Kompozit Malzemelerin Tanımı Genel olarak kompozit malzeme fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı olan iki veya daha fazla malzemenin bir araya gelerek oluşturduğu daha iyi mekanik özelliklere sahip olan malzemelerdir. Kompozit malzemenin yapısını fiberler ve matris oluşturur. En çok kullanılan şekliyle, matris malzeme içerisine daha farklı bir malzemenin fiber veya parçacık olarak konması ve kür işlemiyle tek bir yapı oluşturulmasıdır. Bu bileşenler birbirleri içinde çözünmezler veya karışmalar. Fiberler, kompozit yapının takviye elemanı olup mekanik mukavemeti sağlarlar. Matris, fiberleri bir arada tutan, fiberler arasında gerilim aktarımını sağlayarak mekanik yapının oluşumunu dolaylı olarak etkileyen ve fiberleri fiziksel ve kimyasal dış etkilerden koruyarak kompozit yapının bir sistem olarak ortaya çıkmasını sağlayan ana yapıdır. Matris malzemesi olarak metal alaşımları kullanıldığı gibi daha uygun olan reçinelerde kullanılmaktadır. Matrislere (bağlayıcılar) örnek olarak polimer, seramik ve metalleri; güçlendiricilere örnek olarak ta fiberler, partiküller, whiskers (polimer, seramik veya metalde olabilir) verilebilir. Kompozit malzemelerin tercih edilmesinin sebebi ağırlık olarak % 25 lere ulaşan miktarda tasarruf sağlamalarıdır. Bazı kompozit malzemelerin özellikleri : En çok kullanılan kompozit malzeme kombinasyonları; Cam elyafı+polyester, karbon elyafı+epoksi ve aramid elyafı+epoksi birleşimleridir. Kompozit malzemeler katlı tabakalar veya ince tabakalar halinde uygulanabilmektedir. 1940’ların sonlarında geliştirilen CTP ( Cam Takviyeli Polyester – CTP/ Glassfiber Reinforced Polyester- GRP) günümüzde en çok kullanılan ve ilk modern polimer esaslı kompozit malzemedir. Bugün üretilen tüm kompozit malzemelerin yaklaşık olarak % 85’i CTP’dir ve çoğunlukla tekne gövdeleri, spor araçlar, paneller ve araba gövdelerinde kullanılmaktadır. CTP ve diğer kompozit kombinasyonlarının günümüzde tercih edilmesinin ve kullanımlarındaki artışın mutlak sebepleri sağlamlıkları ve hafiflikleridir. Çeşitli plastik malzemelerin seramik, metal bazen de sert polimerlerin elyafları ile güçlendirilerek ileri derecede faydalar sağlayan malzemeler üretmek mümkündür. İçindeki plastik sayesinde kolaylıkla şekil verilebilen ve takviye elyaflar sayesinde son derece sağlam, sert ve hafif olan bu malzeme kombinasyonları her gün yepyeni uygulama alanlarında karşımıza çıkmaktadırlar. Ayrıca metallere kıyasla malzeme yorulması, malzeme üzerinde hasarların tolere edilmesi ve korozyona dayanıklılık özellikleri bakımından avantaj sağlamaktadır. Kompozitlerin Yapısı Kompozitler temelde bir sürekli ve bir de süreksiz olmak üzere iki fazdan oluşurlar. Sürekli faz “matris”, süreksiz faz ise “takviye eleman” (reinforcement) olarak adlandırılır. Takviye eleman fazı ya elya f yada parçacık halinde olabilir. Lif türünün en yaygın örnekleri cam, karbon veya polimer lifleridir. Parçacık
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Kompozit Malzemelerin Tanımı
Genel olarak kompozit malzeme fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı olan iki veya daha fazla malzemenin
bir araya gelerek oluşturduğu daha iyi mekanik özelliklere sahip olan malzemelerdir. Kompozit
malzemenin yapısını fiberler ve matris oluşturur. En çok kullanılan şekliyle, matris malzeme içerisine
daha farklı bir malzemenin fiber veya parçacık olarak konması ve kür işlemiyle tek bir yapı
oluşturulmasıdır. Bu bileşenler birbirleri içinde çözünmezler veya karışmalar. Fiberler, kompozit yapının
takviye elemanı olup mekanik mukavemeti sağlarlar. Matris, fiberleri bir arada tutan, fiberler arasında
gerilim aktarımını sağlayarak mekanik yapının oluşumunu dolaylı olarak etkileyen ve fiberleri fiziksel ve
kimyasal dış etkilerden koruyarak kompozit yapının bir sistem olarak ortaya çıkmasını sağlayan ana
yapıdır. Matris malzemesi olarak metal alaşımları kullanıldığı gibi daha uygun olan reçinelerde
kullanılmaktadır. Matrislere (bağlayıcılar) örnek olarak polimer, seramik ve metalleri; güçlendiricilere
örnek olarak ta fiberler, partiküller, whiskers (polimer, seramik veya metalde olabilir) verilebilir. Kompozit
malzemelerin tercih edilmesinin sebebi ağırlık olarak % 25 lere ulaşan miktarda tasarruf sağlamalarıdır.
Bazı kompozit malzemelerin özellikleri :
En çok kullanılan kompozit malzeme kombinasyonları; Cam elyafı+polyester, karbon elyafı+epoksi ve
aramid elyafı+epoksi birleşimleridir. Kompozit malzemeler katlı tabakalar veya ince tabakalar halinde
uygulanabilmektedir. 1940’ların sonlarında geliştirilen CTP ( Cam Takviyeli Polyester – CTP/ Glassfiber
Reinforced Polyester- GRP) günümüzde en çok kullanılan ve ilk modern polimer esaslı kompozit
malzemedir. Bugün üretilen tüm kompozit malzemelerin yaklaşık olarak % 85’i CTP’dir ve çoğunlukla
tekne gövdeleri, spor araçlar, paneller ve araba gövdelerinde kullanılmaktadır. CTP ve diğer kompozit
kombinasyonlarının günümüzde tercih edilmesinin ve kullanımlarındaki artışın mutlak sebepleri
sağlamlıkları ve hafiflikleridir. Çeşitli plastik malzemelerin seramik, metal bazen de sert polimerlerin
elyafları ile güçlendirilerek ileri derecede faydalar sağlayan malzemeler üretmek mümkündür. İçindeki
plastik sayesinde kolaylıkla şekil verilebilen ve takviye elyaflar sayesinde son derece sağlam, sert ve
hafif olan bu malzeme kombinasyonları her gün yepyeni uygulama alanlarında karşımıza çıkmaktadırlar.
Ayrıca metallere kıyasla malzeme yorulması, malzeme üzerinde hasarların tolere edilmesi ve korozyona
dayanıklılık özellikleri bakımından avantaj sağlamaktadır.
Kompozitlerin Yapısı
Kompozitler temelde bir sürekli ve bir de süreksiz olmak üzere iki fazdan oluşurlar. Sürekli faz “matris”,
süreksiz faz ise “takviye eleman” (reinforcement) olarak adlandırılır. Takviye eleman fazı ya elyaf yada
parçacık halinde olabilir. Lif türünün en yaygın örnekleri cam, karbon veya polimer lifleridir. Parçacık
türü için mika ve talk örnek olarak verilebilir. Matris ise çoğunlukla epoksi reçine, poliester/stiren
sistemleri veya poliimid türü polimedir.
Takviye Elemanlar
Lif ile güçlendirilmiş kompozitlerin en çok kullanılanı fiberglassdır. Bunun matrisi, poliesterin stiren
monomeri ile reaksiyona girmesi sonucu oluşan çapraz bağlı bir reçinedir. Lifleri ise camdır. Poliester-
stiren karışımı önceden belirlenmiş miktardaki cam lifin üzerine dökülür, polimerleşme reaksiyonu
sonucu karışım sertleşir ve kompozit malzeme elde edilir. Fiberglas, çelikten daha dayanıklı, fakat çok
daha hafiftir. Fiberglassdaki lifler tek bir yönde dizilmemiş olup, karışık şekilde yerleşmişlerdir. Tüm lifler
aynı yönde dizilerek daha dayanıklı kompozitler hazırlanabilir. Yönlendirilmiş lifler kompozitlere ilginç
özellikler katarlar. Kompozit, liflerin yönünde çekildiğinde çok dayanıklıdır, fakat lif yönüne dik bir açı ile
çekildiğinde o kadar dayanıklı olmadığı görülür. Bazen kullanılan malzeme yalnızca bir yönde gerilim
altında kalacağından tek yönde dayanıklı malzemelere ihtiyaç vardır. Fakat çoğu zaman da birden fazla
yönde dayanıklı kompozitlere ihtiyaç duyulur. Bu durum liflerin dokunmasıyla sağlanır.
Cam Elyaflar
Cam lifler, plastik malzemeleri güçlendirmek için kullanılan en yaygın malzemedir. Bu başarısı, uygun
fiyatı (yaklaşık olarak plastiğinkiyle aynı) ve istenilen özellikler arasındaki mükemmel dengenin
sonucudur. Cam terimi inorganik camların geniş bir grubunu ifade etmek için kullanılır. Hepsi, silika
(SiO2) temellidir, fakat az miktarda diğer inorganik oksitleri de içerirler. Çok çeşitli bileşimleri mevcuttur
ve her biri bir kod harfiyle gösterilir. Plastiklerde en çok kullanılan lif, E-camıdır.
Cam lifler, erimiş camın yüksek hızlarda, çok sayıda delik (100-1000 arası) içeren platin bir levha
üzerinden geçirilmesiyle elde edilir. Elde edilen uzun lifler yüksek hızda döndürülerek camsı geçiş
sıcaklığı civarında soğuyup katılaşırlar. Uygulamalarda cam liflerin aşağıdaki iki özelliği avantaj sağlar:
1) Camın yumuşama noktası yaklaşık 850°C dır, bu nedenle yüksek sıcaklıklara dirençlidir.
2) Görünür ışığa karşı şeffaftır, böylelikle kompozit matrisin rengini alır.
Karbon Elyaflar
Karbon lifler genellikle poliakrilonitril’in (PAN), 1000-1500°C ‘da karbonlaştırılması (havasız ortamda
ısıtılması) ile üretilir. Karbon liflerin uygulamadaki avantajları; boyutsal açıdan kararlı oluşları, kimyasal
inertlikleri nedeniyle neme ve pek çok kimyasala direnç göstermeleri ve elektriksel/ ısısal iletkenliklerinin
yüksek oluşudur. Karbon liflerin kullanıcı açısından en önemli dezavantajı ise siyah renginden dolayı
kompozit renginin istenilen şekilde korunamamasıdır. Diğer bir dezavantaj olarak yüksek maliyet
söylenebilir.
Polimer Elyaflar
Polimer lifler diğer polimerleri güçlendirmek için yeterince sert ve sağlam değildirler. Yalnızca aramid
lifler ve ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen (PE) lifler üstün mekanik özellikleri nedeniyle
diğerlerinden ayrılırlar. “Aramid”, aromatik liflerin genel adıdır. Ticari adı ise kevlardır. Kevlar
kompozitleri yüksek dayanım ve sertlikleri, hasae ve yorulma dirençleri sayesinde çok kullanılırlar.
Spektra ticari adıyla piyasada bulunan PE lifler ise karbon liflerden ve kevlardan daha dayanıklı ve
serttir. Tüm lifler mükemmelik açısından karşılaştırıldığında karbonun en iyi olduğu, onu kevların
ardından camın izlediği söylenebilir.
Parçacıklar
Tıp alanında kullanılan kompozitlerde güçlendirici olarak çeşitli seramik malzemeler tercih edilir. Bunun
nedeni seramik malzemelerin canlı sistemlerle uyumluluğunun son derece yüksek olmasıdır. Fakat
seramikler özellikle metallerle karıştırıldığında zayıf ve kırılgandırlar. Bu nedenle seramiklerin parçacık
formunda kullanımları tercih edilir. Kalsiyum fosfat yapılar, alüminyum ve çinko bazlı fosfatlar, cam ve
cam seramikler örnek olarak verilebilir.
Matris
Matris, kompozitin temelini oluşturur ve lifleri bir arada tutarak kompozitin sıkışmaya karşı dayanımı
arttırır. Kullanım yerine bağlı olarak farklı matrisler seçilir. Fazla para harcamak istenmediğinde sıradan
özellikler sahip ucuz matrisler seçilir. Poliester/stiren sistemleri bu tür matrisler olup günlük uygulamalar
için yeterlidirler. Bazı dezavantajları da mevcuttur. Isıyla sertleştiklerinde büzüşürler, suyu emerler ve
sıkışma dayanımları düşüktür. Ayrıca kimyasal dirençleri de iyi değildir.
Bir diğer ucuz sistem vinil ester reçinesidir. Vinil ester reçineleri, poliester-stiren sistemiyle
karşılaştırıldığında bazı avantajlara sahiptir. Çok fazla su emmezler ve kimyasal dirençleri daha
yüksektir. Yapısındaki hidroksil gruplarından dolayı cama kolaylıkla bağlanırlar. Cam lifler
kullanıldığında bu durum avantaj sağlar.
Fakat ne vinil ester, ne de doymamış poliester-stiren sistemi yüksek sıcaklık uygulamaları için uygun
değildir. Yüksek sıcaklıklarda, epoksi reçineleri gibi matrisleri kullanmamız gerekir. Bunlar 160 °C ’a
kadar olan sıcaklıklarda kullanılabilirler. Ancak 160 °C gerçek anlamda çok yüksek bir sıcaklık değildir.
Polimidler yüksek sıcaklığa daha dirençlidirler, fakat yapılarını bozacak kadar su emerler.
Polibenzoksazol sıcaklığa dirençli bir diğer yapıdır, ancak işlenmesi hemen hemen imkansızdır. Bazı
araştırmacılar ise tüm hidrokarbonları yüksek sıcaklığa dayanım açısından incelemektedirler.
Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanlar
Kompozit malzemeler artık gittikçe artan oranlarda ve yeni sektörlerde kullanılmaya başlanmıştır. Uzun
zaman uçak sanayisindeki ihtiyaçların yönlendirdiği kompozit malzeme gelişimleri son dönemde yeni
birçok sektörde birçok farklı amaç için kullanılmaktadır.
Havacılık Sanayii
Özellikle ileri kompozit malzemeler havacılık sanayinde çok geniş uygulama alanları bulmaktadır.
Kompozit malzemelerin hafifliklerine oranla üstün mekanik özellikleri uçaklarda ve helikopterlerde
sadece iç mekan değil yapısal parçalarının da polimer esaslı kompozitlerle üretilmesine neden
olmaktadır.
B2 bombardıman uçağı gövde panelleri; karbon fiber+ epoksi
A380 yolcu uçağı kanat panelleri ve flapleri; karbon fiber+ epoksi
A380 yolcu uçağı burun bölümü (radome); CTP (Cam Takviyeli Polyester)
A380 yolcu uçağı dikey stabilizer; Aramid fiber+ epoksi
Zemin plakası;Airbus 300/600 uçaklarında kullanılan takviyeli Polieterimid
Uçak EAPS kapağı; karbon elyafı + PEEK
Denizcilik Sanayii
Kompozit malzemelerin başarılı uygulamalarından biri yarış kayıkları, yani kanolardır. Kanonun yapı
malzemesi, epoksi reçinesi içerisine yerleştirilmiş kevlar ve karbon liflerden oluşmuştur. Her üç bileşenin
de önemli rolü vardır. Epoksi reçinesi ekonomik bir yapı malzemesi olmasının yanı sıra, suda mükemmel
korozyon direnci ve hafifliği nedeniyle tercih edilir. Kevlar ve karbon lifler ise sağlamlık ve rijitliği sağlar.
Böylelikle üretilen kano, hızlıdır, rahatlıkla manevra yapabilir ve hafiftir. Kompozit malzemenin
denizcilikte kullanıldığı başka örnekler:
Yelkenli gövdesi; CTP, Balsa ve polimer köpük üstüne cam, aramid karbon dokumaları ile kaplanması