Kompozit Malzemelirinin Sınıflandırılması ve Özellikleri

0
752

Yüksek sıcaklıktaki özellikleri bor liflerinden daha iyidir. Silisyum karbür elyaflar 1370 ºC’de mukavemetinin sadece %30’unu kaybeder. Bor elyaf için bu 640 ºC’ dir. Bu elyaflar genellikle Titanyum motrisle kullanılırlar. Jet motor parçalarında, Titanyum, Alüminyum, Vonodyum alaşımlı motris ile kullanılırlar.

Kompozit Malzemelirinin Sınıflandırılması ve Özellikleri 
Yapılarında çok sayıda farklı malzeme kullanılabilen kompozitlerin gruplandırılmasında  kesin sınırlar çizmek mümkün olmamakla birlikte, yapıdaki malzemelerinin formuna göre bir sınıflama yapmak mümkündür.

  • Elyaflı Kompozitler
  • Parçacıklı Kompozitler
  • Tabakalı Kompozitler
  • Karma Kompozitler

Elyaflı Kompozitler
Bu kompozit tipi ince elyafların motris yapıda yer almasıyla meydana gelmiştir. Elyafların matris içindeki yerleşimi kompozit yapının mukavemetini etkileyen önemli bir unsurdur. Uzun elyafların motris içinde birbirlerine paralel şekilde yerleştirilmeleri ile elyaflar doğrultusunda yüksek mukavemet sağlanırken, elyaflara dik doğrultuda düşük mukavemet elde edilir. İki boyutlu yerleştirilmiş elyaf takviyelerle her iki yönde de eşit mukavemet sağlanırken, matris yapısında homojen dağılmış kısa elyaflarla ise izotrop bir yapı oluşturmak mümkündür. Elyafların mukavemeti kompozit yapının mukavemeti açısından çok önemlidir. Ayrıca, elyafların uzunluk/çap oranları arttıkça matris tarafından elyaflara iletilen yük miktarı artmaktadır. Elyaf yapının hatasız olması da mukavemet açısından çok önemlidir. Kompozit yapının mukavemetinde  önemli olan diğer bir unsur ise elyaf matris arasındaki bağın yapısıdır. Matris yapıda boşluklar söz konusu ise elyaflarla temas azalacaktır. Nem obsorbsiyonu da elyaf ile matris arasındaki bağı bozan olumsuz bir özelliktir.

Parçacıklı Kompozitler
Bir matris malzeme içinde başka bir malzemenin parçacıklar halinde bulunması ile elde edilirler. İzotrop yapılardır. Yapının mukavemeti parçacıkların sertliğine bağlıdır. En yaygın tip plastik matris içinde yer alan metal parçacıklardır. Metal parçacıklar ısıl ve elektriki iletkenlik sağlar. Metal matris içinde seramik matris içeren yapıların (cermet), sertlikleri ve yüksek sıcaklık dayanımları yüksektir. Bunlar kollar, kulplar, elektirk parçaları, muhafazalar vb. gibi küçük parçacıkların yapımında kullanılırlar.

Tabakalı Kompozitler
Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiptir. Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukavemet değerleri elde edilir. Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı zamanda mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Pek çok katmanlı kompozit düşük maliyet, yüksek dayanım veya hafifliğini korurken, aşınma veya abrasiv aşınma direnci, gelişmiş görünüm ve mükemmel ısıl genleşme özelliklerini kapsamaktadır. Buna karşın korozyon ve aşınma direnci gibi önemli özelliklerin pek çoğu öncelikle kompoziti oluşturan elemanlardan birine bağlıdır. Elektrik şarjını depolamak için kullanılan kondansatörler esas itibariyle dönüşümlü olarak bir iletken ve bir yalıtkan katmanların üst üste gelerek meydana getirdiği katmanlı kompozitlerdir.

Karma Kompozitler:
Aynı kompozit yapıda iki yada daha fazla elyaf çeşidinin bulunması olasıdır. Bu tip kompozitlere hibrid kompozitler denir. Bu alan yeni tip kompozitlerin geliştirilmesine uygun bir alandır. Örneğin, kevlar ucuz ve tok bir elyafdır ancak basma mukavemeti düşüktür. Grafit ise düşük tokluğa sahip, pahalı ancak iyi basma mukavemeti olan bir elyafdır. Bu iki elyafın kompozit yapısında hibrid kompozitin tokluğu grafit kompozitden iyi,maliyeti düşük ve basma mukavemetide kevlar elyaflı kompozitden daha yüksek olmaktadır.

Tabakalı Kompozitlerin Örnekleri ve Uygulamaları
Katmanlı kompozitlerin sayısı öylesine fazla ve uygulamaları, amaçları öylesine çoktur ki davranışları hakkında genelleme yapılması mümkün değildir. Yaygın olarak kullanılanlar ise;
Katmanlar: Katmanlar organik bir yapıştırıcı ile yapıştırılmış malzeme katmanlarıdır. En yaygın katman, her bir alternatif katta dik açılarla ağaç kaplama açılarının dizildiği kontraplaklardır. Bu katlar fenolik veya amine reçineler gibi bir yapıştırıcı ile birleştirilir. Emniyet gözlükleri, polivinil butiral gibi plastik bir yapıştırıcı ile iki cam malzemesinin birleştirildiği katman malzemelerdir. Cam kırıldığı zaman yapıştırıcı cam parçacıklarının ayrılmasını önler. Katmanlar, motorlarda, yalıtım için dişlilerde, basılmış devre katlarında kullanılmaktadır. Yapıştırıcı katmanlar, mükemmel hafiflik, alevlenmeyi geciktirici darbe dayanımı, korozyon direnci, kolay şekillendirme ve işleme, sürtünme ısısının dağıtılması ve iyi yalıtım özelliklerini bünyesinde toplamaktır.
Sert yüzey oluşturma: sert, aşınmaya dirençli yüzeyler, sert yüzey oluşturma olarak bilinen ergitme kaynağı teknikleri daha yumuşak ve sünek malzemeler üzerinde biriktirilebilir. Sert yüzey alaşımlar, çeliğin sertleştirilebilen sınıflarını, sert karbürler oluşturan demir ve çelikleri, kobalt esaslı alaşımları ve belirli demir dışı alaşımları içermektedir. Kompozit tungusten karbür çubukları aynı zamanda aşınma yüzeyinde tunsten karbür oluşturmak için kullanılabilmektedir. Benzer kaynak işlemleri yüzeyin korozyon ve ısıya karşı direncini arttırır.
Giydirilmiş Metaller: Metal – metal kompozitleridir. Genel bir örnek olarak A.B.D’deki gümüş paraları verilebilir. Bir Cu %80 Ni alaşımının her iki tarafına Cu %80 Ni alaşımı bağlanır. Yoğun olarak bakır bulunan çekirdek düşük maliyet temin ederken, yüksek nitelikli alaşım gümüş rengi vermektedir.giydirilmiş malzemeler yüksek dayanım ile birlikte iyi korozyon direnci kombinasyonuna sahiptir. Alklod adı verilen giydirilmiş kompozit malzeme, ticari saflıktaki alüminyum yüksek mukavemetli alüminyum alaşımlarına bağlanır. Saf alüminyum yüksek dayanımlı alüminyumu korozyondan korumaktadır. Saf alüminyum katmanının kalınlığı toplam kalınlığın yaklaşık %1-1,5’ i  kadardır. Alklad, korozyon direnci, dayanım ve hafifliğin arzu edildiği uçak gövdesinde, ısı dönüştürücülerinde, bina yapımında ve depolama tanklarında kullanılır.
İkili Metaller: Sıcaklık göstergeleri ve kontrol edicileri, katmanlı kompozitteki iki metalin ısıl genleşme katsayısındaki farklılıktan yararlanmaktadır. İki metal parçası ısıtılırsa yüksek ısıl genleşme katsayısına sahip metal daha fazla uzamış olmaktadır. İki parça birbirine sıkıca bağlı ise ısıl genleşme katsayılarındaki fark şeridin eğilmesine ve eğilimli bir yüzey oluşmasına neden olur. Şeridin bir ucu sabit ise serbest olan uç hareket eder. Bu hareketin miktarı sıcaklığa bağlı olup, şeritteki bükülme ve sapmanın ölçülmesi ile sıcaklık tespit edilmektedir. Aynı şekilde şeridin serbest ucu, elektrik anahtarını hareket ettirirse düzenli sıcaklık hareket elde etmek için bir fırının veya soğutucunun açılıp kapatılması mümkündür.

Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemelerinin Üretim Yöntemleri 
arzu edilen performansa uygun kompozit malzemelerinin üretiminde maliyet unsuru ilk düşünülmesi gereken en önemli parametrelerden biridir. Üretim maliyetini, performans, tasarım, malzeme seçimi ve şekil verme yöntemi doğrudan etkilemektedir. Kompozit yapıyı oluşturan bileşenlerin seçimi ve bileşen konfigrasyonu üretim maliyetini önemli ölçüde düşürebilmektedir. Tasarım konsepti ile maliyetin düşürülmesi her zaman geçerli bir yöntem olup daima göz önüne alınmalıdır. Mukavemet ve tokluk, minimum ağırlık, yüksek sıcaklıkta kullanılabilirlik, yorulma mukavemeti, düşük bakım masrafı, korozyon dayanımı, hasar toleransları ve tamir kolaylıkları gibi faktörler birlikte düşünülerek, en düşük maliyetli, en kolay üretilebilir bir kompozit sistem seçilmelidir. Doğranmış, ufaltılmış, tanelere ayrılmış kısa boylu elyaf ve partüküller ile dokunmuş demet şeklinde veya dokunmamış kumaş yapısındaki takviye malzemesi, reçine yüzüne yatırılarak, çeşitli el aletleri ile sıvanıp tam-ısıtma temin edilerek kompozit malzemenin elde edilmesi günümüzde çok yaygın olarak kullanılan bir metoddur.

Elyaf Sarma 
Sürekli elyafın bir bağlayıcı ortamından geçirildikten sonra, dönel madrenle, önceden belirlenmiş sarım geometrisine uygun sarılması yöntemine elyaf sarma adı verilmektedir. Genellikle sarılan öz veya mandrel, sarım işleminden sonra çıkarılır. Bazı hallerde sabit mandrel kullanılarak kompozit kabuk ile takviye edilebilir. Elyaf sarma yönteminin bazı avantaj ve dez avantajları aşağıda verilmiştir.

  • Sürekli elyaf ağı ile yüksek mukavemet sağlar.
  • Ardarda sarılan elyaflar mukavemeti arttırır.
  • İmalatı kolaydır.
  • Oldukça büyük yapılar elde edilebilir.
  • Yüksek elyaf yoğunluğuna ulaşılabilir.
  • Avantajlı üretim maliyetine sahiptir.

Çeşitli simetrik malzemelerin üretildiği elyaf sarma yönteminin bazı dezavantajları aşağıda verilmiştir.

  • Mandrelin çıkartılabileceği şekilde tasarlanması
  • Konveks yüzeylerin elde edilememesi
  • Sarım yolunun kolaylıkla değiştirilememesi
  • Kompleks ve pahalı mandrellerin kullanılması
  • Zayıf bir dış yüzeye sahip bulunması

Bu olumsuzluklara rağmen, boru, fittings, tüp, basınçlı kaplar, küresel ve silindirik yapılarda oldukça tercih edilen bir yöntemdir.

013-01-04_Analytical_Family

Açık – Kalıp Yöntemleri
Takviye elemanının reçine yüzeyine yerleştirilmesi, reçine sıvama veya elyaf dokuma ile kalıp formuna uygun yüzeylerin elde edilmesi genelde açık-kalıp yöntemi ile şekillendirme adı verilmektedir. Doğranmış, ufaltılmış, tanelere ayrılmış, kısa boylu elyaf ve partiküller ile dokunmuş, demet şeklinde veya dokunmamış kumaş yapısındaki takviye malzemesi, reçine yüzeyine yatırılarak çeşitli el aletleri ile sıvanıp tam ıslatma temin edilerek, kompozit malzemenin elde edilmesi günümüzde en yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu amaçla en çok ahşap kalıp kullanılmakla birlikte alüminyum ve plastik kalıplarda kullanılabilmektedir. Kalıp yüzeyi aynı zamanda ayırıcı özelliğe sahip sert yüzey temin eden “gelcoat” ile sıvandıktan sonra takviye malzemesi yatırılarak reçine ile sıvanır. Sıvama tekniği elyaf oranını etkilediğinden önemlidir. Elle sıvama ve elyafa şekil verme yerine vakum-folyo altında aynı işlemler yapılabilir.

Bu itibarla açık kalıp kompozit üretim yöntemi üç kategoride incelenmektedir.

Püskürtme yöntemi 
Ara yüzey ayırma elemanı olarak buharlaşan bir çözücüde çözülmüş fluorokarbon türevleri kullanılmaktadır. Kompozit yüzeyde sert fluorokarbonlu ince film oluşurken, her türlü renklendiricilerle renklendirilebilmektedir. Kalıpta kompozit ayırıcısı olarak silikon boyalarda kullanılabilir. Ancak müteakip işlemler ve servis ortamlarında çeşitli sorunlar getirmektedir. Politetrafluoroetilen ayırıcılar özellikle yüksek sıcaklık uygulamalarında tercih edilmektedir. Bobinle beslenen sürekli elyaf, reçine ortamından geçirildikten sonra 3-5 cm’lik boylarda kesilerek hızla kalıp yüzeyine püskürtülür. Kısa elyafın hızla fırlatılması kalıp yüzeyine sıkışma yapmakta, yüksek elyaf oranlı açık-kalıp kompoziti üretilebilmektedir. Geniş paneller ve girift şekilli malzemelerin üretiminde elyaf püskürtme yöntemi oldukça yaygın  kullanılmaktadır. Elyaf püskürtme yönteminde reçine-elyaf dağılımı, elle sıvama yöntemine oranla daha düzenlidir. Bir başka ifade ile elyaf püskürtme yüksek mukavemetli geniş yüzeylerin elde edilmesinde kullanılmaktadır. Vakum sıvama yönteminde ince polipropilen veya polietilen folyo ile örtülen reçine elyaf fazı vakumla emilirken reçine ile birlikte hava emişi gerçekleşerek homojen reçine dağılımı ve yüksek elyaf oranı sağlanmaktadır. Vakum örtü sistemi ile kuru elyaf ortamına basınç altında reçine emilerek en yüksek elyaf oranlı reçine elde edilebilmektedir.

Çekme Yöntemi 
Elyaf – reçine karışımı şekillendirilmiş kalıptan geçirilirken aynı zamanda da sertleştirilerek çeşitli profieller ve özel kesitli kompozit malzemelerin eldi edilmesi mümkündür.
Cam elyaf ve yüksek mukavemetli elyafların uygun reçine matrisi ile çekilmesi gelecekte alüminyum ve çelik türevlerini ikame edecek boyutlara ulaşacaktır.
Örgülü veya gelişigüzel dağılmış elyaf termoset reçine ortamında çekilmektedir.

Presleme
Termoset veya termoplastik matris içine dağılmış takviye elemanları belli basınç altında sıkıştırılarak sertleştirilir. Havacılık sektörüne yönelik kompozit ürünler için epoksi motrisler kullanılırken kar ve demiryolu taşıtları için poliester ve vinilester reçineli matrisler kullanılmaktadır. 3-5 cm boyunda kesilmiş elyaflar, mikserde reçine ile karıştırılırlar reçiner katalist, dolgu malzemesi, kalıp sıyırma malzemesi ile magnezyum oksit ihtiva eder. Mikserde iyice karıştırılmış hamur, uygun ortamda uzun süre saklanabilir. 130-160 ºC sıcaklığa ısıtılmış kalıp boşluğuna  gerekli hacimde karışım hamuru yerleştirilerek  4-21 Mpa basınç altında birkaç dakika bekletilir.  Parçanın özelliğine, elyaf oranına ve reçine grubuna göre sertleşme süresi 1-4 dakika arasında değişir. Oldukça yüksek basıncı gerektiren metod mükemmel yüzey kalitesi yanında, mekanik özelliklere sahiptir. Koltuklar çeşitli kaplar ve yapı elemanlarının imaline imkan veren presleme metodu, gelecekte alüminyum ve plastik enjeksiyon döküm ürünlerine alternatif olacaktır. Presleme ile üretilen kompozit ürünler, aynı zamanda ahşap türevleri ile ikame edilebilmektedir.presleme tekniğine uygun, parça geometrileri kolaylıkla üretilebilir.  Presleme çelik döküm kalıplar kullanılmaktadır. Mükemmel yüzey için kalıp iç yüzeyinin sert – krom ile kaplanması tercih edilmektedir.

Pres şekillendirme yöntemi
Preslemede kullanılan hamura çeşitli dolgu ve renk verici malzemeler katılarak arzu edilen yüzey özellikleri elde edilebilir.

Döküm Yöntemi
Genellikle partikül şeklindeki takviye fazı, sıvı reçine veya metalle birlikte hidrostatik veya pres basıncı altında dökülebilir.
Özellikle aşınmaya dayanıklı kompozit malzemeler bu yöntemle üretilirler. Soğukta ve sıcakta katılaşabilen reçineler ile alüminyum ve magnezyum gibi metaller bu amaçla kullanılmaktadır. Piston gibi aşınmaya müsait malzemeler taneli kompozit döküm malzemelerdir. Fren pabuçları ve basınç altında çalışan malzemelerin bu yöntemle üretilmesi mümkündür.

Sinterleme
Bazı elyaf ve seramik malzemelerin matris tarafından ıslatılması mümkün olmadığından bağlayıcı ara yüzey oluşamamaktadır. Bu amaçla elyaf yüzeyi ıslatma özelliği yüksek malzemelerle kaplanır kaplama işlemi vakum altında veya kimyasal ortamda yapılıp, elyaf sıcak pres altında sinterlenir. Yöntemin en önemli avantajı, matris oranını asgari düzeyde tutmasıdır. Bu metodla %10 bağlayıcı ve %90 takviye fazlı süper yüksek mukavemetli malzemeler elde edilmektedir. Gelecekte özellikle uçak gövde ve kanatlarının  bu yöntemle elde edilmesi ve yüksek balistik performansın elde edilmesi muhtemel görülmektedir. Elyaf yüzeyini kaplayan ince metalik film basınç altında difüzyon ile elyafları birbirine bağlarken mükemmel yüzeyler oluşturmaktadır. Metal matrizli kompozitlerin üstün performansları, gelecekte çelik ve özel malzemeleri  önemli ölçüde kapsayacağı tahin edilmektedir.

Laminasyon 
En az iki ayna veya farklı elyaf veya refrakter tabakasının önceden tasarlanmış konfigrasyonla birbirine bağlanması ile ilde edilen yapıya lamine kompozit yapısı adı verilir. ardışık takviye tabakaları, örgülü, dokunmuş, prese edilmiş keçeleştirilmiş veya folyo şekline getirilmiş olabilir. Laminasyonda üç boyutlu konfigrasyona ulaşılabilir Şekil 2.1.7’de verildiği gibi orada da bağlanan tabakalarda, üç doğrultuda mekanik özellikler şekillendirilebilir.

Laminasyon doğruları
Örgülü, dokunmuş veya demet elyaf laminasyon yönteminde genellikle birbirine dik bağlanmaktadır. Bağlayıcı olarak en çok kullanılan opoksi emdirilmiş kağıtlardır. Epoksi rijit veya yüksek mukavemeti ile en çok kullanılan bağlama malzemesidir. Sıcakta ve soğukta sertleşen epoksi malzemeler kullanılmaktadır. Akrilik asit esterlerin oksijence zengin heroksitlerle aktifleştirilerek polimerize edilmiş reçinelerde oldukça yaygın kullanılan bağlama malzemeleridir. Reaktif lastik, silikon yapıştırıcılar ile sıcakta eriyip yapıştırılan termo plastik yapıştırıcılarda yaygın olarak kullanılabilmektedir. Yapıştırıcı emprenge edilmiş plakalar halinde veya doğrudan takviye fazına sürülüp prese edilerek kullanılmaktadır.

Sandviç Kompozitler
İki laminat arasına, ince ince metal folyodan yapılan bal petekli bir yapının yerleştirilmesi ile elde edilen kompozit malzemelere sandviç kompozitler ada verilir.
Hafif, üstün mekanik özelliklere sahip, üretimi oldukça basit ve bu malzemelerin geniş uygulamaları mevcuttur. Balpetek arakesitli sandviç paneller, ilk defa 1940’lı yıllarda havacılık sektöründe kullanılmıştır. Günümüzde kağıt, plastik, paslanmaz çelik, titanyum, süper alaşım, alüminyum ve benzeri metallerden balpetekleri üretilerek sandviç kompozitler yapılmaktadır. Laminatlara birleştirmlede özel yapıştırıcılar dışında difüzyon veya lehimleme birleştirmeleri de yapılabilmektedir. Yüksek tokluk, yüksek mukavemet ağırlık ilişkisine sahip sandviç panellerin kullanımı gelecekte daha da artacaktır.

Devamı Bir Sonraki Yazıda..

Henüz Yorum Yok

CEVAPLA