Atmosferik basınçlı plazma uygulanmış karbon fiber takviyeli polimer kompozit-alüminyum yapıştırma bağlantılarının mekanik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Bu çalışmada, CFRP kompozitler ile farklı alüminyum alaşımlarının yapıştırma bağlantı performansının iyileştirilmesine yönelik olarak atmosferik basınçlı plazma yüzey işlemlerinin etkileri araştırılmıştır. Çalışma iki etaptan oluşmaktadır. Birinci etapta CFRP ile Al-5049 alaşımının, ikinci etapta ise CFRP ile Al 7075-T6 alaşımının yapıştırılması incelenmiştir. Birinci etapta, atmosferik basınçlı soğuk ve sıcak plazma uygulamalarının Al5049 ve CFRP yüzeylerinin ıslanabilirliği ve yapıştırma dayanımı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Plazma parametreleri olarak uygulama mesafesi ve uygulama sayısı dikkate alınmış, deneysel tasarım RSM kapsamında Merkezi Kompozit Tasarım kullanılarak oluşturulmuştur. Temas açısı ölçümleri gerçekleştirilmiş, ardından tek kademeli bindirme bağlantı numuneleri çekme testine tabi tutularak bindirme kayma dayanımları belirlenmiştir. Temas açılarındaki azalma oranları ve bindirme kayma dayanımındaki artış oranlarının sıcak plazmada daha yüksek olduğu görülmüştür. İkinci etapta, atmosferik basınçlı soğuk plazma işleminin Al-7075-T6 ve CFRP malzemelerinin yüzey temas açıları ve yapıştırma bağlantı performansı üzerindeki etkileri deneysel, sayısal ve istatistiksel yöntemlerin entegrasyonuyla incelenmiştir. Uygulama mesafesi, uygulama sayısı ve uygulama hızını içeren tam faktöriyel deney tasarımı uygulanmıştır. Temas açısı ölçümleri gerçekleştirilmiş, ardından tek kademeli bindirme bağlantı numuneleri çekme testine tabi tutularak bindirme kayma dayanımları belirlenmiştir. Sonuçlar ANOVA ile analiz edilmiş, RSM ile modellenmiş ve LS-DYNA kullanılarak sonlu eleman analizleri gerçekleştirilmiştir. NSGAII ile çok amaçlı optimizasyon yapılmış, Random Forest modeli ile tahmin doğruluğu artırılmış ve Pareto-optimal çözüm kümesi elde edilmiştir. Elde edilen bulgular, her iki çıktı üzerinde de en etkili parametrenin uygulama mesafesi olduğunu göstermiştir. Yüksek uygulama sayısı, düşük uygulama mesafesi ve düşük uygulama hızının birlikte kullanıldığı koşullarda optimum sonuçlar elde edilmiştir. Sonuç olarak, atmosferik basınçlı plazma yüzey işlemlerinin CFRP–alüminyum hibrit yapıştırma bağlantılarında yüzey enerjisini artırarak ıslanabilirliği iyileştirdiğini ve buna bağlı olarak mekanik bağlantı performansını anlamlı düzeyde geliştirdiğini ortaya konulmuştur.

In this study, the effects of atmospheric pressure plasma surface treatments on improving the adhesive joint performance of CFRP composites and different aluminum alloys were investigated. The study consists of two stages: bonding of CFRP to Al-5049 alloy in the first stage and bonding of CFRP to Al-7075-T6 alloy in the second stage. In the first stage, the effects of atmospheric pressure cold and hot plasma treatments on the wettability and adhesive strength of Al-5049 and CFRP surfaces were examined. Application distance and number of passes were selected as plasma parameters, and the experimental design was established using a Central Composite Design within the framework of Response Surface Methodology (RSM). Contact angle measurements were conducted, and single-lap joint specimens were subjected to tensile testing to determine lap shear strength. The results indicated that hot plasma treatment led to greater reductions in contact angles and higher increases in lap shear strength compared to cold plasma treatment. In the second stage, the influence of atmospheric pressure cold plasma treatment on the surface contact angles and adhesive joint performance of Al-7075-T6 and CFRP materials were investigated through integrated experimental, numerical, and statistical approaches. A full factorial design including application distance, number of passes, and application speed was implemented. The results were analyzed using ANOVA, modeled with RSM, and validated through finite element analyses performed in LS-DYNA. Multi-objective optimization was conducted using NSGA-II, and prediction capability was improved with a Random Forest model. Application distance was identified as the most influential parameter, and optimal performance was achieved at high passes with low application distance and speed. In conclusion, it was demonstrated that atmospheric pressure plasma surface treatments improved wettability by increasing surface energy in CFRP–aluminum hybrid adhesive joints, thereby significantly enhancing mechanical joint performance.