Havacılık ve uzay uygulamaları için saydam, çizilmeye dayanıklı ve antistatik kaplamaların geliştirilmesi
Development of transparent, scratch-resistant and antistatic coatings for aerospace applications
- Tez No: 986161
- Danışmanlar: PROF. DR. HÜLYA YAVUZ ERSAN, DOÇ. DR. BİLGE BAYTEKİN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Kimya Mühendisliği, Savunma ve Savunma Teknolojileri, Polymer Science and Technology, Chemical Engineering, Defense and Defense Technologies
- Anahtar Kelimeler: Askeri havacılık, Elektromanyetik ekranlama, Elektrostatik deşarj, Hidrofobik kaplamalar, Mıknatıssal saçtırma, Organik kaplamalar, Sol-jel yöntemi, Yüzey aşınması, Yüzey kaplama yöntemleri, Military aviation, Electromagnetic shielding, Electrostatic discharge, Hydrophobic coatings, Magnetron sputtering, Organic coating, Sol-gel method, Surface wear, Surface coating methods
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Hacettepe Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Havacılıkta çeşitli uygulama alanlarında, özellikle kokpit ve kabin içinde saydamlık gereken bölgelerde, polikarbonat veya akrilik gibi saydam polimerler kullanılır. Bu polimerler yapısal olarak dayanıklı olsalar da çizilmeye ve aşınmaya karşı dayanıklı değildir. Bu sebeple, çizilmelere, aşınmaya ve çevresel etkilere karşı dayanabilmesi için koruyucu kaplamalar ile kaplanmaları gerekmektedir. İlerleyen teknoloji ile havacılık alanındaki gereksinimler de hızla artmaktadır. Bu sebeple kaplamaların sadece koruyucu olması yeterli gelmemekte, aynı zamanda çok işlevli (multifonksiyonel) olması da beklenmektedir. Polikarbonat ve akrilik gibi saydam yüzeylerde fonksiyonel özellikler sağlanırken optik özelliklerin korunması kritik öneme sahiptir. Özellikle birden fazla fonksiyonel özelliğin aynı anda kazandırılması hedeflendiğinde, kaplamaların optik kayıp yaratmadan bu işlevleri yerine getirmesi önemli bir zorluk oluşturmaktadır. Bu çalışma, polikarbonat (PC) yüzeylerde hidrofobiklik, elektrostatik deşarj ve elektromanyetik kalkanlama gibi işlevleri bir arada sunan, aynı zamanda aşınma direnci, termal dayanımı ve optik geçirgenliği yüksek, multifonksiyonel kaplamaların geliştirilmesini hedeflemektedir. Bu fonksiyonların kazanılması için çok katmanlı (multilayer) bir kaplama yapısı kullanılmıştır. Öncelikle polikarbonat yüzeyi manyetik biriktirme yöntemi ile şeffaf iletken oksit (transparent conductive oxide – TCO) ve metal ince film ile kaplanmıştır. İnce film kaplamalar çinko kalay oksit (ZTO) ve gümüş (Ag) kullanılarak sandviç yapısı şeklinde ZTO/Ag/ZTO (ZAZ) sıralaması ile uygulanmıştır. İnce film kaplamaların yüksek elektriksel iletkenliği sayesinde elektromanyetik kalkanlama sağlanmıştır. Ayrıca bu katman elektrostatik deşarj mekanizması için kritiktir. Bu ince film yapısı üzerine ise saydam, hidrofobik ve aşınmaya dirençli polisiloksan kaplamalar sol-jel reaksiyonu ile üretilerek akış kaplama ile kaplanmıştır. Polisiloksan kaplamanın geliştirilmesinde TEOS (tetraetil ortosilikat), GPTMS (glisidiloksipropil trimetoksisilan) ve C12 alkil zincirleri ile modifiye edilmiş Amino-POSS (polihedral oligomerik silseskioksan) kullanılmıştır. Geliştirilen kaplamaların herhangi bir optik geçirgenlik kaybına sebep olmadığı gözlemlenmiştir. Kaplamaların aşınma direnci, sertliği ve çizilme direnci Taber aşınma testi, nanoindentasyon testi ve kalem sertlik cihazı ile ölçülmüştür. Kaplamalarda 1.30 GPa sertlik ve 6H kalem sertliği sağlanarak, 1,000 döngü Taber testi sonrasında yalnızca %0.39 pusluluk artışı gözlemlenmiştir. Kaplamalarda 112°'lik temas açısı elde edilmiştir. Böylece flor içeren katkı maddelerine ihtiyaç duyulmadan hidrofobiklik sağlanmıştır. Termogravimetrik analizler, kaplamaların 430°C'ye kadar termal stabiliteye sahip olduğunu göstermektedir. ZTO/Ag/ZTO kaplamaların 8 GHz – 12 GHz aralığında elektromanyetik girişimi %99'dan daha yüksek oranda engellediği görülmüştür. Ayrıca polisiloksan kaplamaların bu frekans aralığında herhangi bir yansıma veya absorplama yapmadığı görülmüştür. ITO nanopartikül, karbon nanotüp ve imidazolyum tuzu katkılaması ile iletkenliğin arttırılması sağlanmıştır, 107 ohm/sqr yüzey direnci elde edilmiştir. Kaplamaların iletkenlik artışı ile statik yük dağıtma yeteneklerinin arttığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, iletken film üzerinde yapılan antistatik kaplamaların, polikarbonat üzerinde yapılan antistatik kaplamalara kıyasla, yüzey dirençleri aynı olmasına rağmen, daha fazla statik yük dağıtabildiği görülmüştür. MIL-STD-810G standardı ile yapılan çevresel testler sonucunda kaplamaların yüksek sıcaklık, düşük sıcaklık, donma/çözülme, nemlilik ve sıvı kontaminasyonu gibi zorlu ortam koşullarına karşı dayanıklılığı doğrulanmıştır. Testler sırasında kaplamalarda yapısal bütünlük korunmuş, optik geçirgenlik ve yüzey özelliklerinde anlamlı bir bozulma gözlenmemiştir. Bu bulgular, kaplamaların havacılıkta uzun süreli kullanım için yeterli performans ve güvenilirlik sunduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Transparent polymers such as polycarbonate or acrylic are widely used in various aerospace applications, especially in areas within the cockpit and cabin where transparency is essential. Although these polymers provide structural durability, they lack sufficient resistance against scratching and wear. Therefore, to protect them from scratches, abrasion, and environmental effects, protective coatings are required. The demands in aerospace applications are rapidly increasing with advancing technology. Thus, it is no longer sufficient for coatings to merely provide protection; multifunctionality is also expected. While imparting functional properties to transparent surfaces like polycarbonate and acrylic, maintaining optical characteristics is critically important. Especially when multiple functional properties are targeted simultaneously, achieving these functions without optical losses presents a significant challenge. This study aims to develop multifunctional coatings on polycarbonate (PC) surfaces that provide hydrophobicity, electrostatic discharge (ESD), and electromagnetic interference (EMI) shielding, while also exhibiting high abrasion resistance, thermal stability, and optical transparency. A multilayer coating structure was employed to achieve these functionalities. Initially, the polycarbonate surface was coated with transparent conductive oxide (TCO) and metal thin films via magnetic sputtering. Thin film coatings were applied in a sandwich structure using zinc tin oxide (ZTO) and silver (Ag) in the order ZTO/Ag/ZTO (ZAZ). The high electrical conductivity of the thin films enabled effective electromagnetic shielding, and this layer was critical for electrostatic discharge mechanisms. On top of this thin film structure, transparent, hydrophobic, and abrasion-resistant polysiloxane coatings were produced through a sol-gel process and applied by flow coating. The development of the polysiloxane coating involved tetraethyl orthosilicate (TEOS), glycidyloxypropyl trimethoxysilane (GPTMS), and amino-functionalized polyhedral oligomeric silsesquioxane (Amino-POSS) modified with C12 alkyl chains. It was observed that the developed coatings did not cause any loss in optical transmittance. Abrasion resistance, hardness, and scratch resistance were measured by Taber abrasion test, nanoindentation, and pencil hardness tests. The coatings demonstrated a hardness of 1.30 GPa and a pencil hardness of 6H, with only a 0.39% increase in haze after 1,000 cycles of the Taber test. A contact angle of 112° was achieved, providing hydrophobicity without the need for fluorinated additives. Thermogravimetric analyses showed that the coatings are thermally stable up to 430°C. ZTO/Ag/ZTO coatings were found to block electromagnetic interference in the 8 GHz – 12 GHz frequency range by more than 99%. Additionally, the polysiloxane coatings did not exhibit any reflection or absorption within this frequency range. Conductivity enhancement was achieved by doping with ITO nanoparticles, carbon nanotubes, and imidazolium salts and 107 ohm/sqr surface resistance was achieved. An increase in electrical conductivity resulted in improved static charge dissipation capabilities. Furthermore, antistatic coatings applied on conductive films showed greater static charge dissipation than those applied directly on polycarbonate, despite similar surface resistances. Environmental tests conducted according to the MIL-STD-810G standard confirmed the coatings' durability against harsh conditions such as high temperature, low temperature, freeze/thaw cycles, humidity, and fluid contamination. Throughout the tests, structural integrity was maintained, and no significant degradation was observed in optical transmittance or surface properties. These results demonstrate that the coatings provide sufficient performance and reliability for long-term aerospace applications.
Benzer Tezler
- Synthesis of poly (Methyl methacrylate) reinforced by multi-walled carbon nanotubes and magnetite nanofillers
Mwcnt ve magnetit nanodolgular ile güçlendirilmiş poli (Metil metakrilat) sentezi
ECEM ERMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Reaktif spark plazma yöntemi ile kalsiyum karbonat katkılı alüminyum oksinitrürün üretimi, karakterizasyonu ve özellikleri
Production, characterization and properties of CaCO3 doped AlON with reactive spark plasma sintering
SAMET KAYA
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FİLİZ ŞAHİN
- Havacılık ve uzay uygulamaları için antenler ve metamalzemeler
Antennas and metamaterials for aerospace applications
SERAP KİRİŞ TARHAN
Doktora
Türkçe
2024
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİskenderun Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHARREM KARAASLAN
- Havacılık ve uzay uygulamaları için yüksek entropili alaşımların tasarımı, üretimi, karakterizasyonu ve mikro yer çekimli ortamda davranışlarının incelenmesi
Design, production, characterization, and study of behavior in a microgravity environment of high entropy alloys for aerospace and space applications
ÖMÜR CAN ODABAŞ
Doktora
Türkçe
2025
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ONURALP YÜCEL
DOÇ. DR. HAVVA KAZDAL ZEYTİN
- Synthesis and characterization of polyaniline dopedcarbon based nanocomposite materials for aerospaceapplication
Havacılık ve uzay uygulamaları için polianilin katkılıkarbon esaslı kompozit malzemelerin sentezi vekarakterizasyonu
MURAT ÖZLEK
Doktora
İngilizce
2026
Mühendislik BilimleriOndokuz Mayıs ÜniversitesiNanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ENGİN BURGAZ