Effect of Layer Configuration and Particle Interlayers on the Mechanical Properties of Carbon Fiber/Epoxy Composites

Öz

This study investigates the development and characterization of carbon fiber-reinforced epoxy composites, with a focus on lightweight design optimization for drone body applications. Laminates with different fiber layer configurations were fabricated using the hand lay-up technique and tested in accordance with ISO 527-2 for tensile strength, ISO 180 for impact resistance, as well as mass and thickness measurements. The results indicate that varying the layer configuration has a significant effect on the balance between mechanical strength and weight reduction, which is critical for aerial vehicle performance. To enhance polymerization efficiency and improve the overall material properties, curing was carried out both at room temperature and under thermal conditions. The findings provide valuable insights into the design–performance relationship of carbon fiber/epoxy composites, highlighting their potential for advanced lightweight structural applications.

Anahtar Kelimeler

• Epoxy Resin
• Carbon Fiber
• Hand Lay-Up Method
• Lightweight Design
• Drone Body Materials

Karbon Fiber/Epoksi Kompozitlerin Mekanik Özellikleri Üzerinde Katman Yapılandırmasının ve Parçacık Ara Katmanlarının Etkisi

Öz

Bu çalışma, karbon fiber takviyeli epoksi kompozitlerin geliştirilmesini ve karakterizasyonunu, özellikle de drone gövdesi uygulamaları için hafif tasarım optimizasyonunu araştırmaktadır. Farklı fiber katman konfigürasyonlarına sahip laminatlar, el yatırması tekniği kullanılarak üretilmiş ve çekme dayanımı için ISO 527-2, darbe dayanımı için ISO 180 ve kütle ve kalınlık ölçümleri uyarınca test edilmiştir. Sonuçlar, katman konfigürasyonunun değiştirilmesinin, hava aracı performansı için kritik öneme sahip olan mekanik dayanım ve ağırlık azaltımı arasındaki denge üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu göstermektedir. Polimerizasyon verimliliğini artırmak ve genel malzeme özelliklerini iyileştirmek için kürleme hem oda sıcaklığında hem de termal koşullar altında gerçekleştirilmiştir. Bulgular, karbon fiber/epoksi kompozitlerin tasarım-performans ilişkisine dair değerli bilgiler sunarak, gelişmiş hafif yapısal uygulamalar için potansiyellerini vurgulamaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Epoksi Reçine
• Karbon Fiber
• El Yapımı Yöntemi
• Hafif Tasarım
• İHA Gövde Malzemeleri

Teşekkür

Drone Gövde İmalatında Tavuk Tüyü Epoksi/Karbon Kullanılarak Bölgesel Takviyeli Kompozitlerin Üretimi ve Karakterizasyonu isimli ve 23.TEKNOLOJİ.02 nolu BAPK projesi ile desteklenmiştir. AKU- BAPK teşekkür ederiz.

Kaynakça

1. Ahmed S., Kumar R., Patel M. Advanced thermal-assisted curing and resin modification effects on CFRP interfaces. Composites Science and Technology, 2024.
2. Baker A., Dutton S., Kelly D. Composite materials for aircraft structures. AIAA; 2004.
3. Campbell FC. Structural composite materials. ASM International; 2010.
4. Chen L., Jin H., Xu Z., Zhang X., Li Y. Role of a gradient interface layer in interfacial enhancement of carbon fiber/epoxy hierarchical composites. Journal of Materials Science 2015; 50(1): 112–121.
5. Chung DDL. Carbon fiber composites. Butterworth-Heinemann; 2010.
6. Daniel IM., Ishai O. Engineering mechanics of composite materials (2nd ed.). Oxford University Press; 2006.
7. Fu J., Zhang M., Jin L., Liu L., Li N., Shang L., Li M., Xiao L., Ao Y. Enhancing interfacial properties of carbon fibers reinforced epoxy composites via Layer-by-Layer self-assembly GO/SiO₂ multilayer films on carbon fibers surface. Applied Surface Science 2019; 470: 543–554.
8. Gay D., Hoa SV. Composite materials: Design and Applications (2nd ed.). CRC Press; 2007; USA.

9. Gojny FH., Wichmann MHG., Köpke U., Fiedler B., Schulte K. Carbon nanotube-reinforced epoxy-composites: Enhanced stiffness and fracture toughness at low nanotube content. Composites Science and Technology 2005; 65(15–16): 2300–2313.
10. Kim J. K., Hu C., Mai Y. W. Effect of curing conditions on the mechanical properties and fracture toughness of epoxy resins. Journal of Applied Polymer Science 2001; 80(14): 2798–2806.
11. Koo JH. Polymer Nanocomposites: Processing, Characterization, and Applications. McGraw-Hill; 2006; USA. Li Y., Ren X., Zhou H. Gradient and hierarchical interlayers for improved delamination resistance in CFRP laminates. Composite Structures, 2022.
12. Liu L., Zhang B. M., Wang DF., Wu ZJ. Effects of cure cycles on void content and mechanical properties of composite laminates. Composite Structures 2006; 73(3): 303–309.
13. Shokrieh MM., Saeedi A., Chitsazzadeh M. Mechanical properties of multi-walled carbon nanotube/epoxy composites. Journal of Composite Materials 2014; 48(9): 1101–1110.
14. Sohn MS., Hu XZ., Kim JK., Walker L. Impact damage characterisation of carbon fibre/epoxy composites with multi-layer reinforcement. Composites Part B: Engineering 2000; 31(8): 681–691.
15. Soutis C. Fibre reinforced composites in aircraft construction. Progress in Aerospace Sciences 2005; 41(2): 143–151. Tsai SW., Hahn HT. Introduction to composite materials. Technomic Publishing; 1980.
16. Tiwari SK., Sahoo S., Tiwari A. Recent progress in the applications of carbon nanomaterials in composites: A review. Composites Part B: Engineering 2021; 212: 108674.
17. Wang L., Chen P., Xu J. Influence of optimized curing schedules on cross-link density and mechanical performance of epoxy-based composites. Journal of Applied Polymer Science, 2020.
18. Zhang J., Chaisombat K. Mechanical behaviour of carbon fibre composites with nanoparticle modified interfaces. Composites Part B: Engineering 2012; 43(1): 76–81.
19. Zhou Z., Tan Y., Liu Q. Hybrid composite laminates for UAV structural applications: improvements in stiffness and crashworthiness. Aerospace Science and Technology, 2023.