Kompozit Malzemeler Hakkında Herşey

Kompozit malzemeler; kayıtlı bir amaca yönelik olarak minimum iki bambaşka malzemenin bir araya getirilmesiyle meydana gelen araç gereç gurubudur Üç boyutlu nitelikteki bu bir araya getirmede gaye, bileşenlerin hiç birinde kimsesiz mevcut olmayan bir özelliğin elde edilmesidir Öteki bir deyişle, amaçlanan doğrultuda bileşenlerin daha üstün özelliklere sahip bir malzeme üretilmesi hedeflenmektedir Kompozit malzemelerin sınıflandırılması hakkında özet bilgiye buradan ulaşabilirsiniz
Kompozit malzemede genelde dört koşul aranmaktadır:
İnsan yapısı olmaması, dolayısıyla doğal bir malzeme olması, Kimyasal bileşimleri birbirinden bambaşka belirtilmiş ara yüzeylerle ayrılmış en düşük iki malzemenin bir araya getirilmiş olması, Farklı malzemenin üç boyutlu olarak bir araya getirilmiş olması, Bileşenlerin hiç birinin kimsesiz sahip olmadığı özellikleri taşıması Buna göre malzeme, mikroskobik açıdan ayrı cinsten bir malzeme özelliği göstermekte, oysa makroskobik açıdan türdeş bir malzeme gibi davranmaktadır
Tarihçe
Günümüzde gemi yapımından bina yapımına, ev aletleri üretiminden uzay teknolojisine kadar az daha her alanda çok yaygın bir kullanımı bulunan kompozit malzemenin üretimi son birkaç yüz yıla mal edilmiş gibi görülse de birincil örnekleri fazla eskilere dayanmaktadır Kompozit araç gereç kavramının ortaya atılması ve konunun bir mühendislik konusu olarak ele alınması oysa 1940 ’lı yılların başında gerçekleşmiştir
Çok bileşenli malzemenin birincil örnekleri, doğada yer alan malzemeye yapılan müdahalelerle onun kullanılır ışık halkası getirilmeye başlandığı aşamadır Birincil çağlardan beri insanlar kırılgan malzemelerin içine bitkisel ya da hayvansal lifler koyarak bu kırılganlık özelliğinin giderilmesine çalışmışlardı Bu konularda en iyi örneklerden biri kerpiç malzemedir Kerpiç üretiminde killi çamur içine katılan saman, sarmaşık dalları gibi sap ve lifler, malzemenin lüzum imal, gerek uygulama sırasındaki dayanımını artırmaktadır
öte yandan, günümüzde kompozit malzemenin donatılmasında yaygın olarak kullanılan liflerle ilgili uygulamanın da çok yeni olmadığı eldeki bulgulardan anlaşılmaktadır Örneğin cam liflerinin üretimi, eski Darı ’a kadar tarihlendirilmektedir Daha MÖ 1600 yıllarında Mısır ’da ince sırça liflerinin yapımının bilindiği, XVIII Hanedan* devrinden kalan, değişik karanlık ve renkte cam lifleriyle bezenmiş amforaların mevcudiyetinden anlaşılmaktadır Sırça liflerinin sanayide kullanımıyla ilgili birincil tescil, 1877 tarihlidir Hidrolik bağlayıcılar ve elyaf araç gereç kullanılarak yapay taş plakaların üretilmesi yöntemi hakkında bu yüz yılın başında alınmış patentlere rastlanmaktadır Jurnal uygulamalarda en yaygın tatbik olanağı bulmuş olan liflerle donatılmış kompozit malzemelerden ikisi, amyant lifleriyle donatılı kompozit malzemeler ve sırça lifleriyle donatılı polyester kompozitlerdir ilk olarak ince levha yapımında kullanılan çimento ve asbest kompozitleri yıllar boyu önemini koruyarak bu gün hala kullanılan bir malzeme olma özelliğini sürdürmektedir
öte yandan, liflerle donatılı sentetik reçineler 1950 ’li yılların ortalarından itibaren endüstride kullanılmaya başlanmıştır Bu malzemenin en ünlü grubunu “sırça lifi donatılı polyester reçinesi kompoziti oluşturmaktadır Ülkemizde “fiberglas diye bilinen bu malzeme 1960 ’lı yılların başından itibaren Türkiye ’de akıcı depoları, çatı levhaları, küçük boyda deniz teknelerinin yapımı gibi alanlarda kullanılmıştır Ülkemizde hızlı üretimi yapılmış birincil yerli araba olan “Anadolun kaportası bu malzemeden üretilmiştir
Sırça lifleriyle donatılı sentetik reçine motrisli malzemeler için dilimizde “Sırça Takviyeli Plastik (CTP) adı yerleşmiştir Sırça takviyeli plastiklerin üretiminde, en çok kullanılan araç gereç olan polyesterin yanı sıra, günümüzde, öteki termoset ve termoplastik reçinelerde kullanılmaktadır
Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri
Uygulamada, kompozit araç gereç üretiminde genellik aşağıdaki özelliklerden birinin ya da bir kaçının geliştirilmesi amaçlanmaktadır Bu özelliklerin başlıcaları,
Mekanik dayanım, basınç, çekme, eğilme, çarpma dayanımı, Yorulma dayanımı, eskime direnci, Korozyon direnci, Kırılma tokluğu, Yüksek sıcaklığa dayanıklılık, Isı iletkenliği veya ısıl dayanıklılık, Elektrik iletkenliği ya da elektriksel direnç, Yankı iletkenlik, ses tutuculuğu ya da ses yutuculuğu, Rijitlik, Ağırlık, Görünüm, ve sanki özellikler biçiminde sıralanabilir
Keza özellikle dolambaçlı olarak malzemenin birim maliyeti de düşürülmektedir Bu amaca karşın olarak kompozit araç gereç üretiminde farklı yöntemler kullanılmaktadır Hepsinde değişmeyen temel ilke, bileşenlerin kuvvetsiz yönlerinin kasıt doğrultusunda iyileştirilerek daha nitelikli bir yapının elde edilmesidir Bir kompozitin yapısında genelde “motris olarak kabul edilen kesintisiz bir foz ile onun içinde dağılı öbür özelliklere sahip donatı fazından meydana gelmektedir
Kompozit Üretiminde Kullanılan Malzemeler
Matris Malzemeleri
Kompozit yapılarda matrisin üç temel fonksiyonu vardır Bunlar, elyafları bir arada tutmak, yükü elyaflara yaymak ve elyafları çevresel etkilerden korumaktır İdeal bir matris malzemesi başlangıçta düşük viskoziteli bir yapıda iken sonra elyafları sağlam ve uygun şekilde çevreleyebilecek katı forma kolaylıkla geçebilmelidir Kompozit yapılarda yükü içeren elyafların fonksiyonların yerine getirmeleri açısından matrisin mekanik özelliklerinin rolü fazla büyüktür Mesela matris malzemesi olmaksızın bir elyaf demeti düşünüldüğünde tartı bir yada birkaç elyaf tarafından taşınacaktır Matrisin varlığı ise yükün bütün elyaflara eşit dağılımını sağlayacaktır Kesme yükü altındaki bir gerilmeye dayanım, elyaflarla matris arasında iyi bir yapışma ve matrisin yüksek kesme mukavemeti özelliklerini gösterir Elyaf yönlenmelerine tepede olan doğrultuda, matrisin mekanik özellikleri ve elyaf ile matris arasındaki bağ kuvvetleri, kompozit yapının mukavemetini belirleyici önemli hususlardır Matris elyafa göre zayıf ve daha esnektir Bu özellik kompozit yapıların tasarımında uyarı edilmesi gereken bir husustur Matrisin kesme mukavemeti ve matris ile elyaf arası bono kuvvetleri fazla yüksek ise elyaf yada matriste oluşacak bir çatlağın yön değiştirmeksizin ilerlemesi mümkündür Bu durumda kompozit gevrek bir araç gereç gibi davrandığından kopma yüzeyi pak ve aydınlık bir yapı gösterir Eğer senet mukavemeti fazla düşükse, elyaflar boşluktaki bir elyaf demeti gibi davranır Ve kompozit zayıflar Orta seviyede bir senet mukavemetinde ise, elyaf ya da matristen başlayan enlemesine doğru bir çatlak elyafmatris ara yüzeyine dönüp elyaf doğrultusunda ilerleyebilir Bu durumda kompozit sünek malzemelerin kopması gibi lifli bir yüzey sergiler Kompozit malzemelerin üretiminde kullanılan matris araç gereç tipleri epoksi, polyester, vinylester ve fenolik reçinelerdir Yüksek mukavemet göstermeyen durumlarda en fazla kullanılan en çok kullanılan matris malzemesi polyester reçinesidir Gelişmiş kompozitlerin üretiminde ise genel olarak epoksi reçinesi kullanılmaktadır Matris iyileştirmesi çalışmaları bilhassa yüksek sıcaklıkta kullanıma uygun ve düşük nem duyarlılığına sahip yapıların üretilmesi doğrultusundadır
Epoksi Reçine Matrisler
Epoksiler iki yadad daha artı epoksit taşıyan bileşenlerden oluşurlar Polifenol ’ün epikloridin ile bazik şartlarda reoksiyonu sonucu* elde edilirler Eposilere uygulanan kür işlemleri ile yüksek sıcaklıklara dayanımı 150200 ? ’a artırılabilir Büzülmesi %2 ’den azdır
Avantajları:
Kapma mukavemetleri yüksektir Elyaf yapılarda yüksek bono mukavemeti sağlarlar Yüksek eskime direncine sahiptirler Buharlaşan değildirler ve kimyasal dirençleri yüksektir Düşük ve yüksek sıcaklarda sertleşebilme özelliğine sahiptirler Dezavantajları:
Polyesterle karıştırıldığında pahalıdırlar Polyestere oranla yüksek viskoziteye daha az uygundur Epoksiler avantajlarının çokluğu ve bütün elyaf malzemelerde kullanılabilme nedeniyle, uçak yapısında da yaygın bir başvuru alanına sahiptirler Genelde karbon elyaflarla birlikte kullanılırlar
Polyester Reçine Matrisler
Polyester matrisler dibazik asitlerin, dihidrik alkoller (glikol) yada dihidrik fenollerle karışımının yoğuşması ile şekil alırlar Polyesterlerin ana tipleri polyester bileşeninin batmış asitle yada alternatif araç gereç olarak glikolle modifikasyonu temeline dayanır Hem kür işlemi ile matrisin esnekliği iyileştirilerek kopma gerilmesi arttırılabilir
Avantajları:
Takviyelerin nemini dışarı kolayca atabilmesini karşılayan düşük vikozite, Düşük maliyet İyi çevresel dayanım Vinylester Reçine Matrisler
Polyester benzerler En kayda değer avantajları elyaf ve matris aralarında iyileştirilmiş bir senet mukavemetine sahip olmalıdır Polyesterle glikolün bir kısmının yerine doymamış hidrosilik bileşenlerin kullanılması ile elde edilirler Korozif ortamlardaki kullanımlar için donatılı plastik bileşenlerin üretiminde yararlanılmaktadır Bu polimerler kimyasal dayanım gerektiren kimya tesislerinde, borularda ve depolama tanklarında kullanılmaktadır
Fenolik Reçine Matrisler
Bu yüzyılın başından beri takriben yüz yıldır kullanılmaktadır Sertleşme, ısı enerjisiyle gerçekleşmekte, laminant ve kalıplama için basınç gerekmektedir Fenolik reçinelerin ısı stabiliteleri, elektrik özellikleri, suya ve alkaliler dışındaki kimyasal maddelere dayanımları fazla iyidir Bu reçineler 300 ? ’ye kadar kesintisiz, asbestos lifleriyle donatılmaları halinde ise kisa süreli olarak 1000 ? ’ye dek kullanılabilmektedirler
Silikon Reçineler
Silikon reçineler, diğerlerinden öbür olarak yapılarında karbon yerine inorganik esaslı silikonlar yer alan malzemelerdir Mekanik ve elektriksel özelliklerini çok eksik değişikliklerle 250 C0 ’ye kadar koruyabilen silikon esaslı reçinelerin kullanımları, mekanik dayanımlarının öteki reçinelere kadar daha düşük ve maliyetinin de başlıca daha yüksek olması sebebiyle kısıtlıdır Süpersonik arabalarda kullanılırlar
Metal Matrisler
Kompiziti kesintisiz bir arada tutan ve bu tamlık içinde lifle birlikte malzemenin özelliklerini belirleyen matris malzemesi olarak metaller, taşıyıcılık açısından, bilhassa polimer matris malzemesine kıyasla yüksek dayanıma sahiptirler Üretimleri zorlama olup maliyeti yüksek olmasına karşın, metal matris malzemesi kompizitin tokluğunu önemli ölçüde arttırmakta ve yüksek sıcaklık etkisindeki uygulamalara olasılık vermektedir Metallerin matris malzemesi olarak kullanılması, tekrar metal olan çoğu ince liflerin üretimiyle başlamıştır Kompizit üretiminde metal matris malzemesi olarak, bakır alüminyum, titan, nikel, gümüş gibi metaller öncelikle gelmektedir Matris malzemesi erimiş halde, moleküler yapıda, levha ya da ince tabaka şeklinde olabilmekte ve kullanılan imal teknolojisine emrindeki olarak dökme, karıştırma, presleme, elektroliz aracılığıyla kaplama, haddeleme yöntemleriyle liflerle birleştirilmektedir Bu birleşmede kullanılacak yüksek dayanımlı lif tel ve kılların zedelenmemesi, yıkım olmaması sağlanmalıdır Metal matris içinde en basit kullanılabilen elyaf bor ve borsic elyaftır Bu kompozit araç gereç 300 C0sıcaklığa kadar oda sıcaklığında özelliğini korumaktadır* Burada kompizitin üretimi 450500 C0sıcaklıkta, sıcak presleme yöntemiyle yapılır
Elyaflar
Matris malzeme içerisinde bulunan elyaf takviyeler kompizit yapının esas mukavemet elemanlarıdır Düşük yoğunluklarının yanı sıra yüksek esnek modüle ve sertliğe sahip olan elyaflar kimyasal korozyona da dirençlidirler Günümüzde kompizitlerin donatılmasında boyutsal ve şekilsel özellikleri fazla ayrı lifler (elyaflar) kullanılmaktadır Mesela, cam lifleri gibi lifler imal sırasında demetler halinde hazırlanmaktadır Kompizitlerin donatılmasında kullanılan lifler, EModülü değerleri, kullanılan matris malzemesinin E modülü ile kıyaslanarak, matristen daha düşük yada yüksek E modülü değerine sahip lifler olmak üzere iki belli başlı grupta toplanabilir Ancak, kompozitlerin özellikleri içinde manâlı olan bu ayrım sabit matris malzemesi için amaç taşımaktadır Teller, mili metrik boyutta metal malzemelerdir Çapları öteki donatı malzemelerine kıyasla daha büyük olup, genellikle beton ve harçların donatılmasında kullanılır Dilimizde lif kelimesinin çoğulu olan “elyaf kelimesi daha yaygın olarak kullanılmaktadır Liflerin çapı sıradan 0,01 mm mertebesindedir Narinlik oranı 10000 ’e kadar çıkabilmektedir (Ld?104) Lifler öbür kaynaklardan elde edilmekte ve değişik özellikleriyle büyük farklılık göstermektedir Kıllar donatıda kullanılan en ince malzemelerdir* Bunlar, buhar yoğunlaşmasıyla büyütülen öbür şekillerdeki tek kristaller olup, çapları birkaç mikron, boyları birkaç mm kadardır Buharla büyütülen bu kılların çoğunlukla yapısal hataları olmamaktadır Dolayısıyla dislokasyon içermeyen bu cisimlerin dayanımı, sıradan boyutlardakine oranla neredeyse yaklaşık bin katı değin olabilmektedir Üstün özellilere karşın, yapım yöntemi sebebiyle kıllarla donatılı kompizitlerin üretimi son derece sınırlı kalmaktadır Ayrıca, kılların sahip oldukları yüksek çekme dayanımı sadece elastik bölgededir Plastik deformasyonunun başlamasıyla kıllarda dislokasyonlar oluşmakta ve dayanım düşmektedir Burada kompizitlerin donatılmasında kullanılan lif ya da araç gereç üstünde durulacak Sırasıyla sırça lifi, asbest lifi, çelik teller ve organik esaslı suni lifler incelenecektir
Cam Lifleri
Sırça lifleri ya da diğer bir deyişle sırça elyafları kompizitlerin üretiminde en fazla kullanılan donatı malzemelerindendir Üstün özelliklerinin yanı sıra, ekonomik bir donatı türü olması bu sonucu ortaya çıkarmaktadır Çeşitli matris malzemeleriyle kullanılmış olmasına karşılık, temel başvuru formu alanı sırça takviyeli plastik (CTP) endüstrisidir Cam liflerinin ticari anlamda üretimi 1930 ’lu yıllarda İngiltere ’de başlanmış olmasına karşılık, bu araç gereç plastik malzemenin donatılmasında 1950 ’lerin başından itibaren kullanılamaya başlanmıştır Ilk Olarak, sırça liflerinin üretiminde A camı veya açık adıyla “alkali cam kullanılmıştır Bunu çok eksik alkali taşıyan* ve çok üstün elektriksel ve mekanik özelliklere sahip bir borsilikat camı olan “elektrik dayanımlı camın, kısa adı ile E camının kullanılmaya başlanması izlemiştir
Amyant Lifleri
Amyant, lifli yapılı bir doğal mineraldir Esası magnezyum silikat olan, yanmazlık özelliğine sahip bu maddenin bir çok türü vardır Bu doğal maddeden elde edilen asbest liflerinin boyları, çoğunlukla 0,8 mm ile 1920 mm arasındadır Amyant liflerinin en ufak çapı 0,01 mm ’ye değin olabilmektedir Bu liflerin çekme dayanımının 3000 Nmm2 nin üzerinde bulunduğu belirtilmektedir Asbestos liflerinin kimyasal direnci, özellikle alkali ortama dayanımları, bunların çimento türü bağlayıcılarla üretilen kompozitlerde çok başarılı bir biçimde kullanılabilmesi sonucunu doğurmuştur Amyant liflerinin dayanımı yüksek tiplerinden bir olan corocidolite ya da mavi asbest, insan sağlığı açısından negatif özellikler belirten bir türdür Bunların fazla uzun süreler solunmasının ya da bu lifçikleri içeren havanın ulunduğu bölgelerde yaşamanın asbastosis denilen solunum yolları hastalığına, akciğer kanserine niçin olduğu ileri sürülmektedir Amyant lifleri, bu yüzyılın başlarından itibaren çimento bağlayıcı ile teknik açıdan başarıyla kullanılmaktadır Asbest lifleri genel olarak levha üretiminde %912, basınçlı boru üretiminde %2030 oranları aralarında, çimento bağlayıcıyla birlikte karışımlarda yer almaktadır Asbestos lifi donatılı çimento kompozitleri, atmosfer koşullarına ve korozyona dayanıklı, çürümeyen, 400ºC sıcaklığına kadar dayanım özelliğine sahip malzemelerdir Fakat araç gereç darbe karşı kırılgandır ve genelde kırılma dönüşüm oranı çok düşüktür
Çelik Teller
Çelik teller bilhassa beton ve harçların donatılmasında kullanılabilmektedir Öbür yöntemlerle üretilen donatı telleri, matriste aralarındaki aderansın artırılması amacıyla değişik biçimlerde de yapılmaktadır Beton donatımında kullanılan çelik teller “soğuk çekme tel oda sıcaklığında ısıl işlemsiz çekilmiş, düşük karbon oranlı teldir Teller genellikle suda kolaylıkla çözülebilen özel bir yapıştırıcıyla birlikte tutturularak demetler halinde üretilmektedir
Karbon Lifleri
Liflerde donatıl kompozitlerin üretiminde kullanılan kayda değer bir lif türüdür 1960 ’lı yılların ikinci yarısından itibaren kullanılmaya başlanmış olan bu liflerin düşük yoğunluğuna rağmen çekme dayanımı ve E – modülü yüksektir Yüksek sıcaklıklara dayanabilen karbon liflerinin özellikleri, üretimdeki son operasyon sıcaklığına ast olarak değişim göstermektedir Uygulamada 6 ila 10 mm arasında değişen çaptaki liflerin 10001500 adetlik demetlerinden oluşan fitil ve abkumalar kullanılmaktadır Üstün özelliklerinin yansıra on derece pahalı olan karbon lifleri, özellikle uzay ve havacılık endüstrisinde yararlanılan bir araç gereç niteliğindedir Maliyeti yüksektir
Aromid Lifler
Aromid “aromatik polyamid in kısaltılmış adıdır Polyamidler uzun zincirli polimerlerdir Aromidin moleküler yapısında altı karbon atomu birbirine hidrojen ile bağlanmıştır İki öbür herif aromid mevcuttur Bunlar kevlar 29 ve kevlar 49 ’dur Camdan daha hafif ve daha risit olan bu malzeme, fiyat açısından da sırça lifleri açık havada kalan bir çok lif tarzında daha ucuzdur Yüksek sıcaklıkta sönme dayanımı epeyce iyidir Keza korozyon dayanımı oldukça iyidir Uçak yapılarında, düşük basma mukavemetleri nedeniyle karbon elyaflarla birlikte hibrit kompozit olarak, kumanda yüzeylerinde kullanılmaktadır
Bor Lifleri
1960 ’lı yıllarda üretilmeye başlanan bir malzemedir Yüksek dayanımlı ve fiyatı yüksek bir malzeme olan bor lifleri, günümüzde özellikle metal motris elemanlarıyla birlikte metal motris malzemesi olarak kullanılmaktadırlar Elyaf çapı 0,1 mm ile 0,2 mm aralarında olan ve öteki bir çok life kadar oldukça kalın bir lif özelliği bildiren malzeme, yüksek çekme mukavemetine ve elastik modüle sahiptir Elastik modülü ise 400 Gpa ’dır bu layık S camının esnek modülünden 5 kat daha fazladır Üstün mekanik özelliklere sahip bor elyaflar, uçak yapılarında kullanılmaktadır Ancak maliyetinin çok fazla olması nedeniyle yerini karbon elyaflara bırakmıştır
Silisyum Karbür Lifleri
Yüksek sıcaklıktaki özellikleri bor liflerinden daha iyidir Silisyum karbür elyaflar 1370 ºC ’de mukavemetinin yalnızca %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 öbür malzeme kullanılabilen kompozitlerin gruplandırılmasında* belli sınırlar çizmek mümkün olmamakla birlikte, yapıdaki malzemelerinin formuna tarafından bir sınıflama gerçekleştirmek mümkündür
Elyaflı Kompozitler Parçacıklı Kompozitler Katmanlı Kompozitler Karma Kompozitler Elyaflı Kompozitler
Bu kompozit tipi ince elyafların motris yapıda yer almasıyla meydana gelmiştir Elyafların matris içindeki yerleşimi kompozit yapının mukavemetini etkileyen kayda değer bir unsurdur Uzun elyafların motris içinde birbirlerine paralel şekilde yerleştirilmeleri ile elyaflar doğrultusunda yüksek mukavemet sağlanırken, elyaflara tepede olan doğrultuda düşük mukavemet elde edilir İki boyutlu yerleştirilmiş elyaf takviyelerle her iki yönde de eşit mukavemet sağlanırken, matris yapısında aynı yapılı olan dağılmış kısa elyaflarla ise izotrop bir yapı oluşturmak mümkündür Elyafların mukavemeti kompozit yapının mukavemeti açısından fazla önemlidir Hem, elyafların uzunlukçap oranları arttıkça matris tarafından elyaflara iletilen tartma miktarı artmaktadır Elyaf yapının kusursuz olması da mukavemet açısından çok önemlidir Kompozit yapının mukavemetinde* kayda değer olan öteki 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 negatif 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 müşteri plastik matris içinde bulunan 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 ufak parçacıkların yapımında kullanılırlar
Tabakalı Kompozitler
Tabakalı kompozit inşa, en eski ve en yaygın tatbik alanına sahip olan tiptir Öbür elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile fazla yüksek mukavemet değerleri elde edilir Isıya ve neme dirençli yapılardır Metallere göre hafif ve bununla beraber mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir Böylece çok katmanlı kompozit düşük maliyet, yüksek dayanım ya da hafifliğini korurken, eskime ya da abrasiv aşınma direnci, gelişmiş dış görünüş ve çok iyi ısıl genleşme özelliklerini kapsamaktadır Buna karşın korozyon ve yıpranma direnci gibi manâlı özelliklerin o kadar birçok öncelikle kompoziti yaratıcı elemanlardan birine bağlıdır Elektrik şarjını depolamak için kullanılan kondansatörler itibariyle dönüşümlü olarak bir geçirgen ve bir izolatör katmanların defalarca gelerek meydana getirdiği katmanlı kompozitlerdir
Karma Kompozitler:
Benzer kompozit yapıda iki yada daha artı elyaf çeşidinin bulunması olasıdır Bu müşteri kompozitlere hibrid kompozitler denir Bu bölge yeni müşteri kompozitlerin geliştirilmesine yerinde bir alandır Örneğin, kevlar ucuz ve tok bir elyafdır oysa basma mukavemeti düşüktür Grafit ise düşük tokluğa sahip, fiyatı yüksek oysa 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
Tabakalı kompozitlerin sayısı öylesine artı ve uygulamaları, amaçları öylesine çoktur ki davranışları hakkında genelleme yapılması olası değildir Yaygın olarak kullanılanlar ise;
Katmanlar: Katmanlar organik bir yapıştırıcı ile yapıştırılmış malzeme katmanlarıdır En yaygın katman, her bir alternatif katta düşey açılarla ağaç kaplama açılarının dizildiği kontraplaklardır Bu katlar fenolik ya da amine reçineler gibi bir yapıştırıcı ile birleştirilir Güvenlik gözlükleri, polivinil butiral gibi plastik bir yapıştırıcı ile iki sırça malzemesinin birleştirildiği katman malzemelerdir Sırça kırıldığı süre yapıştırıcı cam parçacıklarının ayrılmasını önler Katmanlar, motorlarda, izolasyon için dişlilerde, basılmış devre katlarında kullanılmaktadır Yapıştırıcı katmanlar, çok iyi hafiflik, alevlenmeyi geciktirici darbe dayanımı, korozyon direnci, kolay şekillendirme ve işleme, sürtme ısısının dağıtılması ve iyi izolasyon özelliklerini bünyesinde toplamaktır
Sert yüzey oluşturma: sert, aşınmaya dayanıklı 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 bununla birlikte aşınma yüzeyinde tunsten karbür meydana getirmek için kullanılabilmektedir Benzer kaynak işlemleri yüzeyin korozyon ve ısıya karşı direncini arttırır
Giydirilmiş Metaller: Metal – metal kompozitleridir Genel bir örnek olarak ABD ’deki gümüş paraları verilebilir Bir Cu %80 Ni alaşımının her iki tarafına Cu %80 Ni alaşımı bağlanır Yoğun olarak bakır yer alan çekirdek düşük maliyet temin ederken, yüksek nitelikli bileşik gümüş rengi vermektedirgiydirilmiş malzemeler yüksek dayanım ile birlikte iyi korozyon direnci kombinasyonuna sahiptir Alklod adı bahşedilen 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 %11,5 ’ i* kadardır Alklad, korozyon direnci, dayanım ve hafifliğin istek edildiği uçak gövdesinde, ısı dönüştürücülerinde, bina yapımında ve depolama tanklarında kullanılır
İkili Metaller: Sıcaklık göstergeleri ve denetim 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 emrindeki ise ısıl genleşme katsayılarındaki ayrım şeridin eğilmesine ve eğilimli bir yüzey oluşmasına niçin olur Şeridin bir ucu sabit ise serbest olan kutup hareket eder Bu hareketin miktarı sıcaklığa bağlı olup, şeritteki bükülme ve sapmanın ölçülmesi ile sıcaklık saptama edilmektedir Benzer şekilde şeridin özgür ucu, elektrik anahtarını hareket ettirirse düzenli sıcaklık hareket almak için bir fırının veya soğutucunun açılıp kapatılması mümkündür
Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemelerinin Üretim Yöntemleri
istek edilen performansa uygun kompozit malzemelerinin üretiminde maliyet unsuru birincil düşünülmesi gereken en önemli parametrelerden biridir Üretim maliyetini, performans, tasarım, malzeme seçimi ve şekil verme yöntemi ilk elden etkilemektedir Kompozit yapıyı oluşturan bileşenlerin seçimi ve bileşen konfigrasyonu üretim maliyetini önemli ölçüde düşürebilmektedir Tasarım konsepti ile maliyetin düşürülmesi daima geçerli bir yöntem olup defalarca göz önüne alınmalıdır Mukavemet ve tokluk, minimum yük, yüksek sıcaklıkta kullanılabilirlik, yorulma mukavemeti, düşük bakım masrafı, korozyon dayanımı, hasar toleransları ve tamir kolaylıkları gibi faktörler birlikte düşünülerek, asgari maliyetli, en basit üretilebilir bir kompozit sistem seçilmelidir Doğranmış, ufaltılmış, tanelere bölünmüş kısa boylu elyaf ve partüküller ile dokunmuş demet biçiminde veya dokunmamış bez yapısındaki yardım malzemesi, reçine yüzüne yatırılarak, dağıtılmış el aletleri ile sıvanıp tamısıtma tedarik edilerek kompozit malzemenin elde edilmesi günümüzde çok yaygın olarak kullanılan bir metoddur
Elyaf Sarma
Kesintisiz elyafın bir bağlayıcı ortamından geçirildikten sonradan, dönel madrenle, danışıklı sarım geometrisine uygun sarılması yöntemine elyaf sarma adı verilmektedir Genelde sarılan öz ya da mandrel, sarım işleminden sonra çıkarılır Bazı hallerde değişmez mandrel kullanılarak kompozit kabuk ile takviye edilebilir Elyaf sarma yönteminin bazı menfaat ve dez avantajları aşağı verilmiştir
Aralıksız elyaf ağı ile yüksek mukavemet sağlar Birbirini Izleyen sarılan elyaflar mukavemeti arttırır İmalatı kolaydır oldukça büyük yapılar elde edilebilir Yüksek elyaf yoğunluğuna ulaşılabilir Avantajlı üretim maliyetine sahiptir Farklı Alanlara Yönlendirilmiş simetrik malzemelerin üretildiği elyaf sarma yönteminin bazı dezavantajları aşağı verilmiştir
Mandrelin çıkartılabileceği şekilde tasarlanması Dışbükey yüzeylerin elde edilememesi Sarım yolunun kolaylıkla değiştirilememesi Karmaşık ve fiyatı yüksek mandrellerin kullanılması Cılız bir dış yüzeye sahip bulunması Bu olumsuzluklara rağmen, boru, fittings, tüp, basınçlı kaplar, küresel ve silindirik yapılarda oldukça tercih edilen bir yöntemdir
Açık – Kalıp Yöntemleri
Takviye elemanının reçine yüzeyine yerleştirilmesi, reçine sıvama veya elyaf tekstil ile kalıp formuna yerinde yüzeylerin elde edilmesi çoğunlukla açıkkalıp yöntemi ile şekillendirme adı verilmektedir Doğranmış, ufaltılmış, tanelere bölünmüş, kısa boylu elyaf ve partiküller ile dokunmuş, demet biçiminde veya dokunmamış kumaş yapısındaki destek malzemesi, reçine yüzeyine yatırılarak değişik el aletleri ile sıvanıp bütün ıslatma temin edilerek, kompozit malzemenin elde edilmesi günümüzde en yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir Bu amaçla en fazla ahşap kalıp kullanılmakla birlikte alüminyum ve plastik kalıplarda kullanılabilmektedir Kalıp yüzeyi bununla birlikte ayırıcı özelliğe sahip sert yüzey tedarik eden “gelcoat ile sıvandıktan sonra destek malzemesi yatırılarak reçine ile sıvanır Sıvama tekniği elyaf oranını etkilediğinden önemlidir Elle sıvama ve elyafa şekillendirme yerine vakumfolyo aşağıda aynı işlemler yapılabilir
Bu itibarla açık kalıp kompozit üretim yöntemi üç kategoride incelenmektedir
Püskürtme yöntemi
Ara yüzey ayırma elemanı olarak buharlaşan bir çözücüde gevşemiş fluorokarbon türevleri kullanılmaktadır Kompozit yüzeyde sert fluorokarbonlu ince film oluşurken, her türlü renklendiricilerle renklendirilebilmektedir Kalıpta kompozit ayırıcısı olarak silikon boyalarda kullanılabilir Fakat müteakip işlemler ve servis ortamlarında çeşitli sorunlar getirmektedir Politetrafluoroetilen ayırıcılar bilhassa yüksek sıcaklık uygulamalarında tercih edilmektedir Bobinle beslenen kesintisiz elyaf, reçine ortamından geçirildikten daha sonra 35 cm ’lik boylarda kesilerek çabucak kalıp yüzeyine püskürtülür Kısa elyafın çabucak fırlatılması kalıp yüzeyine sıkışma yapmakta, yüksek elyaf oranlı açıkkalıp kompoziti üretilebilmektedir Geniş paneller ve girift şekilli malzemelerin üretiminde elyaf püskürtme yöntemi oldukça yaygın* kullanılmaktadır Elyaf püskürtme yönteminde reçineelyaf dağılımı, elle sıvama yöntemine oranla daha düzenlidir Bir diğer açıklama 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 aynı yapılı olan reçine dağılımı ve yüksek elyaf oranı sağlanmaktadır Vakum örtü sistemi ile kuru elyaf ortamına basınç aşağı reçine emilerek en yüksek elyaf oranlı reçine elde edilebilmektedir
Çekme Yöntemi
Elyaf – reçine karışımı şekillendirilmiş kalıptan geçirilirken bununla birlikte da sertleştirilerek değişik 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 rasgele dağılmış elyaf termoset reçine ortamında çekilmektedir
Presleme
Termoset veya termoplastik matris içine dağılmış yardım elemanları emin basınç aşağı sıkıştırılarak sertleştirilir Havacılık sektörüne karşın kompozit ürünler için epoksi motrisler kullanılırken kar ve demiryolu taşıtları için poliester ve vinilester reçineli matrisler kullanılmaktadır 35 cm boyunda kesilmiş elyaflar, mikserde reçine ile karıştırılırlar reçiner katalist, dolgu malzemesi, kalıp sıyırma malzemesi ile magnezyum oksit ihtiva eder Mikserde en ince ayrıntısına kadar karıştırılmış hamur, uygun ortamda uzun vakit saklanabilir 130160 ºC sıcaklığa ısıtılmış kalıp boşluğuna* gerekli hacimde karışım hamuru yerleştirilerek* 421 Mpa basınç aşağıda birkaç dakika bekletilir* Parçanın özelliğine, elyaf oranına ve reçine grubuna tarafından sertleşme süresi 14 dakika aralarında değişir Epeyce yüksek basıncı gerektiren usul çok iyi yüzey kalitesi yanına, mekanik özelliklere sahiptir Koltuklar farklı alanlara yönlendirilmiş kaplar ve yapı elemanlarının imaline olanak veren presleme metodu, gelecekte alüminyum ve plastik enjeksiyon döküm ürünlerine alternatif olacaktır Presleme ile üretilen kompozit ürünler, aynı zamanda ahşap türevleri ile ikame edilebilmektedirpresleme tekniğine yerinde, parça geometrileri kolaylıkla üretilebilir* Presleme çelik döküm kalıplar kullanılmaktadır yüzey için kalıp iç yüzeyinin sert – krom ile kaplanması tercih edilmektedir

Pres şekillendirme yöntemi
Preslemede kullanılan hamura dağıtılmış dolgu ve renk verici malzemeler katılarak istek edilen yüzey özellikleri elde edilebilir
Döküm Yöntemi
Genellikle partikül şeklindeki destek fazı, akıcı reçine ya da metalle birlikte hidrostatik veya pres basıncı altında dökülebilir
Bilhassa aşınmaya dirençli 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 kadar ıslatılması olası olmadığından bağlayıcı ara yüzey oluşamamaktadır Bu amaçla elyaf yüzeyi ıslatma özelliği yüksek malzemelerle kaplanır kaplama işlemi vakum aşağı ya da kimyasal ortamda yapılıp, elyaf sıcak pres altında sinterlenir Yöntemin en önemli avantajı, matris oranını minimum düzeyde tutmasıdır Bu metodla %10 bağlayıcı ve %90 yardım fazlı süper yüksek mukavemetli malzemeler elde edilmektedir Gelecekte özellikle uçak karoser ve kanatlarının* bu yöntemle elde edilmesi ve yüksek balistik performansın elde edilmesi mümkün görülmektedir Elyaf yüzeyini kaplayan ince metalik film basınç aşağıda difüzyon ile elyafları birbirine bağlarken çok iyi yüzeyler oluşturmaktadır Metal matrizli kompozitlerin üstün performansları, gelecekte çelik ve özel malzemeleri* önemli ölçüde kapsayacağı tahin edilmektedir
Laminasyon
Minimum iki ayna veya ayrı elyaf ya da refrakter tabakasının önceden planlanmış konfigrasyonla birbirine bağlanması ile ilde edilen yapıya lamine kompozit yapısı adı verilir ardışık yardım tabakaları, örgülü, dokunmuş, prese edilmiş keçeleştirilmiş veya folyo şekline getirilmiş olabilir Laminasyonda üç boyutlu konfigrasyona ulaşılabilir Şekil 217 ’de verildiği gibi orada da bağlanan tabakalarda, üç doğrultuda mekanik özellikler şekillendirilebilir
Laminasyon doğruları
Örgülü, dokunmuş ya da demet elyaf laminasyon yönteminde çoğunlukla birbirine dikey bağlanmaktadır Bağlayıcı olarak en fazla kullanılan opoksi emdirilmiş kağıtlardır Epoksi rijit ya da yüksek mukavemeti ile en fazla 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 aracısız 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 epeyce basit ve bu malzemelerin geniş uygulamaları mevcuttur Balpetek arakesitli sandviç paneller, ilk kez 1940 ’lı yıllarda havacılık sektöründe kullanılmıştır Günümüzde kağıt, plastik, paslanmaz çelik, titanyum, süper bileşik, alüminyum ve sözde metallerden balpetekleri üretilerek sandviç kompozitler yapılmaktadır Laminatlara birleştirmlede özel yapıştırıcılar dıştan difüzyon veya lehimleme birleştirmeleri de yapılabilmektedir Yüksek tokluk, yüksek mukavemet siklet ilişkisine sahip sandviç panellerin kullanımı gelecekte daha da artacaktır
Kompozit Malzeme Kullanımında Tasarım Esasları
Makine ve yapıları üretim ederken anizotropik malzeme kullanımının* muhakkak bir takım üstünlük ve dezavantajları vardır Avantajları; destek doğrultusunda çok yüksek özgül mukavemet ve rijitlik, şekillendirilebilme kabiliyeti ve esnek olarak yüksek kopma uzaması, yorulma dayanımı, kalıcı biçimsizleşme olmaması, düşük ve kontrol edilebilir ısıl genleşme katsayısı, fazla düşük enine ve ısıl elektrik iletim katsayısı, tabakal kompozitlerin katman yapılarının istenen amaca kadar düzenlenebilmesidir Dezavantajları ise; araç gereç bünyesinde hasara sebep olacak şekilde ikincil gerilmelerin meydana gelebilmesi, kritik uygulamalarda uzun zaman alan harcama gerektiren detaylı gerilme analizi gerekliliği, üretim ve başvuru formu yerinde yüksek sıcaklık olması durumunda fiber matris ısıl genleşmelerinin ayrı olması sebebiyle hasara götüren iç gerilmeler, lineer esnek özellikleri sebebiyle gevrek kırılma tehlikesi uygulama ortamı sıcaklığının matris malzeme özellikleriyle sınırlanması sıcaklık sebebiyle bilhassa polimer matrisli malzemelerde sürünme tehlikesi, temas yerlerinde çok titiz dizayn gerekliliği olarak sayılabilir Kompozit malzemelerden yapılacak alet elemanlarının bu özellikler göz önüne alınarak tasarlanması gerekmektedir Kompozit malzemelerden yapılacak cihaz elemanlarının tasarımında uyarı edilecek faktörler; ısıl, mekanik, çarpma, kimyasal, elektrik ve manyetik doldurma gibi yükleme durumları, takviye şekli ve yükleme doğrultusuna göre durumu ve cihaz elemanlarının ağırlığı ile birleştirmek yerlerinin seçimi ve birleştirme şeklidir Tasarımda dikkat edilecek faktörleri tek tek incelersek
Yükleme Durumu
alışılmış malzemelerden öbür olarak, kompozit malzeme üzerine gelecek kuvvetin doğrultusu, şiddeti ve tesirleri koskocoman siklet arzeder Çünkü ompozit malzemede fiberlerin takviye açısına kadar araç gereç üzerindeki gerilme dağılımı değişmektedir
Isıl ve Elektriksel Doldurma
ısı ve elektrik akımı direncin düşük olduğu yerlerden geçme eğiliminde olduğundan ısıl ve elektriksel iletim özellikleri* sırça, aramid ve seramik fiber kullanılması durumunda matris malzemeninkine yakındır Karbon fiberleri gibi iletim özelliği iyi olan fiberlerin kullanıldığı kompozitlerde ise fiber malzemesinin özelliklerine yakın olma gösterir Polimerik matrisli kompozitlerde, matris malzemeleri metallere kadar yaklayık olarak %1 oranında iletim özelliğine sahiptir Fiberlerin ise yüksek iletim özellikleri vardır Kompozit içinde yardım şekli ve doğrultusu ile enerji akış sektörü arasındaki açı önemlidir İzotrop cam fiberlerinde bile boylu boyunca 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, destek doğrultusu ve üretim esnasında eleman içinde haylazlık kalmayacak şekilde bir imal yapılması fazla önemlidir Herhangi bir kompozit yapıda bile, kullanılan malzemelerin ısıl genleşme özelliklerinin ayrı olması sebebiyle, ısı yükü altında bambaşka uzamalar sonucu büyük gerilmeler ortaya çıkabilir Bu gerilmeler, dışarıdan malzemeye herhangi bir tartma uygulansa bile malzemede hasara yol açacak dek büyük olabilmektedirtabakalı üretimde ise ayrı tabakalar arasında benzer uzamaya karşın takviye doğrultusundaki farklılıklar nedeniyle çarpılma şeklinde hasarlar oluşabilmektedir İzotropik malzemelerde oluşan bu gerilmeler değişik ısıl işlemler ile ortadan kaldırılabilirken kompozit malzemelerde bu şart muhtemel olmamaktadır Bu yüzden ikincil bir siklet 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 ayrı bir şekilde oluşur İzotrop malzemelerde akıcı yüklemeye maruz bir cihaz elemanında oluşan çatlak tanımlanabilir bir gelişme göstererek ilerlemekte ve parça hesaplanabilen bir ömür sonunda da hasara uğramaktadır Bu malzemeler için çatlak başlangıcının neredeyse tamamen tanımlanmış ve deneyler yapılarak zorunlu sabitler bulunmuştur Kompozit malzemelerin çentik hassasiyetleri, matris malzeme çentiğin diğer fibere geçmesini geciktirdiğinden metalik malzemelere kadar daha azdır Kompozitlerde yorulma olayı, malzemeye emrindeki olarak farklı şekillerde meydana kazanç Fibermatris ara yüzey senet kuvvetine bağlı olarak oluşan yorulma, siklet doğrultusu ile fiber doğrultusunun farklı olduğu durumlarda oluşan yorulma şeklidir Fiber boyunca oluşan çatlağın ilerlemesi ile zarar meydana kazanç Bez şeklindeki fakvilerde genelde bu şekilde yorulma oluşur Fiber ve ağırlık doğrultusu benzer olursa epeyce yüksek yorulma direnci elde edilir Bu durumda, fiber hacim oranı arttıkça yorulma direncide artmaktadır Katmanlı yapıdaki yorulma ise, mukavemetlerine göre daha yüksek gerilme uygulanan tabakalardan başlayarak yayılır Tabakalı yapının bez fiberlere tarafından yorulma dirençleri daha büyüktür
Çarpma, genelde cihaz elemanlarında genelde beklenmeyen ve hesaba katılmayan ani yüklemelere verilen addır Sünek malzemelerde çarpışma sonucu plastik bozulma ve gözle görülebilen hasarlar oluşur Kompozitlerin çarpmaya karşısında davranışı çarpmada absorbe ettikleri enerji ile belirlenir Bu da ara yüzey senet gerilmelerinin değerine bağlıdır Eğer bağ dayanımı düşükse araç gereç zayıf mukavemet özellikleri göstermekle beraber enerji absorbsiyonu iyi olacağından çarpmaya aleyhinde iyi bir dayanım gösterecektir Fazla yüksek bono 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 karşısında kompozit malzemelerin davranışlarının belirlenmesinde önemli bir mukayese parametresidir
Kimyasal Doldurma 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 karşısında özelliklerini de belirlemektedir Plastik malzeme, plastik matrisli kompozitlerin fazla farklı alanlara yönlendirilmiş çevre ve kimyevi yüklere aleyhinde yüksek performans göstermesini sağlamaktadır Metalik matrisli kompozitlerde ise kimyasal etkilere karşı direnç, malzemenin yüzeyinde meydana getirdiği koruyucu katman kalınlığı ile belirlenmektedir Örneğin, 200 ºC ’nin üstünde özellikleri kararlı olmayan, ya da 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 3113 ’te araba endüstrisinde alternatif malzemeler olarak kullanılan çelik, alüminyum alaşımı ve sırça takviyeli plastik (CTP) kompozitlerin farklı alanlara yönlendirilmiş yüklemeler karşısındaki davranışları, üretim şartları ve maliyetleri gibi faktörler karşılaştırmalı olarak verilmiştir

Kompozit Malzemelerin Dilekçe Alanları
Otomotiv Sanayiinde Kompozit Malzeme Kullanımı
Otomobilin ağırlığını eksilmek; yakıt tüketiminde hatırı sayılır tasarruflara yol açtığından, otomobil imalatçı¬leri ağırlığı azaltacak yeni malzeme arayışlarına girmiş bulunuyorlar Buna ilaveten petrol yakıtlarına al¬ternatif olarak geliştirilmeye çalışılan elektrikli arabaların motorları nispeten daha eksik baskı ürettiğinden, arabanın ağırlığı fevkalade ehemmiyet kazanır Kompozit malzemeler, katılığın özgül ağırlığa oranı bakımından çelik ve alüminyum ile karşılaştırıldığında, bu bedel birkaç kat daha artı olabilmektedir Bu sebeple kompozit malzemeler siklet azaltmada en manâlı adaylardandır
Kompozit malzemeler arasında en yaygın olarak polimer matrisli kompozitler kullanılmaktadır Plastik matrisli olmalarına rağmen metaller dek emniyetli tasarımları mümkündür Ön kısmı cam elyaf takviyeli polimer kompozitten yapılmış bir otomobil 35 milsaat çarpma testini geçmiş bulunuyor Çarpışmalarda çelik kadar gü¬venlik sağladığı gibi, polimer kompozitler titreme kontrolü gibi özellikleriyle de daha üstün performans göster¬meye adaydır
Polimer kompozitler matrisi, termoset ya da termoplastik almak üzere ikiye ayrılır Termoplastik polimerler (naylon gibi), uzun molekül zincirlerinden oluşur Yüksek sıcaklıklarda bu zincirlerin birbirleri üzerinde kayma¬ları sonucu, termoplastikler eriyebilme özelliğine sahiptirler Termosetler ise umumiyetle ilk olarak monomerlerden ya da kısa zincirlerden oluşan istikrarsız bir halde bulunur Yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında, bunların ara¬larında iki taraflı bağların oluşmasıyla büyük bir moleküle dönüşerek katılaşırlar İyileştirme denen bu işlemden sonradan bundan böyle polimerin erimesi söz konusu olmaz Termoset ve termoplastik polimerlerin mikro yapılarındaki bu farklılık; mekanik özelliklerine, imalat tekniklerine ve tekrar değişim imkanlarına da yansır Termoplastikler molekül zincirlerinin hareket kabiliyetinden nedeniyle termosetlere kadar daha eksik kırılgandır Mukavemet ve katılık gibi kompozitin mekanik özelliklerini ağırlıklı olarak elyaf takviyesi belirlediğinden, polimer matrisinin bu gibi özellikleri fazla önemli değildir İmalat yöntemine gelince, termoplastikler yüksek sıcaklıklarda eritilerek şekil verilir, sonradan soğutularak katı haline getirilir Ancak imalatındaki en büyük zorluk, eriyik halde bile viskozitesi çok yüksek olduğundan elyafla karıştırılması fazla zordur Viskozitesini düşürmek için daha yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında ise polimer ayrışır ve bozulur Termosetler ise yaygın olarak içinde örülü elyaf bulunan bir kalıba istikrarsız olarak aktarılır, sonradan sıcaklık artırılarak iyileştirme işlemi yapılır Bu işlemden sonra şekillendirmek olası olmadığından termosetlerin bitmiş dönüşüm imkanı yoktur Ayrıca bu iyileştirme işlemi kimyasal bir süreç olduğundan, imalat süresini uzatmaktadır Bazı otomotiv uygulamalarında iyileştirme işlemi 510 dakikaya kadar inmişse de çelik veya termoplastiğin işlenmesine nazaran bu zaman uzundur
Otomotiv sanayiinde şu esas dek termosetler, termoplastiklere nazaran daha artı başvuru formu alanı bulmuştur Araba gövdelerinde termoset kullanımı yaygın olmakla birlikte, termoplastiklere rağbet görülmeye başlandı Golf A4 ve POLO A03 dahil edinmek üzere tüm yeni VW arabalarının ön kısımları sırça elyaf örgütlü termoplastik tabakalardan yapılmıştır
Son zamanlarda antre manifoldları ekseriyetle alüminyumdan üretim edilmektedir Fakat bu parçaların şekilleri daha karışık ayla geldikçe ve tek kalıpla üretilen cam elyaf takviyeli termoplastikler ağırlıktan tasarruflar sağ¬ladıkça, termoplastikler tasarımcılara cazip gelmeye başladı Ford Mondeo ’nun 4 silindirli 16 valflı motorunun antre manifoldu sırça elyaf katkılı PA ’dan imal edilmiştir Chevrolet antre manifollarında sırça elyaf katkılı naylon kullanmaktadır Plastik ağırlıktan tasarruf sağladığı gibi motorun performansını da artırmıştır Antre manifoldlarının iç yüzeyi son derece pürüzsüz olmalıdır Huysuz takdirde oluşacak türbülans, motorun verimliliğini azaltır Sürükleyici yüzeyleriyle plastik manifoldlar alüminyumla yapılanlara tarafından motorun verimini %5 değin fazla¬rabilmektedir Malzemenin düşük ısı iletkenliği; manifold içindeki havanın motorun sıcaklığından daha iyi yalı¬tılmasına yol açmakta; manifoldun havayı daha yoğun olarak tutmasıyla, yanma daha randımanlı gerçekleşmek¬tedir Plastik titremeyi azalttığından motorun gürültüsü azalmaktadır Avrupalı motor üreticisi PSA da Peogeot 406 vet 605, Citroen Xantia ve XM modellerinde kullanılmakta olan motorun antre manifoldunda naylon kulla¬narak aynı faydaları elde etmektedir Alüminyumdan Naylon 46?ya geçmekle PSA manifoldun ağırlığım %50, imalat maliyetini %20, 30 azaltabilmiş, döküm sonrası işlemeyi ortadan kaldırabilmiştir
Chrysler gibi araba üreticileri de valf kapaklarını termoset kompozitlerinden yaparak maliyetleri %1520 indirebilmişlerdir Plastik kompozitlerin manâlı bir potansiyel tatbik alanı ön koltukların monte edildiği çatıdır Kompozitlerin fanlarda da kullanımı görülmeye başlanmıştır Plastik kompozitlere ilaveten, mühendisler matrisi metal olan kompozitleri de ciddi olarak düşünmeye başla¬mışlardır GM elektrikli taşıtının çatısında metal matrisli Boralyn kompozitini kullanmaktadır Boralyn ’in katılığının özgül ağırlığa oranı, çelik ve alüminyumunkinin 15 katıdır, yoğunluğu ise alüminyumun yoğunluğuna yakındır Bütün avantajlarına rağmen kompozitlerin otomotiv sanayiinde yoğun olarak kullanılmasının önündeki iki önemli engel vardır Birincisi, kompozit parçaların hala çelikten daha maliyetli olmalarıdır İmalatı çelik gibi yüksek basınç gerektirmediğinden, plastik kompozitleri işleyen makinalar daha hafiftir ve dolayısıyla ilk yatırım maliyeti daha düşüktür Fakat malzemenin maliyetinin artı olması ve imalat sürecinin nispeten emek yoğun olması toplam maliyeti arttırmaktadır Ama ileride imalat teknolojisinde olabilecek yeniliklerle ve kompozit malzemelerin daha yoğun kullanımının getireceği malzeme maliyetlerindeki düşüşle, kompozit parçaların daha ucuza üretim edilebileceği beklenmektedir acilen bir koskocoman ölçekli araştırma projelerinde daha bereketli imalat teknolojilerinin geliştirilmesi için çalışılmaktadır
Kompozitlerin sanayii de yoğun olarak kullanılmasının önündeki ikinci önemli engel, kompozitlerin tasarımı ve imalatı konusunda deneyimli ve akıllı mühendis ve teknisyen sayısının yetersizliğidir bununla birlikte, bu engellerin zamanla aşılacağı ve kompozit malzemelerin üstün özelliklerinden otomotiv sanayiinde daha fazla faydalanılacağı öngörülmektedir
Uçak Yapılarında Koımpozit Malzeme Kullanımı
Havacılıkta son yıllarda yapılan temel bir atılım metal malzeme yerine kompozit malzeme kullanımı konusudur Uçak yapılarında kullanılan ileri kompozitler, elyaf takviyeli kompozitlerdir Genelde epoksi matris içinde kesintisiz elyaflar kullanılmaktadır Uçak yapılarında alüminyum alaşımları gibi konvansiyonel malzemelerin yerini bölge kompozit malzemeler, düşük ağırlığa oranla yüksek mukaveket özelliğine sahiptirler Çizelge 41?de uçak tasarımında kullanılan kimi metal ulaşımları ile kompozit yapıların mekanik özellikleri verilmiştir Uçak yapısı için malzeme seçiminde kayda değer bir kıstas olan mekanik özelliğin yoğunluğa oranı ile açıklama edilen, özgül mekanik özellik değerleri karşılaştırıldığında borepoksi ve karbonepoksi kompozitlerin konvensiyonel malzemelerden manâlı farklarla üstün oldukları görülmektedir
Uçak tasarımında başlangıçta kullanılan kompozitler sırça elyaf kompozitlerdir 1944?lerde “Vultee BT15? eğitim uçaklarında gövdenin arka kısmında kaplama malzemesi olarak sırça elyaf reçineli kompozit plakalar ağaç çekirdeğin yüzeylerine yapıştırılarak sandviç paneller biçiminde kullanılmıştır (Phillips, 1987)
Cam elyaflı kompozitler, mukavemetlerinin ağırlıklarına oranı metallerden yüksek olmasına rağmen başlıca inşa elemanlarında kullanılmamaktadır Bunun nedeni ise sertliklerinin ağırlığa oranının düşük oluşudur ve bu oran yüksek hız uçaklarında oldukça büyük bir önem taşımaktadır (Huber, 1982)
Kompozit yapıların uçak tasarımındaki yaygın kullanımı 1960?larda başlamıştır (ABD ’de bor elyaflar, İngiltere ’de ise grafit elyaflar) ABD ’de 1970?lerde borepoksi kompozitler F111?lerin yatay kuyruklarında ve F4?lerin güzergah dümeninde kullanılmışlardır (Grimes, 1976) Borepoksi kompozitler yüksek performanslı askeri uçakların dizaynında kullanılmışlar ve başarılı olmuşlardır Bu kullanıma örnek olarak F14?lerin yatay kuyruk yüzey kaplaması ve F15?lerin yatay ve dikey kuyrukları verilebilir (Noton, 1974)
İngiltere ’de grafit epoksinin* gelişimi* çok yavaş* olmuştur Strikemaster ’ler için istikamet dümeni gibi küçük parçalar üretilmiştir ve Jaguar ’ların aerodinamik frenlerinin yapımında kullanılmıştır (Lenoe, et al, 1973) 1970?lerin ortalarında ABD borepoksi ’den grafit epoksi ’ye geçmiştir* Bunun* en* önemli nedeni maliyet problemidir* 1979da uçak yapımcıları göre* “prepreg adı aşağı üretilen* grafitepoksi* malzemenin* maliyeti* 40* $lb* iken* borepoksi ’nin maliyeti 180 $lb ’dir (Hoskin and Baker, I9S6) ABD ’de* bu geçiş askeri uçaklarda süratli** olmuştur*** F16?larda** grafitepoksi** yatay*** ve** dikey*** kuyruk*** yüzeyleri kaplamasında ve kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır ve yapı ağırlığın %3?ünü oluşturmaktadır (Phillips, 1987) Grafitepoksi kompozitlerin F18? lerde kullanımı ise yapı ağırlığın %10?unu, toplam alanın ise %50 ’sini oluşturmaktadır (Phillips,1987)
AV8B uçaklarında ise tüm kanat kaplaması ve yapı elemanlar grafitepoksidir bununla beraber yatay kuyruk yüzeylerinde gövdenin ön kısımlarında ve farklı alanlara yönlendirilmiş kumanda yüzeylerinde kullanılarak ağırlıktan % 26?lık bir gelir sağlanmıştır(Huber, 1982)
Avrupa ’da üretilen askeri uçaklar ele alındığında, İtalyanİngiltereAlmanya yapımı Tornado uçaklarında grafıtepoksi yatay kuyruk kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır (Schwartz, 1984) Fransa yapımı Mirage 2000?lerde ise borgrafıtepoksi karma kompozitler kanat kumanda yüzeylerinde ve düşey kuyrukta kullanılmıştır (Gay, 1989)
Gelişmiş kompozitlerin sivil uçaklardaki uygulaması askeri uçaklardan daha sonra gerçekleştirilmiştir Ancak bu konuya alaka çabucak artmaktadır Grafıtepoksi kompozitlerin sivil yolcu uçaklarındaki ilk uygulamaları Boeing 727?lerin ceset kaplamasında gerçekleştirilmiş ve %14 önem kazancı sağlanmıştır (Brooks, et al, 1980) Boeing 737?lerin aerodinamik frenleri grafit epoksi kompozitten üretilmiştir ve 1981?den itibaren 22000 uçuş saatlik kullanımları sırasında önemli bir problemle karşılaşılmamıştır Bu uçaklarda kompozit kullanımıyla %15?lik bir tartı kazancı sağlanmıştır (Noton, 1974)
Uçak tasarımında tartı kazancı kayda değer miktarda yakacak kazancıda sağladığından NASA ’nın Uçak Enerji Verimliliği programları çerçevesinde uçak yapısı için Uompozit araç gereç geliştirimine gidilmiştir 1980?lerde yalnızca ikinci dereceden yapısal elemanlarda kompozit kullanılırken, 1985?lerde birinci dereceden esas yapısal elemanlar için kullanılmaya başlanmıştır (Dexter, 1980) Çizelge 42?de kompozit araç gereç kullanımı ile konvensiyonel malzemelere oranla elde edilen yük kazançları verilmektedir Bu kazançların %11 ile %44 aralarında değiştiği görülmektedir 1980?lerde Boeing 757 ve 767?lerde kuyruk grubunda, kumanda yüzeylerinde, kanatçıklarda ve flaplarda grafıtepoksi kullanılmıştır (Schvvartz, 1984)
Bir başka gelişmiş kompozit tipi ise Kevlar (aramid)epoksidir Uçak yapısında oldukça yaygın bir kullanımı laf konusudur Bilhassa karma kevlargrafitepoksi yapılar kullanılmaktadır Boeing 767?lerde bu karma yapı motor kaplaması ve kanat hücum kenarı yapılarında kullanılın ıştır (Dexter, 1980) Kevların düşük basma mukavemeti bu karma yapılarda ortadan kaldırılmıştır
Ufak bir gezgin uçağı olan Lear Fan 2100?de grafitepoksi ağırlıklı edinmek üzere tüm inşa kompozittir İki kişilik “Rutan Voyager ise durmaksızın dünyanın çevresini dolaşan bir uçaktır ve karbonpolyester ağırlıklı elde etmek üzere, iyice kompozitten imal edilmiştir (Phillips, 19G7)
LockheedCalifornia kadar üretilen L1011 gezgin uçaklarında kanatçık yapısı alüminyum alaşımı yerine kompozit malzemeden üretilerek %263?l (lk bir siklet kazancı sağlanmıştır Maliyette ise manâlı bir artma kaydedilmemiştir
Aerospatiale yapımı süpersonik yolcu uçağı Concorde ’da grafityepoksi kompozit, iniş takımı kapaklarında kullanılmıştır Airbus A300 yolcu uçağında grafitepoksi kompozitler istikamet dümeni, aerodinamik fren ve kanat hücum kenarında kullanılmıştır Aynı uçağın kanat firar kenarı ve irtifa dümeni kevlarepoksi kompozitten üretilmiştir A320?lerde bu kısımlara ilave olarak radar konisi, motor kaplaması ve tüm kuyruk grubu grafitepoksi kompozitten üretilmiştir (Herteman, 1989)
Aralıksız elyaf takviyeli kompozitleriıı uçak tasarımında geniş bir başvuru formu alanı söz konusudur Bahşedilen bütün örneklerden görüldüğü gibi borepoksi, grafitepoksi ve kevlarepoksi uçak yapısında kullanılan en manâlı kompozitlerdir
Kompozitlerin Basınçlı Gaz Kabında Kullanımları
Basınçlı gaz kapları konusunda, öbür malzemeler ile çok sayıda alternatif çözüm bulunmaktadır (Mesela çelik, alüminyum, cam elyaf takviyeli plastikler gibi) İstenen yüksek emniyet faktöründen nedeniyle bu tür basınçlı kapların ağırlıkları genellikle çok farklıdır Daha önceden sıkıştırılmış gazlar için hafif basınç kapları geliştirilmeye başlanmıştır Bu kapların;
Gaz ile çalışan otobüs ve kamyonlarda Hidrojen, Helyum gibi sıkıştırılmış sanayi gazı taşıyan treylerde kullanılması ön görülmektedir
Bu kaplar benzer büyüklükteki bütünü ile çelik olan kaplara göre çok daha hafif olup, bu hafiflik kompozit araç gereç ile sağlanmıştır Sırça elyafla kaplanmış alüminyum ceset gibi
Bu kombinasyon alüminyum ve cam elyafın optimum araç gereç özelliklerinin kullanılmasına imkan vermektedir
Bu kapların avantajları şu şekilde gösterilebilir:
Gaz ile çalışan otobüs ve kamyonların şase ağırlığı azaltılır Şase ağırlığı sırça elyaflı kaplar ile %35 oranında azalmaktadır Bu şekildeki gaz tankeri, çelik gövdeli bir tankere oranla yaklaşık 2 kat daha pozitif gaz taşıyabilmektedir Bu kaplar yüksek işletme performansı karşılayan nitelikli ürünlerdir Bu kapların pazara sürülmesi ile ucuz doğal gazın kullanımı artacak aynı zamanda istikrarsız yakıtlı motorların sebep olduğu hava kirliliği azalacaktır
Diğer tatbik alanları
Motorlar Spor malzemelerinin üretimi (kayak, tenis raketleri) Dişli çarklar Özel takımlar Kamyon yaprak yayları Karoseri elemanları Boru tesisatları Depolar Yapı işleri Deniz araçları yapımında Elektrik kontak malzemeleri Nükleer reaktörler Sürünme dirençli manyetik malzemeler Pil ızgaraları Elektrik elemanları, ısıtıcılar Netice
Kompozit malzemeler açıklanmış avantajlar karşılayan özel ürünlerdir Günümüzde geniş hammadde temin olanakları ve birleştirmek metotları kullanıcıya azami avantajı sağlayan çok sayıda kombinasyonları mümkün kılmaktadır Kompozit malzemelerin yüksek ve aynı yapılı olan bir kaliteyi garanti edebilmesi ve üretim maliyetlerinin kabul edilebilir düzeyde tutulabilmesi için yüksek teknolojiye dayalı bir işlemin uygulanması şarttır Dezavantajı ise, kompozit olmayan malzemelere göre daha fiyatı yüksek oluşlarıdır Ama son kullanıcı açısından hesaplı çözüm talep etmektedir Bu husus günün ve yarının kompozitleri için daha geniş ve yeni uygulama olanları açacak olan zorlama niteliğindedir
KAYNAKLAR
1*** GÜVEN Ş Yılmaz, Kompozit Malzemeler ve Kullanım Alanları, Isparta Mühendislik Mimarlık Fakültesi Cihaz Müh Bölümü, Isparta, 1990
2*** Armatlı Kayrak, Müge, Havacılık Kompozitleri ve Mukavemet Maliyet Analizleri, Anadolu Üniversitesi, Sivil Havacılık Yüksek Okulu, Eskişehir, 1999
3*** Yaşa Ersoy, Halit, Kompozit Araç Gereç, Literatür Yyayınları, İstanbul, Ekim 2001
4*** Metal Iş Bilgisi, Ulusal Eğitim Bakanlığı Yayınları, İstanbul 2000
5*** DONALD R ASKELAND, Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri, Nobel Yayınları, Ankara 1998
6*** Özbay, Mahmut, Modern Teknolojide Kompozit Malzemeler, Mühendis ve Cihaz, Cilt 28, Sayı 325, Şubat 1987
7*** Yıldırım, Muhittin, Elyaf* Takviyeli Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri
Mühendis ve Alet, Cilt 35, Sayı 414, Ekim 1994
8*** Tarakçılar AR – Topçu M – Taşgetiren S, Kompozit Malzeme Kullanımında Tasarım Esasları, Mühendis ve Makine, Cilt 36, Rakam 422, Haziran 1995
9*** BREGENZER Rene, Yeni Kullanım Alanları İçin Kompozit Malzemeler, Mühendis ve Makine, 2000
10*** Tarakçılar AR – Topçu M – Taşgetiren S, Kompozitler ve Özelliklerini Belirleyen Faktörler, Mühendis ve Makine, Deri 36, Sayı 420, Nisan 1995
11*** Sönmez Fazıl Önder, Otomotiv Sanayiinde Kompozit Malzeme Kullanımı, Mühendis ve Makine, Deri 39, Sayı 465, Mayıs 2000
12*** Robert C Forney, Kompozit Malzemeler Çağı, Teknik ve Başvuru, Sayı 11, Ekim 1987
13*** Kaya, Şahin, Kompozit Malzemeler ve Cesur Tasarımlar, Yakın Geleceğin Uçakları, Teknik Başvuru Formu, Rakam 11, Ekim 1987