T.C. KOCAELİ ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MKM314 MALZEME BİLİMİ KARBON ELYAF TAKVİYELİ POLİMER KOMPOZİTLER Hazırlayan: 100221032 Emine YETİM Danışman: Doç. Dr. Ayşe AYTAÇ Mayıs, 2015 KOCAELİ 1 1. GİRİŞ Gelişen teknoloji, modern mühendislik sorunlarına farklı bir bakış acısı getirmiştir. Geleneksel malzemeler ve üretimler, yerlerini yeni malzemelere ve alışılmamış imalat yöntemlerine bırakmışlardır. Malzeme seçimleri, malzemelerin çalışma ortamına göre yeniden tartışıldığı gibi üretim yöntemleri de bu yeni malzemelerin üretimine elverişli hale getirilmiştir. Bu nedenle kompozit malzemeler, üstün özellikleri nedeniyle birçok endüstri alanında geleneksel malzemelerin yerlerini almışlardır. Üretim koşulları yeniden tanımlanmış, eksiklikler tespit edilmiş ve bu malzemelerin özelliklerinin geliştirilmesi üzerine iyileştirme çalışmaları yapılmıştır. Kompozit bir malzemenin özelliklerinin kendi içinde geliştirilmesi, yeni bir kompozit malzeme üretiminin getireceği çeşitli zorlukların da önüne geçilmesine neden olmaktadır. Yeni bir kompozit malzeme üretimi için öncelikle, çeşitli tasarım ve üretim optimizasyonları yapılır, kompozit malzemeyi oluşturacak malzemelerin gerekli teorik bilgileri elde edilir ve bu malzemelerin birbirleri ile edineceği uyumluluk araştırılır. Bu işlemlerden sonra istenilen özelliklere en uygun şekilde cevap verebilecek üretim şekli seçilir. Bu zaman ve malzeme kaybını önlemek için mevcut kompozit malzemelerin özelliklerinin kendi içinde iyileştirilmesi verimli bir seçenek olabilir. [1-2] 2. KOMPOZİT MALZEMELER Karma manasına gelen kompozit kelimesi fransızcadaki composite kelimesinden gelmektedir. Kompozit, birbirinden biçimleri ve kimyasal bileşimleriyle ayrılmış ve esas olarak birbiri içinde çözünmeyen iki veya daha çok mikro ve makro bileşenin karışımı veya bileşimiyle oluşan malzemedir. Fakat uygulamada kompozitler, bileşenlerin makro düzeyde bir araya geldiği malzemeler olarak anılmaktadır. [3,4] Elyaf + Reçine = Kompozit Şekil 2.1: Kompozit Malzemelerin Basit Gösterimi 2 Kompozit malzemeler aslında prensip olarak uzun yıllar önce kullanılmaya başlanmıştır. Kerpicin bileşimindeki kil, dayanıklılığının artması için saman ve bitkisel liflerle harmanlanmıştır. [5] Kompozit yapı oluşumuyla geliştirilmesi istenen özelliklerin birkaçı şöyle sıralanabilir; yorulma dayanımı, aşınma dayanımı, korozyon dayanımı, kırılma tokluğu, yüksek sıcaklık özellikleri, elektrik iletkenliği, ısıl iletkenlik, akustik iletkenlik, ağırlık, rijitlik, fiyat ve estetik görünüm gibidir. [6] 2.1. Kompozit Malzemelerin Bileşenleri Matriks fazı: Sürekli ve ana faz. Takviye fazını bir arada tutar ve yükü paylaşırlar. Takviye fazı: Matris içindeki ikincil fazdır, matrisin dayanım ve rijitliğini arttırır. Ara yüzey: Matris ile takviye fazı arasındaki fazdır (kimyasal, fiziksel, mekanik). [7] Temel (matriks) fazı İkincil (takviye) fazı Ara faz (üçüncü bileşen) Şekil 2.2: Kompozit malzemelerin bileşenleri [8] Kompozitler dayanımlarını genelde sert ve gevrek olan takviyeden alırlar. Matris ise takviyeleri bir arada tutma ve tokluk ve süneklik kazandırma görevi görür. Tablo 2.1: Matris, Takviye elemanı ve Kompozit malzeme yapı tipleri Matris Malzemeleri Takviye Elemanları Kompozit Yapının Şekli Polimerler Lifler Tabakalar Metaller Granül Kaplamalar Seramikler Whiskers Film-Folya Pudra Honey-Combs (Bal peteği) Yonga Filaman Sarılmış Yapılar 3 2.1.1.Matriks Malzemeleri Matriks kompozit malzemelerin ikinci ana bileşenidir. Lifin istenen başarıyı göstermesi uygun matriks seçimine bağlıdır. Matriksin başlıca görevleri; • Kuvvetleri liflere iletmek, • Lifleri, korozyon ve oksidasyon gibi, ortamın etkisi ve darbelerden korumak • Bittiğinde istenen özelliklere uygun olması, • Maliyet, Matriks seçiminde, malzemenin nem ve su alma özelliklerinin de göz önünde bulundurulması gereklidir. Kayma sertliği, boyuna olan basınç mukavemeti, uzaması, kopması, yorulması, darbe özellikleri de çok önemlidir. Matriksin yüksek bir kayma modülüne sahip olması istenir. Böylece kompozitten elde edilen kayma katılığı sağlanır. Kayma gerilmesi ve kayma modülü, matriks için mukavemetten daha önemli bir unsurdur. Matrikslerin çoğu sıvı halde kullanıldığı için viskozite önemlidir. Erime noktası, kür zamanı, sıcaklık gibi fiziksel özellikler de matrikslerin diğer önemli noktalarıdır. [9] 2.1.1.Takviye Malzemeleri Kompozit malzeme, genellikle lif ve matriks olmak üzere, en az iki malzemeden oluşur. Aşağıdaki şekilde lif ve matriksin çekme-uzama eğrileri görülmektedir; σ (çekme) İçine katılan lif miktarına göre kompozit bu iki eğri arasındadır. ε (uzama) Şekil 2.3: Çekme-Uzama Eğrisi Lif takviyeli kompozit malzemelerin üretim ve tasarımındaki teknolojik gelişmeler, üretim maliyetindeki düşüş, sistem verimliliğindeki gelişme, emniyet ve güvenirlilik gibi aşamalara gelmesini sağlamıştır. Ayrıca malzemenin farklı şekillere kalıplanabilir olması tasarımcıyı metalin kesilmesi ve şekil verilmesi gibi zorluklardan bağımsız kılmıştır. Kompozit yapıda lif seçimine etki eden etmenler ise şunlardır: • Hafiflik (özgül ağırlık) 4 • Mukavemet ve modül (çekme ve basma) • Yorulma mukavemeti • Yorulmadaki kopma mekanizması (malzemenin gevrek ya da sünek olması) • Elektrik ve ısı iletkenliği • Ekonomiklik [6] 2.2. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması Yapılarında çok sayıda farklı malzeme kullanılabilen kompozitlerin gruplandırılmasında kesin sınırlar çizmek mümkün olmamakla birlikte, yapıdaki malzemelerin formuna göre bir sınıflama yapmak mümkündür. Bu sınıflama şekli aşağıda verilmektedir. (a) (c) (b) (d) Şekil 2.4: Kompozit malzemelerin sınıflandırılması (a. Elyaflı kompozitler, b. Parçacıklı kompozitler, c. Tabakalı kompozitler, d. Karma kompozitler ) 2.2.1: Elyaflı kompozitler: Bu kompozit tipi ince elyafların matris yapıda yer almasıyla meydana gelmiştir. Elyafların matris içindeki yerleşimi kompozit yapının mukavemetini etkileyen önemli bir unsurdur. 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.[10] 5 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 polyetilen elyafı Poliamid elyafı Polyester elyafı Doğal organik elyaflar [12] Karbon lifi ilk defa karbonun çok iyi bir elektrik iletkeni olduğu anlaşıldıktan sonra üretilmistir. 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 elyaf 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 elyafının üretimi çok pahalı olduğu için ancak uçak sanayinde, spor gereçlerinde veya tibbi malzemelerin yüksek değerli uygulamalarında kullanılmaktadır. [5,11] Şekil 2.5: Karbon Elyaf Örnekleri [11] Karbon elyafı piyasada 2 biçimde bulunmaktadır: 1) Sürekli elyaf: Dokuma, örgü, tel bobin uygulamalarında ve tek yönlü bantlarda kullanılmaktadır. Bütün reçinelerle kombine edilebilirler. 2) Kırpılmış elyaf: Genellikle enjeksiyon kalıplamada ve basınçlı kalıplarda makine parçaları ve kimyasal valf yapımında kullanılırlar. Elde edilen ürünler mükemmel korozyon ve yorgunluk dayanımının yanısıra yüksek sağlamlık ve sertlik özelliklerine de sahiptirler. Karbon elyafının diğer tüm elyaflara göre en önemli avantaji yüksek modülüs özelliğidir. Karbon elyafı bilinen tüm malzemelerle eşit ağırlıklı olarak karşılaştırıldığında en sert malzemedir. Buna 6 rağmen karbon elyafının bazı dezavantajları vardır: - Etkili bir bağlayıcı ajanın olmaması - Yüksek sıcaklıkta oksitlenmeye hassas olması - Fiyatının yüksek olması [12] Tablo2.2: Karbon Elyafı Sınıfları [11] Karbon Elyafı Sınıfları Karbonizasyon Isisi (°C) Düşük Standart Orta modülüs Yüksek modülüs Modülüs modülüs 1000'e kadar 1000-1500 1500 -2000 (Grafit) 2000+ Elastic modülüs (GPa) 200'e kadar 200 - 250 250 - 325 325 + 2.2.2: Parçacıklı kompozitler: Bir matris malzeme içinde başka bir malzemenin parçacıklar halinde bulunması ile elde edilirler. Yapının mukavemeti parçacıkların sertliğine bağlıdır. Metal parçacıklar ısıl ve elektriksel iletkenlik sağlar. Metal matris içinde seramik parçacıklar içeren yapıların, sertlikleri ve yüksek sıcaklık dayanımları yüksektir. Uçak motor parçalarının üretiminde tercih edilmektedirler. 2.2.3: Tabakalı kompozitler: Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiptir. 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. 2.2.4: Karma (Hibrid) kompozitler: Aynı kompozit yapıda iki ya da daha fazla elyaf çeşidinin bulunması olasıdır. Bu tip kompozitlere denir. Bu alan yeni tip kompozitlerin geliştirilmesine uygun bir alandır. 3. ELYAF TAKVİYELİ POLİMER KOMPOZİTLERİN ÜRETİM YÖNTEMLERİ: 3.1. Manuel yöntemler Yaş serme yöntemi (wet lay-up process): Yüzeye önce Lif yüzeye serilir ve üzerine reçine yayılır. Elle yapılır, kalınlık sabit değildir. Eğimli yüzeylerde sorun çıkabilir. Daha çok plaka formunda FRP üretimi için uygundur. En düşük maliyetli yöntemdir. 3.2. Yarı otomatik yöntemler: Enjeksiyonla kalıplama: Sıcaklık, basınç ve çevrim süresi gibi üç temel unsura bağlıdır. Birbirleriyle doğrudan ilişkili bu parametreler özenle denetlenmelidir. Aşırı basınç önce 7 yükseltgenmeye, sonra karbonlaşmaya yol açar; bu da bitmiş parçanın üzerinde lekeler ve yanıklara neden olur. Malzemenin akışkanlığının, enjeksiyon parametreleri seçiminde önemli etkisi vardır. Termoplastikler ve termosetler bu yöntemle rahatlıkla işlenebilir. Ancak termosetler için daha fazla enjeksiyon basıncı ve ısı gerekir. İki tip enjeksiyon tipi mevcuttur. Bunlar; Dikey ve yataydır. 3.3. Otomatik yöntemler: 3.3.1. Çekme ( Pultruzyon ) Metodu: Kompozit malzeme ile profil üretim sistemi geliştirilmiştir. Reçine banyosunda ıslatılan cam elyaf liflerinin sıcak bir kalıp içinden geçirilirken sertleştirilmekte ve kalıp çıkışında nihayi biçimini almaktadır. Bu metodla çekilen profiller sanayinin birçok alanda kullanılırken son zamanlarda kapı pencere doğrama sistemlerinde kullanılmaktadır. 3.3.2. Elyaf sarma (Filament winding) Metodu: Yaklaşık 40 yıl önce kullanılmaya başlayan bu metod genellikle silindirik formdaki kompozit ürünlerin kalıplanmasında kullanılmaktadır. 3.3.3. Reçine enjeksiyonu (RTM): RTM Metodu, kapalı kalıplar içine reçine aktarılmasına içeren reçine enjeksiyonu ve vakum destekli reçine enjeksiyonu olmak üzere iki şekilde yapılır. Bu metodla her iki tarafı parlak olan ürünler elde edilir. 3.3.4. Püskürtme (spray-up) Metodu: Fiberglass açık kalıplama metodlarının en önemlilerinden birisidir. Çünkü el yatırması metodunu makineli bir kalıplama metoduna dönüştüren ilk aşamayı oluşturmaktadır. Sistem basit olarak, polyester pompası ile kombine çalışan katalizör pompası her iki sıvıyı püskürtme tabancasına yaklaşık 100 atm basınçla pompalar, tabanca tetiğine basılınca basınçlı malzeme kalıp üzerine püskürtülür, aynı zamanda cam elyaf liflerini kırpma ünitesinden geçerek kalıp üzerine püskürtülür. 3.4. Diğer Yöntemler; • Hava şişirme • Plaka model kalıplama • Isıl şekil verme: Önceden Üretilmiş plaka halindeki kompozit malzemenin kalıplandırılarak yarı mamülden mamül elde etme işlemidir. Önce gerdirme daha sonra vakum kalıpta şekillendirme işlemi yapılır. • Yarı-Isıl şekil verme • Otomatik Döküm • Termoset kalıp Döküm • Isı basınçla şekillendirme 8 • Gerdirme [14] 4. KOMPOZİT MALZEMELERİN UYGULAMA 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. Uzay ve havacılık sanayisinde: Birleşik malzemelerin uzay ve havacılık sanayinde kullanımı basta hafiflik ve sağlamlık nitelikleri sayesindedir. Amaç daha az yakıt harcamak, daha yüksek hıza ulaşmak ve verimliliği sağlamaktır. Silah, roket ve diğer mühimmat sanayisinde: Birleşik malzemelerin silah üretimi de kullanımı pek yaygın olmamakla beraber 3000 bara kadar dayanabilen 60 ve 81 mm gibi küçük çaplı havanlar için bazı çalışmalar olmuştur. Bu silahlar hafifliği nedeniyle piyadenin savaş performansını artırıcı niteliktedir. Roket üretiminde birleşik malzemelerin rolü oldukça büyüktür. Şehircilik: Bu alanda kompozitler, toplu konut yapımında, çevre güzelleştirme çalışmalarında (heykel, banklar, elektrik direkleri vs.) kullanılmaktadır. Üreticinin çok sayıda standart ürünü kısa zamanda imal edebilmesi, montajdan tasarruf ve ucuz maliyet imkânları, kullanıcıya da yüksek izolasyon kapasitesi, hafiflik ve yüksek mekanik dayanım imkânları sağlamaktadır. Ev aletleri: Masa, sandalye, televizyon kabinleri, dikiş makinesi parçaları, saç kurutma makinesi gibi çok kullanılan ev aletlerinde ve dekoratif ev eşyalarında kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Bu şekilde komple ve karışık parça üretimi, montaj kolaylığı, elektriksel etkilerden korunum ve hafiflik gibi avantajlar sağlamaktadır. Elektrik ve elektronik sanayi: Kompozitler, basta elektriksel izolasyon olmak üzere her tür elektrik ve elektronik malzemenin yapımında kullanılmaktadır. Otomotiv sanayi: Bu alanda kompozitlerden oluşan başlıca ürünler; otomobil kaportası parçaları, iç donanımı, bazı motor parçalan, tamponlar ve oto lastikleridir. İş Makineleri: İş makinelerinin kapakları ve çalışma kabinleri yapımında da kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Bu şekilde üretimde kullanılan parça sayısı azaltılabilmekte, tek parça üretim mümkün olmaktadır. Ayrıca elektrik yalıtkan malzemelerinden de tasarruf sağlanmaktadır. İnşaat sektörü: Cephe korumaları, tatil evleri, büfeler, otobüs durakları, soğuk hava depoları, inşaat kalıpları birer kompozit malzeme uygulamalarıdır. Tasarım esnek ve kolay olmakta, nakliye ve montajda büyük avantajlar sağlamaktadır. İzolasyon problemi çözülmekte ve bakım giderleri azalmaktadır. Tarım sektörü: Seralar, tahıl toplama siloları, su boruları ve sulama kanalları yapımında 9 kompozitler özel bir öneme sahiptirler. Kompozit malzemelerden yapılan bu örnekler istenirse ışık geçirgenliği, tabiat şartlarına ve korozyona dayanıklılık, düşük yatırım ve kolay montaj gibi avantajlar sağlamaktadır. 5. KOMPOZİT MALZEMELERİN AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI 5.1. Kompozitler Malzemelerin Sağladığı Avantajlar Yüksek dayanım Yüksek rijitlik Düşük ağırlık Yüksek yorulma dayanımı Yüksek aşınma direnci Yüksek korozyon direnci İstenen yönde ısıl ve termal özellikler Estetik görünüm 5.2. Dezavantajlar: Daha yüksek maliyet İşleme güçlükleri Geri dönüşümün genellikle olmayışı Kırılma uzamasının az olması Bazı kompozitler için metallere oranla üretim zorluğu [15] KAYNAKLAR [1] Gan, Y.X., Effect of Interface Structure on Mechanical Properties of Advanced Composite Materials. Int. J. Mol. Sci.,10, 5115-5134, 2009. [2] Erden, S. Yıldız, H., Karbon Lif Islana bilirliği ve Yüzey Enerjisinin Plazma Oksidasyonu Yoluyla Değiştirilmesi, Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi, 3(2), 11-19, 2009. [3] Smith, William F., “Material Science and Engineering”, çev. Kınıkoğlu, Nihat G., McGrawHill [4] Onaran, Kaşif, “Malzeme Bilimi”, Bilim Teknik Yayınevi, (2003) [5] Aricasoy, O., “Kompozit Sektör Raporu”, İstanbul Ticaret Odası, 2006 10 [6] Ulcay Y., Akyol M., Gemci R., Polimer Esaslı Lif Takviyeli Kompozit Malzemelerin Arabirim Mukavemeti Üzerine Farklı Kür Metotlarının etkisinin İncelenmesi , Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Cilt 7, Sayı 1, 2002. [7] Bölüm 1. Kompozit Malzemelere Giriş, İnternetten alınma tarihi: 16 Mayıs 2015. http://kisi.deu.edu.tr/cesim.atas/kompozit/1_Giris.pdf [8] Kompozitler, İnternetten alınma tarihi: 16 Mayıs 2015. http://web.itu.edu.tr/~erguncela/mal201/13.pdf [9] Ulcay, Y., The Effect of Surface Treatment on the Bonding Properties of Spectra Fibers for Use in Composites Structures. Maryland College Park University, USA.1989 [10]Ünal O., Yapı Malzemeleri Ders Notları, 6. Bölüm Kompozit Malzemeler, Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Yapı Öğretmenliği. [11] Enşici, A., Polimer Esaslı Kompozit Malzemeler Ve Ürün Tasarımında Kullanımları Raporu, 2004 [12] Hancox, Neil L. - Mayer, Rayner M., Design Data for Reinforced Plastics, Chapman & Hall, London, (1994) [13] Alternatif Yapı Malzemleri, Dokuz Eylül Üniversitesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, http://kisi.deu.edu.tr/burak.felekoglu/04.Polipart2.pdf [14] Çağlarer E., Plastik Matrisli Kompozitler, Yüksek Lisans Tezi, Trakya Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, 2002,Edirne [15] Demirel A., ‘Karbon Elyaf Takviyeli Epoksi Kompozit Malzemelerin Karakterizasyonu’ Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Mühendisliği Bölümü, Mayıs 2007, Ankara. 11
