Multifaceted characterization and optimization of aerospace grade thermoplastic composites joints: Advances in surface treatments, mechanical performance, and environmental resilience
Havacilik ve uzay sinifi termoplastik kompozit bağlantilarin çok yönlü karakterizasyonu ve optimizasyonu: Yüzey işlemleri, mekanik performans ve çevresel koşullarda dayaniklilik alanindaki gelişmeler
- Tez No: 898788
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET YILDIZ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Makine Mühendisliği, Mühendislik Bilimleri, Aeronautical Engineering, Mechanical Engineering, Engineering Sciences
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Sabancı Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Üretim Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Üretim Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, havacılık ve uzay kompozit yapıları için karbon fiber takviyeli polieter-keton-keton (CF/PEKK) kompozit laminatların ve CF/PEKK yapıştırma bağlantılarının mekanik performansını artırmak için tasarlanmış yeni üretim süreçlerine yönelik birbiriyle bağlantılı ve tamamlayıcı dört araştırmadan oluşmaktadır. İlk çalışmada, hem yerinde hem de otoklavda konsolide edilen CF/PEKK laminatlar otomatik fiber yerleştirme (AFP) kullanılarak üretilmiş ve daha sonra mikroyapısal ve termal özellikleri incelenmiştir. Otoklavda konsolide edilen CF/PEKK laminatlar mekanik olarak karakterize edilmiş ve çekme yükleme koşulları altında hasar davranışları incelenmiştir. Akustik emisyon (AE), dijital görüntü korelasyonu (DIC) ve kızılötesi termografi (IRT) dahil olmak üzere çok enstrümanlı yapısal sağlık izleme (SHM) yaklaşımı kullanan bu çalışma, yüksek performanslı termoplastik kompozitlerde (TPC'ler) hasar mekanizmaları ve hasar gelişimi hakkında fikir vermektedir. Sonuçlar, CF/PEKK kompozit yapıların kalan faydalı ömrünü tahmin etmek için değerli bir parametre olan TPC'ler için uygun hasar şiddeti endeksinin belirlenmesine yardımcı olabilir. Mikroyapısal, termal ve mekanik özelliklerin yanı sıra CF/PEKK'nin yapıştırılan malzeme olarak hasar mekanizmaları hakkında kapsamlı bir anlayış geliştirdikten sonra, ikinci çalışma atmosferik plazma aktivasyonunun (APA) yapıştırılan yüzeyler üzerindeki etkinliğini göstermekte ve yapıştırma bağlantıların (ABJ'ler) mekanik davranışını işlem görmemiş (NT), soyma kumaşlı (PP) ve mekanik aşındırılmış (MA) yüzeylerle karşılaştırmaktadır. Çekme ve eğilme yükleri altında tek bindirmeli bağlantıların (SLJ'ler) mekanik performans değerlendirmeleri, APA uygulanmış bağlantıların kesme ve eğilme mukavemetinde kayda değer bir artışla birlikte üstün yük taşıma kapasiteleri sergilediğini ortaya koymaktadır. Kırılma sonrası yüzey analizleri ve yerinde AE izleme, gelişmiş arayüz etkileşimlerini ve APA uygulanmış bağlantılarda kohezif hasara doğru bir geçişi doğrulamaktadır. Üçüncü çalışma, yüzey işlemlerinin CF/PEKK yapıştırma bağlantılarının Mod-I ve Mod-II kırılma tokluğu üzerindeki etkisini değerlendirmekte ve APA işlemi ile önemli performans iyileşmeleri göstermektedir. Elde edilen bulgular, APA uygulanmış numuneler için kırılma tokluğu değerlerinde önemli iyileşmeler olduğunu ve AE analizlerinin daha yavaş delaminasyon ilerlemesi ve kohezif kırılma oluşumu ile ilişkili olduğunu göstermektedir. Son olarak, yapıştırma bağlantıları üzerine yapılan araştırma, çevresel koşulların (yani oda sıcaklığı (RT), yüksek sıcaklık (HT), düşük sıcaklık (LT) ve döngüsel higrotermal (CHT) koşullar) CF/PEKK yapıştırma bağlantılarının mekanik ve termomekanik performansları, dayanıklılığı ve güvenilirliği üzerindeki etkisi araştırılarak daha da genişletilmiştir. Bu yaklaşım, çeşitli hizmet koşullarını simüle ederek gerçek havacılık uygulamalarında havacılık sınıfı kompozit yapıların performansının daha iyi anlaşılmasını sağlar. Sonuçlar, çevresel koşulların kırılma tokluğunu ve dinamik-mekanik davranışları önemli ölçüde değiştirdiğini göstermekte, böylece havacılık ve uzay yapısal tasarımında çevresel faktörlerin dikkate alınmasının önemini vurgulamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis is composed of four interconnected and complementary investigations into novel manufacturing processes designed to enhance the mechanical performance of carbon fiber-reinforced polyether-ketone-ketone (CF/PEKK) composite laminates and adhesively bonded CF/PEKK joints for aerospace composite structures. The first study, CF/PEKK laminates consolidated both in-situ and in an autoclave are produced by using automated fiber placement (AFP) and then investigated microstructural and thermal properties. Autoclave-consolidated CF/PEKK laminates are mechanically characterized and examined their damage behavior under tensile loading conditions. Using a multi-instrument structural health monitoring (SHM) approach, including acoustic emission (AE), digital image correlation (DIC), and infrared thermography (IRT), this study provides insights into failure mechanisms and damage progression in high-performance thermoplastic composites (TPCs). The results can help identify the appropriate damage severity index for TPCs, a valuable parameter for estimating the remaining useful life of CF/PEKK composite structures. After developing a comprehensive understanding of microstructural, thermal, and mechanical properties, as well as the failure mechanisms of CF/PEKK as an adherend, the second study demonstrates the effectiveness of atmospheric plasma activation (APA) on adherend surfaces and compares the mechanical behavior of adhesively bonded joints (ABJs) with those on non-treated (NT), peel-ply (PP), and mechanical abrasion (MA) surfaces. Mechanical performance assessments of single lap-joints (SLJs) under tensile and flexural loadings reveal that APA-treated joints exhibit superior load-carrying capacities, with a notable increase in shear and flexural strength. Post-fracture surface analyses and in-situ AE monitoring confirm enhanced interface interactions and a shift towards cohesive failure in APA-treated joints. The third study assesses the impact of surface treatments on Mode-I and Mode-II fracture toughness of adhesively bonded CF/PEKK joints, showing significant performance enhancements with APA treatment. The findings indicate substantial improvements in fracture toughness values for APA-treated samples, with AE analyses correlating with slower delamination and occurrence of cohesive failure. Lastly, the research on adhesively bonded joints is further extended by investigating the influence of environmental conditions (i.e., room temperature (RT), high temperature (HT), low temperature (LT), and cycling hygrothermal (CHT) conditions) on the mechanical and thermomechanical performances, durability, and reliability of adhesively bonded CF/PEKK joints. This approach enables a better understanding of the performance of aerospace-grade composite structures in real-world aerospace applications by simulating various service conditions. The results indicate that environmental conditions significantly alter fracture toughness and dynamic-mechanical behaviors, thus highlighting the importance of considering environmental factors in aerospace structural design.
Benzer Tezler
- Bir insansız hava aracına ait kompozit kanadın tasarımı ve yapısal optimizasyonu
Design and structural optimisation of an UAV composite wing
MUHAMMED ATIF YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiSavunma Teknolojileri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ALAEDDİN BURAK İREZ
- Frekans seçici yüzeyler (FSY) ile duyarlılığı iyileştirilmiş mikroşerit yama antenli hibrit yakın alan glikoz tespit sensörü tasarımı
Design of a hybrid near-field glucose sensing sensor based on a microstrip patch antenna with sensitivity enhancement using frequency selective surfaces (FSS)
UMUT KÖSE
Doktora
Türkçe
2026
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT KARTAL
- Radyasyon zırhlama uygulamaları için tellür bazlı yüksek yoğunluklu camların üretimi ve çok yönlü karakterizasyonu
Fabrication and multifaceted characterisation of high density tellur based glasses for radiation protection applications
MÜZEYYEN GÖKÇE ERDOĞAN SÜTLAŞ
Doktora
Türkçe
2025
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAKİ AKKUŞ
PROF. DR. HÜSEYİN OZAN TEKİN
- Development of pedot: PSS based thermoelectric textiles
Pedot: PSS bazlı termoelektrik tekstillerin geliştirilmesi
BAHAR ŞÖLEN AKDEMİR
Doktora
İngilizce
2025
Mühendislik BilimleriGebze Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı (disiplinlerarası)
PROF. DR. AHMET YAVUZ ORAL
DOÇ. DR. NURAY KIZILDAĞ
- Lityum tabanlı pillerin katot malzemelerinin elektronik yapı hesabı
Electronic structure calculation of cathode materials of lithium based batteries
EDA USLU
Doktora
Türkçe
2026
EnerjiMersin ÜniversitesiNanoteknoloji ve İleri Malzemeler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERAT