Development and experimental characterization of filament wound hybrid cylindrical structures with enhanced thermal properties

Abstract

Composite tube components have key roles in many industrial applications, such as pipelines, drive shafts, airplane fuselages, and offshore construction components. Filament winding technology has enabled precise tailoring and manufacturing processes, allowing for a variety of applications to be manufactured with advanced machinery. In this study, the aim was to enhance the thermal properties without any significant change in the mechanical properties. Therefore, the samples were manufactured as carbon fiber composite tubes with different resin layer configurations by utilizing filament winding technology. The fiber orientation was set to a 55° winding angle with a 5/3 pattern to wrap over a 58.8 mm diameter mandrel as a 5-layer stacking. Due to difficulties in manufacturing different stacked groups of phenolin resin layers, only two groups (one with a 5-layer carbon epoxy resin group and one with a 4-layer carbon epoxy resin with 1 outer layer of carbon phenolin resin group) were successfully manufactured and thus tested. For each group, with dimensions of ±62.7 mm outer diameter and ±1.95 mm thickness with an 800 mm length, two composite tubes were manufactured. Before the test procedures, the homogeneity and quality of the groups were analyzed. For the observation of properties, mechanical and thermal tests were conducted: Apparent hoop tensile, radial compression, 3-point bending, Flammability, Thermogravimetric analysis, Differential scanning calorimeter, Thermal conductivity. The tests were proceeded according to their standards. The results and failure behaviors demonstrate that, with the replacement of the outer layer with phenolin resin, no significant improvement or drawback was observed compared to its fully epoxy resin counterpart.

Kompozit boru bileşenleri, boru hatları, tahrik milleri, uçak gövdesi ve açık deniz inşaat bileşenleri gibi birçok endüstriyel uygulamada kilit rollere sahiptir. Filament sarma teknolojisi, hassas terzilik ve üretim süreçlerini mümkün kılarak, gelişmiş makinelerle çeşitli uygulamaların üretilmesine olanak sağlamıştır. Bu çalışmada amaç, mekanik özelliklerde önemli bir değişiklik olmaksızın termal özelliklerin arttırılmasıdır. Bu nedenle numuneler, filament sarma teknolojisi kullanılarak farklı reçine tabaka konfigürasyonuna sahip karbon fiber kompozit tüpler olarak üretilmiştir. Fiber oryantasyonu, 58,8 mm çapında bir mandrel üzerine 5 katmanlı istifleme olarak sarılması için 55° sarım açısına ayarlandı. Farklı istiflenmiş fenolin reçine tabaka gruplarının üretilmesinin zorlukları nedeniyle, biri 5 katmanlı karbon epoksi reçine grubu, diğeri 4 katmanlı karbon-epoksi reçinesi ve 1 (dış) tabakalı karbon-fenolin reçine grubu olan sadece iki grup başarıyla üretildi ve böylece test edildi. Her grup için ±62.7 mm dış çap ve ±1.95 mm kalınlık ölçülerinde 800mm uzunluğunda iki kompozit boru imalatı yapılmıştır. Test prosedürlerinden önce grupların homojenliği ve kalitesi analiz edilmiştir. Özelliklerin gözlemlenmesi için mekanik ve termal testler yapıldı: Görünür çember çekme; Radyal basma; 3-nokta eğme; Alevlenebilirlik; Termogravimetrik analiz; Diferansiyel taramalı kalorimetre; Isı iletkenliği. Testler standartlara uygun olarak yapılmıştır. Sonuçlar ve kırılma davranışları, dış tabakanın fenolin reçinesi olarak değiştirilmesiyle, tamamen epoksi reçine muadili ile karşılaştırıldığında kayda değer herhangi bir iyileşme veya dezavantaj gözlenmediğini göstermektedir.