Al2O3 nanopartikül katkılı aramid elyaf takviyeli epoksi kompozitlerin mekanik özellikleri / Mechanical properties of Al2O3 nanoparticles filled aramid fiber reinforced epoxy composites

Abstract

Elyaf takviyeli polimer kompozitler uzay, otomotiv, deniz, havacılık gibi yüksek performans isteyen yerlerde yaygın olarak kullanılırlar. Bu kompozitler alüminyum ve çelik gibi geleneksel malzemelere kıyasla yüksek dayanım, korozyon direnci ve hafiflik gibi avantajlar sağlamaktadır. Özellikle karbon, cam ve aramid elyaflarla takviye edilmiş termoset kompozitler, mühendislik cihazları, makinalar ve yapılarda geniş bir kabul görmüştür. Kullanılan elyaflar içinde aramid elyafın yüksek dayanım değerlerine sahip olması, hafifliği, yüksek sıcaklığa dayanıklı ve kimyasallara karşı dirençli olması bu elyafları en ilgi çekici elyaflardan biri haline getirmiştir. Son zamanlarda elyaf takviyeli polimer kompozitlerin mekanik özelliklerini arttırmak için çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Matris malzemelerinin çeşitli seramik nanopartiküller ile birleştirilmesi bu konudaki umut verici yaklaşımlardan birisidir. Bu seramik nanopartiküllerden alümina'nın (Al2O3) yüksek dayanım değerleri, oksidasyona karşı direnci ve ısıya ve sıcaklığa karşı yüksek dirence sahip olması bu partikülleri önemli bir katkı malzemesi haline getirmiştir. Bu çalışmada katkı malzemesi olarak silan bağlayıcı ajanı ile modifiye edilmiş alümina nanopartikülleri kullanılarak iki farklı yöntemle aramid elyaf takviyeli kompozitler üretilmiş ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Birinci yöntemde modifiye edilmiş nanopartiküller epoksiye göre kütlece %1, %2, %3, %4 ve %5 oranında epoksi reçinesine homojen bir şekilde dağıtılmış ve bu epoksi reçinesi ile saf aramid elyaflar kullanılarak nanokompozitler üretilmiştir. İkinci yöntemde modifiye edilmiş nanopartiküller epoksiye göre kütlece %1, %2, %3, %4 ve %5 oranında elyaf malzemesinin yüzeyine eklenmiş ve bu elyaflarla saf epoksi reçinesi birleştirilerek nanokompozitler üretilmiştir. Üretilen bu nanokompozitlerin mekanik özellikleri incelendikten sonra her iki yöntem birleştirilerek nanokompozitin mekanik özellikleri daha da arttırılmaya çalışılmıştır. Bunun için gerilme değerlerinin maksimum olduğu %4 katkılı aramid elyaf ile %1 katkılı epoksi reçinesi birleştirilmiş ve yeni bir nanokompozit üretilmiştir. Ayrıca nanopartikül modifiye işleminin olumlu sonuç verip vermediğini gözlemlemek için aynı oranlar kullanılarak modifiye edilmemiş nanopartiküller ile başka bir nanokompozit üretilmiştir. Sonuç olarak modifikasyon işleminin maksimum birim şekil değiştirme, elastisite modülü ve tokluk değerlerini arttırdığı gözlemlenmiş ve ayrıca yöntemleri birleştirmenin maksimum birim şekil değiştirme ve tokluk değerlerine olumlu katkıda bulunduğu tespit edilmiştir. Fiber-reinforced polymer composites are widely used in high-performance areas such as space, automotive, marine, aerospace. These composites provide advantages such as high strength, corrosion resistance and light weight compared to conventional materials such as aluminum and steel. Thermoset composites, especially reinforced with carbon, glass and aramid fibers, have received wide acceptance in engineering devices, machines and structures. High strength values, lightness, high temperature resistance and resistance to chemicals of aramid fibers make these fibers one of the most attractive fibers. Recently, various studies have been carried out to enhance the mechanical properties of fiber-reinforced polymer composites. Combining matrix materials with various ceramic nanoparticles is one of the promising approaches. Alumina (Al2O3), one of these ceramic nanoparticles, has high resistance, oxidation and heat resistance properties. In this study, aramid fiber reinforced composites were produced with two different methods by using silane coupling agent modified alumina nanoparticles and their mechanical properties were investigated. In the first method, the modified nanoparticles were homogeneously dispersed to the epoxy resin by 1%, 2%, 3%, 4% and 5% by mass, and nanocomposites were produced using pure aramid fibers with this epoxy resin. In the second method, the modified nanoparticles were added to the surface of the fiber material by 1%, 2%, 3%, 4% and 5% by mass, and the nanocomposites were produced by combining the pure epoxy resin with these fibers. After the mechanical properties of these produced nanocomposites were investigated, the mechanical properties of the nanocomposites were tried to be increased by combining both methods. For this purpose, 4% wt Al2O3 addition to aramid fiber and 1% wt Al2O3 addition to epoxy resin were combined and a new nanocomposite was produced. In addition, another nanocomposite was produced with unmodified nanoparticles using the same ratios in order to observe whether the nanoparticle modified procedure yielded positive results. As a result, it was observed that the modifying process increases the strain, modulus of elasticity and toughness values, and it has also been determined that combining the methods contributes to the strain and toughness values.