Filament Sarma Teknolojisine Dayalı Grafen Takviyeli Yüksek Basınçlı Kompozit Kapların Geliştirilmesi ve Üretimi

Abstract

Bu çalışmada, hidrojen gibi yüksek basınçlı gazların güvenli bir şekilde depolanması için karbon fiber takviyeli kompozit basınç kapları (COPV'ler) üretilmiş ve karakterize edilmiştir. Amaç, epoksi reçine matrisine grafen nanoplakacıkları dahil ederek COPV'nin mekanik özelliklerini iyileştirmektir. Ağırlıkça %1, %2 ve %3 grafen içeren epoksi/grafen karışımları, asetonsuz ve aseton dispersiyon yöntemleri kullanılarak, bir sonikatör ve ultrasonik prob ile homojenlik sağlanarak hazırlandı. Bu karışımlardan kompozit laminantlar üretildi ve çekme, basma, ILSS ve DMA özellikleri açısından test edildi. Mikro yapısal değerlendirme için SEM analizi de yapıldı. Sonuçlar, aseton yöntemi kullanılarak ağırlıkça %2 grafen içeren epoksi karışımlarının en iyi mekanik performansı gösterdiğini gösterdi. Bu optimize edilmiş reçineler kullanılarak, filament sarma yöntemi ile Tip IV COPV'ler üretildi. Dört tank (iki adet 3 litre ve iki adet 8 litre) üretilmiş ve gerilim-gerinim davranışını kaydeden gerinim ölçerler kullanılarak patlama testlerine tabi tutulmuştur. 3 litre grafensiz tanklar 1050 ve 1250 bar'da patlarken, 8 litre grafensiz tank 1375 bar'da patlamıştır. Grafenle güçlendirilmiş 8 litre tank 1350 bar'a kadar patlamadan dayanmıştır; ancak arıza boss bağlantısında meydana gelmiştir. Bu bulgular, grafen takviyesinin reçine ve kompozit mekanik özelliklerini etkili bir şekilde geliştirerek COPV patlama direncini artırdığını göstermektedir. Boss tasarımı nihai basınç direncini sınırlasa da grafenin dahil edilmesi kompozit katmanların yapısal performansını önemli ölçüde iyileştirerek yüksek basınçlı hidrojen depolama uygulamaları için umut verici bir yaklaşım haline getirmiştir.

In this study, carbon fiber-reinforced composite pressure vessels (COPVs) were produced and characterized for the safe storage of high-pressure gases such as hydrogen. The aim was to improve COPV mechanical properties by incorporating graphene nanoplatelets into the epoxy resin matrix. Epoxy/graphene blends containing 1%, 2%, and 3% graphene by weight were prepared using acetone-free and acetone dispersion methods, ensuring homogeneity with a sonicator and ultrasonic probe. Composite laminates were manufactured from these blends and tested for tensile, compression, ILSS, and DMA properties. SEM analysis was also performed for microstructural evaluation. Results indicated that epoxy blends with 2 wt.% graphene using the acetone method exhibited the best mechanical performance. Using these optimized resins, Type IV COPVs were fabricated by the filament winding method. Four tanks (two 3-liter and two 8-liter) were produced and subjected to burst tests, with strain gauges recording stress-strain behavior. The 3-liter graphene-free tanks burst at 1050 and 1250 bars, while the 8-liter graphene-free tank failed at 1375 bars. The graphene-enhanced 8-liter tank resisted up to 1350 bar without bursting; however, failure occurred at the boss connection. These findings demonstrate that graphene reinforcement effectively enhances resin and composite mechanical properties, increasing COPV burst resistance. Although the boss designed limited ultimate pressure resistance, the incorporation of graphene significantly improved the structural performance of the composite layers, making it a promising approach for high-pressure hydrogen storage applications.