Improving mechanical properties of adhesive joints in carbon fiber reinforced polymer composites by incorporation of graphene added electrospun polymeric nanofibers

Abstract

Since composites joined with mechanical fasteners cause severe delamination damage, stress concentration in the joint area, and weight increase, joining composite materials with innovative methods have recently gained more importance. These joining methods prevent delamination damage, provide a uniform distribution of stress, and do not cause considerable weight increases. However, modifying the surface of composite parts joined by innovative methods is critical. In this study, the bonding surface was modified by coating carbon/epoxy prepregs with electrospun nanofibers with 10% wt/v ratio of PA 66 and 1%, 2% and 3% wt/v ratio of rGO added. Composite parts were joined in the hot press by the secondary bonding method using 3 plies of FM 300K film adhesive. The morphological structure of nanofibers and the dispersion of rGO were analyzed by SEM. The thermal properties of nanofibers were analyzed by DSC. The contact angle measurement device was used to determine the hydrophilic and hydrophobic properties of the unmodified prepreg and nanofiber-modified prepreg surface. The most hydrophilic surface was observed on the nanofiber-coated surface with 2% rGO added. Single Lap Joints (SLJ), and Charpy Impact tests were performed to examine the mechanical properties of modified and unmodified composite plates. According to the SLJ and Charpy Impact results, an improvement of 17.89% and 30.59% was observed in carbon/epoxy composite plates whose surface was modified with 2% rGO, respectively.

Mekanik bağlantı elemanları ile birleştirilen kompozitler ciddi delaminasyon hasarına, birleşme bölgesinde stres yığılmasına ve ağırlık artışına neden olduğundan son zamanlarda kompozit malzemelerin yenilikçi yöntemler ile birleştirilmesi daha fazla önem kazanmıştır. Bu birleştirme yöntemleri delaminasyon hasarını engellediği gibi stresin eşit bir şekilde dağılmasını sağlar ve ciddi ağırlık artışına neden olmaz. Fakat yenilikçi yöntemler ile birleştirilen kompozit parçaların yüzeyinin modifiye edilmesi kritik öneme sahiptir. Bu çalışmada, %10 ağırlık/hacimce PA 66 ve %1, %2 ve %3 ağırlık/hacimce rGO ilaveli elektro-eğrilmiş nanolifler ile karbon/epoksi prepreg kaplanarak birleşme yüzeyi modifiye edilmiştir. Kompozit plakalar 3 kat FM 300K film yapıştırıcı kullanılarak ikincil yapıştırma (secondary bonding) yöntemi ile sıcak preste birleştirilmiştir. Nanoliflerin morfolojik yapısı ve rGO'nun dispersiyonu SEM ile analiz edilmiştir. Nanoliflerin termal özellikleri DSC ile analiz edilmiştir. Modifiye edilmemiş prepreg ve nanolif ile modifiye edilmiş prepreg yüzeyinin hidrofilik ve hidrofobik özelliklerini tespit etmek için temas açısı ölçüm cihazı kullanılmıştır. En hidrofilik özellik %2 rGO ilaveli nanolif kaplı yüzeyde görülmüştür. Modifiye edilmiş ve edilmemiş kompozit plakaların mekanik özelliklerini incelemek için Tek Tesirli Bindirme Bağlantı (SLJ) ve Charpy Darbe testleri yapılmıştır. SLJ testi ve Charpy Darbe testi sonuçlarına göre yüzeyi %2 rGO ile modifiye edilen karbon/epoksi kompozit parçalarda sırasıyla %17.89 ve %30.59 oranında iyileşme görülmüştür.