Kompozit Malzeme Kullanımında Tasarım Esasları

0
787

Makine ve yapıları imal ederken anizotropik malzeme kullanımının  belli bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Avantajları; takviye doğrultusunda çok yüksek özgül mukavemet ve rijitlik, şekillendirilebilme kabiliyeti ve elastik olarak yüksek kopma uzaması, çok iyi yorulma dayanımı, kalıcı deformasyon olmaması, düşük ve kontrol edilebilir ısıl genleşme katsayısı, çok düşük enine ve ısıl elektrik iletim katsayısı, tabakal kompozitlerin tabaka yapılarının istenen amaca göre düzenlenebilmesidir. Dezavantajları ise; malzeme bünyesinde hasara sebep olacak şekilde ikincil gerilmelerin meydana gelebilmesi, kritik uygulamalarda uzun zaman alan masraf gerektiren detaylı gerilme analizi gerekliliği, üretim ve kullanım yerinde yüksek sıcaklık olması durumunda fiber matris ısıl genleşmelerinin farklı olması sebebiyle hasara götüren iç gerilmeler, lineer elastik özellikleri sebebiyle gevrek kırılma tehlikesi kullanım ortamı sıcaklığının matris malzeme özellikleriyle sınırlanması sıcaklık sebebiyle özellikle polimer matrisli malzemelerde sürünme tehlikesi, bağlantı yerlerinde çok dikkatli dizayn gerekliliği olarak sayılabilir. Kompozit malzemelerden yapılacak makine elemanlarının bu özellikler göz önüne alınarak tasarlanması gerekmektedir. Kompozit malzemelerden yapılacak makine elemanlarının tasarımında dikkat edilecek faktörler; ısıl, mekanik, çarpma, kimyasal, elektrik ve manyetik yükleme gibi yükleme durumları, takviye şekli ve yükleme doğrultusuna göre durumu ve makine elemanlarının ağırlığı ile birleştirme yerlerinin seçimi ve birleştirme şeklidir. Tasarımda dikkat edilecek faktörleri tek tek incelersek

Yükleme Durumu 
klasik malzemelerden farklı olarak, kompozit malzeme üzerine gelecek kuvvetin doğrultusu, şiddeti ve tesirleri çok büyük önem arzeder. Çünkü ompozit malzemede fiberlerin takviye açısına göre malzeme üzerindeki gerilme dağılımı değişmektedir.

Isıl ve Elektriksel Yükleme 
ısı ve elektrik akımı direncin düşük olduğu yerlerden geçme eğiliminde olduğundan ısıl ve elektriksel iletim özellikleri  cam, aramid ve seramik fiber kullanılması durumunda matris malzemeninkine yakındır. Karbon fiberleri gibi iletim özelliği iyi olan fiberlerin kullanıldığı kompozitlerde ise fiber malzemesinin özelliklerine yakınlık gösterir. Polimerik matrisli kompozitlerde, matris malzemeleri metallere göre yaklayık olarak %1 oranında iletim özelliğine sahiptir. Fiberlerin ise yüksek iletim özellikleri vardır. Kompozit içinde takviye şekli ve doğrultusu ile enerji akış sektörü arasındaki açı önemlidir. İzotrop cam fiberlerinde bile boyuna ve enine iletim katsayılaı arasında %30 gibi bir fark bulunmaktadır. Karbon fiberlerinde ise bu oran %0,2’ye kadar düşmektedir. Bu yüzden elektrik ve ısıl yüke sahip kompozitlerin dizaynında fiber hacim oranı, takviye doğrultusu ve üretim sırasında eleman içinde boşluk kalmayacak şekilde bir üretim yapılması çok önemlidir. Herhangi bir kompozit yapıda bile, kullanılan malzemelerin ısıl genleşme özelliklerinin farklı olması sebebiyle, ısı yükü altında farklı uzamalar sonucu büyük gerilmeler ortaya çıkabilir. Bu gerilmeler, dışarıdan malzemeye herhangi bir yük uygulansa bile malzemede hasara yol açacak kadar büyük olabilmektedir.tabakalı üretimde ise farklı tabakalar arasında aynı uzamaya rağmen takviye doğrultusundaki farklılıklar sebebiyle çarpılma şeklinde hasarlar oluşabilmektedir. İzotropik malzemelerde oluşan bu gerilmeler çeşitli ısıl işlemler ile ortadan kaldırılabilirken kompozit malzemelerde bu durum mümkün olmamaktadır. Bu yüzden ikincil bir yük olarak ısı yükünün de bulunduğu durumlarda malzeme tayini önem kazanır. Tabakalı üretim durumunda tabakalar, uzamalar birbirini ortandan kaldıracak şekilde yerleştirilmeyidir. Birleşme yerinin dizaynında, bu gerilmelerin de dikkate alınması gerekir.

Yorulma, Çarpma ve Tokluk
Kompozitlerde yorulma izotrop malzemelerden oldukça farklı bir şekilde oluşur. İzotrop malzemelerde değişken yüklemeye maruz bir makine elemanında oluşan çatlak tanımlanabilir bir gelişme göstererek ilerlemekte ve parça hesaplanabilen bir ömür sonunda da hasara uğramaktadır. Bu malzemeler için çatlak başlangıcının hemen hemen tamamen tanımlanmış ve deneyler yapılarak gerekli sabitler bulunmuştur. Kompozit malzemelerin çentik hassasiyetleri, matris malzeme çentiğin diğer fibere geçmesini geciktirdiğinden metalik malzemelere göre daha azdır. Kompozitlerde yorulma olayı, malzemeye bağlı olarak farklı şekillerde meydana gelir. Fiber-matris ara yüzey bağ kuvvetine bağlı olarak oluşan yorulma, yük doğrultusu ile fiber doğrultusunun farklı olduğu durumlarda oluşan yorulma şeklidir. Fiber boyunca oluşan çatlağın ilerlemesi ile hasar meydana gelir. Kumaş şeklindeki fakvilerde genellikle bu şekilde yorulma oluşur. Fiber ve yük doğrultusu aynı olursa oldukça yüksek yorulma direnci elde edilir. Bu durumda, fiber hacim oranı arttıkça yorulma direncide artmaktadır. Tabakalı yapıdaki yorulma ise, mukavemetlerine göre daha yüksek gerilme uygulanan tabakalardan başlayarak yayılır. Tabakalı yapının kumaş fiberlere göre yorulma dirençleri daha büyüktür.

Çarpma, genellikle makine elemanlarında genellikle beklenmeyen ve hesaba katılmayan ani yüklemelere verilen addır. Sünek malzemelerde çarpışma sonucu plastik deformasyon ve gözle görülebilen hasarlar oluşur. Kompozitlerin çarpmaya karşı davranışı çarpmada absorbe ettikleri enerji ile belirlenir. Bu da ara yüzey bağ gerilmelerinin değerine bağlıdır. Eğer bağ dayanımı düşükse malzeme zayıf mukavemet özellikleri göstermekle beraber enerji absorbsiyonu iyi olacağından çarpmaya karşı iyi bir dayanım gösterecektir. Çok yüksek bağ dayanımına sahip kompozitler gevrekleşme eğilimindedir. Pratikte fiberlere yapılan yüzey işlemleri ile ara yüzey bağ dayanımı kontrol edilebilmektedir. Tokluk, malzemenin kırılma dayanımının bir ölçüsüdür. Yorulma ve çarpma yüklerine karşı kompozit malzemelerin davranışlarının belirlenmesinde önemli bir karşılaştırma parametresidir.

Kimyasal Yükleme ve Çevre Şartları
Matris malzemeleri kompizitin nem, ısı ve kimyevi maddeler gibi çevre etkilerine maruz kalan kısmı olduğundan korozyon dayanımı, nem absorbsiyonu gibi çevre etkilerine karşı özelliklerini de belirlemektedir. Plastik malzeme, plastik matrisli kompozitlerin çok çeşitli çevre ve kimyevi yüklere karşı yüksek performans göstermesini sağlamaktadır. Metalik matrisli kompozitlerde ise kimyasal etkilere karşı direnç, malzemenin yüzeyinde meydana getirdiği koruyucu tabaka kalınlığı ile belirlenmektedir. Mesela, 200 ºC’nin üzerinde özellikleri kararlı olmayan, veya kimyevi etkilere dayanıksız olan bir fiber, çok daha yüksek sıcaklıklara yada çok etkin kimyevi yüklemelere dayanabilen ve ısıl iletkenlik özellikleri iyi olmayan bir matris içinde söz konusu şartlara dayanıklı, mukavemeti yüksek bir kompozit oluşturabilmektedir. Tablo 3.1.1.3’te otomobil endüstrisinde alternatif malzemeler olarak kullanılan çelik, alüminyum alaşımı ve cam takviyeli plastik (CTP) kompozitlerin çeşitli yüklemeler karşısındaki davranışları, üretim şartları ve maliyetleri gibi faktörler karşılaştırmalı olarak verilmiştir.

Devamı Bir Sonraki Yazıda..

Henüz Yorum Yok

CEVAPLA