MAL201 Callister Kompozitler

• Genel olarak bir kompozit malzeme, her iki
bileşene ait özelliklerin birleşimiyle daha iyi
özellikteki kombinasyonlarının elde edildiği
çok fazlı bir malzeme olarak düşünülebilir. Bu
birleşik etki prensibine göre, iki veya daha
fazla malzemenin daha iyi özellikler sunması
amacıyla uygun kombinasyonlarda bir araya
getirilmesidir.
• Çoğu kompozit malzeme yalnızca iki fazdan
oluşur, matris adı verilen birinci faz, genellikle
saçınmış faz olarak adlandırılan diğer fazı sarar
ve sürekliliğini sağlar.
• Şekil 16.2’de belirtildiği gibi, iri parçacıklı ve
saçınımla dayanımı arttırılmış kompozitler
parçacık takviyeli kompozitlerin alt iki
grubudur. Bunlar arasındaki ayrım takviye veya
dayanım artırma mekanizmalarına göre yapılır.
• Karışım kuralı denklemlerinden, elastiklik
modülünün üst sınırını veren denklem şu
şekilde ifade edilir:
alt sınırını veren denklem ise aşağıda verilmiştir:
• İri parçacıklı kompozitler her üç malzeme
grubuyla da kullanılır (metaller, seramikleri ve
polimerler). Sermetler, seramik-metal
kompozitlerine örnektir. En yaygın sermet ise
sinterlenmiş karbürdür.
• Beton hem matrisi, hem de takviyesi seramik olan
en yaygın iri parçacıklı kompozittir. Bazen beton
ve çimento yanlışlıkla birbiri yerine
kullanıldığından, başta her ikisi arasındaki farkın
belirtilmesinde fayda vardır. Genel anlamda,
beton terimi, bağlayıcı bir katı ortam sağlayan
çimento ile bu ortamın bir arada tuttuğu
agregadan (kum ve değişik boyutlarda çakıllardan
oluşan beton dolgu karışımı) oluşan kompozit
malzemeyi tarif eder.
• Bu betonun içeriğinde, portland çimentosu,
ince agrega (kum), iri agrega (çakıl) ve su
bulunur.
• Portland çimentosu betonu, istenilen yere
dökülebilme ve oda sıcaklığında bile
sertleşebilme (su altında bile) özellikleri
nedeniyle, yapılarda kullanılan ana yapı
malzemesidir.
• Dayanım artırma tekniklerinden bir diğeri de
yapısal elemanda basma artık gerilmesi
oluşturmaktır, bu şekilde üretilen malzemelere
ön gerilmeli beton adı verilir.
• Çok sert ve kararlı malzemelerin, çok küçük
boyuttaki parçacıklarının metal ve metal
alaşımları içinde küçük miktarlarda homojen bir
şekilde saçılması (dağıtılması) malzemenin sertlik
ve dayanımı arttırılabilir. Burada saçınmış faz,
metalik veya metal dışı malzeme olabilir, en
yaygın rastlananı ise oksit malzemelerdir. Bu
dayanım artırma mekanizması da çökelme
sertleşmesinde olduğu gibi, tanecikler ve matris
içindeki dislokasyonlar arası etkileşimle ilgilidir.
• Elyaf takviyeli kompozitlerin tasarım amacı
genellikle düşük ağırlıkla birlikte yüksek
dayanım ve/veya yüksek elastiklik modülüdür.
Bu özellikler, özgül dayanım ve özgül elastiklik
modülü terimleri ile tarif edilir, sırasıyla çekme
dayanımının özgül ağırlığa oranı ve elastiklik
modülünün özgül ağırlığa oranı olarak
tanımlanır.
• Bu tür kompozitlerin davranışı, matris ve
elyafın gerilme-birim şekil değişimi davranışı,
fazların hacimsel oranları, gerilme veya yükün
uygulandığı yön gibi bazı faktörlere bağlıdır.
Buna ilave olarak, yönlenmiş kompozitler
anizotropik davranış gösterdiğinden, ölçülen
özellikler bu yönlenmeye de bağlıdır. Bu
nedenle, ilk olarak yükün elyaf doğrultusunda
uygulandığı boyuna durum (Şekil 16.8a)
incelenecektir.
veya
• Sürekli ve yönlenmiş elyaf takviyeli bir
kompozitte, yüklemenin elyafa dik yönde
olması durumunda, uygulanan yük ile elyaf
yönlenmesi arasında, Şekil 16.8a’da
gösterildiği gibi, 90°C’lik bir açı oluşur. Bu
durumda kompozitin etkisi altındaki gerilme σ,
her iki bileşende de (matris ve elyaf) aynıdır
• Kompozitlerin elyafa dik doğrultudaki
dayanımları son derece düşük olduğu ve hatta
kimi zaman matris dayanımının bile altına
düştüğünden, beklenmedik erken hasarlar
meydana gelebilir. Yani elyaf takviyesi,
kompozitin dayanımını arttırmak yerine,
tersine azaltıcı yönde etki yaptığı bir durum
gelişir. Üç farklı kompozite ait, elyaf
doğrultusuna dik yöndeki çekme dayanımı
değerleri Tablo 16.1’de verilmiştir.
• Çap ve özelliklerine göre elyaf; visker
(sakalcık), elyaf ve tel olmak üzere üç gruba
ayrılır. Viskerler, son derece büyük uzunlukçap oranına sahip, çok ince tek kristal
malzemelerdir. Elyaf olarak sınıflandırılan
malzemeler, kristal veya amorf yapıda, küçük
çapa sahip ve genellikle polimer veya
seramiktir (örneğin aramid, cam, karbon, bor,
alüminyum oksit ve silisyum karbür). İnce
teller göreceli olarak kalın çaplı olup, genellikle
çelik, tungsten ve molibden’den yapılırlar.
Tablo 16.4
• Elyaf takviyeli kompozitlerin matris fazı;
metal, polimer veya seramik olabilir.
Sünekliğin önemli olduğu uygulamalarda,
genellikle metal ve polimerler matris
malzemesi olarak kullanılır. Seramik matrisli
kompozitlerde ise ilave edilen takviyenin
kırılma tokluğunu arttırması beklenir.
• Polimer – matrisli kompozitler (PMK), matris
olarak polimer reçinenin, takviye olarak elyafın
kullanıldığı kompozitlerdir. Bu malzemelerin
oda sıcaklığındaki üstün özellikleri yanında
kolay üretimi ve düşük maliyeti nedeniyle,
kompozitler arasında en çok uygulama
çeşitliliğine ve miktarına sahip olandır.
• Cam elyaf (Fiberglass), sürekli veya süreksiz cam
elyaf ile polimer matristen oluşan ve en çok
kullanılan kompozite verilen addır. Elyaf kalınlığı
genelde 3 ile 20 μm arasındadır.
• Birçok cam elyaf uygulaması yaygın olarak
bilinmektedir, bunlara örnek olarak; otomobil ve
gemi gövdesi, plastik borular, saklama kapları ve
endüstriyel yer döşemeleri sayılabilir.
• Karbon, birçok ileri polimer matrisli kompozitte
(cam elyaf hariç) en çok kullanılan yüksek
performanslı elyaf malzemesidir.
• Karbon elyaf takviyeli kompozitler günümüzde
yaygın olarak spor ve hobi (olta, golf sopası gibi)
amaçlı ekipmanlarda, elyaf sarma yöntemiyle
roket gövdelerinde, basınçlı kaplarda, askeri ve
ticari amaçlı sabit kanatlı ve helikopter gibi hava
taşıtlarında (kanat, gövde, stabilizatör ve kuyruk
dümeni gibi) yapısal eleman olarak kullanılır.
• Polimer matrislerle kullanılan en yaygın elyaf cam,
aramid ve karbondur. Bor, silisyum karbür ve
alüminyum oksit gibi diğer elyaf türleri daha az
kullanılmaktadır.
• Bor elyaf takviyeli polimer kompozitler, askeri
uçaklara ait parçalarda, helikopter rotor
kanatlarında ve bazı spor ekipmanlarında
kullanılmaktadır. Silisyum karbür ve alüminyum
oksit ise tenis raketi, devre kartları, askeri
zırhlarda ve roket uç konilerinde kullanım alanı
bulur.
• Matris elyafa göre daha düşük yumuşama, erime
ve bozulma sıcaklığına sahip olduğu için,
kompozitin kullanılabileceği en yüksek sıcaklığı
belirler. En yaygın kullanılan ve en ucuz polimer
matris reçineleri polyesterler ve vinil esterdir.
• Son olarak da polietereterketon (PEEK),
poli(fenilen sülfid)(PPS) ve polieterimit (PEI) gibi
yüksek sıcaklık termoplastik reçineleri gelecekte
havacılık uygulamaları için önemli potansiyele
sahip malzemelerdir.
• Adından da anlaşılacağı üzere, metal matrisli
kompozitler (MMK) matrisi sünek metal olan
kompozitlerdir. Bu tür malzemeler, takviyesiz
olan metallere göre daha yüksek ortam
sıcaklıklarında kullanılabilir, takviye işlemi
ayrıca özgül rijitliği, özgül dayanımı, aşınma
dayanımı, sürünme direnci, ısıl iletkenliği ve
boyutsal kararlılığı da arttırabilir.
• Seramiklerin kırılma tokluğu değerleri,
parçacık, elyaf veya visker formundaki bir
seramik malzemenin diğer bir seramik içine
gömüldüğü yeni nesil seramik matrisli
kompozitler (SMK) ile önemli ölçüde
arttırılmıştır.
• En gelişmiş ve gelecek vadeden mühendislik
malzemelerinden birisi de karbonkarbon
kompoziti adı verilen karbon elyaf takviyeli
karbon matrisli kompozittir. Bu malzemeler
oldukça yeni ve pahalıdır, bu nedenle de hali
hazırda kullanımı yaygın değildir. En önemli
özellikleri, 2000°C’ye kadar korunan yüksek
çekme elastiklik modülü ve çekme dayanımı yanı
sıra sürünme dayanımı ve diğerlerine göre daha
yüksek kırılma tokluğu değerlerine sahip
olmasıdır.
• İki veya daha fazla, farklı elyafın aynı matris içinde
bulunduğu hibrit kompozitler, nispeten yeni bir
elyaf takviyeli kompozit malzeme grubunu
oluşturur. Hibrit kompozitler, tek elyaf türünden
oluşan kompozitlere göre her açıdan daha iyi
özelliklere sahiptir. Çok farklı matris ve elyaf
kombinasyonlarının kullanıldığı hibrit
kompozitlerde, en çok tercih edilen sistem,
karbon ve cam elyafın birlikte bulunduğu polimer
matristen oluşandır.
• Elyaf takviyeli kompozitlerin, tasarımda
öngörülen özellikleri sağlayacak şekilde
üretilebilmesi için elyafın, plastik matris içinde
düzgün bir şekilde dağılması ve çoğunlukla da
tamamının aynı yönde yönlenmesi gereklidir.
• Profil çekme, sabit kesite sahip (çubuk, boru,
kiriş vs.) uzun parçaların üretilmesi için
kullanılan bir yöntemdir.
• Prepreg, kompozit endüstrisinin reçine
emdirilmiş ve yalnızca kısmen kürlenmiş
sürekli elyaf takviyeler için kullandığı terimdir.
• Elyaf Sarma, sürekli takviye elyafının önceden
belirlenmiş düzende, içi boş bir yapı (genellikle
silindirik) oluşturacak şekilde, düzgün bir
şekilde yerleştirildiği işlemdir.
• Bir yapısal kompozit, özelliklerinin sadece
bileşenlerine değil, aynı zamanda geometriye
de bağlı olduğu, homojen ve kompozit
malzemelerin birleşiminden oluşur.
• Tabakalı kompozit, ahşap ve yönlenmiş sürekli
elyafla takviyeli plastiklerde olduğu gibi, ince
plakalar veya belirli yönde yüksek dayanıma
sahip panellerden oluşur. Bu tabakalar üstü
üste istiflendikten sonra her biri belirli bir
yöndeki dayanımı artıracak şekilde,
yönlenmede yerleştirilerek yapıştırılır (Şekil
16.16).
• Sandviç paneller, hafif ancak yüksek rijitlik ve
dayanıma sahip kiriş veya panellerin
tasarımında kullanılan yapısal kompozitler
sınıfında yer alırlar. Bir sandviç panel, Şekil
16.17’de görüleceği gibi, kalın bir ara dolgu
tabaka ve buna yapışan iki dış tabaka veya
yüzeyden oluşur.