Slayt-3-4 - Erzurum Teknik Üniversitesi

BÖLÜM 3
Kompozit Malzemelerin
Sınıflandırılması
Yrd. Doç. Dr. Salih AKPINAR
Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması
Kompozit malzemelerin oluşum seçenekleri sonsuz
denebilecek kadar çoktur. Bundan dolayı
sınıflandırılmaları oldukça zordur.
Ancak burada yaygın olarak kullanılan bazı
sınıflandırmalar üzerinde durulacaktır.
22.7.2017
2
Biçimlerine Göre Sınıflandırma
Elyaf takviyeli kompozit malzemeler
(Cam elyaf takviyeli plastikler)
Parçacık takviyeli kompozit malzemeler
(Çimento+Agrega=Beton)
Tabakalı kompozit malzemeler
(Tabakaların üst-üste istiflenmesiyle elde edilmiş plaklar)
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
3
Takviyelerin Yapılışına Göre Sınıflandırma
Elyaf takviyeli kompozitler: Bunlarda matris kuvvetleri
elyafa iletir ve yük elyaf tarafından taşınır. Elyafın genellikle
yönlendirilerek kullanıldığı bu malzemelerde özellikler
anizotropiktir. Örnek: Cam elyaf takviyeli plastikler.
Küçük Parçacık takviyeli kompozitler: Kuvvetler matris
tarafından taşınır. Küçük parçacıklar (0.01-0.1 µm) metal
malzemede dislokasyonların hareketini engelleyerek
mukavemeti artırırlar. Özellikler izotropiktir. Örnek: Çökelme
sertleşmesi uygulanmış Al-alaşımı.
İri Parçacık takviyeli kompozitler: Yükü matris ve takviye
malzemesi birlikte taşırlar. Örnek: Beton, Sert metal uçlar vs.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
4
Matris-Takviye elemanı ve Kompozit malzeme yapı tipleri
Matris
Malzemeleri
Takviye
Elemanları
Kompozit Yapının Şekli
Polimerler
Elyaf/Lifler
Tabakalar
Metaller
Granül
Kaplamalar
Seramikler
Whiskers
Film-Folya
Pudra
Bal peteği (Honey-Combs)
Yonga
Filaman Sarılmış Yapılar
Granül: Maddenin en küçük tanesi, Plastik poşetlerin geri
dönüşümünden elde edilen pirinç büyüklügündeki ham ürün
Whiskers: Doğranmış veya öğütülmüş elyaf
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
5
Kompozit Malzemelerin Sınıflandırması
Quasi-isotropic: Yarı izotropik
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
6
Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemeler
Elyaf takviyeli bir kompozit levha Matris (Matrix) ve
takviye/elyaf (Reinforcement/fiber) bileşenlerinden oluşur.
Bu bileşenler birbirleri içinde çözülmezler veya birbirlerine
karışmazlar.
Solid Mechanics
Fluid
Mechanics
Kompozit üretiminde
elyaf-matris arasındaki
birleşme
makro
seviyede olduğundan bileşenlerin özellikleri değişmez. Halbuki,
alaşımlarda birleşme mikro seviyede olduğundan alaşımlar
kompozit sınıfına girmezler.
Deformable
Bodies
Rigid
Bodies
Kompozit malzemede bileşenler:
Takviye/Elyaf; Sertlik, mukavemet, rijitlik gibi mekanik özellikleri
iyileştirir.
Matris; Uygulanan yükün elyaf (lifler) arasında dağılımını ve
elyafın kimyasal etkilerden ve atmosfer şartlarından korunmasını
sağlar.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
8
Elyaf Takviyeli Bir Kompozit Levhanın Yapısı
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
9
Kompozit Malzemenin Özellikleri
Bileşenlerinin (Matris-Elyaf) özellikleri (yoğunluk, elastik
özellikler, akma-çekme mukavemeti vs.) biliniyorsa, üretilen
kompozitin özellikleri yaklaşık olarak bulunabilir (Mikromekanik)
Ancak yorulma dayanımı, tokluk gibi özelliklerin teorik olarak
bulunması mümkün değildir.
Kompozit bir malzemenin mekanik özellikleri deneylerle de
tespit edilebilir.
Teori ve deneyler üzerinde daha sonra durulacaktır.
22.7.2017
10
Mekanik Özelliklerin Karşılaştırılması
Yoğunluk
ρ
gr/cm3
Çekme
Muk.
σç
MPa
Elastisite
Modülü
E
GPa
Özgül Çekme
Alaşımsız Çelik
7.9
459
203
58
26
Alüminyum
2.8
84
71
30
25
2.8
247
69
88
25
Pirinç
8.5
320
97
38
11
Ahşap (Kayın)
0.7
110
13
157
19
Kemik
1.8
138
26
75
14
Bor-Epoksi
1.8
1600
224
889
124
Karbon-Epoksi-1
1.6
1260
218
788
136
Karbon-Epoksi-2
1.5
1650
140
1100
93
Kevlar-Epoksi
1.4
1400
77
1000
55
S Camı-Epoksi
1.8
1400
56
824
33
E Camı-Epoksi
1.8
1150
42
639
23
Malzeme
Al alaşımı-2024
22.7.2017
Mukavemeti
σç/ρ
Özgül
Rijitlik
E/ρ
11
Kompozit profiller, sürekli elyafların reçine banyosunda
ıslatılmasından sonra istenilen şekle göre kalıp içerisinden
çekilmesiyle üretilir. Bu tekniğe pültrüzyon metodu denir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
12
Elyaf Takviyeli Kompozitlerde
Matrisin Görevleri
Matris, kompozit malzemenin iki önemli bileşeninden
biri olup kompozit malzemeye aşağıdaki katkıları
sağlar:
Kuvvetleri elyafa (lif) iletmek ve düzgün dağılımını
sağlamak,
Lifleri ortamın etkisi ve darbelerden korumak,
Kompozit malzemenin tokluğunu artırmak,
Kompozitlerde çatlak oluşmasını veya oluşan çatlağın
ilerlemesini engellemek
şeklinde sayılabilir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
13
Matris
Malzemeleri
22.7.2017
14
Matris Malzemeleri
Plastik matris malzemeleri (Polimerler)
- Termosetler
- Termoplastikler
- Elastomerler
Metal matris malzemeleri (Aluminyum, titanyum,
magnezyum, gibi)
Yüksek sıcaklık matrisleri (Seramikler)
22.7.2017
15
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
16
Plastik Matris Malzemeleri
(Reçineler/Polimerler)
Plastik, istenilen biçimi alabilen anlamına gelen yunanca
"plastikos" kelimesinden gelir. En basit tanımıyla monomer
denilen küçük moleküllerin birbirlerine eklenmesiyle oluşan
uzun zincir yapıya sahip sentetik malzemelerdir.
Plastikler, yüksek molekül ağırlıklı organik moleküllerden ya da
polimerlerden oluşmaktadır.
Polimerler, düşük üretim maliyetleri, kolay şekil almaları ve
amaca uygun üretilebilmeleri nedeniyle her alanda
kullanılmaları yaygınlaşmıştır.
Kompozitlerin yaklaşık % 90’ı polimer esaslı matrislerden
(plastikler) üretildiklerinden, kompozit malzemelere takviye
edilmiş plastikler de denir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
17
Plastiklerin ana kaynağı, petrol rafinerilerinin artık
maddeleridir.
Dünyada üretilen toplam petrolün yaklaşık % 5 ’i
plastik üretimi için kullanılmaktadır.
Plastikler aşağıdaki gibi gruplandırılabilir:
- Termoset gurubu: Isıl sertleşir plastikler
- Termoplastik gurubu: Isıl yumuşar plastikler
- Elastomerler
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
18
Polimerleşme, küçük moleküllerin daha büyük moleküller veya
polimerler oluşturmak üzere birleşmeleri ile oluşur.
Polimer molekülleri birçok zincirden oluşurlar bunlar birleşmiş veya
birleşmemiş (termoplastik) veya üçboyutlu çapraz bağlı zincirler
(termoset) oluşturabilirler.
22.7.2017
19
Plastiklerin Genel Özellikleri*
Bütün plastikler polimerizasyon ürünüdür. Plastik yapımının ön işlemi
bunların monomerlere çevrilmesidir. Etilen gazı en yaygın olarak kullanılan
monomerlerden birisidir. Sıcaklık, basınç ve birçok kimyasalın etkisiyle plastik
üretiminin ikinci evresi başlamaktadır. Buna polimerizasyon denmektedir.
Monomerler, zincir oluşturacak biçimde birbirine bağlanmakta ve reçineleri
oluşturmaktadır. Etilen, polietilene, propilen, polipropilene, stiren polistirene
dönüşmektedir. Böylece, polimer veya plastikler meydana gelmektedir.
Polimerizasyon süreci belirli aşamalarda durdurularak belirli özelliklere sahip
reçinelerin elde edilmesi mümkün olmaktadır. Yüksek yoğunluklular taşınma
vb. ye elverişli kapların yapımında, düşük yoğunluklular ise film vb.
yapımında kullanılmaktadır.
Polimerizasyon ürünleri doğrudan kullanılabildiği gibi katkı maddeleri ile
esneklik, dayanım, sıcağa dayanım, ultra-viyoleye dayanım gibi özellikleri
artırılmakta ve bunlardan değişik ürünlerin imalatında yararlanılmaktadır.
Katkı maddeleri aracılığıyla plastiklerin renkleri de değiştirilmektedir. Bu katkı
maddeleri plastiklerin %1’lik miktarını oluşturmaktadır. Ancak bazı plastik
tiplerinde renklendiriciler %10’lara varabilmektedir.
Bazı plastiklerin içerisine %40 oranında plastizerler katılmaktadır. Ancak bu
katkı maddelerinin çoğu ağır metaller ve toksik kimyasallar içermektedir.
*TSK
Koruyucu Hekimlik Bülteni, 2007: 6 (4)
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
20
Termoset Plastikler
Termoset plastikler, ısıl sertleşir plastikler diye de bilinirler.
Sıvı halde bulunan termoset plastikler, monomer moleküllerin
kimyasal reaksiyonlar sonucunda yanal bağlarla birbirine
bağlanmasıyla elde edilirler.
Üretimleri sırasında gerçekleşen polimerizasyon reaksiyonu geri
dönüşümlü olmadığı için ısıtılarak yumuşatılamazlar dolayısıyla
şekil verilemezler.
Kovalent bağlarla, üç boyutlu olarak bağlandıkları için oldukça
rijit bir yapıya sahiptirler.
Çapraz bağlantılarla sertleştikleri için ısıtıldıklarında çözünmezler
ve erimezler.
Termoset plastikler, termoplastikler gibi tekrar tekrar
kullanılmazlar fakat yeniden üretim sürecine sokulabilirler.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
21
Termoset plastikler sertleşmemeleri için
dondurularak depolanırlar.
Dondurucudan çıkarılıp oda sıcaklığında bir müddet
(1-4 hafta arası) bekletildiğinde sertleşmeye başlar
ve özelliklerini kaybederler ve biçim verilemezler.
Dondurucu içinde olmak şartıyla raf ömürleri, 6 ila 18
ay arasında değişmektedir.
Termoset reçineler kimyasal etkiler altında
çözülmezler.
22.7.2017
22
TERMOSETLERİN İŞLENMESİ
Termoset polimerler düşük mol kütleli bir ön polimer içerisine
gerekli olan çapraz bağlayıcılar, katkı ve dolgu maddeleri
karıştırılarak kalıplamaya hazırlanırlar.
Kalıplanmadan önce viskoz sıvı veya toz halindedirler. Bazı
uygulamalarda toz reçineler yeniden granül, palet, tablet veya
benzeri geometrilerde sıkıştırılarak şekillendirilirler ve
depolanırlar.
İçerisine sertleştirici ve hızlandırıcı maddeler katılarak
depolanan termosetler, depolama sırasında çapraz bağlanma
tepkimeleri vermeye yatkındırlar. Bu nedenle uygun bir süre
içerisinde şekillendirilmeleri gerekir.
Depolanma süresi önleyici katılmamış alkit reçineleri ve
doymamış poliesterler için birkaç hafta, fenolik reçinelerde ise
iki yıl kadardır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
23
Termosetlerin kalıplama yöntemleri
Sıkıştırarak kalıplama
Transfer kalıplama
Enjeksiyon kalıplama
Döküm
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
24
Sıkıştırarak Kalıplama
Sıkıştırma kalıplama, termoset plastiklerin kalıplanmasında
kullanılan metotlardan biridir. Termoset plastik
malzemeler sıkıştırma ile kalıplamada kimyasal bir
değişime uğrarlar. Bu kimyasal değişim sıcaklık ve basınç
uygulamak suretiyle meydana gelir. Termoset malzemeler
sertleştikten sonra erimezler ve şekil değiştiremezler.
Hidrolik olarak çalışan bu presler, denemeler yapmak
amacıyla da kullanılmaktadır. Denemeler için küçük
tonajlıdan başlayıp, termoset plastiklerin kalıplanmasında
kullanılan 4000 tonun üzerine çıkan büyük kapasiteli
olmak üzere çeşitli tipleri vardır. En çok kullanılan
sıkıştırma pres tipleri düşey çalışan hidrolik olanlarıdır.
Presler çeşitli şekillerde yapılırlar: üst tabla aşağı hareketli,
alt tabla yukarıya hareketli veya her iki tablanın da
birbirine doğru hareket ettiği presler mevcuttur.
Termoset kalıplama preslerinde, silindire pompalanan
hidrolik yağ, silindiri aşağıya doğru hareket ettirir.
Silindirin uyguladığı baskı sonucu, üst tabla da aşağıya
doğru hareket eder. Üst tabla sütunlar arasına kasıntı
Termoset Kalıplama Presi
yapmayacak şekilde tespit edilmiştir. Kalıbın üst yarımı
termoset kalıplama presinin üst tablasına, kalıbın alt
yarımı termoset kalıplama presinin alt tablasına
bağlanmıştır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
25
Termoset İşleme Makinesi
Sıkıştırma kalıplama presleri
genellikle üç ana bölümden
oluşur. Bunlar;
· Pres gövdesi
· Hareket iletme sistemi
· Kontrol ünitesidir
PRES GÖVDESİ
Sıkıştırma kalıpları iki kalıp yarımından oluştuğu için her iki kalıp yarımı veya kalıp
yarımlarından biri hareket etmek zorundadır. Bu nedenle, pres alt plakası ile pres üst
plakası, iki veya dört kılavuz sütunu yardımıyla ayarlanabilir konumda tespit edilmiştir.
Kalıpların bağlandığı ara plaka hareketlidir ve istenildiği zaman kalıbı açar veya
kapatır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
26
HAREKET İLETME SİSTEMİ
Kalıplama işlemini gerçekleştiren hareket iletme sistemi genellikle mekanik,
hidrolik veya pnömatik olarak yapılmıştır. Ancak, bunlar içersinde en çok
uygulananı hareket sistemi, çift etkili (aşağıya ve yukarıya doğru hareket
edebilen) hidrolik kumandalı olanlarıdır.
Hidrolik sistemle çalışan preslerde 1200 – 1800 dev / dak. dönüş yapan
elektrik motoruyla 1,6 – 2,5 kg / mm² basınç yapan hidrolik pompalar
bulunmaktadır.
Hareket iletme sistemini yağ tankı, pompa, elektrik motoru, basınç iletme
boruları, çok yönlü valfler, hidrolik silindir ve piston oluşturmaktadır. 100 ton
kapasiteye kadar olan preslerde hareket iletme, kalıpları sıkma ve kalıplama
işleminin bitirilmesi tamamen otomatik kumandalı hidrolik sistemle
yapılmaktadır.
Kapasitesi 25 tona kadar olan preslerde hareket iletimi, hidrolik yerine
pnömatik sistemlidir. Bazı preslerde hidrolik ve pnömatik hareket iletme
sistemi birlikte bulunur ve kalıplama işlemine göre ikisinden biri tercih edilir.
Ayrıca, her iki hareket iletme sistemiyle birlikte mekanik kumandalı mafsal
kollu kalıp sıkma ünitesi üzerinde bulunduran preslerde vardır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
27
KONTROL ÜNİTESİ
Kontrol ünitesi, kalıplama işlemini yapan
hareket iletme sistemini kontrol eder.
Bunlar sırasıyla elle kumandalı kontrol ünitesi,
yarı otomatik kontrol ünitesi ve tam otomatik
kontrol ünitesi olmak üzere üç ana guruba
ayrılır
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
28
TRANSFER KALIPLAMA
Transfer kalıplama, sıkıştırarak kalıplamaya benzerdir. Her ki
yöntemde de kapalı bir kalıp içerisinde bulunan polimer, ısı ve
basınç etkisiyle sertleştirilir.
Transfer kalıplamaya sıkıştırarak kalıplamadan ayıran tek fark,
polimerin kalıp içerisine yerleştirilme biçimidir. Sıkıştırarak
kalıplamada yeterli miktarda polimer doğrudan dişi kalıp
içerisine konur, transfer kalıplamada ise basınç uygulanarak bir
kanal yardımıyla kalıp boşluğuna gönderilir. Bu küçük ayrıntı,
transfer kalıplamada kalıpların yüksek basınç altında kalmasını
engeller ve kalıplar daha az zarar görürler.
Ayrıca, çok küçük ve karmaşık geometrili parçalar üretilebilir ve
içerisine metal yerleştirilmiş ürünler kolay hazırlanır.
Transfer kalıplamanın sıkıştırarak kalıplamaya göre, kalıp giriş
kanalı ve yolluklar için fazla polimer kullanılması ve kalıpların
pahalılığı gibi olumsuzlukları da vardır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
29
ENJEKSİYON
Termosetlerin enjeksiyonla şekillendirilmesi, seri üretime uygun ve kullanımını
gittikçe artan bir yöntemdir. Termoset polimer, termoplastiklerin enjeksiyonla
şekillendirilmesine benzer şekilde vida yardımıyla enjeksiyon makinesi boyunca
taşınarak (bu sırada ısıtılır) enjeksiyon makinesi çıkışındaki kalıba basılır. Enjeksiyonla
termoplastik ve termoset kalıplama arasındaki temel farklılıklar aşağıda sıralanmıştır.
Termoset plastiklerde kovan sıcaklığı yükseltir, termosetlerde ise ön çapraz bağlanma
tepkimelerini en aza indirmek amacıyla kovan sıcaklığı düşük düzeyde tutulur
(fenoliklerde 70–80 °C gibi).
Termoplastik polimer kalıp soğutulurken kalıp içerisine basılır, termosetler ise ısıtılmış
kalıp içerisinde tutulur. Fenolik reçinelerde kalıp sıcaklığı 165185 °C arası, melamin
reçinelerinde 150–180 °C doymamış poliesterlerde 140–180 °C arasında değişir.
Termoplastiklerde kullanılan sonsuz vidaların diş yüksekliği genellikle kalıba
yaklaştıkça artar, termosetlerin kalıplanmasında her bölgede diş yüksekliği aynı olan
vidalar kullanılır. Termosetlerde renklendiriciler sık kullanılmaz.
Termoplastik parçalar, kalıp içindeki şekillerini kalıp dışına alındıklarında da korurlar
be nedenle termoplastiği en kısa sürede erime noktasının üzerine ısıtmak ve
kalıplandıktan sonra yine hızla erime noktası altına indirmek temel yaklaşımdır.
Termoset polimerler ise kür sıcaklıklarının üzerine ısıtıldığında sertleşerek kalıp şeklini
alırlar. Bu özellikten dolayı, termosetler pişirme sıcaklığına yakın bir sıcaklıkta kalıba
basılırlar ve kalıp içindeki polimerin sıcaklığı hızla pişirme sıcaklığı üzerine çıkartılır.
Üre-formaldehit, fenol-formaldehit ve doyamamış poliesterler enjeksiyonla
şekillendirilen
termosetlere örneklerdir.
Yöntemle daha çok elektrik ve elektronik
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
30
alanında kullanılan parçalar, mutfak eşyaları vb ürünler yapılır.
DÖKÜM
Döküm, en basit ve ilk uygulanan polimer işleme
tekniklerinden birisidir.
Yöntemde, sıvı haldeki termoset (katkı maddeleriyle
birlikte) veya başlatıcı karıştırılmış monomer (veya ön
polimer) kalıp içerisine dökülür.
Kalıp içerisinde ilerleyen çapraz bağlanma veya
polimerizasyon tepkimeleri sonucunda kalıbın şekli
almış ürünün elde edilmesi sağlanır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
31
Termoset Plastikler
Polyester,
Epoksi,
Yüksek sıcaklık reçineleri,
Fenolik,
Silikon,
Poliimid,
Poliüretan,
Cynate Esters
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
32
POLYESTER TERMOSETLER
Birleşik bir kelime olan Polyester kelimesi, “çok” anlamlı “poly” ve
organik bir tuzu ifade eden ”ester” kelimelerinden oluşur. “Çok sayıda
organik tuz” şeklinde de ifade edilebilir. Kimyasal olarak ester
molekülleri zincirinden oluşurlar. Tereftalik asit ile etilen glikolün
polimerleşmesinden oluşur.
Günümüzdeki polyester reçineler ilk hallerine göre çok daha üstün
özelliklere sahiptir.
Polyester, hem Türkiye’de hem de Dünya’da CTP uygulamalarında en
yaygın olarak kullanılan reçinedir.
Polyester reçineler, çok geniş bir kimyasal aileyi kapsar ve genel olarak
dibazik asitlerle, polihidrik alkollerin kondensasyon reaksiyonu sonucunda
elde edilir.
Dibazik Asit + Polihidrik Alkol = Polyester Reçine + H2O
Kullanılan dibazik asit türüne bağlı olararak, doymamış polyester
reçineler, kompozitin genel amaçlı veya kimyasal dayanımlı olmasını
sağlayacak şekilde, “ortoftalik” veya ” izoftalik” olarak adlandırılır.
Polyester reçineler 100 OC sıcaklığın altında mekanik ve kimyasal
dayanımları iyidir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
33
Bazı Kullanım Alanları
İlk polyester reçinelerin kullanımı 2. Dünya Savaşında
olmuştur. Fakat cam elyafı ile takviye edilmesi ile
birlikte, çok daha mukavemetli ve hafif bir malzeme
olduğunun anlaşılması 1950 lerden sonra olmuştur.
Boyacılıkta, lâstik sanayinde ve metallerde korozyona
karşı koruyucu olarak ve ayrıca ahşap malzemelerde
neme karşı koruyucu olarak kullanılırlar.
Denizcilikte (Gemi iskeleti) ve inşaat sektöründe (Yapı
panelleri) kullanımları oldukça yaygındır.
Ayrıca boru, tank, otomotiv gövdesi parçaları gibi
elemanların üretiminde Elyaf takviyeli Polyesterler
yaygın bir şekilde kullanılırlar.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
34
Bazı Avantajları
Polyesterin sertleşme öncesi viskositesi düşük
olduğundan cam elyafını iyi ıslattığı için özellikle cam
elyaf ile iyi bir kompozit oluşturur.
Kullanımı kolay ve maliyeti düşüktür.
Polyesterin bağ şekli (formülü) değiştirilerek farklı
özellikler elde edilebilir.
El yatırma gibi basit kalıplama tekniklerinden, en
karmaşık ileri kalıplama tekniklerine kadar, çeşitli
kalıplama tekniğine uygundur.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
35
Bazı Dezavantajları
Sertleşme sırasında yüksek oranda çekme (% 5…12)
meydana gelir. Bu durum, liflerin basma gerilmesi
altında burkulup kırılmasına neden olur.
Düzgün yüzey elde etme zorluğu vardır.
Zehirli gaz yayarlar.
Raf ömürleri kısadır.
Alkali ve bazik ortamlarda korozyon dayanımı
düşüktür.
Bünyelerine su alarak bozunurlar.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
36
PREFABRİK BİNA
22.7.2017
37
Cam takviyeli Polyester (CTP) ile Yağmur olukları
saçak ucu kaplaması
22.7.2017
38
2,55'lik Polyester ( Fiber) Tekne
2,75'lik Polyester ( Fiber) Tekne
22.7.2017
39
Cam takviyeli Polyester (CTP) depolar
22.7.2017
40
EPOKSİ
Epoksit grubunun polimerizasyonu ile üretilir ve farklı
formüllerle özellikleri değiştirilebilir.
Kullanılan sertleştiricinin türüne bağlı olarak kompozit
malzemenin özellikleri değişir.
Epoksinin Sertleşmesi, yaklaşık 1 saatlik sürede 127177 ºC de ve belirli bir basınç altında gerçekleşir.
Genellikle iki bileşeni olan epoksiler, diğer termoset
plastikler gibi belli bir süre sonra sıvı hâlden katı hâle
geçer ve bir iki hafta içinde son sertliğe ulaşırlar.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
41
Yapıların çevresel etkilere karşı dayanıklı hale
getirilmesi her zaman yapı sektörünün en önemli
tartışma ve araştırma konularından biri olmuştur.
Bundan dolayı epoksi, her türlü kara ve deniz
yapılarında, doğanın (rüzgar, fırtına, dalga, ısıl
değişimler, donma-çözünme, kirlenme, kimyasal
etkiler, vs.) ve sanayinin (mekanik, fiziksel ve
kimyasal) en kötü şartlarına karşı yapı yüzeylerini (iç
ve dış) estetik olarak kaplayarak korumak için
geliştirilen bir yapı malzemesidir.
22.7.2017
42
Self leveling epoxy kaplama
22.7.2017
43
Üstün Özellikleri
Sürtünmeye ve aşınmaya karşı dayanıklı yüzeyler oluşturur.
Dekoratif uygulamalarda geniş bir renk yelpazesine sahiptir.
Agrega ilave edilerek sürtünme direnci artırılır ve kayma direnci
yüksek bir zemin elde edilebilir.
Estetiktir, kolay temizlenir ve hijyeniktir. Solvent içermez.
Yağ ve Kimyasallara karşı dayanıklıdır. Suya, aside ve alkaliye
karşı direnci çok iyidir ve zamanla bu direnci kaybolmaz.
Mekanik özellikleri iyidir. Islakken 140ºC, kuruyken 220ºC ‘ye
kadar ısıl dayanıma sahiptir.
Sertleşme sırasında düşük oranda çekme meydana gelir.
Birçok elyaf ile iyi bir bağ oluşturur. Cam ve karbon elyafı ile
mükemmel mekanik özelliklere sahip kompozit elde edilebilir.
Bu kompozitler uzay, havacılık ve denizcilik sektöründe yaygın
olarak kullanılır.
Yapıştırıcı olarak kullanılan bir kimyasal reçinedir. Tamir
amacıyla çatlağa doldurulmuş epoksi, çatlağın neden olduğu
süreksizliği giderir ve çatlak kenarlarını birbirine bağlayarak
gerilme yığılmalarını önler.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
44
Dezavantajları
Maliyetleri yüksektir.
Cilde zararlıdırlar.
Doğru karışım son derece önemlidir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
45
Kullanım Alanları
Yüzey koruyucu kaplama olarak; Boru kaplamalarında,
Astar olarak teneke kutu kaplamalarında, zemin
kaplamalarında, Aşınmaya karşı koruyucu kaplama olarak ve
dekoratif kaplama olarak kullanılır.
İnşaat sektöründe; çatlakların ve oyukların doldurulmasında,
çelik donatıların yerleştirilmesinde ve yapıştırıcı olarak yapı
elemanlarında kullanılır.
Taze betonu, eski sertleşmiş betona bağlamak için yapıştırıcı
olarak ayrıca prefabrik beton elemanların montajında, çatlak ve
kırıkların tamiratında,
Ahşap malzemelerin tamiratında, değişiklik yapılmasında ve
imalat hatalarının giderilmesinde, ve Ahşap, metal (çelik,
alüminyum gibi) ve taş malzemelerin yapıştırılmasında,
Yüksek dayanımlı zemin ve duvar boyası olarak ve su altı
imalatlarında,
Kimyasal dirençleri, sertlikleri ve yapışma özelliklerinden dolayı
otomotiv sanayinde,
Elektrikli ve elektronik cihaz imalatlarında yaygın olarak
kullanılmaktadır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
46
22.7.2017
47
Dünyadaki petrol rezervlerinin tükenmesi ve mevcut enerji kaynaklarının çevre kirletici
olması sebebi ile alternatif enerji kaynaklarının kullanımı kaçınılmaz bir hale gelmiştir. İlk
büyük petrol krizi ile ivme kazanan rüzgar enerjisi de bu alternatif kaynaklardan bir
tanesidir. 1970'li yılların başlarındaki teknolojiler ile azami 25 kW mertebelerinde rüzgar
türbinleri imal edilebilirken, kompozit ve elektrik-elektronik teknolojilerindeki gelişmeler
sayesinde günümüzde 5000 kW gücünde makinalar daha ekonomik bir şekilde
üretilebilmektedir. Bu türbinlerin kanatları 60 metre boyuna kadar cam-karbon-epoksi
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
48
kompozit malzemelerden üretilebilmektedir.
FENOLİK
300 ºC ye kadar sürekli, eğer asbest elyafla takviye
edilirse 1000 ºC ye kadar kısa süreli olarak
kullanılabilirler.
Viskoziteleri yüksektir.
Gözenek oluşma tehlikesi yüksektir. Bu nedenle yüksek
kalıplama basınçları gerekir.
Sertleşme sonrası 250 ºC ye kadar ısıl işlem
uygulanması gerekir.
Suya ve bir çok aside karşı dayanıklıdırlar. Ancak
alkalilere duyarlıdırlar.
Kırılgan yapılı fenolik reçinelerde yüzey kalitesi
düşüktür.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
49
SİLİKON
Mekanik özellikleri düşük olmasına rağmen 250
ºC ye kadar sürekli olarak çalışabilir.
Suya, ısıya ve korozyona karşı dayanımları çok
iyidir.
Maliyetleri yüksektir.
22.7.2017
50
POLİİMİD
Polimit; yüksek sıcaklık reçinesidir.
127-316 ºC sıcaklığa kadar kullanılan polimit
reçinelerdir.
Üretimleri zordur.
Maliyetleri yüksek reçinelerdir.
22.7.2017
51
POLİÜRETAN/ ÜRETAN
Poliüretan (Üretan); karbamat bağlantıları ile birleştirilen organik üniteler
zincirinden oluşan bir polimerdir. Köpükler, yüksek performanslı yapıştırıcılar,
sentetik elyaf, contalar, halıların alt kısımları, sert plastik gibi malzemelerin
imalatında kullanılırlar.
Esnek poliüretan köpükler, poliüretan süngerler olarak da bilinirler ve yataklarda,
mobilyalarda konfor malzemesi olarak kullanılırlar. Esnemeyen poliüretan köpükler
ise, daha çok ısı ve ses izolasyonunda kullanılırlar.
Poliüretan ürünlere çoğu zaman lar da denir. Ancak etil karbamat olarak da bilinen
özel üretan maddesi ile karıştırılmamalıdır. Poliüretanlar etil karbamatdan yapılmaz
ve onu içermezler.
Poliüretanlar ilk kez Alman bilim adamı Otto Bayer tarafından 1937 yılında
sentezlenmiş ve diizosiyanatın diol ile reaksiyonuyla elde edilmiştir. Ortamda su
olması halinde, diizosiyanatın bir kısmı diol ile polimerleşirken küçük bir kısmı suyla
birlikte gaz (karbondioksit) çıkışı sağlanarak gözenekli poliüretan yapıyı (köpük veya
sünger yapı) meydana getirir. Olgunlaşma süresi (24-72 saat) sonunda oldukça
sağlam bir polimer yapı elde edilir. Daha sonraları diollerin yerini daha büyük molekül
ağırlıklı, polieter veya poliester yapısındaki polioller almıştır. Bu şekilde elde edilen
poliüretan daha mukavim ve daha esnek yapıya sahiptir.
22.7.2017
52
Cynate Ester
Genellikle uçak endüstrisinde kullanılırlar.
Yalıtkanlıkları çok iyidir.
Yaş durumda 200ºC’ ye kadar kullanılabilirler.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
53
Bazı Termoset Matrislerin Özellikleri
Özellik
Polyester
Epoksi
Polimit
Çekme Mod.(GPa)
1.1 - 1.4
1.2 - 4
1.1 - 1.2
2-5
1.43 - 1.9
3.1 - 4.9
Kayma Mod.(GPa)
1-2
1.5
-
Çekme Muk.(MPa)
45 - 95
140 - 90
55 - 120
-
70 - 110
288
0.35 -0.36
0.25 – .39
-
2-6
1.5 – 8.5
1.5 - 3
Isıl Gen.Katsayısı
(oC-1.10-6)
60 - 70
55 - 70
Kullanım Sıcaklığı (oC)
150-175
150-260
300
5 - 12
1-5
-
Yoğunluk(gr/cm3)
Basma Muk.(MPa)
Poisson Oranı
Kopma uzaması(%)
Çekme (%)
22.7.2017
54
Termoplastik Malzemeler
Hem otomotiv sektöründe hem de uçak sanayisinde yaygın
olarak kullanılan Termoplastiklere, ısıl yumuşar reçineler de
denir.
Bu malzemeler yumuşatılıp sertleştirilebilirler ve soğuduklarında
biçimlenmiş olurlar.
Termoplastikler düşük sıcaklıklarda serttirler ve ısıtıldıklarında
tekrar yumuşarlar. Metallerin yaklaşık 5 katı termal genleşme
katsayılarına sahiptirler.
Özgül ısıları metallerin 2 katı seramiklerin 4 katıdır.
Termal iletkenlikleri ise metallerden 3 kat düşüktür.
Çoğunlukla enjeksiyon ve ekstrüzyon kalıplama yöntemleri ile
üretilen termoplastikler, GMT (Glass Mat Reinforced
Thermoplastics / Preslenebilir Takviyeli Termoplastik) üretim
22.7.2017
55
tekniklerinde
kullanılırlar. Kompozit Malzemelere Giriş
Termoplastiklerin Üstün Özellikleri
Termoplastiklerin bazı avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir:
Hammadde olarak raf ömürleri uzundur.
Geri dönüşüm kabiliyetleri bulunmaktadır.
Yüksek süneklik oranına (%1-500) sahiptirler.
Termoplastik mamuller, işlem sonrası ısıtılarak yeniden
şekillendirilebilirler.
Oda sıcaklığında katı halde bulunan termoplastikler, soğutucu
olmaksızın depolanabilirler.
Sertleşmeleri için organik çözücülere ihtiyaç duyulmaz.
Üstün kırılma toklukları nedeniyle darbe dayanımları da
yüksektir.
Elektrik yalıtkanlık özellikleri çok iyidir.
NOT: Yeni gelişmelerle birlikte, termoplastiğin sağladığı bu avantajları,
son dönem termoset matrislerinden 977-3 Epoksi ve 52450-4 BMI
reçineleri
22.7.2017 de sağlamaktadırlar.
Kompozit Malzemelere Giriş
56
Termoplastiklerin Bazı Dezavantajları
Çok düşük mukavemete (bilhassa çekme) düşük sertliğe ve
düşük rijitliğe sahiptirler.
Kompozit malzeme üretiminde matris olarak kullanılmaları zor
ve maliyetleri de yüksektir.
Oda sıcaklığında işlenmeleri zordur.
Bazı termoplastikleri istenilen şekillere sokabilmek için
çözücülere ihtiyaç duyulur.
Termoplastik hammaddeleri, termoset malzemelere göre daha
pahalıdır.
Oda sıcaklığında bile sünme (zamana bağlı şekil değişimi)
olabilir.
Düşük ergime sıcaklığına sahiptirler.
22.7.2017
57
Termoplastiklerin Yapıları
İlk zamanlar amorf yapılı reçinelerden PoliEterSulfon (PES) ve
PoliEterImid (PEI) matris olarak kullanılıyordu.
Daha sonraları havacılık sektöründe kullanılmak üzere
PoliEterEterKeton (PEEK) ve PoliPhenilen Sulfid (PPS) gibi yarıkristal yapılı plastik malzemeler geliştirilmiş olup, ayrıca sınırlı
oranlarda PoliAmidImid (PAI) ve PoliImid (PI) gibi plastikler de
kullanılmaktadır. Bu polimerler diğer termoplastiklerden farklı
olarak polimerizasyonlarını kür aşamasında tamamlarlar.
PoliAmid (PA), PoliBüTilen (PBT)/PET ve PoliPropilen (PP) gibi
düşük sıcaklıklarda kullanılan polimerler üzerinde yoğun
çalışmalar yapılmaktadır.
Tüm bu polimerlerin dışında ABS, SAN, StirenMaleikAnhidrit
(SMA), PoliSUlfon (PSU), PoliPhenilenEter (PPE) matris olarak
kullanılmaktadır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
58
Amorf Yapı
Amorf yapı: Atomların dizilişi düzensiz olan yapıdır.
22.7.2017
59
Bazı Termoplastikler
Termoplastiklerin birçok çeşitleri bulunmaktadır.
Asetal / Poli-Methelene-Metilen (POM) •
Poli-Etilen (PE) •
Polimet metha arkilik (Akrilik) •
Poli-Amids (PA) / Naylon •
Akronitril-Butadiene-Streyn(ABS) •
Poli-Propilen (PP) •
Poli-Tetra-Fluor-Ethylene (PTFE) •
Poli-Vinil-Klorür (PVC) •
Poli-Eter-Sülfon (PES) • Poli-Eter-Imid (PEI) •
Poli-Amid-Imid (PAI) • Poli-Phenilen-Sulfid (PPS) •
Poli-Eter-Eter-Keton (PEEK) • Poli-Stiren (PS) •
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
60
Asetal / Poli-Methelene-Metilen (POM)
Temel malzemesi formaldehit olup ticari olarak PoliMethelene-Metilen (POM) bilinir.
Yüksek rijitlik, dayanım, tokluk ve aşınma direncine
sahiptir. Ergime noktası (180oC) olup nem alma
kapasitesi düşüktür.
Bu özellikleri ile çinko ve pirince yakındır. Bazı otomobil
parçaları, kapı kolları, pompa parçaları gibi
elemanların imalatında kullanılır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
61
Akrilik/Poli-Met-Metha-Arkilik (PMMA)
Akrilik veya Poli-Met-Metha-Arkilik (PMMA), lineer
polimer olduğundan şekilsizdir.
Saydamlığı nedeniyle optik uygulamalarda cama
alternatif olarak kullanılır.
Örnek: oto kuyruk ışığı lensleri ve uçak camları.
Çizilme dirençlerinin düşük olması camlara göre
dezavantajdır.
Tekstilde ve Poli-Akro-Nitril (PAN) üretiminde yaygın
olarak kullanılır.
22.7.2017
62
Akronitril-Butadiene-Streyn (ABS)
Üstün özelliklere sahip olan ABS iki fazlı olup
1. fazı sert Streyn-Acrylonitrile kopolimeri iken,
2. fazı Streyn-Butadiene kopolimeri olup kauçuktur.
Üç farklı temel hammaddesi değişik oranlarda
karıştırılarak elde edilir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
63
Poli-Tetra-Fluor-Ethylene (PTFE)
Teflon olarak ta bilinen bu malzemenin, çevresel ve
kimyasal etkilere karşı direnci oldukça iyidir.
Sudan etkilenmez ayrıca elektrik ve ısıl direnci iyidir.
Düşük sürtünme direncinden dolayı yağlanamayan
parçaların imalatında kullanılır.
Kimya sanayisinde ve gıda sektöründe de
kullanılmaktadır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
64
Poli-Amids (PA)
En önemli PA ailesi Naylon (Naylon 6 ve Naylon 6.6)
olup Du Pont şirketi tarafından geliştirilmektedir.
Mukavemeti, elastik modülü yüksek ve aşınma direnci
de iyidir. Kendi kendini yağlama özelliğine sahiptir.
125oC ye kadar mekanik özelliklerini koruyabilir. Su
emmesi en önemli dezavantajıdır. Düşük sürtünmenin
gerekli olduğu ve yüksek mukavemet gerekli olmadığı
yerlerde (Dişli, yatak gibi) metal yerine kullanılabilir.
İkinci gurup PA Aramidler olup ticari isimleri Kevlardır.
Kevların özgül mukavemeti çelikten oldukça yüksektir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
65
Poli-Etilen (PE)
Düşük ve yüksek yoğunluklu olmak üzere iki türü olan PE
nin deformasyon direnci iyidir.
Düşük nem alma, düşük maliyet, kimyasal kararlılık,
kolay işlenebilirlik, yalıtkanlık gibi üstün özelliklerinden
dolayı film ve tel imalatında kullanılırlar.
Yüksek yoğunluklu PE nin mukavemeti ve rijitliği daha
yüksektir. Şişe, boru gibi elemanların imalatında
kullanılır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
66
Poli-Propilen (PP)
Enjeksiyon kalıplarında kullanılan hafif bir plastik olup
özgül mukavemet değeri çok iyi konumdadır. Ergime
sıcaklığının yüksek olmasından dolayı belirli alanlarda
kullanılır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
67
Poli-Vinil-Klorür (PVC)
Gıda anbalajlama, oyuncak, döşeme, pencere, kapı
imalatlarında kullanılırlar. Ayrıca rijit borular, tel ve
kablo yalıtımı, film imalatı gibi alanlarda kullanılır. PVC
ısı ve ışığa karşı kararsızdır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
68
ELASTOMERLER
Elastomerler, termosetler gibi çapraz bağlı olan uzun
zincir moleküllerinden oluşur. Küçük kuvvetler
etkisinde çok büyük elastik deformasyonlar meydana
gelir. Bazılarında % 500 civarında elastik şekil
değişikliği meydana gelebilir. En önemlileri kauçuk
olup iki kategoride incelenebilir:
a- Doğal kauçuk; Belirli bitkilerden elde edilir.
b- Sentetik kauçuk; termoset ve termoplastik
polimerlerde kullanılırlar ve benzer polimerizasyon
işlemleriyle üretilirler.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
69
Belli başlı termoplastik reçineler
Malzeme
Erime sıcaklık aralığı
(°C)
Maksimum işlem
PP Poli-Propilen
160-190
110
PA Poli-Amid
220-270
170
PES Poli-Eter-Sülfon
-
180
PEI Poli-Eter-Imid
-
170
PAI Poli-Amid-Imid
-
230
290-340
240
390
250
PPS Poli-Phenilen-Sulfid
PEEK Poli-Eter-Eter-Keton
22.7.2017
sıcaklığı (°C)
70
Bazı Termoplastiklerin Mekanik ve Termal
Özellikleri
Öz Kütle
g/cm3
Çekme Muk.
MPa
Elastik Mod.
MPa
Sıcaklık
Sınırı oC
Poli-Etilen (PE) (düşük yoğunluk)
0.92-0.93
7-17
105-280
80
Poli-Etilen (PE) (yüksek yoğunluk)
0.95-0.96
20-37
420-1260
100
Poli-Vinil-Klorür (PVC)
1.50-1.58
40-60
2800-4200
110
Poli-Propilen (PP)
0.90-0.91
50-70
1120-1500
105
Poli-Stiren (PS)
1.08-1.10
35-68
2660-3150
85
Akronitril-Butadien-Streyn(ABS)
1.05-1.07
42-50
-
75
Poli-Met-Metha-Arkilik (PMMA)
1.11-1.20
50-90
2450-3150
125
Poli-Tetra-Flor-Etilen(PTFE)(Teflon)
2.10-2.30
17-28
420-560
120
Poli-Amids (PA) Naylon 6.6
1.06-1.15
60-100
2000-3500
82
Malzeme Adı
22.7.2017
71
Metal Matris Malzemeleri
Bazı durumlarda metaller de matris olarak az da olsa
kullanılmaktadır.
Metal matrisli kompozitler, otomotiv, uzay, havacılık gibi bazı
alanlarda kullanılmaktadır.
Metal matris malzemeleri, plastik matrislere göre
mukavemetleri, rijitlikleri ve toklukları yüksek olduğundan
kompozit malzemenin bu özelliklerinin yükselmesinde büyük
katkı sağlarlar.
Metal matrisler her elyafla iyi bir kompozit oluşturmazlar. Ancak
yüzeyi silisyum karbür kaplanmış boron elyafı ile iyi bir kompozit
yapı elde edilebilir.
Metal matrisler, her elyafla iyi ara yüzey oluşturmadıkları için
kompozit üretimi zor ve pahalı olup bu en önemli
dezavantajlarından biridir.
Kompozit üretiminde hafif metallerden alüminyum, magnezyum,
nikel, titanyum, bakır, çinko ve bunların alaşımları sıkça
kullanılan metal matris malzemelerdir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
72
Alüminyum ve Alaşımları
Yaygın kullanılan metal matrislere örnek olarak 6061 ve 2024
alüminyum alaşımları ile 1010 saf alüminyum verilebilir.
Kompozit malzeme 450-550oC de sıcak presleme ile üretilir.
Böyle bir malzeme 300oC ye kadar özelliklerini korur.
Alüminyum alaşımları ile Karbon elyafı kullanılarak da kompozit
üretilebilir. Ancak aralarındaki korozyonu önlemek için elyaf
yüzeyinin nikel veya gümüşle kaplanması gerekir.
Elektrik iletkenliğinin gerekli olduğu alanlarda tercih edilirler.
Alüminyum alaşımlarında Mg, Mn, Si, Cu, ve Zn alaşım
elementleri tek tek veya birkaçı birlikte belirli özellikleri
sağlamak üzere kullanılır. Bunlar:
- Sertleşmeyen alaşımlar: Al-Mg ve Al-Mn,
- Çökelme ile sertleşebilen: Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si ve Al-Zn-Mg
şeklinde sınıflandırılabilirler.
22.7.2017
73
Magnezyum ve Alaşımları
Magnezyumun mukavemeti Alüminyumdan düşük olmasına
rağmen, yoğunluğu (1.74 gr/cm3) düşük olduğundan özgül
mukavemeti Al dan yüksektir. Bundan dolayı uzay araçlarında,
yüksek hızlı makinelerde ve nakliye araçlarında kullanılır.
Korozyon dirençlerinin kötü olması, düşük rijitlik, yorulma
mukavemetlerinin düşük olması ve yüksek sıcaklıkta sünme ve
aşınma özelliklerinin kötü olması dezavantajlarıdır.
Magnezyumun ile kullanılan alaşım elementleri Al ve Zn dir.
Magnezyumun da sertleşebilen ve sertleşmeyen türleri
bulunmaktadır.
Talaşlı imalatta diğer metallere göre daha iyidir.
22.7.2017
74
Çinko ve Alaşımları
Zn ve alaşımlarının ergime sıcaklıklarının düşük (419oC) olması
döküm malzemesi olarak tercih edilmelerini sağlamaktadır.
Bundan dolayı 0.5 mm kalınlıklı ince cidarlı, karışık şekilli ve
küçük çaplı delikler kolaylıkla oluşturulabilir.
Pres dökümle üretilen Zn alaşımları Zamak adını alır: Zamak-3,
Zamak-5, Zamak-8, Zamak-15 ve Zamak-27 alaşım çeşitleri
bulunmaktadır. Bu alaşımlar Z33520, Z35540 vb. şeklinde de
kodlandırılmaktadır.
Zn anot ve çelik/döküm katot olmak üzere, dökme demir ve
çelik üzerine kaplandığında korozyon direnci sağlar (Zn ile kaplı
çelik=Galvanize çelik).
Çinkonun yoğunluğu (7.13 gr/cm3) olup bu oldukça yüksektir.
Düşük devirlerde ve ağır yüklemelerde aşınma dirençleri çok
iyidir.
Zn ve alaşımları oda sıcaklığında yorulma dayanımı iyi fakat
düşük sıcaklıklarda gevrektirler. Bunlar uzun süre
kullanımlarında süneklikleri artarken dayanımları biraz düşer.
Mutfak eşyaları, bazı otomobil hassas parçaları Zn pres dökümle
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
75
üretilmektedir.
Titanyum ve Alaşımları
Metaller arasında Titanyumun ısıl genleşme katsayısı en düşük
olanlardandır. Ayrıca mukavemet ve rijitliği Alüminyumdan daha
yüksektir. Korozyon dirençleri de iyidir.
Titanyum ile kullanılan alaşım elementleri Al, Mn, Si ve V dur.
Isıya dayanımları nedeniyle titanyum alaşımları kompresör
pervanesi, disk gibi makine elemanlarının imalatında
kullanılırlar.
Matris olarak titanyum alaşımları, Borsic ve SiC elyafla
birleştirilerek kompozit üretilebilir.
Bunların kullanım sıcaklıkları 420-550oC civarındadır.
Üstün özgül mukavemetleri nedeniyle özellikle uçak ve uzay
sanayisinde kullanılır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
76
Yüksek Sıcaklık Matrisleri: Seramikler
Seramik; en basit tarifiyle, “çok yüksek sıcaklıkta pişlirilmiş
toprak” demektir. Seramiğin tarihi, uygarlık tarihi kadar eskidir.
Seramik; daha teknik bir tanımla, bir veya birden fazla
metalin, metal olmayan elementlerle birleşmesi ve sinterlenmesi
sonucunda elde edilen inorganik bileşiktir.
Silikatlar, alüminatlar, su ve metal oksitler ile alkali ve toprak
alkali bileşiklerden oluşmaktadır.
Seramik grubuna oksitler, nitritler, boridler, karbitler, silikatlar
ve sülfidler girmektedir.
Bazı seramiklerde iyonik, kısmen kovalent bağ bulunur. Bundan
dolayı çok kararlı bir yapıya sahiptirler.
Bazı seramikler amorf, bazıları kristal yapılıdırlar.
Seramik malzemeler; endüstriyel fırınlar (tuğla fb.), elektrikelektronik, optik sanayisi gib pek çok alanda kullanılmaktadır.
22.7.2017
77
Seramikler (Devam)
Mukavemetleri çok yüksek olmakla birlikte, Seramik
malzemeler, çok sert ve gevrek yapıya oldukları için kırılgan
yapıya sahiptirler. Bu nedenle kullanım alanları sınırlıdır.
Isıl dayanımları yüksek olduğundan, yüksek ısıya maruz yerlerle
kullanılırlar. Örnek: Endüstriyel fırınlar, elektronik ve optik
cihazlar giibi.
Ergime sıcaklıkları yüksektir (silis 1750ºC'de alüminat
2050ºC'de ergir).
Elektrik ve ısıl yönden yalıtkandırlar. Silise %6 alüminat ilave
edilirse ergime sıcaklığı 1550ºC'e düşer. Demir oksit ve alkali
bileşikler ergime sıcaklığını daha da azaltarak 900ºC’ye kadar
düşürebilir.
Seramikler matris olarak kullanılmaları halinde, kompozit
malzemeler 1300oC ye kadar kullanılırlar. Örnek: SiC veya
Al2O3 elyaf ile takviye edilmiş SiC ve Si3N4 seramikleri
Karbon elyafının da kullanıldığı bu tür matrislerde (cam,
seramik, mullit, MgO, Al2O3, Sic) elyafın görevi malzemenin
tokluğunu artırmaktır
22.7.2017
78
Karbon Elyafı-Karbon Matrisi
Karbon matris - karbon elyafından elde edilmiş
kompozitler 4000oC ye kadar dayanabilirler.
Bu kompozitler, yüksek sıcaklıklarda çok iyi
termal ve mekanik özelliklere sahiptirler.
22.7.2017
79
Takviye/Elyaf
Malzemeleri
22.7.2017
80
Takviye/Elyaf Malzemeleri
Elyaf malzemelerinin fiziki özellikleri, üretilen kompozit
malzemenin özellikleri üzerinde çok etkilidir.
Takviye malzemeleri 3 kategoride incelenebilir:



Parçacık takviye elemanları,
Süreksiz elyaf malzemeleri,
Sürekli elyaf malzemeleri
şeklinde sınıflandırılabilir.
22.7.2017
81
Parçacık takviye elemanları:
Bu tür takviye malzemeleri, mikroskopik veya
makroskopik boyutta olabilirler.
Parçacık takviyeli kompozitler, izotropik malzeme gibi
değerlendirilir.
Parçacık takviye
22.7.2017
Matris
82
Büyük ve küçük parçacık şeklinde kullanılırlar:
 Büyük parçacık olarak kullanılan kompozitlerde,
yük bileşenler tarafından birlikte taşınır (Agrega).
 Küçük parçacıklar ise, dislakasyonların
hareketlerini engelleyerek kompozitin mukavemetini
artırırlar. Parçacık boyutları 1 μm yi geçmez (Al2O3
ve SiC seramikler).
22.7.2017
83
Döküm yoluyla üretilen parçacık takviyeli kompozitlerin
en büyük dezavantajı, eriyik viskozitesinin düşmesi
nedeni ile parçacıkların ıslatılamaması ve homojen
dağılımdaki zorluktur.
Parçacık takviyeli kompozitlerin üretimi elyaf takviyeli
kompozitlere göre daha ekonomiktir.
Ancak Elyaf takviyeli kompozitler, parçacık
takviyelilere göre daha üstün mekanik özelliklere
sahiptirler.
22.7.2017
84
Süreksiz Elyaflar
Doğranmış- Öğütülmüş elyaf/Whiskers
Liflerin çapları birkaç μm yi geçmemektedir.
Süreksiz elyaflar birkaç mm den birkaç cm ye kadar
değişen ölçülerde olabilmektedir.
Bu nedenle elyafın parçacık halden lif haline geçişi için
çok uzun olmasına gerek yoktur.
22.7.2017
85
Sürekli Elyaflar
Günümüzde kompozit yapılarda kullanılan en önemli
takviye malzemeleri sürekli elyaflardır. Sürekli elyaflar,
özellikle modern kompozitlerin gelişmesinde
önemli rol oynamaktadır.
Elyaf takviyeler, kompozitin temel
mukavemet elemanları olup
 Düşük yoğunluk,
 Yüksek elastisite modülü,
 Yüksek mukavemet,
 Sertlik
gibi özelliklere sahip olmaları gerekir.
22.7.2017
Matris
Sürekli Elyaf
86
Sürekli elyaf malzemeleri, tel sarma metodu gibi
metotlarla kesilmeden ip şeklinde üretilirler ve
kullanılırlar.
Elyaflar kendi boyları doğrultusunda, kompozitin
mekanik özelliklerini iyileştirirler.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
87
Elyaf malzemelerinin yüksek performanslı
mühendislik malzemeleri olmalarının nedenleri:
 Küçük çapta üretildikleri ve tane boyutları küçük
olduğu için malzeme kusurları minimize edilmiştir.
Bu nedenle üstün mikroyapısal özelliklere
sahiptirler. Bundan dolayı Elastisite modülleri ve
mukavemetleri yüksektir.
 Lif boyu/çap oranı büyük olduğundan matris
tarafından elyafa iletilen yük miktarı da artmaktadır.
22.7.2017
88
Dokuma Elyaflar:
Kompozit bir tabakada farklı yönlerde eşit mukavemet elde
edebilmek için kumaş şeklinde dokunmuş elyaflar kullanılır.
Sürekli liflerle hazırlanan dokuma elyaf kumaşlarının farklı
amaçlar için geliştirilmiş türleri bulunmaktadır.
22.7.2017
89
Elyaf Dokuma Örnekleri
22.7.2017
90
Elyaf Malzemeleri
Cam elyafı,
Karbon (Graphite) elyafı,
Aramid (Kevlar) elyafı,
Bor elyafı,
Oksit elyafı,
Yüksek yoğunluklu polietilen elyafı,
Poliamid elyafı,
Polyester elyafı,
Doğal organik elyaflar
Bu elyaf malzemeleri arasından en çok Cam, Karbon, Bor ve
Aramid elyafları kullanılmaktadır. Bu üç elyaf türü de sürekli
elyaf olarak üretilebilmektedir.
22.7.2017
91
Cam Elyafı
Cam elyafı; silika, kolemanit, alüminyum oksit, soda gibi
maddelerden üretilmektedir.
Cam elyafı, elyaf takviyeli kompozit üretiminde en çok kullanılan
elyaf türüdür.
Cam elyafı; eritilmiş camın, özel tasarlanmış tabanında küçük
delikler bulunan özel bir fırından basınç altında geçirilmesiyle
üretilir.
http://www.camelyaf.com.tr/turkce/ce_uretimi.php
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
http://www.subor.com.tr/html/uretim.html
92
Cam elyafı üretim tesisinin şematik görünüşü
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
94
Schematic glass fibre manufacturing process
22.7.2017
95
Cam elyaf türleri
A Camı - Pencerelerde ve şişe imalatında en çok kullanılan cam
çeşidi olup kompozit üretiminde çok fazla kullanılmaz.
C Camı - Kimyasallara direnci yüksektir. Depolama tankları gibi
yerlerde kullanılır.
E Camı -Takviye elyaflarının üretiminde en çok kullanılan cam
türüdür. Düşük maliyet, iyi yalıtım ve düşük su emiş oranı
özelliklerine sahiptir.
S ve R Camı - Yüksek maliyetli ve yüksek performanslı bir
malzemedir. Uçak sanayisinde yaygın olarak kullanılır. Elyaf
içindeki tellerin çapları E Camının yarısı kadar olduğundan lif
sayısı artar. Bundan dolayı üretilen kompozitin özellikleri çok
üstün olur ve daha sert yüzey elde edilir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
96
Cam elyafı biçimlendirildikten sonra yıpranmaya karşı dayanımın
artması için kaplama işlemi yapılır. Elyaf kaplama malzemesi
olarak genellikle kompozit üretiminden önce (suyla) kolaylıkla
çözülebilen polimerler kullanılır.
Elyaf ile reçinenin birbirine iyi yapışması çok önemlidir. İyi
yapışma olmazsa, kompozit malzemenin sertliği ve mukavemeti
düşük olur. Bu durumun engellenmesi için elyaf kimyasallarla
kaplanır.
Elyaf çapına bağlı olarak demetteki lif sayısı farklılaşabilir.
22.7.2017
97
22.7.2017
98
CTP BORULAR
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
99
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
100
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
101
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
102
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
103
Karbon Elyafı
1965 ten sonra geliştirilen özellikle uçak ve uzay sanayinde
geniş uygulama alanı bulan karbon elyafı, kompozit
teknolojisinde büyük öneme sahiptir.
Cam elyaf, günümüzde en çok kullanılan takviye malzemesi
olmasına rağmen, gelişmiş kompozit malzemelerde yaygın
olarak karbon elyafı kullanılmaktadır.
Karbon elyafı cam elyafına göre daha hafif ve mekanik
özellikleri daha iyidir. Ancak üretim maliyetleri yüksektir.
Hava araçlarının iskeletlerinde ve spor araçlarında metallerin
yerine kullanılmaktadır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
104
Karbon Elyafı (PAN) Üretim Şeması
Karbon elyafı yüksek ısıl işlem uygulandığında karbonlaşır.
Bu yeni elyafa grafit elyafı denir. Günümüzde karbon elyafı ve
grafit elyafı aynı malzemeyi tanımlamaktadır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
105
Karbon Elyafı (PAN) Üretim Şeması
Karbon elyafı yüksek ısıl işlem uygulandığında karbonlaşır.
Bu yeni elyafa grafit elyafı denir. Günümüzde karbon elyafı ve
grafit elyafı aynı malzemeyi tanımlamaktadır.
TEKSTİL ve KONFEKSİYON
3/2006
Poliakrilnitril liflerinden karbon lif üretimi
Kaynak: “Karbon liflerinin üretimi” Tekstil ve Konfeksiyon, E.Ü. 2006
Karbon Elyafı (PAN) Üretim Şeması
PoliAkrilNitril (PAN) ile karbon lifi üretim aşamaları
Karbon Elyafının Üstün Özellikleri
Yüksek elastisite modülü,
Düşük yoğunluğu,
Yüksek sıcaklık dayanımın,
Korozyon dayanımı,
Yüksek sertlik,
Yüksek mukavemet ve yorulma dayanımı,
Bütün reçinelerle kompozit oluşturabilme,
Sürekli geliştirilebildiğinden, karbon elyaf
çeşitleri sürekli değişmektedir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
108
Karbon Elyafının Dezavantajı
Karbon elyafın üretimi pahalıdır.
Bazı Kullanım Alanları
Uçak sanayinde,
Sportif aletlerin imalatında,
Tıbbi malzemelerin ve cihazların imalatında
yaygın olarak kullanılır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
109
Karbon elyafı piyasada 2 biçimde bulunur:
Sürekli Elyaf: Dokuma, Örgü ve bobine sarılmış
olarak bulunur. Bantlarda, Prepreg‘lerde, vb.
kullanılmaktadır.
Kırpılmış Elyaf (whichkers): Genellikle
enjeksiyon kalıplarında, Basınçlı kaplarda, Makine
elemanları imalatında, kimyasal ortamlarda
kullanılırlar.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
110
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
111
Karbon elyafı iki malzemeden üretilmektedir:
Zift tabanlı karbon elyafı: Düşük mekanik
özelliklere sahip olduğundan yapısal
uygulamalarda az kullanılır.
PAN (PoliAkriloNitril) tabanlı karbon
elyafı: Mukavemeti yüksek ve daha hafiftir.
Sürekli geliştirilmektedir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
112
PAN Elyafın Üretim Süreci:
PAN, dört aşamada karbon elyafına dönüşür:
1. Oksidasyon:



Elyaf hava ortamında 300 oC de ısıtılır. Bu işlem,
elyaftan H’nin ayrılmasını daha uçucu olan O ‘nin
eklenmesini sağlar.
Sonra karbonizasyon aşaması için elyaflar kesilerek
grafit teknelerine konur. Polimer, merdiven
yapısından kararlı bir halka yapısına dönüşür.
Bu işlem sırasında elyafın rengi beyazdan
kahverengiye, sonra siyaha dönüşür.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
113
2. Karbonizasyon:


Elyafın yanıcı olmayan ortamda 3000° C’ye kadar
ısıtılarak liflerin %100 karbonlaşma aşamasıdır.
Karbonizasyon işleminde uygulanan sıcaklık
üretilen elyafın sınıfını belirlemektedir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
114
3. Yüzey iyileştirmesi:


Karbon yüzeyinin temizlenmesi,
Elyafın, kompozit malzeme üretiminde, reçineye
daha iyi yapışabilmesi için elektrolitik banyoya
yatırılma aşamasıdır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
115
4. Kaplama:


Elyaf, reçine ile kaplanır. Genellikle bu kaplama
işlemi için epoksi kullanılır,
Epoksi, kompozit malzeme üretiminde kullanılacak
reçine ile elyaf arasında bir ara-yüz görevi yapar.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
116
Karbon Elyafın Isıl Özellikleri
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
117
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
118
Aramid (Kevlar) Elyafı
(DuPont-Aromatic Polyamid)
Polimerler, matris olarak kullanılmalarının yanı sıra
elyaf olarak da kullanılırlar. Örnek Kevlar (Aramid) bir
polimer elyafı olup kompozit malzemeye yüksek
mukavemet ve sertlik kazandıran, hafif bir
malzemedir. Aramid, bir çeşit naylon olan aromatik
poliamiddir.
Aramid elyafı piyasada daha çok ticari isimleri Kevlar
(DuPont) ve Twaron (Akzo Nobel) ile bilinmektedir.
En çok kullanılan Kevlar (Aramid) elyafları Kevlar 29,
ve Kevlar 49 dır.
Farklı uygulamalar için farklı özelliklere sahip aramid
elyafı
üretilebilmektedir.
Genellikle doğal rengi sarıdır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
119
Bazı Üstün Özellikleri;
Düşük yoğunluk,
Yüksek mukavemet ve yorulma dayanımı,
Yüksek darbe dayanımı ve aşınma dayanımı,
Yüksek kimyasal dayanım,
E-Cam elyafına yakın basınç dayanımı,
Kevlar elyaflı kompozitler, Cam elyaflı
kompozitlere göre 35% daha hafiftir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
121
Aramid (Kevlar) elyafın dezavantajları
Bazı aramid elyaf türleri ultraviole ışınlarına
hassastırlar.
Işığa duyarlı olduklarından karanlıkta saklanmaları
gerekir.
Matrisle iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda reçinede
mikroskobik çatlaklar oluşabilir. Bu çatlaklar,
malzeme yorulduğunda su emişine yol açabilir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
122
Aramid (Kevlar) elyafın bazı kullanım alanları;
Balistik koruma uygulamaları; Askeri kasklar,
Yüksek darbe dayanımlı Kevlar 29 kurşun geçirmez
yelek imalatında,
Koruyucu giysiler; eldiven, motosiklet koruma
giysileri, avcılık giysi ve aksesuarları,
Yelkenli yatlar için yelken direği,
Hava araçlarında gövde parçaları,
Tekne gövdesi,
Endüstri ve otomotiv uygulamaları için kemer ve
hortum,
Fiberoptik ve elektromekanik kablolar,
Debriyajlarda bulunan sürtünme balatalarında ve
fren kampanalarında,
Yüksek ısı ve basınçlarda kullanılan conta, salmastra
vb.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
123
Bor Elyafı
Karbon elyafından daha güçlü ve aynı zamanda daha pahalı
elyaf türü ise bor elyafıdır.
Bor, oda sıcaklığında katı durumda olan ikinci hafif elementtir.
Çekirdek (genellikle Tungsten/Wolfram) olarak adlandırılan ince
bir telin üzerine bor kaplanarak imal edilir. Bu nedenle Bor
elyafı kendi başına bir kompozittir.
Bor-tungsten elyaflar, sıcak tungsten flama (ince tel) nın H ve
Bortiklorür (BCl3) gazından geçirilmesi ile üretilir. Böylece
Tungsten flamanın dışında bor tabakası oluşur.
Bor elyaflar değişik çaplarda üretilir. Mekanik özellikleri yüksek
olduğundan havacılıkta kullanılmaktadır.
Silisyum karbür (SiC) veya Bor Klorür (B4C) kaplanarak yüksek
sıcaklıklara dayanım artar. Özellikle (B4C) kaplanmasıyla çekme
mukavemeti önemli ölçüde artar.
Bor elyafının maliyeti yüksek olduğundan, son yıllarda karbon
elyafı
daha çok kullanılmaktadır.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
124
Bor Elyafı Üretim Şeması
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
125
Bazı Elyafların Özellikleri
Özellik
E-Camı
S-Camı
Bor
Karbon
Kevlar49
Yoğunluk(gr/cm3)
2.54
2.49
2.68
1.85
1.44
Çekme Muk.(MPa)
2000
4750
3450
2900
3750
Çekme Mod.(GPa)
80
89
414
525
136
3-200
3-13
100-1000
5-13
12
5
2.9
3
-1
-2
2.75
-
0.7
0.5-1.3
2.5
Lif çapı (µm)
Isıl G.K(oC-1.10-6)
Kopma Uz. (%)
1 µm=10-3 mm veya 1 mm=1000 µm
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
126
Bazı Elyaf malzemelerinin Gerilme-Şekil Değiştirme
Diyagramları
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
127
Bazı Kavramlar
Elyaf takviyeli kompozit bir malzemede, liflerin yönleri
değiştirilerek farklı mekanik özellikler elde etmek
mümkündür. Bu duruma anizotropik özellik denir.
Demir, bakır, alüminyum gibi metaller ise, bütün
yönlerde aynı mekanik özelliklere sahiptirler, bu duruma
ise izotropik özellik denir.
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
128
22.7.2017
Kompozit Malzemelere Giriş
129