Çeşitli parametrelerde üretilmiş nano takviyeli termoplastik malzemelerin şekillendirilebilirliğinin ve mekanik özelliklerinin araştırılması

Bu doktora tez çalışmasında, savunma sanayi, havacılık ve otomotiv endüstrilerinde yüksek kullanım potansiyeline sahip, elyaf takviyeli polietilen (PE) matrisli kompozit malzemelerin mekanik ve şekillendirilebilirlik özellikleri kapsamlı olarak incelemiştir. Karbon nanotüp (KNT) takviyeli kompozit malzemeler, üstün mukavemet/ağırlık oranları ve gelişmiş mekanik özellikleri nedeniyle modern mühendislik uygulamalarında giderek artan bir ilgi görmektedir. Bu kapsamda, farklı dokuma türlerine (düz, dimi, ±45°) ve takviye elyaflarına (cam, karbon) sahip PE matrisli kompozit numuneler üretilmiş düz ve dimi dokuma içeren yapıların ayrıca KNT takviyeli versiyonları hazırlanarak toplamda on farklı numune grubu oluşturulmuştur. Üretilen numunelere çekme, üç nokta eğme, sertlik (Shore-D), ve Erichsen şekillendirme testleri uygulanmış, elde edilen sonuçlar karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Çekme testlerinde, KNT takviyeli dimi dokuma karbon elyaf takviyeli kompozitler, 240,32 MPa ile en yüksek çekme mukavemetini göstermiştir. Üç nokta eğme testlerinde, KNT takviyeli düz dokuma cam elyaf takviyeli kompozitler 43,19 MPa maksimum gerilme değeri sergilemiştir. Sertlik testlerinde KNT takviyeli dimi dokuma karbon elyaf takviyeli kompozitler 66,8 Shore-D değeri ile en yüksek yüzey sertlik değeri sunmuştur. Erichsen şekillendirme testleri, dimi dokuma karbon elyaf takviyeli kompozitlerin hem mukavemet hem de şekil alabilme kabiliyeti açısından üstün performans sergilediğini ortaya koymuştur. KNT takviyesiyle tüm numunelerde %4,44 ile %151,96 arasında artan şekillendirme kuvvetleri ve %24,21’e kadar varan oranda daha fazla deformasyon kapasitesi elde edilmiştir. Bu gelişmiş mekanik özelliklerin temel nedenleri arasında, karbon nanotüplerin matris içinde homojen dağılması, yük transferini iyileştirmesi ve çatlak ilerlemesini baskılaması yer almaktadır. Bu çalışma, karbon nanotüp takviyesinin kompozit malzeme performansındaki belirleyici rolünü ortaya koymakta, uygulanan test metodolojisinin önemine dikkat çekmekte ve literatürdeki önemli bir boşluğu doldurmaktadır. Elde edilen bulgular, karbon nanotüp takviyeli dimi dokuma karbon elyaf takviyeli kompozitlerin genel mekanik performans açısından optimum çözüm sunduğunu kanıtlamakta ve bu teknolojinin kompozit malzeme geliştirme alanındaki yüksek potansiyeline işaret ederek gelecekte yapılacak araştırmalar için değerli bir kaynak oluşturmaktadır.

In this doctoral thesis, the mechanical and formability properties of fiber reinforced polyethylene (PE) matrix composite materials with high potential for use in the defense, aerospace and automotive industries were extensively investigated. Carbon nanotube (CNT) reinforced composite materials are receiving increasing attention in modern engineering applications due to their superior strength-to-weight ratios and enhanced mechanical properties. Within this scope, composite samples with a PE matrix were produced using different weave types (plain, twill, ±45°) and reinforcement fibers (glass, carbon). Additionally, CNT reinforced versions of the structures with plain and twill weaves were prepared, resulting in a total of ten different sample groups. The specimens were subjected to tensile, three-point bending, hardness (Shore-D) and Erichsen forming tests and the results were analyzed comparatively. In tensile tests, CNT reinforced twill woven carbon fiber composites exhibited the highest tensile strength of 240.32 MPa. In three-point bending tests, CNT reinforced plain woven glass fiber composites demonstrated a maximum tensile value of 43.19 MPa. In the hardness tests, CNT reinforced twill woven carbon fiber composites exhibited the highest surface hardness value with 66.8 Shore-D. Erichsen formability tests revealed that twill woven carbon fiber composites showed superior performance in both strength and formability. With CNT reinforcement, the forming forces increased by 4.44% to 151.96% and up to 24.21% more deformation capacity was achieved. The main reasons behind these improved mechanical properties include homogeneous dispersion of CNTs in the matrix, enhanced load transfer and suppression of crack propagation. This study highlights the critical role of carbon nanotube reinforcement in determining composite material performance, emphasizes the importance of the applied testing methodology and fills an important gap in literature. The findings confirm that CNT reinforced twill woven carbon fiber composites offer an optimal solution in terms of overall mechanical performance and provide a valuable reference for further research, underlining the high potential of this technology for future composite material development.