Identification of mechanical properties of graphene-epoxy nanocomposites using nanoindentation technique

Abstract

Gelişen teknoloji, topluma birçok alanda gün geçtikçe daha üstün performanslar sergileyen ileri malzemeler kullanma imkanı tanımaktadır. Kompozit malzemeler de söz konusu malzemeler sınıfında yer almaktadır. Kullanıldıkları araç ve gereçlerde hafiflik sağlamalarının yanı sıra, enerji tüketiminin azaltılmasında da büyük rol oynarlar. Sahip oldukları güçlü karbon-karbon bağları sayesinde karbon temelli malzemeler kompozitlerde en sık kullanılan takviye elemanlarındandır. Özellikle nano boyutta sentezlenen parçacıklar katıldıkları matrislerde çok daha iyi sonuçlar verirler. Grafin tek duvarlı bir karbon nanotüpün açılmış haline benzer bir yapıya sahiptir. Tekil bir katman halindense daha çok plaka yığınları halinde mevcutturlar. Ancak tek veya birkaç bir plaka şeklinde sentezlendiklerinde tek duvarlı karbon nano tüplerden daha iyi bir biçimde mekanik özelliklerini matrislere aktarırlar. Nano malzemelerin nispeten pahalı olması, yapı elemanı olarak kullanılmasının yanı sıra kaplamada da kullanılmaları gibi sebeplerden dolayı, malzeme karakterizasyonunun çekme deneyi ile yapılması zordur. Nanoindentasyon testleri bu tür zorluklara bir çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Çekme testleri ile kıyaslandığında çok küçük boyutlarda ve miktarlarda numuneler test için yeterli olabilmektedir. Her ne kadar birçok ilerleme kaydedildi ise de, normalde çekme testinden elde edilen ve malzemenin mekanik özellikleri hakkında bilgi veren gerilme-gerinim eğrisinin nanoindentasyon testi ile kesin tespiti için daha çok çalışmaların yapılması gerekmektedir. Bu tez çalışmasında üretimi ve nanoindentasyon testleri tez yürütücüsü Prof. Dr. Özgen Ü. ÇOLAK ve Ardavan ZANDIATASHBAR tarafından gerçekleştirilen grafinepoksi nanokompozitlerin viskoplastik malzeme özelliklerinin nanoindentasyon testleri ve sayısal modellemeleri yolu ile tespit edilmesi araştırılmıştır. Tez beş bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde literatür i, tezin amacı ve hipotez verildikten sonra ikinci ve üçüncü bölümlerde söz konusu malzeme ve yöntem hakkında detaylı bir literatür taraması sunulmuştur. Dördüncü bölümde nanoindentasyon ile viskoplastik parametre tespit yöntemi anlatılmıştır. Beşinci bölümde sonuç ve öneriler sunulmuştur. İkinci bölümde ilgili malzeme hakkında genel bilgiler verilmiştir. Grafin, epoksi ve grafin-epoksi nanokompozitin yapısı, özellikleri ve çeşitli sentezleme yöntemleri hakkında kısa bir bilgilendirme yapılmıştır. Grafinin diğer karbon temelli nano malzemelerle kıyaslandığında sahip olduğu artılar ve eksiler anlatılmıştır. Nanoindentasyon tekniğinin ortaya çıkışı ve elastisite modülünün tespiti için kullanılan nanoindentasyonun teorik temeli üçüncü bölümde ele alınmıştır. Brinell' den başlayarak sertlik ölçme tekniği ve indentasyon kontağını açıklamak için geliştirilen teoriler açıklanmıştır. Elastisite modülü tespit yöntemine yapılan katkılar çalışmaların tarihsel sırasına göre anlatılmıştır. Söz konusu yöntemin viskoplastik malzemelere uygulanabilirliği ifade edilmiştir.Dördüncü bölümde grafin-epoksi nanokompozitin nanoindentasyon testleri ve nanoindentasyonun sayısal benzetimleri kullanarak viskoplastik malzeme özelliklerini tespit yöntemi tahlil edilmiş ve olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Yöntemin tahlili sırasında nanoindentasyonun sayısal modellemesi ile ilgili bir takım tespitlerde bulunulmuştur. Beşinci bölümde, yapılan çalışmalarda elde edilen sonuçlar biçiminde anlatılmıştır.