Araştırma Makalesi
BibTex RIS Kaynak Göster

Mechanical performance of nano-calcite (nano-CaCO3) particle reinforced carbon fiber/epoxy (CF/EP) composites under different loading conditions

Yıl 2024, Cilt: 30 Sayı: 3, 302 - 309, 29.06.2024

Öz

The aim of this study is to investigate the effects of nano calcite (nano-CaCO3) particles on the mechanical properties of carbon fiber/epoxy (CF/EP) composites manufactured by vacuum-infusion process. For this aim, nano calcite (nano-CaCO3) particles at different loading ratios (1wt. %, 3wt. % and 5wt. %) were integrated into the epoxy matrix by pre-dispersion method. Then, reference and nano-CaCO3 reinforced CF/EP composites were manufactured by vacuum-infusion method. Short-beam shear, end-notch flexure (ENF) and Charpy impact tests were carried out on the prepared composite test specimens according to relevant ASTM standards. Additionally, the thermomechanical response of the composite specimens was determined via dynamic mechanical analysis (DMA). The fractured surfaces were examined by scanning electron microscopy (SEM). The results showed that the nano calcite particles could improve interlaminar shear strength (ILSS), Mode-II fracture toughness and Charpy impact strength by 17.4%, 34.1% and 10.0%, respectively, compared to the reference CF/EP composites. For these loading conditions, the optimum nano-CaCO3 amounts were determined as 1%, 5% and 3%, respectively. DMA results showed that the nano-CaCO3 particles had no significant effect on the glass transition temperature (Tg) of the composites.

Kaynakça

  • [1] Zeng Y, Liu, H-Y, Mai Y-W, Du X-S. “Improving interlaminar fracture toughness of carbon fibre/epoxy laminates by incorporation of nano-particles”. Composites Part B: Engineering, 43, 90-94, 2012.
  • [2] Ma J, Mo M-S, Du X-S, Rosso, P, Friedrich K, Kuan H-C. “Effect of inorganic nanoparticles on mechanical property, fracture toughness and toughening mechanism of two epoxy systems”. Polymer, 49, 3510-3523, 2008.
  • [3] Hsieh TH, Kinloch AJ, Masania K, Lee JS, Taylor AC, Sprenger S. “The toughness of epoxy polymers and fibre composites modified with rubber microparticles and silica nanoparticles”. Journal of Materials Science, 45, 1193-1210, 2010.
  • [4] Park YT, Qian YQ, Chan C, Suh T, Nejhad, MG, Macosko, CW, Stein A. “Epoxy toughening with low graphene loading”. Advanced Functional Materials, 25, 575-585, 2015.
  • [5] Loos MR, Pezzin SH, Amico SC, Bergmann CP, Coelho LAF. “The matrix stiffness role on tensile and thermal properties of carbon nanotubes/epoxy composites”. Journal of Materials Science, 43, 6064-6069, 2008.
  • [6] Liu K, Macosko CW. “Can nanoparticle toughen fiber-reinforced thermosetting polymers?”. Journal of Materials Science, 54, 4471-4483, 2019.
  • [7] Shahbakhsh S, Tohidlou E, Khosravi H. “Influence of modified carbonate calcium nanoparticles on the mechanical properties of carbon fiber/epoxy composites”. The Journal of The Textile Institute, 111(4), 550-554, 2020.
  • [8] Chan CM, Wu J, Li JX, Cheung Y.K. “Polypropylene/calcium carbonate nanocomposites”. Polymer, 43, 2981-2992, 2002.
  • [9] Zuiderduin WCJ, Westzaan C, Huétink J, Gaymans RJ, “Toughening of polypropylene with calcium carbonate particles”. Polymer, 44, 261-275, 2003.
  • [10] Misra RDK, Nerikar P, Bertrand K, Murphy D, “Some aspects of surface deformation and fracture of 5-20% calcium carbonate-reinforced polyethylene composites”. Materials Science and Engineering, 384, 284- 298, 2004.
  • [11] Deshmane C, Yuan Q, Misra RDK. “On the fracture characteristics of impact tested high density polyethylene-calcium carbonate nanocomposites”. Materials Science and Engineering, 452-453, 592-601, 2007.
  • [12] Eskizeybek V, Ulus H, Kaybal HB, Şahin ÖS, Avcı A. “Static and dynamic mechanical responses of CaCO3 nanoparticle modified epoxy/carbon fiber nanocomposites”. Composites Part B: Engineering, 140, 223-231, 2018.
  • [13] He H, Zhang Z, Wang J, Li K. “Compressive properties of nano-calcium carbonate/epoxy and its fibre composites”. Composites Part B: Engineering, 45, 919-924, 2013.
  • [14] He H, Gao F. “Resin modification on interlaminar shear property of carbon fiber/epoxy/nano-CaCO3 hybrid composites”. Polymer Composites, 38(9), 2035-2042, 2017.
  • [15] Seyhan AT, Tanoglu M, Schulte K. “Mode I and mode II fracture toughness of E-glass non-crimp fabric/carbon nanotube (CNT) modified polymer based composites”. Engineering Fracture Mechanics, 75(18), 5151-5162, 2008.
  • [16] Beylergil B, Tanoglu M, Aktas E. “Enhancement of interlaminar fracture toughness of carbon fiber-epoxy composites using polyamide-6,6 electrospun nanofibers”. Journal of Applied Polymer Science, 134(35), 45244, 2017.
  • [17] Beylergil B., Al-Nadhari A., Yildiz M. “Optimization of Charpy-impact strength of 3D-printed carbon fiber/polyamide composites by Taguchi method”. Polymer Composites, 44(5), 2846-2859, 2023.
  • [18] Yurdakul K. Kalsiyum karbonat (CaCO3) dolgulu polietilen filmlerin hazırlanması ve geçirgenlik özelliklerinin incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2011.
  • [19] Quaresimin M, Schulte K, Zappalorto, M, Chandrasekaran, S. “Toughening mechanisms in polymer nanocomposites: From experiments to modelling”. Composites Science and Technology, 123, 187-204, 2016.
  • [20] Beylergil B, Tabrizi IE, Zanjani JS, Saeidiharzand S, Poudeh LH, Yildiz M. “Experimental failure analysis and mechanical performance evaluation of fiber-metal sandwich laminates interleaved with polyamide-6,6 interlayers through the combined usage of acoustic emission, thermography and microscopy techniques”. Journal of Sandwich Structures & Materials, 23(7), 3044-3080, 2021.
  • [21] Durukan S. N., Beylergil B, Dulgerbaki C. “Effects of silane-modified nano-CaCO3 particles on the mechanical properties of carbon fiber/epoxy (CF/EP) composites”. Polymer Composites, 44(3), 1805- 1821, 2023.

Nanokalsit (nano-CaCO3) partikül takviyeli karbon fiber/epoksi (KF/EP) kompozitlerin farklı yükleme koşulları altında mekanik performansı

Yıl 2024, Cilt: 30 Sayı: 3, 302 - 309, 29.06.2024

Öz

Bu çalışmanın amacı, nanokalsit (nano-CaCO3) partiküllerin vakum infüzyon yöntemiyle üretilmiş karbon fiber/epoksi kompozitlerin mekanik performansı üzerine etkilerini incelemektir. Bu amaçla, nanokalsit (nano-CaCO3) partiküller ağırlıkça farklı oranlarda (%1, %3 ve %5) epoksi matris içerisine ön-dispersiyon yöntemi ile entegre edilmiştir. Referans ve nanokalsit partikül takviyeli karbon fiber/epoksi (KF/EP) kompozitler, vakum infüzyon yöntemi ile üretilmiştir. Üretilen kompozit deney numunelerine ASTM standartlarına göre kısa-kiriş kayma, son-çentik eğme ve Charpy darbe testleri gerçekleştirilmiştir. Buna ek olarak, kompozitlerin termomekanik davranışları dinamik mekanik analizleri (DMA) ile belirlenmiştir. Kırılma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiştir. Sonuçlara göre, nanokalsit partiküllerin, referans KF/EP kompozitlere göre, ara yüzey kayma mukavemetini (ILSS), Mod-II kırılma tokluğunu ve Charpy darbe dayanımını sırasıyla %17.4, %34.1 ve %10.0 oranında arttırdığı gözlemlenmiştir. Bu yükleme koşulları için, optimum nano-CaCO3 oranları sırasıyla %1, %5 ve %3 olarak belirlenmiştir. DMA analiz sonuçlarına göre, nanokalsit partiküllerin kompozit camsı geçiş sıcaklığına (Tg) önemli bir etkisi görülmemiştir.

Kaynakça

  • [1] Zeng Y, Liu, H-Y, Mai Y-W, Du X-S. “Improving interlaminar fracture toughness of carbon fibre/epoxy laminates by incorporation of nano-particles”. Composites Part B: Engineering, 43, 90-94, 2012.
  • [2] Ma J, Mo M-S, Du X-S, Rosso, P, Friedrich K, Kuan H-C. “Effect of inorganic nanoparticles on mechanical property, fracture toughness and toughening mechanism of two epoxy systems”. Polymer, 49, 3510-3523, 2008.
  • [3] Hsieh TH, Kinloch AJ, Masania K, Lee JS, Taylor AC, Sprenger S. “The toughness of epoxy polymers and fibre composites modified with rubber microparticles and silica nanoparticles”. Journal of Materials Science, 45, 1193-1210, 2010.
  • [4] Park YT, Qian YQ, Chan C, Suh T, Nejhad, MG, Macosko, CW, Stein A. “Epoxy toughening with low graphene loading”. Advanced Functional Materials, 25, 575-585, 2015.
  • [5] Loos MR, Pezzin SH, Amico SC, Bergmann CP, Coelho LAF. “The matrix stiffness role on tensile and thermal properties of carbon nanotubes/epoxy composites”. Journal of Materials Science, 43, 6064-6069, 2008.
  • [6] Liu K, Macosko CW. “Can nanoparticle toughen fiber-reinforced thermosetting polymers?”. Journal of Materials Science, 54, 4471-4483, 2019.
  • [7] Shahbakhsh S, Tohidlou E, Khosravi H. “Influence of modified carbonate calcium nanoparticles on the mechanical properties of carbon fiber/epoxy composites”. The Journal of The Textile Institute, 111(4), 550-554, 2020.
  • [8] Chan CM, Wu J, Li JX, Cheung Y.K. “Polypropylene/calcium carbonate nanocomposites”. Polymer, 43, 2981-2992, 2002.
  • [9] Zuiderduin WCJ, Westzaan C, Huétink J, Gaymans RJ, “Toughening of polypropylene with calcium carbonate particles”. Polymer, 44, 261-275, 2003.
  • [10] Misra RDK, Nerikar P, Bertrand K, Murphy D, “Some aspects of surface deformation and fracture of 5-20% calcium carbonate-reinforced polyethylene composites”. Materials Science and Engineering, 384, 284- 298, 2004.
  • [11] Deshmane C, Yuan Q, Misra RDK. “On the fracture characteristics of impact tested high density polyethylene-calcium carbonate nanocomposites”. Materials Science and Engineering, 452-453, 592-601, 2007.
  • [12] Eskizeybek V, Ulus H, Kaybal HB, Şahin ÖS, Avcı A. “Static and dynamic mechanical responses of CaCO3 nanoparticle modified epoxy/carbon fiber nanocomposites”. Composites Part B: Engineering, 140, 223-231, 2018.
  • [13] He H, Zhang Z, Wang J, Li K. “Compressive properties of nano-calcium carbonate/epoxy and its fibre composites”. Composites Part B: Engineering, 45, 919-924, 2013.
  • [14] He H, Gao F. “Resin modification on interlaminar shear property of carbon fiber/epoxy/nano-CaCO3 hybrid composites”. Polymer Composites, 38(9), 2035-2042, 2017.
  • [15] Seyhan AT, Tanoglu M, Schulte K. “Mode I and mode II fracture toughness of E-glass non-crimp fabric/carbon nanotube (CNT) modified polymer based composites”. Engineering Fracture Mechanics, 75(18), 5151-5162, 2008.
  • [16] Beylergil B, Tanoglu M, Aktas E. “Enhancement of interlaminar fracture toughness of carbon fiber-epoxy composites using polyamide-6,6 electrospun nanofibers”. Journal of Applied Polymer Science, 134(35), 45244, 2017.
  • [17] Beylergil B., Al-Nadhari A., Yildiz M. “Optimization of Charpy-impact strength of 3D-printed carbon fiber/polyamide composites by Taguchi method”. Polymer Composites, 44(5), 2846-2859, 2023.
  • [18] Yurdakul K. Kalsiyum karbonat (CaCO3) dolgulu polietilen filmlerin hazırlanması ve geçirgenlik özelliklerinin incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Üniversitesi, İstanbul, Türkiye, 2011.
  • [19] Quaresimin M, Schulte K, Zappalorto, M, Chandrasekaran, S. “Toughening mechanisms in polymer nanocomposites: From experiments to modelling”. Composites Science and Technology, 123, 187-204, 2016.
  • [20] Beylergil B, Tabrizi IE, Zanjani JS, Saeidiharzand S, Poudeh LH, Yildiz M. “Experimental failure analysis and mechanical performance evaluation of fiber-metal sandwich laminates interleaved with polyamide-6,6 interlayers through the combined usage of acoustic emission, thermography and microscopy techniques”. Journal of Sandwich Structures & Materials, 23(7), 3044-3080, 2021.
  • [21] Durukan S. N., Beylergil B, Dulgerbaki C. “Effects of silane-modified nano-CaCO3 particles on the mechanical properties of carbon fiber/epoxy (CF/EP) composites”. Polymer Composites, 44(3), 1805- 1821, 2023.
Toplam 21 adet kaynakça vardır.

Ayrıntılar

Birincil Dil Türkçe
Konular Makine Mühendisliği (Diğer)
Bölüm Makale
Yazarlar

Bertan Beylergil

Şeyma Nur Durukan Bu kişi benim

Ciğdem Dulgerbaki

Yayımlanma Tarihi 29 Haziran 2024
Yayımlandığı Sayı Yıl 2024 Cilt: 30 Sayı: 3

Kaynak Göster

APA Beylergil, B., Durukan, Ş. N., & Dulgerbaki, C. (2024). Nanokalsit (nano-CaCO3) partikül takviyeli karbon fiber/epoksi (KF/EP) kompozitlerin farklı yükleme koşulları altında mekanik performansı. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 30(3), 302-309.
AMA Beylergil B, Durukan ŞN, Dulgerbaki C. Nanokalsit (nano-CaCO3) partikül takviyeli karbon fiber/epoksi (KF/EP) kompozitlerin farklı yükleme koşulları altında mekanik performansı. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi. Haziran 2024;30(3):302-309.
Chicago Beylergil, Bertan, Şeyma Nur Durukan, ve Ciğdem Dulgerbaki. “Nanokalsit (nano-CaCO3) partikül Takviyeli Karbon fiber/Epoksi (KF/EP) Kompozitlerin Farklı yükleme koşulları altında Mekanik Performansı”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 30, sy. 3 (Haziran 2024): 302-9.
EndNote Beylergil B, Durukan ŞN, Dulgerbaki C (01 Haziran 2024) Nanokalsit (nano-CaCO3) partikül takviyeli karbon fiber/epoksi (KF/EP) kompozitlerin farklı yükleme koşulları altında mekanik performansı. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 30 3 302–309.
IEEE B. Beylergil, Ş. N. Durukan, ve C. Dulgerbaki, “Nanokalsit (nano-CaCO3) partikül takviyeli karbon fiber/epoksi (KF/EP) kompozitlerin farklı yükleme koşulları altında mekanik performansı”, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 30, sy. 3, ss. 302–309, 2024.
ISNAD Beylergil, Bertan vd. “Nanokalsit (nano-CaCO3) partikül Takviyeli Karbon fiber/Epoksi (KF/EP) Kompozitlerin Farklı yükleme koşulları altında Mekanik Performansı”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 30/3 (Haziran 2024), 302-309.
JAMA Beylergil B, Durukan ŞN, Dulgerbaki C. Nanokalsit (nano-CaCO3) partikül takviyeli karbon fiber/epoksi (KF/EP) kompozitlerin farklı yükleme koşulları altında mekanik performansı. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi. 2024;30:302–309.
MLA Beylergil, Bertan vd. “Nanokalsit (nano-CaCO3) partikül Takviyeli Karbon fiber/Epoksi (KF/EP) Kompozitlerin Farklı yükleme koşulları altında Mekanik Performansı”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 30, sy. 3, 2024, ss. 302-9.
Vancouver Beylergil B, Durukan ŞN, Dulgerbaki C. Nanokalsit (nano-CaCO3) partikül takviyeli karbon fiber/epoksi (KF/EP) kompozitlerin farklı yükleme koşulları altında mekanik performansı. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi. 2024;30(3):302-9.





Creative Commons Lisansı
Bu dergi Creative Commons Al 4.0 Uluslararası Lisansı ile lisanslanmıştır.