denizcilikte kullanılan grp / pvc sandviç yapıların kırılma tokluğuna

Transkript

DOKUZ EYLÜL ÜN VERS TES
FEN B L MLER ENST TÜSÜ
DEN ZC L KTE KULLANILAN GRP / PVC
SANDV Ç YAPILARIN KIRILMA TOKLU UNA
ÇEVREN N ETK S
Cemal KOÇHAN
Haziran, 2008
ZM R
DEN ZC L KTE KULLANILAN GRP / PVC
SANDV Ç YAPILARIN KIRILMA TOKLU UNA
ÇEVREN N ETK S
Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Yüksek Lisans Tezi
Makine Mühendisli3i Bölümü, Konstrüksiyon - malat Anabilim Dal7
Cemal KOÇHAN
Haziran, 2008
ZM R
YÜKSEK L SANS TEZ SINAV SONUÇ FORMU
CEMAL KOÇHAN, taraf ndan YRD. DOÇ. DR. Ç ÇEK ÖZES yönetiminde
haz rlanan
“DEN ZC L KTE
KULLANILAN
GRP/PVC
SANDV Ç
YAPILARIN KIRILMA TOKLU UNA ÇEVREN N ETK S ” ba l kl tez
taraf m zdan okunmu , kapsam ve niteli i aç s ndan bir Yüksek Lisans tezi olarak
kabul edilmi tir.
______________________________
______________________________
Yönetici
______________________________
______________________________
______________________________
______________________________
Jüri Üyesi
Jüri Üyesi
________________________
Prof. Dr. Cahit HELVACI
Müdür
Fen Bilimleri Enstitüsü
ii
TE=EKKÜR
Yüksek lisans ö renimim süresince bilgi ve deneyimi ile bana yol gösteren
dan man m Yrd. Doç. Dr. Çiçek ÖZES’ e ve ikinci dan man m, Dokuz Eylül
Üniversitesi Deniz Bilimleri ve Teknolojisi Enstitüsü Gemi 8n aat Anabilim dal
ö retim üyesi Doç. Dr. Gökdeniz NE:ER’ e te ekkür ederim.
Ayr ca deney numunelerinin TACAR Teknecilik’ de üretim a amas nda
gösterdikleri samimiyet ve yard m severliklerinden ötürü ba ta Mehmet Emin
TACAR olmak üzere, TACAR ailesine ve çal anlar na te ekkür ederim.
Son olarak ellerindeki imkanlar özverili ekilde kullan p tüm hayat m boyunca
beni destekleyen; babama, anneme ve biricik karde ime çok te ekkür ederim.
Cemal KOÇHAN
iii
DEN ZC L KTE KULLANILAN GRP / PVC SANDV Ç YAPILARIN
KIRILMA TOKLU UNA ÇEVREN N ETK S
ÖZ
Bu tezde denizcilikte kullan lan PVC/GRP sandviç kompozitlerin k r lma
toklu una çevrenin etkisi deneysel olarak incelenmi
ve deneysel çal may
do rulamak için bir paket program ile sonlu elemanlar yöntemi analizi yap lm t r.
8lk olarak on adet PVC (Poly Vinly Chloride) çekirdek ve GRP (Cam Takviyeli
Plastik) yüzey malzemesinden olu an sandviç numuneler el yat rmas metodu ile
üretilmi tir. Daha sonra be adet numune, çekirdek malzemesinin yan yüzeyleri
epoksi ile boyan p Türk Standartlar Enstitüsünde (TSE) ya land rma i lemine tabii
tutulmu tur. Son olarak numunelerin k r lma tokluklar n ara t rmak için Mod I
çekme deneyi tüm on numune için uygulanm t r.
Di er taraftan sonlu elemanlar yöntemiyle yap lacak analizde kullanmak üzere,
kuru numune ve ya land rma i lemi uygulanm
numunelerin elastisite modülü ve
Poisson oran tespiti için yine çekme deneyleri yap lm t r. Analiz sonuçlar deney
sonuçlar n yüzde 1 den daha az hata oran ile do rulamaktad r.
Anahtar sözcükler: Sandviç kompozit, k r lma toklu u, Mod I çekme deneyi
iv
ENVIRONMENT EFFECT ON FRACTURE TOUGHNESS OF
GRP / PVC SANDWICH SYSTEM IN MARINE USE
ABSTRACT
In this thesis environmental effect on fracture toughness of PVC/GRP sandwich
composite materials in marine use was experimentally studied and finite element
analysis was performed by a packet program to verify experimental studies.
First of all ten PVC (Poly Vinly Chloride) core and GRP (Glass Reinforsed
Plastic) face sandwich composite specimens were produced by hand lay up method.
After that, side areas of the core of five specimens were painted by epoxy and
conditioned in Turkish Standartization Enstitude (TSE). Finally, to investigate
fracture toughness of specimens Mode I tensile test was conducted for all ten
specimens.
In conclusion, tensile tests were again performed to investigate tensile modulus
and poisson ratios of dry and wet specimens which were required for FEM analysis.
Finite element analysis results verified the test results by less than 1% error rate.
Keywords: Sandwich composite, fracture toughness, Mode I tensile test
v
Ç NDEK LER
Sayfa
YÜKSEK L8SANS TEZ8 SINAV SONUÇ FORMU.................................................. ii
TE:EKKÜR................................................................................................................iii
ÖZ ............................................................................................................................... iv
ABSTRACT................................................................................................................. v
BÖLÜM B R -G R =................................................................................................. 1
1.1 Kompozit Malzemeler........................................................................................ 1
1.2. Sandviç Kompozitlerin Yap s .......................................................................... 2
1.3 Sandviç Kompozitin Çe itleri ............................................................................ 6
1.3.1 Yüzey Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler........................................ 6
1.3.1.1 Cam Elyaflar ........................................................................................ 8
1.3.1.2 Aramid Elyaflar.................................................................................... 9
1.3.1.3 Karbon Elyaflar.................................................................................. 10
1.3.2 Çekirdek Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler.................................. 12
1.3.2.1 Çekirdek Malzemelerin Seçim Kriterleri ........................................... 12
1.3.2.2 Temel Çekirdek Malzeme Çe itleri ................................................... 13
1.3 3 Yap t r c (Reçine) Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler................. 18
1.3.3.1 Polyester............................................................................................. 19
1.3.3.2 Epoksi................................................................................................. 22
1.3.3.3 Vinyl Ester ......................................................................................... 23
BÖLÜM K - GRP / PVC SANDV Ç KOMPOZ T N MALATI VE
KIRILMA TOKLU U KAVRAMI....................................................................... 26
2.1 Problemin Tan m ............................................................................................ 26
2.2 El Yat rmas Metodu ........................................................................................ 26
2.1.1 GRP / PVC Sandviç Kompozitin 8malat .................................................. 28
2.2 K r lma Toklu u Kavram ................................................................................ 33
vi
2.2.1 K r lma Mekani i Analizi ......................................................................... 35
2.2.1.1 Aç a Ç kan :ekil De i tirme Enerjisi Yakla m ............................. 36
2.2.1.2 Mod I K r k Deformasyonu Deneyi ................................................... 39
BÖLÜM ÜÇ - UYGULANAN MOD I DENEY VE SONUÇLARI ................... 41
3.1 Uygulanan Mod I Deneyi................................................................................. 41
3.2 Deney Sonuçlar ............................................................................................... 48
3.2.1 Kuru Numunelerin Sonuçlar .................................................................... 49
3.2.2. Tuzlu Suda Bekletilmi Numunelerin Deney Sonuçlar .......................... 52
BÖLÜM DÖRT - SONLU ELEMANLAR ANAL Z .......................................... 57
4.1 Numunelerin Mekanik Özelliklerinin Bulunmas ............................................ 57
4.2 Sonlu Elemanlar Analizi .................................................................................. 59
4.2.1. Sonlu Elemanlar Analiz Sonuçlar ........................................................... 61
4.2.1.1 Kuru numune analiz sonuçlar ........................................................... 61
4.2.1.2 Tuzlu suda bekletilmi numunenin analiz sonuçlar .......................... 64
BÖLÜM BE= - DE ERLEND RME .................................................................... 66
KAYNAKLAR .......................................................................................................... 67
vii
BÖLÜM B R
GR=
1.1 Kompozit Malzemeler
Kompozit, iki veya daha çok bile enden olu an yap sal malzemedir. Bile enler
makroskobik alanda birle irler ve birbirleri içinde çözünmezler. Bile enlerden
birisine takviye faz , takviye faz n n içine kar t
di er bile ene ise matris denir.
Takviye faz , matris içerisinde sürekli lif, süreksiz lif, parçac k veya disk halinde
olabilir, :ekil 1.1 (KUTZ, 1998). Matris faz ise devaml bir yap ya sahiptir. (Kaw,
1997)
:ekil 1.1 Takviye elemanlar n n malzeme içindeki formlar .
(Mechanical Engineers’ Handbook, second edition, edit by
Myer KUTZ, 1998, John Wiley & Sons, Inc. )
Kompozit malzemelerin uzay ko ullar nda ve havac l k sektöründe kullan m
üstünlüklerini görmek için iki çarp c örnek vermekte yarar vard r.
Bilindi i gibi günümüz ileri teknolojisinin gerektirdi i mekanik de erleri, tek
fazl malzemeler ve ala mlar her zaman yakalayamazlar. Örne in uyduda kullan lan
malzemelerin, uzayda –160 0C ile 93.3 0C aras ndaki çal ma ko ullar nda boyutsal
1
2
olarak kararl olmas gerekir. Bu artlarda k s tl s l genle me katsay s de erlerine
sahip metalik malzemeler kullan lamaz ve yerini grafit/epoksi gibi kompozitlere
b rak r.(Kaw, 1997)
Kompozit malzemelerin kullan lmas
birçok alanda daha verimlidir. Uçak
endüstrisinden bir örnek vermek gerekirse; ticari bir uçakta 0.453 kg a rl k
azalt lmas ile senede 1360 litre yak t tasarrufu yap labilir. Burada belirtmek gerekirse
ticari
bir
uçak
irketinin
y ll k
giderinin
%25’
ini
yak t
harcamas
olu turmaktad r.(Kaw, 1997)
Kompozitlerin tekne imalat ndaki yerine gelirsek; günümüzde üretilen tekneler
geçmi y llarda üretilenler ile kar la t r l nca, gövde yap lar n n daha büyük yüklere
maruz kalacak istekleri kar layacak ekilde üretildi i görülür. Burada imalatç lar n
rekabetçi tutumlar da etkilidir. Örne in bir sürat motoru imalatç s , daha güçlü motor
tercih etmekte iken; di er taraftan bir yelkenli tekne imalatç s paslanmaz çelik
donan mlar, daha k sa salma boyu, daha geni yelkenli alan , sentetik malzemeden
yelken kuma lar vs tercih etmektedir. Sonuç olarak bu tercihler tekne gövdesine
gelen yüklerin artmas na sebep olmaktad r. Bu nedenden ötürü tasar mc daha hafif ve
dayan kl yap lar ile çal mak zorunda kalmaktad r. Bu hafif ve dayan kl yap lar ise
kompozit malzeme teknolojisi ile mevcut hale gelir. ( Kolat, Ne er, Özes, 2006 )
Sandviç kompozitler, kompozit malzemelerin ileri bir uygulama alan n
olu turmaktad r; yani yukar da verilen örneklerdeki üstünlükleri ve daha fazlas n
içerirler. Bu nedenle sandviç kompozitlerin yap s n incelemekte fayda vard r.
1.2 Sandviç Kompozitlerin Yap7s7
Sandviç kompozitler üç ana bile enden olu urlar, :ekil 1.2. Birincisi yüksek
mukavemetli, rijit yap ya sahip ince yüzey malzemesi; ikincisi kal n ve yüzey
malzemesine göre daha hafif ve dü ük mukavemetli çekirdek; son olarak üçüncüsü de
bu iki malzemeyi yap ma ara yüzeyinde hasar olu mayacak kadar güçlü ekilde
ba layan yap t r c (reçine) malzemedir.
3
:ekil 1.2 Sandviç kompozit malzeme.
Sandviç kompozit yap , katmanl bir kompozittir. Bu katmanl kompozitin olu mas
ile kendini olu turan bile enlerin her birinin mekanik özelliklerinden daha üstün
mekanik özelliklere sahip bir yap ortaya ç kar. 8ki adet rijit, yüksek mukavemetli
yüzey malzemesinin aras nda yer alan, daha az mukavemet ve rijitli e sahip hafif
çekirdek malzeme sayesinde sandviç yap n n a rl
da dü er. Bu sayede geleneksel
imalat malzemeleri olan çelik ve alüminyum ile imal edilen teknelere nazaran daha
hafif tekne imal edilebilir.
Sandviç kompozitlerin hafifli i nedeniyle, geleneksel imalat malzemeleri olan çelik
ve alüminyum ile çal an kimi mühendislerde, dayan kl olmad
önyarg s vard r. Bu
önyarg y k rmak için, bas yükü uygulanan ayn boy ve geni likte dikdörtgen kesitli
metalik ve sandviç kompozit iki malzeme ele alal m. Bu malzemelerin hasara
u rayacaklar kritik yük öyle tan mlan r:
Pcrit =
2
EI
L2
E: elastisite modülü
L: malzemelerin boyu
I: atalet momenti
Dikdörtgen kesitli malzeme için atalet momenti öyle tan mlan r:
(1.1)
4
bt 3
I=
12
(1.2)
b: malzemelerin geni li i
t: malzemelerin kal nl
Denklem (1.1)’ den anla ld
gibi, malzemelerin boyu ayn seçildi inden kritik
yük malzemelerin elastisite modülleri ve atalet momentleri ile orant l d r. Bilindi i
gibi elastisite modülü malzemelerin karakteristik bir özelli idir ve daha yüksek
elastisite modüllü malzeme kullanmak asl nda daha üstün malzeme kullanmak
demektir. Bu teorik olarak gerçekle ebilmekle beraber, imalatta maliyet söz konusu
oldu u için çözüm getirmemektedir. Bu nedenle kritik yük sadece malzemelerin atalet
momentleri ile orant l d r diyebiliriz. Dikdörtgen kesitli malzemeleri için atalet
momenti Denklem (1.2) ile verilmi tir. Malzemelerin geni li i b= 1 olarak iki
malzeme için ayn seçilmi tir. Böylece görüldü ü gibi kritik yük malzemelerin
kal nl
n n küpü ile do ru orant l olarak de i mektedir.
Tablo 1.1 de malzemelerin kal nl
ndaki de i imden mukavemetlerinin,
rijitliklerinin ve a rl klar n n nas l etkilendi i verilmi tir
Tablo 1.1 Malzeme kal nl
ve mekanik özellikler aras ndaki ili ki
(http://www.oceanica.ufrj.br/ocean/cursosead/materiaiscompositos/compositematerials/g_composite_m
aterials.pdf)
5
Birinci sütunda t kal nl
ndaki metalik malzeme , ikinci ve üçüncü sütunlarda ise
çekirdek kal nl klar s ras ile t ve 3t olan kompozit malzemeler yer almaktad r. E er
metalik malzemenin de erleri 100 birim kabul edilir ise, görüldü ü gibi çekirdek
kal nl
t ve 3t olan sandviç kompozitlerde s ras yla; rijitlik 7 kat ve 37 kat,
mukavemet 3,5 kat ve 9,25 kat art
göstermi tir. A rl klardaki art
ise ihmal
edilebilir bir art t r.
:ekil 1.3 de ise malzemelerin özgül çekme modülü – özgül çekme mukavemeti
diyagram halinde verilmi tir. Diyagramdan da rahatça görüldü ü gibi çelik ve
alüminyum malzemelerin yüksek yo unlu u oldu undan özgül çekme modülleri ve
özgül çekme mukavemetleri, sandviç kompozitlerde kullan lan malzemelere göre
dü üktür.
:ekil 1.3 Malzemelerin özgül çekme modülü-özgül
çekme
mukavemeti.
(http://www.oceanica.ufrj.br/ocean/cursosead/materiaiscompositos
/compositematerials/g_composite_materials.pdf)
Farkl bir bak
u rad
aç s ile bakarsak, Hook kanununa göre malzemenin hasara
yük P öyle tan mlan r:
6
P=
(1.3)
: gerilme
: alan
Denklem (1.3) den anla ld
gibi malzemelerin hasara u rad klar yük alanlar ile
do ru orant l d r. Yani metalik bir malzeme ile ayn a rl ktaki sandviç kompozit
malzeme daha büyük alana sahip olur. Bu da sandviç kompozit malzemenin hasara
u rayaca
yük daha büyük olur demektir.
1.3 Sandviç Kompozitin ÇeKitleri
Sandviç kompozitin çe itlerinden kas t asl nda sandviç kompoziti olu turan
bile enlerin çe itleridir. Ba l k 1.2 alt nda bahsedildi i gibi sandviç kompozitler yüzey
malzemesi, çekirdek malzemesi ve yap t r c dan olu ur. Böylece sandviç
kompozitler; yüzey malzemesine göre, kullan lan çekirdek malzemesine göre, ve de
reçine türüne göre çe itlilik gösterir.
1.3.1 Yüzey Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler
Yüzey malzemesi matris yap ve takviye eleman ndan olu maktad r. Kullan lan
takviye eleman matris yap içinde lif, parçac k veya disk halinde olabilir (:ekil 1.1).
Ancak bu tezin konusu lif (elyaf) takviyeli plastikler (Fiber Reinforced Plastic) ile
ilgili oldu undan di er türlerin ayr nt s na girilmeyecektir.
Elyaf takviyeli yüzey malzemelerinde yüksek mukavemet için küçük çapl lif
kullanmak gerekir.Bunun sebepleri öyle s ralanabilir (Kaw,1997):
i) Malzemeler gerçekte, teorik mukavemetinden daha dü ük mukavemet
de erlerine sahiptir. Bu fark malzeme içindeki hatalardan kaynaklan r. Bu hatalar n
yok edilmesi malzemenin mukavemetini artt r r. Liflerin çap küçültüldü ünde,
7
içlerinde olabilecek hatalar da azald
ndan mukavemetleri artmaktad r. Örne in 689
MPa mukavemeti olan çelik bir plakadan tel imal edilir ise bu çelik 4100 MPa
mukavemete sahip olabilir. :ekil 1.4 de karbon liflerin mukavemet art n n lif çap na
göre de i imi görülmektedir.
:ekil 1.4 Lif çap na göre lif mukavemeti. (Kaw, 1997)
ii) Yüksek düktilite, tokluk, ve matris-lif aras nda daha iyi yük transferi için,
matris-lif ara yüzey alan n n daha büyük olmas gerekir. Hacimsel olarak e it lif
miktar na sahip kompozitlerde, lif-matris ara yüzey alan lif çap ile ters orant l olarak
artar. Çünkü lif çap dü ürüldü ünde, hacimsel olarak ayn lif miktar n elde
edebilmek için lif say s artt r lmal d r. Buda lif-matris ara yüzey say s n yani ara
yüzey alan n artt r r.
iii) Kompozit malzemelerin, özellikle örgülü kompozitlerin, üretiminde istenen
liflerin k r lmadan e ilebilmesidir. E ilme kabiliyeti lif çap n n azalmas ile artar, ve
esneklik olarak ölçülür. Esneklik, e ilme rijitli inin tersi olarak tan mlan r. Esneklik,
malzemenin çap n n dördüncü kuvveti ile, ve elastisite modülü ile ters orant l d r. Bu
öyle kan tlanabilir:
Malzeme mukavemetinden bilindi i gibi, e ilme mukavemeti e ilme momentine
gösterilen dirençtir. E er bir kiri saf e ilmeye maruz ise;
8
d 2v M
=
dx 2 EI
olur
(1.4)
v: merkez hattaki deformasyon (m)
E: kiri in elastisite modülü (Pa)
I: kiri in atalet momenti (m4)
x: kiri boyunca koordinat (m)
Böylece e ilme rijitli i ‘EI’ olur ve esneklik basitçe ‘EI’ n n tersidir. Dairesel
kiri in atalet momenti
d4
I=
oldu undan
64
1
Ed 4
(1.5)
Esneklik ile orant l d r.
Belli malzemelerde elastisite modülü mukavemette oldu u gibi çap n fonksiyonu
olarak de i mez. Bu nedenle esneklik lif çap n n dördüncü kuvveti ile ters orant l d r.
Tekne imalat nda kullan lan elyaf takviyeli yüzey malzemesi türlerini inceleyecek
olursak:
1.3.1.1 Cam Elyaflar
Üretilmesi pahal olmad
ndan, ve a rl kla ili kili olarak daha yüksek mukavemet
gösterdikleri için cam elyaflar takviyeli plastiklerde %90 dan fazla kullan l rlar. Cam
elyaflar ayr ca iyi kimyasal direnç gösterirler ve i lenebilirlikleri yüksektir.
Cam elyaflar temel olarak E-cam (fiberglass-cam elyaf) ve S-cam olarak iki türü
vard r. E-cam asl nda elektrik uygulamalar için dizayn edilmi fakat daha sonralar
farkl uygulamalar için de kullan lmaya ba lanm t r (Kaw, 1997). Örne in E-cam iyi
mukavemet özelli i ve suya direncinden dolay , tekne imalat nda en fazla kullan lan
9
elyaf türüdür. S-cam , E-cam na göre üç kat daha yüksek çekme mukavemeti ve daha
iyi yorulma direnci gösterir. Buna ra men, maliyeti E-cam ndan üç ila dört kat fazla
oldu u için E-cam tercih edilir. Tablo 1.2 de E-cam ve S-cam n n özellikleri
verilmi tir. Bununla beraber de i ik özellikte cam elyaflar farkl türde uygulamalar
için üretilebilir. Örne in görünümün iyi olmas istenen uygulamalar için A-cam ,
korozyon dayan m istenen uygulamalar için C-cam bulunmaktad r. Bu çe itlerin
beraber kullan ld
uygulamalar da vard r. Mesela E-CR hem elektrik hem korozyon
dayan m gerektiren uygulamalar için kullan l r.
Tablo 1.2 E ve S cam elyaf bile enleri
aterials.pdf)
Cam BileKenleri
E Cam7
S Cam7
Silikon Dioksit
52-56%
64-66%
Kalsiyum Oksit
16-25%
0-0,3%
Alüminyum Oksit
12-16%
24-26%
Boron Oksit
5-10%
-
Sodyum ve Potasyum Oksit
0-2%
0-0,3%
Magnezyum Oksit
0-5%
9-11%
0,05%-0,4%
0-0,3%
0-0,8%
-
0-1%
-
Demir Oksit
Titanyum Oksit
Floridler
1.3.1.2 Aramid Elyaflar
En bilinen aramid elyaf türü DuPont taraf ndan bulunan Kevlar d r. Kevlar 1970
lerden buyana kullan lmaktad r. Dü ük a rl k, yüksek çekme mukavemeti ve modülü,
yüksek darbe ve yorulma direnci ve örülebilirli i aramidlerin avantajlar d r. Bas
performanslar dü ük ekil de i tirme de erlerinde do rusal olmayan düktil davran
gösterdiklerinden cam elyaf kadar iyi de ildir.
10
Günümüzde Kevlar 29 ve Kevlar 49 türleri vard r. Dü ük yo unlukta, yüksek
dayan mdaki Kevlar 29, mermi çarpmas na kar
koruyucularda, ip ve kablo
yap m nda kullan lmaktad r. Kevlar 49 ise dü ük yo unlukta olup, yüksek dayan m ve
modüle sahiptir. Kevlar 49, denizcilikte, hava-uzay sanayisinde, otomobil ve di er
sanayi dallar nda kullan lan kompozit malzemeleri güçlendirici lifler olarak
kullan labilecek özelliklere sahiptir.
1.3.1.3 Karbon Elyaflar
Genelde grafit ve karbon terimleri birbiri yerine kullan l r. Oysa grafit elyaflar %99
dan fazla karbon içeri ine sahip iken, karbon elyaflar %93 ile %95 aras nda karbon
içeri ine sahiptir. Ayr ca karbon elyaflar 1316 0C de üretilirken, grafit elyaflar 1900
0
C den yüksek s cakl klarda üretilirler. (Kaw, 1997) Bununla beraber. Karbon elyaflar
en fazla PAN (polyacrylonitrile) malzemeden üretilirler.
S k kullan lan takviye malzemeleri içinde en yüksek mukavemeti ve e ilme
direncini karbon elyaflar gösterir. Karbon elyaflar, cam elyaflarda oldu u gibi gerilme
k r lmalar na ve yorulmalar na konu olmazlar. Yüksek s cakl k performans karbon
elyaf n önemli bir avantaj d r. Di er taraftan en önemli dezavantaj , PAN n n öbür
takviye malzemelerine göre daha pahal olmas d r.
Tablo 1.3 de takviye malzemelerinin baz mekanik özelliklerinin kar la t rmal
verileri ve :ekil 1.5 ile çe itli elyaf takviye malzemelerinin tekne imalat nda
kullan lan yerleri ve kullan m yüzdeleri verilmi tir.
11
Tablo 1.3 Yüzey takviye malzemelerin mekanik özellikleri
aterials.pdf)
Çekme
Çekme
Maksimum
Maliyet
Mukavemeti
Modülü
Uzama
1995
gr/cm3
MPa
GPa
%
$/kg
E Cam7
2,60
3450
72,45
4,8
1,76-2,64
S Cam7
2,49
4589
86,94
5,7
8,82
Kevlar 49
1,44
3623
124,2
2,9
35,27
1,72-1,8
2415-4830
227-393
0,38-2,0
37,47-992
Elyaf
Yo3unluk
KarbonPAN
Kevlar ( Di er k s mlarda )
Takviye malzemeleri
Kevlar ( Güvertede )
Kevlar ( Gövdede )
Karbon-elyaf ( Di er k s mlarda )
Karbon-elyaf ( Güvertede )
Karbon-elyaf ( Gövdede )
E-Cam Elyaf ( Di er k s mlarda )
E-Cam Elyaf ( Güvertede )
E-Cam Elyaf ( Gövdede )
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Kullan m yüzdeleri
:ekil
1.5
Elyaflar n
yat
sektöründeki
kullan m
(http://www.oceanica.ufrj.br/ocean/cursosead/materiaiscompositos/compositematerials/
g_composite_materials.pdf)
yüzdeleri.
12
1.3.2 Çekirdek Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler
A rl
n azalt lmas ve yap sal özelliklerin iyile tirilmesi yönünde h z kesmeyen
çal malar, sandviç kompozit yap lar n çok popüler olmas n sa lam t r. Bilindi i gibi
sandviç yap lar n prensibi; esas yükü ta yan yüzeylerin, dü ük yo unluklu çekirdek
malzeme taraf ndan ayr lmas d r. Bu, kiri in veya panelin, a rl
ndaki az bir art ile
atalet momentinin artmas n sa lar. Optimum tasar m elde etmek için sadece yüzeyin
de il çekirdek malzemenin de do ru seçilmesi gereklidir. Burada çekirdek
malzemelerin seçim kriterleri konu edildikten sonra en çok kullan lan çekirdek
malzemelerin özelliklerine de inilecektir.
1.3.2.1 Çekirdek Malzemelerin Seçim Kriterleri
1.3.2.1.1 Önemli Mekanik Özellikler. Öncelikle belirtilmesi gerekir ki, çekirdek
malzemeden beklenen özellikler her uygulama için de i iklik gösterir. Bu nedenle,
seçim kriterlerini genelle tirmek çok zordur. Bununla beraber, incelemek için :ekil
1.6 deki e ilme yükü alt ndaki bir sandviç malzeme iyi bir örnek olacakt r.
:ekil 1.6 E ilme yükü alt ndaki sandviç kiri . (Schlotter, Haziran, 2002)
Bu türde bir yüklemede, görüldü ü gibi yüzey malzemesi çeki-bas yüklerine ve
çekirdek malzemesi büyük ölçüde kesme yüküne maruz kalmaktad r. Buradan,
çekirdek malzemenin en önemli özelliklerinin ba nda kesme mukavemeti ve rijitli i
oldu u anla lmaktad r.
13
Bununla beraber sadece kesme mukavemeti ve rijitlik çekirdek malzemenin
de erlendirilmesinde yeterli de ildir. Özellikle ince katmanlamal dü ük a rl k
uygulamalar nda çekirde in bükülmesini veya katlanmas n önlemek için çekirdek
bas yüküne dayanabilmelidir. Di er bir önemli hasar durumu ise, yüzey malzemesi
ile çekirdek malzemesinin ayr lmas d r. Örne in polimer matrisli kompozit yüzeylerde
köpük malzeme çekirde e, epoxy kullan larak ba lan r. Böylece ba lant , çekirdek
malzemeden ço unlukla daha dayan kl olur ve hasar genelde köpük malzemede
görülür. Bu nedenle çekirde in çekme dayan m da hesaba al nmas gerekli bir
özelliktir.
1.3.2.1.2 Çekirdek Malzemeden Beklenen Di'er Özellikler. Bahsedildi i gibi,
çekirdek olarak hangi malzemenin kullan laca
karar verilmeden önce, uygulama
alan n n bilinmesi gereklidir. 8htiyaç duyulabilecek baz özellikler unlard r:
Dü ük maliyet
Dü ük yo unluk
Dü ük / yüksek s cakl a direnç
Neme veya kimyasallara direnç
:ekil verilebilmesinin iyi olmas
Kolay i lenebilirlik
Dü ünüldü ünde, bu amaçlar n tümünü için tek malzeme olmad
ndan, amaca
uygun özel seçimler oldu u görülmektedir.
1.3.2.2 Temel Çekirdek Malzeme Çe)itleri
Sandviç kompozitlerde kullan labilecek birçok türde malzeme olmas na ra men,
ço u u kategorilerden birine girer: a aç, köpük, balpete i.
1.3.2.2.1 A'aç. Di er malzemelere göre a aç, ço unlukla yüksek yo unlu a sahip
oldu undan az türde a aç sandviç kompozit için çekirdek malzeme olarak
kullan lmaktad r. 8çlerinde de en fazla kullan lan a aç türü, balsad r.
14
Balsa a ac (:ekil 1.7), ince-uzun yatay hücreleriyle çok yüksek bas dayan m ve
çarp ma direnci sa lar. Tekrarl yüklerde çal ma kabiliyeti yüksektir, ve çok güçlü
yüzey-çekirdek ba lant s sa lanabilir. Bir çok köpük malzemeden farkl olarak,
yüksek çal ma s cakl klar na dayan kl d r. Balsa a ac n n statik mukavemeti, PVC
köpükten yüksek olmas na ra men; darbe enerjisini emmesi PVC köpükten daha
dü üktür. Balsa iyi bir s ve ses yal tkan d r. Ayr ca balsa ile basit araç gereçler
kullan larak kolayca çal labilir.
Di er taraftan, balsa do al bir malzeme oldu u için neme kar
hassast r. E er
katmanlama veya yap t r c ile iyi bir ekilde çevrelenmez ise, çürüyebilir. Balsa
a ac n n di er dezavantajlar da, 90 kg/m3 civar ndaki minimum yo unlu unun,
yüksek olmas (:ekil 1.8) ve katmanlama süresince yüksek miktarda yap kan
emmesidir.
:ekil 1.7 Balsa a ac n n hücre yap s . A: ortalama hücre boyu;
ortalama
hücre
çap ;
C:ortalama
hücre
et
B:
kal nl
(http://www.oceanica.ufrj.br/ocean/cursosead/materiaiscompositos/
compositematerials/g_composite_materials.pdf)
.
15
:ekil 1.8 Çekirdek malzemelerin yo unluk-kesme/ bas
mukavemeti ili kisi.
(Schlotter, Haziran, 2002)
1.3.2.2.2 Köpükler. Köpükler çe itli sentetik polimerlerden üretilirler. Ayr ca,
hemen hemen her köpük çe itli yo unlukta tedarik edilebilir. Sonuç olarak birçok
çe it köpük bulunabilir. Bu çe itlilik sayesinde köpük, özellikle karma k sandviç
çekirdek malzemesi olmak üzere, geni uygulama alan bulur.
Köpüklerin temel olarak s n fland r lmas ve avantaj-dezavantajlar öyledir:
i) Polyvinyl Cloride Köpükler (PVC) yüksek performansl sandviç yap larda s kça
kullan l rlar. Statik ve dinamik özelliklerinin iyi olmas n n yan nda, çal ma s cakl k
aral
geni tir ve birçok kimyasala direnç gösterirler. 8ki çe it PVC bulunmaktad r:
çapraz ba l (non-lineer) ve do rusal (lineer). Çapraz ba l PVC daha sert ve rijit iken,
do rusal PVC daha tok ve esnektir.
ii) Polystyrene Köpükler (PS) dü ük mekanik özellikleri ile ucuz ürünlerdir.
Genelde sörf tahtas imalat nda kullan l rlar. Sterin ile çözündükleri için polyester
yap kan ile kullan lmazlar.
iii) Polyurethane Köpükler (PU) dü ük yüklere maruz sandviç yap larda ve s
izolasyonu için kullan labilirler. Mekanik özellikleri orta derecededir. Köpük-yüzey
yap ma yüzeyinin ya lanma ile kötüle mesi dezavantaj d r.
16
iv) Polyetherimide Köpükler (PEI) nispeten yenidir. Yang n dayan mlar iyidir ve
geni çal ma s cakl
aral
na sahiptir. Pahal olmalar na ra men, uçak ve tren
uygulamalar için çok uygundur.
v) Polymethyl Methacrylamide Köpükler (Acrylic) Üstün derecede özgül
dayan mlar ve rijitli i vard r ve yüksek s l kararl l
sayesinde, yüksek s cakl kta
kürlenmede kullan labilirler.
vi) Styreneacrylonitrile Köpükler (SAN), PVC köpükler ile benzer özelliklere sahip
olmalar n n yan nda, daha ince-uzun yap lar , yüksek toklu u, yüksek s cakl k
performans ve daha iyi statik özellikleri vard r. Bu nedenlerle birçok alanda SAN
köpükler, PVC köpüklerin yerini almaktad r.
1.3.2.2.3 Balpetekleri. Balpete i çekirdekleri de çe itli uygulamalar için mevcuttur.
Ucuz karton balpeteklerinden ola an üstü özelliklere sahip aramid ve alünimyum
balpeteklerine kadar çe itlilik gösterirler. Her çe idi farkl yo unluk, kal nl k ve hücre
çap na sahiptir. Nomex ve alüminyum balpetekleri genellikle, köpüklerin uygun
olmad
, yüksek s cakl k uygulamalar nda kullan l rlar. Bunun yan nda balpete i,
çekirdek kal nl
farkl l k gerektiren durumlarda kullan lmaz. Aç k hücre yap s ndan
dolay , s v yap t r c kullan larak üretiminde birtak m zorluklar vard r. Balpete i
çe itleri:
i) Nomex balpete i, Nomex ka d n n bir formudur. Nomex ka d selilozik lifler
yerine, Kevlar malzemesinden olu ur. Nomex balpete i uçak-uzay uygulamalar nda
geni kullan m alan na sahip olmas n n yan nda, mekanik özelliklerinin iyi olmas
nedeniyle di er alanlarda da giderek popüler olmaktad r. Öte yandan di er çekirdek
malzemeleri ile kar la t r ld
nda pahal d r.
ii) Alüminyum balpete i, Nomex balpete inden ucuz olmakla beraber benzer
mukavemet ve rijitlik gösterirler. Deniz uygulamalar nda ve karbon ile yüzey
katmanlama
s ras nda
korozyon
problemine
kar
dikkatli
kullan lmal d r.
17
Delaminasyon olu mamas için, yüzey-çekirdek ba lant s n n korunmas gerekir ve bu
ancak kaliteli yap t r c kullanarak ba ar labilir.
iii) Termoplastik balpete i, genelde dü ük yo unluk ve dü ük rijitli e sahiptir. S k
kullan lan polimerlerden baz lar ABS, polikarbonat, polipropilen, ve polietilendir.
Birçok kimyasala direnç gösterirler ve nemden etkilenmezler. Ana problem yüzeyçekirdek aras ndaki ba n kurulmas d r.
:ekil 1.9 ile balpete i hücre yap s , :ekil 1.10 ile balpete i çekirdekli bir sandviç
kompozit, Tablo 1.4 ile tekne imalat nda kullan lan çekirdek malzemelerin mekanik
de erleri verilmi tir.
:ekil 1.9 Balpete i hücre yap s . to: hücre ortalama et kal nl
s:
ortalama
hücre
çap .
(http://www.oceanica.ufrj.br/ocean/cursosead/materiaiscompositos/
compositematerials/g_composite_materials.pdf)
,
18
:ekil
1.10
Balpete i
çekirdekli
sandviç
kompozit.
(A. Ural vd Engineering Fracture Mechanics, 2003)
Tablo 1.4 Tekne imalat nda kullan lan çekirdek malzemelerin mekanik özellikleri
aterials.pdf)
Çekirdek
Balsa A3ac7
Do3rusal PVC
Çapraz ba3l7
PVC (Diab H 100)
Balpete3i (Nomex
HRH-78)
Yo3unluk
Çekme
Çekme
Mukavemeti Modülü
Maksimum
Maliyet
Uzama
1995
gr/cm3
MPa
GPa
%
$/kg
0,11
9,11
2,55
-
8,16
0,08-0,1
1,38
0,06
30
11,46
0,10
3,11
0,12
-
13,11
0,10
-
0,41
-
29,25
1.3 3 Yap t r c (Reçine) Malzemesine Göre Sandviç Kompozitler
Takviye eleman n n da içinde yer ald
reçine, sandviç kompozitin ana faz n
olu turur. Ayr ca yüzey malzemesi ile (takviye malzemesi) çekirdek malzemesinin
yap t r lmas nda görev al r. Tek ba lar na kullan ld klar nda dü ük olan mukavemet
de erlerine sahiptirler. Tekne imalat nda en s k kullan lan reçine çe itleri unlard r:
polyester, epoksi, vinyl ester.
19
1.3.3.1 Polyester
Polyester reçineler iki grup alt nda toplanabilir: doymu (kat ) halde ve doymam
(s v ) halde. Plastik takviyeli tekne imalat nda, özellikle el yat rmas yönteminde
kullan lan malzeme doymam
polyester reçinedir. Bu demek oluyor ki polyester
reçineler do ru ko ullar alt nda kürlenme ile kat hale gelebilirler.
Polyetilen teraftalen, terilen gibi doymu
polyester reçineler veya termoset
do as ndaki plastikler genelde enjeksiyon kal pta ve lif (fiber) imalat nda kullan l rlar.
Art k basit olarak, polyester denildi inde, doymam
polyester akla gelmektedir.
Bunlar monomer içinde, ki bu monomer genellikle sterindir, çözünmü polyester
içerir. Sterinin buradaki görevi çok önemli olup reçinenin s v halden polyesterin
moneküler zincir ba lar n çapraz ba layarak (kürlenme) kat la mas n sa lamakt r.
Polyester bu sayede bas nç kullan lmadan kal planabilir. Bu nedenle polyester dü ük
bas nç reçinesidir. Polyesterin moleküler ba zinciri :ekil 1.11 ile gösterilmi tir.
:ekil 1.11 Polyester moleküler ba zinciri.
Sterin -s-, katalizör ve h zland r c eklenmesiyle, sterin polymer zincirini çapraz
ba lar ve oldukça karma k üç boyutlu ba lar olu turur, :ekil 1.12.
20
:ekil 1.12 Kürlenmi polyester moleküler ba zinciri.
Bu durumdan sonra polyester için kürlenmi denilebilir. Art k kimyasal olarak
dirençli ve (genelde) kat
haldedir. Çapraz ba lanma veya kürlenme i lemi
polimerizasyon ad n al r.
Polyesterin kürlenmesini s tma yap lmadan h zland rmak için h zland r c ve
katalizör ilave edilir. Jel zaman , çevre s cakl
ve laminasyon kal nl
göz önüne
al narak, formülasyonu dikkatlice de i tirmek yoluyla kontrol edilmelidir. Tablo 1.5
ile kürlenme için en s k kullan lan, h zland r c ve katalizör kombinasyonlar
görülmektedir.
Tablo 1.5 Polyester reçine h zland r c ve katalizör kombinasyonlar
aterials.pdf)
Katalizör
H7zland7r7c7
Metil Etil Keton Peroksit (MEKP)
Kobalt Naptanat
Kumene Hidroperoksit
Manganez Naptanat
Reçine içine farkl ek malzemelerde olabilir. Örne in reçine dikey yüzeylerin
laminasyonunda kullan lacak ise ak kanl
n azaltmak amac yla içine silikon dioksit
eklenebilir bu durumda reçine tiksotrafik olarak adland r l r. Çe itli di er ilave
malzemeleri de kürlenme s ras nda reçine içinde, örne in jelkot için önemli bir durum
olan büzülmeyi önlemek için kullan labilir.
21
Polyester reçineler kullan m en kolay ve iyi kimyasal direnç gösteren, en basit ve
en ekonomik reçine sistemidir. Doymam
(s v ) polyester maleik anhidrid veya
fumarik asit gibi, sterin benzeri reaktif monomerler içinde çözünen doymam
malzemelerden olu ur.
Polyester reçinelerin büyük ço unlu u hava ile tepkimeye giren malzemelerdir.
Hava ile tepkime gerçekle ir ise bu durumda kürlenme durur. (:ekil 1.11 ve :ekil 1.12
incelenirse; sterin -s-, gelecek ba a oksijen ba lan r ve kürlenmeyi durdurur). Yüzeye
sürülen cila tabakas ikincil ba lanma veya biti problemi olu turdu undan ve fiziksel
olarak temizlenmesi gerekti inden; tipik olarak kürlenme i lemi s ras nda yüzeyin
hava ile tepkimeye girmesini önlemek için reçine formülüne parafin eklenir.
Tekne imalat nda kullan lan polyester reçineler ortofitalik ve isofitalik olmak üzere
iki çe ittir. Ortofitalik reçine, polyesterin geli tirilen orijinal grubudur ve hala geni
kullan m alan na sahiptir. Bunlar bir ekilde s n rl s l kararl k, kimyasal direnç ve
i lenebilirlik karakteristi i gösterir. Di er taraftan isofitalik reçineler genel olarak
daha iyi mekanik özellikler ve kimyasal direnç gösterirler. 8sofitalik reçinelerin artan
su geçirme direnci, birçok tekne imalatç s n n bu reçineleri tekne laminasyonunda
jelkot olarak kullanmas na neden olmaktad r.
Polyester reçinenin rijitli ini kullan lan doymu asidin doymam
aside oran n
artt r lmas ile azaltmak mümkündür. Esnek reçineler artan darbe direnci sa layarak
avantajl olabilir. Ancak bu tüm gövde mukavemetinin maliyetini yükseltme noktas na
gider. Jelkot gibi yap sal olmayan laminasyon katmanlar yerel k r klar önlemek için
daha esnek formüle edilebilir.
Polyester dü ük maliyeti ve effaf yap olu turmadaki kabiliyeti ile avantajl iken;
çal ma s cakl
n n 77 0C den dü ük olmas , k r lganl
ve kürlenmede %8’ e varan
büzülmesi ile dezavantajl durumdad r. Tablo 1.6 ile ilavesiz isofitalik polyesterin
özellikleri verilmi tir.
22
Tablo 1.6 Katk s z isofitalik polyester reçine özellikleri
(Crystic polyester handbook, Scott Bader, 1994)
Özgül A rl k (gr/cm3 )
1,28
Rockwell M ölçek sertli i
110
Barcol sertli i (GYZJ 934-1)
45
Çekme mukavemeti
70 MPa
Bas mukavemeti
140 MPa
Çekme modülü
3,5 GPa
K r lmadaki uzamas
% 2,5
Özgül s
2,3 kJ / kgK
Is l iletkenlik
0,2 W / mK
Su emmesi, 20 oC de 24 saat
% 0,2
Statik sürtünme katsay s
0,27
1.3.3.2 Epoksi
Epoksi molekül yap s :ekil 1.13 ile gösterildi i gibi; bir oksijen iki karbondan
olu ur.
:ekil 1.13 Epoksi reçinenin moleküler yap s .
Epiklorohidrin ile fenol veya aromatik aminlerin tepkimeye girmesiyle bir çok
epoksi reçine olu ur. Epoksi üretimi süresince tepkimeye eklenecek sertle tiriciler,
plastikle tiriciler ve di er ilave malzemeler ile viskozite, darbe, ekil de i tirme vb.
özellikleri iyile tirilmi reçine elde edilebilir.
Tablo 1.7 ile oda s cakl
ndaki tipik epoksi özellikleri verilmi tir.
23
Tablo 1.7 Oda s cakl
ndaki tipik epoksi özellikleri
(Kaw, 1997)
Özgül a rl k
1,28
Young modülü (GPa)
3,792
Maksimum çekme mukavemeti(MPa)
82,74
Epoksi reçinenin avantajlar öyle s ralanabilir:
Yüksek mukavemet
Dü ük viskozite, bu sayede lifleri slatma özelli i yüksektir.
Kürlenme süresince dü ük uçuculuk
Dü ük çekme oran (boyutsal olarak yüksek kararl l k), bu sayede epoksi ve
takviye malzemesine gelecek kesme gerilmesinin artmas önlenir.
Çe itli uygulamalar için yirmiden fazla türde bulunabilir.
Bunca avantajl taraf n n yan s ra epoksi reçinelerin en önemli dezavantajlar
yüksek maliyeti ve çal ma ko ullar n n zor olmas d r.
1.3.3.3 Vinyl Ester
Vinyl ester, akrilik gibi tek fonksiyonlu doymam
tepkimeye girmesi ile haz rlanan doymam
asit ile bisfenol diepokit in
reçinedir. Tepkime sonunda olu an
polimer, sterin gibi doymam monomer ile kar r.
Performans karakteristi i ve çal mas
polyestere benzerdir. Vinyl esterin
polyesterden fazla olan maliyetini hakl ç karan; yüksek korozyon direnci, hidrolik
kararl l k, darbe ve yorulma dayan m gibi mükemmel fiziksel özellikleridir.
Tekne imalat nda kullan lan reçinelerin mekanik özellikleri Tablo 1.8 ile
verilmi tir. Ayr ca :ekil 1.14 ile reçinelerin tekne imalat nda kullan m yüzdeleri
verilmi tir.
24
Tablo 1.8 Tekne imalat nda kullan lan reçine malzemelerin mekanik özellikleri
(http://www.oceanica.ufrj.br/ocean/cursosead/materiaiscompositos/compositematerials/g_composite_
materials.pdf)
Reçine
Yo3unluk
Çekme
Çekme
Mukavemeti Modülü
Maksimum
Maliyet
Uzama
1995
gr/cm3
MPa
GPa
%
$/kg
1,23
48,3
4,07
1
2,32
1,21
71,1
3,90
2
2,62
Vinyl Ester
1,12
76 – 83
3,38
4–5
3,84
Epoksi
1,20
48 – 76
3,66
5–6
8,57
Ortofitalik
Polyester
sofitalik
Polyester
Denizcilik Sektöründe Reçinelerin Kullan m Yüzdeleri
Epoksi (Di er k s mlarda)
Epoksi (Güvertede)
Reçine
Epoksi (Gövdede)
Vinyl Ester (Di er k s mlarda)
Vinyl Ester (Güvertede)
Vinyl Ester (Gövdede)
Polyester (Di er k s mlarda)
Polyester (Güvertede)
Polyester (Gövdede)
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
:ekil 1.14 Reçinelerin tekne imalat nda kullan m yüzdeleri.
(http://www.oceanica.ufrj.br/ocean/cursosead/materiaiscompositos/compositematerials/g_composite_
materials.pdf)
Tablo 1.8 ve :ekil 1.14 ile görüldü ü gibi yüksek mekanik özelliklerine ra men
yüksek maliyeti epoksi reçinelerin kullan m n k s tlamaktad r. Vinyl esterin mekanik
25
özelliklerinin epoksiye yak n olmas na ra men, maliyetinin polyesterden fazla olmas
kullan m yüzdesini polyesterden a a da olmas na neden olmaktad r.
BÖLÜM K
GRP / PVC SANDV Ç KOMPOZ T N MALATI VE KIRILMA TOKLU U
KAVRAMI
2.1 Problemin Tan7m7
Bu çal ma, tekne imalat nda kullan lan GRP (cam takviyeli plastik) ve PVC
sandviç kompozit sisteminin k r lma toklu una, denizel çevrenin etkisini belirlemek
amac ile yap lm t r. Numune olarak haz rlanan sandviç sistemler; GRP yüzey, PVC
çekirdekten olu mu tur. Yüzey malzemesi 450 g/m2 yo unlu unda cam elyaf ( Ecam ) olup, çekirdek Divinicell H80 malzemedir. Çekirdek ve yüzey malzemesi
isofitalik polyester reçine ile birbirine yap t r larak üretilmi tir. Reçine içerisine
katalizör olarak Metil Etil Keton Peroksit (MEKP) ve Kobalt Naptanat eklenmi tir.
8malat yap lan 10 adet numuneden 5 adeti denizel ortam n etkini görebilmek için
Türk Standartlar Enstitüsü’ nde (TSE) 120 saat boyunca, 50 0C s cakl kta, % 5 NaCl
çözeltisinde bekletilmi tir. Daha sonra tüm numunelerin Mod I k r lma toklu u
deneyi yap lm
ve kuru numuneler ile tuzlu suda bekletilen numunelerin sonuçlar
kar la t r lm t r.
Bu tezin konusunu olu turan GRP / PVC sandviç kompozit numuneleri el
yat rmas metodu ile üretilmi tir. Bu nedenle el yat rmas metodu ayr nt lar ile ele
al nacak, di er imalat yöntemlerine de inilmeyecektir.
2.2 El Yat7rmas7 Metodu
El yat rmas metodu ülkemizdeki küçük tekne imalat nda en s k kullan lan ve
maliyet bak m ndan avantajl olan bir imalat eklidir. El yat rmas yöntemi ile imalat
kalitesinin ustal a ba l olmas ise dezavantajl yönünü olu turmaktad r.
El yat rmas metodu ile tekne imalat kal p kullan larak yap lan bir imalat
yöntemidir (:ekil 2.1). A aç veya metal kal p kullan lacak ise negatif kal p kullan l r
iken, köpük kal p kullan lacak ise pozitif kal p kullan l r.
26
27
Yöntemde haz rlanan kal p üzerine öncelikle ilk katman n kal ba yap mas n
önlemek amac yla cila sürülür. E er imal edilen malzemenin d
yüzeyinin iyi
görünmesi isteniyor ise cila tabakas üzerine jelkot malzemesi sürülür. Jelkot üzerine
kullan lacak yap t r c f rça veya rulo ile tatbik edilir. 8lk kat takviye malzemesi bu
yap t r c üzerine el ile serilir. Serilen takviye malzemesinin üzerine yine yap t r c
malzeme rulo veya f rça ile emdirilerek tatbik edilir. 8lk tabaka takviye malzemesi
yap t r c yla doyurulduktan sonra ikinci kat takviye malzemesi, ilk kat n üzerine
serilir ve yap t r c malzemesi ile doyurulana kadar yap t r c emdirilir. 8mal
edilecek parça gerekli kal nl a ula ana kadar kaç kat takviye malzemesi
kullan lacaksa ayn
ekilde bir biri üzerine yap t rma i lemi devam eder. Kaç kat
takviye malzemesinin kullan laca
ise imal edilecek malzemenin gerekli mekanik
de erlere ula abilmesi için ne kadar kal nl kta imal edilece ine ba l d r, ve önceden
hesaplan r. Gerekli kal nl a ula mak için tüm takviye malzemesi katmanlama i lemi
bittikten sonra kürlenme i lemi ba lar. Kürlenme i lemi için bekleme süresi ortam
s cakl
, kullan lan yap t r c türü, yap t r c içine eklenen malzemeler gibi bir çok
faktöre ba l olarak de i ebilir. Kürlenme sonras nda malzeme kal ptan ç kar l r.
:ekil 2.1 El yat rmas metodu. (Diler, 2006)
28
2.1.1 GRP / PVC Sandviç Kompozitin )malat
Sandviç kompozitlerin imalat el yat rmas metodu ile yap lm t r. Kullan lan
çekirdek malzeme Divinycell HP80 olup mekanik özellikleri Tablo 2.1 ile
verilmi tir. Kullan lan takviye malzemesi 450 gr/m2 yo unlu unda cam elyaf (ECam ) olup, :ekil 2.2, mekanik özellikleri Tablo 1.4 ile verilmi tir. Takviye
malzemesi keçe yap da oldu u için izotropik malzeme özelli i gösterir yani her
yönde ayn mekanik de erlere sahiptir. :unu da belirtmek gerekir ki 1 kat 450 gr/m2
yo unlu undaki cam elyaf, polyestere doydu unda 1 cm kal nl k olu turmaktad r.
Üretilen numunelerin yüzey malzemesi kal nl
3 cm oldu undan yüzeylerde 3 kat
elyaf lamine edilmi tir. Reçine (yap t r c ) malzeme olarak isofitalik s v polyester
kullan lm
olup mekanik de erleri Tablo 1.9 ile verilmi tir. Ayr ca isofitalik reçine
içerisine katalizör olarak Metil Etil Keton Peroksit (MEKP) ve Kobalt Naptanat
eklenmi tir, :ekil 2.3.
Tablo 2.1 PVC Divinycell HP80 mekanik özellikleri
( http://www.diabgroup.com/europe/literature/e_pdf_files/ds_pdf/HP_DS_EU.pdf )
Özellikler
Yo unluk1 , ISO 845
Birim
Kg / m3
80
Bas Mukavemeti2, ASTM D 1621
MPa
1,5
Bas Modülü2, ASTM D 1621
MPa
105
Çeki Mukavemeti2, ASTM D 1623
MPa
2,8
Çeki Modülü2, ASTM D 1623
MPa
100
Kesme Mukavemeti, ASTM C 273
MPa
1,25
Kesme Modülü, ASTM C 273
MPa
28
%
38
Kesme :ekil De i tirmesi, ASTM C 273
1
2
Tipik yo unluk de i imi + / - % 10
Yüzeye dik. Tüm de erlerin ölçüm s cakl
+23 0C
29
:ekil 2.2 Do ranm cam liflerden yap lm keçe elyaf.
(http://drywallmesh.en.alibaba.com/product/50025829/
50061616/Fiberglass_Woven_Roving/Chopped_Strand
_Mat.html)
:ekil 2.3 S v isofitalik polyester.
8lk olarak PVC çekirdek malzemesi haz rlanm t r, ve haz rlan
u ad mlarla
gerçekle mi tir: 38 mm geni likte 15 mm kal nl kta kesilmesi :ekil 2.4, ve
sonras nda 305 mm boyda kesilmesi :ekil 2.5. Böylece çekirdek malzemenin
haz rlanmas tamamlanm t r, :ekil 2.6.
30
:ekil 2.4 Çekirdek malzemesinin haz rlan .
:ekil 2.5 Çekirdek malzemesinin haz rlan .
:ekil 2.6 Çekirdek malzeme. (Divinycell HP80)
Çekirdek malzeme haz rland ktan sonra, takviye malzemesi ile el yat rmas
yöntemi ile laminasyon i lemine s ra gelmektedir. Laminasyon i lemi için öncelikle
laminasyon yap lacak zemin üzerine ilk katman n yap mas n önlemek için cila
sürülür. Daha sonra zemin üzerine polyester reçine tatbik edilir ve birinci tabaka cam
elyaf serilir. Serilen elyaf n üzerine f rça ile polyester emdirilerek elyaf polyestere
doyurulur, :ekil 2.7.
31
:ekil 2.7 Elyafa polyester uygulanmas .
Numunelerin yüzey kal nl
3 mm oldu undan, 3 kat cam elyaf s ra ile ayn
i lemden geçirilerek bir yüzey tamamlan r. Tamamlanan yüzey üzerine, yine
polyester sürülerek PVC çekirdek malzemesi yap t r l r, :ekil 2.8.
:ekil 2.8 Çekirdek malzemenin yap t r lmas .
Çekirdek malzemenin yap mas n tamamlamas için kürlenme süresi kadar
(yakla k 25 dakika) beklenilmi tir. Kürlenmesini tamamlayan polyester kat la arak
yüzeyi ve çekirdek malzemeyi yap t rd ktan sonra kald r lm t r. Hemen akabinde
ikinci yüzeyin haz rlanma i lemi ba lam t r. 8kinci yüzeyin laminasyonu ayn
ekilde 3 kat halinde haz rland ktan sonra, bir yüzeyi ile ilk yüzeye yap k
durumdaki çekirdek malzemelerin di er yüzeylerine de polyester sürülüp haz rlanan
ikinci yüzey üzerine b rak l r ve kürlenme süresi kadar beklenir :ekil 2.9.
32
:ekil 2.9 Sandviç kompozitin haz rlan .
Kürlenme süresi sonunda numuneler
erit testere ile birbirinden ayr l rlar,
:ekil2.10.
:ekil 2.10 Sandviç kompozit numune.
Son olarak haz rlanan sandviç kompozit numunelere uygulanacak olan Mode I
çekme deneyi için mente elerin laminasyonu ve 25,4mm ba lang ç k r
n n aç lmas
i lemi gerçekle tirilir, :ekil 2.11. Mente elerin laminasyonu için yine yüzey
malzemesi olan keçe elyaf ve polyester reçine kullan lm t r.
:ekil 2.11 Mode I deneyi için haz rlanm sandviç kompozit numune.
33
2.2 K7r7lma Toklu3u Kavram7
K r lma toklu u, malzemenin k r lmaya gösterdi i direnci ve malzemeyi hasara
u ratmak için gerekli olan i i gösteren çok önemli bir karakteristik özelliktir. K r lma
toklu u gerilme- ekil de i tirme grafi i alt nda kalan alan ile orant l d r. Bilindi i
gibi malzemeler k r lgan ve düktil olarak ayr l r, ve tipik olarak :ekil 2.12 ile
gösterildi i gibi gerilme- ekil de i tirme grafikleri vard r. Bu iki tür malzemeyi
kar la t racak olursak, k r lgan malzemenin yüksek gerilmeye, düktil malzemenin
ise yüksek
ekil de i tirme özelli ine sahip oldu u görülmektedir. K r lgan
malzemeler genelde yüksek gerilme de erlerine sahip olmalar na ra men, statik
gerilme de erlerinden daha dü ük gerilme de erlerinde ortaya ç kan ve malzemenin
hasar na yol açan k r k ilerlemesine kar
hassast rlar. Bu nedenle tasar mc lar
genellikle daha dü ük gerilme de erine sahip fakat daha yüksek k r lma toklu una
sahip olan düktil malzemeleri tercih ederler.
:ekil 2.12 Gerilme malzeme,
ekil de i tirme grafi i.1: K r lgan
2 Düktil malzeme. (Vasiliev, 2001)
K r lma toklu u ile statik mukavemet aras ndaki ili ki :ekil 2.13 ile verilmi tir.
34
:ekil 2.13 K r lma toklu u statik mukavemet aras ndaki ili ki.
1: Metalik malzeme, 2: Kompozit malzeme. (Vasiliev, 2001)
Grafikte görüldü ü gibi metalik malzemelerin statik mukavemet de erleri
art
nda k r lma toklu u de erlerinde dü ü olmaktad r. Kompozit malzemelerde ise
bu durumun tam tersi olarak artan statik mukavemet artan k r lma toklu una sebep
olmaktad r. Kompozit malzemelerdeki bu fark n nedeni ise hacimsel lif da l m ndan
kaynaklanmaktad r, :ekil 2.14. Kompozit malzeme içindeki lif oran art
statik
mukavemetin art na, ve böylece yorulma mukavemetinin ve k r lma toklu unun
art na neden olmaktad r (Vasiliev, 2001).
:ekil 2.14 Boron Alüminyum kompozitte, vf hacimsel lif
da l m n n, statik mukavemete (1), k r lma toklu una (2),
ve yorulma mukavemetine(3) etkisi. (Vasiliev, 2001)
35
Kompozit malzemelerdeki bu farkl davran n sebebi, kompozit malzemelerin
heterojen mikroyap ya sahip olmas , ve özellikle serbest k r k ilerleyi ini s n rlayan
lif-matris ara yüzeydir.
2.2.1 K r lma Mekani*i Analizi
Malzemelerin karakteristik özelli i olarak bahsedilen k r lma toklu unun
ölçülmesi için literatürde iki farkl yakla mdan bahsedilmektedir. Birinci yakla m
1920 y l nda A. A. Griffith taraf ndan bulunan “Gerilme Büyüklü ü Faktörü”
yakla m d r (Dowling, 1998). Griffith analizi orijinal olarak homojen, izotropik
malzemeler için geli tirilmi tir. Bununla beraber en büyük dezavantaj , bu yakla m
uygulan rken k r k sonundaki gerilme analizine ihtiyaç duyulmas d r. Bu k r k
sonundaki bölgenin gerilme analizi de i ik yükleme durumlar nda bir çok k r k
geometrisinde gerçekle tirildi i için, anizotropik malzemelerde matematiksel
zorluklar nedeniyle k s tl durumlarda yap l r. 8kinci yakla m ise, gerilme büyüklü ü
faktörü yakla m na alternatif olan, çok kullan l ve anlamas kolay olan “Aç a
Ç kan :ekil De i tirme Enerjisi Oran ” yakla m d r. Bu ikinci yakla m ile izotropik
ve anizotropik malzemeler için ayn de erde geçerli sonuçlar elde edilir, ve buradan
“aç a ç kan ekil de i tirme enerjisi oran ” yakla m n n, “gerilme büyüklü ü
faktörü” yakla m ile de ili kili oldu u anla lmaktad r. Bu nedenle, “aç a ç kan
ekil de i tirme enerjisi oran ” yakla m n n, deneysel ve bilgisayarl k r k ilerlemesi
çal malar nda güçlü bir araç oldu u kan tlanm t r (Gibson, 1994).
Bu tez kapsam nda yap lan deneysel çal mada da “aç a ç kan ekil de i tirme
enerjisi oran ” yakla m kullan lm t r. Bu nedenle bu yakla m n incelenmesinde
yarar vard r.
36
2.2.1.1 Aç/'a Ç/kan 0ekil De'i)tirme Enerjisi Yakla)/m/
:ekil 2.15 (a): Tek taraftan çekilen plaka (b): yük-deplasman grafi i. (Gibson, 1994)
:ekil 2.15(a) ile gösterildi i gibi, kal nl k boyunca 2a k r kl do rusal elastik
plakan n, tek yönden bir P yükü ile çekildi ini dü ünelim. Yüksüz durumdan art a
geçen P yükü, yük deplasman grafi inde, :ekil 2.15(b), do rusal bir art
görülmesine neden olur. :imdi burada yük P1, deplasman u1 de erine ula t
k r k ilerlemesinin
nda
a kadar oldu unu kabul edelim. Bu k r k ilerlemesi yükte
P
kadarl k dü ü e, deplasmanda ise u kadarl k art a neden olur. K r k ilerlemesinin
olu umundan hemen önce, plakada depolanan potansiyel enerji U, :ekil 2.15(b) de
OAC üçgenin alan na e ittir. K r k ilerlemesi ile aç a ç kan potansiyel enerji
:ekil 2.15(b) de OAB üçgeninin alan na e ittir. Artan
plakaya yap lan artan i
U,
u deplasman süresince,
W’ dir ve ABDC yamuk alan na e ittir. Bu durumda Mod I
k r k deformasyonu için aç a ç kan ekil de i tirme enerji oran GI, veya k r k
ilerleme alan A ile ili kili olarak ekil de i tirme enerjisindeki de i im oran , öyle
tan mlan r (Gibson,1994):
G I = lim
A
0
W
U
A
=
dW
dA
dU
dA
u: deplasman, P: yük olmak üzere; sistem uygunlu u s, öyle verilmektedir:
(2.1)
37
s=
u
p
(2.2)
Böylece :ekil 2.15(a) ile verilen plakan n potansiyel enerjisi Denklem (2.3) e e it
olur
U=
1
1
Pu = sP 2
2
2
(2.3)
ve
dU
P 1 2 s
= sP
+ P
dA
A 2
A
olur.
(2.4)
K r k ilerlemesi boyunca artan i yakla k olarak
W = P( u )
dr
(2.5)
ve
dW
W
u
u
d
P
s
= lim
= lim P
=P
=P
( sP ) = Ps
+ P2
A 0
A 0
dA
A
A
A
dA
A
A
(2.6)
Denklem (2.4) ve (2.6), Denklem (2.1) de yerine koyulur ise:
GI =
P2 s
2 A
Sabit t kal nl
P2 s
GI =
2t a
bulunur
nda bir plaka için
olur
(2.7)
A = t a d r ve böylece
(2.8)
38
Böylece sistem uygunlu unu, k r k uzunlu unun fonksiyonu olarak çizerek ve
uygulanan yük (P) ile ilgili olarak ds/da e risinin e imini bularak, G I k r lma
toklu unu hesaplayabiliriz. Mod I k r k deformasyonu Pc ve (ds/da)c cinsinden, kritik
aç a ç kan ekil de i tirme enerji oran GIc,:
G IC
Pc2
=
2t
s
a
olur.
(2.9)
c
Deney ile çal ma yapan bilim insanlar n n bak aç s ile bakacak olursak, gerekli
bütün parametreler deney numunesi üzerinden ölçülebildi i için malzeme veya k r k
gerilme da l m ile ilgili bilgi gerekmemesi Denklem (2.9)’ un en bariz avantaj d r.
:unu da eklemek gerekir ki, Denklem (2.9) hem izotropik hem de anizotropik
malzemeler için geçerlidir.
Aç a ç kan ekil de i tirme enerjisi oran yakla m n n di er bir önemli avantaj
da gerilme büyüklü ü faktörü yakla m ile ili kili olmas d r. Irwin taraf ndan
gösterildi i gibi (Gibson, 1994), düzlemsel gerilmeye maruz izotropik malzemelerin
Mod I k r k deformasyonu için iki yakla m aras ndaki ili ki:
K I2 = G I E /
dir
(2.10)
Buradan kritik gerilme büyüklü ü faktürü ve kritik aç a ç kan ekil de i tirme
enerjisi oran aras ndaki ili ki:
2
K IC
= G IC E / olur
(2.11)
Bu ili ki kompozit malzemenin GIc (aç a ç kan enerji) de erinden KIc (gerilme
büyüklü ü faktörü) de erini veya tam tersini hesaplamada kullan l r. (2.10) ve (2.11)
denklemlerinde E / olarak görülen de er, numunenin kal nl
na göre farkl l k
gösterir. Bu farkl l k çok ince olan numuneler için Denklem (2.12) ile, kal nl
çok
ince olmayan numuneler için Denklem (2.13) ile verilmi tir. Bu iki durum aras ndaki
39
fark olu turan, boyuna göre çok ince olan numunelerde
z
= 0 olmas di er
durumda ise bu e itli in bozulmas d r.(Perez, 2004). Numune kal nl
n n k r lma
toklu una etkisi ayr ca :ekil 2.16 ile daha net görülmektedir.
E/ = E
E/ =
(2.12)
E
(2.13)
1
E: Elastisite modülü
: Poisson oran
:ekil 2.16 Numune kal nl
n n k r lma toklu una etkisi. (Perez,2004)
2.2.1.2 Mod I K/r/k Deformasyonu Deneyi
K r lma toklu unu ara t rmak için uygulanan çekme deneyinde malzemeyi üç
farkl mod ile veya bu modlar n kombinasyonlar ile yüklemek mümkündür, :ekil
2.17. Bu modlardan Mod I, açma modu olarak adland r l r ve k r k yüzeylerin basitçe
birbirinden ayr lmas
eklinde gerçekle ir. Mod II, kayma modu olarak adland r l r
ve k r k yüzeylerin k r
yönlendiren kenar n normali do rultusunda birbirleri
üzerinde kaymas eklinde gerçekle ir. Mod III, y rt lma modu olarak adland r l r ve
k r k yüzeylerin birbirleri üzerinde bu defa k r
yönlendiren kenar n normal
40
do rultusuna dik olarak kaymas
eklinde gerçekle ir. Mod I çekme yükü ile
meydana gelirken Mod II ve Mod III durumu farkl do rultulardaki kesme yükü ile
meydana gelir.
:ekil 2.17 Temel k r k yüzeyi ilerleme modlar . (Dowling, 1998)
Çal ma ko ullar nda olu an çatlak veya k r k ilerlemesi genellikle bu modlar n
üçünün bile imi eklinde görülür. Oysa deneysel çal malarda bu modlar n her biri
ayr birer deney ile incelenir. Örne in mühendislikteki k r k problemleri a rl kl
olarak çekme gerilmesinden dolay Mod I ile ilgilenmektedir. Mod I delaminasyonu
geni lik boyunca kademeler aras bölgenin çekiye olan zay fl
n belirgin olarak
gösterdi i için çok ilgilenilmektedir (Gibson, 1994). Muhtemelen Mod I deneyi için
en fazla kullan lan numune, ilk olarak yap kan ba lar n k r lma analizleri için
geli tirilmi ve sonradan katmanl kompozit malzemelerde tabakalar aras k r k için
adapte edilmi olan, çift yönlü ankastre kiri numunesidir. Çift yönlü ankastre kiri
numunesinde yük, iki taraftan ayn anda birbirine ters yönlerde uygulan r. Bu
durumda Mod I k r k aç lmas orta düzlem boyunca gerçekle ir.
Bu tezin konusu olan denizcilikte kullan lan GRP/PVC sandviç kompozit
malzemelerin k r lma toklu u Mod I deneyi ile ara t r lm t r.
BÖLÜM ÜÇ
UYGULANAN MOD I DENEY VE SONUÇLARI
3.1 Uygulanan Mod I Deneyi
:ekil 3.1 ile ön k r kl Mod I deney numunesi, Tablo 3.1 ile numunenin boyutlar
verilmi tir. Üretilen 10 adet GRP/PVC numunesinden 5 adedine, deniz suyunun
numuneler üzerindeki etkilerini görebilmek amac yla, öncelikle korozyon testi
uygulanm t r. Bunun için numunelerin çekirdek yüzeyleri epoksi boya ile boyan p,
numuneler Türk Standartlar Enstitüsünde (TSE) % 5 tuz çözeltisinde 120 saat
tutulmu tur.
:ekil 3.1 Ön k r kl Mod I deney numunesi.
Tablo 3.1 Numune Boyutlar
Uzunluk, l
Yüzey kal nl
, ts
Çekirdek kal nl
, tc Geni lik, b Ba lang ç
Çatla
305 mm
3 mm
Deneyin yap ld
15 mm
38 mm
25 mm
cihaz :ekil 3.2 ile gösterilmi tir. Cihaz Schmadzu AG-50kNG
model olup 50kN çekme yükü uygulayabilmektedir. Deney 21 0C s cakl k ve % 50
ba l nem ko ullar nda yap lm t r.
41
42
:ekil 3.2 Deney cihaz .
Deney için cihaz n progranabilirlik özelli inden yararlan lm
olup kullan lan
program Tablo 3.2 ile verilmi tir. Ayr ca deney cihaz na ba l bilgisayarda deney ile
e zamanl yük-deplasman grafi i olu mu tur. Deney cihaz herhangi bir kalibrasyon
bozulmas na kar n 10 N luk bir ön yükleme ile programlanm t r, her ad mdan sonra
çeneler 10 N luk yüklemeye geri döndü ünde grafik üzerinde kapal alan olu mu tur.
Program sekiz döngüden olu maktad r. Sekiz adet döngü için deplasman ad mlar 4
mm, 6 mm, 10 mm, 16 mm, 26 mm, 38 mm, 52 mm ve 70 mm olarak belirlenmi tir.
Çene hareket h zlar ilerleme için 4 mm/dk geri dönü de ise 15 mm/dk olarak
belirlenmi tir. Her ad m bitiminde geri dönü ba lamadan önce 60 saniyelik bekleme
süresi verilmi bu süre içinde numune üzerinden çatlak boyu manuel olarak 0,01
hassasiyetli digital kumpas ile ölçülmü ve not edilmi tir. Bu ad m için yük de erini
cihaz kendisi ekran nda göstermektedir.
Tablo 3.2 Mod I deneyinde kullan lan program
Komutlar
Parametre
Birim
Control
Get Data
Speed
4
mm/min
10
N
Up
Load>=
Birinci Döngü
Stop
43
Stop
Get Data
Up
Stroke>=
4
mm
60
sec
15
mm/min
10
N
4
mm/min
6
mm
60
sec
15
mm/min
10
N
4
mm/min
10
mm
60
sec
Stop
Get Data
Timer
Get Data
Speed
Down
Load<=
Stop
Get Data
Speed
Stroke>=
Stop
Get Data
Timer
Get Data
Speed
8kinci Döngü
Up
Down
Load<=
Stop
Speed
Up
Stroke>=
Stop
Get Data
Timer
Üçüncü Döngü
Get Data
44
Get Data
Speed
15
mm/min
10
N
4
mm/min
16
mm
60
sec
15
mm/min
10
N
4
mm/min
26
mm
60
sec
15
mm/min
10
N
4
mm/min
Down
Load<=
Stop
Get Data
Speed
Stroke>=
Stop
Get Data
Timer
Get Data
Speed
Dördüncü Döngü
Up
Down
Load<=
Stop
Get Data
Speed
Stroke>=
Stop
Get Data
Timer
Get Data
Speed
Be inci Döngü
Up
Down
Load<=
Speed
Döngü
Get Data
Alt nc
Stop
45
Up
Stroke>=
38
mm
60
sec
15
mm/min
10
N
4
mm/min
52
mm
60
sec
15
mm/min
10
N
4
mm/min
70
mm
60
sec
15
mm/min
Stop
Get Data
Timer
Get Data
Speed
Down
Load<=
Stop
Get Data
Speed
Stroke>=
Stop
Get Data
Timer
Get Data
Speed
Yedinci Döngü
Up
Down
Load<=
Stop
Get Data
Speed
Stroke>=
Stop
Get Data
Timer
Get Data
Speed
Sekizinci Döngü
Up
46
Down
Load<=
10
N
Stop
Get Data
End
:ekil 3.3 ile deney cihaz na numunenin ba lanma ekli, :ekil 3.4 ile yükdeplasman grafi i örne i gösterilmi tir.
:ekil 3.3 Deney cihaz na numunenin ba lanmas .
:ekil 3.4 Yük deplasman grafi i örne i (numune kuru 3).
47
Numunelerin k r lma toklu unun hesaplanabilmesi için bilmesi gereken yük
deplasman grafi indeki kapal alanlar n de eri LUCIA 4.51 paket program yard m
ile bulunmu tur. Bunun için deney cihaz na ba l olarak çal an bilgisayardan
saniyede iki veri alarak çizdi i yük deplasman grafi inin koordinatlar .txt dosyas
olarak al n p bu koordinatlar ile Excel paket program nda grafik çizdirilmi tir. Bu
grafik LUCIA 4.51 paket program n n kabul edece i bir dosya biçiminde (.jpeg)
kaydedilmi tir. Kaydedilen grafik LUCIA 4.51 paket program nda aç ld ktan sonra,
her bir kapal alan içinde kalan piksellerin say lmas yoluyla bir alan hesap edilmi tir.
Ayr ca grafik üzerinden program kalibre edilip 1kNmm lik alan n gerçekte kaç
piksele denk oldu u bulunmu tur. Bulunan bu de er her bir kapal alan için düzeltme
faktörüdür. Yani programdan bulunan her bir kapal alan de eri düzeltme faktörü ile
çarp larak gerçek de er elde edilir. Örnek olarak yük-deplasman grafi inin verildi i
kuru 3. numunenin ilk k r k ad m n n k r lma toklu u hesab gösterilmi tir. Hesapta
kullan lan formül (Shivakumar ve Smith, 2004) (Kolat vd, 2006):
G IC
Pc2
=
2t
s
a
= Gc =
c
1
b
E
a
d r.
(3.1)
Burada; Gc: Numunenin kritik k r lma toklu u, b: Numunenin geni li i,
E :K r k ilerlemesi ile aç a ç kan enerjiye ba l yük-deplasman grafi i alt nda
kalan alan,
a : K r k ilerleme miktar d r.
Örnek olarak kuru 3. numunenin ilk döngüdeki k r lma toklu unu hesaplarsak:
Numune geni li i b= 38 mm,
Grafik üzerindeki LUCIA paket program ile bulunan ilk alan = 66,87 piksel
Düzeltme faktörü =
1
kNmm/piksel
445,76
8lk alan n gerçek de eri
K r k ilerleme miktar
Gc1=
E 1= 66,87*
1
=0,15 kNmm (Joule)
445,76
a = 7,44 mm
1
0,15
= 530,560 J/m2 = 0,53056 kJ/m2 bulunur. Kuru 3. numunenin
0,038 0,00744
k r lma toklu u ise tüm döngülerin k r lma tokluklar n n ortalamas d r.
48
3.2 Deney Sonuçlar7
:ekil 3.5 ile kuru numunenin deneyinden bir örnek görüntü ve :ekil 3.6 ile tuzlu
suda bekletilmi numunenin deneyinden bir görüntü örnek olarak verilmi tir.
:ekil 3.5 Kuru numunenin deneyinden bir örnek görüntü.
:ekil 3.6 Tuzlu suda bekletilmi numunenin deneyinden bir görüntü.
49
3.2.1 Kuru Numunelerin Sonuçlar
Kuru 1. numunenin deneyinden elde edilen yük-deplasman grafi i :ekil 3.7 ile
verilmektedir.
:ekil 3.7 Kuru 1. numune yük-deplasman grafi i.
verilmektedir.
50
verilmektedir.
verilmektedir.
verilmektedir.
51
Kuru numunelerin her döngü için deney sonuçlar Tablo 3.3 ile verilmektedir.
Tablo 3.3 Kuru numunelerin deney sonuçlar
K7r7lma toklu3u, Gc ( kJ/m2 )
1.Döngü 2.Döngü 3.Döngü 4.Döngü 5.Döngü 6.Döngü 7.Döngü 8.Döngü
1.
0
0
0
0,391
0,494
0,588
0,315
0,479
2.
0
0
0,709
0,480
0,427
0,496
0,722
0,517
3.
0,530
0,306
0,173
0,960
0,427
0,493
0
0,828
4.
0,326
0,550
0,412
0,669
0,379
0,446
0,462
0,492
5.
0
0,770
0,578
0,643
-
-
-
-
Kuru numunelerin k r lma tokluklar Tablo 3.4 ile verilmi tir.
Tablo 3.4 Kuru numunelerin k r lma tokluklar ( kJ/m2)
1. Numune 2. Numune 3. Numune 4. Numune 5. Numune Ortalama Standart
Sapma
0,453
0,558
0,531
0,467
0,663
0,534
Kuru numunelerin k r lma toklu u grafi i :ekil 3.12 ile verilmi tir.
± 0,159
52
1,2
1,0
2
(kJ/m )
K r lma Toklu+u, G c
PVC Kuru
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
0
50
100
150
200
250
Çatlak &lerlemesi (mm)
G (Hesaplanan Alanlar)
Ortalama
Standart Sapma
:ekil 3.12 Kuru numuneler k r lma toklu u grafi i.
3.2.2. Tuzlu Suda Bekletilmi Numunelerin Deney Sonuçlar
Tuzlu suda bekletilmi 1. numunenin deneyinden elde edilen grafik :ekil 3.13 ile
verilmi tir.
:ekil 3.13 Tuzlu suda bekletilmi 1. numune yük-deplasman grafi i.
verilmi tir.
53
:ekil 3. 14 Tuzlu suda bekletilmi 2. numune yük-deplasman grafi i.
verilmi tir.
verilmi tir.
54
verilmi tir.
Tuzlu suda bekletilmi numunelerin her döngü için deney sonuçlar Tablo 3.5 ile
verilmektedir.
55
Tablo 3.5 Tuzlu suda bekletilmi numunelerin deney sonuçlar
K7r7lma toklu3u, Gc ( kJ/m2 )
1.Döngü 2.Döngü 3.Döngü 4.Döngü 5.Döngü 6.Döngü 7.Döngü 8.Döngü
1.
0,378
0,509
0,388
0,396
0,523
0,504
0,411
0,364
2.
0,378
0
0,730
0,633
0,712
0,656
0,684
0,641
3.
0,266
0,631
0,627
0,423
0,446
0,513
0,377
0,403
4.
0,865
0,258
0,532
0,624
0,499
0,708
0,532
0
5.
0,526
0,376
0
0,653
0,704
0,493
0,973
0,473
Tuzlu suda bekletilmi numunelerin k r lma tokluklar Tablo 3.6 ile verilmi tir.
Tablo 3.6 Tuzlu suda bekletilmi numunelerin k r lma tokluklar ( kJ/m2)
1. Numune 2. Numune 3. Numune 4. Numune 5. Numune Ortalama Standart
Sapma
0,434
0,633
0,461
Tuzlu suda bekletilmi
0,574
0,6
0,540
± 0,157
numunelerin k r lma toklu u grafi i :ekil 3.18 ile
verilmi tir.
1,2
1
2
(kJ/m )
K r lma Toklu+u, G c
PVC Tuzlu Suda Bekleyen
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Çatlak &lerlemesi (mm)
G (Hesaplanan Alan)
Ortalama
Standart Sapma
:ekil 3.18 Tuzlu suda bekletilmi numunelerin k r lma toklu u grafi i.
180
56
Kuru numuneler ile tuzlu suda bekletilmi
numunelerin k r lma toklu u
kar la t rmal grafi i :ekil 3.19 ile verilmi tir.
2
K r lma Toklu+u, Gc (kJ/m )
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
Kuru
Tuzlu Suda Bekleyen
:ekil 3.19 Kuru numuneler ile tuzlu suda bekletilmi numunelerin k r lma toklu u
kar la t rmal grafi i.
BÖLÜM DÖRT
SONLU ELEMANLAR ANAL Z
4.1 Numunelerin Mekanik Özelliklerinin Bulunmas7
Analiz için gerekli veri olan numunelerin elastisite modülleri ve Poisson oranlar
yap lan çekme deneyi ile bulunmu tur. Yap lan deney sonuçlar Tablo 4.1 ve 4.2 ile
verilmektedir.
Tablo 4.1 Kuru numune çekme deneyi sonuçlar
Yük, F (N)
Çekme ekseninde Kekil
Çekme eksenine dik Kekil
de3iKtirme, T1 (µ)
de3iKtirme, T2 (µ)
0
5200
4152
180
5284
4125
260
5338
4108
440
5502
4056
635
5692
3994
790
5864
3938
955
6036
3885
1085
6180
3835
1140
6254
3816
1220
6354
3779
1360
6516
3730
57
58
Tablo 4.2 Tuzlu suda bekleyen numune çekme deneyi sonuçlar
Yük, F (N)
Çekme ekseninde Kekil
Çekme eksenine dik
de3iKtirme, T1 (µ)
Kekil de3iKtirme, T2 (µ)
0
4685
3744
300
4830
3668
500
5012
3612
690
5188
3556
890
5389
3492
1050
5564
3438
1220
5742
3377
1345
5868
3334
1420
5954
3308
1530
6064
3268
1645
6189
3229
Numuneler için ölçülen bu de erlerden yük, deney cihaz n n ekran ndan
okunmu , çekme yönündeki
ekil de i tirme T1 ve çekme yönüne dik
ekil
de i tirme T2 de erleri ise mikron olarak ayr ca ba lanan straingage göstergesinden
okunmu tur. Uzama miktarlar n n birimsizle tirme için i lem yapmadan önce 10-6 ile
çarp lmas gerekmektedir.
Numunelerin elastisite modüllerinin hesab için 10 adet _F ve _T1 de erleri
hesaplan r. _F de eri numune çekme kesit alan olan 0,003*0,038 m2 ile bölünerek
_` gerilme de eri bulunur. Bulunan her bir _` ve _T1 de eri için E1 de eri bulunur.
n
=
Fn
A
N
m2
A= 0,003*0,038= 0,000114 m2
(4.1)
59
n
En =
× 10 6
n
N
(4.2)
m2
Hesaplanan on adet elastisite modülünün ortalamas
al narak numunelerin
elastisite modülleri bulunur.
Numunelerin Poisson oran n bulmak için benzer olarak on adet _T1 ve _T2
hesaplan r ve on adet
n
bulunur. Poisson oran hesab için bulunan on adet
n
de erinin ortalamas al n r.
n
=
2
(4.3)
1
Yap lan bu hesaplamalar sonucu kuru numune için ve tuzlu suda bekleyen
numune için bulunan elastisite modülleri ve Poisson oranlar Tablo 4.3 ile verilmi tir.
Tablo 4.3 Numunelerin elastisite ve Poisson oranlar
Kuru Numune
Tuzlu Suda Bekleyen Numune
Elastisite Modülü (GPa)
9,58
9,56
Poisson Oran
0,321
0,33
4.2 Sonlu Elemanlar Analizi
Sonlu elemanlar analizi Ansys paket program ile yap lm t r. Sonlu elemanlar
analizi için seçilen eleman tipi PLANE 82 sekiz dü ümlü elemand r. Analiz için iki
boyutlu numune modeli ve uygulanan s n r artlar :ekil 4.1 ve 4.2 ile görülmektedir.
60
:ekil 4.1 2D numune modeli.
:ekil 4.2 Numune s n r artlar .
Analiz için çatlak ucu özel olarak tan mlanm
4.3.
ve elemanlara bölünmü tür, :ekil
61
:ekil 4.3 Çatlak ucu modellenmesi.
Analiz için sonlu eleman modeli 2083 elemana bölünmü ve toplam 5902 dü üm
noktas için hesap yap lm t r. Yap lan analizlerde, kuru numune ve suda bekleyen
numuneyi ayn ko ullarda analiz etmek ad na, iki numune ayn s n r ko ullar ve ayn
say da eleman ve dü üm noktas ile analiz edilmi tir.
4.2.1. Sonlu Elemanlar Analiz Sonuçlar
4.2.1.1 Kuru numune analiz sonuçlar/
Kuru numunenin analiz sonuçlar ndan ekil de i tirme ve gerilme grafikleri :ekil
4.4 ve :ekil 4.5 ile görülmektedir.
62
:ekil 4. 4 Kuru numune ekil de i tirme grafi i.
:ekil 4. 5 Kuru numune gerilme grafi i.
63
Kuru numune için analiz program ile bulunan gerilme büyüklü ü faktörü (Stress
Intensity Factor), K1= 0,27494*107 Pa m , :ekil 4.6 ile verilmi tir.
:ekil 4. 6 Kuru numune gerilme büyüklü ü faktörü, K1.
Analiz ile elde edilen gerilme büyüklü ü faktörü ile, deneysel sonuçlardan elde
edilen aç a ç kan enerji de eri aras ndaki ili ki denklem 2.11, denklem 2.12 ve
denklem 2.13 ile verilmi tir. Bu çal madaki numune kal nl
sebebiyle düzlem ekil
de i tirme esas na göre hesaplamalar yap lm t r. Bu hesaplamalar sonucu
(
)
0,958 × 1010
0,27494 × 10
= Gc ×
1 0,321
J
kJ
Gc = 535,77
= 0,5358
m2
m2
7 2
olarak bulur. Kuru numune için deneysel olarak bulunan de er
Gc= 0,534 kJ/m2
Analizdeki hata oran =
0,5358 0,534
= 0,00335 yani %0.336 d r.
0,5358
64
4.2.1.2 Tuzlu suda bekletilmi) numunenin analiz sonuçlar/
Tuzlu suda bekletilmi
numunenin analiz sonuçlar ndan
gerilme grafikleri :ekil 4.7 ve :ekil 4.8 ile görülmektedir.
:ekil 4. 7 Tuzlu suda bekleyen numune ekil de i tirme grafi i.
:ekil 4. 8 Tuzlu suda bekleyen numune gerilme grafi i.
ekil de i tirme ve
65
Tuzlu suda bekleyen numune için analiz program ile bulunan gerilme büyüklü ü
faktörü (Stress Intensity Factor), K1= 0,27675*107 Pa m , :ekil 4.9 ile verilmi tir.
:ekil 4. 9 Suda bekleyen numune gerilme büyüklü faktörü, K1.
Tuzlu suda bekleyen numune için denklem 2.11 ve denklem 2.12 kullan larak
yap lan hesap ile
(0,27675 × 10 )
0,956 × 1010
1 0,33
J
kJ
Gc = 536,77
= 0,537
2
m
m2
7 2
= Gc ×
sonuçlar bulunur.
Tuzlu suda bekleyen numune için deneysel olarak elde edilen sonuç
Gc= 0,540 kJ/m2 ‘dir.
Analizdeki hata oran =
0,540 0,537
= 0,00555 yani %0,555 olarak bulunmu tur.
0,540
BÖLÜM BE=
DE ERLEND RME
Yap lan bu çal mada; GRP (cam takviyeli plastik) yüzey ve PVC çekirdek
malzemeden olu an sandviç malzemenin k r lma toklu una denizel çevrenin etkisi
deneysel olarak incelenmi tir. Ülkemizde tekne imalat nda en yayg n imalat yöntemi
olan el yat rmas yöntemi ile üretilen on adet numunenin; be adeti denizel çevrenin
etkisini görmek amac yla TSE de 120 saat süreyle, 50 0C s cakl kta, %5 NaCl
çözeltisinde korozyon testine maruz b rak lm , di er be
numune ise deney
sonuçlar n kar la t rmak için kuru b rak lm t r. Yap lan Mod I çekme deneylerinin
sonucunda; tuzlu su testi ile korozyona tabii tutulan numunelerin k r lma tokluklar
ortalamas 0.540 kj/m2 (standart sapma ± 0,157) iken, kuru numunelerin k r lma
tokluklar ortalamalar 0,534 kj/m2 (standart sapma ± 0,159) olarak bulunmu tur.
Elde edilen deney sonuçlar , ayr ca sonlu elemanlar yöntemi kullan larak yap lan
bilgisayar analiz ile de %1’ in alt nda hata oran ile do rulanm t r. Bu sonuçlardan
yola ç karak PVC çekirdekli sandviç kompozit malzemenin k r lma toklu unun,
denizel çevreden etkilenmedi ini söylemek mümkündür.
66
67
KAYNAKLAR
Borsellino, C., Calabrese, L.,ve Valenza, A. (2004). Experimental ad numerical
evaluation of sandwich composite structures. Composite Science and Technology,
64, 1709-1715. 27 Mart 2008, Elsevier
Bader, S. (1994). Crystic polyester handbook. UK: Scott Bader Company
Catwell, W. J., Scudamore, R., Ratcliffe, J. ve Davies, P. (1999). Interfacial fracture
in sandwich laminates. Composite Science and Technology, 59, 2079-2085. !8
Aral k 2006, Elsevier
Chopped
Strand
Mat,
(22
Temmuz
2006).
23
Kas m
2006,
http://drywallmesh.en.alibaba.com/product/50025829/50061616/Fiberglass_Wove
n_Roving/Chopped_Strand_Mat.html
Diabgroup
Malzeme
Katolo'u,
(Aral k
2006).
13
Ocak,
2007;
http://www.diabgroup.com/europe/literature/e_pdf_files/ds_pdf/H_DS_EU.pdf
Dowling, E. N. (1998). Mechanical behaviour of materials. USA: Prentice Hall
Gibson, F. R. (1994). Principles of composite material mechanics. Singapore:
McGraw-Hill
Kaw, A. K. (1997). Mechanics of composite materials. USA: CRC Press
Kolat, K., Ne er, G. ve Özes, Ç. (2006).The effect of sea water exposure on the
interfacial fracture of some sandwich systems in marine use. Composite
Structures, 78, 11-17. 24 :ubat 2006, Elsevier
Komarovsky, A. A. (2003) Physics of strength and fracture control. USA: CRC
Press
68
Kutz, M. (2nd ed.) (1998). Mechanical engineerings’ handbook. USA: John
Wiley&Sons
Manet, V.(1998). The use of Ansys to calculate the behaviour of sandwich structures.
Composite Science and Technology, 58, 1899-1905. 27 Mart 2008, Elsevier
Marine
Composites
(19
Aral k.
2005
).
13
Ocak,
2007.
http://www.oceanica.ufrj.br/ocean/cursosead/materiaiscompositos/compositemate
rials/g_composite_materials.pdf
Papanicolaou, G.C. ve Bakos, D., (1996). Interlaminar fracture behaviour of
sandwich structures, Composites Part A, 27(3), 165-173. 16 Aral k 2006. Elsevier
Perez, N. (2004). Fracture Mechanics. USA: Kluwer Academic Publishers
Scudamore, R. J. ve Cantwell, W. J., (2002). The effect of moisture and loading rate
on the interfacial fracture properties of sandwich structures. Polymer Composites,
23, (3) 406-417. 13 Ocak, 2007. Wiley InterScience
Shivakumar, K. N. ve Smith, S. A. (2004). In situ fracture toughness testing of core
materials in sandwich panels. Journal of Composite Materials, 38, (8) 655-668.
16 Aral k 2006. Sage Publications
Schlotter, M. (2002). 14 Eylül 2006. A comparison of core materials for sandwich
composite
constructions.
http://people.bath.ac.uk/enpms/pdf_files/sandwcore_mat.pdf
Ural, A., Zehnder, T. A. ve Ingraffea, R. A. (2003). Fracture mechanics approch to
facesheet deleminati on in honeycomb: mesurement of energy release rate of the
adhesive bond. Engineering Fracture Mechanics, 70, 93-103. 18 Aral k 2006.
Elsevier
69
Vasiliev, V. V. ve Morozov, V. E. (2001). Mechanics and analyses of composite
materials. New York: Elsevier Science Ltd.
Xiaoming, L. ve Weitsman, Y. J.(2004). Sea-water effects on foam-cored composite
sandwich lay-ups. Composites: Part B, 35, 451-459. 16 Aral k 2006. Elsevier

denizcilikte kullanılan grp / pvc sandviç yapıların kırılma tokluğuna

Transkript

Benzer belgeler

catıa v5

Şerit Testerede Açılmış Zivanalı Birleşmenin Çekme Direncini