kompozit malzemeler ders notu

advertisement
SAKARYA MESLEK YÜKSEKOKULU
MAKİNA VE METAL TEKNOLOJİLERİ BÖLÜMÜ
METALURJİ PROGRAMI
KOMPOZİT MALZEMELER
DERS NOTU
Doç. Dr. Adem ONAT
Sakarya 2015
GİRİŞ
20. yüzyılın ikinci yarısından itibaren tekniğin hızla gelişmesi, beraberinde sanayinin
temel girdisi olan malzeme ve malzeme biliminde de gelişmelerin hızlanmasını
sağlamıştır. Fakat yeryüzünde ana malzemelerin sınırlı olmasından dolayı, malzemeler
ve bu malzemelerin özellikleri teknolojinin gelişimine ayak uyduramamıştır. Uzay
araçlarının yapımına geçilen geçen asırda, bilim adamları çağın yenilikleri ile birlikte
mevcut malzemelerin özelliklerinden, bilimin gelişmesi paralelinde günün şartlarına
uyacak şekilde gerek ekonomik gerekse teknik yönden daha uygun malzemeler imal
etme yolunu seçmişlerdir.
Dolayısıyla hem ekonomik hem daha yüksek mukavemetli ve hem de çok hafif
malzemelerin oluşturulması için yapılan çalışmalar yoğunlaştırılmıştır. Böylece
malzemeyi teşkil eden bileşenlerin, özellikleri farklı olan kombinasyonlarının verdikleri,
kompozit malzemeler, büyük bir önem kazanmıştır.
Son zamanlarda yüksek Mukavemet/Ağırlık, Rijitlik (katılık)/Ağırlık oranlarına
sahip olan fiber takviyeli reçine kompozitleri, uçak ve uzay taşıtları gibi ağırlığa hassas
uygulamalarda önemli kullanım sahaları bulmuşlardır. Düne kadar saçtan tahtadan
yapılan tekneler, yatlar yerlerini artık polyester - cam elyaftan yapılan benzerlerine
bırakıyorlar. Bakım-onarım bakımından daha avantajlı olan kompozit malzemeden
yapılan tekneler aynı zamanda daha hafif, uzun ömürlü ve süratli olmaları bakımından
tercih edilmektedirler. İmalat sanayisinde artık birçok parça kompozit malzemeden
yapılmaktadır.
1
BÖLÜM 1. KOMPOZİT MALZEMELERİN TANIMI, GENEL ÖZELLİKLERİ VE
SINIFLANDIRILMASI
Kompozit malzemeler; iki ya da daha fazla malzemenin uygun özelliklerini tek malzemede
toplayarak veya yeni bir özellik çıkarmak amacıyla makro düzeyde birleştirilmesi sonucu
oluşturulan malzemelerdir.
Bir malzemeyi kompozit olarak adlandırmak için aşağıdaki özellikleri taşımalıdır:

İnsan yapısı olmalı,

En az iki veya daha fazla fiziksel ve mekaniksel özelliği ayrı olan malzemelerin
birleştirilmesi ve farklı ara yüzeye sahip olmalı,

Herhangi bir ferdi bileşenle elde edilemeyen mekanik özelliklerin gerçekleştirilmeli

Optimum özellikler elde etmek için bir malzemenin diğer malzeme içine kontrollü
şekilde dağıtılmasıyla iki ayrı malzeme karıştırılarak kompozit (karma) bir malzeme
oluşturulmalı,

Özellikler yüksek olup kompoziti oluşturan elemanların en iyi özelliklerin bir arada
toplanması gerekir
Kompozit malzeme kullanılarak üretilecek olan parçalar tasarlanırken, parçanın hangi
alanda kullanılacağı ve kullanıma yönelik spesifik ihtiyaçların neler olduğunun bilinmesi
gereklidir. Kompozit bir parça tasarlanırken maliyet, ham malzeme özellikleri, çevre
koşullarının parçaya etkisi, imalat yöntemi, kalite kontrol metotları gibi bir dizi faktör
birlikte değerlendirilmelidir.
Tasarımda en büyük zorluklardan birisi kompozit malzemelerin izotropik özellikler
göstermemesidir. Bu yüzden tasarımcı, parçaya her yönden ne kadar yük geleceğini ve
parçanın hangi noktasında ne kadar mukavemete ihtiyaç olduğunu iyi anlayıp, fiberlerin
yerleşim açılarını ona göre hesaplamalıdır.
Kompozit malzemelerde çekirdek olarak, bir takviye edici malzeme ve bunun çevresinde
hacimsel olarak çoğunluğu oluşturan bir matris malzeme bulunmaktadır. Burada takviye
edici
malzeme,
kompozit
malzemenin
mukavemet
2
ve
yük
taşıma
özelliğini
sağlamaktadır. Matris malzeme ise, plastik deformasyona geçişte oluşabilecek çatlak
ilerlemelerini önler ve kompozit malzemenin kopmasını geciktirmektedir. Matris olarak
kullanılan malzemenin diğer bir amacı da, fiber malzemeleri yük altında bir arada
tutabilmek ve yükü lifler arasında homojen olarak dağıtmaktır. Böylelikle fiber
malzemelerde plastik deformasyon gerçekleştiğinde ortaya çıkacak çatlak ilerlemesi
olayının önüne geçilmiş olunur.
Kompozit malzemelerin, parça bütünlüğü, hafiflik, yüksek mukavemet, darbe dayanımı
ve uzun kullanım ömrü gibi özellikleri, geniş kullanım alanlarında avantajlar
sağlamaktadır. Örneğin, cam elyafı elastik bir malzemedir. Yük altında düzgün olarak
kopma noktasına kadar uzayan cam elyafı, çekme yükünün kalkması sonucunda
herhangi bir akma özelliği göstermeden başlangıç boyutuna döner. Diğer metallerde ve
organik liflerde bulunmayan bu elastiklik ve yüksek mukavemet özellikleri; cam elyafına
büyük miktarda enerjiyi, kayıpsız olarak depolama ve bırakma olanağı sağlamaktadır.
Bu özellik, dinamik yorulma dayanımı, aşınmaya karşı korunması koşulu ile otomobil,
kamyon amortisör yayları ve mobilya yayları gibi ürünlerin cam elyafı takviyeli plastik
malzemeden yapılabilmesini sağlamaktadır.
Cam elyafı takviyeli plastiklerde, cam elyafı takviyesinin yönü önemli bir etkendir ve bu,
cam elyafının reçine ile kaplanabilirliğini de etkiler. Dolayısıyla takviye miktarının artışı
ile birlikte cam elyafının mukavemeti de artar. Kompozit malzemelerin bu üstün
özelliklerine rağmen, yük taşıma kabiliyetinde zamanla azalma görülmektedir. Bu
nedenle, tasarım yapılırken uygun bir emniyet faktörü ön görülerek, ani kırılmaların
önüne geçilmesi gereklidir. Zamana bağlı olarak mukavemetin azalması, çekme
dayanımının başlangıç değerinin 2/3'üne çok kısa sürede düşmesi ve 1/2'sine 50 yıl gibi
bir sürede düşmesi şeklinde görülmektedir.
3
KOMPOZİT MALZEMELERİN AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI
Kompozit malzemelerin özgül ağırlıklarının düşük oluşu, hafif yapılarda büyük avantaj
sağlar. Bunun yanında fiber takviyeli kompozit malzemelerin korozyona dayanımları, ısı,
ses ve elektrik yalıtımı sağlamaları da ilgili kullanım alanları için önemli bir üstünlük
sağlamaktadır.
Kompozit malzemelerin dezavantajlı yanlarını ortadan kaldırmaya yönelik teorik
çalışmaların olumlu sonuçlanması halinde kompozit malzemeler, metalik malzemelerin
yerini alabilecektir.
Kompozit malzemelerin avantalarını şöyle sıralayabiliriz:
a)
Yüksek Mukavemet :
Kompozit
malzemelerin
çekme
ve
eğilme
mukavemetleri, birçok metalik malzemeye göre çok daha yüksektir. Ayrıca kaplama
özelliklerinden dolayı, kompozitlere istenen yönde ve istenen bölgede gerekli
mukavemet verilebilir. Böylelikle malzemeden tasarruf yapılarak, daha hafif ve ucuz
ürünler elde edilebilir.
b)
Kolay Şekillendirme :
Kompozit malzeme kullanılarak yapılan büyük ve
kompleks parçalar, tek işlemle bir parça halinde kalıplanabilir. Bu da malzeme ve
işçilikten kazanç sağlar.
c)
Elektriksel Özellikler :
Uygun
malzemelerin
seçilmesiyle,
çok
üstün
elektriksel özelliklere sahip kompozit ürünler elde edilebilir.
d)
Isıya ve Ateşe Dayanıklılık :
Isı iletim katsayısı düşük malzemelerden
oluşan kompozitlerin ısıya dayanıklılık özellikleri, yüksek ısı altında kullanabilmesine
olanak tanımaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile kompozit malzemenin ısıya dayanımı
arttırılabilir.
4
e)
Titreşim Sönümleme :
Kompozit malzemelerin sünekliği nedeniyle, doğal bir
titreşim sönümleme ve şok yutabilme özelliği vardır. Bu sayede çatlak yürümesi olayı da
engellenmiş olur.
f)
Korozyona ve Kimyasal Etkilere Karşı Dayanıklılık :
Kompozit malzemeler,
hava etkilerinden, korozyondan ve çoğu kimyasal etkilerden zarar görmezler. Bu
özellikleri nedeniyle kompozit malzemeler, kimyevi madde tankları, boru ve
aspiratörleri, tekne ve deniz araçları yapımında güvenle kullanılmaktadır.
g)
Kalıcı Renklendirme :
Kompozit malzemelere, kalıplama esnasında reçineye
ilave edilen pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir. Bu işlem ek bir masraf ve
işçilik gerektirmez.
Kompozit malzemeler, aşağıda belirtilecek olan dezavantajlara rağmen çelik ve
alüminyuma göre birçok avantaja sahiptir. Bu nedenle kompozitler, kimyasal madde
depolarında, karayolu tankerlerinde, bina cephe ve panolarında, otomobil gövde ve
tamponlarında, deniz teknelerinde, komple banyo ünitelerinde, ev eşyalarında, tarım
araçları gibi birçok sanayi alanında kullanılabilecek bir malzemedir.
Kompozit malzemelerin dezavantajlarını şöyle sıralayabiliriz:
a)
Hammaddenin pahalı olması :
Uçaklarda kullanılabilecek kalitede karbon
m2’lik kumaşının maliyeti yaklaşık 50 $' dır.
b)
Lamine edilmiş kompozitlerin özellikleri her zaman ideal değildir, kalınlık
yönünde düşük dayanıklılık ve katlar arası düşük kesme dayanım özelliği bulunmaktadır
c)
Malzemenin kalitesi üretim yöntemlerinin kalitesine bağlıdır, standartlaşmış
bir kalite yoktur.
d)
Kompozitler gevrek malzeme olmalarından dolayı kolaylıkla zarar görürler,
onarılmaları yeni problemler yaratabilir.
e)
Malzemelerin sınırlı raf ömürleri vardır. Bazı tür kompozitlerin soğutularak
saklanmaları gerekmektedir. Sıcak kurutma gerekmektedir. Kompozitler onarılmadan
5
önce çok iyi olarak temizlenmeli ve kurutulmalıdır. Bazı durumlarda bu zor olabilir. Bazı
kurutma teknikleri uzun zaman alabilmektedir
KOMPOZİT MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI
Kompozit malzemeleri, yapılarını oluşturan malzemeler
ve
yapı
bileşenlerinin
şekillerine göre iki şekilde sınıflandırmak mümkündür.
Matris malzemesinin türüne göre;
 Plastik Matrisli Kompozitler
 Metalik Matrisli Kompozitler
 Seramik Matrisli Kompozitler
bir gruplandırma yapılabildiği gibi yapı bileşenlerinin şekillerine göre de
 Partikül (Parçacık) Takviyeli Kompozitler
 Fiber (Elyaf) Takviyeli Kompozitler
 Tabaka Yapılı Kompozitler (Lamine Kompozitler)
 Dolgu Yapılı Kompozitler
şeklinde sınıflandırılabilir.
YAPILARINI OLUŞTURAN MALZEMELERE GÖRE KOMPOZİT MALZEMELER
Plastik - Plastik Kompozitler
Fiber olarak kullanılan plastik, yük taşıyıcı bir özelliğe sahip iken, matris olarak
kullanılan plastik, esneklik verici, darbe emici ya da istenen amaca göre kullanılan
plastiğin özelliğine sahip olmaktadır. Kullanılabilecek plastik türleri de iki ayrı sınıfta
incelenebilir.
6
Termoplastikler: Bu tür plastikler, ısıtıldığında yumuşar ve şekillendirildikten sonra
soğutulduğunda sertleşir. Bu işlem sırasında plastiğin mikro yapısında herhangi bir
değişiklik
söz
konusu
değildir.
Genellikle
5-50oC
arasındaki
sıcaklıklarda
kullanılabilirler. Bu gruba giren plastikler şu şeklinde sıralanabilir:
a)
Naylon
b)
Polietilen
c)
Karbonflorür
d)
Akrilikler
e)
Selülozikler
f)
Viniller
Termoset Plastikler:
Bu
tip
plastiklerde
ise
ısıtılıp
şekillendirildikten
sonra
soğutulduklarında artık mikro yapıda oluşan değişim nedeniyle eski yapıya dönüşüm
mümkün olmamaktadır. Bu grubun belli başlı plastikleri ise şunlardır:
a)
Polyesterler
b)
Epoksiler
c)
Alkiter
d)
Aminler
Plastik - Metal Fiber Kompozitler
Endüstride çok kullanılan bir tür olan metal fiber takviyeli plastikten oluşan kompozitler
oldukça mukavemetli ve hafif bir ürün olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu kompozitler,
polietilen ve polipropilen gibi plastiklerin, Bakır, Alüminyum, bronz, çelik vs. gibi metal
fiberlerle takviye edilmesiyle elde edilmekte ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle
deformasyon yönünde takviye edilerek üretilen kablolar yaygın olarak kullanılmakta ve
iyi bir verim alınmaktadır.
7
Plastik - Cam Elyaf Kompozitler
Bu tür kompozitler isteğe göre termoplastikler veya termoset, plastikten oluşan matris
ve cam liflerin uygun kompozisyonlarından üretilmektedir. Mekanik ve fiziksel
özellikleri nedeniyle cam lifler birçok durumda metal, asbest, sentetik elyaf ve pamuk
ipliği gibi liflere tercih edilebilirler. Ancak cam elyaflı kompozitler, büyük kuvvetleri
iletmelerine rağmen camın kırılgan olmasından dolayı çok küçük dirençlidirler. Bu tür
malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, kullanılan plastik reçineler uygun seçilerek
arzu edilen şekle sokulabilir.
Plastik reçineler de, daha önce belirtildiği gibi termoplastik ve termoset türünde
olmaktadır. Termoset plastikler, fiberlerin de düzgün oryantasyonu ile yüksek
mukavemete ulaşabilirler. Cam elyaf takviyeleri ile en çok kullanılan plastik reçineler,
Polyesterlerdir.
Plastik - Köpük Kompozitler
Bu tür kompozitlerde plastik fiber olarak görev yapmakta, köpük ise matris konumunda
olmaktadır. Köpükler, hücreli yapıya sahip, düşük yoğunlukta, gözenekli ve doğal halde
bulunduğu gibi, büyük bir kısmı sentetik olarak imal edilmiş hafif maddelerdir. Köpük
hücre yapısına göre sert, kırılgan, yumuşak ya da elastik olabilmektedir. Matris olarak
kullanılan bu köpük türleri, kullanılan plastiğin de çeşitlenebilmesiyle değişik özellikte
kompozit malzemelerin oluşumunu sağlayabilmektedir.
Metal Matrisli Kompozitler
Metallerin ve metal alaşımlarının birçoğu, yüksek sıcaklıkta bazı özellikleri
sağlamalarına rağmen kırılgan olmaktadırlar. Fakatmetalik fiberler iletakviye
edilmiş
metal matrisli kompozitler, her iki fazın uyumlu çalışması ile yükseksıcaklıkta da yüksek
mukavemet özelliklerini vermektedirler. Bakır ve Alüminyum matrisli, Wolfram veya
Molibden fiberli kompozitler ve Al - Cu kompoziti, bize bu kompozisyonu veren en iyi
8
örneklerdir. Bu tip kompozitler, matrisin özelliklerini iyileştirdiği gibi bu özelliklere
daha ekonomik olarak ulaşılmasını sağlamaktadır. Bu kompozitlerde metal matris içine
gömülen ikinci faz, sürekli lifler şeklinde olabildiği gibi, gelişi güzel olarak dağıtılmış
küçük parçalar halinde de olabilmektedir.
Seramik Kompozitler
Metal veya metal olmayan malzemelerin birleşimlerinden oluşan seramik kompozitler,
yüksek sıcaklıklara karşı çok iyi dayanım göstermekle birlikte, rijit ve gevrek bir yapıya
sahiptirler. Ayrıca elektriksel olarak çok iyi bir yalıtkanlık özelliği de gösterirler.
YAPISAL BİLEŞENLERİNİN ŞEKLİNE GÖRE KOMPOZİT MALZEMELER
Partikül Esaslı Kompozitler
Bir matris malzeme içinde başka bir malzemenin parçacıklar halinde bulunması ile elde
edilirler. Bu tip kompozitler tek veya iki boyutlu mikroskobik partiküllerin veya sıfır
boyutlu olarak kabul edilen mikroskobik partiküllerin matris ile oluşturdukları
malzemeler olup ortalama gömülen parçacık boyutu l µm'den büyük ve elyaf hacim
oranı %25'den fazla kullanılmamaktadır. En çok kullanılan parçacıklar ise Al2O3 ve
SiC'den oluşan seramiklerdir.
Burada yük, elyaf ve matris tarafından birlikte taşınır ve özellikler yine izotropiktir. Bu
kompozitler dayanımı iyileştirmekten ziyade beklenilmeyen alışılmışın dışında
birleştirilmiş özellikler elde etmek için tasarlanmaktadır. Bu kompozitler; metal,
seramik ve polimerlerin birleşiminden oluşabilirler. Sert metal uçlar ve beton da örnek
olarak verilebilir. Yapının mukavemeti parçacıkların sertliğine bağlıdır. En yaygın tip
plastik matris içinde yer alan metal parçacıklardır. Metal parçacıklar ısıl ve elektriği
iletkenlik sağlar. Metal matris içinde seramik matris içeren yapıların (cermet), sertlikleri
ve yüksek sıcaklık dayanımları yüksektir. Bunlar kollar, kulplar, elektrik parçaları,
muhafazalar vb. gibi küçük parçacıkların yapımında kullanılırlar.
9
Döküm yoluyla üretilen bu tür kompozitlerde pratikte karşılaşılan bir problemde
parçacık ilave edildiğinde tozların karıştırılma zorluğu ve eriyik viskozitenin düşmesi
veya
sıvı
metalin
seramik
parçacıkları
ıslatılamamasıdır.
Islanabilirliğin
iyileştirilebilmesi için;
a) Katı yüzey enerjisinin artırılması,
b) Sıvı metal yüzey geriliminin azaltılması,
c) Katı ve sıvı ara yüzey enerjisinin azaltılması gibi parametreler üzerinde durulması
gerekir.
Bu nedenle de, parçacık yüzeyine kaplama yapılması ve ısıl işlem uygulanması veya
matris bileşiminin ayarlanması gibi metotlar uygulanmaktadır. Metal matrisle
kompozitlerde
ıslanabilirliği
iyileştirmek
için
genellikle
magnezyum
elementi
kullanılmaktadır. Bu şekildeki bir kompozitin dayanımı;
 Parçacıkların büyüklüğüne,
 Parçacıklar arası mesafe ve homojen dağılıma,
 Matrisin özelliklerine,
 Parçacıkların özelliklerine bağlı olarak değişir.
Bu tip kompozitlerde artan takviye elemanı ilavesi ile birlikte yapı içerisinde porozite
vb.
hatalar
artmaktadır.
Dolayısı
ile
haddeleme
gibi
ikinci
bir
işlemde
uygulanabilmektedir
Fiber Esaslı Kompozitler
Bu tür kompozitler, birçok özelliklerde artış sağlayan, yüksek etkinliği olan liflerin
ilavesiyle elde edilirler. Mühendislikte kullanılan malzemelerin pek çoğu fiber şeklinde
üretildiklerinden mukavemet ve rijitlikleri kütle halindeki değerlerinden çok üst
düzeyde olabilmektedir. Örneğin karbon fiberlerin çekme mukavemeti kütle halindeki
grafitten 50 kat, rijitliği 3 kat daha yüksektir. Fiberlerin bu özelliğinin fark edilmesiyle
fiber kompozitlerin üretilmesi süreci başlamıştır. Günümüzde düşük performanslı ev
10
eşyalarından roket motorlarına kadar kullanım alanı bulan malzemeler olmuşlardır.
Fiberler, yapı içerisinde kesintisiz uzayan sürekli fiberler veya uzun fiberlerin
kesilmesiyle elde edilen süreksiz fiberler veya elyaflar şeklinde olabilirler.
Fiber takviyeli kompozitlerin mühendislik performansını etkileyen en önemli faktörler
fiberlerin şekli, uzunluğu, yönlenmesi, matrisin mekanik özellikleri ve fiber - matris ara
yüzey özellikleridir.
Şekil 1. Değişik tipte fiber kompozitler
a) Tek yönlü pekiştirilmiş sürekli fiber kompozit
b) Örgü formunda fiberlerle pekiştirilmiş kompozitler
c) Rastgele yönlenmiş süreksiz fiber kompozit
d) Yönlendirilmiş süreksiz fiber kompozit
Fiberler dairesel olduğu gibi daha nadiren dikdörtgen, hekzagonal, poligonal ve içi boş
dairesel kesitli olabilir. Bu kesitlerin bazı artı özellikleri olmakla birlikte (paketleme,
yüksek mukavemet vs.) dairesel kesitler maliyeti ve kullanım kolaylığı ile üstünlük
sağlar. Sürekli fiberlerle çalışmak genelde daha kolay olmakla beraber tasarım
serbestliği süreksizlere göre çok daha sınırlıdır. Sürekli fiberler süreksizlerden daha iyi
yönlenme göstermelerine karşılık, süreksiz fiberlerin kullanılması daha pratik sonuçlar
vermektedir.
11
Uzun elyafların matris içinde birbirlerine paralel şekilde yerleştirilmeleri ile elyaflar
doğrultusunda yüksek mukavemet sağlanırken, elyaflara dik doğrultuda oldukça düşük
mukavemet elde edilir, iki boyutlu yerleştirilmiş elyaf takviyelerle her iki yönde de eşit
mukavemet sağlanırken, matris yapısında homojen dağılmış kısa elyaflarla ise izotrop
bir yapı oluşturmak mümkündür .
Elyafların mukavemeti kompozit yapının mukavemeti açısından çok önemlidir. Ayrıca,
elyafların uzunluk/çap oranı arttıkça matris tarafından elyaflara iletilen yük miktarı
artmaktadır. Elyaf yapının hatasız olması da mukavemet açısından çok önemlidir.
Kompozit yapının mukavemetinde önemli olan diğer bir unsur ise elyaf matris
arasındaki bağın yapısıdır. Matris yapıda boşluklar söz konusu ise elyaflarla temas
azalacaktır. Nem absorbsiyonu da elyaf ile matris arasındaki bağı bozan olumsuz bir
özelliktir.
Tabaka Yapılı Kompozitler (Lamine Kompozitler)
Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiptir. Bu tür
kompozitler farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın kombinasyonundan oluşur. Çok
değişik kombinasyonlarla tabakalanmış kompozitlerin üretimi mümkündür.
Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukavemet
değerleri elde edilir. Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı
zamanda mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Pek çok katmanlı
kompozit düşük maliyet, yüksek dayanım veya hafifliğini korurken, aşınma veya abrasiv
aşınma direnci, gelişmiş görünüm ve mükemmel ısıl genleşme özelliklerini
kapsamaktadır.
12
Şekil 2. Açılı tabakalara sahip bir kompozitin şematik gösterimi
Buna karşın korozyon ve aşınma direnci gibi önemli özelliklerin pek çoğu öncelikle
kompoziti oluşturan elemanlardan birine bağlıdır. Korozyon direnci zayıf metaller
üzerine, daha yüksek dirençli metallerin veya plastiklerin kaplanmasıyla korozyon
özelliğinin, yumuşak metallerin sert malzemelerle birleştirilmesiyle sertlik ve aşınma
direncinin, farklı fiber yönlenmesine sahip tek tabakaların birleştirilmesiyle çok yönlü
yük taşıma özelliğinin geliştirilmesi mümkün olmaktadır.
Elektrik şarjını depolamak için kullanılan kondansatörler esas itibariyle dönüşümlü
olarak bir iletken ve bir yalıtkan katmanların üst üste gelerek meydana getirdiği
katmanlı kompozitlerdir
Dolgu Yapılı Kompozitler
Bu tür kompozitler, 3 boyutlu sürekli bir matris malzemesinin yine 3 boyutlu bir dolgu
malzemesiyle doldurulması ile oluşan malzemelerdir.
Matris çeşitli geometrik şekillere sahip bir iskelet veya şebeke yapısındadır. Düzgün
petekler, hücreler veya süngere benzeyen gözenekli yapılar arasında metalik, organik
veya seramik esaslı dolgu maddeleri yer alabilir.
Optimum özelliklere sahip kompozitlerin üretimi için birbiri içinde çözünmeyen,
kimyasal reaksiyon vermeyen bileşenlerin seçilmesi gerekir.
13
BÖLÜM 2.
METAL ESASLI KOMPOZİT MALZEMELER
Metal esaslı kompozit malzemeler, istenen ve gerekli özellikleri sağlamak üzere en az
biri metal olan iki veya daha fazla farklı malzemenin sistematik bileşimiyle elde edilen
yeni malzemelerdir. MMK malzemeler alaşımlarla elde edilemeyen özellikleri sağlamak
üzere, bir metal matris içinde sürekli fiber veya kısa fiber, whisker veya partikül
şeklinde takviye fazı içerirler.
Matris, takviye fazını bir arada tutmaya yarayan bağlayıcı gibi davranır ve asıl işlevi
katkı fazına yükü iletmektir. Belli bir uygulama alanında kullanılmak üzere en uygun
kompoziti elde edebilmek için metal matrisli kompozitin bileşenleri hakkında tam ve
ayrıntılı bilgiye sahip olmak gerekmektedir.
Kompozit malzeme tasarlanırken takviye elemanının; cinsi, şekli, boyutu, dağılımı, yüzey
özellikleri, kimyasal kompozisyonu, dağılım miktarı ve homojenliği gibi özgün ve yapısal
özellikleri çok önemlidir. Bunun yanı sıra, metal matrisin de nitelikleri dikkate
alınmalıdır. Ayrıca takviye fazı ile matris alaşımının kimyasal olarak uyumluluğu da
önemli bir konudur.
Günümüz şartlarında üretilebilen metal matrisli kompozit malzemeler üç gruba
ayrılmaktadır. Bunlar:
a) Partikül Takviyeli MMK malzemeler: Elastiklik modülünün, belli oranda da
mukavemetin artmasıyla amacıyla bağlayıcı matris içine partikül şeklindeki
takviye malzemelerinin ilavesi ile oluşturulan MMK malzemelerdir.
Partikül takviyeli MMK malzemeler düşük maliyetlerinin yanı sıra rijitlikte
dikkate değer gelişme sağlamakta olup hemen hemen izotropik özellikler
gösterirler. Ancak mukavemetteki gelişme sınırlıdır. Ayrıca kopmadaki şekil
değişiminin ve kırılma tokluğunun düşük olması da bu kompozitlerin zayıf
yönleridir.
14
b) Whisker veya Kısa Fiber Takviyeli MMK malzemeler: Partikül takviyeli metal
matrisli kompozitlere göre daha yüksek mukavemet ve yük iletimi yeteneğine
sahip MMK malzemeler olup partikül esaslılara oranla daha pahalıdırlar.
c) Sürekli Fiber Takviyeli MMK malzemeler: Fiberin yüksek performanslı tüm
özelliklerini taşıyan MMK malzemelerdir.
Sürekli fiber takviyeli MMK malzemeler elastiklik modül ve mukavemetin en iyi
kombinasyonunu vermelerine karşın anizotropiktirler. Asıl zayıflıkları ise
kullanılan fiberlerin ve kompozit üretim maliyetlerinin oldukça yüksek
olmasından kaynaklanmaktadır.
Dolayısıyla belirtilen kompozit sistemlerinin her birinin kendine has üstünlükleri ve
zayıflıkları söz konusudur.
Tablo 1. Bazı metal matrisli kompozit malzemelerin mekanik özellikleri
İlk
geliştirilen
MMK
malzemeler,
Bor
fiberleriyle
güçlendirilmiş
Alüminyum
alaşımlarıdır. Bu malzemelerde kullanılan bor fiberleri, volfram telden altlık üzerine bor
kimyasal buharının yığılmasıyla elde edilmektedir.
15
Hacimce %51 bor katılarak 6061 alüminyum alaşımının çekme dayanımı 310 MPa'dan
1417 MPa'a, çekme elastik modülü ise 69 GPa'dan 231 GPa'a yükselmektedir. Al-Bor
kompozit malzemeleri uzay mekiğinin gövde elemanları gibi yerlerde kullanılmaktadır.
Genel olarak bakıldığında metal matrisli kompozitlerin, metallere göre üstün olan
özellikleri şunlardır:
•
Yüksek mukavemet / yoğunluk oranı, başka bir deyişle spesifik mukavemet
•
Yüksek elastiklik modülü / yoğunluk oranı, başka bir deyişle spesifik modül
•
Daha iyi yorulma direnci
•
Yüksek sıcaklıklarda mukavemetini koruyabilme ve düşük sürünme oranı
•
Düşük termal genleşme katsayısı
•
Daha iyi aşınma direnci
Metal matrisli kompozitlerin dezavantajları olarak ise şu maddeler sayılabilir:
•
Sürekli fiber takviyesinin söz konusu olduğu durumlarda zor ve karmaşık üretim
prosesleri (döküm yöntemi hariç)
•
Metallere göre sünekliğin belli oranda azalması
•
Yüksek maliyetli üretim sistemi ve teçhizat
•
Yeni gelişen bir teknoloji olması nedeniyle firmaların ve üreticilerin deneyimsiz
oluşu
Özellikle döküm yönetimi ile üretilen partikül takviyeli MMK malzemeler, sürtünme ve
aşınma dayanımının istendiği alanlarda küçümsenmeyecek oranda endüstriyel
uygulama alanına sahiplerdir.
Örneğin, Al-Grafit ve Al-SiC MMK pistonlar, yüksek aşınma dayanımı sağlamaları ve yakıt
tüketimini azaltmalarından dolayı ön plana çıkmaktadırlar. Bu tür kompozitlerin diğer
kullanım şekilleri yatak malzemesi, elektrik kontak malzemesi ve silindir gömleği
olabilmektedir.
16
MMK MALZEMELERDE KULLANILAN MATRİS MALZEMELERİ
Metal matrisli kompozitler için matris malzemesi olarak genellikle hafif metaller tercih
edilmektedir. Matris malzemesi olarak genellikle Al, Ti, Mg, Ni, Cu, Co ve Zn gibi metaller
ve alaşımları kullanılır.
Matris malzemesi olarak MMK malzemelerde, Al, Ti ve Mg alaşımları yaygın olarak
kullanılmaktadır. Bu alaşımların tercih edilmesinin nedeni düşük yoğunluk ve ergime
sıcaklığına sahip olmaları ve birçok seramik takviye elemanını kolay ıslatabilmeleridir.
Çünkü yüksek performanslı kompozit malzeme üretimi için matris malzemesi, fiberleri
veya partikülleri iyi ıslatabilmeli, iyi bir arayüzey bağı oluşturmalı, mümkün olan en
düşük basınç ve sıcaklıkta hızlı şekilde katılaşma yapabilmeleri gerekmektedir.
Ayrıca üretim esnasında veya bundan sonraki işlemler esnasında, matris ve takviye
elemanı arasında diğer kimyasal etkileşimler olmamalı ve matris kararlı kalmalıdır.
Alüminyum ve Alaşımları
Metal malzemeler içinde Al ve alaşımları, gerek saf olarak gerekse alaşım olarak en
yaygın olarak kullanılan malzeme gruplarından birisidir.
Tablo 2. Saf Alüminyumun önemli fiziksel özellikleri
17
Saf Alüminyumun oksijene ilgisinden dolayı döküm kabiliyetinin kötü oluşu ve düşük
mekanik özellikler göstermesi gibi istenmeyen özellikleri vardır. Alaşımlama yapılarak
bu özelliklerde gelişme sağlanabilmektedir.
Yüksek aşınma dayanımı ve düşük sürtünme değerleri için Al-Si alaşımları, düşük
yoğunluk ve yüksek termal iletkenlik için Al-Mg ve Al-Cu alaşımları matris alaşımı olarak
kullanılabilmektedir.
Al alaşımlarının yaygın kullanılmasının nedenleri;
•
Dayanım / özgül ağırlık oranının yüksek olması,
•
Elektrik iletkenliği /özgül ağırlık oranının yüksek olması,
•
Atmosfere ve diğer ortamlara karşı korozyon direncinin iyi olması,
•
Plastik deformasyon kabiliyetinin iyi olması
Alüminyum alaşımları, üretim yöntemlerine göre Dövme alaşımları ve Döküm alaşımları
olarak iki ana gruba ayrılırlar. Bu iki grupta kendi içinde Sertleştirilebilen ve
Sertleştirilemeyen alaşımlar olarak gruplandırılabilmektedir.
Magnezyum ve Alaşımları
Birçok endüstriyel uygulamada, hafif mühendislik malzemelerine olan talep sürekli
artmaktadır. Magnezyumun yoğunluğu 1.74 gr/cm3 olup, yapısal uygulamalarda
kullanılan en hafif metaldir. Ağırlığı Alüminyumun 2/3, Demirin 1/4, Bakır ve Nikelin ise
1/5’i düzeyindedir. Dolayısıyla magnezyum alaşımlarının, endüstriyel uygulamalardaki
kullanımlarının gelecekte oldukça yaygınlaşacağı beklenmektedir. Buna bağlı olarak ta
Magnezyum esaslı kompozit malzemelerin kullanımı artacaktır.
Magnezyum, Alüminyum kadar mukavemetli değildir. Fakat alaşımlandırıldığında
mekanik özelliklerinde iyileşmeler sağlanabilir. Magnezyum alaşımları, yüksek spesifik
dayanıma, iyi dökülebilirlik özelliğine ve yüksek sönümleme kapasitesine sahiptirler. Bu
nedenle uzay araçlarında, yüksek hızlı makine ve nakliye araçlarında kullanılırlar.
18
Düşük ergime sıcaklığı (650 °C) ve iyi kaynak kabiliyetine sahip olan magnezyum,
yaygın olarak ta bulunabilmektedir.
Ancak Magnezyum Alaşımları;
• Oksijene karşı ilgisinin fazla olması,
• Düşük elastik modülü ve yorulma direncine sahip olması,
• Yüksek sıcaklıkta sürünme dayanımı değerinin düşük olması vb. nedenlerle daha az
tercih edilirler.
Tablo 3. Bazı Mg alaşımlarının bileşimi ve mekanik özellikleri
En önemli alaşım elementleri Alüminyum ve Çinko olup, yaklaşık % 2.5-8 Al ve % 0.5-4
Zn ilave edilir. Bu sayede dayanım artırılabilmektedir.
Magnezyum alaşımları iyi döküm kabiliyetleri yüksek alaşımlardır, Sertleştirilebilen ve
Sertleştirilemeyen türleri mevcuttur.
Aşınma direnci düşük olan Mg ve Al gibi metalik alaşımlara, rijit partikül takviyesi
yapılarak veya grafit gibi yağlayıcı partiküller katılarak aşınma dirençleri yüksek MMK
malzemeler üretilebilir.
19
Titanyum ve Alaşımları
Titanyum ve alaşımları, MMK malzemelerde matris malzemesi olarak yaygın kullanım
alanına sahiptir.
Titanyumun korozyona karşı dayanımı çok iyidir. Yüzeyinde ince bir TiO2 tabakası
oluşturarak, çok iyi korozyon direnci sağlar. Vücut içine konan parçalarda, proses
kazanları vb. yerlerde bu özelliğinden dolayı titanyum ve alaşımları kullanılır.
Ayrıca Ti metali, alüminyumdan daha rijit ve dayanıklıdır. Özellikle çok iyi
mukavemet/özgül ağırlık oranına sahip olduğundan dolayı uçak ve uzay sanayiinde
uygulama alanları bulmuştur.
Metaller arasında Titanyumun ısıl genleşme katsayısı oldukça düşüktür. Özellikle yüksek
sıcaklık uygulamalarında Ti alaşımları oldukça iyi performans gösterir.
En önemli dezavantajı pahalı olmasıdır.
Tablo 4. Ti-6Al-4V alaşımının özelliklerinin diğer alaşımlarla karşılaştırılması
Ti alaşımları matris olarak kullanıldığında, takviye elemanı ile iyi bir yapışma
sağlamakta olup, bu da ara yüzey mukavemetini arttırıcı bir rol oynamaktadır. MMK
malzemelerde en yaygın kullanılan Titanyum alaşımları, Ti-6Al-4V, Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al
ve Ti-17Mo alaşımlarıdır.
Titanyumun matris olarak kullanıldığı kompozit malzemelerde, en yaygın kullanılan
takviye elemanları ise TiC ve SiC’ dür.
20
Bakır ve Alaşımları
MMK malzemeler içerisinde Bakır ve alaşımlarının kullanımı özellikle elektronik
sistemlerde uygulama alanı bulmuştur. Burada bakırın elektriği iyi iletebilme özelliği ön
plana çıkmaktadır.
Genellikle Bakır matris içerisine Grafit partiküller ilave edilerek, düşük termal genleşme
katsayısına sahip, iyi iletken malzemeler elde edilebilir.
Bu malzemeler elektrik
kontaktörleri ve elektronik devre yapımında kullanılmaktadır.
Grafit partiküller katılarak Bakır esaslı matrisin sürtünme ve aşınma özellikleri
iyileştirilebilir. Diğer taraftan katı yağlayıcı olarak grafitin kullanıldığı metal matrisli
kompozit malzemelerin, yatak malzemesi olarak kullanımı kurşun kullanımından
kaynaklanan zehirleyici etkiyi de ortadan kaldırmaktadır.
Ayrıca Al ve Cu alaşımlarının sönümleme kapasitesi içlerine grafit katıldığında önemli
oranda artmaktadır. Japon Hitachi firması tarafından, dökme demirde dahil olmak üzere
titreşimi sönümleyen alaşımlardan daha iyi sönümleme yeteneği olan Gradia adı altında
Al-Grafit veya Cu-Grafit MMK malzemeler üretilmektedir.
Bakırın en önemli dezavantajı ise, diğer bir iletken malzeme olan alüminyuma göre daha
pahalı olmasıdır.
MMK MALZEMELERDE KULLANILAN TAKVİYE MALZEMELERİ
MMK malzemeler üretilirken, takviye elemanının seçimi, üretim tekniği, üretim
esnasında takviye elemanının matris tarafından ıslatılabilmesi, takviye elemanlarının
yapısal özellikleri, kompozit malzemenin fiziksel ve mekanik özelliklerini belirler. Bu
nedenle takviye elemanının doğru seçilmesi ve özelliklerinin iyi bilinmesi gerekir.
Kullanım yerine bağlı olmakla birlikte MMK malzemelerde, genel olarak takviye
elemanından beklenen temel özellikler şunlardır:
21
•
Yüksek elastik modül
•
Yüksek dayanım,
•
Düşük yoğunluk,
•
Matris ile kimyasal uyumluluk,
•
Üretim kolaylığı,
•
Yüksek sıcaklıkta dayanımını muhafaza etmesi,
•
Ekonomik olması.
Metal matrisli kompozit malzemelerde en çok kullanılan takviye elemanları Al2O3, SiC,
Bor, TiC ve Karbondur.
Doğada bir çok seramik parçacık halinde bulunduğundan, bunlar partikül takviyeli
kompozitler için geniş bir aralıkta takviye potansiyeline sahiptir. Partikül takviyeli
kompozitlerin avantajları şunlardır :
•
Sürekli veya kısa fiberlilere göre, partikül takviyeli kompozitler daha ucuzdurlar.
•
Toz metalurjisi ve döküm gibi üretim teknikleri ve bunu takiben haddeleme,
dövme ekstrüzyon gibi geleneksel ikincil işlemler uygulanabilir.
•
İzotropik özellikler gösterirler.
•
Rijitlikleri ve aşınma dayanımları iyidir.
Uygulamalarda mukavemetin yüksek olması gerektiği durumlarda, kısa fiberler veya
whisker katkılı kompozit malzemeler kullanılır. Rijitlik ve mukavemetin en
kombinasyonunu ise sürekli fiber katkılı metal matrisli kompozitler verir. Ancak bu
malzemeler anizotropik özelliklere ve en önemlisi de yüksek maliyete sahiptirler. Metal
matrislerde kullanılan en pahalı takviye elemanı ise Bordur. Ardından sırasıyla SiC,
Karbon ve Al2O3 gelmektedir.
22
Silisyum Karbür ( SiC )
Metal matrisli kompozit malzemelerde kullanılan diğer bir seramik takviye elemanı
SiC’dür. SiC kovalent bağlı bir malzeme olup bu özellik, SiC fibere yüksek elastiklik
modülü kazandırmaktadır.
SiC fiberler genel olarak Karbon veya Tungsten altlık üzerine CVD yöntemi ile
kaplanılarak üretilirler. Yaklaşık 1400°C civarında maksimum kullanım sıcaklığına
sahiptirler.
SiC’ün partikül ve whisker türleri de üretilmektedir. Partikül ve whisker tipinde SiC
takviyeleri ile üretilen MMK malzemelere, ekstrüzyon, haddeleme gibi plastik şekil
verme işlemleri yapılabilmesi de önemli bir avantaj teşkil eder.
SiC’ün en önemli avantajı, maruz kaldığı yüksek sıcaklık şartları altında rijitlik ve
mukavemet özelliklerini muhafaza edebilmesidir.
Oksidasyon direnci yüksek olması ve ergimiş Alüminyum içindeki etkisi Bor fiberlerden
daha iyi olması yanında SiC, Bor fiberlerden daha ekonomiktir.
Ayrıca SiC fiberlerin termal genleşme katsayısı da Alümina ile kıyaslandığında daha
düşüktür.
Karbon
1950’lı yılların ikinci yarısından itibaren kullanılmaya başlamış olan karbon fiberlerin
yoğunluğu düşük, çekme dayanımı ve elastiklik modülü yüksektir. Bu da spesifik
dayanım ve spesifik modül değerlerinin çok yüksek olması anlamına gelmektedir.
Yüksek sıcaklıklara dayanabilen karbon fiberlerin özellikleri, üretimindeki son işlemin
sıcaklığına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Karbon fiberlerde ham madde olarak
Poli-Akro-Nitril (PAN), Selüloz (Rayon) ve Zift (Pitch) kullanılır.
23
Isıl genleşme katsayısı oldukça düşük olan karbon fiberler, yaklaşık 1500 °C ‘ye kadar
mekanik özelliklerini korurlar. 2000°C’den sonra karbon fiberlerde sürünme başlar.
Karbon fiberler azot atmosferinde kararlı olmasına rağmen 450°C üzerinde havada
artan oranda oksitlenirler. Oldukça fazla türde karbon fiber olduğu göz önüne alınırsa,
değişik fiber tiplerine bağlı olarak oksidasyona uğrama oranının da farklılık gösterdiği
söylenebilir. SiC ve B4C kaplamalar karbon fiberlerin oksidasyona karşı direncini
arttırmaktadır.
Alümina ( Al2O3 )
Metal matrisli kompozitlerde ana hedef, düşük yoğunluklu ve yüksek dayanımlı
malzemeler elde etmektir. Bu özellikler genelde yapı içine katılan seramik faz ile
sağlanır. Alüminanın sahip olduğu yüksek sıcaklık dayanımı, yüksek modül ve rijitlik,
takviye elemanı olarak kullanılmasının en önemli nedenlerindendir .
Alüminanın takviye elemanı olarak en yaygın kullanıldığı matris malzemeleri
Alüminyum ve alaşımlarıdır.
Al2O3, SiC ile karşılaştırıldığında daha düşük modül ve dayanıma, daha yüksek yoğunluğa
sahiptir. Fakat Al2O3 maliyet açısından, SiC’e göre daha avantajlıdır
Titanyum Karbür ( TiC )
TiC, yüksek sıcaklıkta mekanik özelliklerini muhafaza edebilmesi nedeniyle kompozit
malzemelerde
takviye
elemanı
olarak
kullanılmaktadır.
Yüksek
sıcaklık
uygulamalarında, yüksek modül, yüksek mukavemet ve iyi sürünme dayanımı gibi
özelliklerini koruyan TiC’ün, diğer takviye malzemelerine göre en büyük dezavantajı
yoğunluğunun fazla olmasıdır (ρ= 4.93 gr/cm3). Bu özelliği, TiC takviye malzemesinin
yaygın olarak kullanımını engellemiştir.
24
Titanyum ve nikel bazlı alaşımlarda, TiC partikül takviyesi yapılması ile kullanım
sıcaklığı 1100°C’nin üzerine kadar çıkarılmıştır. Ayrıca Alüminyum matris, TiC
partiküller ile takviye edilerek, piston ve biyel kolları imal edilmiştir. Bu şekilde
aşınmaya karşı dayanımın arttığı belirlenmiştir.
Bor
Bor fiberler, Borun genelde Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) yöntemi ile Karbon veya
Tungsten altlık (çekirdek) üzerine kaplanması ile üretilir. Üretim aşamasında Bor
fiberin, Al ve Ti gibi metallerle hızla reaksiyona girmesi ve Tungsten tel ile bor kaplama
sırasında reaksiyon oluşması, Borun dış yüzeyine yakın yerde eksenine dik şekilde
basma gerilmeleri oluşmasına neden olur. Bu da bor fiberi kırılgan yapar. Bunu önlemek
için borun üzerine CVD metoduyla SiC veya B4C kaplanır ve kaplama kalınlığı 25-45 μm
kadardır.
Uygulanan ısıl işlem ile hibrid yapı üzerindeki kalıntı gerilmeler giderilir. Fiberin
dayanımını azaltacak aşırı tane büyümesini önlemek için, sıcaklık dikkatlice kontrol
edilmelidir. Bor fiberler çok yüksek elastiklik modülü değerine sahiptir, fakat oldukça
pahalıdırlar.
METAL MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELERİN ÜRETİM YÖNTEMLERİ
Metal matrisli kompozit malzemelerin, geleneksel malzemeler karşısında üstün mekanik
özellikler sergilemesi, son yıllarda bu malzemelerin üretim teknikleri üzerinde daha
yoğun çalışmalar yapılmasına yol açmıştır. Buna rağmen, bu malzemelerin üretim
maliyetleri hala yüksek değerlerdedir. Metal matrisli bir kompozit malzemenin üretim
tekniği; üretilecek parçanın şekline, istenilen mekanik ve fiziksel özelliklere, matrise,
takviye elemanı şekli ve türüne göre belirlenir. Her üretim yönteminin kendine özgü
avantajları ve dezavantajları mevcuttur. Ancak tüm kompozit üretim yöntemleri,
geleneksel malzeme üretim yöntemleri ile karşılaştırıldığında matris ve takviye fazı
arasındaki etkileşimler nedeniyle karmaşıklığıyla dikkat çekmektedir.
25
Üretim yöntemlerini katı faz üretim yöntemleri, sıvı faz üretim yöntemleri ve diğer
yöntemler olarak sınıflandırılabiliriz:
a ) Katı Faz Üretim Yöntemleri
• Toz Metalurjisi Teknikleri
• Difüzyon Bağı Yöntemi
b ) Sıvı Faz Üretim Yöntemleri
• Sıvı Metal İnfiltrasyon
• Sıkıştırma Döküm
• Sıvı Metal Karıştırma
• Plazma Püskürtme
c) Diğer Yöntemler
• Rheocasting ve Compocasting Döküm Teknikleri
• Vidalı Ekstrüzyon
• In-Situ Tekniği
• XD Tekniği
Üretim yönteminin seçiminde, üretilecek mamul veya yarı mamulün önceden belirlenen
fiziksel ve mekanik özelikleri değerlendirilip, şu parametreler dikkate alınarak yöntem
belirlemesi yapılır:
 Çalışma sıcaklığı aralığı
 Takviye malzemesi şekli
 Matris malzemesi ile takviye malzemesinin uyumu
 Matris ve takviye malzemelerinin ek işlem gereksinimi
 Matris malzemesi ile takviye malzemesi arasında oluşabilecek reaksiyonlar
 Elde edilecek üründen istenen boyut tamlığı
 Takviyenin matris malzemesi içerisinde dağılımının homojen olması
 Matris-takviye arayüzey bağının tam olarak sağlanabilmesi.
26
Katı Faz Üretim Yöntemleri
Metal esaslı kompozitlerin yaygın kullanılan döküm, toz metalürjisi ve infiltrasyon gibi
üretim yöntemleri vardır. En yaygın ve ucuz olan döküm tekniği ile; belirli bir
büyüklüğün
altındaki
seramik
parçacıkları
homojen
olarak
matris
içinde
karıştırılamamaktadır. Döküm işleminin gerçekleştirilebilmesi için gerekli olan
akışkanlığı sağlayabilmek için karıştırılan takviye malzemesi oranı sınırlı kalmak
zorundadır. Takviye malzemesinin matris içinde homojen dağılması ve topaklanmaların
parçalanması için, erime sıcaklığının üzerinde bir sıcaklıkta uzun bir süre karıştırma
işlemine devam etmek gerekir. Bu da takviye malzemesi ve matris malzemesi arasında
istenmeyen reaksiyonların oluşmasına neden olmaktadır.
Toz Metalürjisi tekniğinin pahalı olmasına karşılık bu yolla istenilen oranda ve istenilen
büyüklükte tozların ara yüzeyde reaksiyon oluşturmaksızın karıştırılarak kompozit
üretilmesi mümkün olmaktadır.Toz metalürjisi ile kompozit üretimi üzerinde bir çok
çalışmalar yapıImış olmasına rağmen henüz geniş ölçüde endüstriyel kullanıma geçmiş
değildir.
Toz Metalurjisi Tekniği
Metal matrisli kompozit malzemelerin üretiminde kullanılan en yaygın yöntemlerden
biri
toz
metalurjisi
tekniğidir.
Seramik
partiküllerin
sıvı
metal
tarafından
ıslatılmasındaki güçlük nedeniyle toz metalurjisi ile kompozit üretimi ilk geliştirilmiş
tekniklerden birisidir. Bu teknikte genel olarak partikül veya whisker formunda takviye
elemanları ile toz haldeki metal kullanılarak, metal matrisli kompozit malzeme
oluşturulur. Yaygın kullanılan takviye elemanları SiC , Grafit ve TiC, en çok kullanılan
matris malzemeleri ise Al ve Ti’dir.
İstenilen forma sahip bir kalıp içerisinde preslenerek ön mukavemet kazandırılan tozlar
daha sonra sinterlenerek mukavemetlendirilir.
27
Sıcak preslemede, presleme ve sinterleme işlemleri birarada yapılır. Toz halindeki
matris metali , whisker veya elyaf şeklindeki pekiştiriciler karıştırılarak preslerde
şekillendirilirler.
Soğuk presleme uygulandığında boşluksuz, kompakt bir yapının elde edilmesi için
yüksek basınç uygulanır bu da pekiştiricilerde (takviye malzemesinde) hasara sebep
olur. Bu nedenle sıcak presleme uygulaması tercih edilir.
Şekil 3. Metal matrisli kompozit malzemelerin toz metalurjisi tekniği ile üretim aşamaları
Toz metalurjisi yöntemiyle metal matrisli kompozit malzeme üretiminde, matris ve
takviye elemanlarının tozları öncelikle karıştırılır ve istenen şekli verebilecek bir kalıbın
içine boşaltılır. Daha sonra bu toz karışımını sıkıştırabilmek amacıyla basınç uygulanır.
Ardından toz parçacıkları arasındaki birleşmeyi kolaylaştırmak amacıyla sıkıştırılmış toz
karışımı yeterli miktarda katı hal difüzyonu oluşturacak şekilde ergime noktasının
altında bir sıcaklıkta sinterlenir .
28
Toz presleme ve sinterlemenin ayrı ayrı yapıldığı bu yöntemde elde edilen malzeme
yoğunluğu çok iyi değildir. Bu nedenle artık günümüzde yaygın olarak sıcak presler (HP)
kullanılmaktadır. Bu işlemde tozlar karıştırıldıktan sonra, toz sıkıştırma ( presleme ) ve
sinterleme işlemi aynı anda yapılır. Bir başka deyişle, toz karışımı sıcak preslenir. Bu
şekilde yoğunluk artarken, takviye - matris arayüzey bağıda önemli ölçüde kuvvetlenir.
Sıcak presleme sonucunda üretilen parça ekstrüzyon, haddeleme ve dövme gibi ikincil
işlemlerin ardından kullanıma hazır hale gelir.
Bir diğer alternatifte izostatik sıcak preslemedir (HIP). Bu yöntem ise son şekle yakın,
çok yüksek yoğunluklu malzeme üretimi için daha uygundur. Ancak oldukça pahalıdır.
Toz metalurjisi yöntemi ile üretilen parçaların genelde sıvı hal üretim yöntemleriyle
üretilmiş parçalardan daha iyi mekanik özelliklere sahip oldukları bilinmektedir.
Özellikle partikül takviyeli metal matrisli kompozitlerin üretiminde bu yöntemin tercih
edilmesinin nedenleri (avantajları) şu şekilde sıralanabilir ;
• Toz metalurjisi (TM) ile üretilen metal matrisli kompozit malzemelerin üretimi daha
düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilmektedir. Bunun sonucunda matris ve takviye elemanı
arasında daha az etkileşim olmaktadır. Böylece mekanik özelliklerin azalmasına neden
olan istenmeyen arayüzey reaksiyonları en aza indirgenmiş olmaktadır.
• Takviye elemanının matris içinde homojen dağılımının sağlanabilmesi ancak TM
yöntemiyle gerçekleştirilebilmektedir. Döküm metotlarında tam homojen olmayan
parçacık dağılımı elde edildiğinden TM yöntemi tercih edilmektedir.
• Döküm tekniği yerine TM yöntemi kullanılarak parçacık veya whisker takviyeli
kompozit üretimi hem daha kolay olmakta hem de daha homojen yoğunluklu kompozit
parça üretilebilmektedir.
• Toz Metalurjisi yöntemiyle partikül takviyeli metal matrisli kompozit üretiminde
takviye partiküllerin kontrolü mümkün olduğundan, yapının kontrolü de mümkündür.
Çünkü yapı içerisinde dağılmış partikül boyutları ile yapının mekanik özellikleri
arasında direkt ilişki vardır.
29
• Yüksek takviye hacim oranının elde edilmesi mümkün olmaktadır. Bundan dolayı da
yüksek
modüllü,
düşük
termal
genleşme
katsayısına
sahip
kompozitler
üretilebilmektedir.
Toz Metalurjisi yönteminin üstünlüklerine rağmen bazı dezavantajları da mevcuttur:
• Toz karıştırma işlemi sırasında, kısa fiber takviyesinin yapıldığı uygulamalarda kısa
fiberler kırılabilmektedir.
• Büyük parçalar için çok yüksek basınç gerektirmesi maliyeti arttırır. Sıcak presleme
sonrası genelde parçaya son şeklini vermek için ekstrüzyon, haddeleme veya dövme gibi
ikincil işlem yapmak gereklidir.
• Bunlara ek olarak, toz kullanımı temizlik gerektirir. Aksi halde yabancı maddeler,
artıklar vb. malzeme içine nüfuz ederek mekanik özellikler üzerine olumsuz etki
yapabilmektedir.
Difüzyon Bağı Yöntemi
Difüzyon bağı oluşturma işlemi, katı halde kompozit malzeme üretim tekniklerinden en
pratik olanlarından birisidir. Bu yöntem vakumda presleme yöntemi olarakta
isimlendirilmektedir. Yöntemde, matris malzemesi metal folyo veya levha şeklinde
kullanılmaktadır.
Difüzyon bağı yönteminde, takviye elemanları metal folyolar üzerine istenilen açıda ve
miktarda yerleştirilebilmekte ve bu işlemler tamamlandıktan sonra ergime sıcaklığına
yakın bir sıcaklık altında basılarak veya haddelenerek matris ile takviye arasında bir bağ
oluşturulmak suretiyle kompozit malzeme üretilmektedir.
30
Üretilen kompozit malzemenin dayanımı difüzyon bağına bağlıdır. Bu işlemde difüzyon
bağı oluşumu için matris malzemesi ve takviye yüzeylerinin çok temiz ve oksitsiz olması
gerektiğinden kimyasal olarak temizleme işlemleri yapılmaktadır.
Şekil 4. Difüzyon bağı (vakumda presleme) yöntemi ile kompozit malzeme üretimi
Difüzyon bağı oluşturma işleminde; sıvı halde üretim tekniğinde karşılaşılan
problemlerden birisi olan takviye malzemelerinin bozulma veya ayrışmasına pek
rastlanmamaktadır. Bunun sebebi, işlemlerin sıvı halde üretim tekniğine göre daha
düşük sıcaklıklarda gerçekleşmesidir.
Vakum altında yapılan haddelenerek difüzyon bağı oluşturma işlemi, gaz altında veya
atmosfer basıncında yapılan işlemlerden daha verimli ve başarılıdır. Ancak yöntem
31
oldukça
pahalı
bir
yöntem
olup
sınırlı
malzeme
formu
ve
çeşidi
ile
gerçekleştirilmektedir.
Difüzyon bağı yönteminde matris malzemesi olarak Al ve Ti alaşımları, takviye
malzemesi olarak da SiC, Al2O3, Bor ile Karbon gibi tek fiber yada fiber demetleri
kullanılmaktadır.
SIVI FAZ ÜRETİM YÖNTEMLERİ
Sıvı Metal İnfiltrasyon Yöntemi
Metal matrisli kompozitlerin üretim metotları arasında yaygın olarak kullanılan bir
tekniktir. Bu işlemde esas prensip, bir kap veya tüp içerisine yerleştirilmiş fiberler
arasına sıvı halindeki metal matrisin emdirilmesidir.
İlk
işlem
olarak
istenilen
profilde
ön
şekillendirme
yapılmakta,
fiberlerin
yönlendirilmesi ve hacimsel oranı bu aşamada ayarlanmaktadır. Ön şekiller kalıba bir
bağlayıcı ile tutturulduktan sonra kalıp içerisine ergimiş metal emdirilmekte ve
katılaşmaya bırakılmaktadır.
Ergimiş metalin emdirilmesi fiber hacim oranının yüksek olduğu durumlarda biraz daha
zordur. Fiberler arası mesafenin az olduğu bu gibi durumlarda ergimiş metal ya basınç
altında veya vakumla emdirilmektedir. Böylece matrisin, fiberlerin arasına girmesiyle
açığa çıkacak atıl gazlar da yapı içerisinde sıkışmayarak dışarı atılmaktadır.
Hızlı ve yüksek üretim kapasitesine sahip olması ve son ürün şekline yakın üretim
imkanı sağlaması gibi avantajları nedeniyle bu teknik, metal matrisli kompozit malzeme
üretiminde önemli bir yer edinmiştir.
Sıvı metal infiltrasyon işlemi; atmosfer basıncında, yüksek basınç altında, koruyucu gaz
atmosferi altında ya da vakum şartlarında yapılabilir. İşlemlerin vakum altında
32
yapılması fiberlerin yüzey aktivitesini arttırdığından dolayı ergimiş metalin ıslatma
kabiliyeti artmakta ve kompozitin kalitesini olumlu yönde arttırmaktadır.
Uygulamada karşılaşılan bazı problemler bu yönteme sınırlamalar getirmektedir.
Sıkıştırma Döküm Yöntemi
Sıkıştırma döküm yöntemi; metal bir kalıp içerisine yerleştirilen, ön ısıtma yapılmış,
seramik fiber veya başka bir takviye malzemesinden oluşmuş ön şekle, kuvvet
yardımıyla ergiyik metalin emdirilmesi ve böylece sıkıştırılan ergiyik metale yüksek
basınç uygulanarak katılaştırılması işlemidir.
Şekil 5. Sıkıştırma döküm yöntemi
Bu fikir başlangıçta 1878'de Chernov tarafından, katılaşmakta olan ergiyik malzemeye,
buhar basıncı uygulanması şeklinde önerilmiştir. Ancak, yöntemin ticari hale getirilmesi
son yıllarda olmuştur ve esas olarak Avrupa ve Japonya'da bu konuda yoğunlaşılmıştır.
Bu yöntem, takviyeli ve takviyesiz, yüksek hassasiyetli mühendislik parçalarının
üretilmesinde kullanılmaktadır.
C, SiC, AI2O3 ve paslanmaz çelik fiber gibi çoğu takviye malzemesi, ergiyik metalle uygun
bir şekilde ıslanmadıkları için, infiltrasyon yöntemiyle kompozit malzeme üretimi
33
zordur. Buna karşılık, sıkıştırma döküm tekniğinde ergiyik metal, fiber demetlerinden
oluşan ön şekil içerisine kuvvet yardımıyla emdirilir; bu arada absorbe olmuş ve
sıkışmış gazlar da atılır.
Ayrıca, whisker veya partiküller ergiyik metalle, sıkıştırma döküm öncesinde
karıştırılabilmekte ve SiC, Al2O3 partikülleri ve Si3N4 wishkerleri içeren Al alaşımı
matrisli kompozit malzemeler bu şekilde üretilebilmektedir.
Sıkıştırma döküm yöntemiyle üretilen kompozit malzemelerin kalitesini etkileyen işlem
değişkenleri; kalıp ön ısıtma sıcaklığı ve uygulanan basınç miktarıdır. Ayrıca, sıkıştırma
hızı ve takviyeler arası boşluk da işlemi etkileyen faktörlerdir.
70-100 MPa'lık basınçların uygulanmasıyla, katılaşma süresinin çok kısa tutulması
nedeniyle, matris ile takviye malzemesi ara yüzeyinde reaksiyon meydana gelmemesi,
boşluksuz ve yüksek dayanımlı kompozit malzemelerin elde edilmesini sağlar. Bu da
birçok türde takviye ile kompozit malzeme üretimine olanak sağlar.
Al2O3-Al, C-Mg, SiCw-Al, Si3N4W-Al kompozit malzemeleri, bu yöntemle kolaylıkla
üretilebilirler.
Otomotiv, havacılık, spor ve diğer alanlarda MMK'lerin kullanımındaki yıllık %12-15'lik
artış oranı, sıkıştırma döküm gibi üretim yöntemlerinin kullanımının faydasını açık bir
şekilde ortaya koymaktadır.
Yüksek basınç gerektirmesi ve parça boyutunda sınırlamalara neden olması bu
yöntemin en büyük dezavantajı olmakla birlikte, pratik kullanımda sıkıştırma döküm
yöntemi, kısa zamanda, karmaşık şekilli MMK parça üretimi için en verimli yöntemdir.
Plazma Püskürtme (Metal Püskürtme ) Yöntemi
Özellikle parçacık takviyeli MMK malzemelerin üretiminde kabul görmüş bir yöntemdir.
Plazma püskürtme, atomize edilmiş ergimiş metal parçacıklarının takviye elemanları
34
üzerine istenilen kalınlıkta püskürtülmesi işlemidir. Püskürtülen ergiyik metal
parçacıkları, takviye elemanlarına yapışmakta ve hızla katılaşmaya başlamaktadır. Bu
tip üretim yöntemi alüminyum gibi ergime sıcaklığı düşük olan metallerde
uygulanmaktadır.
Bu üretim metoduyla matris malzemesi takviye elmanı üzerine istenilen kalınlığı
verecek şekilde püskürtülerek karmaşık şekilli parçalar üretilebilir. Bu yöntem
takviyeler arası mesafenin kontrolü ve takviyelerin daha rahat yönlendirilebilmesi gibi
avantajlara sahiptir.
Üretim esnasında ergimiş metal zerrecikleri takviye elemanına temas eder etmez
katılaştığından sıvı halde üretim tekniğinin dezavantajlarından olan takviye-matris
arasında oluşan ara yüzey reaksiyon problemleri en aza indirgenir. Bu yöntemle en çok
alüminyum-bor kompozitleri üretilmektedir. Bunun yanında Al-SiC partikül takviyeli
kompozitlerde üretilmektedir.
Koruyucu gaz jeti ile birlikte ergimiş veya toz halindeki matris malzemesine yine toz
haldeki takviye malzemesinin katılıp beraberce bir katman üzerine püskürtülmesi
yöntemi "Osprey yöntemi" olarak adlandırılmıştır. Katman kalınlığı ve işlem süresi
kontrol edilebilen yöntemle düşük porozite değerleri elde edilebilmekte ve bu yöntem
özellikle SiC partikül takviyeli kompozit üretiminde sıklıkla tercih edilmektedir.
Şekil 6’da Osprey yöntemi gösterilmiştir.
Şekil 6. Osprey yöntemi
35
Sıvı Metal Karıştırma Teknikleri
Sıvı metal karıştırma tekniklerinde, ön ısıtma yapılmış veya ön işlemlerden geçerek
hazırlanmış takviye malzemeleri, sürekli karıştırılan ergimiş metal içerisine değişik
yöntemlerle katılmakta ve daha sonra döküm işlemi yapılmaktadır.
Takviye malzemesini sıvı metal içine karıştırmak için geliştirilen yöntemlerden bazıları
aşağıdaki gibidir:
•
Bir enjeksiyon tabancası kullanarak takviyenin ergimiş metal içerisine
enjeksiyonu
•
Ergimiş metal kalıba dökülürken takviye ilavesi
•
Mekanik bir karıştırıcı ile ergimiş metal içerisinde vorteks oluşturma ve
takviyenin vorteks içine verilerek karışımın sağlanması
•
Karşılıklı hareket eden çubuklar kullanılarak parçacıkların sıvı metal içine
atılması
•
Merkezkaç etki ile ince parçaların sıvı metal içerisine dağıtılması
•
Ultrasonik etki ile sıvı titreştirilirken takviyenin ilavesi
•
Çok yüksek vakum altında uzun süre de sıfır yerçekimi etkisi ile karışım
sağlanması
Karıştırma işleminin atmosfere açık olarak yapılması ergimiş metalin atmosferden gaz
alması problemini oluşturduğundan dolayı işlemin koruyucu gaz veya vakum altında
yapılması önerilmektedir.
Yöntem kolay ve ucuz bir yöntem olmasına rağmen literatürde, çökelme, topaklanma,
segregasyon oluşumu, istenmeyen ara yüzey reaksiyonlarının oluşumu, takviye
malzemesinin karıştırma esnasında hasar görmesi gibi sorunların oluştuğu da
belirtilmektedir.
36
DİĞER ÜRETİM YÖNTEMLERİ
Rheocasting ve Compocasting Döküm Tekniği
Rheocasting ve Compocasting olarak bilinen döküm yöntemleri kısa fiber veya partikül
takviyeli metal matrisli kompozit malzemeler için uygulanan yöntemlerin en
ekonomiklerinden biridir.
Matris malzemesi, karıştırma üniteli bir ergitme fırınının içine yerleştirilip ergime
sıcaklığının 40-50 °C üzerinde ısıtılmakta, sıcaklık homojenize edilmekte ve sıvı metal
sıcaklığı kontrollü olarak düşürülmektedir. Alaşım %40-50 katı hale geldiğinde matris
malzemesinin içine takviye malzemesi eklenmeye başlamaktadır. Takviyenin ilavesi
esnasında sıcaklık yükseltilmeye başlamakta ve takviyenin tamamı iyi şekilde
ıslatılıncaya kadar sıcaklık arttırılarak karıştırma işlemi devam etmektedir.
Nispeten düşük viskoziteye sahip karışım doğrudan basit kütük şeklinde dökülebilir, bu
durumda yöntem "Rheocasting" adını almakta eğer karışım ergime sıcaklığı üzerinde
karıştırılarak döküm gerçekleştirilirse "Compocasting" adı verilmektedir.
Vidalı Ekstrüzyon
Polimer ürünlerin işlemleri için geliştirilen ve kullanılan vidalı ekstrüzyon yöntemi Dow
laboratuvarları tarafından Mg alaşımı esaslı kompozit malzeme üretimi için
kullanılmıştır.
Yöntemde matris malzemesini oluşturacak olan Mg, küçük parçacıklar halinde takviye
partiküller ile birlikte bir haznenin içine doldurulur. Haznenin ağzı, hazırlanan
karışımın, vidalı ekstrüzyon sisteminin içerisine kolayca doldurulabilmesi için uygun bir
geometride yapılmıştır. Hazneden beraberce ilerleyen matris ve takviye malzemesi aynı
anda hem ısıtılıp hem de karıştırılmaktadır. İlerleme esnasında matris malzemesi
ergime sıcaklığı civarına geldiğinde yarı katı yarı sıvı haldeki karışım sistemin
sonundaki kalıp içine beslenir.
37
Bu yöntemle sürekli formda kompozit malzeme üretimi yapılabilmektedir.
In-Situ Tekniği
In-Situ tekniğinde, bir ötektiğin yönlenmiş olarak katılaştırılması ile iki fazlı bir yapı
ortaya çıkmaktadır. Fazlardan biri matris diğeri ise matris içine dağıtılmış lamel, plaka
veya fiber şeklinde fazdır.
Uygulamaların çoğu alüminyum, nikel ve kobalt esaslı alaşımlar kullanılarak
yapılmaktadır. Tek işlemle elde edilirler ve içyapıları oldukça kararlıdır.
XD Sentezi Tekniği
Martin Marietta tarafından geliştirilen yöntem, takviye fazın sıvı metal içer,sinde bir
bileşik ilavesi ile oluşturulması prensibine dayanmaktadır. Bu yöntem ile sıvı metal fazı
içerisinde pek çok seramik bileşik oluşturulabilmektedir.
Partiküller sıvı metalin içinde oluşturulduğundan tek kristalli ve oksitlenmemiş ara
yüzeylere sahiptir. Oluşan parçacık boyutları, proses parametrelerinin etkisiyle 0,2-10
μm arasında değişmektedir.
Ergitilmiş Matrisin Sızdırılması ve Sıcak Preslenmesi
Çoğunlukla cam seramik matrislerin üretimi için tercih edilen yöntemdir. Whisker
halindeki fiberlerin, matris malzemesini içeren sıvı içinde dağılması sağlanır. Elde edilen
ergitilmiş matris, kalıpta sıcak preslenir.
Eğer takviye malzemesi olarak süreksiz fiberler kullanılacaksa Sıcak İzostatik Presleme
tekniği (HIP) uygulanır.
38
Cam seramikler bu tekniğin uygulanmasına çok yatkındırlar. Çünkü pekiştirme düşük
sıcaklıklarda (800-1000°C) ve basınçta gerçekleştirilebilir.
Düşük sıcaklıklarda işlem yapılması zararlı fiber-matris reaksiyonlarının minimuma
inmesini sağlar. Uygulanan düşük basınç da fiberlere gelen mekaniksel zararı azaltır.
Kimyasal Buhar Kaplama ve Sızdırma
Bu yöntem 800°C gibi düşük sıcaklıklarda uygulanabilir ve malzeme üzerine herhangi
bir basınç uygulanması gerekmez. Avantajları:
 Karmaşık şekilli parçalar bu metodla üretilebilir.
 Ekonomik , düşük maliyetli bir sistemdir.
Bu yöntemin dezavantajları ise şunlardır;
 Yavaş bir tekniktir.
 Hiçbir zaman istenilen yoğunluk sağlanamaz.
 İmal edinilecek parçaların boyutları sınırlıdır
Şekil 7. SiC-SiC Matrisli Seramik Matrisin Kimyasal Buhar Sızdırma Teknigi İle Elde
Edilmesi
39
Kimyasal Reaksiyonla Bağlama
• Silisyum nitratla takviyelenmiş silisyum karbür (SiC) bu metodla üretilir. Fiber önce
silisyum ile temas ettirilir. Sonradan azot ile sinterlenerek fiberin etrafında silisyum
nitrat oluşumu sağlanır. Silisyum, fiberin üzerine püskürtülerek kaplanabilir.
Bu metodla yüksek kimyasal özellikler kazandırılmasına karşın, bu melot şu anda sadece
basit şekilli parçalara uygulanabilmektedir.
METAL MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ
Metal matrise sürekli fiber takviye ilave edilmesi halinde elde edilen MMK malzemelerin
özelliklerinin büyük bir kısmı karışım oranları kanununa (ROM) göre belirlenirken, kısa
fiber veya partikül katkılı metal matrisli kompozitlerde bu durum söz konusu değildir.
Metal matrisli kompozitlerde malzeme özellikleri katkı hacim oranı ile uyumlu değişim
göstermektedir.
Metal matrisin cinsi, takviyenin cinsi, şekli, boyutu, dağılımı, miktarı, üniform dağılması,
kompozitin üretim yöntemi ve işlem parametreleri, mikroyapı içinde oluşan fazlar,
matris ile katkının kimyasal uyumluluğu, ek olarak termomekanik ve ısıl işleme tabi
tutulması gibi birçok etken MMK malzemelerin özelliklerinin belirlenmesinde rol
oynamaktadır.
Yoğunluk
Yoğunluk, MMK malzemelerin en önemli özelliklerinden birisidir. Katkı olarak kullanılan
malzemelerin yoğunlukları genelde matris alaşımınınkine yakındır ve dolayısıyla metal
matrisli kompozitin yoğunluğunu pek değiştirmemektedir. Bununla birlikte genel olarak
katkı malzemesi, matris malzemesinden daha rijit ve daha mukavemetlidir. Bu özellik
metal matrisli kompozitlerin kullanımında en önemli faktörlerden olan, spesifik modül
40
ve spesifik mukavemet gibi özelliklerin, metal malzemelere oranla çok üstün olması
sonucunu ortaya çıkarmaktadır
Tablo 5. Bazı malzemelerin spesifik modül değerleri
Elastiklik Modül
Metal Matrisli Kompozit malzemelerde, elastiklik modül, takviye hacim oranının artışı
ile belirgin bir şekilde yükselir. Takviye elemanı olan partikül veya fiberin elastiklik
modülünün, metal matris malzemesinin elastiklik modülünden fazla olması bu artışın en
temel nedenidir. Bu artışta takviye şeklide bir faktör olmakla birlikte, elastiklik
modülünün belirlenmesinde etkin olan faktör, takviye malzemesinin hacim oranıdır.
Tablo 6. Partikül takviyeli Al MMK malzemede, partikül hacim oranına bağlı olarak
elastisite modülünün artışı
41
MMK malzemeler oda sıcaklığında takviye edilmemiş metal alaşımlarına göre göstermiş
oldukları
yüksek
elastiklik
modülü
özelliklerini,
yüksek
sıcaklıklarda
da
sürdürmektedirler.
Tablo 7. % 20 hacim oranında Al2O3 takviyeli Al 2124-T6 alaşımında elastiklik modülünün
sıcaklığa bağlı olarak değişimi
Mukavemet
Metal matrisli kompozit malzemelerde mukavemet, takviye elemanının hacim oranının
artışı ile artar. Takviye hacimsel oranı ve takviye boyut oranına bağlı olarak kompozit
mukavemeti matematiksel olarak ifade edilebilmektedir. Ancak bu ifadelerde mikroyapı
modifikasyonları, dislakasyon yoğunluğu, ısıl işlem sertleşmesi gibi faktörler göz önüne
alınmadığı için elde edilen sonuçların geçerliliği azalmaktadır.
Oda sıcaklığında, 6061 (Al-Mg-Si) matrisli SiC partikül takviyeli kompozit malzemede
partikül hacim oranına bağlı olarak elastiklik modülü, akma ve çekme mukavemetinin
değişimi aşağıdaki tabloda gösterilmiştir.
42
Tablo 8. 6061Al-SiC kompozit malzemesinde, partikül hacim oranına bağlı olarak bazı
mekanik özelliklerin değişimi.
Sürekli fiber takviyeli kompozitlerde dayanım, partikül takviyelilere oranla daha
fazladır. Tek yönlü fiberle takviye edilmiş kompozitlere bir kuvvet uygulandığında
kompozit elastik deformasyona uğrar.
Matris, fiber ve kompozitin uzama miktarları aynı kabul edilir. Kısacası εm = εf = εc’dir.
Kısa fiber veya partikül takviyeli kompozitlerde ise bu eşitlik geçersizdir.
Mukavemet artışının büyüklüğü aynı zamanda, matris alaşımının mikroyapısına da
bağlıdır. Yaşlandırma sertleşmesine tabi tutulmuş alaşımlar iç gerinimlere karşı daha
hassastırlar ve gerinim artışı ile şekil verme oranı, hızlı bir azalma gösterir.
Bir kompozitte, dayanım artışı elde edilebilmesi, kompozit malzemede meydana gelen
gerilmeyi matristen daha mukavemetli olan takviye partikülüne transfer edebilme
yeteneğine bağlıdır. Bu da partikül ile matris arasında kuvvetli bir arayüzey bağlantısı
ile olur. Arayüzey bağı zayıf olduğu zaman, malzemeye herhangi bir gerilme
uygulanması durumunda, gerilme takviye partiküle transfer olamadan hasar meydana
gelecektir.
43
Kompozit, mukavemet açısından takviyesiz matristen bile daha zayıf olacaktır. Çünkü
yükü çeken efektif alan azalacaktır. Bu nedenle metal matrisli kompozit malzemelerde
takviye-matris arayüzey bağının iyi olması gerekmektedir. Bu yönde yapılan çalışmalar,
parçacık yüzeyine kaplama yapılması, ısıl işlem uygulanması veya matris bileşiminin
ayarlanması şeklindedir.
Eğilme mukavemeti açısından bakıldığında ise, uygulanan ısıl işlemlerin ve takviye
malzemelerinin etkisinin önemli olduğunu görülmektedir. Isıl işlem, malzemenin eğilme
mukavemetini arttırabilmektedir. Belli bir noktadan sonra, ısıl işlem sıcaklığının artması
ile mukavemet değerleri azalır. Bunun yanında, kompozitteki takviye fazının miktarının
artmasının eğilme mukavemeti değerini düşürdüğü görülmüştür. Bunun nedeni ise
takviye fazı miktarının artması ile kompozitin sünekliğinin azalmasıdır. Partiküllerin
homojen dağılması da, izotropik özelliklerin sağlanması açısından önemlidir.
Partiküllerin homojen dağılımının, en iyi oranda sağlanabildiği üretim yöntemi ise toz
metalurjisi yöntemidir.
Şekil 8. Partikül takviyeli MMK malzemelerde partikül çapının
çekme mukavemetine etkisi.
Yapılan araştırmalardan ortaya çıkan sonuçlara göre MMK malzemelerin dayanımı
aşağıdaki özelliklere bağlı olarak değişmektedir:
44
•
Partiküllerin oranına,
•
Partiküllerin büyüklüğüne,
•
Partiküllerin homojen dağılımına,
•
Partiküllerin özelliklerine,
•
Matris malzemesinin özelliklerine
•
Ara yüzey özelliklerine
% Uzama (Süneklik)
Metal matrisli kompozit malzemelerdeki en önemli dezavantaj süneklikteki azalmadır.
Yüzde uzama değeri, takviye elemanı oranının artmasıyla hızlı bir şekilde azalmaktadır.
Yapılan çalışmalar, kompozit malzemedeki hasarın, partikül kırılması ve matris
içerisindeki partikül yığılmaları arasında oluşan boşlukların birlikte etkisi sonucu
oluştuğunu göstermektedir. Bunun nedeni, iri parçacıkların daha fazla gerilmeye maruz
kalması ve daha fazla çatlak başlangıç hatası içermesidir.
Partikül yığılması ile meydana gelen hasarın nedeni, bu bölgede oluşmuş üç eksenli
gerilmeye bağlanmaktadır. Çalışmalar partikül kırılmasını engellemek için, kaba
partiküllerden kaçınılması gerektiğini göstermiştir. Partikül kırılmasını engellemek ve
partiküle verimli bir şekilde yük transfer etmek için yüksek bir ara yüzey mukavemeti
gereklidir.
Ayrıca partikül dağılımı da kompozitin uzamasına etki edecek, homojen bir dağılım
kopma uzamasını arttıracaktır. Ekstrüze edilmiş malzemede, partikül dağılımı daha
homojendir ve bu da % uzama değerini artırır.
45
Tablo 9. 6092 ( Al-Mg-Si)-SiC kompozit malzemesinde, partikül hacim oranına
bağlı olarak sünekliğin değişimi
Çizelgede 6092 (Al-Mg-Si)-SiCp kompozit malzemesinde, partikül hacim oranına bağlı
olarak sünekliğin değişimi görülmektedir. Belli bir hacim oranında, maksimum uzama
elde etmek için gerekli özellikler şunlardır:
 Homojen partikül dağılımı ince ( <10 μm),
 Homojen partikül boyutu,
 Yüksek ara yüzey mukavemeti,
 Sünek bir matris
Yüksek Sıcaklık Dayanımı
Metal matrisli kompozit malzemelerin ticari açıdan önemli bir özelliği de yüksek sıcaklık
dayanımıdır. Bu özelliği sağlayan en önemli faktör seramik esaslı takviye malzemesinin
yüksek sıcaklıkta göstermiş olduğu dayanımdır. Şekil 9’da Al 6061 metal matrisli
kompozitte, SiC whisker takviyesinin sıcaklık dayanımı üzerine etkisi gösterilmiştir.
Şekil’de görüldüğü gibi whisker takviyesi ile malzeme, yüksek sıcaklıklarda daha iyi
mukavemet göstermektedir.
46
Şekil 9. Al 6061 metal matrisli kompozitte, SiC whisker takviyesinin ve sıcaklığın
dayanıma etkisi
Şekil 10. Bazı metal matrisli kompozitlerde sıcaklığa bağlı olarak
spesifik çekme mukavemetinin değişimi
Kırılma Tokluğu
Kırılma tokluğu değeri, çatlak oluşumuna ve ilerlemesine karşı direncin bir
göstergesidir. Yüzde uzama değeri fazla olan, yani plastik deformasyon kabiliyeti fazla
olan malzemelerin kırılma tokluğu değeri yüksektir. Genelde takviye oranının artması ile
tokluk düşmektedir. Bu düşüş % 0’dan %10 takviye oranına kadar oldukça belirgindir.
Yüksek takviye hacim oranlarında ise bu düşüş çok azdır. Yaşlandırılabilen matrislerde,
yaşlandırma işlemi ile tokluk bir miktar azalır. Partikül boyutunun büyük olması da
kırılma
tokluğunu
arttırır.
Metal
matrisli
47
kompozit
malzemelerde
tokluğun
optimizasyonu ve değerlendirilmesinin zor olmasının nedeni pek çok parametreye bağlı
olmasından dolayıdır.
Metal matrisli kompozitlerin toklukları aşağıdaki faktörlere bağlıdır:
•
Takviye fazı özellikleri ve tipi,
•
Takviye elemanı miktarı ve doğrultusu,
•
Matris alaşımları ve özellikleri,
•
Matris-takviye elemanı ara yüzeyi bağı,
•
Uygulanan üretim metodu ve takviye elemanının dağılımı,
•
Porozite seviyesi ve matris içindeki yığılma etkisi gibi mikroyapısal değişiklikler
Aşağıdaki çizelgede bazı partikül takviyeli metal matrisli kompozit malzemelerin kırılma
tokluğu değerleri verilmiştir:
Tablo 10. Bazı partikül takviyeli metal matrisli kompozit malzemelerin
kırılma tokluğu değerleri.
Termal Genleşme
Özellikle seramik ve karbon takviye malzemelerinin düşük termal genleşme katsayısına
sahip olmalarından yararlanılarak, düşük termal genleşme katsayısına sahip MMK
malzemelerin üretimi mümkün olmaktadır.
48
Bu özelliklerden yararlanılarak değişik oranlarda kullanılan takviye malzemeleri ile
üretilen MMK malzemeler, mikro elektronik parça imalatında, hassas ölçme cihazlarında
ve düşük ısıl genleşme özelliği aranan parçaların imalinde kullanılabilmektedirler.
Havacılık ve uzay uygulamalarında da, çok düşük ısıl genleşme katsayılı kompozit
malzemeler (Al matris-C takviye) oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Buna örnek
olarak Hubble uzay teleskopunda anten destek yapılarının karbon fiber takviyeli Al
MMK malzemlerden yapılmasını gösterebiliriz.
Bu kullanımda göz önüne alınan en önemli iki faktör, yüksek eksenel modül değeri ve
sıfıra yakın termal genleşme katsayısıdır. Bu sayede güneş ışınlarına direkt olarak maruz
kalınan bölgelerde boyutsal stabilite sağlanmaktadır.
Şekil 11. Bazı metal matris malzemeleri ve takviye elemanlarının
termal genleşme katsayılarının sıcaklıkla değişimi
49
Tablo 11. Al ve Cu metal matrisli kompozit malzemelerde takviye hacim oranının artışı ile
termal genleşme katsayısının değişimi
Şekil 12. Alüminyum metal matrisli kompozit içerisine SiC partikül katılmasıyla ısıl
genleşme katsayısının değişimi ve buna eşdeğer bazı malzemeler
Yorulma
Malzemelerin statik zorlanmada dayanabileceği maksimum gerilmeden daha düşük,
tekrarlanan gerilmelerin etkisiyle hasara uğramasına yorulma denir. Yorulmadan
kaynaklanan kırılmalar çevrimsel gerilmeler sonucu oluşarak, çatlak başlangıcı, çatlağın
kritik boyuta ilerlemesi ve kırılma olarak gerçekleşir. Çatlak başlangıcında olduğu gibi
50
çatlak ilerlemesinde de çok sayıda ilave faktörün (çevre, frekans, sıcaklık ve mikro
yapısal faktörler) etkisi vardır.
Malzeme içerisinde, yorulma hasarına yol açacak mikro çatlak oluşum ve ilerleme
mekanizmalarını azaltan her türlü faktör yorulma dayanımını arttırmaktadır.
Sürünme
Sürünme,
sabit
deformasyondur.
yük
altında
Sıcaklık,
malzemenin
sürünmeyi
zaman
arttırıcı
bir
içinde
göstermiş
olduğu
Yüksek
sıcaklık
faktördür.
uygulamaları için metal matrisli kompozit malzemelerin sürünme özelliği çok önemlidir.
Kısa fiber ve partikül takviyeli MMK malzemeler üzerinde yapılan deneylerde, sürünme
hızının, takviye hacim oranının artışı ile düştüğü görülmüştür.
Şekil 13. Titanyum matrisli, TiB partikül takviyeli kompozitte, 600°C sıcaklıkta, partikül
hacim oranına bağlı olarak sürünme oranının değişimi
51
Aşınma Direnci
Aşınma, aşındırıcı bir ortamda bulunan malzemenin yüzeyinde zamanla meydana gelen
malzeme kaybıdır. Partikül takviyeli MMK malzemelerin, metal alaşımlarına göre en
önemli üstünlüklerinden biride aşınma özellikleridir.
SiC, Al2O3 , TiC , B4C gibi sert partiküller , metal matrisin aşınma direncini arttırırken,
grafit partiküller de yağlayıcı özellik sağlarlar. Yapılan çalışmalar, partikül takviyeli Al
matrisli kompozitlerde aşınma direncinin, takviye elemanı miktarı ile doğru orantılı
olarak arttığını göstermektedir
Aşınma direncini etkileyen diğer bir faktör ise matris malzemesinin sertliğidir.
Alüminyum ve alaşımları çelik veya dökme demirle mukayese edildiğinde, genelde daha
düşük sertliğe sahiptirler. Bu alaşımlar bundan dolayı yoğun aşınmaya maruz kalan
yerlerde kullanılamamaktadır. Takviye elemanı ilavesiyle aşınma direnci artmakta, bu
sayede de MMK malzemeler aşınma direncinin önemli olduğu uygulama alanlarında
kullanılabilmektedirler. Bir çok çalışma, partikül takviyeli MMK malzemelerin abrazif
aşınma özelliğinin, takviye edilmemiş alaşımlara göre çok daha iyi olduğunu
göstermektedir. Bununla beraber aşınma mekanizması etkileyen çok sayıda değişken
olduğu unutulmamalıdır. Bu değişkenler;
•
Test geometrisi,
•
Uygulanan yük,
•
Test süresi,
•
Matris ve takviye malzemesi
•
Sıcaklık,
•
Nem
•
Diğer çevresel faktörlerdir.
52
METAL MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN KULLANIM ANLANLARI
80’li yılların başında belli sektörlerdeki gelişmeler, özellikle gelişmiş motorlar ile
havacılık ve uzay araçları üretimi için yüksek sıcaklık malzemelerine olan gereksinim,
metal matrisli kompozit malzemelere olan ilginin artmasında başlangıç noktası
oluşturmuştur. Metal matrisli kompozit malzemeler halen pahalı olmalarına karşın,
metaller veya plastik matrisli kompozitlerle karşılanamayan yüksek teknolojiye dayalı
gereksinimler bu malzemelerle karşılanabilmektedir. ABD’de çoğu araştırma bazında ve
askeri amaçlı olmak üzere 1988’de yirmi milyon dolar olan metal matrisli kompozit
pazarı 2000 yılında ortalama %20’lik bir artış göstermiştir. Dünya pazarında en büyük
payı alüminyum metal matrisli kompozit malzemeler almaktadır.
Sürekli Fiber Takviyeli Metal Matrisli Kompozit Malzeme Uygulamaları
Yüksek maliyetli sürekli fiber katkılı metal matrisli kompozitler, yüksek mukavemet ve
ısı direnci gerektiren ancak maliyetin önemli olmadığı veya kaçınılmaz olarak
katlanıldığı alanlarda havacılık, uzay endüstrisi ve enerji sektöründe uygulama olanağı
bulmaktadır.
Uzay araçlarının karşılaştıkları çok yüksek sıcaklık ve basınç göz önüne alındığında,
yüksek dayanımlı ve hafif malzemelerin kullanılması gereksinimi vardır. Uzay
araçlarının karşılaştığı yüksek sıcaklıklar plastik matrisli kompozitler ve bir kaçı dışında
geleneksel metaller ve alaşımları için çok yüksektir. Titanyum ve alaşımları gibi, hafif ve
yüksek sıcaklıkta kullanılabilen malzemelere, elastisite modülü yüksek, yüksek
dayanımlı seramik veya karbon fiberler katılarak elde edilen metal matrisli kompozitler,
uzay araçlarının karşılaşacağı ortamlara dayanma yeteneğine sahip olacaktır. Örneğin,
uzay mekikleri, metal matrisli kompozitlerin bu alandaki ilk üretim uygulamalarından
birini temsil etmektedir. Ana gövdeyi destekleyen kafes sistemi ile kirişlerde ve iniş
takımı parçalarında tek yönlü bor-alüminyum metal matrisli kompozit borular
kullanılmıştır. Göv-de kafes sistemini destekleyen 159 kg gelen bor-alüminyum borular
%44’lük bir ağırlık kazancı sağlamaktadır.
53
Şekil 14. Karbon fiber katkılı Mg matrisli kompozit uydu destek parçaları
Uzay yapılarının ortam ve çalışma şartları gereği düşük ağırlık, yüksek rijitlik, düşük ısıl
genleşme ve boyutsal kararlılığa sahip olması gereklidir. Bor ve karbon fiber katkılı
metal matrisli kompozitler, uzay araçları ve yapılarında, boyutça kritik uygulamalar için
yüksek rijitlik ve düşük ısıl genleşme katsayılı malzemeler olarak gelecek kuşak
malzemeleri temsil etmektedir.
Şekil 15’de uzay mekiği gövdesinde kullanılan bor fiber takviyeli alüminyum tüpler
gösterilmiştir
Şekil 15. Uzay mekiği gövdesindekullanılan bor fiber takviyelialüminyum tüpler
NASA’da yapılan araştırmalarda yüksek dayanımlı ticari Al-alaşımları ile en son
geliştirilmiş üretim süreçlerinin birleştirilmesi sonucu üretilen metal matrisli
kompozitler ısıl çevrimler sırasında şekil değişimi göstermemektedirler. P100 karbon
fiber katkılı 2024 Al alaşımı kompoziti , 1000 ısıl çevrim sonrası bile şekil değişimi
54
göstermemektedir. Bu metal matrisli kompozitler özel işlem süreçleri sonrasında,
boyutça kritik uzay yapıları için mükemmel malzemeler haline gelmişlerdir.
Jet motorları, fan kanatları, uçak kanatlarının yüzeyleri ve yapı destekleri, iniş takımı
parçaları, bisiklet iskeleti ve golf sopaları gibi alanlar sürekli bor fiber katkılı metal
matrisli kompozitlerin diğer uygulama alanlarıdır.
Gerek sivil ve gerekse askeri havacılıkta kullanılan uçaklardan beklenen performans
giderek artmaktadır. Örneğin, Amerikan Deniz ve Hava Kuvvetleri ile NASA yetkilileri
Mach 25 orbitalinde ve yüksek irtifalarda 4000-8000 mph hızlarında uçabilecek uçaklar
istemektedir. Bu hızlarda uçağın gövdesi boyunca sıcaklığın 760 oCye, burnunda ise
yaklaşık 1800 0C’ye erişeceği hesaplanmaktadır. Bu amaçla Avco’s Specialty Materials
Division (Lowell, MA, USA) silisyum karbür ve titanyum aluminiti kimyasal olarak buhar
kaplama ile birleştirilmektedir. Bu yolla üretilen 14μm çaplı SiC fiberleri kumaş gibi
dokunarak titanyum levhaları arasına koyulup sıcakta preslenir. Avco patentli bu
teknoloji oldukça pahalıdır.
Elektrik iletkenliği ve elektronik devre kartları, entegre ve hibrid devre yapımı
uygulamalarıyla ilgili olarak zift esaslı karbon fiberler, fiber boyunca çok yüksek
elastisite modülüne, ısı iletimine ve negatif ısıl genleşme katsayısına sahiptir.
Ancak fiberler, enine düşük modüle ve yüksek ısıl genleşme katsayısına sahiptir, başka
bir deyişle bu fiberlerin özellikleri çok anizotropiktir. Hitachi Ltd’nin Gradia (Cu- %20 C
fiber) kompozitinden yapılmış kaymalı elektrik kontaktörleri düşük ısıl genleşme
katsayısı
ile
yüksek
elektrik
iletkenliğini
birleştirmesi
nedeniyle
geleneksel
malzemelerden daha yüksek performans gösterirler. Bunlara benzer şekilde bor fiber
takviyeli alüminyum kompozitlerde elektriksel uygulamalarda sıklıkla kullanılır.
Otomotiv sektöründe ise bu konuda öncü olan Japon otomotiv sektörü olmuştur.
Otomotiv endüstrisinde metal matrisli kompozit malzemelerin üretiminde ve
uygulanmasında öncü olan Japon Toyota firması alümina fiber katkılı dizel motor
pistonlarını yaklaşık olarak 20 yıldır üretmektedir. Bilineceği gibi bu uygulamada
hafiflik, spesifik modül ve mukavemet, yorulma özellikleriyle birlikte aşınma direnci
55
önemlidir. Bu konu üzerinde yoğun araştırmalar yapan diğer bir firmada Honda
firmasıdır .
Partikül, Kısa Fiber ve Whisker Takviyeli Metal Matrisli Kompozit Malzeme
Uygulamaları
Yaygın olarak kullanılan yapısal amaçlı metaller ve alaşımlarla karşılaştırıldığında metal
matrisli kompozitler çok daha yüksek spesifik modül ve spesifik mukavemet değerleri
göstermektedir. Bu nedenle yapısal amaçlı metal matrisli kompozitler, ağırlık
bakımından kritik uygulamalar için hem başlangıçta hem de işletme ömrü boyunca
oluşacak maliyetlerin düşürülmesi fırsatını vermektedir .
Özellikle Amerikan havacılık sanayi bu konuda öncü niteliğindedir. Savaş uçaklarının
gövde, kanat ve kuyruklarında kullanılabilecek SiC whisker katkılı metal matrisli
kompozit malzemeler bazı firmalar tarafından üretilmektedir. Askeri amaçlı yapı,
örneğin güdümlü füze uygulamalarında parçalarda hafiflik, boyut kararlılığı ve
gövdedeki parçaların birbiri ile birleştirilmesinde ısıl genleşme katsayılarının
uyumluluğu gerekli olduğu için malzeme seçimi çok önemlidir.
Metal matrisli partikül veya kısa fiber takviyeli kompozit malzemeler otomotiv
endüstrisinde önemli bir konuma sahiptir. Yüksek spesifik modülleri ve yorulma
dayanımları, aşınma di-rençleri, düşük ısıl genleşme katsayıları bu alanda kullanımlarını
sağlayan özelliklerden bir kaçıdır. Metal matrisli kompozitler açısından bir başka önemli
husus araç ağırlığındaki % 10-20’lik azalmanın beraberin-de yakıt tüketiminde % 5-10
gibi bir iyileşmeyi getirmesidir. Bu özellikler, günümüz otomobillerinde metal matrisli
kompozitlerin kullanımını arttırmaktadır.
Otomotiv endüstrisinde kısa fiber, whisker veya partikül katkılı metal matrisli
kompozitlerde genelde, uygun özellikleri nedeni ile matris malzemesi olarak alüminyum
alaşımları kullanılmaktadır. Yolcu ve yük taşıtlarında bu kompozitler, öncelikle
hafiflikleri sebebiyle şaft olarak kullanım alanı bulmaktadır. Spesifik modüllerinin hem
56
çelikten hem de alüminyumdan önemli miktarda yüksek olabilmesi nedeniyle bu
kompozitlerde daha uzun şaft üretmek mümkündür. Bu uygulama için genellikle 6xxx
serisi Al alaşımları kullanılmaktadır.
Otomotiv endüstrisinde, bu kompozitlerin diğer bir yaygın kullanım alanı fren diskleri
olup, öncelikli yararı disklerdeki % 50-60’lık ağırlık azalmasıdır. Dökme demirden bir
fren diski 5.4 kg iken, partikül takviyeli MMK fren diski 2.5 kg’dır. İvmelenme artışı ve
fren mesafesinin azalmasının yanında dökme demirden yapılmış olanlara oranla MMK
fren disklerinde fren gürültüsü azalırken, daha homojen sürtünme ve daha az aşınma
oluşmaktadır. Ayrıca fren diskinin ulaştığı sıcaklık da önemli bir tasarım parametresidir.
En çok karşılaşılan sıcaklıklar 300 °C ve al-tındaki sıcaklıklar iken 450 °C gibi yüksek
sıcaklıklara da rastlanılmaktadır .
Toplam araç ağırlığını azaltmak üzere tüm büyük otomobil üreticileri, dökme demir
motor bloklarının yerine alüminyum esaslı kompozit motor bloğu teknolojileri
geliştirmektedirler. Bu değişimin ağırlık kazancı 15-35 kg kadardır. MMK malzemeden
üretilen motor blokları boyutsal kararlılık ve blok rijitliğini geliştirerek motordaki
sürtünmeyi azaltıp motorun verimini arttırmaktadır.
Silindir bölgesi 200 °C ye kadar aşırı sıcaklık ve yanma yüklenmelerine maruz
kaldığından aşınma direnci, yorulma ve sürünme gibi özellikler de önemli olmaktadır.
Yapılan testlerde, dökme demirler-le karşılaştırıldığında, % 10-20 hacim oranında Al2O3
ve-ya SiC partikül katkılı silindir gömleklerinin çok daha iyi özelliklere sahip olduğu
görülmüştür. Şekil 16’da SiC partikül takviyeli Al metal matrisli kompozit silindir
gömleği görülmektedir
Şekil 16. SiC partikül takviyeli Al metal matrisli kompozit silindir gömleği (Inasmet)
57
Şekil 17. Partikül takviyeli MMK kompozit fren elemanları
Partikül takviyeli MMK malzemeler havacılıkta da kullanım alanı bulmuşlardır.
Uçakların gövde elemanlarının imalatında kullanım alanları gittikçe artmaktadır.
Şekil18’ de F-16 uçaklarında kullanılan SiC partikül takviyeli 6092 Al alaşımı matrisli
MMK malzeme görülmektedir. Ayrıca bazı helikopterlerin pervanelerinde ve uçuş
tertibatlarında bu kompozitler kullanılmaktadır
.
Şekil 18. F-16 uçağı gövdesinde partikül takviyeli MMK malzeme kullanımı
Seramik whisker ve kısa fiber takviyeli MMK malzemeler, otomotiv uygulamalarında
ve askeri uygulamalarda kullanılabilmektedirler.
SiC whisker takviyeli MMK
malzemeler, gelişmiş askeri tanklarda palet malzemesi olarak kullanılmakta, bu sayede
tankın ağırlığı azaltılmaktadır.
Kısa fiber takviyeli MMK malzemeler otomobillerde, piston ve silindir uygulamalarında
kullanılabilmektedir. Basınçlı dökümle üretilen, grafit ve alümina takviyeli MMK motor
bloğu Şekil 19’da verilmiştir
58
Şekil 19. Grafit ve alümina takviyeli MMK motor bloğu
MMK malzemeler otomotiv endüstrisinde diğer bir kullanım şekli de biyel koludur. Biyel
kolu için öncelikli tasarım özelliği 150-180oC’de yüksek ömür sağlayan yorulma
dayanımıdır. Bu uygulama için uygun kompozitlerden biri, toz metalurjisi ile üretilmiş
2080 Al matrisli %15 SiC partikül takviyeli metal matrisli kompozitdir. Bu kompozit,
belirtilen sıcaklıklarda çok iyi yorulma dayanımına sahiptir.
Metal matrisli kompozitlerin otomotiv endüstrisinde diğer bir kullanımı ise piston ve
silindir gömlekleridir. Al-Gr partikül takviyeli kompozit malzemeden yapılmış piston ve
silindir gömleklerinin, içten yanmalı motorlarda kullanımının önemli miktarda yakıt
kazancı sağlarken aynı zamanda bu parçalarda aşınmanın da azaldığı görülmüştür.
Ayrıca Honda firması 1990’dan beri alümina ve karbon kısa fiber takviyeli alüminyum
silindir gömleklerinin üretimini gerçekleştirmektedir. Şekil 20 ve 21’de alüminyum
esaslı kompozit malzemelerden üretilen motor parçaları görülmektedir.
Şekil 20. SiC partikül takviyeli Al kompozit biyel kolu
59
Şekil 21. Alümina kısa fiber takviyeli alüminyum kompozit piston
Fiber takviyeli MMK malzemeler ise yüksek mukavemet ve yüksek elastiklik modülü
gerektiren uygulamalarda kullanılmaktadırlar. Örnek olarak, karbon fiber takviyeli
MMK malzemeler Hubble uzay teleskobunun anten dalga kılavuzu olarak
kullanılmaktadır.
Bor fiber takviyeli 6061 alüminyum alaşımı matrisli kompozit malzemeler, uzay
mekiklerinin ana kargo bölümlerinde destek elemanı olarak kullanılmaktadırlar.
Şekil 22’de yüksek spesifik mukavemete ve elastiklik modülüne sahip hacimce %50
bor fiber takviyeli 6061 alaşımı matrise sahip MMK kompozit malzemenin uzay
mekiği kargo bölümünde destek olarak kullanımı görülmektedir.
Şekil 22. Uzay mekiği destek parçası olarak kullanılan fiber takviyeli MMK malzeme
60
MMK malzemeler spor endüstrisinde de kullanım alanı bulmuşlardır. MMK malzemeden
üretilmiş tenis raketleri, kayaklar, kayak sopaları, golf sopaları, bisiklet parçaları
mevcuttur.
Partikül takviyeli
metal matrisli
kompozit
malzemeler,
elektronik ve
optik
uygulamalarda da kullanılmaktadır. Elektronikte, entegre ve hibrid devre yapımında,
özellikle ısıl genleşme katsayının düşük olması nedeni ile bu tür kompozitler kullanılır.
Optik sistemlerde de, uzay teleskopları, yansıtıcı ayna malzemeleri ve kızıl ötesi görüntü
tarama sistemleri parçaları olarak kullanım alanları vardır.
61
BÖLÜM 3. POLİMER ESASLI KOMPOZİT MALZEMELER
İlk modern sentetik plastiklerin 1900'lerin başında geliştirilmesinin ardından,
1930'larm sonunda plastik malzemelerin özellikleri diğer malzeme çeşitleri ile rekabet
edecek düzeyde gelişmeye başlamıştır. Kolay şekillendirilebilir olması, metallere oranla
düşük yoğunlukta olması, üstün yüzey kalitesi ve korozyona karşı dayanımı plastiğin
yükselmesindeki en önemli özelliklerdir.
Birçok üstün özelliğinin yanı sıra sertlik ve dayanıklılık özelliklerinin düşük olması
plastik malzemelerin güçlendirilmesi için çalışmalar yapılmasına neden olmuştur. Bu
eksikliğin giderilmesi amacıyla 1950'lilerde polimer esaslı kompozit malzemeler
geliştirilmiştir. Kompozitler, özellikle polimer kompozitler yüksek mukavemet, boyut ve
termal kararlılık, sertlik, aşınmaya karşı dayanıklılık gibi özellikleriyle pek çok
avantajlar sunmaktadırlar. Ayrıca kompozit malzemeler dayanıklılık ve sertlik yönünden
metallerle yarışabilecek olmasına rağmen çok daha hafiftirler.
Kompozit malzemeler reçine (Matrix) ve takviye (Reinforcement) bileşenlerinden
oluşurlar. Kompozitler temel olarak kalıp görevi gören reçine içine gömülmüş sürekli
veya kırpılmış elyaflardan oluşmaktadır. Bu bileşenler birbirleri içinde çözülmezler veya
karışmazlar.
Kompozit malzemelerde elyaf sertlik, sağlamlık gibi yapısal özellikleri, plastik reçine
malzemesi ise elyafın yapısal bütünlüğü oluşturması için birbirine bağlanması, yükün
elyaf arasında dağılmasını ve elyafın kimyasal etkilerden ve atmosfer şartlarından
korunmasını sağlar.
Matrisler
Kompozit malzemelerde polimer esaslı matrislerin yanı sıra metal, seramik türevi
malzemelerde matris olarak kullanılmaktadır. Diğer matrislerin kullanılmasına rağmen
kompozit malzemelerin % 90'ı polimer esaslı matrislerle üretilmektedir. Matris
62
malzemelerinin genellikle plastik esaslı olmasından dolayı kompozit malzemeler de
genellikle takviye edilmiş plastikler olarak adlandırılırlar.
Metal matrisler büyük çaplı uygulamalarda kullanılmak için çok pahalı ve çalışılmaları
çok zordur. Seramik matrisler ise yüksek oranda kırılgan olmalarından dolayı yeterli
dayanıklılığa sahip olmamaları nedeniyle kullanım alanları yüksek ısı ile kullanılan
yerlerle sınırlanmaktadır. Karbon matrisli kompozit malzemeleri üretmek çok zor ve
çok pahalıdır. En çok tercih edildikleri uygulamalar yarış arabalarının ve uçakların fren
balatalarıdır. Tüm diğer matris alternatifleri arasında ticari olarak en uygun olan plastik
matrisler arasında ise en çok kullanılan termoset esaslı olan polyester ve epoksi
reçineleridir.
Matrisler güçlü yapıştırma, çevre ve atmosfer şartlarına yüksek dayanım ve yüksek
mekanik özellikler gösterirler. Bir matrisin öncelikle sağladığı mekanik özellikler yüksek
sertlik ve yüksek dayanıklılık değerleridir. İyi bir malzeme sert olmalıdır, fakat gevrek
bir malzemenin gösterdiği davranışlardan dolayı performansı düşmemelidir. Bu
özellikleri büyük ölçüde karşılayan polimer esaslı matrisler Termoset ve Termoplastik
Matrisler olarak iki tür olarak bulunmaktadır;
Termoset Matrisler
Termoset esaslı kompozit malzeme matrisleri olarak en çok kullanılanlardır. Termoset
plastikler sıvı halde bulunurlar, ısıtılarak ve kimyasal tepkimelerle sertleşir ve
sağlamlaşırlar. Termoset polimerlerin polimerizasyon süreci termo plastiklerden farklı
olarak geri dönüşü olmayan bir süreçtir. Yüksek sıcaklıklarda dahi yumuşamazlar. Çoğu
termoset matris sertleşmemeleri için dondurulmuş olarak depolanmak zorundadır.
Dondurucudan çıkarılıp oda sıcaklığında bir müddet (1-4 hafta arası) bekletildiğinde
sertleşmeye başlar ve özelliklerini kaybederek biçim verilmesi zor bir hâl alır ve
kullanılamaz duruma gelir. Dondurucu içinde olmak şartıyla raf ömürleri ise 6 ila 18 ay
arasında değişmektedir. Termoset reçineler kimyasal etkiler altında çözülmez ve
olağandışı hava şartlarında dahi uzun ömürlü olmaktadırlar. Aşağıda en yoğun
kullanılan matrisler ve genel özellikleri yer almaktadır;
63
Polyester:
Özellikle denizcilik ve inşaat alanında en çok kullanılan termoset reçinedir.
Kompozit malzemelerde kullanılan 2 tür polyester reçine vardır;
•
Ortoftalik Polyester: Daha ekonomiktir.
•
İsoftalik Polyester:
Suya dayanım gibi daha iyi özelliklere sahiptir
Polyester reçinelerini polimerizasyon süreçlerinin tamamlaması için katalizör ve
hızlandırıcı olarak adlandırılan ek maddelere ihtiyaç duyarlar. Türkiye'de Cam Elyaf
A.Ş.’nin yanı sıra Boytek Reçine, Boya ve Kimya Sanayi Ticaret A.Ş. gibi firmalar da genel
amaçlı kullanımlar için polyester üretmektedir.
Reçinelerin avantaj ve dezavantajları;
 Kolay kullanım,
 Çok düşük maliyet,
 Sertleşme sırasında yüksek oranda çekme
 Zehirli Sitiren gazı yayma
 Orta mekanik özellikler
 Kısa raf ömrü
Epoksiler:
Geniş kullanım alanına sahiptirler, (prepregs olarak) havacılık, spor,
ulaşım, askeri ve deniz araçları elemanları.
 İyi mekanik özellikler
 Suya dayanım
 Islakken 140°C, kuruyken 220°C 'ye kadar ısı dayanımı
 Sertleşme sırasında düşük oranda çekme
 Yüksek maliyet
 Cilde aşırı zararlı
 Doğru karışım son derece önemli
64
Vinil ester:
 Son derece yüksek kimyasal/çevresel dayanım
 Polyesterden daha yüksek mekanik özellikler
 Polyesterden daha pahalı,
 İyi özellikler için ikincil kür işlemi gerekir. Sertleşme sırasında yüksek oranda
çekme
Fenolikler:
Ateşe dayanım ihtiyacı olan yerlerde kullanılır. Kür işleminin buharlaşma özelliği hava
boşlukların oluşmasına ve yüzey kalitesinin düşmesine neden olur. Uçakların iç
bölümlerinde, deniz araçlarının motorlarında ve demiryollarında kullanılır.
 Yüksek ateş dayanımı,
 Düşük maliyet,
 Yaş halde son derece zararlı,
 Oldukça kırılgan,
 Düşük yüzey kalitesi,
Silikon:
 Yüksek ateş dayanımı
 Yüksek ısılarda ürün özelliklerini koruyabilme
 Kür işlemi için yüksek ısı gereklidir
Poliamidler
Poliamid elyafı sektörde Naylon adıyla bilinmektedir. Naylon elyafı; kimyasal elyafların
üretilmesinde öncü konumda olan, çok kullanılan ve çok çeşitleri olan bir elyaftır.
65
Hammaddesi petroldür. İlk kimyasal elyaf elde etme çalışmaları ve araştırmaları
sırasında naylon elyafının polyester karşısında sağlamlık açısından daha ileride olması,
bu elyafın polyester ve diğer kimyasal elyafların üretim çalışmaları içinde ön plana
çıkmasını sağlamıştır. Bu güne kadar en çok bilinen naylon elyafları, poliamid 6 ve
poliamid 6.6’dır. Genel olarak bütün poliamid elyaflarına naylon denilmesinin yanında,
aslında naylon terimi poliamid 6.6 elyafı için öngörülmüştür. Poliamid 6 elyafına da
perlon denilmektedir. Bununla beraber bu iki poliamid tipine göre daha az öneme sahip
bir tip de poliamid 11’dir. Buna ise rilsan adı verilmektedir.
Poliüretan
Poliüretan; 1937 yılında Otto Bayer ve çalışma arkadaşları tarafından (Leverkusen,
Almanya) bulunan, karbamat bağlantıları içeren organik üniteler zincirinden oluşan
polimerlerdir.
İzosiyonat ve hidroksil grupları arasındaki reaksiyon ürününü (üretan) tekrarlar
şeklinde ihtiva eden polimer "Poliüretan" olarak adlandırılmaktadır. Polimerin
morfolojisi; kullanılan diol ve İzosiyanat ın molekül, strüktür ve karakterine göre şekil
alır.
Poliüretan köpükler, ısı ve ses izolasyon maddesi olarak, mobilyaların, kırılacak
maddelerin taşınmasında ve döşemelerde kullanılır. Sert poliüretan köpükler ince
yapıya sahip uçak kanatlarının içine konur.
İlk sert poliüretan köpük 1947 yılında, esnek poliüretan köpükler 1954 yılında
üretilmiştir.
1960 lı yılların başında ise otomobil sanayinde yarı sert poliüretan
köpükler üretilerek oldukça yaygınlaşan ve sanayileşen hammaddenin günümüzde
bilinen yaklaşık 11 bin türevi üretilmektedir.
66
Termoplastik Matrisler:
Termoplastik polimerlerinin çeşitlerinin çok fazla olmasına rağmen matris olarak
kullanılan polimerler sınırlıdır. Termoplastikler düşük sıcaklıklarda sert halde
bulunurlar ısıtıldıklarında yumuşarlar. Termosetlere göre matris olarak kullanımları
daha az olmakla birlikte üstün kırılma tokluğu, hammaddenin raf ömrünün uzun olması,
geri dönüşüm kapasitesi ve sertleşme prosesi için organik çözücülere ihtiyaç
duyulmamasından
dolayı
güvenli
çalışma
ortamı
sağlaması
gibi
avantajları
bulunmaktadır. Bunun yanı sıra şekil verilen termoplastik parça işlem sonrası ısıtılarak
yeniden şekillendirilebilir. Oda sıcaklığında katı halde bulunan termoplastik soğutucu
içinde bekletilmeden depolanabilir. Termoplastikler yüksek sertlik ve çarpma dayanımı
özelliğine de sahiptirler. Yeni gelişmelerle termoplastiğin sağladığı bu artı değerleri son
dönem termoset matrislerinden 977-3 Epoksi ve 52450-4 BMI reçineleri de
sağlamaktadırlar.
Tablo 12. Belli başlı termoplastik reçineleri ve işlem sıcaklıkları
Erime sıcaklık
Maksimum işlem
aralığı (°C)
sıcaklığı (°C)
PP
160-190
110
PA
220-270
170
PES- poli eter sülfon
-
180
PEI- polieterimid
-
170
PAI- poliamid imide
-
230
PPS- polfenilen sulfit
290-340
240
PEEK- polieter eter keton
350-390
250
Malzeme
Termoplastiklerin kompozit malzemelerde matris olarak tercih edilmemelerinin başlıca
nedeni üretimindeki zorlukların yanı sıra yüksek maliyetidir. Oda sıcaklığında düşük
işleme kalitesi sağlarlar, bu onların üretimde zaman kaybına yol açmasına neden olur.
Bazı termoplastikleri istenilen şekillere sokabilmek için çözücülere ihtiyaç duyulabilir.
Termoplastikler termosetlere kıyasla hammaddesi daha pahalıdır.
67
Devamlı kullanım sıcaklıkları 60°C ile 245°C arasında değişebilen termoplastik reçine
çeşitleri bulunmaktadır.
Başlangıçta amorf yapılı reçinelerden polietersulfon (PES) ve polieterimid (PEI) matris
olarak kullanılmaktaydı. Sonraki dönemde ise havacılık sektörü uygulamaları için
çözücülere karşı dayanım önemli bir kriter olarak ortaya çıkmıştır. Bu ihtiyaç
sonrasında Polietereterketon (PEEK) and Polifenilen sulfid (PPS) gibi yarı-kristal yapılı
plastik malzemeler geliştirilmiştir. Ayrıca sınırlı oranlarda Poliamidimid (PAI) ve
Polimid gibi plastiklerde kullanılmaktadır. Bu polimerler diğer termoplastiklerden farklı
olarak polimerizasyonlarım kür aşamasında tamamlarlar. En yoğun çalışmalar ise PA,
PBT/PET ve PP gibi düşük sıcaklıklarda kullanılan polimerlerin üzerine yapılmıştır. Tüm
bu polimerlerin haricinde ABS, SAN, SMA (StirenMaleikAnhidrit), PSU (Polisülfon), PPE
(Poifenilen Eter) matris olarak kullanılır.
Termoplastik reçineler malzemenin çekme ve eğilme dayanımlarının artırılması için
kullanılırlar. Otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan termoplastikler uçak
sanayisinde de yüksek performanslı malzeme çözümlerinde kullanılmaktadırlar.
Çoğunlukla
enjeksiyon
ve
ekstrüzyon
kalıplama
yöntemleri
ile
üretilen
termoplastiklerin üretiminde GMT (Glass Mat Reinforced Thermoplastics / Preslenebilir
Takviyeli Termoplastik) olarak ta üretilmektedir (Bkz. kompozit malzeme üretim
yöntemleri). Bu yöntemle hazırlanan takviyeli termoplastikler soğuk plakaların
preslenebilmesi ve geri dönüşüm sürecine uygunluğundan dolayı özellikle otomotiv
sektöründe tercih edilmektedir.
Kompozit Malzemelerde Takviye Amacıyla Kullanılan Elyaflar
Doğal elyaflar (artık yerlerini sentetik elyaflara bırakmışlardır) Sentetik, organik
elyaflar; Naylon, aramid (düşük yoğunluklu ve güçlü elyaflardır) Sentetik inorganik,
elyaflar; Cam,karbon boron vb.
68
En çok kullanılan kompozit malzeme kombinasyonları;
 Cam elyafı+ polyester,
 karbon elyafı+epoksi ve
 aramid elyafı+epoksi birleşimleridir.
Kompozit malzemeler katlı tabakalar veya ince tabakalar halinde uygulanabilmektedir.
1940'larin sonlarında geliştirilen CTP (Cam Takviyeli Polyester-CTP/ Glassfiber
Reinforced Polyester/GRP, FIBERGLASS) günümüzde en çok kullanılan ve ilk modern
polimer esaslı kompozit malzemedir. Bugün üretilen tüm kompozit malzemelerin
yaklaşık olarak % 85'i CTP'dir ve çoğunlukla tekne gövdeleri, spor araçları paneller ve
araba gövdelerinde kullanılmaktadır.
CTP ve
diğer kompozit
kombinasyonları
günümüzde
tercih
edilmesinin
ve
kullanımlarındaki artışın mutlak sebepleri sağlamlıkları ve hafiflikleridir. Çeşitli plastik
malzemelerin seramik, metal bazen de sert polimerlerin elyafları ile güçlendirilerek ileri
derecede faydalar sağlayan malzemeler üretmek mümkündür. İçindeki plastik sayesinde
kolaylıkla şekil verilebilen ve takviye elyaflar sayesinde son derece sağlam, sert ve hafif
olan bu malzeme kombinasyonları, kompozitler her gün yepyeni uygulama alanlarında
karşımıza çıkmaktadırlar.
Ayrıca metallere kıyasla malzeme yorulması, malzeme üzerinde hasarların tolere
edilmesi ve korozyona dayanıklılık özellikleri bakımından avantaj sağlamaktadır.
Titanyum ve çelik gibi metallerin bazı uygulamalarda ihtiyaç duyulan kritik düzeyde ısı,
mekanik özellikleri günümüz kompozitleri karşılamamaktadır.
Yeni geliştirilen matris malzemelerle, elyafların tüm karakteristik özellikleri metaller
kadar bilinememektedir. Bazı karmaşık biçimler düşük maliyetler çerçevesinde
üretilememektedir.
Kompozitler kg başına düsen üretim maliyeti rakamları metallerden, özellikle
alüminyum, daha yüksektir.
69
Şekil 23. Kompozit Malzemelerinin Uçak Yapımında Kullanıldığı Yerler
Takviye Malzemeleri (Elyaflar)
Kompozit malzemelerde kullanılan elyafların fiziksel biçimleri, oluşturulan yeni
malzemenin özellikleri üzerinde çok önemli bir faktördür. Takviyeler temel olarak 3
farklı biçimde bulunmaktadırlar; parçacıklar, süreksiz ve sürekli elyaflar. Parçacık
genelde küresel bir biçimde olmamasına rağmen her yönde yaklaşık olarak eşit
boyutlardadır. Çakıl, mikro balonlar ve reçine tozu parçacıklar takviyelerine örnekler
arasında sayılabilir. Takviye malzemelerinin bir boyutu diğer boyutlarına göre daha
fazla olduğunda elyaflardan bahsetmeye başlarız. Süreksiz elyaflar (doğranmış elyaflar,
öğütülmüş elyaflar veya whiskers-püskül) birkaç milimetreden birkaç santimetreye
kadar değişen ölçülerde olabilmektedir. Çoğu lifin çapı birkaç mikrometreyi
geçmemektedir. Bu nedenle elyafın parçacık halden lif haline geçişi için çok fazla bir
uzunluğa gerek yoktur.
Sürekli elyaflar ise tel sarma yöntemi gibi yöntemlerde kesilmeden ip şeklinde
kullanılmaktadır. Elyaflar en yüksek mekanik özelliklerini enlerinden daha çok
boylarına gösteririler. Bu özellikler kompozit malzemelerin metallerde rastlanmayan
aşırı anisotropik malzeme özelliği göstermelerine neden olur. Bu nedenle tasarım
aşamasında elyafların reçine içindeki yerleşimleri ve geometrilerini göz önünde
70
bulundurmak çok önemlidir. Malzemenin anisotropik özelliği tasarım aşamasında
ürünün uygun yerinde kullanılarak avantaja dönüşebilir.
Bazı durumlarda malzemenin dayanımı artırmak, tüm yönlerde eşit mukavemet elde
etmek için elyaflar kumaş olarak dokunurlar. Sürekli liflerle hazırlanan dokuma elyaf
kumaşlarının farklı amaçlar için geliştirilmiş türleri vardır.
Şekil 24. Elyaf Dokuma Türleri
Cam elyafının günümüzde en çok kullanılan ve geçerli takviye malzemesi olmasına
rağmen
gelişmiş
kompozit
malzemelerde
genellikle
saf
karbonun
elyafı
kullanılmaktadır. Karbon elyafı cam elyafına oranla daha güçlü ve hafif olmasına rağmen
üretim maliyeti daha fazladır. Hava araçlarının iskeletlerinde ve spor araçlarında
metallerin yerine kullanılmaktadır. Karbon elyafından daha güçlü ve aynı zamanda daha
pahalı olan ise bor elyafıdır.
Şekil 25. Karbon Elyaf Örnekleri
71
Polimerler matris olarak kullanılmalarının yanı sıra kompozitler için elyaf
üretilmesinde de kullanılmaktadır. Kompozit malzemeye çok yüksek düzeyde sağlamlık
katan ve sertlik kazandıran Kevler (Aramid) bir polimer elyafıdır. Hafiflik ve güvenilir
konstrüksiyon amaçlanan ürünlerdeki kompozit malzemelerde aramid kullanılır.
Malzemelerin Anisotropik Ve İzotropik Özellikleri Uzun lifli elyaflar kullanıldığında
liflerin yönlerini değiştirilerek farklı yönlerde farklı mekanik özellikler elde etmek
mümkündür. Bu duruma anisotropik özellikler denir. Metal gibi bazı malzemeler her
yönde aynı mekanik özellikleri gösterirler, bu duruma ise isotropik özellik denir.
Kompozit malzemelerde kullanılan başlıca elyaf türleri;
 Cam elyafı,
 Karbon (Graphite) elyafı, (PAN -polyacrylonitrile- ve zift kökenli)
 Aramid (Aromatic Polyamid) elyafı, (Ticari ismi; Kevlar-DuPont)
 Bor elyafı,
 Oksit elyafı,
 Yüksek yoğunluklu polietilen elyafı,
 Poliamid elyafı,
 Polyester elyafı,
 Doğal organik elyaflar
Bu elyaflar arasından en çok Cam, Karbon ve Aramid elyafları kullanılmaktadır. Bu üç
elyaf türü de güçlü, sert ve sürekli biçimde üretilebilmektedirler.
Cam Elyafı
Cam elyafı silika, kolemanit, alüminyum oksit, soda gibi cam üretim maddelerinden
üretilmektedir. Cam elyafı, elyaf takviyeli kompozitler arasında en bilinen ve
kullanılandır. Cam elyafı özel olarak tasarlanmış ve dibinde küçük deliklerin bulunduğu
özel bir ocaktan eritilmiş camın itilmesiyle üretilir. Bu ince lifler soğutulduktan sonra
makaralara sarılarak kompozit hammaddesi olarak nakliye edilir. Özellikle cam elyafı ile
72
matris arası yapışma gücünü arttıran "silan" bazlı ve elyaf üzerinde ince film oluşturan
kimyasalların sonra kullanım sahaları artmıştır.
Elyaflar işlem sırasında dayanıklılıklarının %50'sini kaybetmelerine rağmen son derece
sağlamdırlar. Cam elyafı halen aramid ve karbon elyaflarından daha yüksek dayanıklılık
özelliğine sahiptir. Elyaf kumaşları genellikle sürekli cam elyafının lifleri ile
üretilmektedir. İşlemler sırasında değişik kimyasalların eklenmesi ve bazı özel üretim
yöntemleri ile farklı türde cam elyafı üretilebilmektedir;
Şekil 26. Cam elyafı üretimi
•
A Cam - Pencerelerde ve şişelerde en çok kullanılan cam çeşididir. Kompozitlerde
çok fazla kullanılmaz.
•
C Cam - Yüksek kimyasal direnç gösterir, depolama tankları gibi yerlerde
kullanılır.
•
E Cam -Takviye elyaflarının üretiminde en çok kullanılan cam türüdür. Düşük
maliyet, iyi yalıtım ve düşük su emiş oranı özelliklerine sahiptir.
73
Türkiye'de şişe cam Grubuna bağlı olan Cam Elyaf Sanayi A.Ş. tarafından E camı elyafı
üretilmektedir. Hem yurtiçine, hem yurt içine satış yapan firmadan doğrudan veya
bayileri aracıyla ürün satın almak mümkündür. 1976'dan beri faaliyet gösteren firma
Avrupa'nın önemli elyaf üreticilerinden biridir.S + R Cam - Yüksek maliyetli ve yüksek
performanslı bir malzemedir. Yalnız uçak sanayisinde kullanılır. Elyaf içindeki tellerin
çapları E Cam'ın yarısı kadardır, böylelikle elyaf sayısı fazlalaşır dolayısıyla birleşme
özelliklerinin daha güçlü olması anlamına gelen daha sert yüzey elde edilebilmektedir.
Cam elyafının kullanım amacına bağlı olarak elyaf sarma biçimleri farklı olabilir. Elyaf
çapı ve demetteki lif sayısı farklılaşabilir. Cam elyafı biçimlendirildikten sonra
yıpranmaya dayanımın artması için kimyasallarla bir kaplama işlemi yapılır. Kaplama
malzemesi olarak genellikle elyafın kompozit malzemeye uygulanmasından önce
kolaylıkla kaldırılabilen ve suyla çözülebilen polimerler kullanılmaktadır. Elyaf ile
reçinenin birbirine iyi yapışması çok önemlidir. İyi yapışmamaktan dolayı birbirinden
kayan takviye malzemesi ve matris, kompozit malzemenin sertliğini ve sağlamlık
performansını düşürür. Bu durumun engellenmesi için elyaf kimyasallarla kaplanır.
Karbon Elyafı
Karbon lifi ilk defa karbonun çok iyi bir elektrik iletkeni olduğu bilinmesinden dolayı
üretilmiştir. Cam elyafının metale göre sertliğinin çok düşük olmasından dolayı sertliğin
3-5 kat artırılması çok belirgin bir amaçtı. Karbon elyafları çok yüksek ısıl işlem
uygulandığında elyaflar tam anlamıyla karbonlaşırlar ve bu elyaflara grafit elyafı denir.
Günümüzde ise bu fark ortadan kalkmaktadır. Artık karbon elyafı da grafit elyafı da aynı
malzemeyi tanımlamaktadır. Karbon elyafı epoksi matrisler ile birleştirildiğinde
olağanüstü dayanıklılık ve sertlik özellikleri gösterir. Karbon fiber üreticileri devamlı bir
gelişim içerisinde çalışmalarından dolayı karbon elyaflarının çeşitleri sürekli
değişmektedir. Karbon elyafının üretimi çok pahalı olduğu için ancak uçak sanayinde,
spor
gereçlerinde
veya
tıbbi
malzemelerin
yüksek
değerli
kullanılmaktadır. Karbon elyafları piyasada 2 biçimde bulunmaktadır:
74
uygulamalarında
Sürekli Elyaflar: Dokuma, örgü, tel bobin uygulamalarında, tek yönlü bantlarda, ve
prepregmarda kullanılmaktadır. Bütün reçinelerle kombine edilebilirler.
Kırpılmış Elyaflar: Genellikle enjeksiyon kalıplamada ve basınçlı kalıplarda makine
parçaları ve kimyasal kimyasal valf yapımında kullanılırlar. Elde edilen ürünler
mükemmel korozyon ve yorgunluk dayanımının yanı sıra yüksek sağlamlık ve sertlik
özelliklerine de sahiptirler.
Karbon Elyafının Üretim Süreci: Karbon elyafı çoğunlukla iki malzemeden elde edilir;
 Zift
Göreceli olarak daha düşük mekanik özelliklere sahiptir. Buna bağlı olarak
yapısal uygulamalarda nadiren kullanılırlar.
 PAN (Poliakrilonitril)
Daha sağlam ve daha hafif kompozit malzeme
üretiminde kullanılmakta olup sürekli geliştirilmektedir.
PAN'ın
karbon
elyafına
dönüştürülmesi
birbirini
takip
eden
dört
aşamada
gerçekleştirilmektedir:
1. Oksidasyon: Bu aşamada elyaflar hava ortamında 300 derecede ısıtılır. Bu işlem,
elyaftan H'nin ayrılmasını daha uçucu olan O'nin eklenmesini sağlar. Ardından
karbonizasyon aşaması için elyaflar kesilerek graphite teknelerine konur.
Polimer, merdiven yapısından kararlı bir halka yapısına dönüşür. Bu işlem
sırasında elyafın rengi beyazdan kahverengiye, ardından siyah olur.
2. Karbonizasyon: Elyafların yanıcı olmayan atmosferde 3000° C'ye kadar
ısıtılmasıyla liflerin 100% karbonlaşma sağlanması aşamasıdır. Karbonizasyon
işleminde uygulanan sıcaklık üretilen elyafının sınıfını belirler;
75
Karbon Elyafı Sınıfları
(Grades)
Karbonizasyon Isısı (°C)
1000'e kadar
1000-1500
1500 - 2000
(Grafit)
 2000
Karbon elyafı sınıfı
Elastik modül (GPa)
Düşük
Standart
Orta
Yüksek
modül
Modül
modül
modül
200'e kadar
200 - 250
250 – 325
 325
3.Yüzey İyileştirmesi karbonun yüzeyinin temizlenmesi ve elyafın kompozit malzemenin
reçinesine daha iyi yapışabilmesi için elektrolitik banyoya yatırılır.
4. Kaplama; Elyafı sonraki işlemlerden (prepreg gibi) korumak için yapılan nötr bir
sonlandırma işlemidir. Elyaf reçine ile kaplanır. Genellikle bu kaplama işlemi için epoksi
kullanılır. Kompozit malzemede kullanılacak olan reçine ile elyaf arasında bir ara yüz
görevi görür.
Karbon elyafının tüm diğer elyaflara göre en önemli avantajı yüksek modül özelliğidir.
Karbon elyafı bilinen tüm malzemelerle eşit ağırlıklı olarak karşılaştırıldığında en sert
malzemedir.
Aramid Elyafı;
Aramid kelimesi bir çeşit naylon olan aromatik polemid' den maddesinden gelmektedir.
Aramid elyafı piyasada daha çok ticari isimleri Kevlar (DuPont) ve Tvvaron (Akzo
Nobel) olarak bilinmektedir. Farklı uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için birçok
farklı özelliklerde aramid elyafı üretilmektedir.
Önemli Özellikleri;
 Genellikle rengi sarıdır
 Düşük yoğunlukludur.
 Yüksek dayanıklılık
76
 Yüksek darbe dayanımı
 Yüksek aşınma dayanımı
 Yüksek yorulma dayanımı
 Yüksek kimyasal dayanımı
 Kevlar elyaflı kompozitler Cam elyaflı kompozitlere göre 35% daha hafiftir
 E Cam türü elyaflara yakın basınç dayanıklılığı
Aramid elyafının dezavantajları
1- Bazı tür aramid elyafı ultraviyole ışınlara maruz kaldığında bozulma
göstermektedir. Sürekli karanlıkta saklanmaları gerekmektedir.
2- Elyaflar çok iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda reçinede mikroskobik çatlaklar
oluşabilir. Bu çatlaklar malzeme yorulduğunda su emişine yol açmaktadır.
Genellikle polimer matrisler için takviye elemanı olarak kullanılan aramid elyafının bazı
kullanım alanları:
 Balistik koruma uygulamaları; Askeri kasklar, kurşungeçirmez yelekler...
 Koruyucu giysiler; eldiven, motosiklet koruma giysileri, avcılık giysi ve
aksesuarları
 Yelkenliler ve yatlar için yelken direği
 Hava araçları gövde parçaları
 Tekne gövdesi
 Endüstri ve otomotiv uygulamaları için kemer ve hortum
 Fiber optik ve elektromekanik kablolar
 Debriyajlarda bulunan sürtünme balatalarında ve fren kampanalarında
 Yüksek ıs ve basınçlarda kullanılan conta, salmastra vb.
En çok bilinen ve kullanılan aramid elyafı Dupont firmasının tescilli ismi olan Kevlar'dır.
Kevlar 29, and Kevlar 49 olarak iki çeşidi bulunmaktadır. Kevlar 29 üstün darbe
77
dayanımı özelliğine sahiptir ve bu nedenle çoğunlukla kurşungeçirmez yelek gibi
uygulamalarda kullanılırlar.
Tablo 13. Belli başlı elyafların karşılaştırılması
Malzeme
Yoğunluk
Çekme Dayanımı Elastik Modül
(g/cm3)
(MPa)
(GPa)
E-Cam
2.55
2000
80
S-Cam
2.49
4750
89
Alüminyum
3.28
1950
297
Karbon
2.00
2900
525
Kevlar 29
1.44
2860
64
Kevlar 49
1.44
3750
136
POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN ÜRETİM YÖNTEMİLERİ
İstenilen özelliklerde ve biçimde kompozit malzeme üretimi için birçok yöntem
bulunmaktadır. Bu yöntemlerden bazıları aşağıdadır;
Elle yatırma (hand lay-up)
Dokuma veya kırpılmış elyaflarla hazırlanmış takviye kumaşları hazırlanmış olan kalıp
üzerine elle yatırılarak üzerine sıvı reçine elyaf katmanlarına emdirilir. Elyaf
yatırılmadan önce kalıp temizlenerek jel kot sürülür. Jel kot sertleştikten sonra elyaf
katları yatırılır. Reçine ise kompozit malzemenin hazır olması için en son sürülür Bu
işlemde elyaf kumaşına reçinenin iyi nüfuz etmesi önemlidir. El yatırma tekniğinde en
çok kullanılan polyester ve epoksi'nin yanı sıra vinil ester ve fenolik reçineler de tercih
edilmektedir. Elle yatırma yoğun işçilik gerektirmesine rağmen düşük sayıdaki
üretimler için çok uygundur.
78
Püskürtme (spray-up)
Püskürtme yöntemi elle yatırma yöntemini aletli şekli olarak kabul edilebilir. Kırpılmış
elyaflar kalıp yüzeyine, içine sertleştirici katılmış reçine ile birlikte özel bir tabanca ile
püskürtülür. Elyafın kırpılma işlemi tabanca üzerinde bulunan ve bağımsız çalışan bir
kırpıcı sayesinde yapılır. Püskürtülme işlemi sonrası yüzeyin bir rulo ile düzeltilmesiyle
ürün hazırlanmış olur.
Şekil 27. Püskürtme Yöntemi
Püskürtme Tabancası
Elyaf sarma (filament winding)
Bu yöntem özel biçime sahip ürünlerin seri üretimine uygundur. Elyaf sarma yöntemi
sürekli elyaf liflerinin reçine ile ıslatıldıktan sonra bir makaradan çekilerek dönen bir
kalıp üzerine sarılmasıdır. Sürekli liflerin farklı açılarla kalıba sarılmasıyla farklı
mekanik özelliklerde ürünler elde edilebilir. Yeterli sayıda elyaf katının sarılmasından
sonra ürün sertleşir. Ardından döner kalıp ayrılır. Bu yöntemle yapılan ürünler
genellikle silindirik, borular, araba şaftları, uçak su tankları, yat direkleri, dairesel basınç
tanklarıdır.
79
Şekil 28. Elyaf sarma Makinesi
Reçine transfer kalıplama RTM / reçine enjeksiyonu
Bu kompozit üretim yönteminde elle yatırma sistemlere daha hızlı ve uzun ömürlü
olmakla birlikte iki parçalı kalıp kullanmak gereklidir. Kalıbın kompozit malzemeyle
yapılması çelik kalıp maliyetine göre daha düşük kalmasına neden olmaktadır. RTM
yöntemi çoğunluk jel kotlu veya jel kotsuz her iki yüzeyinde düzgün olması istenen
parçalarda kullanılır. Takviye malzemesi kuru olarak keçe, kumaş veya ikisinin
kombinasyonu kullanılır. Takviye malzemesi önceden kalıp boşluğu doldurulacak
şekilde kalıba yerleştirilir ve kalıp kapatılır. Elyaflar matris içinde geç çözünen
reçinelerle kaplanarak kalıp içerisinde sürüklenmesi önlenir. Reçine basınç altında
kalıba pompalanır. Bu süreç daha fazla zaman ister. Matris enjeksiyonu soğuk, ılık veya
en çok 80°C'ye kadar ısıtılmış kaplarda uygulanabilir. Bu yöntemde içerideki havanın
dışarı çıkarılması ve reçinenin elyaf içine iyi işlemesi için vakum kullanılabilir. Elyafın
kalıba yerleştirilmesini gerektirmesinden dolayı uzun sayılabilecek bir işçilik gerektirir.
Kalıp kapalı olduğu için ise zararlı gazlar azalır ve gözenekli bir ürün elde edilebilir. Bu
yöntemle karmaşık parçalar üretilebilir. Concorde uçaklarında, Fi arabalarında bazı
parçalar bu yöntemle hazırlanmaktadır.
80
Şekil 29. RTM yöntemi
Profil çekme / pultruzyon (pultrusion)
Pultruzyon işlemi sürekli sabit kesitli kompozit profil ürünlerin üretilebildiği düşük
maliyetli seri üretim yöntemidir. Pull ve Extrusion kelimelerinden türetilmiştir. Sisteme
beslenen sürekli takviye malzemesi reçine banyosundan geçirildikten sonra 120-150
°C'ye ısıtılmış şekillendirme kalıbından geçilerek sertleşmesi sağlanır. Kalıplar genellikle
krom kaplanmış parlak çelikten yapılmaktadır. Sürekli elyaf kullanılmasından dolayı
takviye yönünde çok yüksek mekanik mukavemet elde edilir. Enine yükleri
karşılayabilmek için özel dokumalar kullanmak gerekmektedir.
Hazır kalıplama / conmpression molding (SMC, BMC)
Hazır kalıplama bünyesinde cam elyafı, reçine, katkı ve dolgu malzemeleri içeren
kalıplamaya
hazır,
hazır
kalıplama
bileşimleri
olarak
adlandırılan
kompozit
malzemelerin (SMC, BMC) sıcak pres kalıplarla ürüne dönüştürülmesidir. Karmaşık
şekillerin üretilebilmesi, metal parçaların bünye içine gömülebilmesi, farklı cidar
kalınlıkları gibi avantajları bulunmaktadır. Ayrıca ürünün iki yüzü de kalıp ile
şekillenmektedir. Diğer kompozit malzeme üretim tekniklerinin olanak vermediği delik
gibi komplike şekiller elde edilebilmektedir. Iskarta oranı düşüktür. Bu yöntemin
dezavantajları kalıplama bileşimlerinin buzdolaplarında saklanmaları gerekliliği,
kalıpların metal olmasından dolayı diğer kalıplardan daha maliyetli olması ve büyük
parçaların üretimi için büyük ve pahalı preslere ihtiyaç olmasıdır. Hazır kalıplama
81
yönteminde kullanılan bileşimler içeriklerine göre çeşitlilik göstermekle beraber en çok
iki tür hazır kalıplama bileşimi kullanılmaktadır;
•
Hazır kalıplama pestili / SMC (sheet moulding composites)
•
Hazır kalıplama hamuru / BMC (bulk moulding composites)
SMC: takviye malzemesi olarak kırpılmış lif ile dolgu malzemesi içeren bir reçinenin
önceden birleştirilmesi ile oluşan pestil biçiminde malzemedir. Sürekli lifler, 25-50 mm
kırpılmış olarak ve kompozitin toplam ağırlığının %25-30 oranında kullanılır. Genellikle
im genişliğinde ve 3mm. kalınlığında üretilir.
BMC: takviye malzemesi olarak kırpılmış lif ve dolgu malzemesi içeren bir reçinenin
önceden birleştirilmesi ile oluşan hamur biçiminde malzemedir.
Hazır kalıplama bileşimlerinin avantajları;
 Çok geniş tasarım esnekliği
 Düzgün yüzey
 Kolayca kaplanabilme, boyanabilme ve kalıp içinde yüzeyin kaplanabilmesi
 Geri dönüştürülebilirle ve hazırlığında geri dönüşümü malzeme kullanabilme
 Metal gömme parçaların yerleştirilmesi ile montaj kolaylığı
 Yüksek alev dayanımı
 Sıcaklık dayanımı
 Soğukta kırılgan olmama enjeksiyon kalıplama (injection moulding)
Bu yöntem RTM'ye benzer bir yöntemdir. Farklılığı reçine/elyaf karışımın kalıp
dışarısında karışmış ve eritilerek basınç altında boş kalıp içine enjekte ediliyor
olmasındadır. Sadece düşük viskoziteye sahip termoset reçineler bu yöntemde
kullanılabilir. Diğer yöntemlere göre daha hızlıdır. Çocuk oyuncaklarından uçak
parçalarına kadar bir çok ürün bu yöntemle üretilebilmektedir.
82
Vakum bonding / Vakum bagging
Kompozit malzeme (genellikle geniş sandeviç yapılar) önce bir kalıba yerleştirilir,
ardından bir vakum torbası en üst katman olarak yerleştirilir. İçerideki havanın
emilmesiyle vakum torbası, yatırılan malzemenin üzerine l atmosferlik basınç
uygulayarak aşağıya çekilir. Sonraki aşamada tüm bileşim bir fırına yerleştirilerek
reçinenin kür işlemi için ısıtılır. Bu yöntem sıklıkla elyaf sarma ve yatırma teknikleri ile
bağlantılı olarak uygulanır. Kompozit malzeme tamir işlemlerinde de vakum bagging
yöntemi kullanılmaktadır.
Şekil 30. Vakum bagging
Otoklav / autoclave bonding
Termoset kompozit malzemelerin performanslarını artırmak için elyaf/reçine oranını
artırmak ve malzeme içinde oluşabilecek hava boşluklarını tamamen gidermek
gerekmektedir. Bunun sağlanması için malzemeyi yüksek ısı ve basınca uygulayarak
sağlanabilir. Vakum bagging yöntemindeki gibi sızdırmaz bir torba ile elyaf/reçine
yatırmasına basınç uygulanabilir. Fakat l atmosferden fazla düzenli ve kontrol edilebilir
bir basıncın uygulanabilmesi için dışsal basınca ihtiyaç duyulur. Bu uygulama için,
otoklav yönteminde de uygulanan ve kompleks şekillerde en çok kontrol edilebilen
metoda, dışarıdan sıkıştırılmış gazın kompozit malzemenin içinde bulunduğu kaba
verilmesidir.
Otoklav kesin basıncın, ısının ve emişin kontrol edilebildiği basınçlı bir kaptır. Vacuum
bbagging yöntemi ile benzerdir. Fırın yerine bir otoklav kullanılır. Böylece özel amaçlar
83
için yüksek kalitede kompozit üretebilmek için kür şartları tam olarak kontrol edilebilir.
Bu yöntem diğerlerine oranla daha uzun sürede uygulanır ve daha pahalıdır.
Preslenebilir takviyeli termoplastik/glass mat reinforced thermoplastics (GMT)
Keçe türünde elyaf takviyesi içeren termoplastik reçine ile yapılmış plaka şeklinde
preslenebilir kalıplamaya hazır özel amaçlı bir takviyeli termoplastik çeşidini
tanımlamaktadır. GMT nin hazırlanması SMC ye benzemektedir. Ekstruderden çekilen
bir termoplastik levha üzerine yumuşak haldeyken bir elyaf takviyesi yerleştirilir. Bu
katmanların üzerine bir diğer termoplastik levhada yumuşakken yerleştirilerek soğuk
hadde silindirlerinin arasından geçirilir. Sertleşen plakalar kesilerek preslenmeye hazır
duruma getirilir.
POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN KULLANIM ALANLARI
Kompozit malzemeler artık gittikçe artan oranlarda ve yeni sektörlerde kullanılmaya
başlanmıştır. Uzun zaman uçak sanayisindeki ihtiyaçların yönlendirdiği kompozit
malzeme gelişimleri son dönemde yeni birçok sektörde birçok farklı amaç için
kullanılmaktadır.
Havacılık Sanayi
Özellikle ileri kompozit malzemeler havacılık sanayinde çok geniş uygulama alanları
bulmaktadır. Komposite malzemelerinin hafifliklerine oranla üstün mekanik özellikleri
uçaklarda ve helikopterlerde sadece içi mekan değil yapısal parçalarında polimer esaslı
kompozitlerle üretilmesine neden olmaktadır.
 B2 bombardıman uçağı gövde panelleri; karbon fiber+epoksi
 A380 yolcu uçağı kanat panelleri ve flapler; karbon fiber+epoksi
84
 A380 yolcu uçağı burun bölümü (radome); CTP
 A380 yolcu uçağı dikey stabilizer; Aramid fiber+epoksi
 Zemin Plakası; Airbus 300/600 uçaklarında kullanılan karbon takviyeli
Polieterimid
 Uçak EAPS kapağı; (Karbon Elyafı + PEEK)
Şekil 31. Kompozitlerin kullanıldı yolcu uçağı
Denizcilik Sanayi
 Yelkenli Gövdesi; CTP, Balsa ve polimer köpük üstüne cam, aramid karbon
 dokumaları ile kaplanması
 Yat, Tekne Arkası Platform
 Basamaklar; CTP
 Yelken Direği; Kevlar+Epoksi
85
Şekil 32 CTP Deniz araçları
Spor Araçları
Kompozit malzemelerin popüler olduğu yeni sektörler arasında spor araç ve gereçleri
her geçen gün daha da öne çıkmaktadır. Özellikle ağırlığın azalması, dolayısıyla hareket
kabiliyetinin artması, ve dayanıklılığın artmasına neden olan cam ve karbon elyafı
takviyeli kompozitler kullanılmaktadır.
Kompozitler kano, sörf ve yatlar için çok önemli olan malzeme yorgunluğu ve darbe
dayanımı konusunda üstün özelliklere sahiptirler. Dağ bisikletleri en iyi katılık/ağırlık
oranı ve en düşük ağırlık özellikleri kazanmak için karbon elyafı ile üretilmektedir.
Korozyona dayanım, şok emme ve sağlamlık gibi üstün özellikler kazandırmaktadır.
Ayrıca golf sopası, tenis raketi gibi spor ürünlerinde ağırlığı düşürmek için karbon elyafı
takviyeli kompozit malzemelerden üretilmektedirler.
 Su kayağı; Termo plastik prepreg
 Kar kayağı; Ahşap üzerine sarılmış karbon, aramid, cam elyafı karışımı+epoksi
 Kano küreği; (%33 Cam+Poliftalamid)
 Su kaydırakları: CTP Sörf Tahtaları:; CTP
 Bisiklet; (Karbon+Poliamid 6), yaklaşık kg ağırlığında
 Reebook Spor Ayakkabı; termoplastik poliüretan, petek (honeycomb)
 Golf Sopası; Karbon Fiber+Epoksi
86
 Tenis Raketi; Aramid (Kevlar) + Epoksi
 Zıpkın Gövdesi; Karbon Fiber+Epoksi
 Palet; Karbon Fiber+Epoksi
Şekil 33. Spor malzemeleri
Korozyona Dayanıklı Ürünler
 Su tankı; CTP
 Mazgal Olukları; CTP
 Yeraltı Boruları;
 Marketlerde Dondurulmuş Gıda Reyonu Kaplaması; CTP
 Rasathane Kubbesi; CTP
 Açık Saha Dolapları: CTP
 Çit; CTP
 İlan Panoları; CTP
87
Sağlık sektörü
Tekerlekli sandalye; Cam veya Karbon Elyaf takviyeli Polyester
Tıbbi Tetkik Cihazları Dış Muhafazaları; CTP
Şekil 34 Yapay bacaklar
Ulaşım Sektörü
 Traktör Kaporta
 Kabin
 Oturma Birimi; SMC
 Toplu Taşıma Araçları Oturma Birimi; SMC
 Konteyner Tabanı; GMT
 Otobüs Havalandırma Kanalları
 Port Bagaj Parçaları
 Gösterge Paneli; CTP
 Açık Alan Servis (Golf Arabası) araçları kaporta, tavan; CTP
 Teleferik; CTP, Maçka teleferiği
 Tren; Kompozit prepreg ve dokuma malzemeler türleri artan oranlarda tren
88
Konstrüksiyonunda maliyet ve ağırlık düşürmek amacıyla kullanılmaktadır. İskelette
ağırlığın düşürülmesi enerji tasarrufu sağlamakla beraber daha hızlı araçların
geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır. Ayrıca trenlerde malzemelerin yüksek katılığa
sahip olmaları iskeletin desteklenmesine gerek olmaması anlamına gelmektedir ki
böylece
yolcu
taşıma
bölümü
ayrılan
mekân
artırılabilmektedir.
Tren
konstrüksiyonunda kolay ve hızlı değişebilen genellikle prepreg levhalar kullanılır.
Böylece tekil zarar gören paneller hızla değiştirilebilmektedir.
Otomotiv
Otomobil firması müşterilerinin ihtiyaçlarına karşılık vermek çevresel şartların baskısı
altında daha hafif otomobiller üretmektedirler. Hafifi otomobiller daha çabuk
hızlanabilen, daha çabuk durabilen ilerlemek için daha küçük bir motora ve daha az
benzine ihtiyaç duyan araç anlamına gelmektedir.
 Cam Sileceği; %30 Cam+PBT
 Fitre Kutusu; Mercedes, %35 Cam+Poliamid 66
 Pedallar; %40 Cam+Poliamid 6
 Dikiz Aynası; %30 Cam+ABS
 Far Gövdesi; BMW, %30 Cam+PBT
 Hava Giriş Manifoldu; BMW, Ford, Mercedes, %30 Cam+Poliamid 6
 Otomobil Gösterge Paneli; GMT
 Otomobil Spoiler; CTP
 Otomobil Yan Gövde İskeleti; Ford, CTP
 Otomobil kaporta; Corvette, SMC CTP
89
Şekil 35. GM otomobil ön panel
FORMULA l Arabaları;
Formula l arabalarının yapımına ait düzenlemeler çok özeldir ve titizlikle
uygulatılmaktadır. Arabanın tüm ağırlığı 605 kilogramı aşmamalıdır. Tasarım
mühendisleri en az ağırlıkla en sağlam çözümü bulmak durumundadırlar. Daha önceleri
yarış arabalarında hafif bir metal olan alüminyum kullanılmaktaydı artık kompozit
malzemeler çok daha düşük ağırlıklarla sertlik iki ye katlanabilmektedir.
Ayrıca karmaşık parçaların kompozit malzemelerle üretilebilmesi Fi otomobillerin
üretiminde gerekli parça sayısı azaltabilmektedir. Alüminyumla 200'den fazla parçayla
üretilen gövde ve şase beş parçaya düşürülmüştür. Kompozit malzemeler metal cıvatalar
gibi bağlantı parçaları ile birleştirilmek yerine epoksi reçinesi ile birbirlerine
bağlanmaktadır. F1arabalarında aşağıda belirtilenlerle beraber birçok parça kompozit
malzeme kullanılmaktadır.
 Motor kaplaması
 Burun kapağı
 Ön ve arka kanatlar, spoiler
 Ana gövde. Mühendislik
 Elektrik dağıtım Panoları; CTP
90
Müzik aletleri
London College of Furniture ve diğer bazı yerlerde ileri kompozit malzemelerle müzikal
enstrümanlar yapılması üzerine çalışmalar bulunmaktadır. İleri kompozit malzemelerle
yapılan yaylı sazlarda boyun kısmının tellerin gerilmesinden dolayı deforme olması
karşılaşılan temel sorunlardandır.
 Keman; Karbon Fiber+Epoksi
 Gitar; Karbon lamine tabakalar arası polimer köpük
 Akustik Gitar; Grafit-Epoksi
 Çello; Karbon + Epoksi
Şekil 36. Karbon+epoksi Kemanlar
91
Yapı sektörü
 Köprü Tabanı;CTP
 Trabzanı;CTP
 Yürüme yolları;CTP
 Taşıyıcı Konstrüksiyon;CTP
 Bina Balkon Korkuluğu CTP
 Kapı;CTP
 Taşıyıcı Konstrüksiyon, Yüzme Havuzu, Kapı Saçağı, Yer karoları; SMC
 Bina Kaplama Panelleri: CTP
 Küvet; CTP
 Lavabo; CTP
 Sokak Lambası;
92
BÖLÜM 4. SERAMİK MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER
Seramik malzemeler, yüksek sıcaklığa dayanıklı ve hafif oldukları (d= 1,5 - 3,0 gr/cm3)
için oldukça çekicidir. Seramik matrisli kompozit malzemeler genellikle yüksek
sıcaklıkta çalışması gereken parçalar için kullanılılırlar.
Sert ve kırılgan malzemeler olan seramik malzemeler, çok düşük kopma uzaması
gösterirler, düşük tokluğa sahiptirler ve termal şoklara karşı dayanıksızdırlar. Bu
nedenle liflerle takviye edilirler.
Buna karşılık çok yüksek elastiklik modülüne ve çok yüksek çalışma sıcaklıklarına
sahiptirler.
Üç tip seramik matrisli kompozit malzeme vardır:
 Sürekli fiberli kompozitler
 Süreksiz fiberli kompozitler
 Partiküllü kompozitler
Matris veT akviye Malzemelerri
Seramik matrisli kompozit malzemelerde; matris malzemesi olarak Al2O3, SiC, Si3N4 ve
B4C yaygın olarak kullanılmaktadır.
Seramik malzemeleri takviye etmemizin veya güçlendirmemizin nedeni plastik ve
metallerden farklıdır. Plastik ve metaller, yüksek mukavemete sahip olmalarına karşın
seramikler, mukavemetin yanısıra özellikle yüksek tokluk ve ısıl dayanıma sahiptirler.
Takviye elemanı olarakta genellikle Al2O3 ve SiC seramik malzemeler fiber formuna
getirilerek kullanılmaktadır.
93
Sürekli Fiberler:
Sürekli fiberlerle takviye edilmiş seramik matrisli kompozit malzemede matris zayıflasa
bile fiberler, uygulanan yükü taşımaya devam ederler. Fakat herhangi bir çatlak yada
çentik durumunda seramik matrisli kompozit malzeme özelliklerini (mukavemetini)
kaybeder, deforme olur hatta geri dönülmesi imkansız yıkım gerçekleşebilir.
Özellikle 2 çeşit fiberin kullanımı, seramik matrisli kompozitlerin üretiminde daha
yaygındır. Bunlar; Silisyum Karbür (SiC ) ve Alüminadır (Al2O3).
Sürekli fiberlerin tokluklarının diğerlerine göre daha yüksek olması, tercih edilme
nedenlerini arttırmıştır. Özellikle SiC, üretim tekniklerine uygun ve elde edilmesi daha
kolay olduğu için tercih edilir.
Süreksiz Fiberler:
Seramik
süreksiz
fiberlerin
kırılma
direnci
yüksektir.
Whiskerler,
monolitik
seramiklerin kırılma direncini arttırırlar.
SiC, ZrO2 ve TiC en çok kullanılan fiberlerdir.
Tablo 14. Süreksiz fiberler
Matris
Si3N4
Al203
SiC wisker
Egilme Gerilmesi
Kırılma Tokluğu
%
Mpa
Mpa. √m
0
400-650
5-7
10
400-500
6,5-9,5
30
350-450
7,5-10
0
..........
4,5
10
400-510
7,1
20
520-790
7,5-9,0
94
Partiküller
Takviye malzemeleri partikül halinde matris malzemesi içine ilave edilir.
SERAMİK MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN TOKLAŞTIRMA MEKANİZMALARI
Seramik matrisli malzemelerin 3 ana mekanizma ile toklaştığına inanılmaktadır. Her 3
mekanizmada takviye malzemelerinin, seramikte çatlak ilerlemesini engellemesine
bağlıdır. Bu mekanizmalar şöyle özetlenebilir;
1- Çatlak saptırma: Çatlak, takviye malzemesine rastladığında yön değiştirmek
zorunda kaldığından hareket etmesi zorlaşmakta ve çatlağın hareketi için daha
yüksek gerilmelere ihtiyaç olmaktadır.
2- Köprü oluşturma: Fiberler çatlak üzerinde köprü oluşturarak malzemenin
birarada kalmasına yardımcı olurlar ve bu nedenle de çatlağın ilerlemesi için
daha fazla gerilmeye ihtiyaç duyulur.
3- Fiber çıkması: Fiberlerin çatlayan matris malzemesinden dışarı çekilmesi için
gereken sürtünme enerjisi enerji yutmakta ve çatlağın ilerlemesi daha fazla
gerilme gerektirmektedir.
Yüksek dayanım için matris ile fiber arasındaki arayüzey bağının iyi olması
gerekmektedir.
Eğer malzeme yüksek sıcaklıkta kullanılacaksa, matris ve fiberin
genleşme katsayılarının birbirine çok yakın olması gerekmektedir.
95
SERAMİK KOMPOZİTLERİN KULLANIM ALANLARI
Sürekli Fiber Kompozitler
Sürekli fiber kompozitler, son derece gelişmiş ileri kompozit malzemelerdir. Başlıca
uygulama alanları şunlardır:
 Sürekli fiber kompozitler, yüksek sıcaklık kararlılığı ve ve korozyon dirençleri
nedeni ile hem uzay
 Sanayiinde hem de değişik endüstriyel alanlarda uygulama alanı bulurlar.
 Türbin motor parçaları
 Sıcak gaz filtreleri
 Roket motorları için türbin disklerinde
 Isı değiştirici tüpleri
 Zırhlarda
 Petrol borularında korozyona maruz kalan parçalarda
 Separatörlerde
 Isıl işlem fırınlarında
 Dizel motorlarında eksoz valflerinde
 Motor yalıtımı
 Fren diskleri
Süreksiz Fiber Kompozitler
Süreksiz takviye malzemeleri; parçalar, plakalar, whiskers yada dalgalı fiberleri içerir ve
genelde polikristalin seramik cam veya cam-seramik matrise ilave edilir. Uygulamanın
en önemli noktası matris malzemesidir ve en önemli matris malzemesi alüminadır.
Ayrıca, SiC, Si3N4, müllit yada alümina silikat matris malzemesi de kullanılır. Başlıca
uygulama alanları şunlardır:
96
 Isı değiştirgeçleri
 Termal koruma sistemleri
 Korozyona dayanıklı parçalar
Partiküllü Kompozitler
Partikül takviyeli seramik matrisli kompozit malzemelerin en önemli özellikleri Sıcak
İzostatik Presleme (HIP) gibi basit üretim teknikleri kullanılarak imalatının basit
olmasıdır.
Seramik matrisli kompozitler, uçaklarda alçak basınç türbinlerine (LPT, Low Pressure
Turbine) ait sabit parçalarda (egzoz gömleği, flapler, v.b.) kullanılabilmektedirler.
Yüksek sıcaklıktaki mükemmel mukavemet değerlerine bağlı olarak, uzay roketi
motorları, sandviç zırhlar, çeşitli askeri amaçlı parçalar imali ile uzay araçları bu
ürünlerin başlıca kullanım yerleridir .
Seramiklerin yüksek ısıl dayanımlarından yararlanılmış ve seramik kompozitler
kullanılarak seramiklerin kırılganlık özelliği giderilmiştir. Aşağıdaki şekilde bu gaz
türbininde kullanılan Seramik Matrisli Kompozit malzemeler türbin üzerinde
gösterilmiştir .
97
Şekil 37. Seramik Matrisli kompozitlerin Kullanımı
Seramik katmanlı kompozitler 1000°C’nin üzerinde birkaç yüz saat kaldıklarında basınç
ve fiber malzemesine bağlı olarak 2 çeşit sorunla karşılaşmaktadır.
 Yüzeyinde oksit tabakası bulunan fiber oksit sıcaklığa oldukça dayanımlı
olmasına karşın, sürünme özellikleri iyi değildir.
 Öte yandan, yüzeyinde oksit olmayan fiber malzemelerinin (SiC) sürünme
özellikleri iyi olmakla birlikte, koruyucu kaplama olmasına rağmen matris
malzemesi ile reaksiyona girerek kimyasal değişime uğrayabilmekte, bu da
yapısal sorunlara yol açmaktadır. Bu nedenle 1000°C'nin üzerinde SMK'lerin
kullanımı sınırlıdır. Monolitik seramikler, bu problemleri içermemelerine karşın
kırılganlık ve çatlama riskleri vardır.
98
BÖLÜM 4. ÇÖZÜMLÜ ÖRNEK PROBLEMLER
Örnek 1
Çözüm 1
99
Örnek 2
Çözüm 2
100
Örnek 3
Çözüm 3
101
Örnek 4
Çözüm 4
102
KAYNAKLAR
1. Erdoğan, M. Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri, Cilt II, Nobel Yayın Dağıtım,
1998, Ankara.
2. Şahin. Y. Kompozit Malzemelere Giriş Ders Notları, Gazi Üniversitesi, Teknik
Eğitim Fakültesi, 1996.
3. Gül. F. İnem B., Döküm yolu ile SiCp kompozit geliştirilmesi, Savunma Sanayindeki
Teknolojik Gelişmeler Sempozyumu Bildiri, Kitabı, Cilt II, 5-6 Haziran Kara Harp Okulu
Öğretim Başkanlığı, Teknik Bilimler Bölümü, Ankara, 999-1003.
4. Şahin, Y. Ph.D. The University of Aston in Birmingham, 1994.
5 . Şahin, Y, Metal matriksli kompozitlerin fabrikasyon teknikleri üzerine bir inceleme, 2.
Makine tasarım ve imalat kongresi, ODTÜ, Makine Mühendisliği Bölümü, UMTİK 994,
Ankara.
6. Gül F., Doktora Tezi, Döküm yoluyla alüminyum temelli parçacık takviyeli kompozit
geliştirme, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 1999, İstanbul.
7. Kök, M., Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, Eylül-2000
8. Durman, M., Akbulut, H. and Yılmaz F., Saffil (A1203) fîbre takviyeli Al-Si
matris
kompozitlerin
üretimi
ve
özelliklerinin incelenmesi,
metal
7.Uluslar Arası
Metallurji ve Malzeme Kongresi, Ankara, 1993, 1114-1154.
9.Akbulut, H, Durman, M ve Yılmaz, F. SiCp alüminyum-silisyum alaşımlı kompozitlerin
üretimi ve özelliklerinin incelenmesi, 7.Uluslar Arası Metallurji ve Malzeme Kongresi,
Ankara, 1993, 1183-1194.
10. Şahin Y. Elyaf takviyeli metal matriksli kompozitlerin aşınma ve sürtünme
davranışlarının incelenmesi,
7.Denizli Malzeme Sempozyumu, 2-4 Nisan 1997, PAÜ,
Mühendislik Fakültesi, Çamlık, Denizli.
11. Olcay Y., Akyol M., Gemci R., 2002, Polimer Esaslı Lif Takviyeli Kompozit
Malzemelerin arabirim Mukavemeti Üzerine Farklı Kür Metotların Etkisinin İncelenmesi,
Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık fakültesi, Cilt 7, Sayı l, Bursa
12. Philips N. L.,1989, Design with Advance Composite Materials,Springer-Verlag,
The Design Council, Great Britain Younnossi O., Kennedy M., Graser J. C L, 2001, Military
Airframe Costs The Effects of Advanced Materials and Manufacturing Processes, Project
Air Force, RAND, Pittsburg, USA
13. Cam Elyaf, 1997, Bülten Sayı 6, Cam Elyaf Sanayi A.Ş.,
103
14. www.science.org.au/nova/059/059key.htm > Putting it together – the selence and
technology of composite materials
15. www.fibersource.com > FiberSource: The Manufactured Fiber Industry
16. http://plastics.about.com/library/weekly/aa060297.htm > Composites
/ Plastics - VVhat's a Composite
17. www.geocities.com/CapeCanaveral/1320 > Vince Kelly's Carbon Fiber Homepage
104
Download