The effect of functional nanoclay addition on the mechanical properties and impact behavior of hybrid composites

Abstract

In this study, the effect of functionalized nanoclay (with silane and amine groups) on the mechanical properties and impact behavior of glass fiber / Kevlar-epoxy hybrid composites was experimentally investigated. Nanoclay functionalized at three different concentrations (0%, 1%, and 3%) was mixed into the epoxy resin. Composite samples with layer 12 have been manufactured by handlay-up method. The mechanical properties and impact behaviors under 30J were examined on the prepared composites. The comparisons between the nanoclay and non-nanoclay samples were carried out by using contact force, deflection, impact energy, velocity and time data of the impact tests. Mechanical strength and impact properties of 1% nanoclay added hybrid composites how better performance than that of 0% and 3% nanoclay added hybrid composites. As a result of the good dispersion of clay in the matrix-fiber interface in samples with 1% nanoclay addition, the impact values are reduced by 10% and load bearing capacity is increased to 22%. Futhermore, among bare and 3% nanoclay added hybrid composites, the highest hardness value of 23.60 HV obtained from 1% nanoclay added hybrid composite structures.

Keywords

• Hybrid composite
• Nanoclay
• Impact behavior
• Damage
• Low velocity impact

Hibrit kompozitlerin mekanik özelliklerine ve darbe davranışına fonksiyonelleştirilmiş nanokil ilavesinin etkisi

Öz

Bu çalışmada, cam elyaf/kevlar-epoksi hibrit kompozitlerin mekanik özelliklerine ve darbe davranışlarına fonksiyonellendirilmiş nanokil (silan ve amine gruplu) ilavesinin etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Epoksi reçineye üç farklı konsantrasyonda (%0, %1, ve %3) fonksiyonellendirilmiş nanokil karıştırılmıştır. 12 tabakalı kompozit numuneler el yatırma yöntemiyle üretilmiştir. Üretilen kompozitlerin mekanik dayanımları ve 30J altında yapılan darbe davranışları incelenmiştir. Nanokil ilavesiz ile ilaveli numuneler arasındaki karşılaştırmalar temas kuvveti, çökme, darbe enerjisi, hız ve zaman verileri kullanılarak yapılmıştır. Ağırlıkça %1 nanokilli kompozit malzemenin hem mekanik özellikler açısından hem de darbe direnci açısından daha iyi bir performans sergilediği görülmüştür. %1 nanokil ilaveli numunelerde kilin matriks-fiber ara yüzeyinde iyi dağılması sonucunda çökme değerleri %10 azalmış ve yük taşıma kapasitesini %22 oranında artmasının yanında 23.60 HV sertlik değeri ile saf ve %3 kil katkılı hibrit kompozitlerden ayrılmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• hibrit kompozit
• nanokil
• darbe davranışı
• düşük hızlı darbe
• hasar

Kaynakça

1. S. T. Jenq and J. J. Mo, Ballistic impact response for two-step braided three dimensional textile composites. American Institute of Aeronautics and Astronautics, 34 (2), 375-384, 1996. https://doi.org/10.2514/3.13074
2. A. K. Kaw, Mechanics of Composite Materials. Taylor and Francis, Florida, 2005.
3. M. Aktaş, C. Ataş, B. M. İçten and R. Karakuzu, An experimental investigation of the impact response of composite laminates. Composite Structures, 87 (4), 307-313, 2009. https://doi.org/10.1016/j.compstruct. 2008.02.003
4. S. L. Valença, S. Griza, V. G. Oliveira, E. M. Sussuchi and F. G. C. Cunha, Evaluation of the mechanical behavior of epoxy composite reinforced with kevlar plain fabric and glass/kevlar hybrid fabric. Composites Part B: Engineering, 70, 1-8, 2015. https://doi. org/10.1016/j.compositesb.2014.09.040
5. A. Kaştan, Y. Yalçın, H. Ünal and Ş. Talaş, PA 6/ YYPE / Nanokil kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi. Afyon Kocatepe Üniversitesi, Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 15 (1), 9-20, 2015. https://doi.org/10.5578/fmbd.8851
6. J. A. M. Ferreira, P. Reis, J. D. M. Costa and M. O. W. Richardson, Fatigue behaviour of kevlar composites with nanoclay-filled epoxy resin. Journal of Composite Materials, 47 (15), 1885-1895, 2012.
7. K. Krushnamurty, I. Srikanth, B. Rangababu, S. K. Majee, R. Bauri and C. Subrahmanyam, Effect of nanoclay on the toughness of epoxy and mechanical, impact properties of E-glass-epoxy composites. Advanced Materials Letters, 6 (8), 684-689, 2015. https://doi.org/10.1177/0021998312452024
8. A. Rafiq, N. Merah, R. Boukhili and M. Al-Qadhi, Impact resistance of hybrid glass fiber reinforced epoxy/nanoclay. Polymer Testing, 57, 1-11, 2017. https://doi.org/10.1016/j.polymertesting.2016.11.005

9. M. Uyaner, M. Kara ve N. Ataberk, E Camı/epoksi tabakalı kompozitlerin düşük hızlı darbe davranışına numune boyutlarının etkisi. 8. Uluslararası Kırılma Konferansı, sayfa 361-368, İstanbul, Türkiye, 7-9 Kasım 2007.
10. P. N. B. Reis, J. A. M. Ferreira, P. Santos, M. O. W. Richardsoni and J. B. Santos, Impact response of kevlar composites with filled epoxy matrix. Composite Structures, 94 (12), 3520–3528, 2012. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2012.05.025
11. G. Öner, H. Y. Ünal ve Y. Pekbey, Karbon nanotüp katkılı cam lifi-epoksi kompozitlerin termal ve eğilme özelliklerinin araştırılması. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 8 (4), 805-816, 2017.
12. T. H. Mahdi, M. E. Islam, M. V. Hosur and S. Jeelani, Low-velocity impact performance of carbon fiber-reinforced plastics modified with carbon nanotube, nanoclay and hybrid nanoparticles. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 36 (9), 696-713, 2017. https://doi.org/10.1177/0731684417693429
13. R. Şimşek, Cam-kevlar elyaf/epoksi hibrit kompozitlerin darbe davranışları üzerine fonksiyonellendirilmiş nanokil ilavesinin etkisi. Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2019.
14. M. F. Saraç, M. Mert, İ. Bülbül, İ. Aktitiz, B. S. Yalçın ve R. Varol, Stereolitrografi ile 3B basılabilir nanokil takviyeli polimer yapıların mekanik karakterizasyonu. Iğdır Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 9(3), 1584-1593, 2019. https://doi.org/10.21597/jist.555398
15. M. Sayer, Hibrit kompozitlerin darbe davranışlarının incelenmesi. Doktora Tezi, Pamukkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Türkiye, 2009.
16. A. Alomari, S. Aldajah, S. Hayek, K. Moustafa and Y. Haik, Experimental investigation of the low speed impact characteristics of nanocomposites. Materials Design, 47, 836-841, 2013. https://doi.org/10.1016 /j.matdes.2012.12.079