POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER Dr. Öğr. Üyesi Mert KILINÇEL POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER 1. Hafta PMK’lere Giriş Kompozit Malzemeler • Kompozit malzemeler; birden çok malzemenin bir araya getirilmesi ile, kendini oluşturan malzemelerin kendine has üstün özelliklerinin yer aldığı yeni malzemelerdir. Kompozit malzemeleri oluşturan bileşenlere matris ve takviye elemanı isimleri verilir. Takviye elemanları malzemeye dayanım ve mukavemet katarken; Matris elemanları ise yeni malzemenin bağlanması sırasında sertlik ve katılık vererek malzemenin çevresel etkilerden korunmasını sağlar. Günümüzde Kompozit malzemelerin en sık kullanıldığı yerler inşaatlardır. Beton, çimento ve kumdan meydana gelen matris malzemesi çelik çubuklar ile takviye edilir. Benzer şekilde kerpiç evlerin yapımında ise çamurun matris elemanı ve samanın da takviye elemanı olarak kullanıldığı kerpiç olarak adlandırılan Kompozit malzemeler de mevcuttur. Bu ders kapsamında cam, karbon ve aramid elyaf takviyeli, polimer (polyester, vinil ester, epoksi, fenol formaldehit, üre formaldehit gibi) matrisli kompozit malzemelerin üretimi anlatılacaktır. Laboratuvarda Malzemelerin Tanıtılması POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER 2. Hafta PMK’lerde Kullanılan Takviye ve Matris Elemanları Polimer Matrisli Kompozit Malzeme Üretim Metotları Üretimde Kullanılan Malzemeler • Takviye Elemanları: Kuru elyaflar ; karbon, cam ya da aramid yapıdaki; iplikler, kırpık elyaflar ve dokuma elyaflar Polimer Matrisli Kompozit Malzeme Üretim Metotları Üretimde Kullanılan Malzemeler • Matris Elemanları: Termoset ve Termoplastik reçineler Termoplastikler • • • • • • • • • PET Polipropilen Polikarbonat PBT Vinil Polietilen PVC PEI Naylon Termosetler • • • • • Epoksi Reçineler Polyester Reçineler Vinilester reçineler Fenolik reçineler Üretan Laboratuvarda Malzemelerin Tanıtılması POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER 3. Hafta PMK’lerde Kullanılan Fiber Tipleri • Cam Fiberler: PMK(Polimer Matrisli Kompozit) Üretiminde Kullanılan Fiber Tipleri Bir diğer adıyla fiberglas malzemeler, eritilmiş haldeki camın oldukça çok küçük deliklerden eritilerek akıtılıp sertleştirilmesi ile üretilir. Kalıplardan eritilerek geçirilen çok ince cam teller den üretilen maddeler olarak ta ifade edilir. Aynı zamanda fiber cam olarak ta nitelendirilen bir üründür. PMK(Polimer Matrisli Kompozit) Üretiminde Kullanılan Fiber Tipleri • Cam Elyaflar: Avantajları; - Hafif olmaları nedeni ile uygulama sırasında son derece kolaylık sağlamaktadır. Hafif bir yapıya sahip olmasına karşın dayanıklı olması da kullanıldığı her alanda kaliteyi yakalama fırsatı sunmaktadır. - Küf tutmayan ve paslanmayan bir yapıya sahip olması ile çatı ve dış mekanlarda, bina cephe kaplamalarında rahatlıkla kullanılabilmektedir. - Dış mekan şartlarından etkilenmemesi ve rüzgar, sıcaklık ve soğukluğa karşı da dirençli olması sayesinde duvar kaplama malzemesi olarak kullanılmaktadır. • Cam Elyaflar: PMK(Polimer Matrisli Kompozit) Üretiminde Kullanılan Fiber Tipleri Kullanım Alanları; - Çatı kaplamaları ise en çok mimari uygulaması yapılan kullanım alanlarının başında yer alır. Fiberglass, su geçirmeyen özelliği ile çok güvenilir yalıtım malzemesi ve çatı güçlendirici olarak kullanılmaktadır. - Binalarda duvar süslemelerinde, Çatı levhalarında, Beton ve alçı kalıplarda, Banyo küvetinde, mutfak tezgahında, Su ve kimyasal nakil borularında, deniz araçlarında, Ahşap ve metal yüzeylerin korunmasında. • Karbon Fiberler: PMK(Polimer Matrisli Kompozit) Üretiminde Kullanılan Fiber Tipleri - Karbon elyafı ticari olarak ilk defa 1800’lerin sonlarında, akkor lamba teli (flamenti) elde etmek amacıyla pamuk ve bambu lifinin karbonizasyonuyla elde edilerek kullanılmıştır. - Takviye malzemesi olarak kullanımı ise, 1950’lerin sonlarında roket parçası üretimi için olmuştur. - 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. PMK(Polimer Matrisli Kompozit) Üretiminde Kullanılan Fiber Tipleri • Karbon Fiberler: Avantajları - Karbon elyafın avantajlarına bakarsak; öncelikle karbon elyaf yapısı bakımından hafifliği nedeniyle oldukça kullanışlıdır. Daha hafif donanım ile daha fazla verim alındığı unutulmamalıdır (Havacılık, otomotiv vb.). Oksitlenme gibi bir sorunu olmadığından görsel olarak çekici olmaktadır. Ayrıca uzun ömürlü olması sebebi ile de tercih sebebidir. Karbon elyafın yoğunluğu çeliğe oranla düşüktür. Bu da karbon elyafı yüksek ağırlık oranı gerektiren uygulamalar için eşsiz bir malzeme yapmaktadır. PMK(Polimer Matrisli Kompozit) Üretiminde Kullanılan Fiber Tipleri • Aramid Fiberler: - Aramid, bir naylon türevi olup, diğer naylon türevlere göre yüksek mukavemete ve modüle sahip ilk organik elyaftır. Yapay elyaflar arasında lifleri ısıya en dayanıklı ve kuvvetli olarak sınıflandırılır. Aramid polimerden söz edebilmek için molekül zincir yapısındaki bağların en az % 85’inin aromatik halkalardan meydana gelmesi gerekir. Aramid elyafının iki türü mevcuttur; meta aramid ve para aramid (kevlar) olarak adlandırılırlar. Ancak yaygın olarak kullanılan türü para aramid’lerdir. Para aramidin kimyevi bileşimi poli para fenilen terepitelamid olarak tanımlanır. • Aramid Fiberler: PMK(Polimer Matrisli Kompozit) Üretiminde Kullanılan Fiber Tipleri Özellikleri - Aramid lifleri, olağanüstü güç/ağırlık özelliklerine sahip ve yüksek mukavemetli bir polimerdir. Young modülü (sertliği): 130-179 GPa. (Karbon elyaf 300 GPa ve cam 81 Gpa), Ateşe dayanıklıdır, erime noktası yoktur, 500 derece üzeri ısılarda yapısında bozulma başlar. Aşınma ve kesilmeye karşı direnci çok iyidir. Yüksek sıcaklıklarda iyi kumaş bütünlüğü vardır. Aramid lifleri, sertlik ve penetrasyona olan dirençleri ile tanınırlar. Yüksek mukavemet ve dayanıklılıkları nedeni ile, delinmeme özelliği istenen malzemelerin üretiminde kullanılırlar. Organik çözücülere karşı dayanıklı ancak ultraviyole ışınlar, klor, tuz ve asitlere karşı duyarlıdır. Yapısı itibarı ile nem almaya müsaittir. Lif ve kumaş halinde iken, katlama, kesme ve işleme zorluğu vardır. PMK(Polimer Matrisli Kompozit) Üretiminde Kullanılan Fiber Tipleri • Bor ve Bor Katkılı Fiberler: - Bor elyaflar aslında kendi içlerinde kompozit yapıdadırlar. - Bor Elyafı, her ne kadar görüntü olarak cam elyafını andırsa da çekme dayanımı YM (Yüksek Mukavemet) sınıfından karbon elyafına eşdeğer bir malzemedir. - Çekirdek olarak adlandırılan ince bir flamanın üzerine bor kaplanarak imal edilirler. Çekirdek genellikle Tungstendir. Karbon çekirdek de kullanılabilir ancak bu yeni bir uygulamadır. Ayrıca Bor elyafın basma mukavemeti karbonun yaklaşık iki katıdır. PMK(Polimer Matrisli Kompozit) Üretiminde Kullanılan Fiber Tipleri • Bor ve Bor Katkılı Fiberler: Avantajları - Yüksek çekme ve basma dayanımı gibi özellikleri bor elyafının ne kadar ileri bir malzeme olduğunu göstermektedir. Diğer taraftan Bor elyaf diğer bütün elyaf türlerinden daha pahalıdır; örneğin günümüzdeki fiyatı karbon elyafının altı katı civarındadır ki bu durum şimdilik kullanımı kısıtlamaktadır. Yüksek maliyet sebebiyle Bor elyafı şimdilik, niteliğin fiyattan daha önemli olduğu iki alanda kullanılmaktadır; Havacılık ve uzay sanayii ve Spor malzemeleri sanayii. POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER 4. Hafta PMK Üretim Metotları Polimer Matrisli Kompozit Malzeme Üretim Metotları • Elle Yatırma Yöntemi • Filaman sarma • Vakum Torbalama • 3D printer fiber flament • Vakum İnfüzyon • RTM (Resin Transfer Moulding) • SMC-BMC (sheet-bulk molded compound) • Pultrüzyon çekme • Santrifüj Kalıplama • Spray-up • Sıcak Preste Üretim • RIM (Reaction Injection Molding) • Otoklav-Fırında Üretim POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER 5. Hafta (Hand lay-up) Elle Yatırma Yöntemi Elle Yatırma Yöntemi / Hand layout • Bu yöntemde üretimi yapılacak olan kuru elyaf kalıp içine özenle serilir ve fırça ya da bir rulo yardımı ile reçine uygulaması yapılır. Elle Yatırma Yöntemi / Hand layout • Bu yöntemde kullanılan malzemeler; o Kuru elyaf o Reçine o Reçine Hızlandırıcı (Kobalt) o Reçine Sertleştirici (MEK-Peroksit) o Kalıp ayırıcı (vaks, pva, freekote, chemtrend) o Reçine sürme fırçası o Reçine sürme rulosu o Hava alma/ ezme rulosu • Elle Yatırma Yöntemi / Hand lay-up • Bu yöntemde kullanılan malzemeler; o Kuru elyaf o Reçine Takviye elemanı olarak görev alır Matris elemanı olarak görev alır o Reçine Hızlandırıcı (Kobalt) Reçinenin sertleşme hızını artıran katalizör görevi görür o Reçine Sertleştirici (MEK-Peroksit) Reçinenin reaksiyonu tamamlayıp sertleşmesi için kullanılır o Kalıp ayırıcı (vaks, pva, freekote, chemtrend) Son ürünün yüzeyden ayrılabilmesi için kullanılır o Reçine sürme fırçası Reçinenin elyafa homojen şekilde sürülmesi için kullanılır o Reçine sürme rulosu Reçinenin elyafa homojen şekilde sürülmesi için kullanılır o Hava alma/ ezme rulosu • Örnek Uygulama Video Reçinenin elyafa homojen şekilde sürülmesi için kullanılır POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER 6. Hafta (Vacuum Bagging) Vakum Torbalama Yöntemi Vakum Torbalama Yöntemi / Vacuum Bagging • Bu yöntem el yatırmasının bir üst adımı olarak nitelendirilebilir. Kalıp yüzeyine serilen elyaf fırça ya da rulolar yardımıyla reçine sürülerek ıslatılır. Bu işlemin ardından ise kalıbın şeklini alabilmesi için sızdırmaz bir ekipman içerisine yerleştirilerek vakum tatbik edilir. Örnek video Örnek video 2 POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER 7. Hafta (Vacuum Infusion) Vakum İnfüzyon Yöntemi Vakum İnfüzyon Yöntemi / Vacuum Infusion • • • Bu yöntem reçinenin takviye elemanına yani elyaflara daha homojen ve yeteri kadar nüfuz ettiği bir yöntemdir. Bu yöntemde vakum torbalamada olduğu gibi reçinenin fırça ya da rulo ile elyafa sürülmesi süreci yoktur. Bu yöntemde reçine, reçine akış hortumu yardımı ile kalıba verilir ve vakumun tatbik edildiği yönde ilerleyerek elyafı ıslatır. Örnek Video
