Yüksek performanslı titanyum karbür (Ti3C2TX-MXENE) nanomalzeme takviyeli hibrit kompozitlerin geliştirilmesi - Yılmaz, Ayten Nur Yüksel (Bursa Teknik Üniversitesi, 2025)
Teknolojinin hızla gelişmesi ve modern yaşam koşullarının etkisiyle günlük hayatımızda elektronik cihazların sayısı giderek artmaktadır. Bu cihazlar, yaşamımızı kolaylaştıran pek çok yenilik sunarken çevreye yaydıkları elektromanyetik dalgalar (EM) hem insan sağlığına hem de cihazların çalışma performansına ciddi zararlar verebilmektedir. Bu etkilerden korunabilmek amacıyla elektromanyetik kalkanlama etkinliğine sahip malzemelerin üretimi üzerine çalışmalar gerçekleştirilmektedir. Yüksek elektrik iletkenliğinden dolayı metaller en yüksek EM kalkanlama sağlayan malzemeler olmalarına rağmen ağır olmaları, korozyon dirençlerinin düşük olması ve yüksek maliyetleri sebebiyle alternatif malzeme arayışları devam etmektedir. Bu çalışmada, geniş yüzey alanı, yüksek mekanik dayanım ve elektriksel iletkenlik gibi üstün özelliklere sahip MXene ailesinden Ti3C2Tx-MXene, MILD yöntemi kullanılarak sentezlenmiştir. Daha sonra, bu malzeme cam ve karbon elyaflarla farklı yöntemlerle birleştirilerek tabakalı hibrit kompozitler üretilmiştir. MXenenin kompozitlere EM kalkanlama etkinliği kazandırması ve elyaf-matris arasındaki arayüzeyi geliştirerek mekanik özellikleri artırması amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk kısmında, farklı konsantrasyonlarda MXene çözeltisi (%0,2, %0,4 ve %0,8) sprey kaplama yöntemi ile karbon kumaş yüzeylere kaplanmış ve ardından vakum infüzyon yöntemi ile tabakalı kompozitler üretilmiştir. %0,4 MXene takviyeli kompozit referans numuneden sırasıyla %12,71, %13,12 ve %25,95 daha fazla eğilme, çekme ve tabakalar arası kayma dayanımı (ILSS) göstermiştir. Asit muameleli karbon fiber-epoksi ve MXene arasındaki güçlü hidrojen bağları ve MXenenin mekanik kenetlenmeyi artırması bu artışa sebep olmuştur. X bant aralığında referans numune -31,13 dB toplam kalkanlama etkinliği (SET) gösterirken %0,8 MXene içeren kompozit numune -32,63 dB etkinlik göstermiştir. MXene miktarındaki artışın kompozitlerin SET değerleri üzerinde belirgin bir fark yaratmadığı sonucuna varılmıştır. Diğer kısımda, 5 mg/ml ve 10 mg/ml MXene çözeltilerine 5 ve 10 tekrarlı daldırma-kurutma işlemi uygulanarak MXene kaplı karbon kumaşlar üretilmiş ve ardından bu kumaşlarla farklı konfigürasyonlara sahip tabakalı kompozitler üretilmiştir. 10 mg/ml konsantrasyon ve 10 tekrarlı kaplama yapılarak elde edilen kumaşlardan üretilen kompozit numune en yüksek (-34,92) SET değerini göstermiştir. Bu değer referans numuneden %6,57 daha fazladır. Aynı konsantrasyon (10 mg/ml) ve kaplama tekrarı (5 ve 10) kullanılarak cam elyaf kumaş ile vakum infüzyon yöntemi ile tabakalı kompozitler üretilmiştir. Kaplama tekrar sayısının artması ile cam kumaş yüzeyinde daha fazla MXene biriktirilmiş ve bu da kompozitlerin EM kalkanlama etkinliğini olumlu yönde geliştirmiştir. MXene kaplı cam elyaf kumaşlarla üretilen 1,70 mm kalınlığındaki kompozitlerle X bant aralığında -23,21 dB SET değerine ulaşılmış ve bu değer MXene katkısız cam elyaf kompozitten %205,8 daha fazladır. Çalışmanın son bölümünde ise epoksi matris elemanı, MXene ve bağlama ajanı (APTES) ile fonksiyonelleştirilmiş MXene (FM) ile modifiye edilmiş ve ardından yatırması ve ardından vakum torbalama yöntemleri kullanılarak cam elyaf takviyeli hibrit kompozitler üretilmiştir. Fonksiyonelleştirme sayesinde FM'lerin epoksi içinde daha homojen dağıldığı gözlenmiştir. Epoksiye %0,25 FM takviyesi ile kontrol numunesinin eğilme, çekme ve ILSS dayanımları sırasıyla %27,55, %19,21 ve %12,40 artmıştır. MXene takviyesinin kompozitlerin yanmazlık özelliğini de geliştirdiği gözlenmiş ve %0,5 FM takviyeli kompozit numune referans numuneden %25,50 daha az yanma hızı göstermiştir. Ayrıca kompozitlerin mekanik test sonrasında kırılma yüzeyleri taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile incelenmiş ve kırık yüzeylerde genel olarak fiber kırılması, fiber sıyrılması, tabaka ayrılması, matris çatlağı, burkulma hasarları gözlenmiştir.

The rapid advancements in technology and the growing impact of modern lifestyles have led to a significant increase in the number of electronic devices in our daily lives. While these devices offer numerous innovations that simplify our lives, the electromagnetic (EM) waves they emit can pose significant threats to both human health and the operational performance of devices. To mitigate these effects, research has been conducted on the development of materials with electromagnetic shielding effectiveness. Although metals provide the highest EM shielding due to their high electrical conductivity, their heavy weight, low corrosion resistance, and high cost drive the search for alternative materials. In this study, Ti3C2Tx-MXene, a member of the MXene family known for its exceptional properties such as high surface area, mechanical strength, and electrical conductivity, was synthesized using the MILD method. Subsequently, this material was combined with glass and carbon fibers to produce layered hybrid composites. The study aimed to utilize MXene to impart EM shielding effectiveness to the composites and enhance mechanical properties by improving the fiber-matrix interface. In the first part of the study, MXene solutions with different concentrations (0.2%, 0.4%, and 0.8%) were applied to carbon fabric surfaces using the spray coating method, followed by the production of laminated composites via the vacuum infusion method. The 0.4% MXene-reinforced composite exhibited 12.71%, 13.12%, and 25.95% higher flexural, tensile, and interlaminar shear strength (ILSS) values, respectively, compared to the reference specimen. The strong hydrogen bonds between acid-treated carbon fiber-epoxy and MXene, as well as the enhancement of mechanical interlocking by MXene, were identified as the reasons for this improvement. In the X-band range, the reference sample demonstrated a total shielding effectiveness (SET) of -31.13 dB, while the composite sample containing 0.8% MXene exhibited a shielding effectiveness of -32.63 dB. It was concluded that the increase in MXene content did not result in a significant difference in the SET values of the composites. In the other part of the study, MXene-coated carbon fabrics were produced by applying 5 and 10 cycles of dip-drying processes to 5 mg/ml and 10 mg/ml MXene solutions. Subsequently, laminated composites with different configurations were fabricated using these fabrics. The composite specimen produced from fabrics coated with 10 mg/ml concentration and 10 cycles exhibited the highest SET value of -34.92 dB, which is 6.57% higher than the reference specimen. Additionally, using the same concentration (10 mg/ml) and coating repetitions (5 and 10), layered composites were fabricated with glass fiber fabrics via the vacuum infusion method. As the number of coating cycles increased, more MXene accumulated on the surface of the glass fabric, which positively enhanced the EM shielding effectiveness of the composites. The laminated composites with MXene-coated glass fiber fabrics, having a thickness of 1.70 mm, achieved a SET value of -23.21 dB in the X-band range, which is 205.8% higher than that of the glass fiber-epoxy composite without MXene. In the final part of the study, the epoxy matrix was modified using MXene and MXene functionalized with a coupling agent (APTES), referred to as FM. Glass fiber-reinforced hybrid composites were then produced using hand lay-up and vacuum bagging methods. Functionalization significantly improved the dispersion of FM within the epoxy, resulting in a more uniform distribution. The addition of 0.25% FM to the epoxy increased the flexural, tensile, and ILSS of the composites by 27.55%, 19.21%, and 12.40%, respectively, compared to the control specimen. Furthermore, MXene reinforcement enhanced the flame-retardant properties of the composites, with the 0.5% FM-reinforced sample showing a 25.50% lower burning rate than the reference specimen. Additionally, the fracture surfaces of the composites were examined using scanning electron microscopy (SEM) after mechanical testing. The observed damage features on the fracture surfaces included fiber breakage, fiber pull-out, debonding, delamination, matrix cracking, and buckling damage.
Development of high-performance titanium carbide (Ti3C2TX-MXENE) nanomaterial reinforced hybrid composites
Keywords: Makine Mühendisliği; Mechanical Engineering ; Polimer Bilim ve Teknolojisi