184

Transkript

184

Uluslararası Katılımlı 17. Makina Teorisi Sempozyumu, İzmir, 14-17 Haziran 2015
Grafen Nanopartikül ve Karbon Nanotüp Katkılı Elyaf Polimer Kompozitlerin
Serbest Titreşim ve Burkulma Analizi
M. Raci AYDIN
Atatürk Üniversitesi
Erzurum
Farzin Azimpour
Erzurum
Volkan ACAR
Erzurum
Hamit AKBULUT
Erzurum
M. Özgür SEYDİBEYOĞLU
İzmir Kâtip Çelebi Üniversitesi
İzmir
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
nanopartikül, doğal frekans, burkulma analizi
Gürkan ŞAKAR
Erzurum
nanotüp,
I. Giriş
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
grafen
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
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.
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.
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
Şekil 3. PULSE ölçüm sisteminden alınan sade karbolu kompozit
kirişin serbest-serbest sınır şartında elde edilen FRF grafiği
Numune
Pulse titreşim
ölçüm seti
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.
Şekil 4. PULSE ölçüm sisteminden alınan sade karbonlu kompozit
kirişin ankastre-serbest sınır şartında elde edilen FRF grafiği
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).
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.
Pkr 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
Sade C
C-0.1 CNT
C-0.5 CNT
Elastisite Modülü
(GPa)
76.43
107.20
142.08
TABLO 1. Deneysel elastisite modüllerinin karşılaştırılması
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
Şekil 7. Burkulma deney düzeneği
4
[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):764772, 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.
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.
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

184

Transkript

Benzer belgeler