XIX. ULUSAL MEKANİK KONGRESİ 24-28 Ağustos 2015, Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon TABAKALI KOMPOZİT PLAKALARIN YARI STATİK PENETRASYON YÜKLERİ ALTINDAKİ DAVRANIŞLARININ ARAŞTIRILMASI Mehmet Bulut 1, Merve Şenyurt 2 ve Ahmet Erkliğ 3 1,3 Gaziantep Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Gaziantep 2 İGA Havalimanları İnşaatı Adi Ortaklığı Ticari İşletmesi, İstanbul ABSTRACT In this study, the behavior of carbon and S-glass fiber reinforced composite laminates under the quasi-static penetration loads was investigated, and compared with each other. Load to deformation according to punch shear ratios (SPR=Ds/Dp) was also examined. In this way, it was obtained the information about the energy absorption capacity of the composite laminates and variation of impact behaviors in terms of different punch ratios. Results showed that carbon/epoxy composite laminates exhibited better energy absorption capacity than S- glass/epoxy composite laminates. In addition, as the SPR ratio increases, the maximum force decreases, but the energy absorption capacity increases. ÖZET Bu çalışmada, karbon ve S-cam fiber takviyeli tabakalı kompozit plakaların yarı statik penetrasyon yükleri altındaki davranışları incelenmiş ve karşılaştırılmıştır. Yüke karşı deformasyon özellikleri farklı kesme delme oranlarına (Ds/Dp) göre ele alınmıştır. Böylece kompozit plakaların enerji emme kapasiteleri hakkında ve hangi malzemenin hangi delme oranı altında daha iyi darbe davranışına sahip olacağı hakkında bilgi elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, karbon/epoksi kompozit plakaların S-cam /epoksi plakalardan daha iyi enerji emme kapasitelerinin olduğunu ve (Ds/Dp) oranının artmasının maksimum kuvveti düşürdüğü, fakat enerji emme kapasitesini artırdığını göstermiştir. GİRİŞ Tabakalı kompozitler, en eski ve yaygın kullanım alanına sahip olup, yüksek mukavemet ve düşük ağırlık, neme karşı yüksek direnç, yüksek darbe dayanımları gibi özeliklerinden dolayı son yıllarda kullanımları oldukça popüler hale gelmiştir. Kompozit malzemeler çalışma esnasında düşük ya da yüksek darbe yüklerine maruz kalabilirler. Bu durum malzemede hasar oluşturup, mukavemetinin azalmasına neden olacaktır. Bu nedenle bu malzemelerin enerji emme kapasitelerinin belirlenmesi ve darbe direnci yüksek olan malzemenin seçilmesi oldukça önem taşımaktadır. Malzemelerin yüksek hızlı darbe davranışları oldukça fazla önem kazanmış ve bu konu ile ilgili çalışmalar bulunmaktadır [1-5]. Malzemelerin enerji emme kapasitelerinin belirlenmesi için kullanılabilecek yöntemlilerden birisi yarı statik penetrasyon metodudur. Bu metot kullanılarak malzemelerin balistik darbe davranışları modellenebilir. Literatüre bakıldığında bu konu ile ilgili çalışmalar bulunmaktadır. Gama ve Gillespie [6] kalın kesite sahip S-2 Cam-elyaf/SC15 kompozit plakaların balistik ve penetrasyon özelliklerini araştırmıştır. Yarı statik delme/kesme testini yaparak farklı (Ds/Dp) oranlarındaki kompozit plakaların enerji emme özellikleri incelenmiştir. Sonuç olarak, yarı statik penetrasyon yöntemi ile elde edilen sonuçların balistik penetrasyon yönteminden daha doğru 257
netice verdiği anlaşılmıştır. Goldsmith ve diğerleri [7] silindirik ve 12,7 mm düz uç vurucular kullanılarak karbon fiber kompozit plakalar üzerine yarı statik ve balistik testler yapmıştır. Kontrollü bir çekme makinesi kullanılarak vurucu ucun 0,012 ve 6,5 s -1 aralığında yer değiştirmesi sağlanmıştır. Sonuç olarak delme kuvveti numune kalınlığı ile orantılı olarak değişmektedir. Goldsmith ve diğerleri [8] konik uca sahip vurucuların fiber takviyeli kompozitlerin delme dirençlerine etkilerini araştırmışlardır. Farklı hızlardaki vurucu kompozit plakalara uygulanmış ve sonuçlar yarı statik yükler altındaki ile kıyaslanmıştır. Bulgular, her iki yönteminde iyi sonuç verdiğini göstermiştir. Wen [9] analitik metotları kullanarak fiber takviyeli kompozitlerin farklı uçlara sahip vurucular altındaki davranışlarını incelemiştir. Analitik metotlar dinamik ve yarı statik penetrasyon yükleri temelli olup farklı hızlardaki vurucular için kullanılmıştır. Hem deneysel, hem de analitik yöntemle balistik ve penetrasyon özellikleri araştırılmış ve her ikisinin de yakın sonuçlar verdiği anlaşılmıştır. Caprino ve diğerleri [10] karbon fiber takviyeli kompozitlerin delme ve malzeme özelliklerini düz uçlu vurucular kullanılarak araştırmıştır. Testler malzeme tamamen delinene kadar yapılmıştır. Wardle ve Lagace [11] ince kesitlere sahip Grafit/epoksi kompozit malzemelerde oluşan hasar özelliklerini incelemiştir. Yarı statik yükler altında düz uçlu vurucular kullanılarak, malzemelerin enerji emme kapasiteleri ölçülmüştür. Oluşan hasarları incelemek için X- radyografi yöntemi kullanılmıştır. Yarı statik test hasarı belirleme açısından daha doğru sonuçlar vermiştir. Yahaya ve diğerleri [12] örgülü olmayan Kevlar/keten karışımı kompozit plakaların balistik ve yarı statik penetrasyon özelliklerini incelemiştir. ASTM standartlarına uygun olarak farklı kalınlıktaki numunelere çekme testi yapılmıştır. Sonuçta, Kevlar ya da keten ile hibrit yapılmış kompozitlerin daha iyi enerji emme kapasitelerinin olduğu anlaşılmıştır. Jordan ve diğerleri [13] düz örgülü fenolik E-cam elyafı kompozit plakaların düşük hızlı, balistik ve penetrasyon özelliklerini incelemiştir. Malzeme özellikleri ASTM standartlarına göre belirlenmiş kompozitler üzerinde yarı statik yükler altında ezme ve delme testleri yapılmıştır. Bu çalışmada, karbon ve cam-elyafı ile güçlendirilmiş kompozit plakaların yarı statik penetrasyon özellikleri kontrollü çekme testi makinesi kullanılarak belirlenecektir. ASTM D732 standartlarına uygun olarak 1.25 mm/dak hızındaki vurucu uç ile plakalar üzerinde deneysel olarak farklı Ds/Dp oranları kullanılarak kesme penetrasyon testleri yapılacaktır. Oluşan hasar karakteristikleri maksimum kuvvete karşı deformasyon özellikleri göz önüne alınarak incelenecek ve karşılaştırılacaktır MATERYAL VE METOTLAR Kompozit plakalar 10 katman ve (0 0 /90 0 ) fiber yönelimlerine sahip olarak üretilmiştir. Kullanılan karbon ve S-cam-elyafı fiber düz ve 200 g/m 2 özelliğindedir. Fiberlere epoksi reçine ve sertleştiriciden oluşan karışım sürüldü ve sıcak pres altında 80 0 C sıcaklıkta ve 0.2 MPa basınç altında 1 saat kürlendikten sonra oda sıcaklığına ulaşıncaya kadar bekletilmiştir. Daha sonra bu malzemelerin mekanik özellikleri Shimadzu AG-X çekme testi makinesi kullanılarak belirlenmiş ve sonuçlar Çizelge 1 de toplanmıştır. Fiber Type S-camı elyaf/epoksi Çizelge 1. Kompozit plakaların malzeme özellikleri E 1 = E 2 (MPa) E 3 = 0,6 E 1 (MPa) G 12= G 13 = G 23 (MPa) 19.6 11.7 3.8 0.14 258 XIX. Ulusal Mekanik Kongresi ν 12 ρ (kg/m 3 ) 1710 Karbon/epoksi 49 29.4 3.2 0.11 1440
Kompozitlerin üretilmesinden sonra penetrasyon testleri için 100x100 mm boyutlarında numuneler kesilmiştir. Kesilen bu numunelerin penetrasyon özelliklerinin belirlenmesi şekil 1 gösterildiği gibi bir test düzeneği hazırlanmıştır. Numuneler düz uçlu ve 12,5 mm kalınlığında silindirik uçlu vurucu ile kesme delme testine maruz bırakılmıştır. Bu mekanizma şekil 1 (b) de gösterildiği gibi punçın çapı (Dp), darbeye maruz kalan dairesel alan ve bu alanın çapına (Ds) bağlı olan bir düzenektir. Çekme cihazı Düz ve silindirik uç Penetrasyon test düzeneği (a) Şekil 1. Penetrasyon düzeneği (b) SAYISAL SONUÇLAR Bu çalışmada 5 farklı Ds/Dp oranı kullanılmıştır, bunlar sırası ile 1,2,3,4 ve 5 tir. Üretilen numunelerden karbon plakalar 2 mm; cam-elyafı plakalar ise 1,5 mm kalınlığında olup bunlara ait kuvvet ve deformasyon şekilleri Şekil 2 deki gibi elde edilmiştir. Bu grafiklerden de anlaşılacağı üzere Ds/Dp oranı arttıkça maksimum kuvvet düşmekte, fakat deformasyon artmaktadır. Şekilden de anlaşılacağı üzere, kuvvet kritik değere ulaşıncaya kadar lineer olmayarak artmakta ve kritik değerden sonra aniden düşmektedir. Ayrıca, kritik değere ulaşmadan önce matris kırılması ve bunun arkasından plastik deformasyon oluşur. Fiber kopmasından sonra dışarı atılan parça ile birlikte sürtünme bölgesine girilir. Bu şekilde penetrasyon işlemi tamamlanır. XIX. Ulusal Mekanik Kongresi 259
(a) (b) Şekil 2. Yarı statik penetrasyon sonuçları. (a) Karbon/epoksi kompozit plakaları, (b) Cam-elyaf/epoksi kompozit plakaları Yarı statik penetrasyon testleri sonrası numunelerin ön ve arka yüzlerinde oluşan hasarların değişimleri farklı Ds/Dp oranlarına göre Çizelge 2 de verilmiştir. Şekillerden de anlaşılacağı üzere Ds/Dp oranı arttıkça, hem karbon/epoksi hem de S-cam/epoksi kompozit plakalar üzerindeki çöküntü ve delaminasyon miktarları artmaktadır. Özellikle büyük olan Ds/Dp oranlarında, oluşan çöküntü ve delaminasyonlar gözle görülecek derecededir. 260 XIX. Ulusal Mekanik Kongresi
Çizelge 2. Numunelerde oluşan hasarlar Ds/Dp Karbon/epoksi kompozit plakalar S-Cam /epoksi kompozit plakalar 1 2 Ön Arka Arka Ön Ön Arka Ön Arka 3 Ön Arka Ön Arka 4 Ön Arka Ön Arka 5 Ön Arka Ön Arka XIX. Ulusal Mekanik Kongresi 261
Çizelge 3. SPR oranlarına göre maksimum kuvvet değişimleri Karbon/epoksi S-camı elyafı/epoksi SPR Pmax (kn) Pmax(kN) 1 24.4 11.7 2 16.6 5.3 3 14.5 4.6 4 12.9 3.9 5 12.2 3.5 Şekil 3. Maksimum penetrasyon kuvveti değişimlerinin kıyaslanması Maksimum penetrasyon kuvvetinin SPR (Ds/Dp) oranlarına göre değişimleri Çizelge 3 ve Şekil 3 te gösterildiği gibidir. Tablo ve grafikten de anlaşılacağı üzere, hem karbob/epoksi hem de S-camı/epoksi kompozitler için maksimum penetrasyon kuvveti SPR=1 de en fala olup bu değerler SPR=5 e kadar azalmaktadır. 262 XIX. Ulusal Mekanik Kongresi
SONUÇLAR Karbon ve S-cam elyaf kumaş ile güçlendirilmiş kompozitlerin penetrasyon özellikleri farklı kesme oranları (Ds/Dp) dikkate alınarak irdelenmiştir. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar özetlenirse: Karbon fiber kompozitlerin maksimum kuvvet ve enerji emme özellikleri cam elyafınkinden fazladır, Kırılan numunelerin arka yüzeylerindeki delaminasyon ve hasar miktarları ön yüze göre daha fazla ve belirgindir, Daha büyük kesme oranlarında (Ds/Dp) daha düşük maksimum kuvvet, buna karşın daha fazla enerji emme miktarı saptanmıştır, Sonuçlar bize yarı statik penetrasyon modeli ve buna karşılık gelen balistik darbe olayının farklı kesme oranlarında Ds/Dp nasıl bir hasar oluşturacağı konusunda önemli bilgiler vermektedir. KAYNAKLAR [1]. Cheeseman BA, Bogetti TA. Ballistic impact into fabric and compliant composite laminates. Composite Structures 61 (2003) 161 173, [2]. Naik NK, Shrirao P. Composite structures under ballistic impact. Composite Structures 66 (2004) 579 590, [3]. Naik NK, Doshi AV. Ballistic impact behaviour of thick composites: Parametric studies. Composite Structures 82 (2008) 447 464, [4]. Silva MAG, Cismaşiu T, Chiorean CG. Numerical simulation of ballistic impact on composite laminates. International Journal of Impact Engineering 31 (2005) 289 306, [5]. Gower HL, Cronin DS, Plumtree A. Ballistic impact response of laminated composite panels. International Journal of Impact Engineering 35 (2008) 1000 1008, [6]. Gama BA and Gillespie JW. Punch shear based penetration model of ballistic impact of thick-section composites. Composite Structures 2008; 86:356 369, [7]. Goldsmith W. Dharan CKH and Chang H. Quasi-Static and Ballistic Perforation of Carbon Fiber Laminates. Int. J. Solids Structures 1995; 32:89-103, [8]. He T, Wen HM and Qin Y. Penetration and perforation of FRP laminates struck transversely by conical-nosed projectiles. Composite Structures 2007; 81:243 252, [9]. Wen HM. Penetration and perforation of thick FRP laminates. Composites Science and Technology 2001;61:1163 1172, [10]. Caprino G, Langella A and LoprestoV. Indentation and penetration of Carbon fibre reinforced plastic laminates. Composites: Part B 2003;34:319 325, XIX. Ulusal Mekanik Kongresi 263
[11]. Wardle BL and Lagace PA. On the use of quasi-static testing to assess impact damage resistance of composite shell structures. Mechanics of Composite Materials and Structures 2007;5: 103-119, [12]. Yahaya R, Sapuan SM, Jawaid M, Leman Z and Zainudin ES. Quasi-static penetration and ballistic properties of kenaf Aramid hybrid composites. Materials and Design 2014;63:775 782, [13]. Jordan JB, Naito CJ, Haque BZ. Quasi-static, low-velocity impact and ballistic impact behavior of plain weave E-Glass/phenolic. Journal of Composite Materials 2014; 48:2505 2516. 264 XIX. Ulusal Mekanik Kongresi