Farklı sentetik fiberler ile takviye edilmiş alüminyum tabakalı kompozitlerin mekanik özelliklerine termal çevrimin etkisi

Bu çalışmada, farklı fiberlerle takviye edilmiş alüminyum tabakalı kompozit malzemelerin mekanik özelliklerine termal çevrim işleminin etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Araştırma kapsamında, 2024-T3 alüminyum alaşımlı levha ile cam, karbon, bazalt ve aramid fiberlerin tekil veya kombinasyon hâlinde kullanımıyla toplam beş tabakadan oluşan on farklı tabakalı kompozit yapı (Arall, Carall, Glare, Barall, Ar-Carall, Ar-Glare, Ar-Barall, Car-Glare, Car-Barall ve Gl-Barall) vakum torbalama yöntemiyle üretilmiştir. Kompozitlerin 1., 3. ve 5. tabakaları alüminyum levhalardan, 2. ve 4. tabakaları ise belirlenen fiber takviye kombinasyonlarından oluşturulmuştur. Üretilen kompozit numunelerin bir bölümü doğrudan mekanik testlere tabi tutulmak üzere ayrılmış; diğer bölümü ise farklı sayılardaki termal çevrim işlemine maruz bırakılmıştır. Termal çevrimler, sıcaklık farkı 120 °C olacak şekilde –45 °C ile +75 °C arasında uygulanmış ve bu çevrimler sırasıyla 5., 15., 25., 50., 100. ve 150. döngü sayılarında gerçekleştirilmiştir. Çevrim sonrasında, kompozit numunelerin mekanik davranışları çekme testi, eğilme testi, çentik darbe testi, kısa kiriş tabakalar arası kayma (SBS) testi ve yarı statik penetrasyon testi (QSPT) ile değerlendirilmiştir. Bu doğrultuda, hem tabakalı kompozit yapı bileşiminin hem de uygulanan termal çevrim sayısının mekanik performans üzerindeki etkileri karşılaştırmalı ve sistematik bir biçimde analiz edilmiştir. Elde edilen bulgular, termal çevrimlerin fiber metal laminat (FML) kompozitlerin mekanik performansı üzerinde karmaşık ve yapıya özgü etkilere sahip olduğunu ortaya koymuştur. Genel olarak, bazı kompozit türlerinde ilk çevrimlerde hafif bir mukavemet artışı gözlemlenirken, artan çevrim sayısıyla bu artışın kısmı geri kaybedildiği ve uzun çevrimler sonunda yeniden bir toparlanma eğiliminin ortaya çıktığı tespit edilmiştir. Termal çevrimlerin uzama miktarı ve enerji emilimi kapasitesi üzerinde ise genellikle olumlu etkiler yarattığı görülmüştür. Özellikle bazı hibrit FML kompozitlerin, tek tip fiber içeren kompozitlere kıyasla termal çevrimlere karşı daha istikrarlı veya iyileşmiş mekanik özellikler sergilediği belirlenmiştir. Bu sonuçlar, FML’lerin tasarım ve uygulama süreçlerinde termal çevrim etkilerinin dikkate alınmasının kritik önem taşıdığını göstermektedir. Ayrıca, farklı malzemeler arasındaki termal genleşme katsayılarının uyumsuzluğundan kaynaklanan iç gerilmeler, mikroçatlak oluşumu ve delaminasyon gibi hasar mekanizmalarının anlaşılması, daha dayanıklı ve uzun ömürlü kompozit yapıların geliştirilmesi açısından yol gösterici olacaktır.

In this study, the effect of thermal cycling process on the mechanical properties of aluminum layered composite materials reinforced with different fibers was investigated experimentally. Within the scope of the research, ten different layered composite structures (Arall, Carall, Glare, Barall, Ar-Carall, Ar-Glare, Ar-Barall, Car-Glare, Car-Barall and Gl-Barall) consisting of a total of five layers were fabricated using 2024-T3 aluminum alloy sheet and glass, carbon, basalt and aramid fibers individually or in combination by vacuum bagging method. The 1st, 3rd and 5th layers of the composites were made of aluminum sheets, while the 2nd and 4th layers were made of determined fiber reinforcement combinations. Some of the fabricated composite samples were separated for direct mechanical testing; the other part was subjected to different numbers of thermal cycling processes. Thermal cycling was applied between –45 °C and +75 °C with a temperature difference of 120 °C and these cycles were carried out in the 5th, 15th, 25th, 50th, 100th and 150th cycle numbers, respectively. After the cycling, the mechanical behaviors of the composite samples were evaluated by tensile test, flexural test, notch impact test, short beam shear (SBS) test and quasi-static penetration test (QSPT). In this direction, the effects of both the layered composite structure composition and the applied number of thermal cycles on the mechanical performance were analyzed comparatively and systematically. The findings revealed that thermal cycling has complex and structure-specific effects on the mechanical performance of fiber metal laminate (FML) composites. In general, it was found that while a slight increase in strength was observed in some composite types at the first cycles, this increase was partially lost with increasing cycle numbers and a recovery tendency emerged at the end of long cycles. Thermal cycling was generally found to have positive effects on the amount of elongation and energy absorption capacity. In particular, it was determined that some hybrid FML composites exhibited more stable or improved mechanical properties against thermal cycling compared to composites containing single fibers. These results show that considering thermal cycling effects in the design and application processes of FMLs is of critical importance. In addition, understanding the damage mechanisms such as internal stresses, microcrack formation and delamination resulting from the mismatch of thermal expansion coefficients between different materials will guide the development of more durable and long-lasting composite structures.