumaşı kullanılmamıştır. Delik açılan PVC kor malzeme reçine akışını ve elyaf ıslanmasını sağlamıştır. Üç (3) nokta eğilme testleri sonucunda, çap değeri 8 mm ve çap merkezleri arası mesafe 18 mm olan, D-18 numunesi fiber kırılması ve kor ezilmesi şeklinde hasara uğramıştır. Tüm numunelerde, kor kayma kırılması hasar durumu gerçekleşmiştir. PVC kor malzemede oluşan çatlak kalınlık doğrultusunda ilerlemiş ve alt tabaka-kor ara yüzeyine ulaşarak delaminasyona neden olmuştur. Delik açılmamış referans numunede ise fiber kırılması ve kor ezilmesi şeklinde hasar durumu olmuştur. Delik açılan numunelerin eğilme hasar yükü değerlerinde artış sağlanmıştır. S -18 numunesinde % maksimum eğilme yük artışı % 83,3 e ulaşmıştır. D-16, A-16 ve S-16 numunelerinde hasar yüklerinin ve % maksimum yük. artış değerlerinin yakınlaştığı görülmektedir. Ayrıca, D-16, A-16 ve S-16 numuneleri benzer mekanik davranışlar göstermiştir (Şekil 4). Eğilme yükü altında, delik içeren PVC kor içeren numunelerde, reçine dolan delikler çivi gibi davranarak tabakaları kor malzemeye bağlamış ve dayanım değerlerinin yükselmeni sağlamıştır. Reçine olukları içeren PVC kor, takviyeli malzeme gibi davranarak rijitliğin artmasına neden olmuştur. Tabaka-kor ara yüzeyinin güçlendirilmesi sağlanmıştır. Basma testlerinde, çap değerlerinde artış maksimum yük, dayanım ve rijitlik değerlerinde artışa neden olmuştur. Delik merkezleri arası mesafe artışı ise rijitliğin azalmasına neden olmuştur. Delik açılan tüm numuneler, referans numune ile karşılaştırıldığında, dayanımda ve rijitlikte artış sağlanmıştır. 147
5. KAYNAKLAR [1] Mitra N, A methodology for improving shear performance of marine grade sandwich composites: Sandwich composite panel with shear key. Composite Structures 2010; 92: 1065-1072 [2] Mitra N.,Raja B.R., Improving delamination resistance capacity of sandwich composite columns with initial face/core debond. Composites: Part B 2012; 43: 1604-1612. [3] Mostafa A.,Shankar K., Morozov E.V., Effect of shear keys diameter on the shear performance of composite sandwich panel with PVC and PU foam core: FE study. Composite Structures 2013; 102: 90-100. [4] Mostafa A.,Shankar K., Morozov E.V., Influence of shear keys orientation on the shear performance of composite sandwich panel with PVC foam cor: Numerical study. Materials and Design 2013;51:1008-1017. [5] Mostafa A.,Shankar K., Morozov E.V., Insight into the shear behaviour of composite sandwich panels with foam core. Materials and Design 2013;50: 92-101. [6] Hai F., Weiqing L.,Weidong L.,Li W., Flexural properties of grooved perforation sandwich composites, Journal of Wuhan University of Technology, Mater. Sci. Ed. 2010; 25(4):583-587. [7] May-Pat A.,Aviles F.,Aguliar JO., Mechanical properties of sandwich panels with perforated foam cores. Journal of Sandwich Structures and Materials,2011;1-18 [8] Halimi F.,Golzar M.,Asadi P.,Beheshty MH., Core modifications of sandwich panels fabricated by vacuum-assisted resin transfer molding. Journal of Composite Materials,2012:1-11 [9] ASTM C 393 00. Standard test method for flexural properties of sandwich constructions. 1916 Race St., Philadelphia, PA 19103. [10] ASTM C365 / C365M-05, Standard Test Method for Flatwise Compressive Properties of Sandwich Cores, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2005 148