Investigation of Structural and Mechanical Properties of ZrO₂ Doped Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites

Abstract

Carbon fiber reinforced polymer composites have an important place especially in the aviation industry.In this study, carbon fiber reinforced polymer composites were produced by adding ZrO₂ into epoxy resin and the effect of ZrO₂ addition on structural and mechanical properties was examined. Carbon fiber reinforced composites were produced by hand lay-up method by adding 0.5%, 1%, 1.5% and 2% ZrO₂ powder into epoxy resin. Volumetric calculations, shore D hardness test, DSC, tensile test and bending test was performed to determine the interlaminar shear strength (ILSS) of the produced samples were performed. The highest volumetric increase was calculated as 32% in 2% ZrO₂ doped sample. The highest hardness value was measured as 85 shore D in the undoped sample. The highest tensile stress was obtained as 388 MPa in 2% ZrO₂ doped composite. The highest interlaminar shear strength (ILSS) and the highest polymerization enthalpy were observed in undoped composite as 21 MPa and 32.20 j/g, respectively.

Keywords

• Carbon fiber
• Epoxy resin
• ZrO₂ (Zirconium dioxide)

ZrO₂ Katkılanmış Karbon Fiber Takviyeli Polimer Kompozitlerin Yapısal ve Mekanik Özelliklerinin İncelenmesi

Öz

Karbon fiber takviyeli polimer kompozitler özellikle havacılık endüstrisinde önemli bir yere sahiptir. Bu çalışmada, epoksi reçine içine ZrO₂ katkılanarak karbon fiber takviyeli polimer kompozitler üretilmiş ve ZrO₂ katkısının yapısal ve mekanik özellikler üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu amaçla, epoksi reçine içine % 0.5, %1, %1.5 ve %2 oranlarında ZrO₂ tozu katkılanarak, el yatırma tekniği ile karbon fiber takviyeli kompozitler üretilmiştir. Üretilen numunelerin hacimsel hesaplamaları, shore D sertlik testi, DSC, çekme testi ve tabaklar arası kesme mukavemetinin belirlenmesi için eğme testi yapılmıştır. En yüksek hacimsel artış %32 ile %2 ZrO₂ katkılı numunede hesaplanmıştır En yüksek sertlik değeri 85 shore D olarak katkılanmamış numunede ölçülmüştür. En yüksek çekme gerilimi %2 ZrO₂ katkılı kompozitte 388 MPa olarak elde edilmiştir. En yüksek tabakalar arası kesme mukavemeti (ILSS) ve en yüksek polimerleşme entalpisi sırasıyla 21 MPa ve 32.20 j/g olarak katkısız kompozitte gözlemlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Karbon fiber
• Epoksi reçine
• ZrO₂ (Zirkonyum dioksit)

Kaynakça

1. [1] Fan Q, Duan H and Xing X, “A review of composite materials for enhancing support, flexibility and strength in exercise’’ Alexandria Engineering Journal 94, 90–103, 2024
2. [2] Yöney H, “El Yatırma Yöntemi ile Elyaf Takviyeli Kompozit Yapıların Üretilmesi ve Özellikleri”, Yüksek Lisans Tezi, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007 [3] Yalman M. Kadir, Atar İ, Mengeloğlu F, “Epoksi esaslı kompozitlerin mekanik ve fiziksel özellikleri üzerine sodyum hidroksit ile modifiye edilmiş farklı güçlendirici malzemelerin etkisi”, Turkish Journal of Forestry, 25(3), 290-301, 2024
3. [4] Evirgen K. Murat, “Havacılık Sektörü için Otoklavda Üretilen Karbon Fiber Takviyeli Epoksi Polimer Kompozitlerin Termal ve Mekanik Özelliklerine Otoklav Basıncının Etkisi’’ ,Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2023
4. [5] Anthony K, “Advanced Composite Materials for Aerospace Applications’’, Journal of Engineering and Scientific Research, 3(2), 1-4, 2024
5. [6] Barut E, “Farklı Seramik Katkılı Polimer Matrisli Karbon Fiber Kompozit Yapıların Özelliklerinin İncelenmesi’’, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016
6. [7] Yeo K. B, Hamidi H. H, Choong W. H, “Self-healing efficiency study of thermoset-thermoplastic polymer material’’ , Materials Science and Engineering, 1217, 2022, doi:10.1088/1757-899X/1217/1/01200
7. [8] Demir, M. E, Çelik Y ve Kılıçkap H. E, “Cam ve karbon elyaf takviyeli kompozitlerde elyaf cinsinin, yükün, kayma hızı ve mesafesinin abrasiv aşınmaya etkisi’’, Politeknik Dergisi, 22(4), 811-817, 2019
8. [9] Yavaş M. O, “Hafif Silahlara Karşı Bireysel Savunma Amaçlı Kompozit Malzeme Tasarımı ve Balistik Dayanımı’’, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2009

9. [10] Sharma M, Gao S, Mader E, Sharma H , Wei L. Y and Bijwe J, “Carbon fiber surfaces and composite interphases’’, Composites Science and Technology, 102, 35–50, 2014
10. [11] Liu L, Jia C, He J, Zhao F, Fan D, Xing L, Wang M, Wang F, Jiang Z and Yudong H, “Interfacial characterization, control and modification of carbon fiber reinforced polymer composites’’,Composites Science and Technology, 2015 doi: 10.1016/j.compscitech.2015.08.002.
11. [12] Newcomb B. A, “Processing, structure, and properties of carbon fibers’’ , Composites: Part A, 44552016, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesa.2016.10.018
12. [13] Wanga M,, Kang Q and Pan N, “Thermal conductivity enhancement of carbon fiber composites’’, Applied Thermal Engineering, 29, 418–421, 2009
13. [14] Shirvanimoghaddam K, Hamim S.U, Akbari M. K, Fakhrhoseini S. M, Khayyam H, Pakseresht A. H, Ghasali E, Zabet M, Munir K. S, Jia S, Davim J. P, Naebe M, “Carbon fiber reinforced metal matrix composites: Fabrication processes and properties’’ Composites: Part A 92, 70–96, 2017
14. [15] Yetkin S. H, Ünal H ve Hatipoğlu G, “Karbon Fiber Takviyesinin Poli-fital-amit (PPA) Polimerinin Tribolojik Özelliklerine Etkisinin Araştırılması’’, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C, 11(3), 744-755, 2023
15. [16] He H, Li K, Wang J, Sun G, Li Y and Wang J, “Study on thermal and mechanical properties of nano-calcium carbonate/epoxy composites’’, Materials and Design, 32, 4521–4527, 2011
16. [17] Taşdemir M & Ulutaş E, “Düşük Yoğunluklu Polietilenin Mekanik, Fiziksel ve Morfolojik Özelliklerine Alaşımlı Demir Tozunun Etkisi’’, Gazi Üniversitesi Fen bilimleri Dergisi Part C, 12(3), 628-638, 2024
17. [18] Li F, Hu K, Li J and Zhao B, “The friction and wear characteristics of nanometer ZnO filled polytetrafluoroethylene’’, Wear, 249, 877–882, 2002
18. [19] Zhang M. Q, Ronga M.Z, Yu S. L, Wetzel B and Friedrich K, “ Effect of particle surface treatment on the tribological performance of epoxy based nanocomposites’’ Wear, 253, 1086–1093, 2002
19. [20] Kaner S, “Polimer Matrisli Karbon Kompozit Malzemelerin SiC Takviye Oranlarının Mekanik ve Metalurjik Özelliklere Etkileri’’, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C, 12(2), 605-614, 2024
20. [21] Güneş A & Deniz M. E, “Yumurta Kabuğu Takviyeli Polimer Kompozitlerin Mekanik Davranışının İncelenmesi’’, BEÜ Fen Bilimleri Dergisi, 10 (2), 453-468, 2021
21. [22] Florek P , Król M , Jele ´n P and Mozgawa W, “Carbon Fiber Reinforced Polymer Composites Doped with Graphene Oxide in Light of Spectroscopic Studies’’, Materials, 14, 1835, 2021
22. [23] Ulutaş E, Eker Gümüş B ve Taşdemir M, “The Effect of Graphene on the Mechanical Properties of High Density Polyethylene (HDPE)/Zinc Borate Polymer Composite’’, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C, 11(1), 133-142, 2023
23. [24] Güldaşı A, Altuğ M, Temel S, “Aluminyum Tozu Takviyeli Polipropilenin Viskozite Değerlerinin İncelenmesi’’, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part:C, 4(3), 147-158 2016
24. [25] Kılınçel M & Yılmaz E, “Aerosil ve Tinkal Parçacık Takviyesinin Yığın Kalıp Bileşiği (BMC) Kompozitlerin Mekanik Özelliklerine Etkisinin İncelenmesi’’, Gazi Üniversitesi Gazi University Fen Bilimleri Dergisi Part:C, 12(3), 724-733, 2024
25. [26] Akinci A, Sen S. and Sen S., “Friction and wear behavior of zirconium oxide reinforced PMMA composites’’ Composites: Part B, 56, 42–47, 2016
26. [27] Speight J.G. “Monomers, Polymers, and Plastics’’ Handbook of Industrial Hydrocarbon Processes, 499-537, 2011
27. [28] Dorigato A., Pegoretti A., Bondioli F. & Messori M., Improving Epoxy Adhesives with Zirconia Nanoparticles, Composite Interfaces 17, 873–892, 2010
28. [29] Rahmah N. M.,Comparing the Effects of ZnO and ZrO2 Nanomaterials on the Mechanical, Chemical, and Crystalline Properties of Epoxy Resin (DGEBA), Science des Matériaux, 48, 101-107, 2024.
29. [30] Li J., Peng C., Li Z., Wu Z. and Liac S., The improvement in cryogenic mechanical properties of nano-ZrO2/epoxy composites via surface modification of nano-ZrO2, The Royal Society of Chemistry, 6, 61393–61401, 2016
30. [31] Toorchi D., Khosravi H. and Tohidlou E., Synergistic effect of nano-ZrO2/graphene oxide hybrid system on the high-velocity impact behavior and interlaminar shear strength of basalt fiber/epoxy composite, Journal of Industrial Textiles, 0(0) 1–20, 2019
31. [32] Nayak R. K., Mahato K. K. and Ray B.C., Water absorption behavior, mechanical and thermal properties of nano TiO2 enhanced glass fiber reinforced polymer composites, Composites: Part A , 90, 736–747, 2016
32. [33] Kumar K., Ghosh P K., Kumar A. and Singh O., Enhanced Thermomechanical Properties of ZrO2 Particle Reinforced Epoxy Nanocomposite, JMEPEG, 30, 145–153, 2021