Performance improvement of composite materials used as hydrogen storage tanks by microstructural modifications

Abstract

The goal of this Ph.D. thesis is to improve the performance of the cylindrical composites manufactured by filament winding method by using the toughened matrix resin with nano-sized filler (noncovalently functionalized with ethoxylated alcohol chemical-vapor-deposition-grown SWCNTs). The effect of SWCNT concentration on the mechanical performance of these composites was investigated and discussed. One of the main focus of this thesis is to examine the effect of nano-sized filler type and filler concentration on the performance of the epoxy-based composites. For this purpose, epoxy-based nanocomposites with different nano-sized filler types (SWCNT, TEGO, and HNT) at varying concentrations were developed by a calendaring (3-roll-mill) method. A series of mechanical tests were performed for reference composite and developed nanocomposites. The scanning electron microscopy (SEM) was used to reveal the morphology and toughening mechanisms by examining the fractured surface of nanocomposites. The rheological behaviors and contact angle measurements with glass fiber of the selected filler (SWCNT) incorporated epoxy suspensions were investigated to determine the suitability of suspensions for the filament winding process. The reference and SWCNT modified glass fiber (GF)-based cylindrical fiber-reinforced polymeric composites (CFRPCs) with an inner diameter of 60 and 275 mm were manufactured by the filament winding method. The split-disk and three-point bending tests were performed for GF-based CFRPCs. The double cantilever beam (DCB) test was also carried out for the reference and SWCNT modified GF-based CFRPCs to investigate the effect of SWCNT existence on the interlaminar fracture toughness of CFRPCs. The fractured surfaces after the DCB test were analyzed under the SEM to comprehend the toughening mechanisms, and micro-and nano-sized filler morphologies. Consequently, it was revealed that blending and hence toughening the epoxy resin with SWCNT improves the interlaminar properties of the GF-based composites.

Bu doktora tezinin amacı; nano-boyutlu dolgu (etoksilenmiş alkol ile kovalent olmayarak fonksiyonlandırılmış kimyasal-buhar-biriktirme-ile-üretilen SWCNT'ler) ile toklaştırılmış matris reçinesi kullanarak filament sarma yöntemi ile imal edilmiş silindirik kompozitlerin performansını arttırmaktır. SWCNT konsantrasyonun bu kompozitlerin mekanik performansı üzerindeki etkisi araştırılmış ve tartışılmıştır. Bu tezin önemli odaklarından biri; nano-boyutlu dolgu tipi ve dolgu konsantrasyonunun epoksi-bazlı kompozitlerin performansına etkisini incelemektir. Bu nedenle, değişen konsantrasyonlarda farklı nano-boyutlu dolgu tiplerine sahip (SWCNT, TEGO ve HNT) epoksi-bazlı nanokompozitler kalenderleme (3-silindirli-değirmen) yöntemi ile geliştirilmiştir. Referans kompozit ve geliştirilmiş nanokompozitler için bir dizi mekanik test gerçekleştirilmiştir. Nanokompozitlerin kırılma yüzeyi inceleme yolu ile morfolojiyi ve toklaştırma mekanizmalarını anlamak için taramalı elektron mikroskobu kullanılmıştır. Seçilen dolgu (SWCNT) içeren epoksi süspansiyonlarının filament sarma işlemine uygunluğunu belirlemek için reolojik davranışları ve cam elyaf ile temas açısı ölçümleri incelenmiştir. İç çapı 60 ve 275 mm olan referans ve SWCNT modifiye edilmiş cam elyaf bazlı silindirik elyaf ile kuvvetlendirilmiş polimerik kompozitler filament sarma yöntemi ile üretilmiştir. Silindirik elyaf ile kuvvetlendirilmiş polimerik kompozitler için bölünmüş-disk ve üç nokta eğme testleri yapılmıştır. SWCNT içeriğinin silindirik elyaf ile kuvvetlendirilmiş polimerik kompozitlerin laminalar arası kırılma tokluğu üzerindeki etkisini araştırmak için de Çift Ankastre Kiriş (DCB) testi referans ve SWCNT modifiye edilmiş kompozitler için gerçekleştirilmiştir. Çift Ankastre Kiriş testinden sonra kırılan yüzey, toklaştırma mekanizmalarını ve mikro-ve nano-boyutlu dolgu morfolojilerini anlamak için taramalı mikroskop ile analiz edilmiştir. Sonuç olarak, epoksinin SWCNT ile karıştırılması ve neticesinde toklaştırılmasının, GF-bazlı kompozitlerin laminar arası özelliklerini iyileştirdiği belirlenmiştir.