Ablation behavior and mechanical characterization of 2.5D needle-punched high silica–phenolic composites compared with laminated structures
Lamine yapılarla karşılaştırmalı olarak 2.5B iğneleme yöntemiyle üretilmiş yüksek silika–fenolik kompozitlerin ablasyon davranışı ve mekanik karakterizasyonu
- Tez No: 992957
- Danışmanlar: DOÇ. DR. SEHER EKEN, DR. CEYHUN TOLA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Havacılık ve Uzay Mühendisliği, Aeronautical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Ablasyon, Ablation
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yüksek sıcaklık akısı ve oksitleyici/reaktif ortam koşullarına maruz kalan malzemelerde, hem iç bölgede hem de yüzeyde eş zamanlı fizikokimyasal süreçler meydana gelir. Malzeme içerisinde sıcaklığa bağlı ayrışma (piroliz), faz dönüşümleri ve uçucu ürün oluşumu gibi reaksiyonlar gelişirken; yüzeyde oksidasyon, süblimleşme/termal bozunma ve akış kaynaklı erozyon gibi mekanizmalar etkinleşir. Bu süreçlerin birleşik etkisi, malzemenin hem iç yapısında hem de yüzeyinde kütle ve hacim kaybına yol açar. Ablasyon olarak adlandırılan bu olgu, özellikle yüksek ısı akısı altında çalışan termal koruma sistemlerinde malzeme geri çekilmesi ve kütle kaybı ile karakterize edilir. Bu mekanizmalarla kontrollü şekilde malzeme tüketerek ısı yükünü sönümleyen malzemeler ise ablasyon malzemeleri olarak tanımlanır. Geçmişte, yüksek sıcaklık ortamlarında kullanılan ısı yalıtım malzemeleri büyük ölçüde monolitik seramikler, refrakter metaller ve tek fazlı ısıya dayanıklı kaplamalar gibi çözümlere dayanıyordu; ancak günümüzde, ısı yükünü yönetmek ve yapısal gereksinimleri karşılamak için aşındırıcı kompozit malzemeler yaygın olarak tercih edilmektedir. Kompozit malzemeler, takviye fazının (elyaf/dokuma yapılar) ve matris fazının birlikte çalışabilirliği sayesinde çeşitli avantajlar sunmaktadır. Bu avantajlar arasında düşük yoğunlukta yüksek özgül mukavemet, kontrollü ayrışma (piroliz) yoluyla ısı emilimi, yüzeyde kömürleşmiş bir tabaka oluşumu nedeniyle ısı iletiminin azalması ve belirli mekanizmalar yoluyla hasarın yönetilebilmesi yer almaktadır. Bu nedenle, modern ısı yalıtım sistemlerinde, özellikle fenolik bazlı ve tekstil takviyeli kompozitler olmak üzere aşındırıcı kompozitler, geleneksel monolitik çözümlere kıyasla daha yüksek performans-ağırlık oranı ve daha etkili ısı yalıtımı sağlayan bir yaklaşım olarak öne çıkmaktadır. Bununla birlikte, ablative kompozitlerde yaygın olarak kullanılan lamine kompozit yapılarda, yüksek sıcaklık altında matrisin pirolizi sonucunda oluşan uçucu ürünler ve gaz fazı, malzeme içinden kalınlık doğrultusunda (z-yönünde) yüzeye taşınır. Gazların yüzeyden çıkışı sırasında meydana gelen iç basınç, mikro boşlukların büyümesi ve ara yüzeylerde gerilme birikimi, tabakalar arası bağın zayıflamasına yol açabilir. Ayrıca, gaz çıkışının neden olduğu yerel malzeme kaybı ile yüzeyde oluşan mekanik aşınma/erozyon, tabaka sınırlarında hasarın ilerlemesini hızlandırarak delaminasyon eğilimini artırır. Bu nedenle, ablasyon yükleri altında yalnızca düzlem içi özelliklerin değil, aynı zamanda düzlem dışı (z-yönü) dayanım ve tokluk kapasitesinin de artırılması kritik öneme sahiptir. Bu gereksinim, lamine yapılara kıyasla z-yönünde takviye sağlayabilen mimarilerin (örn. İki buçuk boyutlu (2.5B) needle-punched / üç boyutlu (3B) tekstil takviyeli yapılar) tercih edilmesinin başlıca nedenlerinden biridir. Bu gereksinimler doğrultusunda, lamine ablative kompozitlerin z-yönünde delaminasyonunu azaltmak ve yük taşıma/bağlanma kapasitesini artırmak kritik bir tasarım hedefi haline gelmiştir. Yüksek silika esaslı tekstil takviyeler, yüksek sıcaklıklarda ısıl kararlılıkları ve özellikle düşük ısıl iletkenlikleri sayesinde ısı transferini sınırlayarak yalıtım performansını destekler; buna karşılık fenolik reçine, yüksek ısı akısı altında piroliz yoluyla endotermik enerji tüketir ve yüzeyde oluşan char tabakası sayesinde ısıl bariyer etkisini güçlendirir. Bununla birlikte, klasik lamine mimaride piroliz gazlarının kalınlık doğrultusunda taşınımı sırasında oluşan iç basınçlar ve ara yüzey gerilmeleri, tabakalar arası bağın zayıf olması nedeniyle tabaka tabaka ayrılmayı ve delaminasyonu tetikleyebilir. Bu durum, özellikle uzay ve havacılıkta yeniden giriş gibi aşırı ısı yüklerinin söz konusu olduğu termal koruma sistemi uygulamalarında performansı sınırlayan başlıca hasar mekanizmalarından biridir. Bu noktada, iğneleme tekniği tekstil mühendisliği temelli bir mimari iyileştirme aracı olarak öne çıkmaktadır. İğneleme işlemi, yüksek silika kumaş katmanlarını silika keçe yapılarıyla kalınlık doğrultusunda mekanik olarak“kilitleyerek”kalınlık yönünde fiber köprüleme oluşturur; böylece tabakalar arası tokluk ve yük aktarımı artarken delaminasyonun ilerlemesi baskılanır. Ayrıca, keçe benzeri gözenekli tekstil katmanları, gaz çıkışı ve char oluşumu sırasında daha kararlı bir yüzey morfolojisi ve daha homojen hasar gelişimi sağlayarak ablasyon davranışının öngörülebilirliğini artırabilir. Dolayısıyla, yüksek silika tekstil takviyesi ile fenolik matris kombinasyonunun sağladığı termal koruma avantajları korunurken, iğneleme ile elde edilen z-yönlü bağlanma sayesinde mekanik bütünlük ve delaminasyon direnci eş zamanlı olarak iyileştirilebilir. Bu çalışma, iğneleme tekniği ve silika keçe yapısı kullanarak yüksek silika–fenolik ablative kompozitlerde delaminasyonu önlemeyi amaçlamaktadır. Yüksek silika lif takviyeli fenolik kompozitlerde, geleneksel lamine ve needle-punched konfigürasyonlar hem mekanik tepki hem de torch-ablasyon davranışı açısından deneysel olarak incelenmiştir. Farklı kumaş/keçe tabaka oranlarına ve yaklaşık aynı fiber hacim oranlarına sahip yüksek silika kumaş–keçe preformları laboratuvar tipi bir needle-punch düzeneği ile üretilmiş; vakum destekli reçine transfer kalıplama yöntemiyle fenolik reçine emdirilmiş ve sıcak pres ile konsolide edilmiştir. Her bir konfigürasyon için çekme, kısa kiriş kayma ve üç nokta eğme testleri uygulanmış; ayrıca oksi–propan torch testleri kullanılarak lineer ve kütlesel ablasyon hızları belirlenmiştir. İğneleme uygulanmış konfigürasyonlar, referans lamine yapıya kıyasla çekme dayanımında %25–60 ve eğilme dayanımında yaklaşık %25 oranında azalma göstermiştir; buna karşın kısa kiriş testleri, kalınlık doğrultusundaki daha etkin lif köprüleme nedeniyle tabakalar arası kayma dayanımında %40–50 artış olduğunu ortaya koymuştur. İğneleme uygulanmayan silika kumaş–silika keçe düzenlemesi ise, nispeten yüksek bir tabakalar arası kayma kapasitesini korurken referans laminata göre çekme ve eğilme dayanımında yalnızca sınırlı bir düşüş sergilemiştir. Bu bulgu, maksimum delaminasyon direncinden ziyade proses dayanıklılığı ve maliyetin önceliklendirildiği durumlarda, daha basit ve üretimi daha kolay olan bu yapının uygulanabilir bir alternatif olabileceğini göstermektedir. Ablasyon deneyleri, lamineyapının en yüksek lineer ablasyon hızına sahip olduğunu ve en belirgin tabaka tabaka ayrılmayı sergilediğini göstermiştir. Lamine referansla karşılaştırıldığında, dengeli bir kumaş/keçe istif düzenine ve yaklaşık %60–65 lif hacim oranına sahip optimize edilmiş iğneleme uygulanmış bir konfigürasyon; çekme ve eğilme performansını benzer seviyelerde korurken kütlesel ablasyon hızını yaklaşık %40–50, lineer ablasyon hızını ise yaklaşık %90 oranında azaltmıştır. Test sonrası analizlere göre, iğneleme uygulanmış kompozitler şiddetli ısı yüklemesi altında delaminasyonu belirgin ölçüde azaltmış ve daha kararlı bir char tabakası oluşumu sağlamıştır. Sonuç olarak, mimarisi ve proses parametreleri optimize edilen iğneleme uygulanmış yüksek silika/fenolik kompozitlerin, referans lamine yapılara kıyasla delaminasyon eğilimini belirgin biçimde azalttığı ve ablasyon davranışını iyileştirdiği; buna karşın çekme ve eğilme dayanımı gibi kritik mekanik performans metriklerinde kabul edilebilir seviyeleri koruduğu belirlenmiştir. Elde edilen bulgular, söz konusu yapıların uzay ve havacılık uygulamalarında, özellikle yüksek ısı akısı altında çalışan termal koruma sistemi bileşenleri için uygulanabilir ve güçlü adaylar olduğunu göstermektedir.
Özet (Çeviri)
The simultaneous physicochemical processes occur both internally and on the surface in materials exposed to high temperature flux and oxidizing/reactive environmental conditions. While temperature dependent decomposition (pyrolysis), phase transformations, and volatile product formation occur within the material, mechanisms such as oxidation, sublimation/thermal decomposition, and flow-induced erosion are activated on the surface. The combined effect of these processes leads to mass and volume loss in both the internal structure and surface of the material. This phenomenon, called ablation, is characterized by material recession and mass loss, especially in thermal protection systems operating under high heat flux. Materials that dissipate heat load by consuming material in a controlled manner through these mechanisms are defined as ablative materials. In the past, thermal protection materials used in high-temperature environments largely relied on solutions such as monolithic ceramics, refractory metals, and single-phase heat-resistant coatings; however, today, ablative composite materials are widely preferred to simultaneously manage heat load and meet structural requirements. Composite materials offer several advantages thanks to the compatibility of the reinforcement phase (fiber/woven structures) and the matrix phase. These advantages include high specific strength at low density, heat absorption through controlled decomposition (pyrolysis), reduced heat conduction due to the formation of a charred layer on the surface, and the ability to manage damage through specific mechanisms. Therefore, in modern thermal protection systems, ablative composites, especially phenolic-based and textile-reinforced composites, stand out as an approach that provides a higher performance-to-weight ratio and more effective thermal protection compared to traditional monolithic solutions. However, in laminated composite structures commonly used in ablative composites, volatile products and gas phases formed because of matrix pyrolysis under high temperatures are transported from the material to the surface along the thickness direction (z-direction). The internal pressure created during the escape of gases from the surface, the growth of microvoids, and stress accumulation at the interfaces can lead to weakening of the interlayer bond. In addition, local material loss and mechanical ablation/erosion on the surface caused by gas escape accelerated damage propagation at layer boundaries, increasing the tendency for delamination. Therefore, it is critical to increase not only the in-plane properties but also the out-of-plane (z-direction) strength and toughness under ablation loads. This need is one of the main reasons why architecture capable of providing reinforcement in the z-direction (e.g., two and a half dimensional (2.5D) needle-punched/three-dimensional (3D) textile-reinforced structures) are preferred over laminated structures. In line with these requirements, reducing delamination and increasing the load-carrying/bonding capacity in the z-direction (thickness direction) of laminated ablative composites has become a critical design objective. High-silica textile reinforcements support insulation performance by limiting heat transfer due to their thermal stability at high temperatures and especially their low thermal conductivity; conversely, phenolic resin consumes endothermic energy through pyrolysis under high heat flux and strengthens the thermal barrier effect thanks to the char layer formed on the surface. However, in classical laminated architecture, internal pressures and interfacial stress generated during the transport of pyrolysis gases in the thickness direction can trigger ply-by-ply separation and delamination due to weak interlayer bonding; this is one of the main damage mechanisms limiting performance, especially in thermal protection system applications where extreme heat loads such as re-entry are encountered in aerospace. At this point, needle-punch technique stands out as an architectural improvement tool based on textile engineering. Needle punching creates through-thickness fiber bridging by mechanically“locking”high silica fabric layers with silica felt structures along the thickness line; thus, interlayer toughness and load transfer are increased while delamination progression is suppressed. In addition, felt-like porous textile layers can improve the predictability of ablation behavior by providing a more stable surface morphology and more homogeneous damage development during gas release and char formation. Therefore, while maintaining the thermal protection advantages provided by the combination of high silica textile reinforcement and phenolic matrix, mechanical integrity and delamination resistance can be simultaneously improved thanks to the z-directional coupling achieved by needle punching. This study aims to prevent delamination in high-silica phenolic ablative composites using needle-punch technique and silica felt structure. In high-silica fiber-reinforced phenolic composites, conventional laminated and needle-punched configurations were experimentally investigated in terms of both mechanical response and torch-ablation behavior. High-silica fabric-felt preforms with different fabric/felt layer ratios and approximately the same fiber volume ratios were produced using a laboratory-type needle-punch setup; impregnated with phenolic resin by vacuum-assisted resin transfer molding and consolidated by hot pressing. Tensile, short beam shear, and three-point bending tests were applied for each configuration; in addition, linear and bulk ablation rates were determined using oxy-propane torch tests. Needle-punched configurations demonstrated a 25–60% reduction in tensile strength and roughly a 25% reduction in flexural strength when compared to the reference laminated structure; however, short beam tests revealed a 40–50% increase in interlaminar shear strength because of better fiber bridging in the thickness direction. While retaining a comparatively high interlayer shear capacity, the silica fabric–silica felt arrangement without needle-punch application only slightly reduced tensile and flexural strength when compared to the reference laminate. This suggests that in situations where process durability and cost are more important than maximum delamination resistance, this more straightforward and easier to manufacture structure might be a viable substitute. Ablation experiments showed that the layered construction had the highest linear ablation rate and the most noticeable layer-by-layer separation. In comparison to the laminated reference, an optimized needle-punched configuration with a balanced fabric/felt stack arrangement and roughly 60–65% fiber volume ratio decreased the bulk ablation rate by about 40–50% and the linear ablation rate by about 90% while maintaining comparable levels of tensile and bending performance. According to post-test analysis, needle-punched composites considerably decreased delamination and produced a more stable char layer under intense heat loading. In conclusion, it was determined that needle-punched high-silica/phenolic composites, with optimized architecture and process parameters, significantly reduced delamination tendency and improved ablation behavior compared to reference laminated structures; however, they maintained acceptable levels in key mechanical performance metrics such as tensile/flexural strength. These findings indicate that these structures are viable and strong candidates for aerospace applications, particularly for thermal protection system components operating under high heat flux.
Benzer Tezler
- Laser-metal etkileşiminde sıcaklık ve basınç değişimlerinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
ABDURRAHİM BÖLÜKBAŞI
Yüksek Lisans
Türkçe
1988
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. BEKİR SAMİ YILBAŞ
- Taşıtlarda aerodinamik direnç katsayısının taşıt parametreleri ile korelasyonu
Analysis and design of automobile forebodies using potantial flow teory and a boundary layer seperation criterion
VEDAT PEKER
- Pendik-Gözdağ kuvarsit işletmeleri ve civarının mühendislik jeolojisi ve işletmeye etki eden faktörler
Engineering geology of the Pendik-Gözdağ open pits and arounds and parameters affect on the pits
SALİH YÜKSEK
Yüksek Lisans
Türkçe
1990
Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. ERDOĞAN YÜZER
