Effect of functionalized boron nanoparticles on the adhesively bonded single lap composite joints

Öz

In this study, the effects of hexagonal boron nitride (hBN) and hexagonal boron carbide (hB4C) nanoparticles on adhesive joints were investigated. In order to increase uniform distribution and adhesion of nanoparticles in epoxy adhesive, hBN nanoparticles were functionalized by using 3-(aminopropyl) triethoxysilane and hB4C nanoparticles were functionalized by using 3-(glycidyloxypropyl) trimethoxysilane compound. New nanocomposite adhesives were manufactured by adding functionalized nanoparticles into two different epoxy adhesives with different viscosity values (Araldite 2011 and MGS-LR285) at 0.5%, 1%, 2% and 3% proportions by weight. Single lap adhesive joints were produced with using the new enhanced nanocomposite adhesives and plain woven carbon fiber composites. In order to determine mechanical properties of the adhesive joints, tensile test was carried out according to ASTM D1002 standard. When the results of the study were examined, failure loads of adhesive joints increased by using hBN and hB4C nanoparticles. It can be seen that increase in failure loads depend on reinforcement ratio, types of boron particles and adhesives. Failure load of the joints increased 33% and 31% with the addition of 2 wt.% functionalized hBN and hB4C nanoparticles into Araldite 2011 adhesive, respectively. Similarly, failure load of joints increased 31% and 52%, with the addition of 2 wt.% functionalized hBN and hB4C nanoparticles into MGS-LR285 adhesive, respectively.

Anahtar Kelimeler

• Boron nanoparticles
• Adhesive
• Composite
• Tensile Test
• Failure Load

Proje Numarası

119M939

Fonksiyonelleştirilmiş bor nanopartiküllerinin yapıştırıcıyla birleştirilmiş tek tesirli kompozit bağlantılar üzerinde etkisi

Öz

Yapılan bu çalışmada; hegzagonal bor nitrür (hBN) ve hegzagonal bor karbür (hB4C) nanopartiküllerinin yapıştırma bağlantıları üzerine etkisi araştırılmıştır. Nanopartiküllerin epoksi yapıştırıcı içerisinde homojen dağılımının sağlanması ve adhezyonunun iyileştirilmesi amacıyla; hBN nanopartikülleri 3-(aminopropyl) triethoxysilane, hB4C nanopartikülleri ise 3-(glycidyloxypropyl) trimethoxysilane bileşiği kullanılarak fonksiyonelleştirilmiştir. Fonksiyonelleştirilen nanopartiküller, farklı viskozite değerine sahip iki farklı epoksi yapıştırıcı içerisine (Araldite 2011 ve MGS-LR285), ağırlıkça %0,5, %1, %2 ve %3 oranlarında katılarak yeni nanokompozit yapıştırıcılar üretilmiştir. Geliştirilen nanokompozit yapıştırıcılar ve üretilen düz dokuma karbon fiber kompozitler kullanılarak tek tesirli yapıştırma bağlantıları üretilmiştir. Yapıştırma bağlantılarının mekanik özellikleri ASTM D1002 standardına göre yapılan çekme testi ile belirlenmiştir. Çalışma sonuçları incelendiğinde, fonksiyonelleştirilen hBN ve hB4C nanopartikülleri ile birleştirilmiş bağlantıların hasar yükünde önemli artış sağlanmıştır. Hasar yüklerindeki bu artışın bor nanopartiküllerine, partiküllerin katkı oranına ve yapıştırıcının türüne bağlı olarak değiştiği görülmektedir. Araldite 2011 yapıştırıcısı içerisine ağırlıkça %2 oranında fonksiyonelleştirilmiş hBN ve hB4C nanopartikülleri katkısıyla bağlantıların hasar yükünde sırasıyla %33 ve %31 oranlarında artış elde edilmiştir. Benzer şekilde MGS-LR285 yapıştırıcısı içerisine %2 oranında fonksiyonelleştirilmiş hBN ve hB4C nanopartikülleri katkısıyla ise bağlantıların hasar yükleri sırasıyla %31 ve %52 oranlarında artmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Bor Nanopartikülleri
• Yapıştırıcı
• Kompozit
• Çekme Testi
• Hasar Yükü

Destekleyen Kurum

Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu

Proje Numarası

119M939

Teşekkür

Bu çalışma TÜBTAK 119M939 numaralı projenin sağladığı destekle tamamlanmış olup, yazarlar TÜBİTAK'a teşekkürü bir borç bilirler.

Kaynakça

1. M.D. Banea, M. Rosioara, R.J.C. Carbas, L.F.M. da Silva, Multi-material adhesive joints for automotive industry, Compos. Part B Eng., 151, 71–77, 2018.
2. C. Lutz, Z. Ma, R. Thelen, J. Syurik, O. Il’in, O. Ageev, P. Jouanne, H. Hölscher, Analysis of Carbon Nanotube Arrays for Their Potential Use as Adhesives Under Harsh Conditions as in Space Technology, Tribol. Lett., 67 (10), 1-10, 2019.
3. J.B. Jørgensen, B.F. Sørensen, C. Kildegaard, The effect of residual stresses on the formation of transverse cracks in adhesive joints for wind turbine blades, Int. J. Solids Struct., 163, 139–156, 2019.
4. S. Safaei, M.R. Ayatollahi, A. Akhavan-Safar, M. Moazzami, L.F.M. da Silva, Effect of residual strains on the static strength of dissimilar single lap adhesive joints, The J. of Adhes., 2020.
5. P. Tsokanas, T. Loutas, G. Kotsinis, V. Kostopoulos, W.M. van den Brink, F. Martin de la Escalera, On the fracture toughness of metal-composite adhesive joints with bending-extension coupling and residual thermal stresses effect, Compos. Part B Eng., 185, 2020.
6. A. Çalik, S. Yildirim, An investigation on the effect of parallel slot in bi-adhesive single lap joints with spew fillet, J. Eng. Res., 3, 95–110, 2015.
7. A.A. Taib, R. Boukhili, S. Achiou, S. Gordon, H. Boukehili, Bonded joints with composite adherends. Part I. Effect of specimen configuration, adhesive thickness, spew fillet and adherend stiffness on fracture, Int. J. Adhes. Adhes., 26, 226–236, 2006.
8. X. Shang, E.A.S. Marques, J.J.M. Machado, R.J.C. Carbas, D. Jiang, L.F.M. da Silva, Review on techniques to improve the strength of adhesive joints with composite adherends, Compos. Part B Eng., 177, 2019.

9. F. Nosouhi, M. Farahani, M. Ansari, Experimental and numerical study on the composite adhesive joint reinforcement using wavy edge, J. Adhes. Sci. Technol., 32, 1007–1024, 2018.
10. M. Ashrafi, A. Ajdari, N. Rahbar, J. Papadopoulos, H. Nayeb-Hashemi, A. Vaziri, Adhesively bonded single lap joints with non-flat interfaces, Int. J. Adhes. Adhes., 32, 46–52, 2012.
11. J. R, G.N. Naik, Single and dual adhesive bond strength analysis of single lap joint between dissimilar adherends, Int. J. Adhes. Adhes., 92, 142–153, 2019.
12. A.Y. Kanani, X. Hou, J. Ye, The influence of notching and mixed-adhesives at the bonding area on the strength and stress distribution of dissimilar single-lap joints, Compos. Struct., 241, 112–136, 2020.
13. S.W. Park, B.C. Kim, D.G. Lee, Tensile strength of joints bonded with a nano-particle-reinforced adhesive, J. Adhes. Sci. Technol., 23, 95–113, 2009.
14. Q. Rao, H. Huang, Z. Ouyang, X. Peng, Synergy effects of multi-walled carbon nanotube and graphene nanoplate filled epoxy adhesive on the shear properties of unidirectional composite bonded joints, Polym. Test., 82, 2020.
15. E. Eryildiz, A. Uysal, E. Altan, Mechanical strength of single-lap joints bonded with nano graphene and MWCNT reinforced epoxy-based nanocomposite adhesives, Mater. Test., 61, 349–352, 2019.
16. J. Wie, J. Kim, Thermal properties of binary filler hybrid composite with graphene oxide and pyrolyzed silicon-coated boron nitride, Polymers (Basel)., 12 (11), 2020.
17. Y. Shi, G. Lin, X.F. Ma, X. Huang, J. Zhao, H. Luo, D. Sun, Boron nitride nanoplatelets as two-dimensional thermal fillers in epoxy composites: new scenarios at very low filler loadings, J. Polym. Eng., 40, 859-867, 2020.
18. M. Khalaj, S. Zarabi Golkhatmi, S.A.A. Alem, K. Baghchesaraee, M. Hasanzadeh Azar, S. Angizi, Recent Progress in the Study of Thermal Properties and Tribological Behaviors of Hexagonal Boron Nitride-Reinforced Composites, J. Compos. Sci., 4 (3), 116, 2020.
19. S. Bhatia, S. Angra, S. Khan, A review on mechanical and tribological characterization of boron carbide reinforced epoxy composite, Adv. Compos. Mater., 1-31, 2020.
20. I.A. Akpinar, K. Gültekin, S. Akpinar, H. Akbulut, A. Ozel, Research on strength of nanocomposite adhesively bonded composite joints, Compos. Part B Eng., 126, 143–152, 2017.
21. A.S. Mostovoy, M.A. Vikulova, M.I. Lopukhova, Reinforcing effects of aminosilane-functionalized h-BN on the physicochemical and mechanical behaviors of epoxy nanocomposites, Sci. Rep., 10, 2020.
22. J. Wang, Y. He, Z. Xie, C. Chen, Q. Yang, C. Zhang, B. Wang, Y. Zhan, T. Zhao, Functionalized boron carbide for enhancement of anticorrosion performance of epoxy resin, Polym. Adv. Technol., 29, 758–766, 2018.
23. K. Gültekin, S. Akpinar, A. Gürses, Z. Eroglu, S. Cam, H. Akbulut, Z. Keskin, A. Ozel, The effects of graphene nanostructure reinforcement on the adhesive method and the graphene reinforcement ratio on the failure load in adhesively bonded joints, Compos. Part B Eng. 98, 362–369, 2016.
24. International Organization for Standardization. ISO Standard, 10365: Adhesives-Designation of main failure patterns.