ÜÇ BOYUTLU HİBRİT KOMPOZİTLERİN ÜRETİMİ VE MEKANİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Abstract

Bu çalışma, üç boyutlu (3B) dokuma hibrit kumaşlardan üretilen kompozit malzemelerin çekme, eğilme ve kayma testleri yardımı ile mekanik performanslarını detaylı bir şekilde incelemeyi amaçlamaktadır. Yüksek mukavemet, deformasyon toleransı ve çok yönlü yük taşıma kapasitesinin kritik olduğu mühendislik uygulamaları için, dokuma yapı tiplerinin ve filament kombinasyonlarının performansa etkisi araştırılmıştır. Çalışmada üç farklı tip dokuma yapısı ile üç farklı tip filament kombinasyonu kullanılarak üretilen numuneler üzerinde mekanik testler gerçekleştirilmiş ve malzeme özellikleri kapsamlı bir şekilde analiz edilmiştir. Bu çalışmada kullanılan Tip I (düzenli ve simetrik yerleşimli temel yapı), Tip II (yoğun bağlantılı ve z-yönlü elyaf takviyeli yapı) ve Tip III (açılı elyaf yerleşimine sahip hibrit yapı) dokuma tipleri; kompozitlerin farklı yükleme senaryoları altında gösterdiği yapısal tepkileri analiz etmek üzere tasarlanmıştır. Cam-Cam (CC), Polyester-Cam (PC), Cam-Karbon (CK) ve Polyester-Karbon (PK) filament kombinasyonları ise, ilgili dokuma tiplerinin mukavemet, deformasyon kapasitesi ve enerji sönümleme davranışlarını hedef uygulamalara göre optimize etmek amacıyla seçilmiştir. Çekme testleri sonuçları, dokuma yapılarının ve filament kombinasyonlarının kompozitlerin çekme dayanımını önemli ölçüde etkilediğini göstermiştir. Tip I dokuma, homojen yük dağılımı sağlayarak çekme dayanımı açısından düzenli bir performans sergilemiştir. Tip II dokuma, tabakalar arası yerleşim stratejisi sayesinde en yüksek çekme mukavemetine ulaşmıştır; ancak elastikiyetinin sınırlı olması, deformasyon toleransını azaltmıştır. Tip III dokuma, yüksek enerji absorpsiyonu ve yük taşıma kapasitesi ile çekme testlerinde en dengeli ve üstün performansı sunmuştur. Cam-cam elyaf kombinasyonu, çekme dayanımı açısından en yüksek mukavemeti sağlarken, cam-polyester kombinasyonu, daha fazla deformasyon kapasitesi ile esnek yapılar için uygun bir seçenek olduğunu göstermiştir. Eğilme testleri, Tip III dokuma yapısının eğilme dayanımı açısından en yüksek performansı sergilediğini ortaya koymuştur. Bu yapı, açılı elyaf yerleşimi sayesinde eğilme yükleri altında mükemmel bir direnç ve deformasyon toleransı sağlamıştır. Tip II dokuma, eğilme testlerinde de yüksek mukavemet göstermiş ancak esneklik eksikliği nedeniyle yer değiştirme kapasitesinde sınırlı kalmıştır. Tip I dokuma ise eğilme dayanımı açısından daha düşük performans göstermiştir. Filament kombinasyonları arasında cam-cam elyaf, eğilme mukavemeti açısından en dayanıklı kombinasyon olarak öne çıkmış, cam-polyester elyaf kombinasyonu ise yüksek deformasyon kapasitesiyle darbe dayanımı gerektiren uygulamalar için uygun bir profil sunmuştur. Kayma testleri, dokuma yapılarının kompozit malzemelerin düzlem içi yük taşıma kapasiteleri üzerindeki etkisini değerlendirmiştir. Tip III dokuma, açılı elyaf yerleşimi sayesinde kayma yüklerine karşı yüksek direnç sağlamış ve dengeli bir yük dağılımı sunmuştur. Tip II dokuma, kayma mukavemeti açısından ikinci sırada yer almış, ancak gerilme altında oluşan lokalize deformasyonlar nedeniyle performans kaybı göstermiştir. Tip I dokuma, kayma dayanımı açısından en düşük performansı sergileyerek bu tür uygulamalar için daha sınırlı bir kullanım potansiyeline sahip olduğunu ortaya koymuştur. Sonuç olarak, bu çalışma, çekme, eğilme ve kayma testlerinden elde edilen bulgular ışığında, üç boyutlu dokuma tipinin ve filament kombinasyonlarının kompozit malzemelerin mekanik performansını büyük ölçüde şekillendirdiğini ortaya koymaktadır.This study aims to investigate in detail the mechanical performance of composite materials produced from three-dimensional (3D) woven hybrid fabrics using tensile, flexural and shear tests. For engineering applications where high strength, deformation tolerance and multi-directional load carrying capacity are critical, the effect of weave structure types and filament combinations on performance was investigated. In the study, mechanical tests were performed on samples produced using three different types of weave structures and three different filament combinations, and the material properties were comprehensively analyzed. Type I (basic structure with regular and symmetrical layout), Type II (densely bonded and z-directional fiber reinforced structure) and Type III (hybrid structure with angled fiber layout) weave types used in this study were designed to analyze the structural responses of composites under different loading scenarios. Glass-Glass (CC), Polyester-Glass (PC), Glass-Carbon (CK) and Polyester-Carbon (PK) filament combinations were selected to optimize the strength, deformation capacity and energy absorption behavior of the respective weave types for target applications. The results of the tensile tests showed that weave structures and filament combinations significantly affected the tensile strength of the composites. Type I webbing exhibited a consistent performance in terms of tensile strength by providing homogeneous load distribution. Type II webbing achieved the highest tensile strength due to its interlayer layout strategy; however, its limited elasticity reduced its deformation tolerance. Type III webbing offered the most balanced and superior performance in tensile tests with high energy absorption and load carrying capacity. The glass-glass fiber combination provided the highest tensile strength, while the glass-polyester combination, with its greater deformation capacity, proved to be a suitable option for flexible structures. Bending tests revealed that the Type III woven structure exhibited the highest performance in terms of bending strength. This structure provided excellent resistance and deformation tolerance under bending loads due to its angled fiber arrangement. Type II webbing also showed high strength in bending tests but was limited in displacement capacity due to lack of flexibility. Type I webbing performed lower in terms of bending strength. Among the filament combinations, glass-glass fiber stood out as the most durable combination in terms of bending strength, while the glass-polyester fiber combination offered a profile suitable for applications requiring impact resistance with its high deformation capacity. Shear tests evaluated the effect of weave structures on the in-plane load carrying capacity of composite materials. Type III webbing provided high resistance to shear loads due to its angled fiber arrangement and provided a balanced load distribution. Type II webbing ranked second in terms of shear strength, but showed a loss of performance due to localized deformations under tension. Type I webbing performed the lowest in terms of shear strength, indicating a more limited potential for use in this type of application. In conclusion, this study reveals that the type of three-dimensional weave and filament combinations greatly shape the mechanical performance of composite materials in the light of the findings from tensile, flexural and shear tests.