Grafen Nanopartikül ve Karbon Nanotüp Katkılı Elyaf Polimer Kompozitlerin Serbest Titreşim ve Burkulma Analizi M. Raci AYDIN Farzin Azimpour Volkan ACAR Gürkan ŞAKAR Atatürk Üniversitesi Atatürk Üniversitesi Atatürk Üniversitesi Atatürk Üniversitesi Erzurum Erzurum Erzurum Erzurum Hamit AKBULUT Atatürk Üniversitesi Erzurum Özet Grafen ve karbon nanotüp, son yıllarda önemi giderek artan iki faklı karbon allotropudur. İleri teknoloji ürünü olan karbon nanoyapıların, diğer disiplinlerde olduğu gibi kompozit malzemeler alanında da kullanılmaya başlandığı görülmektedir. Karbon nanoyapı takviyesinin, kompozitlerin mekanik ve termal özelliklerinde belirgin iyileşmeler meydana getirdiği literatürdeki mevcut birçok çalışmadan anlaşılmaktadır. Bunun yanında, farklı karbon allotropların bu malzemelerin dinamik davranışlarında oluşturduğu etkiler de ayrıca önem arz etmektedir. Bu çalışmada, karbon elyaf takviyeli epoksi kompozitine kütlece % 0.1 ve % 0.5 oranlarında karbon nanotüp ve grafen nanopartikül katkı yapılarak polimer kompozit levhalar üretilmiştir. Bu levhalardan elde edilen numunelerin, ankastre-serbest ve serbest-serbest olmak üzere farklı sınır şartlarında serbest titreşim analizleri yapılmıştır. Ayrıca, nanoyapı katkılı kompozitlerin burkulma analizleri de yapılarak malzemelerin kritik burkulma yükleri belirlenmiştir. Anahtar kelimeler: karbon elyaf, karbon nanotüp, grafen nanopartikül, doğal frekans, burkulma analizi Abstract Graphane and carbon nanotubes, gaining increasing importance in the recent years, are two different carbon allotropes. High-tech product carbon nanostructures are being used in most fields as well as composite materials applications. In the literature there are many studies to show the contribution of reinforcement carbon nanostructure on the remarking improvement in the mechanical and thermal properties of composites. In addition, it is also important the effects of different carbon allotropes on the dynamic behavior of these materials. In this study, carbon nanotubes and graphane nanoparticles are doped into the reinforced epoxy composite material to produce polymer composite plates in 0.1% and 0.5% weight ratios, respectively. The free vibration analysis of specimens obtained from these plates were performed in clamped-free and free-free boundary conditions. Also, the buckling analysis of nanostructure reinforced composites was performed, and their critical buckling loads were obtained. Keywords: carbon fiber, carbon nanotube, graphene nano particule, natural freequency, buckling analysis 1 I. Giriş M. Özgür SEYDİBEYOĞLU İzmir Kâtip Çelebi Üniversitesi İzmir Karbon fiber takviyeli polimerik kompozitler sahip oldukları yüksek rijitlik ve dayanım/ağırlık oranlarından dolayı yüksek performans gerektiren yapısal uygulamalarda, otomotiv ve uzay sanayinde çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu malzemelerin mekanik özellikleri ve kırılma dayanımı yanında sistem performansını, güvenliğini ve kararlılığını etkileyen titreşim sönümleme kabiliyeti çok önemlidir. Son yirmi yılda nanopartiküllerin gelişimine bağlı olarak nanopartikül katkılı polimerik kompozitlerin üretiminde büyük bir artış olmuştur. Buna bağlı olarak bu kompozitlerin, mekanik özellikleri, titreşim özellikleri, termal özellikleri gibi bir çok alanda yapılan çalışmalar artmıştır. Özellikle karbon nanotüp ve grafen katkılı polimerik esaslı elyaf takviyeli kompozit malzemelerin titreşim ve mekanik özellikleri ile ilgili bir çok çalışma yapılmıştır. Konuyla ilgili yapılan bazı çalışmalar aşağıda özet olarak verilmiştir. Rajoria ve Jalili [1], farklı oranlarda tek ve çok duvarlı tiplerde karbon nanotüp (KNT) takviyesi yaparak kompozitlerin rijitlik ve sönüm özelliklerini incelemişlerdir. Sekiz farklı numune tipi (sade epoksi, karbon elyaf takviyeli epoksiye ağırlıkça %5 oranında karbon nanotüp takviyesi, epoksiye ağırlıkça %2.5-5 - 7.5 oranlarında tek duvarlı karbon nanotüp (TDKNT) ve çok duvarlı karbon nanotüp (ÇDKNT) takviye ederek) üzerinde deneyler yapmışlardır. Karbon nanotüp takviyesi yapılarak elde edilen numunelerde sönüm oranındaki artışın rijitlikteki artıştan fazla olduğunu belirtmişlerdir. ÇDKNT lerin TDKNT lerden daha iyi bir takviye elemanı olduğunu gözlemlemişlerdir. %5 ağırlık oranında hem TDKNT hem de ÇDKNT için maksimum sönüm oranı tespit edilmiştir. Hem sinüzoidal hem de impulsif zorlanmış titreşimde yüksek modlar için yüksek sönüm oranları tespit etmişlerdir. Khan ve arkadaşları [2], karbon elyaf takviyeli polimer kompozitler (KETPK) ve sade epoksiye, ağırlıkça %0,5 ve %1 oranlarında karbon nanotüp takviyesi yaparak serbest ve zorlanmış titreşim testlerini yapmışlardır. Sönüm davranışını karakterize etmek için farklı genlik, doğal frekans ve mod şekilleri ile deneyler yapılmıştır. Matris malzemesi
içine KNT takviyesi yapılan hibrit kompozitlerin sönüm oranı artmıştır. Sönüm oranının, epoksi matris içerisinde KNT lerin rastgele dağılımının çokluğuna bağlı olduğu belirtilmiştir. Serbest ve zorlanmış titreşim testleri, KETPK lerin sönüm oranının KNT içeriğinin artmasıyla arttığını göstermiştir. KNT-epoksi nanokompozitlerde de benzer durum söz konusu olmuştur. Her ve Yeh [3] sıvı epoksi ve sertleştiriciyi farklı oranlarda karıştırıp içerisine ağırlıkça %1 ve %2 oranlarında ÇDKNT infüze ederek numuneler üretmişlerdir. Çekme testlerini yaparak numunelerin akma gerilmeleri ve elastisite modüllerini belirlemişlerdir. Ayrıca, serbest titreşim deneylerini yaparak doğal frekans ve sönüm oranlarını tespit etmişlerdir. Epoksi içerisindeki ÇDKNT miktarı arttıkça doğal frekans ve elastisite modülü artmış fakat sönüm oranı azalmıştır. Kim ve arkadaşları [4] karbon elyaf takviyeli epoksiye ağırlıkça %7 oranına kadar KNT takviyesi yaparak kompozit numuneler üretmişlerdir. Numunelerin sönüm karakteristiklerini belirlemek için titreşim testleri yapmışlardır. Numunelerdeki KNT artışı ile doğru orantılı olarak sönüm değerlerinde dikkate değer bir artış tespit edilmiştir. Özellikle ağırlıkça %7 oranında KNT takviyeli numunelerin sönüm oranlarında; birinci doğal frekansta %12.3 e kadar, ikinci doğal frekansta %16.1 e kadar iyileşme olduğunu belirtmişlerdir. Alva ve Raja [5] çalışmalarında ÇDKNT lerle takviye edilmiş kompozitlerin sönümleme özelliklerini araştırmışlardır. Nanokompozitlerin frekansa bağlı sönümleme davranışları değerlendirmişlerdir. İlginç bir şekilde, KNT lü nanokompozitlerin yüksek frekanslarda iyi sönümleme özelliği gösterdiğini belirtmişlerdir. Giovanni ve arkadaşları [6]; epoksi, kauçuk ve beton kompozitlere KNT takviyesi yapmışlar ve KNT takviyeli kauçuk kompozitlerin doğal frekanslarının %500 oranında arttığını ifade etmişlerdir. Liev ve arkadaşları [7], fonksiyonel gruplu KNT le güçlendirilmiş kompozitlerin mekanik analizi hakkında yapılmış çalışmaları incelemişlerdir. Zhang ve arkadaşları [8] KNT takviyeli üçgen plakaların, plaka kalınlığı, genişlik oranı ve farklı sınır şartları için titreşim davranışlarını belirlemişlerdir. Chandra ve arkadaşları [9], grafeni, sonlu elemanlar metodunu kullanarak atomistik ölçekte modellemişlerdir. Farklı sınır şartları ve uzunluklarda grafen takviyeli plastik kompozitlerin mod şekilleri ve doğal frekansları üzerine çok yönlü bir çalışma yapmışlardır. Chandra ve arkadaşları [10], tek tabakalı grafen yapraklarla oluşturulan kompozitlerin, iki tabakalı grafen yapraklarla oluşturulan kompozitlerle benzer mod şekillerine sahip olduğunu belirtmişlerdir. Ayrıca yine benzer olarak, en-boy oranı ve uzunluğun artması ile doğal frekanslarının azaldığı tespit etmişlerdir. Rouhi ve Ansari [11], tek katmanlı grafen tabakaların atomistik sonlu elemanlar modelini kurarak, eksenel burkulma ve titreşim analizini yapmışlardır. Farklı sınır şartları için grafen levhanın, uzunluğundaki artışın doğal frekansında azalmaya neden olduğunu tespit etmişlerdir. Fakhrabadi ve arkadaşları [12], deformasyona uğramış karbon nanotüplerin kritik burkulma yükleri ve doğal frekanslarını belirlemek için çalışmalar yapmışlardır. Moones ve Ochsner [13], KNT takviyeli kompozitlerin doğal frekans ve burkulma davranışlarını belirlemek için; sonlu elemanlar yazılımını kullanan bir paket program vasıtasıyla TDKNT leri armchair ve zikzak olmak üzere iki farklı şekilde modellemişlerdir. Elde edilen sonuçları klasik analitik sonuçlarla kıyaslayarak iyi bir uyum gösterdiklerini belirtmişlerdir. Bu çalışmada, karbon elyaf takviyeli kompozite kütlece % 0.1 ve % 0.5 oranlarında karbon nanotüp ve grafen nanopartikül katkı yapılarak polimer kompozit levhalar üretilmiştir. Bu levhalardan elde edilen numunelerin, ankastre-serbest ve serbest-serbest olmak üzere farklı sınır şartlarında serbest titreşim ve burkulma analizleri yapılmıştır. II. Malzeme ve Yöntem Çalışmada kullanılan karbon elyaf kumaş twill dokuma tipi olarak Spinteks Tekstil İnşaat Sanayi ve Ticaret A.Ş. / Denizli den temin edilmiş olup reçine sistemi olarak ise Huntsman Araldite LY 1564* / Aradur 3487 epoksi reçinesi kullanılmıştır. İlave olarak, modifiye matris sistemi üretiminde kullanılan karbon nanoyapılar Grafen Chemical Industries/ Ankara dan temin edilmiştir. Karbon nanoyapılar olarak grafen nanopartikül (GNP) ve karbon nanotüp (KNT) kullanılmıştır. Üretim metodu iki ana kısma ayrılmıştır; İlk olarak, modifiye matris sistemlerinin oluşturulması sağlanmış ve ardından tabakalı kompozit malzeme üretimleri gerçekleştirilmiştir. Matris modifikasyon işlemleri genel olarak elyaf/matris hacim oranı (%60 / %40) doğrultusunda belirlenen epoksi reçine sisteminin içine karbon nanoyapı takviyesini kapsamaktadır. Bu amaçla; sırasıyla, ağırlıkça % 0.1 ve % 0.5 katkı sağlamak için 0.37 g ve 1.85 g miktarındaki karbon nanoyapılar (GNP ve KNT) epoksi reçineye ayrı ayrı katılmıştır. Şekil 1. Karbon nanotüp ve grafen nanopartikül katkılı kompozit malzemeler 2
Matris modifikasyonu işlemine, modifiye epoksi reçinelerin ultrasonik karıştırıcıda (Hielscher UP400S, Almanya) 90 W ta 15 dakika boyunca karıştırılması (disperse edilmesi) ile devam edilmiştir. Modifiye reçine sistemlerinin hazırlanmasının ardından gerçekleşen tabakalı kompozit üretiminde ilk olarak elyafların modifiye epoksi sitemler ile elle yatırma tekniği (hand lay-up) kullanılarak ıslatılması sağlanmıştır. Islatılan elyaflar oniki (12) tabakalı yapı olarak kalıp üzerine yerleştirilmiş ve ardından gerçekleştirilen vakum torbalama metodu ile tabakalı kompozit levhalar üretilmiştir. Üretilen bu levhalardan ASTM D3039 standartı referans alınarak 250x25x2.5 mm ebatlarındaki numuneler su jetiyle kesilerek elde edilmiştir (Şekil 1). Lazer vibrometer Numune Pulse titreşim ölçüm seti Şekil 3. PULSE ölçüm sisteminden alınan sade karbolu kompozit kirişin serbest-serbest sınır şartında elde edilen FRF grafiği Şekil 2. Titreşim ölçüm sistemi Titreşim karakteristiklerinin belirlenmesi bilgisayar tabanlı çok kanallı bir analiz sistemi olan PULSE titreşim ölçüm sistemi ile yapılmıştır. Bu sistem çeşitli veri toplama üniteleri ve yazılım opsiyonlarından oluşan modüler bir yapıya sahiptir. Çalışmada, malzeme üzerinde belirli noktalardan darbe çekici kullanarak tahrik kuvveti uygulanmış ve malzemenin cevabı ölçülerek aradaki transfer fonksiyonu (FRF) ME'scope VES modal analiz yardımıyla elde edilmiştir. Uygulanan tahrik kuvveti bir kuvvet transdüseri (çekiç) ile, cevap ise lazer vibrometre ile ölçülmüştür (Şekil 2). Şekil 4. PULSE ölçüm sisteminden alınan sade karbonlu kompozit kirişin ankastre-serbest sınır şartında elde edilen FRF grafiği III. Sonuçlar Şekil 3 ve Şekil 4 sırasıyla PULSE ölçüm sisteminden alınan serbest-serbest ve ankastre-serbest sınır şartlarındaki sade karbonlu kompozit kirişin FRF grafiğini göstermektedir. Bu grafiklerde görülen rezonans pikleri kompozit kirişin 1. doğal frekansına karşılık gelen frekans değerlerini vermektedir. Şekil 5. Serbest-serbest sınır şartındaki kompozit kirişin farklı oranlardaki karbon nanotüp ve grafen nanopartiküle karşılık 1. doğal frekansının değişimi 3
Burkulma deneyleri 100 kn kapasiteli Instron çekme cihazında oda sıcaklığında yapılmıştır (Şekil 7). Kompozit malzemenin bir ucu ankastre olarak tutturulmuş, serbest ucundan ise basma kuvveti uygulanmıştır. Test cihazının çene ilerleme hızı 1.3 mm/dak olarak ayarlanmıştır. Her numune türü için iki adet test yapılmış ve elde edilen değerlerin ortalamaları alınmıştır. Kompozit malzemeler üzerine uygulanan tek eksenli basma kuvvetiyle oluşan yük-deplasman eğrilerinden kritik burkulma yükleri hesaplanmıştır. (Şekil 8). Şekil 6. Ankastre-serbest sınır şartındaki kompozit kirişin farklı oranlardaki karbon nanotüp ve grafen nanopartiküle karşılık 1. doğal frekansının değişimi Daha önce de belirtildiği gibi titreşim deneyleri serbest-serbest ve ankastre-serbest sınır şartlarında yapılmıştır. Ankastre-serbest sınır şartında kompozit malzeme sabitlenirken bir torkmetre vasıtasıyla hep aynı momentle sıkılmıştır. Serbest-serbest sınır şartı ise, malzeme düğüm noktalarından ince iplerle asılarak elde edilmiştir. Grafiklerden de görüleceği üzere, gerek serbest-serbest sınır şartında gerekse ankastre-serbest sınır şartında karbon nanotüp katkısıyla doğal frekanslar artmıştır. Karbon nanotüp miktarının yüzde olarak artmasıyla paralel olarak frekans değerleride artmıştır. Grafen nanopartikül katkısıyla frekanstaki değişim biraz daha farklı olmuştır. % 0.1 grafen nanopartikül katkısıyla frekanslar düşerken % 0.5 grafen nanopartikül katkısıyla frekans değerlerinde artış gözlenmiştir. P kr Şekil 8. %0.5 GNP katkılı kompozit kirişin kritik burkulma yükünü gösteren kuvvet-yer değiştirme eğrisi Tablo 1 de deneylerde kullanılan karbon nano tüp katkılı numunelerin deneysel olarak elde edilen elastisite modülleri verilmiştir. Malzeme Elastisite Modülü (GPa) Sade C 76.43 C-0.1 CNT 107.20 C-0.5 CNT 142.08 TABLO 1. Deneysel elastisite modüllerinin karşılaştırılması Şekil 7. Burkulma deney düzeneği 4 Şekil 9, kompozit kirişe farklı oranlardaki karbon nanotüp (KNT) ve grafen nanopartikül (GNP) katkısının, kompozitin kritik burkulma yükü üzerindeki etkisini göstermektedir. Şekilden de görüldüğü üzere, hem karbon nanotüpün, hem de grafen nanopartikülün karbon elyaf takviyeli polimerik kompozitlerin kritik burkulma yükünü artırdığı tespit edilmiştir. Bu artış karbon nanotüp katkısında daha fazla olmuştur. Ağırlıkça % 0.1 grafen nanopartikül katkısıyla kritik burkulma yükü % 46
oranında artarken, ağırlıkça % 0.5 grafen nanopartikül katkısıyla kritik burkulma yükündeki artış % 76 olmuştur. Bu konu üzerinde Rafiee ve arkadaşları [14] tarafından yapılan bir çalışmada, ağırlıkça % 0.1 grafen nanopartikül katkılı epoksi kompozitlerinin burkulma performanslarında % 52 lik bir artış yakalanmıştır. Çalışmamız dahilinde gerçekleştirilen testlerde ise % 46 lık bir artış yakalanarak literatür ile uyumlu sonuçların açığa çıktığı belirlenmiştir. Yine ağırlıkça % 0.1 karbon nanotüp takviyesiyle kritik burkulma yükü % 71 oranında artarken, ağırlıkça % 0.5 karbon nanotüp takviyesiyle kritik burkulma yükündeki artış % 240 olmuştur. Benzer şekilde, Malekzadeh ve Shojaee [15] yaptıkları nümerik çalışmada, bir karbon allotropu olan karbon nanotüp katkısının, kompozitin burkulma davranışında yüksek bir miktarda artışa sebep olacağını tespit etmişlerdir. Dolayısıyla, karbon nanoyapı takviyesinin polimerik kompozitlerin burkulma davranışlarında önemli ölçüde iyileştirmeler sağladığı anlaşılmıştır. [8] Zhang L-W., Lei Z-X. ve Liew K-M. Free vibration analysis of functionally graded carbon nanotube-reinforced composite triangular plates using the FSDT and element-free IMLS-Ritz method. Composite Structures, 120:189-199, 2015. [9] Chandra, Y., et al., Vibration frequency of graphene based composites: A multiscale approach. Materials Science and Engineering B-Advanced Functional Solid-State Materials, 177(3): 303-310, 2012. [10] Chandra, Y., et al., Vibrational characteristics of bilayer graphene sheets. Thin Solid Films, 519(18): p. 6026-6032, 2011. [11] Rouhi S. ve Ansari R. Atomistic finite element model for axial buckling and vibration analysis of single-layered graphene sheets. Physica E-Low-Dimensional Systems & Nanostructures, 44(4):764-772, 2012. [12] Fakhrabadi M-M-S., et al., Mechanical Characterization of Deformed Carbon Nanotubes. Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures, 7(2): 717-727, 2012. [13] Rahmandoust M. ve Ochsner A. Buckling Behaviour and Natural Frequency of Zigzag and Armchair Single-Walled Carbon Nanotubes. Journal of Nano Research, 16: 153-160, 2011. [14] Rafiee, M. A., Rafiee, J., Yu, Z.-Z., Koratkar, N., Buckling Resistant Graphene Nanocomposites, Applied Physics Letters 95, 223103 (2009); doi: 10.1063/1.3269637. [15] Malekzadeh, P., Shojaee, M., Buckling Analysis of Quadrilateral Laminated Plates with Carbon Nanotubes Reinforced Composite Layers, Thin Walled Structures, 71, 108 118,2013. Şekil 9. Kompozit kirişin farklı oranlardaki karbon nanotüp ve grafen nanopartiküle karşılık kritik burkulma yükünün değişimi Kaynakça [1] Rajoria H. ve Jalili N. Passive vibration damping enhancement using carbon nanotube-epoxy reinforced composites. Composites Science and Technology, 65(14): 2079-2093, 2005. [2] Khan S-U., et al., Vibration damping characteristics of carbon fiberreinforced composites containing multi-walled carbon nanotubes. Composites Science and Technology, 71:1486 1494, 2011. [3] Her S-C. ve Yeh S-W. Fabrication and Characterization of the Composites Reinforced with Multi-Walled Carbon Nanotubes. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 12(10): 8110-8115, 2012. [4] Kim, H.C., et al., Fabrication of carbon nanotubes dispersed woven carbon fiber/epoxy composites and their damping characteristics. Journal of Composite Materials, 47(8): 1045-1054, 2013. [5] Alva, A. and S. Raja, Damping Characteristics of Epoxy-Reinforced Composite with Multiwall Carbon Nanotubes. Mechanics of Advanced Materials and Structures, 21(3): 197-206, 2014. [6] Formica, G., W. Lacarbonara, and R. Alessi, Vibrations of carbon nanotube-reinforced composites. Journal of Sound and Vibration, 329(10): 1875-1889, 2010. [7] Liew, K-M., Lei Z-X. ve Zhang L.W. Mechanical analysis of functionally graded carbon nanotube reinforced composites: A review. Composite Structures, 120: 90-97, 2015. 5