Epoksi ve Polyester Matriksli Cam Elyaf Kompozitlerin Darbe Davranışları

Epoksi ve Polyester Matriksli Cam Elyaf Kompozitlerin Darbe Davranışları
Günümüzde modern teknolojinin üstün özelliklere sahipmalzemeye olan ihtiyacı gittikçe artmaktadır. Özellikle yüksek mukavemetin yanında, hafifliğin de istendiği yapılara ihtiyaç duyulmaktadır. Kullanım yerine bağlı olarak istenilen bu gibi özelliklerin aynı malzemede aynı anda bulunması mümkün değildir. Birbirlerinin zayıf yönlerini düzeltecek şekilde üstün özelliklerin bir araya getirilmesi ile kompozit malzemeler üretilmiştir. İstenilen özeliklere sahip malzemelerin üretiminin yanında çalışma ömrü ve çalışma esnasında uğrayabilecekleri hasarlara karşı davranışlarının bilinmesi de önem taşımaktadır. Hasarların tespiti laboratuvar ortamında gerçeğe en yakın şekilde modellemeler yapılarak elde edilmektedir. Darbe hasarları da bu hasarlardan olup, bu tip hasarların tespiti için uygulanan yöntemlerden birisi de düşük hızlı darbe testleridir.

Darbe testleri, genellikle günlük yaşamda karşılaştığımız çekiçle dövmek, otomobil çarpışmaları, araçların küçük tampon darbeleri, hareket halinde araca sıçrayan taş, yoldaki çukura hızla ve aniden düşen bir araba tekerleği ve kompozit bir kanat yapı üzerine bakım esnasında düşürülen bir aletin darbe etkileri gibi gerçek olaylarla bir benzeşim yapılarak oluşturulmaktadır. Özellikle mühendislik uygulamalarında imalat, montaj ve kullanım aşamasında dışarıdan gelebilecek herhangi bir darbe ile beklenmedik sonuçlar ortaya çıkabilir. Bunu engellemek için malzemenin bu tip etkiler karşısında davranışının nasıl olacağının bilinmesi gereklidir [1].

Bazı darbeler, fiber kopmaları gibi bariz şekilde göz ile görülebilir hasarlar oluşturur ve yapının mukavemetinde ani düşüşlere yol açarlar. Bu hasarlar, kontroller sırasında anında fark edilip düzeltilebilir. Ancak bariz görülebilen hasarların tersine yapının üst yüzeyinde fark edilemeyen ancak içyapısında tabaka ayrılması veya matriks kırılması gibi çıplak gözle zor görülebilen hasarlar da meydana gelebilir. Bu tarz hasarlar ancak gözle görülebilen hasarlar olarak tanımlanır ve her ne kadar tehlikesiz görünseler bile, darbe yüklemelerinden, matriksin ana görevini yerine getirememesinden ve yorulma yüklerine maruz kalmalarından dolayı erken arızaya yol açabilirler. Bu nedenle tabakalı kompozit bir yapıda darbe etkisinin oluşturacağı hasarı önceden tahmin etmek ve kontrol altında tutabilmek, tasarım ve kullanım açısından büyük önem arz etmektedir [2].

Lui [3], E-camı/epoksi kompozit plaklarda darbe karakteristiği ve hasar analizi üzerinde durmuştur. Sandviç kompozitlerde vurucu uç çapının, takviye açısının ve levha kalınlık değişiminin darbe dayanımı üzerindeki etkilerini enerji profil diyagramını kullanarak incelemiştir. Hibrit kompozitlerin düşük hızlı darbe deneyleri Sayer ve diğerleri [4] tarafından yapılmıştır. Yapılan çalışmada, plakların nüfuziyet ve delinme eşiği tespiti için enerji profili diyagramları ve kuvvet-yer değiştirme eğrileri karşılaştırmalı olarak irdelenmiştir. Deneyden sonra kompozit plaklar görsel olarak incelenerek delaminasyon ve hasar miktarları tespit edilmiştir. Reis ve diğerleri [5] kevlar/epoksi kompozitinin hasar toleransını ve darbe davranışını incelemişlerdir. Darbe direncini arttırmak amacıyla dolgu maddeleri kullanılmıştır. Dolgu maddeleri eklendikçe maksimum darbe kuvvetinin arttığı ancak çökme için tam tersi bir eğilim gözlemlemişlerdir.

Test Numunelerinin Üretimi
Kompozit plakların üretiminde METYX firmasından temin edilen iki eksenli, kıvrımsız dikişli, [(0,90)/(±45)/(±45)/ (90,0)]s takviye açılı, alan yoğunluğu 600 g/m2 E-camı kumaşlar kullanılmıştır. Matriks malzemesi olarak DEWILUX DEWESTER 196 (511-0196) polyester ve PGKEM 1150 epoksi reçine kullanılmıştır. 100 g polyester reçineye, ağırlıkça 4 g Dewilux hızlandırıcı (549-0050) ve 1.5 g Dewilux sertleştirici (549-0040) karıştırılmıştır. 100 g epoksi reçineye ise 34 g PGKEH 1200 sertleştirici karıştırılmıştır. Tüm kompozit plaklar, ATARD A.Ş. tarafından ‘Vakum İnfüzyon Yöntemi’ ile üretilmiştir. Üretilen kompozit plak Şekil 1’de görülmektedir.


 Şekil 1 Vakum İnfüzyon Yöntemi ile üretilen kompozit plak

Darbe Testi
Darbe testleri bölümümüz Mekanik Araştırmalar laboratuarındaki INSTRON Dynatup 9250HV darbe test cihazı ile yapılmıştır. Yapılan bu testler oda sıcaklığında (20 °C) gerçekleştirilmiş olup vurucu ve üzerindeki kütlenin toplam ağırlığı 6,3 kg’dır. Vurucu uç, yarı küresel ve 12,7 mm çapındadır. Test cihazında bulunan pnömatik çeneler, numunenin tüm kenarlarından sıkı bir şekilde tutmakta ve ortasında çapı 76,2 mm olan dairesel delik bulunmaktadır. 100 mm x 100 mm ebadındaki numuneler delininceye kadar enerji seviyesi artırılarak darbe uygulanmıştır. Enerji seviyesi 10 J den itibaren 10 J artışlarla gerçekleştirilmiş olup saplanma sınırına gelindiğinde darbe enerjisi 5 J arttırılmıştır [6]. Epoksi matriksli kompozit plaklar BE, polyester olanlar ise BP ile simgelenmişlerdir. Farklı reçineler kullanılarak üretilen numunelerdeki darbe hasarları aşağıda incelenmiştir.
BE Numuneleri:
Şekil 2 (a) ve (b)’den görüleceği üzere, darbe enerjisi 39,63 J değerinde BE hasarlı numunesinin darbe yüzeyinde ezilme izi ve iz çevresinde ise matriks kırıklarının oluşumu görülmektedir. Ayrıca, 0° yönünde dağılan matriks çatlakları ve diyagonal yönlerde (± 45°) delaminasyon şeritleri görülebilmektedir. Numune alt yüzeyinde ise 0° takviye doğrultusunda fiber ayrılmaları ve bazı fiberlerin kırıldığı görülmektedir. Fiber kırılmaları, maksimum kuvvete ulaşıldıktan sonra meydana gelmektedir.



Şekil 2 39,63 J darbe enerjisindeki BE kompozitine ait kuvvetçökme eğrisi ve hasarlı numune fotoğrafları, (a) üst yüzey, (b) alt yüzey

Şekil 3 (a) ve (b)’de, 66,81 J değerinde bir darbe enerjisine maruz kalan BE numunesine ait kuvvet-yer değiştirme (çökme) eğrisinde, eğrinin Şekil 2’dekine göre daha da açıldığı ve vurucunun numuneye saplandığı görülmüştür. Darbe enerjisinin saplanma eşiği değerine ulaşmasıyla (66,81 J) plağın alt yüzeyinde fiber kırılmasının bariz bir şekilde arttığı ve son tabakadaki ayrılan fiberlerin genişlediği görülebilmektedir.



Şekil 3 66,81 J darbe enerjisindeki BE kompozitine ait kuvvetçökme eğrisi ve hasarlı numune fotoğrafları, (a) üst yüzey, (b) alt yüzey

BE kompoziti için 71,25 J’lük darbe enerjisi, delinme eşiği olmaktadır. Şekil 4 (a) ve (b)’de görüldüğü gibi, hasarlı plağın kalınlık boyunca tüm fiberleri kırılmıştır. Alt yüzeyde ise son tabakadaki bazı fiberlerin kopma aşamasına geldiği görülmektedir. Kuvvet-yer değiştirme eğrisine bakıldığında, vurucu uç ile kompozit arasında sürtünme meydana geldiği için eğrinin yer değiştirme eksenine neredeyse paralel ilerlediği görülmektedir. Bu paralelliğin başladığı eğri kapatılmalıdır. BE kompozitinin delinme eşiğinde toplam yer değiştirme (çökme) miktarı 14 mm olarak alınabilir.



Şekil 4 71,25 J darbe enerjisindeki BE kompozitine ait kuvvetçökme eğrisi ve hasarlı numune fotoğrafları, (a) üst yüzey, (b) alt yüzey

BP Numuneleri:
39,80 J darbe enerjisi uygulanmış BP hasarlı numunesi incelendiğinde (Şekil 5), BE’deki gibi vurucun temas bölgelerinde ezilme ve ezilme izi çevresinde matriks kırıklarının oluşumu görülebilmektedir. Numune alt yüzeyinde ise 0° takviye doğrultusunda fiber ayrılmaları ve matriks kırılması görülmektedir. Kuvvet-yer değiştirme (çökme) eğrisine bakıldığında kompozitte ilk hasarın 2,2 kN ve ilk fiber kırılmasının da yaklaşık 7 kN değerinde başladığı görülmektedir.



Şekil 5 39,80 J darbe enerjisindeki BP kompozitine ait kuvvet çökme eğrisi ve hasarlı numune fotoğrafları, (a) üst yüzey, (b) alt yüzey

Şekil 6’da, 75,94 J darbe enerjili BP hasarlı numunesine ait kuvvet-çökme ve kuvvet-zaman-enerji grafikleri verilmiştir. Darbe enerjisindeki artış ile kuvvet-çökme eğrisi daha da açılmaktadır. Bu enerji seviyesinde ise vurucunun numuneye saplandığı görülebilmektedir. Temas bölgesi çevresindeki eğilme gerilmesi, plak üst yüzeyinde bası kuvveti oluşturmakta ve bunun sonucunda matriks çatlakları meydana gelmektedir.



Şekil 6 75,94 J darbe enerjisindeki BP kompozitine ait kuvvetçökme eğrisi ve hasarlı numune fotoğrafları, (a) üst yüzey, (b) alt yüzey

79,16 J darbe enerjisinde BP kompoziti için delinme eşiğine ulaşılmıştır (Şekil 7). Bu hasarlı kompozitin kalınlık boyunca tüm fiberleri kırılmıştır. Alt yüzeyde ise son tabakadaki bazı fiberlerin kopma aşamasına geldiği görülmektedir. Kuvvet-yer değiştirme (çökme) eğrisine bakıldığında, kuvvet 18 mm’lik yer değiştirmede sıfır olmaktadır. Ancak, saplanma eşiğine bakıldığında, kalınlık boyunca neredeyse tüm fiberlerin hasar görmesi sonucu vurucu ucun 18 mm’de durduğuna dikkat edilmelidir. Eğri kapatıldığında delinme eşiğinde toplam yer değiştirme (çökme) 14,75 mm olarak bulunmaktadır.



Şekil 7 79,16 J darbe enerjisindeki BP kompozitine ait kuvvetçökme eğrisi ve hasarlı numune fotoğrafları, (a) üst yüzey, (b) alt yüzey

BE ve BP Kompozitlerin Enerji Profil Diyagramı BP ve BE kompozitinin enerji profil diyagramı Şekil 8’de verilmiştir. Diyagramda görüldüğü üzere 10 J, 20 J, 30 J’de
numunelerin absorbe ettiği enerji miktarları neredeyse aynıdır. 40 J’ den itibaren BE daha fazla enerji absorbe etmiştir. Yani BP kompoziti vurucuya daha fazla enerji aktarmıştır. 70 J seviyelerinde BE’de saplanma ve delinme sınır değeri (kısmi delinme) gözlenirken, BP’de ise geri sekme görülmektedir. 76 J seviyesinde BE kompozitinde delinme meydana gelmesine rağmen BP kompozitinde saplanma sınır değerine ulaşılmak üzeredir. BP kompozitinin delinmesi ise 80 J seviyelerinde olmaktadır.



Şekil 8 İki eksenli kompozit numunelerin enerji profil diyagramı

Sonuç:
İki-eksenli/polyester (BP) ve iki-eksenli/epoksi (BE) kompozitlerinin darbe karakteristikleri karşılaştırıldığında aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir:
1. BP ve BE kompozitlerinde 30 J darbe enerjisine kadar absorbe ettikleri enerji miktarları neredeyse aynıdır. 40 J darbe enerjisinden itibaren BE kompoziti daha fazla enerji absorbe etmekte, buna karşın BP kompozitinin saplanma ve delinme sınır değeri daha yüksektir.
2. 60 J darbe enerjisine kadar BE kompoziti üzerinde oluşan kuvvet, BP kompozitine göre ortalama %8 daha fazladır. Ancak BP kompoziti, BE kompozitine göre %13 daha fazla çökmektedir.
3. Uygulanan her bir darbe enerjisi için BP kompozitinde Hertzian hasarı (kuvvet-çökme eğrisindeki ilk kuvvet düşümü) meydana gelirken, BE kompozitinde Hertzian hasarı meydana gelmemiştir.
4. BE kompozitinde oluşan delaminasyon alanı, BP kompozitine göre çok az olmasına rağmen meydana gelen hasarın şiddeti BE kompozitinde daha fazladır.
5. Temas süresi değerleri her iki kompozit için delinme sınır değerine kadar artmakta, delinme durumundan sonra ise düşmektedir.
6. İki eksenli kompozitler için yukarıdaki darbe karakteristikleri göz önüne alındığında kullanılacak yerlerde iki-eksenli/polyester (BP) kompozitin tercih edilmesi daha uygun olacaktır.

Doç. Dr. Numan Behlül Bektaş, Doç. Dr. Hasan Çallıoğlu, Araş. Gör. İnan Ağır
Pamukkale Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü

Kaynaklar
[1] Şenel, M., Kırlı, A. ve Kurşun, A., 2009: Düşük Hızlı Darbe Deney Düzeneği İçin Geri Sekme (Rebound) Frenleme Ve Kontrol Sistemi, Uluslararası İleri Teknolojiler Sempozyumu.
[2] Karaca, D., 2010: Farklı Kalınlık ve Oryantasyon Yüzdelerindeki Tabakalı Kompozit Levhaların Düşük Hızlı Darbe Enerjileri Altında Davranışlarının Deneysel İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
[3] Liu, D., 2004: Characterization of Impact Properties and Damage Process of Glass/Epoxy Composite Laminates, Journal of Composite Materials, 38: 1425-1442.
[4] Sayer, M., Bektaş, N. B., Çallıoğlu, H., 2010: Impact Behaviour of Hybrid Composite Plates, Journal of Applied Polymer Science, 118: 580–587.
[5] Reis, P.N.B., Ferreira, J.A.M., Santos, P., Richardson, M.O.W., Santos, J.B., 2012: Impact response of Kevlar composites with filled epoxy matrix, Composite Structures, 94(12): 3520-3528.
[6] Ağır, İ., 2012: Kıvrımsız Dikişli Cam Elyaf Kumaşlardan Üretilen Kompozit Plakların Darbe Davranışının İncelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Pamukkale Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.