Improving joining performance of composites by electro-spinning of nano fibers

Abstract

Mechanical joints traditionally used in composite materials (screws, rivets, etc.) not only increase weight but also act as a stress collector, causing serious delamination problems. At the same time, the development of alternative joining techniques has become an important issue in the composite industry due to its sensitivity to corrosion, electromagnetic properties/radar absorption properties, labor cost and adverse effects on the manufacturing process. In this master's thesis, the effects on the mechanical properties of two different prepreg composites (UD and woven) coated with polyamide 66 (PA 66) nanofibers in the joint region were investigated. In addition, the fiber structures of the produced PA66 nanofibers were investigated. The produced nanofibers were directly coated on the bond zone layer (top surface) of the carbon prepregs. The reference and nanofiber doped prepregs were cured by the hot press method, and then they were combined with the secondary bonding method using FM300K film adhesive in the hot press. Tensile, compression, bending, shear, Charpy-impact and double cantilever beam (DCB) tests were performed on the produced samples. The effect of homogeneity and areal weight density (AWD) of PA66 nanofibers on mechanical performance was investigated. The morphology and post-test deformations of the nanofibers were investigated by scanning electron microscopy (SEM). The thermal properties of PA66 nanofibers were investigated by the differential scanning calorimetry (DSC) method. By comparing the SEM images and the lap shear test results, the most efficient parameters for the mechanical performance of the composites were determined. The results showed that PA66 nanofibers produced with a 10% wt solution ratio and 10 min coating time were the most efficient on composites. The addition of PA66 nanofibers to the junction region with the electro-spinning technique has been proven to increase the junction region performance of the materials and outputs have been obtained.

Kompozit malzemelerde (vidalar, perçinler vb.) geleneksel olarak kullanılan mekanik mafsallar sadece ağırlığı artırmakla kalmaz, aynı zamanda stres toplayıcı olarak da hareket ederek ciddi delaminasyon sorunlarına neden olur. Aynı zamanda korozyona karşı hassaslığı, elektromanyetik özellikleri/radar absorpsiyon özellikleri, işçilik maliyetini ve imalat sürecini olumsuz etkilemesi nedeniyle alternatif birleştirme tekniklerinin geliştirilmesi kompozit sektöründe önemli bir konu haline gelmiştir. Bu yüksek lisans tezinde, poliamid 66 (PA 66) nanolifler ile kaplanmış iki farklı prepreg kompozitin (UD ve dokuma prepreg kumaşlar) birleşme bölgesi mekanik özellikleri üzerindeki etkileri araştırıldı. Ayrıca üretilen PA66 nanoliflerin lif yapıları araştırılmıştır. Üretilen nanolifler doğrudan karbon prepreglerin birleşme bölgesi katmanı (üst yüzey) üzerine kaplandı. Referans ve nanofiber katkılı prepregler sıcak pres yöntemiyle kürlendi ve ardından sıcak preste FM300K film yapıştırıcı kullanılarak ikincil bağlama yöntemiyle birleştirildi. Üretilen numuneler üzerinde çekme, basma, eğilme, kesme, charpy-darbe ve çift konsol kiriş testleri (DCB) testleri yapıldı. PA66 nanoliflerinin homojenliğinin ve alan yoğunluğunun mekanik performansa etkisi araştırıldı. Nanoliflerin morfolojisi ve test sonrası deformasyonları taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelendi. PA66 nanoliflerinin termal özellikleri Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) yöntemi ile araştırıldı. SEM görüntüleri ve bindirme kesme testi sonuçları karşılaştırılarak kompozitlerin mekanik performansı için en verimli parametreler belirlendi. Sonuçlar, ağırlıkça %10 çözelti oranı ve 10 dakikalık kaplama süresi ile üretilen PA66 nanoliflerinin kompozitler üzerinde en verimli olduğunu gösterdi. Elektro-eğirme tekniği ile bağlantı bölgesine PA66 nanofiberlerin eklenmesinin malzemelerin bağlantı bölgesi performansını arttırdığı ispatlandı ve çıktılar elde edildi.