KOMPOZİT MALZEMELER KOMPOZİT MALZEMELERİN TANIMI

KOMPOZİT MALZEMELER
KOMPOZİT MALZEMELERİN TANIMI
Teknolojik gelişmelerin temelinde malzeme alanındaki ilerlemeler ve yeni buluşları
yatmaktadır. Günümüzde malzeme bilimi tek bir mühendislik dalı olmaktan çıkmış, alt
branşları olan metaller, ametaller, kimyasallar, organikler, inorganikler, polimerler vb gibi
kollara ayrılmıştır. Kompozit malzemeler ise bu gruplar içerinde en önemlilerinden biri olarak
çok geniş bir uygulama sahası bulmuştur. Havacılık, otomotiv, tekstil gibi önemli endüstri
kolları kompozit malzemelerin önemini benimsemiş ve sürekli gelişmelerden kendilerine
düşen payı almışlardır.
Genel olarak kompozit malzeme fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı iki veya daha fazla
malzemenin bir araya gelerek oluşturduğu çok üstün özelliklere sahip olan malzemelerdir.
Kompozit yapılar çatı ve matris diyebileceğimiz iki farklı oluşumun uygun usullerle bir araya
getirilmesiyle teşkil edilirler. Adında çağrıştırdığı gibi çatı kompozit yapının mekanik
mukavemetinin sağlamakla yükümlüdür. Kompozitlerde çatıyı teşkil eden uygun
malzemelerin iplikçik halindeki formlarıdır.
Matris ise fiberleri bir arada tutan ve fiberler arsında gerilim aktarımını sağlayarak kompozit
yapının mekanik özelliklerinin oluşumunu dolaylı olarak etkileyen ve fiberleri fiziksel ve
kimyasal dış etkenlerden koruyarak kompozit yapının bir sistem olarak ortaya çıkmasını
sağlayan kısımdır. Matris malzemesi olarak uygun metal alaşımları kullanılabileceği gibi daha
yaygın olarak reçineler kullanılmaktadır.
Kompozit malzemelerin, metal malzemelere tercih edilmelerinin nedeni ağırlık olarak % 25„
lere ulaşan miktarda malzeme tasarrufu sağlamalarıdır. Bununla birlikte aşağıda sıralanan
avantajlar bu malzemelere olan talebin nedenlerini göstermektedir.
. İyi bir görünüm vermeleri
. Diğer malzemelere uyumluluğu
. Kolay imal edilebilirlik ve yüksek üretim miktarları
. Düşük maliyet
. Kalite
. Uzun kullanım süresi ve iyi performans
. Ham malzeme temin kolaylığı
. Çok iyi fiziksel ve kimyasal özellikler.
KOMPOZİT MALZEMELERİN UYGULAMA ALANLARI
Cam elyaflı kompozitlerin, mukavemet, hafiflik, düşük maliyet ve korozyon direnci
gerektiren uygulamalarda kullanılması oldukça yaygındır. Günümüzde ise uzay sanayinde
kullanılan malzemelerden spor malzemelerine kadar çok geniş bir spektrum içerisinde
uygulama alnı bulmuştur. Kompozit malzemelerin uygulama alanlarından belli başlıları;
Uçak Sanayi:
Elyaf destekli kompozitler uçak parçaları için gittikçe çok cazip hale gelmiştir. Bu alanda en
çok kullanılan elyaf, karbon, aramid ve camdır. Matris malzemesi olarak 120-170ºC arasında
polimerleşen epoksiler kullanılmaktadır.
Uzay ve Roket Sanayi:
Roket sanayinde kompozitlerin ilk kullanım alnı roket kılıfı uygulamasıdır. Böylelikle
roketlerin taşıma kapasitesi ve menzili artırılmıştır. Uzay mekikleri metal matrisli
kompozitlerinn bol miktarda kullanıldığı ilk uygulamalardan birisidir. Uzay mekaniğinin ana
çatısı, 242 tek yönlü borun elyafı alüminyum ana yapılı tüplerden oluşmuştur. Bu tüpler
alüminyum tiplere göre % 44 ağılık tasarrufu sağlamıştır.
Otomotiv Sanayi:
Otomotiv uygulamaları görünüş ve yapısal dayanıklılık olmak üzere iki sınıfa ayrıla bilir.
Mesela kaporta için görünüş önem arz eder. Ancak şasi gibi yük taşıyan elemanlarda
mukavemet önemlidir.
Denizcilik Sanayi:
Boyu 50 metreye kadar olan gemi ve tankerlerin gövdelerinin kompozitlerden imali ekonomik
olarak mümkündür. Diğer taraftan lüks yatlar ve sürat motorları kompozitlerden imal edilirler.
KOMPOZİT MALZEMELERİN AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI
Kompozit malzemelerin, metallere göre avantaj ve dezavantajları şu şekilde sıralayabiliriz:
Avantajları:
. Çatlak ilerlemesi olayı minimize edilmiştir.
. Titreşimleri absorbe edilme özelliği sağlanmıştır.
. Kompozitlerden bazıları çok yüksek akma sınırı (akma gerilmesi) değerlerine sahiptir.
. Korozyon problemi yoktur. Bunda matris ve malzemenin uygun seçilmesinin önemi
büyüktür. Aksi takdirde birbirleri ile temasta bulunan malzemeler pil oluşturacak ve galvanik
korozyona neden olacaktır.
. Kopma uzaması metallere göre daha yüksektir.
. Yorulma dirençleri oldukça yüksektir.
. Ağırlıkça tasarruf edilmiştir.
Dezavantajları:
. Metallere yapışmazlar.
. Fırınlamadan (pişirmeden) kullanılamazlar.
. Değişik doğrultuda değişik mekanik özelliklere sahiptir. Aynı kompozit malzemeler için
çekme, basma, kesme, eğilme mukavemet değerleri farklı farklıdır. Elyaf doğrultusundaki
elastik modülü, elyafa dik doğrultudaki elastik modülünden daha büyüktür.
. Üretimi nispeten pahalıdır.
. Nem ve hava zerrecikleri, kompozitlerin mekanik ve yorulma özelliklerini olumsuz yönde
etkiler.
. Delik delme ve kesme türü işlemler liflerde açılmaya yol açmaktadır (Ancak 3 boyutlu
dokumada bu olay söz konusu değildir. Zira 3 boyutlu yapının kesilmesiyle elde edilen ve 2.5
boyutlu yapı adı verilen malzeme türü iyi özellikler vermektedir.)
KOMPOZİT MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI
Kompozit malzeme matris adı verilen bir ana bileşenle, yüksek mukavemete ve yüksek elastik
modülüne sahip olan takviye edici (fiber, tane, tanecik, dolgu,kat) olarak adlandırılan yapısal
bileşenlerden oluşurlar. Kompozitleri başlıca üç ana grupta inceleyebiliriz.
1-Fiber takviyeli kompozitler
2-Tabakalı kompozitler
3-Tanecikli kompozitler
1-Fiber takviyeli kompozitler
Fiberglas
Uçaklarda panellerde kullanıldığı gibi, roket motorlarda da kullanılmaktadır.
Avantajları;fiyatının göreceli olarak ucuz olması, kolay temin edilmesi, işlenme kolaylığı,
yüksek mukavemeti, esnek olması ve düşük kalıp maliyetidir. Dezavantajı ise; neme karşı çok
duyarlı olmasıdır. Havacılık ihtiyaçlarını karşılamak üzere temel olarak iki tip fiberglas
bulunmaktadır. Bunlar “E-Camı” ve “S-Camı” dır.
E-Camı
Moleküler yapısı “Kalsiyum Oksit / Alümina-Borasilkat” esaslıdır. Alkali en çok %2 olabilir.
Genel amaçlıdır. Mukavemet ve yüksek elektrik iletkenliğinin gerekli olduğu alanlarda
kullanılır. Diğer fiberlere nazaran daha ucuzdur. Fiberglasın en yaygın olarak kullanılan
tipidir. Genellikle fiberglas dökümanları bu tip için hazırlanmaktadır.
S-Camı
Bir “Siliko-Alümino-Magnesia” kompozisyonudur. Alümina içeriği E cam‟ına göre daha
fazladır ve mukavemeti E-camı‟na göre %40 daha büyüktür. Yüksek sıcaklıklarda
özelliklerini daha iyi koruyabilmektedir. Çok yüksek dayanım gereken yerlerde kullanılır.
Fiberglasın bu tipi dokuma halinden ziyade iplikcik halinde bulundurulur ve kompozit teşkili
sırasında istenilen formda dizilirler. Fiberglas demetleri genellikle reçine esaslı bir madde ile
kaplanır ve sargı makineleri yardımıyla uygulama yapılır.
C-Camı
“Soda-kireç-borasilikat” içerir. Kimyasal stabilitenin en önemli faktör olduğu alanlarda
kullanılır. Asitlerle teması olan yerlerde kullanılabilirler.
Kuartz
Düşük dielektrik özellikleri istenen anten, radar ve bunun gibi parçalarda kullanılır.
Boron
Elastisite modülü yüksek kompozit teşkili için kullanılır. Boron fiberleri normal olarak
önceden reçine emdirilmiş teypler halinde sağlanabilirler. Bu reçinelerden teyp miktarı,
hacimsel olarak %50 fiber içerecek şekilde ayarlanmaktadır. Ancak değişik uygulamalar için
reçine / fiber oranı değiştirilebilir.
Karbon Fiberler
Karbon fiberler cam fiberlere göre çekme dayanımı, elastikiyet modülü, ısıl iletkenlik, boyut
kararlılığı, aşınma direnci, sürünme ve yorulma dayanımı gibi birçok alanda üstünlük sağlar.
Cam fiberlere nazaran üç kat daha yüksek elastikiyet modülüne sahip olan karbon fiberler
sertliğin önemli olduğu parçalarda tercih edilirler. Matris içerisine karbon fiberi eklenmesi ile
kompozit parçalar iletken haline getirilebilir. Bu özelliklerinden dolayı makaralı yataklarda,
plastik elektrotlarda, motor farlarında kullanılır.
Grafit Fiberler
Mükemmel işlenebilme yeteneği ve düşük ısıl genleşme katsayısı, grafitin diğer
üstünlükleridir. Filamanların mükemmel şekillendirilebilme kabiliyetlerinden dolayı keskin
şekilde köşeler yapılabilir. Isıl iletkenliğin yüksek oluşu, ısıl gerilmelerin radyasyon ve
konveksiyon yolu ile üniform olarak dağılması sağlanır. Dezavantajı ise düşük genleşme
katsayısının sebep olduğu ısıl gerilmelerdir.
Organik Fiber
Diğer fiber türlerinden farklı olarak para-aromid fiberi aromatik polyamid yapıda bir organik
polimerdir. Para-aromid mevcut organik ve inorganik fiberlerden en yüksek çekme
mukavemetine sahip fiberlerden birisidir. Para-aromid malzemenin en büyük avantajı düşük
yoğunlukta olmasıdır. Bu özelliği nedeniyle havacılık ve denizcilik endüstrisinde kullanımı
yaygındır. Özellikle pilot kaskı imalinde ve hız teknesi inşasında bu özelliğinden
faydalanılmaktadır. Çarpma mukavemetinin yüksek olması sebebiyle, son yıllarda balistik
koruyucu yelek, kompozit miğfer gibi ürünlerde de kullanılmaktadır.
UHMWPE (Yüksek Moleküler Ağırlıklı Polietilen) Fiber
1990 yılında seri üretimine geçilen UHMWPE fiberleri çok yüksek çekme mukavemetine
sahip olması (çelikten 10 kat daha sağlam) nedeniyle dünyada bilinen en sağlam fiberdir.
Yüksek moleküler ağırlıklı polietilen “tel sağma” işleminden geçirilmesiyle elde edilir.
Başlangıçta karmaşık bir yapı ihtiva eden polietilen, bu işlemden sonra bağ yapıları
paralelleştirilerek ve yüksek düzeyde kristal bir yapı (%85) oluşturularak çok üstün özelliklere
sahip bir fiber elde edilir. Eşi bulunmayan özelliklerinden bazıları:
Yüksek çekme mukavemeti
Çok yüksek elastisite modülü
Sudan hafif olması (0.97 gr/cm³)
Çok yüksek enerji emebilme özelliği
Tekrar kullanılabilmesi
Bu özellikleriyle UHMWPE fiberi yapısal kompozit parçaların imalinde balistik korucu yelek
ve diğer korucu elemanlarda, her tür koruyucu giysi, yüksek mukavemetli halat, paraşüt ipi,
balık ağı yapımında. Hafifliği nedeniyle denizcilik gibi alanlarda kullanılabilecek cazip bir
malzeme olmaktadır. Bazı metalik malzeme ve fiberlerin mekanik özellikleri tabloda
görülmektedir.
Malzeme Yoğunluk Çekme Day. Elastik Modül Spe.Çekm.Day Spec.Modül
(gr/cm3) (Gpa) (Gpa) (Gpa/(gr/cm3) (Gpa/(gr/cm3)
Alumin. L65 2,8 0,46 72 0,17 26
Titn TD 5173 4,5 0,93 110 0,21 24
Çelik 4340 7,8 0,99 207 0,13 27
E-Glass Fiber 2,54 2,6 84 0,98 33
Karbon Fiber 2 1,9 400 0,95 200
Boron Fiber 2,5 3,5 420 1,4 168
Kevlar Fiber 1,44 2,8 130 1,94 90
UHMWPE 66 0,97 3,2 99 3,3 99
Seramik Fiberler
Sürekli seramik fiberler yüksek mukavemet ve elastik modül özelliklerini yüksek ısıya
dayanıklılık ve çevresel şartlardan fazla etkilenmeme özellikleri ile birleştirilmektedir. Bazı
karakteristikler, yüksek sıcaklığa dayanıklı malzemeler arsında özel bir konum
kazandırmaktadır. Örnek olarak silikon carbide (SiC), fiberler ve alüminyum oksit (Al2O3)
fiberler verilebilir.
Metalik Fiberler
Tel şeklindeki birçok metal yüksek mukavemet özellikleri göstermektedir. Berilyum teli çelik
ve tungsten en önemlileridir. Metalik tellerin en önemli avantajlarından biri tane herhangi bir
seramik fiberden daha karalı mukavemet değerine sahip olmasıdır. Özellikle berilyum yüksek
modül ve oldukça düşük yoğunluğa sahip olmasından dolayı yüksek fiyatına rağmen iyi bir
fiberdir. Mukavemeti diğerine düşüktür.
Tabakalı Kompozitler
En az iki değişik malzemenin tabakalar halinde dizilerek, teşkil etmiş olduğu kompozit
malzemelere tabakalı kompozitler denir.
Tabakalama, tabakaları meydana getiren malzemelerin daha faydalı bir malzeme oluşturması
için teşkil edilir. Tabakalama işlemiyle kompozit malzemelerin mukavemeti, rijitliği,
korozyon direnci, aşınma direnci, termal izolasyonu iyileştirilir. Bu tür iyileştirilmiş özellikler
bir metalden haddelenmiş metallerden, tabakalanmış camlardan, plastik tabakalı
laminantlarda çok güzel şekilde görülebilir.
Bi Metalller:
Termal genleşme katsayısı oldukça farklı, iki değişik metalin tabakalanmasından elde edilir.
Sıcaklık değiştikçe belli bir ölçüde bir tarafa ve diğer tarafa eğilir veya çarpılır. Bu tür
metaller sıcaklık ölçüm aleti olarak veya termostat olarak kullanılır.
Kaplanmış Metaller:
Bir metal başka bir metalin üzerinde her iki malzeme özelliğinden daha iyi sir özellik elde
etmek için yapılır. Mesela yüksek mukavemetli Al alaşımlar korozyona daha az
dirençlidirler. Buna rağmen, saf alaşımlar korozyona daha dirençlidirler. Yüksek mukavemetli
Al alaşımı korozyona dayanıklı başka bir alaşımla kaplandığı zaman meydana gelen kompozit
malzeme her iki malzemeden daha çekici avantajlara sahiptir. Elde edilen kompozit malzeme
hem korozyona dirençli hemde yüksek mukavemetlidir. Son zamanlarda Al tel %10 bakırla
kaplanarak elde edilen kompozit malzemenin, yani kompozitlerin bakır teller yerine
kullanıldığı görülmektedir. Al tel hafif ve ucuzdur. Buna karşılık başka malzemeyle kaynak
edilmesi ve yüksek sıcaklıklara dayanması zordur. Diğer taraftan bakır tel pahalı ve oldukça
ağır, kaynak ve diğer bağlantıların yapılması kolaydır.
Bakır kaplanmış Al tel ise hafiftir. Kolayca kaynak bağlantısı yapılabilir. Bakır kaplı Al tel
3/16” lik çaplı tel haline gelebilir. İçine 0.015” lik çapa kadar bakırın korozyonundan
etkilenme olmadan çekilebilir.
Dezavantajı çekme sırasında tabakalar arasında ayrılma oluşmasıdır. Bu yüzden dikkatli
kontrol gereklidir.
Tabakalanmış Fiber Kompozitler:
Tabakalanmış elyaflı kompozitler, kompozitlerin merkez sınıfını oluştururlar. Çünkü bunlar
elyaflı kompozitler ve tabakalanma tekniğini aynı anda ihtiva ederler. En yaygın bir isim
tabakalanmış elyaf takviyeli kompozitlerdir. Buradan tabakalar veya elyaf takviyeli
malzemenin tabakaları, her biri değişik yönlerde dizilmiş tabakacıkların birleştirilmesiyle
meydana gelmiştir. Meydana gelen kompozit malzemenin mukavemeti ve rijitliği değişik
yönlerde takviyelendirilmiştir.
Tabakalı elyaf takviyeli kompozitlerin mukavemeti ve rijitlikleri inşa edilecek yapı
elemanlarının dizayn ihtiyaçlarına göre belirlenir. Tabakalı elyaf takviyeli kompozitlere, roket
lonçerleri (kılıflar), fiberglas, kayık veya robot gövdeleri, hava arcı kanat panelleri ve gövde
bölmeleri, tenis raketi, golf sopaları vs verilebilir.
Tanecikli Kompozitler:
Tanecikli kompozitler bir veya daha fazla malzemenin taneciklerinin başka bir matris
malzeme ile birleştirilmesinden meydana gelir. Parçacıklar ve matrisler metalik veya metalik
olmayan matrisle birleşmesiyle meydana gelen kompozitler veya bunların tersi olan
kompozitlerdir. Parçacıklı kompozitlere örnek olarak betonu verebiliriz. Beton kum ve çakıl
parçacıklarının çimento ve su ile birleştirilmesi sonucu olur. Betonda ne parçacık nede matris
malzeme metaliktir. Metalik olmayan matris metalik parçacık birleşimi kompozitlere örnek,
roket pervaneleridir. Roket pervaneleri polietan ve polisülfat kauçuklar içerisine Al tozları ve
perklorat oksitleyicilerin katılması ile elde edilir.
Metalik Olmayan Taneciklerin Metal Olmayan Matrislerdeki Dağılımı:
Metalik olmayan matris içerisinde metal olmayan tanecikli sisteme örnek betondur. Betonda,
kum ve mıcır partikülleri çimento ile suyun kimyasal reaksiyonu ile birleşerek yeni bir
malzeme teşkil edilmiştir. Betonun mukavemeti normal olarak kayaya denktir.
Takviyelendirilmiş betonlar elyaf takviyeli kompozitlerin konusuna da girdiği gibi tanecikli
kompozitlerin konusuna da girer. Mika veya cam gibi metalik olmayan malzemelerin
parçaları cam veya plastiklerin içerisine karıştırılmasıyla elde edilen kompozitler oldukça
etkilidir.
Metalik Kompozitlerdeki Metalik parçacıklar:
Alaşımlardan farlı olarak metalik matrisler içerisinde metal parçacıkla erimemiş yani
çözülmemiştir. Kurşun partikülleri bakır alaşımları içerisine karışması bu tür kompozitlere bir
örnektir. Benzer olarak kurşun parçacıkları çeliğe de karıştırılır. Hedef meydana gelen
malzemeyle işlenebilirliği artırmaktır. Buna ek olarak kurşun bakır alaşımlardan yapılmış
yataklarda ve rulmanlarda tabii yağlama görevini de yerine getirir. Bunun yanı sıra tungsten,
krom, molibden gibi metal parçacıkları süzerek matrisler içerisine karıştırılabilir. Meydana
gelen kompozit malzeme sünektir ve yüksek sıcaklık özelliğine de sahiptir.
Metalik Kompozitlerde Metalik Olmayan Partiküller:
Seramik gibi metalik olmayan partiküller, bir matris içerisine karıştırılmasından elde edilir.
Meydana gelen kompozite sermet denir. Sermetlerin en yaygın iki grubu şunlardır:
Oksit tabanlı kompozitler
Karbür tabanlı kompozitler
Oksit tabanlı sermetler yada oksit parçacıklı bir oksit matris, içerisine yerleşmişlerdir. Bu tür
sermetler erozyon reziztansının gerekli olduğu yerde yüksek sıcaklıkta alet yapımında
kullanılır.
KOMPOZİTLERDE MATRİS ÇEŞİTLERİ
Bir kompozit yapıda matrisin görevi, yapıştırıcı ve tutucu özelliği ile, fiberleri bir arada
tutmak, yükü fiberlere aktarmak, dağıtmak ve kompozit yapıyı dış etkenlerden korumaktır.
1. Plastik matrisli kompozitler
Matris olarak plastik esaslı malzemelerin kullanıldığı kompozit malzemelerdir. Örnek olarak
cam elyaflı plastikler verilebilir.
2. Metal matrisli kompozitler
Matris olarak, Al,Mg,Cu ve çelik ile benzeri metallerin kullanıldığı kompozit malzemelerdir.
KOMPOZİT MALZEMELERİN İMALİNDE KULLANILAN MATRİS MALZEMELER
PLASTİKLER
Plastik, moleküllerin belirli bir düzen içerisinde sıralanması ile oluşan organik kimyasal bir
maddedir. Genel olarak plastik, dökülerek veya preslenerek şekil verilen ve metal olmayan
malzeme türlerine verilen bir isimdir. Plastikler hafif ve kolay işlenebilmeleri nedeniyle çok
geniş bir uygulama alanına sahiptir. Plastik isminin kullanılmasının nedeni, bu malzemelerin
belirli şartlarda plastik bir kıvam göstermeleri ve bir kalıba basınçla enjekte edilerek kolayca
şekil almalarıdır.
Metaller bir plastik malzemedir. Fakat plastik değildir. Bakalit bir plastiktir, fakat bir plastik
cisim değildir. Çünkü plastik şekil değiştiremezler.
Plastik malzemelerin hammaddeleri:
Kömür Hava (N,O)
Petrol Su
Kireç taşı Pamuk
Tuz (NaCl, MgCl2) Odun
Kükürt Ve diğer ziraat maddeleri
olarak sayılabilir.
Plastik malzemeler son 40-50 yıl içinde büyük gelişmeler göstererek metallerle aynı oranda
kullanılmaya başlanılmıştır. Bunun nedenleri ise şunladır:
Plastik malzemeler oldukça ucuzdur.
Kolayca işlenebilirler.
Ağırlıkları düşüktür.
Kimyasal ve korozyon dirençleri yüksektir.
Isıl ve elektrik özellikleri iyidir.
Yeterli mekanik özelliklere sahiptir.
C*** karbon vs gibi elyaflarla kuvvetlendirilerek mekanik ve fiziksel özellikler
iyileştirilebilir.
ELASTOMERLER
Üç boyutlu şebeke yapısı oluşturularak yüksek esneklik gösteren polimerlerden meydana
gelmiştir.
TERMOPLASTİKLER
Molekül yapısı olarak yan zincirler ve gruplar ihtiva ederler. Moleküller elastomerlerde ve
termosetlerde olduğu gibi üç boyutlu bir yapı teşkil etmezler. Moleküller arasında zayıf
Vander Wals bağı vardır. Bu nedenle rijit yapıya sahip değildirler. Isı altında yumuşarlar ve
bu özelliklerinden faydalanarak ısıtılmak suretiyle şekillendirilirler. Bu şekil değişikliği
esnasında hiçbir kimyasal değişikliğe uğramazlar. Tekrar tekrar ısıtılarak yeni şekiller
alabilirler. Piyasada ise toz ve granür halde bulunurlar. Kompozit imalatında azda olsa
kullanılırlar.
a) Asetol reçineler Şaft yatağı
b) Akrilikler (polimetil metakrilat) Işıklı
c) Selilozik (selüloz asetat) Selefon kağıdı
d) Florokarbon Teflon tava
e) İzosiyonatlar Isı izolasyonu
f) Poliamitler İp, çorap,çamaşır
g) Poliolefinler (Polietilen-polipropilen) Naylon torba
h) Stiren(polistren) Okul gereçleri
i) P.V.C. Boru
j) Polikarbonat Trafik ışıkları
TERMOSETLER
Moleküller bir üç boyutlu şebeke yapısı teşkil edecek şekilde birbirine bağlı bir yapı ihtiva
edeler. Bu bağlama esnasında meydana gelen bu olay tek yönlü kimyasal bir reaksiyondur.
Plastik malzeme şekil aldıktan sonra sertleşir ve malzeme artık yumuşamayıp şekil
değiştiremez.
a) Amino reçineler (melamin formaldehit) Tabak
b) Ekopsi reçineler Uçakların iç donanımı
c) Furan reçineler Koruyucu kaplama
d) Alkitler Boya
e) Fenolik reçineler Elektrik aksamı
f) Silikonlar Oto cilası
g) Poliesterler
-Cila tipi
-Döküm tipi
-Cam takviyeli plastik tipi
Plastik malzemeler en çok reçine diye adlandırılırlar. Kompozit malzemelerin imalatında en
çok kullanılan termosetlerdir. Ekonomik, verimli ve gelişmiş mekanik özellikleri olan
parçalar, termosetlerden kolaylıkla yapılırlar. Günümüzde deniz araçları yapımında, otomotiv
sanayinde, inşaat sektöründe, depo, tank boru yapımında bilhassa ekonomik olması sebebiyle
yaygın olarak kullanılırlar.
Termoset plastikler içinde en yaygın kullanılanı poliesterler, fenolik reçineler, ekopsi
reçineler ve silikonlardır. Poliester ise bunların içerisinde en yaygın kullanılanıdır. Özellikleri
imalat kolaylığı ve yatırımın düşük olması poliesterlerin tercih edilme nedenidir. Fenolik
reçineler ise yüksek mukavemetin yanı sıra, büyük ısı direnci istenen yerlerde kullanılırlar.
PLASTİKLERE KATKI MADDESİNİN KATILMASI
Pratikte plastik malzeme özeliklerini iyileştirmek gayesiyle ilave katkı maddeler katılarak
kullanılır. Bu katkı maddeleri ise şunlardır:
Polimer reçineler
Cam ve karbon elyaflar
Dolgu malzemeleri
Yumuşatıcılar
Stabilizatörler
Yağlayıcı
Renk verici
Aleve karşı koruyucu
Bu gibi katkı maddeleri ise çeşitli yöntemlerle plastik içerisine katılırlar.
Harmanlama:
En iyi malzeme özelliklerini sağlamak gayesi ile iki veya daha çok plastiğin veya katkı
maddelerinin karıştırılması işlemine denir. Harmanlama işleminin özellikleri şunlardır:
1-Harmanlama sadece polimerlerin karşılaştırılması için uygulanan mekanik bir usuldür.
Harmanlanan polimerlerin kimyasal bağlarının önemi yoktur.
2-Elde edilen karışımın tek bir ergitme ve camsı yapıya geçiş sıcaklığı vardır. Bu sıcaklık her
iki polimerin sıcaklıkları arasında olabilir.
3-Harmanlama sonucunda polimerlerin en az bir özelliği çok iyi bir şekilde düzelir.
4-Harmanlama oranları %25–50 arasında olabilir.
Harmanlama 3 şekilde yapılır:
1-Fiziksel harmanlama:
Uyuşmayan polimerler birlikte öğütülür ve yumuşama sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklığa
kadar ısıtılır, soğutulur. Soğutma sonucu bir ana faz yani matris yapı içinde küresel, silindir
veya lamel şeklinde diğer fazdan oluşan iki fazlı bir yapı oluşur.
2-İnter polimerizasyon:
Polimerizasyon işleminin devamı için katalizör olarak organik peroksit bileşikleri kullanılır.
3-Aşılama polimerizasyon:
Plastiklerden birinin zincir yapısını bir başka plastik malzeme aşılanır. Böylece özelliklerde
iyileştirme sağlanır.
PLASTİKLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ
Plastik malzemelerin genel özellikleri:
1-Plastiklerin dış görünüşleri: plastikler genel olarak renksiz, şeffaftır ve istenilen renge
boyanabilirler.
2-Yüzey sertliği: Plastikler yumuşak olduklarından aşınma dirençleri zayıftır, bazı boyayıcı
maddelerle karıştırıldığında yüzey sertlikleri artırılabilirler.
3-Yoğunluğu: Plastiklerin yoğunluğu oldukça düşüktür. (0.9-2.5 gr/cm³)
4-Isıl özellikler: Genel olarak plastiklerin 100-180 ºC arasında olur. Çünkü yüksek
sıcaklıklarda yumuşarlar. Isı iletim katsayıları çok düşüktür. Bu nedenle malzeme içerinde
biriken ısı, ısıl yorulmaya yol açar. Plastiklerin ısı iletim katsayılarını artırmak için Al, Cu, C
cam elyafı katıdır. Ayrıca plastiklerin ısı iletim katsayıları metallerinkinden çok yüksektir.
5- Kimyasal özellikler: Genel olarak termoplastikler asit, bazlı ve tuzlu çözeltilere
dayanıklıdır. Fakat termosetler kimyasal etkilere dayanıksızdır.
6- Yanma özellikleri: Termoplastikler, alev veya aşırı ısı karşısında yanarak özelliklerini
kaybederler. Alevden uzaklaştırıldıklarında yanma durur.
7- Havadan etkilenme: Plastikler havadan etkilenerek bozulurlar. Radyasyon, yağmur veya
dolu erezyonu, rüzgar, hava kirliliği gibi etkilerden bozulurlar. Ultraviyole ışınlar renklerini
alır.
8- Elektriksel özellikler: Plastiklerin elektrik özellikleri oldukça zayıftır. Çok iyi yalıtkanlık
gösterirler.
PLASTİK MATRİKS KOMPOZİT İMALATI
TERMOSET KOMPOZİTLERİN İMALATI
Islak Kalıplama
Bu yöntem, tek yüzü düzgün küçük çapta üretim için kullanılır. Genellikle CTP kalıp
kullanılır. Kalıp yüzeyi ile temas eden CTP yüzeyi düzgün, diğer yüzeyi pürüzlü olur.
Genellikle 2-10 mm kalınlıklar için bu yöntem kullanılır. Büyük boyutlu parçalara kalınlık
daha fazla olabilir, ancak 2 mm‟nin altında kalıplama tavsiye edilmez. Tipik bir yatırma
örneği aşağıda görülmektedir.
Genellikle tekne, oto kaportası, cephe kaplama elemanları, depo ve tank gibi ürünlerin
yapımında kullanılan bu kalıplama yöntemi iki teknikte yapılır;
a) El yatırması
b) Püskürtme
Kalıp hazırlaması ve jelkot uygulaması her iki teknik içinde aynıdır. Kalıp, önce silikonsuz
kalıp ayırıcı vaks ile parlatılır, jelkot uygulanır. Jelkot uygulaması fırça ile veya püskürtme ile
yapılır. Toplam jelkot kalınlığı 0.3 – 0.6(400-500 gr/m²) civarında olmalıdır.
CTP ürünlerinde görülen hataları büyük bir çoğunluğu jelkot uygulaması sırasında yapılan
yanlışlardan kaynaklanır. Bu nedenle jelkot uygulamasında özel bir özen gösterilmesi
gereklidir. Örneğin gereğinden ince uygulanan jelkot, stiren monomerinin uçması nedeniyle
sertleşeceği yerde kurur. Jelkot tabakası yeterli sertliğe ulaşmadan üzerine CTP işlenirse
buruşmalar oluşabilir. Jelkot‟un çok kalın sürülmesi halinde, ürün kalıptan çıktıktan birkaç ay
sonra çatlaklar oluşabilir.
El Yatırması
Jelkot sürülmüş kalıp üzerine önce 300 gr/m²‟lik cam keçe ile uygulama yapılır.cam elyafın
polyesterle ıslatılması için yeterli miktarda polyester fırça veya yün rulo ile cam elyafına
yedirilir. Cam elyaf kalıp şeklini aldığı zaman, yatırma amacı ile yatay dişli rulolarla, hava
kabarcığı giderme amacı ile de dikey dişli rulolarla elde edilen laminatın rulolanması
gereklidir.
Kalıplama sırasında zorluklarla karşılaşmamak ve malzeme zayiatını önlemek amacı ile cam
elyafının belli bir şablonla önceden kalıba en uygun biçimde kesilmesi gerekir.
Kenarların kesimi henüz tam sertleşme olmadan keskin bir bıçak aracılığı ile yapılabilir.
Ürünün kalıptan alınması oldukça uzun bir zaman alır. Kalıptan çıkarma işleminin
çabuklaştırılması amacı ile kalıplanan ürün hemen 60 C ‟lik bir fırına konarak 1 saat süre ile
beklenirse, kalıbın soğumasından sonra ürün kalıptan alınabilir.
Püskürtme
Jelkot uygulanmış kalıp üzerine cam elyafını ve polyesteri püskürterek işleme yöntemidir.
Hava ile çalışan bir püskürtme tabancası birtaraftan cam elyafını kırparak püskürtür, diğer
taraftan katalizlenmiş polyesteri püskürtür. Kalıp yüzeyinde cam elyafı ve polyesterin bir
laminant oluşturması için rulolanır.
Cam elyafının ve polyesterin kalıp üzerine püskürtülmesinden hemen sonra bir rulo ile
polyester ile ıslanmış cam elyafı kalıp üzerine yatırılmalı ve hava kabarcığı kalmamalıdır.
Yatırılan cam elyafı üzerine istenilen et kalınlğı elde edilene kadar kademeli olarak cam elyafı
ve polyester püskürtmeye devam edilmelidir.
Püskürtme yönteminde reçine/cam oranı genellikle 2/1 – 3/1 arasında değişir. Püskürtme
makinalarının kapasiteleri de genellikle 2-10 kg/dakika arasında değişmektedir.
Reçine Enjeksiyonu
Islak kalıplama (El Yatırması) ile soğuk presi arasında bir yöntemdir. Çift cidarlı bir kalıp
içerisine cam elyafı yerleştirilir ve bir veya birkaç enjeksiyon deliğinden polyester kalıp içine
yaklaşık 1 atm. basınçla verilir. Cam elyafının polyesterle ıslanması tamamlanınca reçine
fazlası tahliye borularından çıkar.
Reçine yönteminin avantajları şunlardır:
1- Her iki yüzü düzgün ürün elde etme olanağı
2-Sabit şekil ve ağırlıkta ürün elde etme olanağı
3-Tek kalıpta üretilen ürünlerden daha kaliteli ürün elde etme olanağı
4-Takviye elemanları ve diğer parçaların tek işlemde eklenebilme olanağı
5-Kapalı kalıp kullanılması nedeni ile stiren buharlaşmanın azalması
6- Sertleşmenin ortam sıcaklığından fazla etkilenmemesi
7- Daha temiz çalışma ve az fire verme olanağı
8- İşçilik maliyetinde azalma
Bu yöntemin dezavantajı ise, ilk maliyetin daha yüksek olması ve kalıpların büyük bir özenle,
1‟den daha fazla sayıda hazırlanması gereğidir.
Kopuk Rezervuar Kalıplama
Bu yöntem de, çift kalıpla her iki düzgün ürünlerin yapımında kullanılır. Yumuşak köpük bir
malzemeye polyester emdirilir ve kuru cam elyafı yerleştirilmiş iki kalıp parçası arasında
sıkıştırılır. Köpüğe emdirilmiş polyester, sıkışma nedeniyle cam elyafını da ıslatır ve
sertleşmesi beklendikten sonra iki yüzü düzgün bir CTP ürün elde edilir. Kullanılan cam
elyafı ve köpük kalınlığına bağlı olarak değişik mekanik özellik sağlanması mümkündür.
İkinci kademede tüm sistem, verilecek şekle göre hazırlanmış kalıplardan ısıtılmış bir bölge
içerisinde geçer ve bu fırınlama sırasında reçinenin sertleşmesi sağlanır. Sertleşmiş levhanın
kesimi ile üretim tamamlanır.
Işık geçirgen levha üretimi için cam takviyesinin toz bağlayıcılı keçe olarak veya kırpılmış
cam elyafı olarak kullanılması ve polyester reçinenin de cam elyafının kırılma indisi ile eş
değerde bir kırılma indisine sahip olması gereklidir. Bu amaçla özel polyesterler
geliştirilmiştir.
Profil Çekme (PULTRUSION)
İstenilen şekilde profillerin üretimi için kullanılır. Profil şekilleri tamamen kullanılan kalıba
bağlıdır ve ürünlerde boyuna mukavemet çok yüksektir.
Çekme yönteminde genellikle iki yöntem söz konusudur.
Birinci sistemde çekilecek cam elyafı önce katalizlenmiş polyester banyosundan geçirilir ve
sonra ısıtılmış kalıplardan polyester fazlası sıyrılarak çekilir. Kalıplar aynı profilin şeklini
belirler.
İkinci yöntemde cam elyafı belli bir gerilim ile kuru olarak ısıtılmış kalıplardan geçirilir ve
kalıp içerisinde reçine enjekte edilir.
Kenar Kesme ve Yüzey İşleme
Kesim işleminin polyester henüz tam sertleşmeden yapılması tavsiye edilir. Bu amaçla keskin
bir bıçak kullanılması ve CTP üründe herhangi bir bozulma oluşturmaması için bıçağın CTP
laminata dik olarak tutulması yeterlidir.
CTP ürünlerde açılması gerekli delikler 5 mm çapa kadar, yüksek devirli matkaplarla
delinebilir. 5-10 mm çaptaki delikler elmas matkap ucu ile delinmelidir. Daha büyük çaptaki
delikler için kesiciler kullanılmalıdır.
Kesilmiş veya delinmiş olan her CTP ürün bu işlem yerinde tekrar polyester ile kaplanmalıdır.
Aksi taktirde, ürünün temas ettiği su veya kimyasal maddeler laminat arasına sızabilir.
CTP ürünler genellikle kendinden renkli olarak üretilir ve boya gerektirmez. Ancak bazı özel
durumlarda ürünün boyanması gerekebilir. Bu durumda yüzeyin kalıp ayırıcı ve parlatıcı
elemanlardan tamamen arındırılması gerekir.
TERMOPLASTİK KOMPOZİTLERİN ÜRETİMİ
Klasik termoplastik imalat yöntemleri ile termoplastik kompozitler üretilmekle beraber ticari
düzeyde kullanılan en önemli metod enjeksiyondur. Termoplastik kompozitlerin
enjeksiyonunda bazı ilave zorluklarda ortaya çıkmaktadır.
Takviye malzemesi basma viskozitesi artacağından enjeksiyon basıncı termoplastiklere
nazaran %80 kadar daha fazla büyüyebilir.
Kompozitlerde rijitlik termoplastiklerden dah yüksek olduğundan kalıptan çıkarma sıcaklığı
daha yüksek tutulur ve bu yüzden bu işlem süresi kısa olmalıdır.rijitliğin yüksek olması kalıp
konikliğinin artmasına ve enjektör sayısının da çoğalmasına yol açar.
Ayrıca pistonlu enjeksiyon makinası yerine karışmayı ve homojenleşmeyi ölçmeyi ve sıcaklık
kontrolünü daha iyi sağlamak için vidalı enjeksiyon makinası tercih edilir. Makinanın vida
hızı ve geri basıncı elyafların hasar görmeyeceği şekilde seçilmesi gereklidir. Elyafların
aşındırıcı özelliği hem tezgahta hem de kalıpta hızlı aşınmaya yol açabilir. Bu mahsur
sertleştirilmiş kalıp çeliği kullanılması halinde ihmal edilebilecek düzeye inebilir.
1. Enjeksiyon Kalıplama:
Granül veya toz halindeki malzeme bu kovan içerisinde ısıtılıp yumuşatılır. Daha sonra bu
lüleden basınçlı olarak soğuk bir kalıba iletilir. Parçalı kalıp sıkıca kapatılmıştır. Katılaşma
tamamlandıktan sonra parça kalıptan iticiler veya basınçlı hava ile çıkarılır. Çevrim otomatik
olarak çalıştırılabilir.
2. Ekstrüzyon:
Kovanlara yerleştirilen malzemenin bir ıstampa yardımıyla basınç altında, belirli profillere
sahip matrisler içerisinden geçirilerek şekillendirilmesine Ekstrüzyon adı verilir.
Bir kovan içerisinde dönen bir vidadan meydana gelen eksrüder en yaygın kullanılan
makinadır. Vidanın devri plastik türü, kalıp özellikleri, granül çapı ve plastik sıcaklığı gibi
parametrelere bağlı olarak değiştirilebilir. Bir ekstrüder vidası üç kısımdan meydana gelir.
Besleme bölgesinde malzeme ön ısıtmaya tabii tutularak basınç bölgesine iletilir. Basınç
bölgesinde vida derinliği tedrici olarak azaldığından malzemede bir sıkışma görülür. Bu
sıkışma ile malzeme içerisindeki hava besleme bölgesine itilir. Ölçme bölgesinde vida
derinliği biraz daha azalır ancak eksenel doğrultuda derinlik sabittir. Homojen şekil ve
sıcaklıktaki basınçla kalıba itilir. Her üç bölgenin de uzunluğu malzeme türlerine göre değişir.
Örneğin bir kompozit malzeme olan PVC için basınç tüm vida boyunca artar. Ekstrüder de
değişik kalıplar kullanılarak çeşitli imalatlar yapmak mümkündür.
3. Kaplama:
Ekstrüderden üretilen plastik film veya levha kaplanacak malzeme hızlı bir şekilde
örtüldükten sonra kompozit levha haddelenir. Böylece tam bir yapışma olur hem de tabak
kalınlığı ayarlanmış olur. Önemli bir kaplama metodu tellerin üzerlerinin kaplanmasıdır.
Özellikle elektrik teli üretiminde yüzeyi temizlenmiş ve ısıtılmış tel ekstrüderden beslenen
kalıba girer. Kaplama hızı tel çapına bağlı olarak 1-1000 m/dk arasındadır.
4. Şişirme:
İçi boş kompozit parçalar, özellikle büyük boyutlu parçalar bu metodla kolay ve ucuz şekilde
imal edilebilirler. İmalatın ilk kademesinde yuvarlak bir kalıptan erimiş bir tüp elde edilir.
Daha sonra bu boruya iki parça kalıp içerisinde basınçlı hava üflenir. Birden fazla kalıp
kullanılarak işlem sürekli hale getirilebilir. Bu metodda ektrüde bir silindir ve piston eklenir.
Her şişirme işleminde belirli hacimdeki erimiş plastik malzeme şişirme ucuna iletilir. Hızlı
soğumayı sağlamak için şişirme havası yerine sıvı CO2, soğuk hava veya yüksek basınçlı
nemli hava üflenebilir. Ancak hızlı okuma mekanik özellikleri ve boyutsal stabiliteyi
kötüleştirebilir.
5. Döner Kalıplama:
Şişirme kalıplamaya benzer şekilde içi boş parçaların imalatında kullanılır fakat metod
farklıdır. Hassas olarak tartılan toz malzeme iki parçalı kalıp içerisine konulup kalıp kapatılır.
Kalıplar bir fırın içerisinde ısıtılırken birbirlerine dik iki eksen etrafında döndürülür. Bir süre
sonra yumuşayan malzeme, kalıp cidarlarına homojen tabaka halinde kaplanır. Kalıbın dönme
hızı 20 dev/dk kadardır. Ana ve tali eksen devir sayıları oranı 4/1 „dir. Kalıp sıcaklığı
malzeme türüne göre 250-400 C arasındadır. Kalıp daha sonra döndürülmeye devam edilirken
soğutulur. Kalıp önce basınçlı hava ile daha sonra su jeti ile soğutulur. Daha sonra parça
kalıptan alınır.
6. Thermoforming-Vakum veya Basınçlı Şekillendirme:
Thermoforming, termoplastik kompozit bir levhanın katlanabilme veya yumuşama sıcaklığına
kadar ısıtıldıktan sonra vakum veya basınç etkisi ile bir açık kalıp içerisinde
şekillendirilmesidir.
Vakum-thermoforming ile 0,025 mm den 6,5 mm‟ye kadar kalınlıktaki levhalar kalıp
üzerinde gerilir. Kalın levhalar çift taraflı ısıtılıp yumuşatıldıktan sonra vakum uygulanır. Isı
kaynağı kızıl ötesi lambasıdır. Basınçlı kalıplamada 2Mpa „a kadar basınç uygulandığında
şekillendirme daha kolay olup diğer özellikleri aynıdır. Kalıp dizaynında ve malzeme akışında
derin çekmeye kısmen benzerlik gösterse de burada kalıba temas eden kısım hemen soğuyup
katılaşır.
7. Haddeleme:
Haddeler ısıtılır ve aralığı hassas bir şekilde sabit tutulur. İmalatta haddelemeden önce
malzemenin hazırlanması, haddelemeden sonra ise üretilen levhanın korunması çok
önemlidir. ince levha üretiminde sarma sırasında merdane hızı biraz arttırılarak kısmen çekme
işlemi de yapılır. Çekme hızı 0,1 –2 m/sn arasında seçilir. Prosesin çok hassas kontrol
edilmesi durumunda bu metotla + 0,005 mm kalınlık toleransı elde edilebilir. Sürekli bir
imalat metodu olduğundan, enjeksiyon gibi kesintili işlemlere göre kompozit malzemeler için
daha uygun bir metottur.
8. Transfer Kalıplama:
Basınçlı kalıplamanın gelişmiş bir şeklidir. Kalıp içerisine gönderilecek malzeme önceden
ayrı bir hücrede ısıtıldıktan sonra dar bir orifisten kalıp boşluğuna basılır. Malzeme içerisinde
ısı dağılımı homojen hale geldiğinden sertleşme hızlanır. Üretilen mamulün çarpılma riski
azalır. Akışın düzgünleşmesi ile çok daha karmaşık parçaların üretimi kolaylaşır.
METAL KOMPOZİTLER
Metal Matriksler:
Alüminyum, titanyum, nikel fiberleri ve erimez metal matriksleri bir araya getirilip
yapıştırılarak metal matriksler elde edilir. Bunlardan bor / alüminyum olanlar difüzyon yolu
ile bağlanmış tabakalar ve plazma püskürtülmüş şeritler şeklinde üretilmektedir.
Yapıştırıldıktan sonra alüminyum 530ºC „nin üzerindeki sıcaklıklarda işlenecek ise bor
fiberlerinin tahrik olmaması ve özelliklerini kaybetmemesi için borsic fiberleri kullanılması
gerekir.
Metal matriksli alüminyum kompozitleri sürekli veya aralıklı olarak üretilebilir. Düşük
maliyetli parçalarda aralıklı olanlar, ağırlık kazancının istendiği yerlerde sürekli olanları tercih
edilirler. Silikon korpit ve Al2O3 fiberlerinin hem sürekli hem de aralıklı olanları mevcuttur.
Süreksiz fiberler, metal püskürtme veya toz metalürjisi ile birleştirilirler.
Tabloda bor / alüminyum kompozitinin plazma, difüzyon ve ötektik bağlama işlemlerine göre
mekanik özellikleri gösterilmiştir. Kaynak konvansiyonel tekniklerinden birisidir. Difüzyon
ile bağlama işleminde ise birleştirilecek yüzeyler, boşaltılmış retort içinde 490ºC‟de ve
69Mpa basınçta veya 530ºC ve 2070pa basınçta 30-90 dakika ısıtılmak sureti ile iki katı
yüzey arasında difüzyon sağlanarak parça birleştirilir.
Ötektik bağlama işleminde birleştirilecek parçalar, gümüş veya bakır ile kaplanır ve 6900pa
basınçta 510-570ºC sıcaklıkta inert gazla doldurulmuş veya boşaltılmış çelik birt retort içine
yerleştirilerek işlem gerçekleştirilir.
Bor-Alüminyum Kompozitinin Mekanik Özellikleri
Metal matrikslere uygulanan bu işlemler diğer reçinelerle karşılaştırıldığında çok masraflı
olduğu görülür. Ayrıca, elde edilen matriksin boyutu ve şekli de sınırlıdır.
METAL MATRİKS KOMPOZİTLERİN İMALATI
Metal matriks kompozitlerde matriks malzemesi olarak Al,Mg,Ti kullanılır. Takviye olarak
seramikler, partikül, levhacık, visker, elyaf şeklinde kullanılır. Matriks malzemesi olarak Cu
ve Al‟da grafit elyaf olarak kullanılır.
Metal matriks kompozitler sürekli takviyeli ve süreksiz takviyeli kompozitler olmak üzere
ikiye ayrılabilir. En kolay ve en ucuz takviye fiberdir. Partikül ve levhacıklar ise viskerler ve
fiberlere göre kolay üretilebilirler.
Süreksiz Takviyeli İmalat
Süreksiz takviyeli kompozitler parçacık, levhacık, visker takviyeli kompozitlerdir. En çok
kullanılanlar visker ve partikül takviyeli kompozitlerdir. Alümina, borkarbür, SİC,TİC,WC en
çok kullanılan partiküllerdir. Visker SİC (en çok kullanılan), Al.2O3, silis yumnitrür
kullanılır. Visker maliyeti parçacığın 10-100 katı fazladır. SİC kullanıldığı zaman mukavemet
rijitlik ve aşınma mukavemetini arttırır. Silindirik parçalarda genellikle yüksek l/r den dolayı
viskerler mukavemeti daha fazla arttırır. Ancak imalat esnasında viskerler kırılırsa avantajı
kaybolur. Bunun için özel imalat gerekir. Viskerlerin imalat esnasında yönlendirilmeleride
önemli bir problemdir.
Metal matriks malzemelerin imalatı primer ve sekonder metotlar olmak üzere ikiye ayrılır.
Primer metotta toz metal, sıvı metal emdirme basınçlı döküm, klasik döküm metotları
kullanılır. Sekonder metotla ekstrüzyon, dövme, haddeleme gibi klasik plastik şekillendirme
ile talaşlı imalat, kaynak ve lehim birleştirmeleri gibi metotlar kullanılır.
Primer Metotlar
Toz Metalurjisi
İlk basamak olarak Al alaşım tozu SİC visker ve partikülle karıştırılır. Viskerler 10-90
mikronmetre boyutunda ve 0,6 mikronmetre çapında kum ve kok elektrik fırınında buhar
reaksiyonu ile elde edilir, kırılır ve boyutlandırılır. Karıştırma esnasında viskerlerin kırılması
önlenmelidir. Karışımın düzgün olması için yağlayıcı ve katkılar ilave edilir. Karıştırmadan
sonra buhar yakılır ve buharlaştırılır. Bu işlem preslemeden sonrada yapılabilir. Sinter
sıcaklığı katı hal veya yarı sıvı için seçilebilir. Sıkıştırma sıcak izostatik presleme yapılır. Toz
metalurjisi ile üretilen kütük daha sonra işlenir.
Sıvı Metal Emdirme
Preforma düşük basınçla sıvı metal emdirilir. SİC viskerli alüminyum kompozit bu yolla imal
edilir. Visker üretimi için iki farklı metot vardır. Bunlardan biri seramik slip döküme benzer
şekilde, diğeri pulp kalıplamaya benzer şekildedir. Her iki metotta viskerlerin koyu bir çamur
haline gelmesi için bağlayıcı karıştırılır. Birincide çamur kalıp boşluğuna dökülür ve
sertleştirilir. İkincide ise vakumla şekillendirilip sertleştirilir. Sertleştirilmiş çamurdan nem ve
bağlayıcıyı uzaklaştırmak için yakılır. Sonuçta kısmen bağlanmış kısmen mekanik sıkışmış
viskerler arasında sıvı sızıntısı için boşluk kalmış olur. Ön ısıtma ( metal emilmesini
kolaylaştırmak için )yapılır. Emdirme visker dağılımının düzensizliği, gaz boşluğu,
katılaşmada büzülmedir. Bu işlemden sonra sekonder işlem yapılması gereklidir.
Basınçlı Döküm
Basınçlı dökümle kokil dökümden daha kaliteli malzeme üretilir. Çünkü boşluklar daha az ve
daha ince taneli yapı elde edilir. Seramik preformlar viskerler veya kırpılmış elyaftan elde
edilir. Preform ısıtılıp kalıba yerleştirilir, metal dökülür ve basınç uygulanır. (70-100 MPa).
Katılaşana kadar basınç kaldırılmaz.
Alüminyum pistonlarda kullanılan dökme demir halkalar yerine daha hafif preform elde
edilir. Piyasada ticari yaygın bir metot olduğu için bu şekilde uygulanmış bir çok mamül
vardır.
“Saffil” “Koowool” hızın izolasyonu için üretilmiş alüminyumoksittir. Düşük maliyeti metal
matriks kompozitler için potansiyel malzemedir. Aşınma mukavemeti ve hafifliği için tercih
edilir. Toyota firması dizel pistonu üretiminde ( ayda 28000 parça ) kullanıyor.
Konveksiyonel Döküm
A 356-A 357 Al alaşımları için vf = % 5-20 SİC partikülleri kullanılır. ( Al 356, Al 357 klasik
döküm prosesi için ingot malzemelerdir.) döküm metodu A 356 ve A 357 alaşımında
partiküllerin çökelmemesi için karıştırılır fakat yüzeydeki oksit tabakası bozulmamalıdır.
C ) `dir. Koruyucu gazC-790C ( 680Nominal döküm sıcaklığı 700 argondur. Gaz giderme
veya tuz flux gerekmez. Döküm ve süzme normal işlemlerdeki gibidir. Kullanma maliyeti
normal dökümün 2-3 katıdır.
Sekonder İşlemler
Plastik şekillendirme normal alaşımlarla aynıdır. İşlemede SİC aşındırıcı olduğundan hız
çeliği uygun değildir. Elmas uçlar işlemede tercih edilir, kesme sıvısı olarak Al kesme sıvıları
kullanılır. Kaynakta TİG kullanılır. Fakat alüminyum karbür oluşmaması için düşük olmalıdır.
Lehimlemede daha fazla SİC ıslanması için fluxlar daha etkili olmalıdır. Gaz giderme,
kabarcık ve çatlama olmaması için çok önemlidir.
Sürekli Takviye Metotları
Sürekli takviyeli kompozit üretiminde istenen geometriyi sağlamak için imalata ilave olarak
birkaç güçlük vardır. Takviye elyaf:
Kırılma olmadan istenen hacmin % sini sağlamalıdır.
Yüksek sıcaklıklarda oluşan reaksiyonlardan minimum hasar görmelidir.
Matriksten elyafa yükün transferi için yeterli ara yüzey bağı sağlanmalıdır.
Sürekli takviyeli imalatta işlemler bitmiş parça geometrisini sağlayacak şekildedir. Yani
sekonder işlemler genellikle sınırlıdır. Plastik deformasyon elyaf kopmasına yol açtığından
dolayı istenmez. Talaşlı imalatta ise elmas taşla kesme ve su jeti tercih edilir. Elyafı kesintiye
uğratacak perçin delme vb işlemleri de sınırlı tutulmalıdır.
Primer iki temel işlem vardır:
Uygun elyaf-matriks preformunun imalatı,
İstenen parça geometrisi için preformun preslenmesi.
Primer İşlemler
Sıcak Presleme
Sıcak presleme işlemi aşağıda verilen işlem basamaklarından oluşur.!!
Hidrolik preslerde ısı ve basınçla elyaf matriks arasında bağ oluşturulur. Elyaf çapı genellikle
0,075 mm veya daha büyüktür. Takviye; bor, SİC veya metal elyaflar, geçici bir bağlayıcı ile (
akrilik reçine, dokuma veya metal tel ve şeritle ) bir arada tutulur. Tipik elyaf aralığı 4-10
elyaf/mm dir.[6]
Matriks folyo şeklindedir. Kalınlığı 0,05-0,150 mm arasındadır. Geçici bağlayıcı da
kullanılarak toz matriks seçilebilir. Geçici bağlayıcı ile imalatta büyük bir silindir kalıp
üzerindeki folyo matriks üzerine elyaf helisel olarak sıkıca sarılır. Daha sonra bağlayıcı fırça
ile veya püskürterek kaplanır. Bağlayıcı kuruyunca, elyaf ve folyo kırılarak “monotape” elde
edilir. Sırt folyosu kompozit içerisinde kullanılmayacak ise sökülür. Monotape istenen boyuta
kesilerek istenen oryantasyon sağlayacak katlar dizilir ve kalıba yerleştirilir.
Sıcak preste malzeme etrafına vakum uygulanarak ve uygulanan bağlayıcı gazlaşınca sıcaklık
ve basınç arttırılarak metal akışı sağlanır. Fiber türüne göre sıcaklık eriyinceye kadar
tamamen katı halde olacak şekilde seçilir. Metal matriks akarak elyaf arasındaki boşluğu
doldurur, bitişikteki folyo ile birleşir ve difüzyon bağı oluşturur. Basınç kaldırılır ve soğuyan
parça kalıptan çıkarılır.
Dokunmuş elyaf ve folyo matrikste bağlayıcı gerekmez. Elyaf dokunmuş olduğundan, imalat
sırasında elyaf düzeni bozulmayacağından daha karmaşık şekiller imal edilebilir. Basınç
izostatik uygulanabilir. Yani otoklavda sıcak izostatik basınç kabında uygulanabilir. Sıkışma
parçanın her yerinde aynı derecede oluşur. Bu durum özellikle yüksek akma mukavemetli
parçalarda önemlidir. Sıcak pres SİC-Al ve SİC-Ti kompozitlerde başarı ile uygulanmıştır.
Vakumlu Döküm
Textron firması bu yöntemle takviyeli elyaf ile alüminyumu başarıyla dökmüştür. Hassas
döküm kalıba imal edilip ikiye kesilmiş elyaf preformu elde edilerek kabuk kalıba yerleştirilir
ve kalıp yarıları seramik yapıştırıcı ile yapıştırıldıktan sonra ön ısıtılıp alüminyum dökülür.
Döküm esnasında vakum uygulanarak hava emilir ve sıvı alüminyumun elyafa girişi
kolaylaştırılır. Seramik kabuk hava geçirir fakat alüminyumu geçirmez. Katılaşmadan sonra
kabuk kalıp kırılır ve parça alınır.
Basınçlı Döküm
Süreksiz elyaf ile döküm metoduna benzerdir. Burada da elyaflar arası boşluk katılaşma
sonuna kadar korunmalıdır. En iyi sonuçlar dokunmuş elyaf ile alınır.
Metal Püskürtme
Elyaf bir silindirik boru kalıp üzerine sıkıca sarıldıktan sonra plazma veya tel ark ile metal
elyaf üzerine püskürtülür. Toz metal DC ark veya indüksiyon plazma ile püskürtülür.
İndüksiyonda daha iri tozlar kullanılır ve süre kısalır.
Saflığın önemli olduğu durumlarda Ti alaşımları gibi iri taneler daha fazla empürüte
içerdiğinden bu istenmez. Tel ark püskürtmede, ark matriks malzemesinde iki tel arasında
oluşur. Eriyen alaşım inert bir gazla istenen yüzeye püskürtülür. Al alaşımları hava ortamında
veya soy gazda püskürtülebilirler. Ti alaşımları ve süper alaşımlar kapalı soy gaz ortamında
püskürtülmelidir.
Plazma ve ark püskürtmede elde edilen sıvı metal damlacıkları elyaf üzerine çarptığında
boşlukları doldurur ve düzleştirir. Sonuçta %80 hacim yüzdesi elde edilir. Yüksek
mukavemetli monotape‟nin çıkarılması elastisite modülüne bağlıdır. Ti ve süper alaşımların
kalıptan çıkarılması Al ve Mg alaşımlara nazaran oldukça zordur. Monotape‟ler daha sonra
kesilerek istiflenir. Vakum altında veya HIP ile sıcak pres uygulanır. Şekilde tungsten telle
takviyeli süper alaşım içi boş türbin kanadının imalat kademleri verilmiştir.[7]
Sıvı Metal İnfiltrasyonu
Grafit-Al ve grafit-Mg kompozitler, kaplanmış grafit elyaflarla sıvı metal infiltrasyonu (LMI)
ile imal edilir. Bu işlemde, çok katlı bir grafit
ini önce yüzeysel olarak kimyasal
aktivasyon işleminden geçirilir.
Bu işlemde;elyaf yüzeyi 700 C de buhar yoğunlaştırma yolu ile bir Ti borit tabancasıyla
kaplanır. Ti borit için ise Zn buharı ile Titanyum tetra klorür veya bor tetra klorür kullanılır.
Aktif yüzey alüminyum veya magnezgum ile ıslanabilir olduğundan
in sıvı metal
banyosundan geçirilerek grafit takviyeli tel elde edilmiş olur(%50 Vg).
Bu işlemde royan esaslı T50 ve T75; PAN esaslı T300, Gy70, HM3000 ve Calion ve pitch
esaslı P55, P100, P120 ve P140 elyaflar kullanılabilir.
1100,A201, 2024, 356, 5083, 5154, ve 6061 Alüminyum alaşımları ile AZ
31, AZ91, ZE41, QE22, E233 magnezyum alaşımları uygun malzemelerdir.
Kaplanmış telin üretiminden sonra, sıcak pres veya pultrusyon metodunda uygulanabilir.
Sıcak preste elyaf geçici bir bağlayıcı ile keçe formuna getirilerek kullanılır. Keçe katları
istenen oryantasyon ve kalınlık sağlanacak şekilde istiflenir. Düşük sıcaklık ve vakum altında
C) bağlayıcı yakıldıktan sonra yüksek sıcaklık ve basınçtaC-425(370 presleme yapılır.
Çubuk boru CTL profillerinin imalatında pultruzyon metodu kullanılır. kalıp içerisinde ve
basınç birlikte uygulanarak matriks-elyaf arasında difüzyon bağı sağlanır.
6061 Al alaşımı SİC tel preformu (Plazma püskürtme metoduyla elde edilen )SCS-2pultruzyonla profil haline getirilir. 3 m uzunluğunda ve 3cm çapında diğer metotla aynı
presleme derecesinde pultruzyon ile imal edilir.
Elektro Kaplama
Grafit-Cukompozitlerde elyafın doğrudan kaplanması ile preform elde edilir. Elektro
kaplanmış elyaflar istenen şekilde flaman sarma ile elde edilip sıcak preste sıkıştırılır. Metal
kaplama 0,5-3 mikronmetre kalınlığındadır. P75,P100,P120,IM-6 grafitleri ile saf bakır
kullanılır. Grafit-Cu kompozitler kontrollü genleşme, yüksek ısıl iletkenlik, yüksek elektrik
iletkenliği, yüksek katılık ve mukavemet özelliklerinin istendiği metal iskeletli devre
kartlarında kullanılmaktadır.
KOMPOZİT MALZEMELERİN DİZAYN VE ÖZELLİKLERİ
Kompozit yapılar , eş yönlü (izotrop) metaller ile mümkün olmayan dizayn serbestliğine yeni
boyutlar açmıştır. Modüller, kalınlaştırma ve kuvvetlendirme, tek bileşenlerde serbestçe
çeşitlendirilebilir. Parçalar, yüksek gerilimli alanlardan gelen yükleri transfer edebilmek için
bölgesel olarak yumuşatılabilir. Geniş, tek parçalı yapılar, bağ yığınlarına ihtiyaç duyulmadan
imal edilebilir. Kompozit malzemeler için dizayn iyi tanımlanmış elastik ve plastik gerilmeler
davranışlarına sahip izotropik metallerden tamamen farklıdır. Yapısal parçalar için, tam hatalı
bölgeler araştırılmalıdır ve kesme gerilmeleri ile iç gerilmelere dikkat edilmelidir. Çünkü bu
yapılardaki gerilmeler, birinci derecede matrise bağlıdır, güçlendirilmiş elyaflara (liflere)
bağlı değildir.
Bileşenler, karbon reçineler veya C-GI reçine bileşenlerinden oluşur ve sık sık da gelişmiş
kompozitler olarak adlandırılan yapraklı yapılardan oluşurlar. Onlar aslında izotropik yarı
izotropik veya fazlaca anizotropik olabileceği gibi, materyal şekline, Lay-up biçimine yada
üretim metotlarına bağlı olabilirler. Bir çok parça, liflerdeki büyük yönelmiş özelliklere
işletmek için anizotnop olarak dizayn edilir.
Karbon, cam veya Kevlar fiberli kompozitler, yapraklı sert yapılar gibi iyi bilenen hale
gelirler. Bunlar yani bu materyaller dizayn esnekliğinde yeni boyutlar sunarlar. Fakat bu
avantajlar beraberinde bazı dizayn problemlerine neden olur.
MALZEME ÖZELLİKLERİ
Sertlik:
Yapısal parçaların dizaynında, fiberle güçlendirilmiş yapılar önem arz eder. Bu kompozit
sistemler uygun nedenlerle birleştirilirler. Örneğin, fiberin bölgesel kompozisyonu kabul
edilerek, boyutlar ile fiber yapısının şekli ve tipi değiştirilerek, bir kompozit parçanın farklı
alanlardaki sertlik değerleri önemli oranda değiştirilir.
Süneklik:
Çok rijit metallerdeki gibi, karbonla güçlendirilmiş plastiklerde gevrektir. Çünkü karbon
lifleri kırılgandır. Karbon lifli kompozitler bir davranış göstermezler ve darbe dirençleri
oldukça düşüktür.
İletkenlik (Geçirgenlik):
Plastik reçineler içerisine katılan karbon fiberleri, elektrik ve ısı iletkenliğini sağlayan
tertiplere neden olurlar. Elektrik iletkenliği doğru akım için faydalar sağlar. Bu özellik
elektrostatik uygulamalar için bir avantajdır.
Isıl Genleşme:
Bir kompozitin ısıl genleşme katsayısı sadece fiberlerin boyutlarına bağlı değildir. Fakat
matriks metalin ısıl davranışları da önemlidir. Dolayısıyla kompozit malzemelerdeki ısıl
genleşmeleri önlemek için dikkat edilmelidir ve yönler ile boyutlar ilgili tolerans limitlerini
aşmamalıdır. Eğer ki ısıl genleşmeler zarar verici seviyede ise kesintili fiberlerdeki rasgele
yönlenmiş yapı uygun bir çözüm olabilir. Matriks materyaldeki genleşme fiberlerden daha
büyüktür. Isıl genleşmeler bir kompozit malzemede kolayca oluşabilir. Çünkü matriks
reçinedeki elastik genleşmeler, karbon liflerinden daha geniş ve sünektir. Ayrıca indüklenmiş
ısıl gerilmeleri absorbe eder. Ara yüzey bağ kuvveti fiber-matriks boyunca değişmez ve
kompozit malzemenin özelliklerini etkilemez. Bir kompozit malzemenin çalışma sıcaklığının
limitleri, matriks yapısına bağlıdır. Yüksek sıcaklık epoksileri için sıcaklık dağılım birkaç yüz
derece olabilir. Maksimum olarak 350ºF (177ºC)dir.
Eğer gerilmelerin seviyesi 30 kips / inç² (207 Mpa) ve elastisite modülü 5-30*10000000 lb. /
inç² (34,5-2076 pa) olacağı bekleniyorsa, kuvvetlendirilmiş fiberlerin bazıları belirli şekillerde
olmalıdır.
Şekiller ( Morfoljiler ):
Bir parçanın istenilen dizaynında ilk olarak, uygun metaller şekilleri ( formları ) ve üretim
metodlarının anlaşılması gerekir. Kompozit yapılar çok çeşitli şekiller sahip olmalarına
rağmen hepsi, polister, tipik epoksilen, reçine matriskteki uzun fiberlerle meydana gelir.kısa
ve rasgele dağılmış fiberlerde, uzun fiberlerle birlikte bir darbe emici gibi kullanılırlar.
Materyal şekillere belirli fabrikasyon ( üretim) işlemleri ile temin edilir. Şekiller ve işlemler,
karıştırılan kuru fiberler ve reçinelere göre gruplandırılabilirler.
DİZAYN FAKTÖRLERİ
Geçmişte dizayn mühendislerinin yaklaşımı, kompozitlerin yerine geçen yeni parçaların
dizaynı idi. Örneğin, kompozit malzemelerden türbin motorları dizaynında, mevcut bileşenleri
ağırlık ve maliyetin azaltılması gibi bir yol izlenmiştir. Kompozit parça dizaynı, bu nedenle
kompozitler genelde önemli olmayan komşu tesisatlarla uygunluğa zorlanmıştır. Sonuç
olarak, kompozit bileşenler, orijinal motor dizaynında istenmeyen ekstra özellikleri ve
fazlalıkları ihtiva ederler. Dahası, kompozit yapılarının belirli mukavemet özellikleri ve daha
yüksek belirli sertlik gibi tüm avantajların tamamı avantaj olarak alınamaz. Değişen
isteklerden dolayı ortaya çıkan maliyet ve ağırlık, motor dizaynına kompozit malzemeleri
daha az çekici hala getirir.
Kompozitlerin birleştirilmesi ile oluşan yeni motor dizaynında düşük ağırlık ve düşük maliyet
planlanmıştır. Kompozit malzemeler, gaz-türbin motorlarında yaygın olarak
kullanılmamaktadır. Çünkü motor sistemlerinin doğal yapısı, malzeme yapısındaki
değişmelere karşı aşırı derecede koruyucu tarzda yapılmamıştır. Yani ilerlemiş süpersonik
motorlar, en düşük ağırlıkta, maksimum performansı verecek şekilde dizayn edilmiştir.
Ticari amaçlı jet türbin motorlarında kritik kompozit bileşenler, türbin motor sistemleri ve
askeri alanda kompozitlerin başarılı bir şekilde kullanılmasına dayandırılır. Bir işletimsel jet
motorundaki malzemelerim toplam sıcaklık oranı –65‟den yaklaşık olarak 2200ºF (-54‟ den
1220ºC)‟ye ulaşabilir. Bunlar genellikle uçak motorlarında, fanlarda, bazı durumlarda düşük
basınçta kompresörlerde ve sıhhi tesisatlarda kullanılırlar. Bunlardan 1000ºF (538ºC)‟ de
kullanılabilen Bsc-Ti hariçtir. Bu kompozit malzeme 600ºF (316ºC) „yi geçebilecek giriş
sıcaklıklarında motorlarda daha ileri seviyede kullanılabilir.
Yapısal kompozitler, normal biçimde sertleştirilen fan pervanelerinde çekicidir. Bu durumda
yüksek sertlik, kompozitlerin düşük yoğunluğu, fan veya kompresör veriminin artması,
maliyet ve ağırlığın azalması gibi avantajları kompozitler içerir. Daha da önemlisi, metal
parçalarla mümkün olandan %50 daha yüksek dönme hızı sağlayan kompozit fanlar
yapılabilir.
Motorlardaki yüksek sıcaklıklar genellikle, polimid reçine veya metal (Al ve Ti) gibi
kompozit matrisklerin tipini sınırlar. Güçlendirilmiş, süper alaşımlı fiber yapılardaki gibi yeni
kompozit sistemler, kompresör ve türbinlerde ilave uygulama alanları bulmuştur.
KOMPOZİT MALZEMELERİN MEKANİK DAVRANIŞLARI
Kompozit malzemeler onları daha klasik mühendislik malzemelerinden farklı kılacak birçok
karakteristiklere sahiptir. Çoğu yaygın mühendislik malzemeleri homojen ve izotroptur.
Yapılar ile sıcaklık bağımlı izotropik malzeme özellikleri, bir sıcaklık değişimine
(gradyanına) maruz bırakıldığında homojen değildir. Fakat hala izotropiktir. Kompozit
malzemeler sık sık hem heterojendir ve hem de anizotropiktir. Bazı kompozit malzemeler çok
basit örneğin, yaprak şekilli cam fiberli yapı, üç tabakaya sahiptir ve bunların her biri
homojen ve izotropiktir.
KOMPOZİTLERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ
Eş-Deformasyon Hali Kompozitin Elastik Modülünün Bulunması
Yapılan kabuller:
-Fiber matriks ve kompozitin elastik davranış göstermektedir.
-Fiber matriks ara yüzeyi mükemmeldir.
-Fiberler ,uygulanan kuvvete paraleldir.
-Fiberler üniform dağılım göstermektedir.
-Fiberler süreklidir.
Şekil 16 da Eş deformasyon halindeki bir kompozit malzemeye etkiyen kuvvetler
görülmektedir.burada F= Kompozite etkiyen yük, FF = Fiberlere etkiyen yük, FM = Matrikse
etkiyen toplam yük, AK=Kompozitin kesit alanı, AF= Fiberlerin seti alanı ve AM= matriksin
kesit alanıdır.
Eş deformasyon Halindeki Bir Kompozit Malzemeye Etkiyen Kuvvetler.
Hook Bağıntısı;
F= ζ.A
F=FF +FM
ζK=Kompozitteki gerilme,ηF=Fiberdeki gerilme ve ηM= matristeki gerilme olmak üzere;
ζK * AK = ζ * AF + ζM * AM
ζK * AK * LK = ζF * AF * LF + ζM * AM * LM
ζK x VK = ζF x VF + ζM * VM
ζK = ζF VF / VK + ζM *VM / VK
VF / VK = λF = Fiber Hacim Oranı
VK = VF + VM
VM / VK =λM = Matriks Hacim Oranı
ζK = ζF * λF +ζM * λM (Karışımlar Kuralı)
PK = Kompozitin Yoğunluğu, PF = Fiberin Yoğunluğu ve PM = Matriks yoğunluğu olmak
üzere ;
PK = PF * λF + PM * λM
ψK = Kompozitin elektrik iletkenliği, ψF = Fiberin elektrik iletkenliği ve ψM = Matriksin
elektrik iletkenliği olmak üzere ;
ψK = ψF * λF + ψM * λM (Paralel Yönlü)
KK = Kompozitin dik yönde ısı iletkenliği, KF = Fiberin dik yönde ısı iletkenliği ve KM
=Matriksin dik yönde ısı iletkenliği olmak üzere ;
-KK = KF * λF + KM * λM
-(1/KK) = (1/KF) * λF + (1/KM) * λM
λF + λM = 1 λF = AF / AK λM = AM / AK λM = 1-λF
-ζK = ζF * λF + ζM * (1-λF)
EK = Kompozitin elastik modülü, EF = Fiberin elastik modülü,
EM = Matriksin elastik modülü, εK = Kompozitin şekil değiştirme oranı,
εF =Fiberin şekil değiştirme oranı ve εM = Matriksin şekil değiştirme oranı olmak üzere;
Hooke Bağıntısı : ζ = E * ε
EK * εK = EF * εF + EM * εM
ΔL = Uzama miktarı ve L = Toplam boy olmak üzere;
ΔLK / LK = ΔLF / LF = ΔLM / LM = Uzama miktarları eşit olacaktır.
ΔLK / LK = εK ; ΔLF / LF = εF ; ΔLM / LM = εM
εK = εF = εM olduğundan dolayı;
EK = EF * λF + EM * (1 - λF)
EK * εK = EF * εF + EM * εM
EŞGERİLME İÇİN KOMPOZİTİN ELASTİK MODÜLÜNÜN BULUNMASI:
Şekildeki eş-gerilme halindeki bir kompozit malzemeye etkiyen kuvvetler görülmektedir.
Burada ; F = FK = FM = FF ve A = AK = AM = AF →
F / A = FK / AK = FM / AM = FF / AF dolayısıyla ζ = ζK= ζM = ζF
F MATRİKS FİBER MATRİKS F
F = FK = FM = FF
Şekil 17: Eş gerilme halindeki bir kompozit malzemeye etkiyen kuvvetler
εK = εF = λF + εM ( 1 – λF )
Hook bağıntısı ; ζ = E * ε → ε = ζ / E
ζK/ EK = λF / EF * λF + ζM / EM * λM
( 1 / EK ) = ( 1 / EF ) * λF + ( 1 / EM ) * λM
KOMPOZİTLERİN POİSSON ORANIN BULUNMASI
Şekil 18 de kompozitin x – y yönünde çekilmesi ile boyutlarında oluşan uzamalar ve
kısalmalar görülmektedir. Bu durumda x- yönünde uzama ve y- yönünde kısalma olmaktadır.
Δh = Kısalma miktarı. ΔL = uzama miktarı. ε1= 1 yönündeki şekil değiştirme ε2=2 yönündeki
şekil değiştirme olmak üzere :
∆hM/2
MATRİKS hM/2
∆hF/2
hF hK
∆hF/2
hM/2
∆hM/2
LK = LM = LF ∆L / 2 ∆L / 2 1 veya x-ekseni
2 veya y-ekseni
Bir kompozitin x yönünden çekilmesi ile boyutlarında oluşan uzama ve kısalmalar
ε1 = ∆L / L = (∆L / 2 +∆L / 2 ) / L 1 yönündeki uzama
ε2 =∆h / h = (∆h / 2 +∆h / 2 ) / h 2 yönündeki kısalma
1 yönündeki uzama için; 2 yönündeki kısalma için;
∆L = ∆LK = ∆LM = ∆LF ∆h = ∆hK = ∆hM = ∆hF
γ = poisson oranı olmak üzere
γ = ε2 / ε1 = ∆h / h = ∆L / L
matriks için poisson oranı ;
γM = ε2M / ε1M = ( ∆hM / hM ) / ε1M ∆hM =hM * ε1M* γM
fiber için poisson oranı ;
γF = ε2F / ε1F = ( ∆hF / hF ) / ε1F ∆hF = hF * ε1F* γF
kompozit için poisson oranı ;
γK = E2K / ε1K = ( ∆hK / hK ) / ε1K ∆hK = hK * ε1K * γK
hK * ε1K * γK = hF * ε1F * γF + hM * ε1M * γM
∆LK = ∆LM = ∆LF ( 1 yönündeki uzama )
ε1K = ε1F = ε1M
hK * γK = hF * γF + hM+ γM
VF / VK = λF = fiber hacim oranı
VK = VF + VM
VM / VK = VM = matriks hacim oranı
γK = γF * λF + γM * λM
KOMPOZİTLERİN KAYMA MODÜLÜNÜN BULUNMASI
Şekil 19 „ da bir kompozitin bir kuvvet neticesinde oluşan kayma görülmektir. Burada ; Z =
kayma gerilmesi, δ = kayma şekil değiştirmesi, G = kayma modülü ve θ = kayma açısıdır.
Tan θ = ∆F / hF = δF ∆F = hF * δF = h * λF * δF
Tan θ = ∆M / hM = δM ∆M = hM * δM = h * λM * δM
Kompozit için ; ∆K = hK * δK = h * δ
∆K = ∆M + ∆F h * δ = h * λM* δM + h * λF * δF
δ = λM * δM+ λF * δF
Z
δ
MATRİKS θM MATRİKS
FİBER FİBER ∆M/2
01 FİBER
0
MATRİKS θM MATRİKS
∆F
z ∆M/2
MATRİKS
0M
hM
MATRİKS
∆M
Şekil 20: Bir kompozite kuvvet neticesinde oluşan kayma.
Z = G / δ δ = Z / G ve δK = ZK / GK ; δF = ZF / GF ; δM= ZM / GM
ZK / GK = ( ZF / GF ) * λF + ( ZM / GM ) * λM
ZK = ZF = ZM olduğundan dolayı ;
1 / GK = (1 / GK ) * λF + ( 1 / GM ) λM
GK = ( GM * GF ) / ( GM * λM + GF * λF )