Özet
Sandviç yapılar hafiflik, yüksek eğilme momenti, direngenlik ve yüksek enerji absorblama kapasiteleri gibi özellikleri sebebiyle denizcilik, otomotiv, havacılık, uzay ve savunma sanayinde kullanılmaktadırlar. Sandviç yapılar hafif ara tabaka (core) malzemesi ve daha ince fakat direngen dış kabuk malzemelerden üretilebilmektedir.
Sandviç yapıların yorulma davranışlarının incelenmesi, gelişen uygulama alanları sebebiyle önemli hale gelmiştir.
Bu çalışmada, alüminyum balpeteği ara tabaka ile karbon fiber takviyeli epoksi kompozit kabuk içeren sandviç yapılar geliştirilmiştir. Karbon fiber takviyeli epoksi kompozitler vakum infüzyon metodu ile tek eksenli örgüsüz karbon kumaşların [0o/90o] oryantasyonunda dizilimi ile üretilmişlerdir.
Sandviç yapılar alüminyum balpeteği ara tabaka karbon fiber takviyeli epoksi kompozite bir adhesive yardımıyla lamine edilmiştir. Sandviç yapıların statik eğme davranışları üç nokta eğme testi ile belirlenmiştir.
Bu yapıların yorulma hasar modlarının ve düşük çevrim SN eğrilerinin elde edilmesi amacıyla yorulma testleri uygulanmıştır.
Giriş ve Amaç
Sandviç yapılar; yüksek direngenlik ve mukavemetlerine karşı düşük ağırlıkta olmaları sebebiyle uydu sistemleri, havacılık, denizcilik, otomotiv, rüzgâr enerji sistemleri ve ulaşım gibi geniş uygulama alanlarında kullanım alanı bulmaktadır [1,2].
Sandviç yapılar yüksek elastik modüle sahip kompozit veya metalik ince dış kabukların balpeteği veya köpük formundaki düşük ağırlıklı, nispeten kalın ve gözenekli ara tabakaya kuvvetlice bağlanması ile meydana gelir [3,4].
Yüzey malzemesi eğme yükünü taşıyıp yapıya aşınmaya karşı sert bir dış yüzey sağlarken, hafif ara tabaka malzemesi dış yüklerden kaynaklı kayma gerilmesini taşımaktadır [5].
Geniş kullanım alanlarından ötürü sandviç yapıların yorulma davranışlarının karakterizasyonu önem arz etmektedir. Bu yapıların yorulma yükü altındaki davranışları tam olarak anlaşılmamış olmakla birlikte, litetatürde belli sayıda deneysel çalışmalar mevcuttur.
Boukharouba ve ekibi karbon fiber takviyeli polimerik kompozit dış yüzeyli ve nomex balpeteği ara tabaka içeren sandviç yapıların yorulma davranışını incelemişlerdir. Bahsedilen çalışmada numunelerin yorulma yükü altındaki direngenlik kaybını araştırmışlardır [6].
Belouettar ve ekibi alüminyum dış yüzeyli ve nomex bal peteği ara tabaka içeren sandviç yapıların yorulma davranışını çalışmışlardır. Bu çalışmada geliştirilen yapıların yorulma hasar modlarını ve direngenlik kayıplarını bulmuşlardır [1].
Chemami ve ekibi cam elyaf takviyeli polimerik kompozit dış yüzeyli ve PVC köpük ara tabaka içeren sandviç yapıların yorulma davranışlarını çalışmışlardır. Araştırmacılar bu çalışmalarında bu yapıların yorulma davranışını Wöhler eğrileriyle karakterize etmişlerdir [7].
Coskun ve Turkmen ise karbon fiber takviyeli polimerik kompozit dış yüzeyli ve aramid ara tabaka içeren sandviç yapıların yorulma davranışlarını çalışmışlardır. Çalışmada araştırmacılar testin frekans değerlerindeki değişimin numunelerin yorulma ömürlerine ve direngenlik kayıplarına etkisini incelemişlerdir [8].
Bu çalışmada, karbon fiber takviyeli epoksi dış kabuk / alüminyum balpeteği ara tabaka içeren sandviç yapılar geliştirilmiştir. Geliştirilen sandviç yapıların statik eğme davranışları incelenmiştir. Yapıların eğme yükü altındaki yük-deplasman eğrileri ve hasar modları elde edilmiştir.
Geliştirilen sandviç yapıların farklı yük seviyeli için yorulma davranışları karakterize edilmiştir. Sandviç yapıların düşük çevrim Wöhler (SN) eğrileri ve yorulma hasar modları elde edilmiştir.
Deneysel Çalışmalar
Bu çalışmada,
karbon fiber takviyeli polimer matris kompozit malzeme sandviç yapılar için kabuk malzemesi olarak kullanılmıştır. Tek eksenli karbon kumaşlar takviye elemanı olarak, epoksi reçine ise matris malzemesi olarak kullanılmıştır.
Kompozit kabuk malzemesi vakum infüzyon metodu ile üretilmiştir. Karbon kumaşlar kalıba [0/90] yöneliminde yerleştirilmişlerdir. Her bir dış yüzey dört kat kumaş içermektedir.
Sandviç yapıların ara tabaka malzemesi olarak hegzagonal hücre içerikli balpeteği formunda alüminyum kullanılmıştır. Ara tabaka malzemesinin kalınlığı 21 mm’dir. Sandviç yapıların üretilmesi amacıyla, üretilen kompozit kabuk malzemesi alüminyum balpeteği ara tabaka malzemesi ile bir yapıştırıcı yardımıyla birleştirilmiştir.
Üretilen sandviç paneller oda sıcaklığında 24 saat kürlenmeye bırakılmış ve bu işlemin sonunda paneller 40oC sıcaklıkta 24 saat boyunca post-kürleme işlemine tabi tutulmuştur.
Sandviç yapıların eğme davranışlarını belirlemek amacıyla ASTM C393 standardı uyarınca statik üç nokta eğme testleri yapılmıştır. Eğme test düzeneği Şekil 1’de görülmektedir.
Eğme testleri 6 mm/dakika hızla universal mekanik test cihazında yapılmışlardır. Dört adet numune teste tabi tutulmuş ve numunelere ait yük-deplasman eğrileri elde edilmiştir.
Şekil 1: Sandviç yapılara uygulanan eğme test düzeneği
Yük kontrollü yorulma testleri MTS servo-hidrolik test makinesinin üç nokta eğme fikstürü kullanılarak uygulanmışlardır. Yük oranı (R) olarak 0.1 ve frekans olarak da 2 Hz deney parametreleri olarak seçilmişlerdir.
Yorulma testleri statik üç nokta eğme teslerinden elde edilen sonuçlara göre maksimum eğme mukavemetlerinin %80, %70, %60 ve %50 alınarak yapılmışlardır. Düşük çevrim yorulma davranışları ve yorulma hasar modları karakterize edilmiştir.
Sonuçlar ve Tartışma Statik Eğme Testi Sonuçları
Şekil 2 dört numunenin statik eğme testi sonucunda elde edilen yük-deplasman eğrisini göstermektedir. Yük-deplasman eğrilerinde 3 farklı durum gözlemlenmiştir. Bu durumlar sandviç yapıların hasar modlarını göstermektedir.
Birincil hasarın yük- deplasman eğrilerinin doğrusallığının sona erdiği noktada, ara tabaka bölgesinde gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Bu durumda birincil hasar modu ara tabaka hasarı olarak kabul edilmiştir. İkincil hasar, ara tabaka malzemesi ile kabuk malzemesinin arasında kalan ara yüzey bölgesinde gözlemlenmiştir.
Bu hasar yük-deplasman eğrilerinde görülen ikinci doğrusal bölgede meydana gelmiştir. Son hasar ise kompozit kabuk malzemesinde görülmüş olup karbon fiber takviyeli polimer matris kompozit malzemenin üzerindeki basma gerilmeleri sebebiyle hasara uğradığı tespit edilmiştir.
Kompozit kabuk hasarı oluştuğu anda yük-deplasman eğrilerinde ani bir düşüş görülmüştür. Statik eğme yükü altında gözlemlenen bütün hasar modları Şekil 3’te görülmektedir.
Şekil 2: Sandviç panellerin statik eğme yükü altındaki yük-deplasman eğrileri
Şekil 3: Sandviç yapıların statik eğme testlerinden elde edilen hasar; a) ara tabaka hasarı,
b) ara yüzey hasarı, c) kompozit kabuk hasarı.
Yorulma testleri için kullanılanan yük parametrelerinin değerleri statik eğme testinde elde edilen değerler dikkate alınarak belirlenmiştir.
Yorulma Test Sonuçları
Yorulma testleri dört farklı yük seviyesi (maksimum eğme mukavemetinin %80, %70, %60 ve %50’si) için uygulanmıştır ve her bir yük seviyesi için hasar modları incelenmiştir.
Bunun yanında, geliştirilen sandviç yapıların düşük çevrim SN eğrileri elde edilmiştir. Farklı yük seviyeleri için yorulma hasar modları Şekil 4’te görülmektedir.
Şekil 4: Farklı yük seviyeli için yorulma hasar modları; a)Maksimum eğme yükünün %80’i,
b) Maksimum eğme yükünün %70’i, c) Maksimum eğme yükünün %60’ı, d) Maksimum eğme
yükünün %50’si.
Statik eğme yükü altındaki birincil hasar modu ara tabaka hasarı olmasına karşın, yorulma yükü altında birincil hasar modu %80, %70 ve %60 yük seviyeleri için ara tabaka-kompozit kabuk ara yüzey hasarı olarak gözlemleniştir.
Hasar, %80 ve %70 yük seviyeleri için numunenin uç kısımlarında gözlemlenmişken, %60 yük seviyesi için numunenin orta bölgesinde tespit edilmiştir. Ara yüzey hasarını ara tabaka hasarı takip etmiş ve yorulma yük altında ikincil hasar modu olarak kabul edilmiştir.
%50 yük seviyesi için farklı bir hasar durumu gözlemlenmiştir. %50 yük seviyesinde ara tabaka ve ara tabaka-kompozit kabuk ara yüzeyinde aynı anda hasar gözlenmiştir. Bütün bu hasar durumları Şekil 2’de görülmektedir.
Birincil hasar %80 yük seviyesi için 1100 çevrimde, %70 yük seviyesi için 1800 çevrimde, %60 yük seviyesi için 6500 çevrimde ve %50 yük seviyesi için de 11500 çevrimde meydana gelmiştir. Bu veriler Tablo 1’de görülmektedir. Numunelere ait düşük çevrim SN eğrisi Şekil 5’te verilmiştir.
Tablo 1: Farklı yük seviyeleri için yorulma hasar çevrimleri
Prof. Dr. Metin Tanoğlu -
Makine Mühendisliği - Mühendislik Fakültesi, İzmir Yüksek Teknoloji
Arş. Grv. Mehmet Deniz Güneş - Makine Mühendisliği - Mühendislik Fakültesi, İzmir Yüksek Teknoloji
Arş. Grv. Serkan Kangal - Makine Mühendisliği - Mühendislik Fakültesi, İzmir Yüksek Teknoloji
Mehmet Ziya Okur - Innoma Innovative Materials Inc.
Şekil 5: Sandviç yapıların düşük çevrim SN eğrisi
Kaynaklar
[1] Belouettar S., et. al., Experimental investigation of static and fatigue behaviour of composites honeycomb materials using four
point bending tests, Composite Structures, 2009(87), 265-273
[2] Bezazi A., et. al., Fatigue life prediction of sandwich composite materials under flexural tests using Bayesian trained artificial
neural network, International Journal of Fatigue, 2007(29), 738-747
[3] Yi-Ming J., et. al., Two-stage cumulative bending fatigue behavior for the adhesively bonded aluminum honeycomb sandwich
panels, Materials and Design, 2017(54), 805-813
[4] Abbadi A., et. al., Experimental study on the fatigue behaviour of honeycomb sandwich panels with artificial defects,
Composite Structures, 2015(120), 397-405
[5] Belingardi G., et. al., Fatigue analysis of honeycomb-composite sandwich beams, Composites Part A, 2007(38), 1183-1191
[6] Boukharouba W., et. al., Identification and prediction of cyclic fatigue behavior in sandwich panels, Measurement, 2017(53),
161-170
[7] Chemami A., et. al., Behaviour of composite sandwich foam-laminated glass/epoxy under solicitation static and fatigue,
Composites: Part B, 2012(43), 1178-1184
[8] Coskun O. and Turkmen H.S., Bending fatigue behaviour of laminated sandwich beams, Advanced Materials Research,
2012(445), 548-553
