Elektromanyetik koruyucu etkinliğinin geliştirilmesi için hibrit kompozit malzemelerin tasarımı ve üretimi

Teknolojinin son yıllarda göstermiş olduğu önemli gelişmeler ile birlikte çevremizde kullanılan elektronik cihazların sayısında önemli bir artış yaşanmaktadır. Bu artış etrafa yayılan elektromanyetik (EM) dalga sayısını ve yoğunluğunu da arttırmaktadır. Ortaya çıkan EM kirlilik, hem elektronik cihazların performansını olumsuz etkilemekte hem de insan sağlığı açısından risk oluşturmaktadır. Bu nedenle EM dalgalara karşı koruma sağlayan malzemelerin tasarımı ve üretimi stratejik bir önem taşımaktadır. Bu tez çalışmasında, vakum infüzyon yöntemi ile üretilen hafif, elektriksel iletken ve yüksek elektromanyetik koruyucu etkinliğe sahip çok fonksiyonlu bir polimer kompozit malzemenin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Geri dönüştürülmüş selülozik kağıtların düzlemsel yöndeki elektriksel iletkenliğini (EC) ve elektromanyetik koruyucu etkinliğini (EMI SE) iyileştirmek amacıyla, mikro kalınlığa sahip, selüloz fiberler ile desteklenmiş karbon nanotüp (CNT), Grafen (GR) ve Bor Nitrür (BN) nanoparçacıkların takviye edilmesiyle 3 farklı nanokompozit film tasarlanmıştır: CNT Film, Bor Nitrür Film ve CNT/GR Hibrit Film. Büyütülebilir proseslere elverişli olan vakum filtrasyon yöntemi ile elde edilen her bir tabaka için farklı hacim ve yüzde ağırlıklara sahip nano takviyelerin eklenmesiyle farklı varyantlarda esnek ve elektriksel iletken nanokompozit filmler elde edilmiştir. Sandviç yapı oluşturacak şekilde tasarlanan üç katmanlı filmler karbon fiber kumaşlar arasına yerleştirilerek vakum infüzyon ve el yatıma (hand lay-up) yöntemleriyle epoksi reçinece zengin hale getirilmiş ve tabakalar arası bağlar mekanik olarak güçlendirilmiştir. Kalınlıkları 120 ile 470 mikrometre arasında değişen nanokompozit filmlerin elektriksel dirençleri en düşük 8.45 Ω, elektriksel iletkenlikleri en yüksek 11.82 S/m ve kesit alanına bağlı spesifik (özgül) iletkenliği ise en fazla 641.71 S/m olarak ölçülmüştür. En yüksek EMI koruyucu etkinliği CNTBN-CNT sandviç yapısı içeren karbon fiber polimer kompozit grubu için 40.5 dB, en yüksek spesifik (kesit alanına bağlı) EMI koruyucu etkinliği 149.95 dB/mm olarak ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlar, özgün bir mühendislik yaklaşımı sunan karbon fiber takviyeli polimer nanokompozit malzemenin, stratejik öneme sahip savunma, havacılık ve uzay teknolojileri başta olmak üzere elektronik, haberleşme, otomotiv ve sağlık sektöründe elektromanyetik koruma gerektiren uygulamalar için yüksek potansiyele sahip olduğunu ortaya koymaktadır.

In recent years, rapid technological advancements have led to a substantial increase in the number of electronic devices used in daily life, which has consequently elevated the intensity and density of electromagnetic (EM) waves in the environment. This phenomenon, referred to as electromagnetic pollution, adversely affects the performance of electronic systems and poses potential risks to human health. Therefore, the design and fabrication of materials capable of mitigating EM waves hold strategic significance. This thesis aims to develop a lightweight, electrically conductive, and high-performance multifunctional polymer composite with enhanced electromagnetic shielding effectiveness (EMI SE), fabricated via the vacuum infusion method. To improve the in-plane electrical conductivity (EC) and EMI SE of recycled cellulosic papers, three types of nanocomposite films were designed by incorporating cellulose fiber-supported carbon nanotubes (CNT), graphene (GR), and boron nitride (BN) nanoparticles: CNT film, BN film, and CNT/GR hybrid film. Using the scalable vacuum filtration process, flexible and conductive nanocomposite films were produced in various configurations by adjusting the volume and weight percentage of the nanofillers. These films were assembled into a three-layer sandwich structure, positioned between carbon fiber fabrics, and integrated with epoxy resin via vacuum infusion and hand layup techniques to achieve resin-rich matrices and mechanically reinforced interlayer bonds. The resulting nanocomposite films exhibited thicknesses ranging from 120 to 470 µm, with a minimum electrical resistance of 8.45 Ω, a maximum electrical conductivity of 11.82 S/m, and a highest specific conductivity (cross-sectional) of 641.71 S/m. The maximum EMI SE was recorded at 40.5 dB for the carbon fiberreinforced polymer composite containing the CNT–BN–CNT sandwich configuration, while the highest specific EMI SE reached 149.95 dB/mm. These findings highlight the strong potential of the developed carbon fiber-reinforced polymer nanocomposite—based on an innovative engineering approach—for applications requiring electromagnetic protection in strategic sectors such as defense, aerospace, and space technologies, as well as in electronics, telecommunications, automotive, and healthcare industries.