Uploaded by User6107

KARBON ELYAF TAKVIYELI POLIMER KOMPOZITL (1)

advertisement
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
Download
Random flashcards
canlılar ve enrji ilişkileri

2 Cards oauth2_google_d3979ca9-59f8-451c-9cf7-08c5056d5753

Merhaba

2 Cards oauth2_google_861773e1-0890-4522-834a-6a5babb58e76

qweeqwqwe

5 Cards oauth2_google_78146396-8b44-4532-a806-7e25cc078908

En Mimar Architecture LTD ŞTİ XD

2 Cards asilyasar069

Create flashcards