aasi snowboard kılavuzu

POLİMER MATRİKSLİ KOMPOZİTLER (PMK)
1/118
PMK’ LERDE MATRİKS MALZEMELERİ
POLİMER
LER
TERMOPLASTİKLER
KRİSTALİN
AMORF
ELASTOMERLER
(KAUÇUKLAR)
TERMOSETLER
Burada incelenmeyecek,
genelde sadece lastik
üretiminde kompozit
yapımında
değerlendirilir.
2/118
Polimerler organik moleküllerdir.
Mer: tek bir molekül
Polimer: Küçük moleküllerin birleşmesi ve çok büyük
molekülleri oluşturması
Polimer molekül boyutu arttıkça ergime derecesi ve
mukavemet artar.
3/118
POLİMERLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ
Hafiflik, yüksek korozyon direnci, düşük mukavemet, yüksek
sıcaklıkta kullanılamama
Nispeten ucuz, kolay şekillendirilebilme (plastik poşetlerden
mekanik dişlilere kadar)
Fiziksel Açıdan
- Işığı geçirebilirler (cam yerine kullanılabilme),
- Elektriksel olarak izolatör ( Özel iletken polimerler mevcut)
- Düşük sürtünme katsayısına sahip polimerler var.
- Bazı polimerler ışığı elektriğe çevirir
Oyuncak, ev eşyaları, yapısal, dekoratif kaplama, boya,
yapıştırma,
Otomobil lastiği, köpükler, paketleme malzemeleri.
4/118
Oluşum şekline göre Polimerler;
Doğal olarak oluşan polimerler
bitki ve hayvanlardan elde edilenler,
-Odun, kauçuk, pamuk, yün, deri, ipek, enzimler, nişasta
selüloz
Sentetik polimerler,
PE, PVC, PEET, vs.
5/118
HİDROKARBON MOLEKÜLLERİ
Polimerler genelde hidrokarbon molekülleri
C ve H atomlarından oluşmuşlardır.
Moleküller arası bağ = kovalent
Kovalent bağda : Her bir C 4 elektrona sahip
Tekli bağ
: Her bir H 1 elektrona sahip
C – C arasında tek, çift veya üçlü bağ meydana gelebilir.
Örnek:
Çift bağ
H
C2H4 (Etilen):
H H
 
C=C
 
H
C2H4 (Asetilen) H - C  C – H
Üçlü bağ
6/118
POLİMER MOLEKÜLLERİ
Polimerler çok büyük hidrokarbon molekülleridir.
Polimerler makro moleküller olarak da adlandırılır.
Molekülde atomlar kovalent bağlar ile bağlanarak
bükülebilir çok uzun zincir oluşturur.
H
H
H



CCC



H
H
H
Etilen meri
7/118
H

C

H
H H
H



CCC



H H
H
H

C

H
Etilen polimeri
PMK Malzeme üretiminde en çok kullanılan matriks
malzemeleri ve kompozitlerinin mekanik özellikleri
MAT ERIAL
ABS
ABS (reinforced)
Acetals
Acetals (reinforced)
Acrylics
Cellulosics
Epoxies
Epoxies (r einforced)
Fluorocarbons
Nylon
Nylon (reinforced)
Phenoli cs
Polycarbonates
Polycarbonates (reinforced)
Polyesters
Polyesters (reinforced)
Polyethylenes
Polypropylenes
Polypropylenes (reinforced)
Polystyrenes
Polyvinyl chloride
8/118
UT S
(MPa)
28-55
100
55-70
135
40-75
10-48
35-140
70-1400
7-48
55-83
70-210
28-70
55-70
110
55
110-160
7-40
20-35
40-100
14-83
7-55
E
(GPa)
1.4-2.8
7.5
1.4-3.5
10
1.4-3.5
0.4-1.4
3.5-17
21-52
0.7-2
1.4-2.8
2-10
2.8-21
2.5-3
6
2
8.3-12
0.1-0.14
0.7-1.2
3.6-6
1.4-4
0.014-4
ELONGAT ION
IN 50 mm (%)
75-5
75-25
50-5
100-5
10-1
4-2
300-100
200-60
10-1
2-0
125-10
6-4
300-5
3-1
1000-15
500-10
4-2
60-1
450-40
POISSON’s
RAT IO ()
0.35
0.35-0.40
0.46-0.48
0.32-0.40
0.38
0.38
0.46
0.35
-
En çok kullanılan üç termoplastiğin 20 oC de bazı özellikleri.
Birim
Polipropilen
Naylon
6.6
Polikarbonat
Yoğunluk
g/cm3
0.90
1.14
1.06-1.20
Elasitisite Modülü
GN/m2
1.0-1.4
1.4-2.8
2.2-2.4
0.3
0.3
0.3
MN/m2
25-38
60-75
45-70
%
>300
40-80
50-100
Isı Iletkenliği
W/mC
0.2
0.2
0.2
Termal genleşme kat.
10-6C
110
90
70
Distorsiyon sıcaklığı
C
60-65
50-110
110-140
Ergime sıcaklığı
C
175
264
----
Su emme(24 s -20 oC)
%
0.03
1.3
0.1
Özellik
Poisson Oranı
Çekme Mukavemeti
Uzama
9/118
Tablo. Epoksi ve Polyester reçinelerin Özellikleri
Birim
Epoksi
Reçineler
Polyester
Reçineler
Yoğunluk
g/cm3
1.1-1.4
1.2-1.5
Elasitisite Modülü
GN/m2
3-6
2.0-4.5
0.38-0.4
0.37-0.39
Özellik
Poisson Oranı
Çekme Mukavemeti
MN/m2
35-100
40-90
Basma Mukavemeti
MN/m2
100-200
90-250
%
1-6
2
W/mC
0.1
0.2
Termal genleşme kats.
C
50-300
50-110
Distorsiyon sıcaklığı
C
50-300
50-110
Katılaşırken çekme
%
1-2
4-8
Su emme (24 s-20 oC)
%
0.1-0.4
0.1-0.3
Uzama
Isı İletkenliği
10/118
+
=
Polimer
“Matriksler”
“Takviye Malz.”
“Kompozit
Bileşenler”
11/118
PMK Malzemelerde Takviye Malzemeleri
Cam
Karbon, Grafit
Aramid
Bor
Polimer
PMK malzemelerde kısıtlı türde takviye malzemesi
kullanılmakta. Polimerler düşük sıcaklıkta üretilir ve
birçok fiber üretim şartlarında polimerlerle bağ
yapamazlar Sadece 5 tür takviye elemanı kullanılır. Çok
nadir hallerde yüzeyleri özel olarak değiştirilmiş seramik
fiberler
kullanılabilir.
12/118
Sürekli fiberler değişik şekillerde örülebilir
Kabarık kumaş
Saten karga ayağı
8 li saten
5 li saten
Şekil. Özellikle polimerler için örülen değişik fiber şekilleri.
13/118
Şekil. Uygulama sahasına göre özel örülmüş fiber düzenleri
14/118
Şekil. Yük uygulama
açısının değişimine göre
fiberlerden elde
edilecek gerilme
değerlerinin değişimi.
15/118
Çekme Gerilmesi (MPa)
Fiber örgü örnekleri
Gerilme yönü ve fiberler arası açı
Cam Fiberler
Cam fiber üretimi için çok değişik bileşimde cam
mineralleri kullanılır. Çok değişik türde de cam fiber
mevcut, Örnek: S, C, E, C, R, D.
Tablo. Cam fiber üretiminde kullanılan cam çeşitleri ve
bileşimleri (% ağ.)
Bileşen
E Camı
C Camı
S Camı
SiO2
52.4
64.4
64.4
Al2O3.Fe2O3
14.4
4.1
25.0
CaO
17.2
13.4
-
MgO
4.6
3.3
10.3
Na2O.K2O
0.8
9.6
0.3
10.6
4.7
-
-
0.9
-
Ba2O3
BaO
16/118
E camı = E elektriksel özellikli camı ifade eder
İyi mukavemet, modül ve elektriksel özellikler
Fiber üretimi oldukça kolaydır.
C camı = Korozyona dayanımı temsil eder. Kimyasal
korozyona karşı oldukça dirençlidir.
Mekanik özellikleri E camına göre daha kötüdür.
Maliyeti de yüksektir.
S camı = Yüksek mukavemet ve modülü temsil eder
Hem E ve hem de C camından daha yüksek
maliyete sahip ve daha yüksek mukavemet ve
elastik modül özellikleri sergiler.
Yüksek sıcaklıkta bile mukavemetini muhafaza
edebilir.
17/118
Karbon Fiberler
Karbon (C) elementi =
2.268 g/cm3
C allotropik malzeme
Fiber üretiminde, C
fiberler hegzagonal
yapıda
C – C bağları arası
mesafe 0,154 nm
Grafit fiberlerde ise CC bağları arası mesafe
0.142 nm
Şekil. Grafitin kristal yapısı
18/118
Karbon fiber PMK malzemelerin önemli özellikleri:
-
Düşük yoğunluk (Alüminyumdan % 40 düşük)
Yüksek mukavemet (yüksek mukavemetli çelik kadar
mukavemetli)
Yüksek elastik modül(Ti dan daha yüksek modül ve daha
düşük yoğunluk)
İyi yorulma direnci (Neredeye limitsiz yorulma ömrü)
İyi sürünme direnci
Düşük sürtünme, iyi aşınma direnci (yağlama altında
çalışan çeliğe eşit sürtünme katsayısı)
Düşük elektriksel direnç
Yüksek elektromagnetik etkileşim
Yüksek termal iletkenlik
19/118
Karbon fiberler değişik özellikte olabilir. Genel Özellikler:
Düşük yoğunluk
Yüksek elastik modül ve yüksek mukavemet
Ortalama maliyet
Standart Elastik modüllü:
207-240 GPa
Orta ölçekli elastik modüllü:
240-340 GPa
Yüksek elastik modüllü:
340-960 GPa
Fiber çapları 5-8 mikron arasında (insan saçından
ince)
20/118
Takviye amaçlı Karbon fiberler üç türlüdür:
1. PAN (Polyakrilonitril)
2. PITCH (Petrol ürünlerinden)
3. Rayon (Kimyasallardan)-Artık kullanılmıyor
Karbon Fiberlerin Mekanik Özellikleri
PAN Esaslı PITCH Esaslı Rayon Esaslı
Elastik Modül (Mpsi)
33 - 56
23 -55
5.9
Çekme Mukavemeti(Mpsi)0.48 - 0.35
0.2 - 0.25
0.15
Uzama (%)
1.4 - 0.6
0.9 - 0.4
25
Yoğunluk (g/cm3)
1.8 - 1.9
1.9 - 2.0
1.6
Karbon miktarı (%)
92 - 100
97 - 99
99
21/118
Seçilmiş bazı C fiberlerin mekanik özellikleri
Fiber
Türü
Ürün Kodu
Çekme
Mukavemeti
(GPa)
Elastik
Modül
(GPa)
Uzama
(%)
PAN
T300
T1000
M55J
IM7
3.53
7.06
3.92
5.30
230
294
540
276
1.5
2.0
0.7
1.8
KCF200
Thornel P25
Thornel P75
Thornel P120
0.85
1.40
2.0
2.20
42
140
500
820
2.1
1.0
0.4
0.2
GP-Pitch
HP-Pitch
22/118
Uzay araçlarında C fiber kompozitler başarıyla
kullanılmakta.
-Yükleme ve geçiş bölmelerinde ve itici kuyruklarda, solar
panellerde epoksi C fiber PMK,
PEEK matriks yüksek elastik modüllü C (350 GPa) PMK
kompozitler
Primer yapı olarak
Airbus A310/A320 dikey kuyruk kutularında toklaştırılmış
epoksi grafit fiber kullanılmakta.
C fiber PMK malzemeler ağırlık kazanımı için otomobillerde
kullanılmaya başlanmış.paneller, tamponlar, şaftlar, motor
bileşenleri
Sürekli C fiber takviyeli PMK malzemeler elektronikte
sıcaklığı düşürmek amacıyla kullanılmaktadır.
C fiber kompozitler beton takviyesinde kullanılır.
23/118
Tablo. Tek yönlü dizilmiş C fiber takviyeli epoksi matriksli
kompozitlerin ve yine epoksi matriksli farklı fiber takviyeli
kompozitler ile farklı malzemelerin karşılaştırılması
Gerilme (MPa)
Epoksi/C fiber
(Yüksek muk.)
Epoksi/C fiber
(Yüksek modül)
Epoksi/S cam fiber
Epoksi/E cam fber
Epoksi/Kevlar 49 fiber
Alüminyum (7075T6)
Titanyum (6Al-4V)
Çelik (4130)
24/118
Çekme
Basma
E. Modül
(GPa)
Yoğun.
(g/cm3)
1482
1227
145
1.55
1276
1020
207
1.63
1751
1103
1310
572
1103
1300
496
490
290
-
59
52
83
69
114
207
1.99
1.99
1.39
2.76
4.43
8.01
Aramid Fiberler (Kevlar, Twaron)
Cam fiberlerin performansı yetersiz kaldığında
uygulanır.
Savunma sanayii, balistik uygulamalar, kurşun
geçirmez yelek, endüstriyel spor eşyaları
Camdan daha yüksek mukavemetli ve daha hafif.
Karbon fiberlerden daha sünek,
Maliyeti karbon ve cam fiberlerden daha fazla
25/118
Aramid fiberler C, O, N ve H nin aromatik bir bileşimidir
Kevlar ve Twaron ticari isimlerdir.
Üretilen Hammaddesi: Para-phenylene-tere-phthalamide
(Aramid)
Polimer ilkin yıkanır ve sülfürik asitte çözündürülür
Polimer yapısından dolayı çözünmüş halde
kısmen yönlenmiş haldedir.
Polimer çözeltisi küçük boşluklu kalıplardan
ekstrüzyon işlemine maruz bırakılır. Çözeltilerin
döndürülme ile üretilmesine (spinning) benzerdir.
Fiberler tekrar yıkanarak kurutulur ve istenen
şekillerde sarılıp veya örülür.
Ekstrüzyona uğrayan her bir küçük demetin içinde 134
den 10,000 arası fiber bulunur.
26/118
Kevlar Fiber özellikleri
Elastik Modül
Çekme Mukavemeti
Uzama
Yoğunluk
MPa
MPa
%
g/cm3
29
83
3,6
4
1,44
Kevlar
49
131
3,6
2,8
1,44
149
186
3,4
2
1,47
Şekil. Kevlar 49 fiberin
taramalı elektron
mikroskobunda elde
edilmiş fotoğrafı.
27/118
Bor Fiber Özellikleri
Yoğunluk: 2.5 g/cm3
Elastik Modül: 400 GPa
Çekme Gerilmesi: 2.8 GPa
Çekmede Uzama: % 0.7
Eksenel CTE: 4.9 PPM/oC)
(CTE: Termal genleşme katsayısı)
SiC fiberler,
Polimerik fiberler (PE, Naylon, PP) birçok
uygulamada kullanılır.
28/118
Spesifik mukvemet (x106 in.)
Spesifik modül (x108 in.)
29/118
Şekil. Bazı önemli
fiberlerin,
metallerin ve
polimerlerin
spesifik gerilme ve
spesifik modül
değerlerinin
karşılaştırılması
Tablo. Seçilmiş bazı takviye malzemeleri
30/118
Fiber Özellikleri
Young Modülü
Çekme Gerilmesi
x103 psi
106 psi
Yoğunluk
31/118
32/118
Kompozit Üretim yöntemlerinin sınıflandırılması
PMK MALZEMELERİN TEMEL KULLANIM ALANLARI
POLİMER
KOMPOZİT
MALZEMELER
UZAY VE
HAVACILIK
33/118
OTOMOTİV
SEKTÖRÜ
SPOR
ARAÇLARI
YAPISAL UYGULAMALAR
A- Uzay ve Havacılık
Uzay Mekiğinde
Gövde kaplama bileşenleri
(çelikten çok daha hafif)
 Ticari Uçaklarda
Kanat kısımlarının tamamı
Kuyruk kısımları
 Savaş uçaklarında (jetler)
Kanat kısımları, kuyruk
 Helikopter ve uydularda
Ana ve kuyruk pervanelerinde
Gövde bileşenlerinde
Uydu gövdelerinde
34/118
Uzay Mekiği
Bor
Al+PMK
Nomex
fiber PMK
Grafit epoksi
yüksek mukavemetli PMK
Ti ile birlikte B
fiber epoksi PMK
35/118
Cam fiber PMK alt
tabaka kaplama
Cam fiber
PMK Al
üzerine
kaplama
yapılmış
Grafit epoksi
kapılar
Epoksi cam
örgülü PMK
Örülmüş cam fiber
Poliüretan PMK, ani sıcaklık
değişikliklerine dayanıklı
Ticari Uçaklar
36/118
Ticari uçaklarda PMK kullanımı iki kısımda ele alınır: Birincil
yapılar; uçuşta kritik, ikincil yapılar
37/118
Savaş Uçakları (Jetler)
38/118
Askeri uçakların PMK malzemelerden yapılan genel parçaları
39/118
A.B.D. Hava kuvvetleri B-2 ileri (hayalet) bombardrıman uçağı
40/118
Uçakların motor uygulamalarında kullanılan
bileşenler
41/118
Uçaklarda
kullanılan
değişik PMK
malzemeler:
Uçak gövde
burunları, konik
parçalar,
42/118
Helikopter ve Uydular
Helikopterlerde dış gövdenin nerdeyse tamamına
yakını PMK malzemedir.
Kullanılan PMK malzemeler özellikle Epoksi-karbon
veya grafit (uçuşta kritik bölgelerde-helikopter
pervanesi ve uçuş denge pervanesinde kullanılır)
Polimer + Aramid fiber (balistik amaçla kullanılır)
Polimer + cam fiber (Uçuşta ikincil önemli parçalarda
kullanılr)
Apaçi; Dış gövde ve
pervane sistemi PMK
43/118
Lynx
model:
gövde altı
ve yan
kapılar
Kevlar
PMK
kompoziti
Helikopterlerde
kullanılan PMK
pervane kanatları
S-75 ACAP helikopteri, Xpervanesi (uçuş pervanesi)
tamamen karbon fiber
takviyeli PMK malzemeden
dizayn edilmiştir. Özellikle
havadan askeri araçların ve
silahların naklinde kullanılır.
44/118
Plastikorganik fiber
Plastikcam
Plastik-cam
kısa fiber
Plastik- C fiber
Metaller
KA-50 helikopter gövdesinde kullanılan malzemeler
45/118
Uydu Bileşenleri
46/118
Nasa Helios, Atmosfer uydusu
(meteoroloji). Kaporta tamamen
PMK malzemedir.
Solar paneller PMK, Ana gövde iskeleti Al-Li
MMK olmasına rağmen kaporta kısmının
tamamı C fiber PMK tir. 2004 yılında
faaliyeti durdurulmuş ancak teleskop
sistemi yenilenerek başka uydularda
kullanılmaya
başlanmış
47/118
B- Otomotiv sektörü
Sürekli fiber demetleri bir
kumaş gibi örülerek dikilmiş
ve fiberler arasına polyester
emdirilmiştir. Elektrikli
aracın dış gövdesi 8
parçadan imal edilmiştir.
Bu tür araçlarda temel
avantajlar:
Ağırlık tasarrufu,
Ürtim maliyetinde azalma,
Korozyon direnci,
Termal izolasyon
Solectria electrikli oto: (a)
kaporta. (b)tamamlanmış gövde.
48/118
Otomobillerde özellikle C-fiber takviyeli PMK ler revaçta
 Gövde Parçaları
- Kaputlar
- Kapılar
- Spoylerler
- Alt kaportalar
 İç Parçalar
- Kumanda panosu
kitleri
- Şanzımanlar
- Koltuklar
- Konsoller
 Other Parts
- Ekzost Sistemleri
- Yakıt geliş
sistemleri
49/118
Sadece 160 Kg ağırlığında Monocoque otomobil gövdesi.
Gövde Ti iskelet üzerine kaplanarak üretilmiş. Gövde
çelikten daha yüksek elastik modüle sahip ve çeliğin ¼
kadar
50/118 bir yoğunluğa sahiptir.
Ferrari Formula 1 aracı. Tüm gövde yapısı elle yatırma
yöntemi ile üretilen Epoksi C fiberden daha sonra otoklav
yöntemi ile şekillendirilerek üretilmiş. Katmanlı mikroyapı
Carbon Fiber: McLaren 1 aracı
51/118
a)
c)
b)
a) tampon, b) kaput ve
c) İç kumanda panosu
52/118
Volkswagen Sharan iç panel
Oto spoileri
Kevlar fiber zırhlı araç
Tamamen PMK
gövdeli kamyon
Hızlı tren vagonları
53/118
C- Spor Araçları
Hafiflik, korozyona dayanım,
arzulanan mukavemet ve ealstik
modülün sağlanabilmesi, düşük
sürtünme katsayısı gibi bazı ana
nedenlerden dolayı PMK
malzemeler spor eşyalarında
yaygın olarak kullanılır
54/118
Karbon Fiber parçalar:
– Yarış bisikletleri
• İskeletlerde
• Çatallarda
• Tekerleklerde
– Golf Sopalarında
– Tenis Raketlerinde
– Amrikan Futbolu ve Hokey
koruyucularda
– Silahlarda
– Yay ve oklarda
55/118
Cam veya
karbon fiber PMK
Karbon fiber PMK
snowboard
56/118
D- Yapısal Uygulamalar
Birçok farklı uygulama sahsı mevcut:
Denizcilik,
Zırh (kurşun geçirmez yelek)
Askeri araçlar,
İnşaat sektörü
Şekil. Karbon/epoksi kompozit koltuk
değnekleri. Al dan daha yüksek
mukavemetli ve % 50 daha hafif, daha
estetik görünümlü
57/118
Özellikle Japonya’ da depreme dayanıklı beton veya yapı
malzemeleri üretilmektedir. Beton içine C veya farklı
polimer
fiberle ilave edilip betonun kırılma tokluğu arttırılır
58/118
Çok amaçlı PMK malzeme dış
gövdeli araç. Zırh amaçlı ve
radar sinyallerini engelleyici
PMK ile yapılmış. Zırh için
Kevlar PMK, radar sinyali
engellemek için cam fiber
polyester PMK
Kişisel amaçlı kurşun
geçirmez malzemeler
Kevlar fiber takviyeli
kask
59/118
Denizcilikte yatlar,
yelkenli kayıklar
genelde cam fiber
polyester PMK dir.
60/118
Nautical Transportation
PMK
PMK Kompozit
kasası
Preste sandwich türü dizayn
ile üretilen Norveç’ e ait mayın
tarama gemisi Cam fiber PMK
Yelkenliler
61/118
PMK Malzemelerde Özellikler
Çelik ve Al ile karşılaştırıldığında fiber takviyeli PMK
malzemelerde mekanik özellikler
Yoğunluk
r(kg/m3)
E. Modül
E(GPa)
Çekme
Mukav.
s(MPa)
Spesifik
Modül
E/r
Spesifik
Mukav.
s/r
Çelik
7800
208
400
1
1
Alüminyum
2700
70
200
0.97
1.44
Nylon
1100
2.5
80
0.09
1.42
Beton
2400
40
20
0.63
0.16
Rastgele Fibee FRP
1800
20
300
0.42
3.25
(Fiberlere Paralel)
1600
200
1500
4.69
18.3
(Fiberlere dik)
1600
3
50
0.07
0.61
Tek yönlü Fiber FRP
62/118
Spesifik Modül (E/r)
Spesifik Mukavemet (s/r)
Malzeme türü
Malzeme türü
Şekil. Seçilmiş bazı kompozit ve takviyesiz alaşımların
spesifik
modül ve mukavemet değerleri.
63/118
Spesifik mukavemet (x106 in)
Spesifik modül (x108 in)
Birçok malzeme ve kompozitlerde spesifik mukavemet ve
modül ilişkisi.
64/118
Mukavemet
Modül
Elektirik
Direnci
Sürünme
Direnci
Yorulma Dayanım
Sınırı
Yağlayıcılık
Aşınma
Dayanımı
Termal
İletkenlik
Şekil. Nylon 6.6 matriksli kompozitte özellikler
65/118
% 40 Karbon
% 40 Cam
Takviyesiz