Kaan Yildiz

One‐step fabrication technique for printing piezoresistive strain sensors on glass fiber‐reinforced polymers (GFRPs) using a scalable screen‐printing method was demonstrated. Using cellulose nanocrystals to disperse carbon nanotubes (CNTs) in an aqueous medium, various inks were prepared and tested for shear thinning, thixotropic, and viscoelastic properties. Turning the ink consistency from liquid‐like to paste‐like led to printability on the surface of GFRPs. The electrical stability of the printed sensors was evaluated by testing different thicknesses under various conditions. Results showed that electrical stability depended on the number of printed layers and applied voltage. Furthermore, the influence of pattern design on the sensors' electromechanical performance was studied for line, grid, o‐line, and omnidirectional patterns. During cyclic tensile loading, the pattern geometry affected both reliability and sensitivity, whereas linearity remained unaffected. Reliability and sensitivity demonstrated strain‐dependent behavior, while linearity improved due to additional linear piezoresistive contribution from individual CNT‐bridging. Additionally, the omnidirectional sensors were printed at three different angles and subjected to cyclic loading, revealing their ability to detect strains from multiple directions. It was also visually demonstrated that the sensors can detect tensile and compressive strains resulting from bending, showing good potential for structural health monitoring of advanced structures.

1. Auxetic metamaterials are a unique class of materials distinguished by their negative Poisson’s ratio (NPR), which causes them to laterally expand under tension and contract under compression (B...

Background: Enhancing the energy absorption capacity and strength-to-weight ratio of engineering structures under compression and impact loads is crucial. Auxetic lattice structures, which feature a negative Poisson’s ratio, offer enhanced energy absorption through their geometric designs that cause inward clustering rather than outward expansion under compression, yet typically suffer from low stiffness and load-carrying capacity. Objective: Rigid polymeric foam reinforcement within the unit cells can substantially improve their mechanical properties, including compressive stiffness and energy absorption. This study examines how polyurethane (PU) foam reinforcement affects re-entrant auxetic lattice structures, considering variations in cell wall thickness and unit cell numbers. Methods: Utilizing three distinct cell wall thicknesses and three different unit cell numbers while maintaining the overall geometry constant, PU foams are synthesized directly within the unit cells to study the mechanical properties under compression tests. Results: Comprehensive analyses reveal that both cell wall thickness and unit cell numbers significantly enhance mechanical performance, along with the integration of PU foam which dramatically amplifies energy absorption related properties. Additional data-driven modeling revealed that stiffness and strength are predominantly governed by the number of unit cells, while foam reinforcement enhances energy absorption, validating the deformation mechanisms observed during mechanical testing. Among the configurations tested, the sample with the thickest cell walls and the highest number of unit cells, reinforced with directly synthesized polyurethane foam, demonstrated the most significant improvement, achieving a specific energy absorption of 10.211 MJ/kg, which highlights the critical role of optimal foam integration in boosting the mechanical performance of auxetic structures under compressive loads. Conclusions: The proposed method effectively enhances the mechanical performance of auxetic lattice structures by integrating PU foam reinforcement, significantly improving compressive stiffness and energy absorption capacity.

Düzlem-dışı yükleme durumlarında karşılaşılan düşük katmanlararası mekanik özellikler, cam fiber takviyeli kompozitlerin (GFRP) sahip olduğu en büyük kusurlardan biris olarak bilinmektedir. Fiber üzerinde hiyerarşik yapıdaki nano boyutta güçlendiriciler (örneğin: karbon nanotüpler (KNT’ler)), sahip oldukları sıradışı mekanik özellikler ve düşük yoğunlukları sayesinde kompozitlerin katmanlararası özelliklerini geliştirmek için kullanılmaktadır. Bahsedilen bu iyileştirmeler, yapıda herhangi bir ciddi ağırlık artışına sebep olmadan gerçekleştirilebilmektedir. Özellikle, yapısal iyileştirmelerin ağırlık artışından bağımsız olarak yapılması havacılık ve uzay yapıları uygulamalarının bir isteri olup, KNT’lere bu alanda geniş bir araştırma alanı oluşturmaktadır. Yapılan bu çalışmada, KNT-takviyeli GFRP’lerin mekanik özellikleri incelenmiştir. KNT’lerin epoksi matris içerisinde dağıtılması ve cam fiber üzerinde direkt olarak büyütülmesi olmak üzere iki farklı güçlendirme stratejisi ele alınmıştır. Bunlardan ilki cam fiber üzerinde karışık mimaride KNT büyütülmesi (F-GFs) olarak bilinirken, diğeri ise nano-tüp takviyeli kompozitler (NRC) olarak literatürde yer edinmiştir. Bu iki farklı güçlendirme stratejisinin kullanılmasıyla elde edilen kompozitler ise bu çalışmada karışık nano-takviyeli kompozitler (F-NRC) olarak ele alınmıştır. Bu çalışmanın odak noktası olarak F-GF ve F-NRC’ler seçilmiştir ve güçlendirme stratejilerinin potansiyeli laboratuvar ölçütlerinde deneysel olarak incelenmiştir. Üretilen kompozitlerin fiberleri üzerindeki hiyerarşik KNT yapılanması taramalı elektron mikroskopisi (SEM) ile gözlenmiştir. Ayrıca, Raman spektroskopisi ve termogravimetrik analiz (TGA) ile KNT’lerin kalitesi ve ısıl kararlılığı araştırılmıştır. Kompozitlerin mekanik özellikleri ise Mod-I kırılma tokluğu testi ve tek yönlü kompozit çekme testi ile karakterize edilmiştir. Her ne kadar F-NRC’lerin kırılma tokluğunda %150’lik iyileştirmeler gözlenmiş olsa da çekme dayanımında, cam fiberlerin KNT üretimi sırasında maruz kalınan ısıl işlemin sonucu olarak %25’lik azalma elde tespit edilmiştir. Mekanik testler sonucunda elde edilen bulgular, yukarıda belirtilen karakterizasyon çalışmalarından çıkarılan sonuçlar ile desteklenmektedir.

Aktif titreşim kontrol metotlarının geliştirilmesi ve uygulanması günümüzde hava uzay yapılarının performans gerekliliklerini sağlamak ve verimliliklerini iyileştirmek açısından oldukça önemli bir konu haline gelmiştir. Bu ilginin en büyük sebebi bu tarz malzemelerin havacılık ve uzay, otomotiv, helikopter ve turbo makinelerin palleri ve robot kolları gibi çeşitli farklı yapılara kolayca uyarlanabilmesi ve kullanılabilir durumda olmasından kaynaklanmaktadır. Akıllı veya uyarlanabilir malzemelerin kullanımı ile, yapıların dinamik karakteristiklerinin öngörülebilir bir şekilde kontrol edilmesi mümkündür. Buna ek olarak, yapısal rezonans ya da çırpınma gibi dinamik kararsızlıkların da önüne geçilebilir. Yapılmış olan bu çalışmada, elmas kesitli uyarlanabilir bir uçak kanadının piezoelektrik malzemeler yardımıyla aktif titreşim kontrolü incelenmiştir. Uçak kanadı ince cidarlı bir kompozit kiriş olarak modellenmiş ve piezoeyleyiciler ve algılayıcılar yapının içine çift olarak çalışmaları için gömülmüştür. Gömülmüş olan bu piezoelektrik malzemeler, tüm kiriş boyunca uzanmaktadırlar ve bu sayede sınır moment kontrol yöntemini geçerli kılmışlardır. Kapalı devre aktif titreşim kontrolü kayma etkilerinin de dahil olduğu enine ve yanal eğilme bağlaşımı gösteren uçak kanadına uygulanmıştır. Oransal geri besleme ve hız geri besleme kontrol yasaları olmak üzere iki farklı kontrol yasası kullanılmıştır. Serbest titreşim problemi Extended Galerkin Yöntemi ile çözülmüş, çeşitli geometrik ve malzeme ile alakalı kalınlık oranı, açıklık oranı ve elyaf açıları gibi parametrelerin doğal frekanslar üzerindeki etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında, parametrelerin değişimi ile birlikte kompozit uçak kanatlarının tasarımı için bilgiler elde edilmiştir. Hız geri besleme yasası, oransal geri besleme yasasına göre doğal frekanslar üzerinde daha fazla kontrol sağlaması nedeniyle daha elverişli bulunmuştur. Ayrıca hız geri besleme yasası sisteme suni yapısal sönümleme kattığından dolayı hava uzay yapılarında dinamik ya da aeroelastik kararsızlıklar doğurabilecek tehlikeleri engelleme potansiyeline sahiptir.