Embed Size (px)
Citation preview
I
T.C. SAKARYA ÜNİVERSİTESİ
MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ
POLİMER ESASLI KOMPOZİT MALZEMELERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ
BİTİRME ÇALIŞMASI
Tarık AKKOYUNLU
Bu tez .. / .. /2010 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından Oybirliği ile kabul edilmiştir.
………………. ………………. ……………….
Jüri Başkanı Üye Üye
II
TEŞEKKÜR
Bu tezin hazırlanması sırasında desteğini ve bilgilerini benden esirgemeyen Yar. Doç. Dr.
Serdar ASLAN‟a ve kompozit alanındaki çalışmalarıma ev sahipliği yapan, elde ettiği
başarılarla Türkiye ve Dünyada adından söz ettiren SAİTEM (Sakarya Üniversitesi İleri
Teknolojiler Uygulama Topluluğu) ekibine, Aileme ve arkadaşlarıma teşekkürlerimi
sunarım.
Tarık AKKOYUNLU
III
İÇİNDEKİLER LİSTESİ
TEŞEKKÜR .......................................................................................................................I
İÇİNDEKİLER LİSTESİ ................................................................................................III
ŞEKİLLER LİSTESİ ...................................................................................................... VI
TABLOLAR LİSTESİ ................................................................................................. VIII
ÖZET ............................................................................................................................... IX
1.GİRİŞ .............................................................................................................................. 1
2. KOMPOZİT MALZEMELER ..................................................................................... 3
2.1. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması ................................................................. 5
2.1.1.Takviye Malzemesine Göre sınıflandırma ................................................................ 6
2.1.1.1. Parçacıklarla takviyeli kompozit malzemeler .................................................... 6
2.1.1.2. Elyaf (Lif) takviyeli kompozit malzemeler ....................................................... 8
2.1.1.3. Tabakalı kompozitler ..................................................................................... 10
2.1.2.Matris Malzemesine Göre Sınıflandırma ................................................................ 15
2.1.2.1. Metal matriks kompozitler (MMK) ................................................................ 15
2.1.2.2. Seramik matriks kompozitler (SMK) .............................................................. 15
2.1.2.3. Karbon-karbon kompozitler (KKK) ................................................................ 15
2.1.2.4 Nano Kompozitler (NK) .................................................................................. 16
2.1.2.5. Polimer Matrisli Kompozitler ......................................................................... 16
2.2.Matris Malzemeler (Reçineler).................................................................................. 19
2.2.1. Epoksi (Epoksit) Reçineleri .................................................................................. 19
2.2.2.Polyester Reçineler ................................................................................................ 24
2.2.3. Vinilester reçine matrisler ..................................................................................... 24
2.3. Takviye Malzemeleri ................................................................................................ 25
2.3.1. Cam Elyafı ........................................................................................................... 26
IV
2.3.2. Karbon Elyaflar .................................................................................................... 28
2.3.3.Aramid Elyafı ....................................................................................................... 33
2.4. Çekirdek (Core) malzemesi ..................................................................................... 34
2.4.1. PVC köpükler....................................................................................................... 35
2.4.2. Balsa ................................................................................................................... 35
2.4.3. Tahta .................................................................................................................... 36
2.4.4. Bal peteği (Honeycomb) ....................................................................................... 36
2.5.Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri ............................................................ 37
2.5.1. Elle yatırma (hand lay-up) .................................................................................... 37
2.5.2. Püskürtme (spray-up) ........................................................................................... 39
2.5.3. Elyaf sarma (filament winding) ............................................................................ 42
2.5.4 Reçine transfer kalıplama rtm / reçine enjeksiyonu ................................................ 44
2.5.5. Profil çekme / pultruzyon (pultrusion) .................................................................. 47
2.5.6. Hazır kalıplama / compression molding (smc,bmc) ............................................... 49
2.5.7. Hazır kalıplama pestili / smc (sheet moulding composites).................................... 50
2.5.8. Hazır kalıplama hamuru / bmc (bulk moulding composites) .................................. 50
2.5.9. Vakum bonding / vakum bagging ......................................................................... 50
2.5.10. Otoklav / autoclave bonding ............................................................................... 51
2.6. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları ............................................................ 52
2.6.1. Otomotiv Sanayiinde Kompozit Malzeme Kullanımı ............................................ 52
2.6.2. Uçak Yapılarında Koımpozit Malzeme Kullanımı ................................................ 55
2.6.3. Kompozitlerin Basınçlı Gaz Kabında Kullanımları ............................................... 60
2.6.4. Denizcilik Sanayi Uygulamaları ........................................................................... 61
2.6.5. Spor Uygulamaları ............................................................................................... 61
2.6.6.Korozyona Dayanıklı Uygulamalar........................................................................ 62
2.6.7.Sağlık Uygulamaları .............................................................................................. 62
2.6.8.Ulaşım .................................................................................................................. 62
2.6.9. Formula 1 Arabaları ............................................................................................. 63
2.6.10.Müzik Aletleri ..................................................................................................... 64
3.DENEYSEL ÇALIŞMALAR ....................................................................................... 65
3.1.Numuneleri Üretimi ................................................................................................... 65
3.2. Numunelerin Kesilmesi............................................................................................. 66
V
3.3. Çekme Testi .............................................................................................................. 68
4.SONUÇ ......................................................................................................................... 69
KAYNAKLAR................................................................................................................. 71
VI
ŞEKİLLER LİSTESİ
Şekil 2. 1 Çekme-uzama eğrisi............................................................................................. 4
Şekil 2. 2 Parçacık takviyeli ve dispersiyonla dayanımı artırılmış kompozitlerin
yapısı .................................................................................................................................. 7
Şekil 2. 3 Elyaf ve dokuma takviyeli kompozitlerde elyafların kompozit içerisine yerleşim
biçimlerine örnekler a) kesikli rasgele, (b) sürekli tek yönlü, (c) sürekli düzlemsel iki yönlü,
(d) sürekli düzlemsel üç yönlü, (e) üç boyutlu (oklar, mekanik dayanımın iyi....................... 9
Şekil 2. 4 Dokuma ve tek yönlü elyaflar için farklı yönlerde özelliklerin gösterimi [6] ....... 11
Şekil 2. 5 Tabakalarda yönlendirme şekilleri[6] ................................................................. 12
Şekil 2. 6 Tabakalı bir kompozit yapısı a) Izotropik, b) Ortotropik yapı [3] ........................ 13
Şekil 2. 7 Termoset moleküllerin kür işlemi sırasında çapraz bağlanması ........................... 18
Şekil 2. 8 DGEBA‟nın oluşumu ......................................................................................... 20
Şekil 2. 9 Çapraz bağlanmış epoksi polimeri ...................................................................... 21
Şekil 2. 10 Epoksi reçinelerin üretimi ................................................................................ 22
Şekil 2. 11 Epoksi reçinelerin amin çapraz bağlanması ...................................................... 23
Şekil 2. 12 Cam elyaf rulosu .............................................................................................. 27
Şekil 2. 13 Dokunmuş halde karbon fiber .......................................................................... 29
Şekil 2. 14 Karbon elyafların temel yapısal özellikleri ....................................................... 32
Şekil 2. 15 Çekme dayanımı ve elastik modülü üzerine sıcaklığın etkisi ............................. 32
Şekil 2. 16 İplik halinde aramid elyafı................................................................................ 34
Şekil 2. 17 Farklı kalınlıklarda ve yoğunluklarda köpükler. ................................................ 35
Şekil 2. 18 Aluminyum Balpeteği ...................................................................................... 36
Şekil 2. 19 El yatırma prosesi ........................................................................................... 38
Şekil 2. 20 SAHİMO'nun kapısının el yatırması ile üretimi. ............................................... 39
Şekil 2. 21 Püskürtme yöntemi .......................................................................................... 40
Şekil 2. 22 Küvet üretimi için robotlu püskürtme prosesi.Robot jel ile kesikli cam lifi [1] .. 41
Şekil 2. 23 Filament sarım prosesinin sematik ve gerçek görünüsü ..................................... 42
Şekil 2. 24 Filament sarım isleminde sıyırıcı bıçak düzenlemesi ........................................ 44
Şekil 2. 25. Reçine transfer kalıplama ................................................................................ 45
Şekil 2. 26. RTM prosesinin sematik gösterimi .................................................................. 46
Şekil 2. 27. Profil çekme prosesinin gösterimi.................................................................... 47
Şekil 2. 28. Profil çekme yöntemi ile üretilmis parçalar kullanarak üretilen cam lifi ızgara . 48
Şekil 2. 29. Vakum Bagging .............................................................................................. 51
Şekil 2. 30 Otoklav ............................................................................................................ 52
Şekil 2. 31 Uçak malzemelerinin kullanım oranlarının yıllara göre değişimi ....................... 57
VII
Şekil 2. 32. Formula 1 aracının monokok şasesi ................................................................. 64
Şekil 3. 1. Kullanılan malzemeler ...................................................................................... 66
Şekil 3. 2. Lazer kesimin şematik gösterimi. ...................................................................... 67
Şekil 3. 3 Numuneler ......................................................................................................... 67
Şekil 3. 4 Çekme Cihazı .................................................................................................... 68
Şekil 4. 1. Elyaf katlarının artışı ile mukavemet ilişkisi ...................................................... 69
Şekil 4. 2. 2 kat karbon fiber içeren numuneye ait gerilme - genleme diyagramı ................. 70
VIII
TABLOLAR LİSTESİ
Tablo 2. 1 Takviye amacıyla sık kullanılan bazı liflerin ve metallerin çekme dayanımı ve
çekme modülleri .................................................................................................................. 5
Tablo 2. 2 Bazı termoset malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri ............................... 19
Tablo 2. 3. Uçak malzemelerinin mekanik özellikleri ......................................................... 56
Tablo 2. 4. İleri kompozitlerle uçak elemanı bazında sağlanan ağırlık kazançları ................ 59
IX
ÖZET
Bu çalışmada aynı cins karbon elyaflarının farklı kalınlıklardaki numuneleri incelenmiştir.
Yonca-Onuk Tersanesinde 600 gr/m2
karbon fiber ve Poliya Polipol vinilester reçine
kullanılarak el yatırması yöntemi ile 4 farklı kalınlıkta plaka üretilmiştir. Üretilen
plakalardan ASTM standartlarına uygun olarak lazer ile kesildi. Plakaların X ve Y yönünden
numunler kesilmiştir ve çekme testi yapılmıştır.
1
1.GİRİŞ
Günümüzde teknolojinin gelişmesi ile birlikte geleneksel malzemeler teknolojinin
gereksinimlerini karşılayamaz hale gelmiştir. Yetersiz hale gelen geleneksel malzemeler
yerine kompozitler, yarıiletkenler ve plastikler gibi yeni malzemeler geliştirilmiş ve
teknolojinin gelişmesindeki yerini alması sağlanmıştır. Gelişen teknolojiye, insanoğlunun
değişen ihtiyaçlarıda eklenince yeni nesil malzemelere olan gereksinim dahada artmıştır.
En eski kompozit yapıların başında kerpiç gelir. Bugün şehir hayatında çok kullanılmasada
kırsal kesimde halen sıkça kullanılmaktadır. Günümüzde en çok kullanılan kompozitlerden
biride betondur. Burdanda anlaşılabileceği gibi kompozit malzemelere hayatımızda sıkça
ratlamaktayız. Bunlar dışında bugün en bilinen kompozitlerin başında polimer matrisli
kompozitler gelir. Önceleri cam elyafı kullanılırken 1960 larda gelişen uzay ve havacılık
endüstrisi endüstrisinin etkisi ile karbon fiber ve aramid de kullanılmaya başlanmıştır.[1]
Kompozit malzeme teknolojisi bugün hızla gelişmektedir ve hemen her gün piyasaya yeni
ürünler sunulmaktadır. Artan talep ve üretim doğrultusunda maliyeti düşen kompozitler,
klasik endüstriyel malzemelere karşı sağladığı pek çok fiziksel ve keza kimyasal avantajlar
sayesinde pek çok branşta ve bilhassa hafif yapıların ve konstrüksiyonların temel malzemesi
olma yolunda, geleceğin malzemesi olmaya adaydırlar.termo set platikler özellikle bu alnda
kullanılır termoset plastiklerin yapısal özellikleri çapraz bağlarıdır kimyasal yapılarındaki
çapraz bağlar termoplastikler gibi tg ve ergime sıcaklıkları vermez malzeme ısı ile
değiştirilemez bunun en bilinen örneği otomobil lastikleridir. bu malzemeler fiziki aşındırma
ile un haline getirilerek asfalt yapımında ve kavçuk sanayisinde dolgu malemesi olarak
kullanılır. [1]
Kompozit malzemelerde ilk uygulamalara cam takviyeli plastik esaslı kompozitler (CTP)
kullanılarak radar kubbeleri yapılarak baslanılmıstır. Bu kompozitlerin hafiflik, atmosfer
kosullarına dayanıklılık ve mekanik özellikleri nedeniyle en uygun oldugu ortaya çıkmıstır.
Yine Gemi yapım teknigi de yılında CTP ile gerçeklesmistir. Daha sonra uçak pervaneleri
1950'li yıllarda kompozitten yapılmaya baslanmıstır. Boeing 707, 727 uçaklarında cam,
karbon elyaf, Boeing 767 de ise örmeli karbon/kevlar/epoksi kompozitten inis kapısı
dislisi,kanat, sabit ve arka kenar dengeleyicisi yapılmıstır. Bunun da dokuma yapımındaki
cam elyafa göre daha uzun süre dayandıgı anlasılmıstır. Dıs kanat esas olarak
karbon/epoksi'den olusmaktaydı, fakat daha sonra karbon/epoksi ve boron/epoksi içeren
karma kompozitten yapılmıstır. Bu yapılan kompozit ile metal versiyona göre 2 kat daha
2
fazla uçus zamanı elde edilmistir. 1986 yılında kanatlar, uçak ön gövdesi, yatay
stabilazatörü, irtifa dümeni, dümen pedalı, asagı sarkan kanat ve kapaklar, kanatçıklar ve
kanat üzeri kaplaması yeniden tasarlanmıs ve karbon/epoksi malzemeden üretilmis ve
yapılan denemelerde kırılma (bozulma) olmaksızın performanslarında iyilesme gözlenmistir.
Almanya‟da Alfa- Jet Sirketi metal malzeme yerine zırhlı araç için karbon elyaf kullanmıs,
sınırsız uçus gerçeklestirerek agırlıgı azaltmıstır.[2]
Kompozit malzemelerin, çeligin yerini almasıyla %60-80 ve alüminyumun yerini almasıyla
ise %20-50 agırlıktan kazanım mümkündür. Günümüzde kompozitler birçok mühendislik
uygulamaları için tercih edilen malzemeler gibi gözükmektedir. Bu agırlık kazançları,
enerjinin giderek artan bir sorun haline geldigi çagımızda yakıtta önemli tasarruflar
saglamaktadır.
Kompozit malzemelerin kullanılmasında ki önemli bir noktada ekonomikliktir. Kimya
endüstrisinde çesitli reaktif veya çözeltilerin depolanmasında, tasınmasında çözeltilere karsı
inert davranan, reaksiyon vermeyen malzemelerin seçilmesi gerekir. Bu is için en uygun
malzemeler paslanmaz çelikler ve plastiklerdir. Tamamen plastik bir malzeme
mukavemetsiz, tamamen paslanmaz çelikten yapı ise çok pahalıdır. Paslanmaz çelige göre
çok daha ucuz olan düsük karbonlu çeligin kimyasal maddeyle temas yüzeyinin plastik
malzeme ile kaplanması hem yüksek mukavemetli hem de ucuz bir çözüm olmaktadır. [3]
3
2. KOMPOZİT MALZEMELER
Kompozit malzemeler makroskobik olarak birbirinden ayrı iki ya da daha fazla malzemenin
bir araya getirilmesi ile imal edilen malzeme türüdür. Kompozit malzemeler, doğrudan
doğruya istenilen maksatta kullanılmayan en az iki ayrı malzemeden belli olan bir özelliği
elde edebilmek için, bu malzemelerin belli şartlar altında ve belli bir oranda fiziksel olarak
birleştirilmesiyle elde edilirler. Bir kompozit malzeme genelde düşük modül ve dayanıma
sahip reçine veya metalik matris ana fazı ile bunun içinde dağılmış daha az oranda kullanılan
tali fazı olan takviye elemanından oluşmaktadır. Ancak, molekülsel ve atomsal düzeyde
birleştirilen malzemeler alaşımlar mikroskopik olarak homojen olduklarından kompozit
malzeme olarak sınıflandırılmaz[1]
Her kompozitte genellikle iki tip madde bulunur; matris ve takviye malzemesi. Bu
malzemeler birbirlerinden farklı fiziksel özelliklere sahiplerdir, ve bir araya getirilmeleri ile
oluşan kompozit malzeme her ikisinden farklı özelliklere kavuşur. Genel olarak takviye
malzemesi taşıyıcı görev üstlenir, ve etrafında bulunan matris faz ise onu bir arada tutmaya
ve desteklemeye yarar. [1]
Kompozit malzemeler kendilerini oluşturan malzemelerin sahip olduğu özellikleri
sunmasının yanı sıra; yüksek mukavemet, hafiflik, tasarım esnekliği, boyutsal stabilite,
yüksek dielektrik direnimi, korozyon dayanımı, kalıplama kolaylığı, yüzey uygulamaları,
yüksek ısıl dayanım, şeffaflık özelliği, yüksek kimyasal direnç, titreşim sönümlendirme,
akustik iletkenlik, ses tutuculuğu veya ses yutuculuğu gibi avantajları sağlar. Aynı ağırlıktaki
mukavemetleri metallere oranla çok yüksektir. Aynı yönlü aramid ve karbon fiber takviyeli
epoksi kompozit malzemeler, çelik ve alüminyumdan yaklaşık 4-6 kat daha yüksek spesifik
çekme dayanımına sahiptir. Aynı yönlü grafit takviyeli epoksi, çelik ve alüminyumdan
yaklaşık 3,5-5 kat daha yüksek spesifik çekme dayanımına sahiptir. Kullanım yerine ve
özelliklerine bağlı olarak gereksinim duyulan özellikler arttırılır, kontrol edilir. Karmaşık
parçaların tek olarak üretilebilmesinden dolayı parça sayısının azalmasını sağlarlar. Böylece
ara birleştirme detay ve parçalarının azalmasıyla üretim süresi kısalmaktadır. Malzemenin
kalitesi üretim yöntemlerinin kalitesine bağlıdır, standartlaşmış bir kalite yoktur. Buna
karşılık belirgin bazı dezavantajları; hammaddenin pahalı olması; uçaklarda kullanılabilecek
kalitede karbon elyafının bir metre karelik kumaşının maliyeti yaklaşık 50 $‟dır. Ancak
bağlantı elemanları sayısında ve ağırlıkta azalma olması dikkate alındığında, toplam
maliyette bir düşme söz konusu olur. Lamine edilmiş kompozitlerin özellikleri her zaman
ideal değildir, kalınlık yönünde düşük dayanıklılık ve katlar arası düşük kesme dayanıklılık
4
özelliği bulunmaktadır. Malzemenin kalitesi üretim yöntemlerinin kalitesine bağlıdır,
standartlaşmış bir kalite yoktur. Kompozitler kırılgan (gevrek) malzeme olmalarından dolayı
kolaylıkla zarar görürler, onarılmaları yeni problemler yaratabilir. Kompozitler onarılmadan
önce çok iyi olarak temizlenmeli ve kurutulmalıdır. Bazı durumlarda bu zor olabilir. Bazı
kurutma teknikleri uzun zaman alabilmektedir[2]
Kompozit malzemelerin yapılarında genel olarak üç ana eleman bulunmaktadır. Bunlardan
matris malzemesi, takviye elamanını sararak bir arada tutan, yükleri aktaran, donatıyı dış
etkilerden koruyan sürekli fazı oluşturmaktadır. Matris malzemesi, bu işlevlerin yanı sıra,
kompozit bünyesindeki gerilmelerin bir kısmını karşılayarak taşımaya yardımcı olmakta ve
liflerde meydana gelen çatlama ve kopmaları tolere ederek kompozitin tokluğunu
artırmaktadır. Ancak, yük taşımaya ikinci malzeme olarak katılma durumu basınç halinde
değişmekte ve kompozitin basınç mukavemeti büyük ölçüde matrisin mukavemetine bağlı
olmaktadır. Bir kompozitin kullanım sıcaklığı matrisin kullanım sıcaklığı ile sınırlıdır.
Matrislerin çoğu sıvı halde kullanıldığı için viskozite önemlidir. Erime noktası, kür zamanı,
sıcaklık gibi fiziksel özellikler de matrislerin diğer önemli noktalarıdır.[3]
Kompozitlerin yapısında takviye elemanı olarak değişik morfolojiye sahip kısa ve uzun
elyaflar, whiskerler (kılcal kristaller), kırpılmış veya parçacıklı seramikler kullanılmaktadır.
Bunların temel fonksiyonu gelen yükü taşımak ve matrisin dayanımını artırmaktır. Takviye
edici, kompozitin mekanik dayanıklılığından sorumludur ve dayanıklılığı artırıcı etkisi çoğu
kez kompozit içerisindeki hacmi %10‟unu geçtiğinde gözlenmeye başlar. Bu nedenle
takviye amacıyla kullanılan lifin mekanik dayanımı matristen belirgin yüksek olmalıdır.
Şekil 2.1‟de kompozit malzemenin çekme uzama eğrisinin hangi aralıkta olduğu
gösterilmiştir.
ε (uzama)
Şekil 2. 1 Çekme-uzama eğrisi
5
Cam, karbon, aramit, bor, polietilen, poliamit, poliester, doğal lifler veya dokumalar
kompozit hazırlamada kullanılan liflere örneklerdir. Tablo 2.1‟de takviye amacıyla sık
kullanılan bazı liflerin ve metallerin çekme dayanımı ve çekme modülü değerleri
verilmiştir. Bu lifler içerisinde genel amaçlı ticari kompozitlerde en fazla cam lifler, ileri
kompozitlerde ise aramit ve karbon lifler kullanılmaktadır [3]
Tablo 2. 1 Takviye amacıyla sık kullanılan bazı liflerin ve metallerin çekme dayanımı ve
çekme modülleri
Lif veya metal Çekme dayanımı(MPa) Çekme modülü(GPa) Karbon lifi 2000-3500 325-440 Aramit lifi 3100-3600 60 E-cam lifi 2400 70 S-cam lifi 3450 85
Alüminyum 130-180 72 Titanyum 250-400 105
Paslanmaz çelik 206-520 196
Elyafların ince çaplı olarak üretilmeleri ile büyük kütlesel yapılara oranla yapısal hata
olasılıkları en aza indirilmiştir. Bu nedenle üstün mekanik özellikler gösterirler. Ayrıca,
elyafların yüksek performanslı mühendislik malzemeleri olmalarının nedenleri aşağıda
verilen özelliklere de bağlıdır.
1. Üstün mikroyapısal özellikler, tane boyutlarının küçük oluşu ve küçük çapta üretilmeleri.
2. Boy/çap oranı arttıkça matris malzeme tarafından elyaflara iletilen yük miktarının artması.
3. Elastisite modülünün çok yüksek olması.
Dolgular, kimyasallar ve diğer katkılar matrise niteliklerine göre özelliklerin geliştirilmesi
amacıyla ilave edilirler. Katkı maddelerinin; yanma geciktirici, yağlayıcı ve oksit giderici
gibi amaçları vardır.[3]
2.1. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması
Kompozit malzemeleri yapıları gereği değişik şekillerde sınıflandırma olanağı mümkündür.
Matris malzemesine göre metal matris kompozitler, seramik matris kompozitler ve polimer
matris kompozitler olarak sınıflandırılabildiği gibi takviye malzemesine göre de
sınıflandırma yapmak mümkündür.
Metal matris kompozitler alüminyum, bakır, magnezyum, titanyum gibi hafif metal ve
6
alaşımların matris işleviyle; karbon, bor ve diğer bazı metallerin elyaf, parçacık, plakacık,
kıl-kristal (whisker) yapısında takviye fazını oluşturmasından meydana gelir. Bu karma
malzemeler daha üstün mukavemet, aşınma, korozyon, sertlik özellikleriyle nükleer güç
ekipmanlarında, gaz türbinlerinde, uzay-havacılık, otomotiv sektöründe kullanılırlar.
Seramik matris kompozitler seramik matris malzemelerin (Al2O3, Si3N4, SiC gibi) seramik
veya metal parçacık, plakacık, kıl-kristal veya elyaf olarak takviyesiyle oluşturulan üstün ısıl
dayanım ve mukavemete sahip malzemeler grubudur. Seramikler düşük yoğunluklu, çok
dayanıklı ve sert olmalarına rağmen aşırı derecede gevrektirler. Bunlar genellikle termal ve
kimyasal etkilere karşı dirençlidirler. Ancak yüksek ergime sıcaklık dereceleri ve sertlikleri
işlenmelerini zorlaştırır ve yalıtkandırlar. Kırılgan oluşları bunları potansiyel olarak güvensiz
yapar. Polimer matris kompozitler ileri plastik polimer grubu matris malzemelerin
çoğunlukla elyaf formunda sert, dayanımlı malzemelerle takviye edilmeleri veya
pekiştirilmeleri sonucu oluşturulur
2.1.1.Takviye Malzemesine Göre sınıflandırma
1) Parçacık takviyeli kompozit malzemeler,
2) Elyaf (Lif) takviyeli kompozit malzemeler,
3) Tabakalı kompozit malzemeler,
Bu üç tip takviye elemanlı kompozit yine plastik, metal veya seramik matris içinde olabilir.
İkinci faz veya takviye elemanı her zaman net özellik sağlanması için matristen daha serttir.
Burada elyaf takviyeli kompozitleri de;
a) Sürekli elyaf takviyeli kompozitler,
b) Kesikli elyaf takviyeli kompozitler,
c) Rasgele düzlemsel olarak yönlendirilmiş kompozitler olarak alt sınıflara ayrılabilir.
Parçacık takviyeli kompozitleri de iki alt grupta incelenebilir. Bunlar da; (a) büyük
parçacıklarla dayanımı artırılmış kompozitler, (b) dispersiyonla dayanımı artırılmış kompozitler
olarak da alt gruba ayırmak mümkündür. Şimdi sırası ile bu karma malzemelerin bazı
özelliklerini açıklayalım [4]
2.1.1.1. Parçacıklarla takviyeli kompozit malzemeler
Bir matris malzeme içinde başka bir malzemenin parçacıklar halinde bulunması ile elde
7
edilirler. Yapının mukavemeti parçacıkların sertliğine bağlıdır. En yaygın tip plastik matris
içinde yer alan metal parçacıklardır. Metal parçacıklar ısıl ve elektriksel iletkenlik sağlar.
Metal matris içinde seramik parçacıklar içeren yapıların, sertlikleri ve yüksek sıcaklık
dayanımları yüksektir. Bu tip kompozitler tek veya iki boyutlu makroskobik partiküllerin
veya sıfır boyutlu olarak kabul edilen mikroskobik partiküllerin matris ile oluşturdukları
malzemeler olup ortalama gömülen parçacık boyutu 1 µm'den büyük ve elyaf hacim oranı
%25'den fazla kullanılmamaktadır. En çok kullanılan parçacıklar ise AI2O3 ve SiC'den
oluşan seramiklerdir. Burada yük, elyaf ve matris tarafından birlikte taşınır ve özellikler
izotropiktir. Bu kompozitler dayanımı iyileştirmekten ziyade beklenilmeyen alışılmışın
dışında birleştirilmiş özellikler elde etmek için tasarlanmaktadır. Şekil 2.2‟de gösterildiği
gibi, bunlar büyük parçacık içerdiklerinden kaymayı etkili olarak yapamazlar. Bu
kompozitler; metal, seramik ve polimerlerin birleşiminden oluşabilirler.[3]
Şekil 2. 2 Parçacık takviyeli ve dispersiyonla dayanımı artırılmış kompozitlerin
yapısı
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.[3]
Dağınımla(dispersiyon) mukavemetlendirilmiş kompozit malzemeler
Bu tür kompozitlerde yüksek ısıl kararlılığa sahip mikrondan daha küçük çökeltiler veya
parçacıkların metalik matris içinde homojen dağılmasıyla elde edilir (Şekil 2.2). Bu
parçacıkların çapı 0.01 ile 0.1 µm ve uzunluğu 50-200 µm arasında kullanılan parçacıkların
hacim oranı %1-15 arasında değişir. Bunlar izotropik bir özellik gösterirler
Tanecik takviyeli kompozitlerde, takviye amacıyla kullanılan malzemenin üç yöndeki
boyutları arasında önemli ve belirgin bir fark yoktur. Bunlar arasında karbonatlar, kil, mika,
silikatlar, mikroküreler, tarımsal atıklar, metal tozları veya parçaları, pudra, pul, pelet,
granül, küre, disk vb geometrilerdeki veya şekilsiz küçük kırıntılar bu grupta yer alır.
8
Tanecikli takviye edicilerin kompozitlerinin mekanik özellikleri zayıftır. Bu nedenle, daha
çok mekanik dayanımın önemli olmadığı süs ve dekoratif eşyaların, genel amaçlı ürünlerin
ve yük etkisinde kalmayacak diğer tür malzemelerin yapımında yararlıdırlar[3]
2.1.1.2. Elyaf (Lif) takviyeli kompozit malzemeler
Genellikle yeterli basınç dayanımına oranla çekme, eğilme, çarpma dayanımları çok düşük
düzeyde kalan veya zayıf yapılı, kırılgan malzemenin zayıf olan yönlerinin iyileştirilmesi,
kırılganlığın giderilmesi, malzemenin sünekleştirilmesi gibi amaçlarla bu özellikleri
iyileştirecek nitelikte elyaflarla donatılmasıyla üretilen kompozitlerdir. Elyaf tanımı,
makroskobik açıdan homojen, boyu kesitinin en az 100 katı olan esnek malzemeler şeklinde
yapılır ve değişik elyaflar kompozitlerde takviye amacıyla kullanılır. Elyaf takviyeli
kompozitlerde dışarıdan yapılan yüklemeleri karşılayan ana bileşen elyaftır, polimer matris
ise elyafları istenilen geometride bir arada tutan çevreyi oluşturur [3]
Elyaf takviyeli polimerik kompozitler hazırlanırken elyaflar açısından bazı temel noktalara
dikkat edilmesi gerekir. Bu noktalar: elyafın mekanik özellikleri, elyaf miktarı, elyaf
kalınlığı, elyafın yönlenme biçimi 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. Genel bir kural olarak kompozitlerin mekanik dayanımı içlerindeki
elyaf miktarı arttıkça yükselir, elyaf oranı belli bir değere ulaştıktan sonra azalmaya başlar.
Bunun nedeni, artışına bağlı olarak kompozit içerisindeki polimer miktarının azalmasıdır.
Polimer, kompozit içerisindeki oranı belli bir değerin altına düştüğünde matris işlevini
kaybeder ve lifleri bir arada tutamaz. [3]
Elyaf kalınlığı kompozit özelliklerini etkileyen bir diğer önemli faktördür. İnce liflerle
hazırlanan kompozitlerde polimerin lifi ıslattığı alan büyüktür. Elyaf-polimer değme
yüzeyinin artması, elyaf-polimer etkileşimleri arttırarak kompozit içerisinde yük (enerji)
dağılımını kolaylaştırır. Bu nedenle aynı kütlede ince ve kalın elyaflarla takviye edilen
kompozitlerden, ince elyaflarla takviye edileni daha dayanıklıdır [3]
Elyaflar demet haline getirildiklerinde her zaman yapımlarında kullanılan polimerin yığın
haline göre daha dayanıklıdırlar. Elyaf demeti üzerine dışarıdan bir etki yapıldığında,
demette bulunan elyaflardan bazıları kopabilir veya yüzeylerinde çatlama, çizilme vb
kusurlar oluşabilir. Demetin dış kuvvetler karşısında aldığı bu tür zararlar, yalnız etkilenen
elyaflarla sınırlı kalır ve demet içerisindeki diğer elyaflara aktarılmaz. Yığın halindeki bir
9
maddenin (cam parçası, polimer parçası vb) herhangi bir bölgesinde oluşan kusur malzeme
içerisinde ilerler ve sonuçta malzemeyi kullanılamaz hale getirebilir. Bu özellik elyaf
takviyeli kompozitlerin üstünlüklerinden birisidir. [3]
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. Elyaflar kompozit içerisine uygun geometrilerde
yerleştirilerek, kompozitin çekme gibi yüklemelere farklı yönlerde farklı yanıtlar vermesi
sağlanır (anizotropi). Örneğin kompozitin kopma dayanımı, elyafların yönlendirildiği eksene
90o lik açıdan yapılan yüklemelerde en büyük olacaktır. Benzer şekilde vurma dayanımı, ısıl
iletkenlik, ısıl genleşme gibi davranışlar da elyafların yönlenme eksenine açısal olarak
bağlıdır. Elyaflarla yapılan takviye, elyaf yönlenmesi ayarlanarak sözü edilen özellikler yöne
bağlı kontrolüne olanak sağlar. [3]
Şekil 2. 3 Elyaf ve dokuma takviyeli kompozitlerde elyafların kompozit içerisine yerleşim
biçimlerine örnekler a) kesikli rasgele, (b) sürekli tek yönlü, (c) sürekli düzlemsel iki yönlü,
(d) sürekli düzlemsel üç yönlü, (e) üç boyutlu (oklar, mekanik dayanımın iyi
Elyafların ve dokumaların kompozit içerisine yerleşim biçimlerine örnekler Şekil 2.3‟de
verilmiştir. Kesikli elyaflar, polimer matris içerisine genellikle rasgele dağıtılırlar ve böyle
bir kompozit mekanik özellik açısından izotropik davranır. Sürekli elyaflar genelde yükün
yönüne paralel olacak şekilde reçine içerisine yatırılırlar. Birkaç yönden yüklemeyle
karşılaşacak kompozitler, elyafların farklı yönlerde yerleştirilmesi veya dokumalar
kullanılarak hazırlanabilir. Dokumalar, kompozite her zaman en az iki yönde dayanıklılık
10
kazandırılan takviye edicilerdir. Üç boyutlu dokumalarla kompozitin mekanik dayanımı her
üç yönde arttırılır. [3]
Elyaf takviyeli kompozitler, özellikle uzay ve havacılık alanlarında kullanılmak üzere
geliştirilmiş malzemelerdir. Uzay ve havacılık alanlarında ilk kullanılan kompozitler
alüminyum alaşımlarından hazırlanmış ve uçakların bazı parçaları yüksek mekanik
dayanımları ve hafifliklerinden dolayı alüminyum kompozitlerden yapılmıştır. Ancak
alüminyum alaşımları korozyona ve metal yorulmasına uğrayabilen maddelerdir ve bu zayıf
özelliklerin iyileştirilmesi pahalı işlemler gerektirir. Elyaf takviyeli polimerik kompozitlerde
korozyon söz konusu değildir ve malzeme yorulması metallerdeki kadar hızlı gelişmez. [3]
2.1.1.3. Tabakalı kompozitler
Tabaka; bir matristeki örülmüş lifler veya tek yönlü lif düzlemidir. Tek yönlü lif haline aynı
zamanda tek yönlü lamına da denir. Tipik tabakalandırma aşağıdaki şekillerdeki gibi lif
yönlerine dikey ve paralel olan ana malzeme eksenleri boyunca gösterilmiştir. [3]
Tabakalı kompozitler, yapısal yönden taneli ve liflerle donatılı kompozit malzemeden
farklılık göstermektedir. Çok değişik kombinasyonlarla tabakalanmış kompozitlerin üretimi
mümkündür. Farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın kombinasyonundan oluşur.
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.[5]
Tabakalandırma: Bir tabakalandırma, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi, tabakalardaki ana
malzeme yönlerinin açık yönlendirmesi şeklinde tabakalar yığınıdır. Bir tabakalandırmanın
katmanları, genellikle tabakalarda kullanılan matris malzemesi aynıdır Tabakalandırma; farklı
malzemelerin tabakaları veya elyaf takviyeli katmanların tabakaları olabilir, [3]
11
Şekil 2.4. Tabakalandırmada kullanılan tabakaların genel görünüşü
Tek yönlü kompozit malzemeler tek yönde daha üstün mekanik özelliklere sahiptir ve
anizotropik (farklı yönlerde farklı özelliklerin sergilenmesi) özellik gösterir. İzotropik
(bütün yön ve doğrultularda aynı özelliklere sahip olan malzeme) malzemeler (daha
çok metaller) bütün doğrultularda eşit özellikler gösterir.[6]
Şekil 2. 4 Dokuma ve tek yönlü elyaflar için farklı yönlerde özelliklerin gösterimi [6]
a) Eşit özellikler
b) Eşit olmayan özellikler
12
(a) (b)
Şekil 2. 5 Tabakalarda yönlendirme şekilleri[6]
a) Yarı-izotropik yönlendirme
b) Tek yönlü yönlendirme
Yapısal uygulamalarda kullanılan çoğu kompozitler çok katlıdırlar. Her tabaka tasarım
amaçlarına bağlı olarak değişen elyaf doğrultuları ile tek katlı kompozitten oluşabilir.
Genellikle her katman çok ince olup yaklaşık 0.1 mm kalınlığında olduğundan dolayı bu
şekilde kullanılmaz. Her kattaki kompoziti oluşturan elemanlar aynı ise bunlar "izotropik"
basitçe “laminat" olarak adlandırılır (Şekil 2.5). Bir çok katlı kompoziti oluşturan
malzemeler farklı malzemelerden oluşuyorsa bunlar "ortotropik" veya "karma ve melez
laminetler" olarak adlandırılır. Buna örnek olarak da bir karma Iaminet kompozitin bir katı
cam elyaf takviyeli epoksi iken diğer tabaka ise grafit elyaf takviyeli epoksi kompozit
olabilmektedir. Ortotropik aynı zamanda birbirine dik doğrultuda iki eksende simetrik
malzeme özelliği göstermesi demektir [3]
Laminetler, matris içerisine rasgele yönlenmiş elyaflar, tek yönlü elyaflar veya farklı elyaf
takviyeli tabakadan oluşabilir. Örneğin, 10 tabakadan 6 tanesi 1 doğrultuda ve diğer 4 tanesi
bu yöne dik 90°'lik doğrultuda yönlenebilir. Sonuçta 1 doğrultudaki yönelimli kompozitin
dayanım ve rijitliği (bir malzeme içinde oluşan elastik deformasyon miktarının nitelikli bir
ölçümü ve yüksek elastikliğe sahip olma) yaklaşık %50 diğerinden daha büyük olacaktır.
Her iki doğrultuda uzamalı rijitlik oranı yaklaşık 6/4'dür fakat eğilme rijitliği orta yüzey için
belli değildir [3]
13
(a) (b)
Şekil 2. 6 Tabakalı bir kompozit yapısı a) Izotropik, b) Ortotropik yapı [3]
Orta yüzeydeki laminata simetrik düzenlenmemişse eğilme ve uzama arasında birleşmeden
kaynaklanan rijitlik bileşenleri mevcut olabilmektedir. Her bir tabakanın bitişiğindeki
tabakadan bağımsız olarak deforme olma eğilimi olduğu için laminatlarda kayma gerilmeleri
oluşabilir. Bu bütün tabakalarda temel malzeme doğrultularındaki farklı yönlenme kadar
farklı özelliklerden de ileri gelebilir Bu kayma gerilmeleri Iaminat kenarları yakınında en
büyük olur ve orada delaminasyon başlama sebebi olabilir. Elyaf takviyeli kompozit
malzemeler geniş özelliklerine bağlı olarak tek veya çok katlı tabakalı malzemeler olarak da
sınıflanabilir. Tek katlı kompozitler bir kaç farklı lamineden yapılabilir, her tabaka aynı
yönelme ve özelliklere sahip, sonuçta tüm laminata tek katlı tabakalı kompozit olarak
düşünülebilir.[3]
Kompozit bir yapının yüksek hızlardaki çarpmalara gösterdiği direnç lifin elastiklik modülü,
kırılma uzaması gibi lif özellikleri ile lifin bu kompozit yapı içerisindeki kullanım şekline ve
kompozitin alansal yoğunluğuna bağlıdır [12]. Katlı yapıların ciddi tehlike tipleri için
geliştirildiği ve bu yapıların temelde lif tipi, reçine tipi, doku konstrüksiyonu, kat sayısı, iplik
yönü ile kesişmeleri ve iplik setleri ile yoğunluğu gibi parametrelere bağlı olarak
değerlendirilmesi gerekmektedir. Vurmanın katlı yapılara etkisi katı ve esnek tiplerine bağlı
olarak değişmekte, katlı yapılar için katlar arası açılmanın bozulma modu olduğu ve bunun
enerjinin dağıtılması açısından olumlu ancak yapının dayanımı açısından negatif olarak
etkilediği iddia edilmiştir. Katlı yapıların ağırlığı ve konforunun da tehlike tipine bağlı
olarak göz önüne alınması gerekir. [7]
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.
14
Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı zamanda mukavemetli
olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Tabakalandırılmış fiber takviyeli
kompozitlerin kullanım yerleri; Polaris fuze kasaları, cam elyaf gemi kaplaması, raylı taşıt
gövdeleri, tenis raketleri, v.b. Ayrıca, uçak yapılarında yaygın bir kullanım alanı olan
sandviç yapılar da tabakalı kompozit malzeme örneğidirler. Sandviç yapılar, yük
taşımayarak sadece izolasyon özelliğine sahip olan düşük yoğunluklu bir çekirdek
malzemenin alt ve üst yüzeylerine mukavemetli levhaların yapıştırılması ile elde edilirler.[3]
Elyaf/matris takviyeli bir kompozitin üretimi esnasında, istenilen kompozit kalınlığını
sağlamak için çok katlı, düz veya değişik yönlü ve doğrultulu elyafların düzenlenmesi
gerekir. Bu yapılacak parçaya bağlı olarak takviye elemanı tasarımında aşağıdaki formlardan
biri gibi olacaktır:
a) Izotropik özellik istendiğinde, elyaflar rasgele yönlenmiş,
b) Ortotropik özellik olması isteniyorsa, ortogonal yönlü,
c) Ortotropik özellik olması isteniyorsa tek yönlü olarak takviye edilmelidir[5]
Bu nedenle, kompozit tabakanın özellikleri, lamine, malzemede tek bir kompozit tabakası;
elemanların özelliklerine, elyafların düzenlenmesine ve kompozitin üretim tekniğine bağlı
olacaktır. Reçinenin düşük gerilme bölgesinde doğrusal olmasına rağmen genellikle
elyafların doğrusal elastik olarak kırıldığı varsayılır. Bu elyaflar kırılma bölgesinde doğrusal
olmayan özellikler gösterir. Ancak, kırılgan elyafın maksimum uzaması sünek matristen
daha az değişmez ve sonunda matrisin doğrusal elastiklik varsayımını doğrulamada sonraki
gerilme kompozitin kırılmasında oldukça düşük olacaktır. Lamina kompozit analizinde bir
diğer varsayımda elyaf ve matris arasında tam bağın mevcut olmasıdır. Kompozitin elastik
karakteristikleri üzerine polimer matris içinde gerilim dağılımı üzerine sürünmenin etkisi,
elyafların en uygun şekilde konumlanmasının sağlanması ile minimize edilebilir. Bu eksenel
kuvvetler uygulanan kuvvetin doğrultusu boyunca olacaktır. Bununla beraber, kompozitte
cam elyafların oranının artırılması, yükün büyük kısmının elyaflar tarafından taşındığını ve
bunun sonucu olarak da yükün daha az kısmı matris tarafından taşınacağını gösterir. Diğer
taraftan, elyaf içeriği az ise fazla yüklerde matris üzerine etkiyen sürünme etkisi oldukça
fazla olabilir. Ancak bu kompozitler için genellikle uygulanan yük sürünme sağlayamayacak
kadar yeterli düşüklükte olabilecektir. [5]
15
2.1.2.Matris Malzemesine Göre Sınıflandırma
2.1.2.1. Metal matriks kompozitler (MMK)
Bu malzemeler ana yapıyı matriks metalin oluşturduğu ve takviye elemanı olarak da
genellikle seramik bir takviye fazının kullanıldığı kompozitlerdir. Bu malzemelerin
seçiminde hemen hemen hiçbir sınırlama yoktur. Deneysel çalışmalara bakıldığında çok
farklı türlerin kullanıldığı göze çarpar. Son 45-50 yıldır MMK‟ler ile ilgili pek çok araştırma
yapılmış ve literatürde olumlu şekilde yer almıştır. Metal matriks kompozitler geleneksel
malzemelere en büyük alternatiftir. Seramiklerin yüksek elastik modülü ile metallerin plastik
şekil değiştirme özellikleri birleştirilerek aşınmaya dayanıklı, kırılma tokluğu ve basma
gerilmesi yüksek malzemeler elde edilmektedir. Bu kompozitler yaygın olarak otomotiv,
havacılık ve savunma sanayinde kullanılmaktadır.[8]
2.1.2.2. Seramik matriks kompozitler (SMK)
Seramik malzemeler çok sert ve kırılgandırlar. Ayrıca yüksek sıcaklık dayanımlarına ve
göreceli düşük yoğunluk özelliklere sahiptirler. Seramik malzemeler ısıl şok direnci ve
tokluğu düşük malzemelerdir. Bunlar; Al2O
3, SiC, Si
3N
4, B
4C, cBN, TiC, TiB, TiN ve
AIN‟dir. Bu bileşikler değişik yapılarda olup amaca göre bir ya da bir kaçı beraber
kullanılarak seramik matriks kompozitler elde edilir. Sandviç zırhlar, çeşitli askeri amaçlı
parçalar imali ile uzay araçları bu ürünlerin başlıca kullanım yerleridir. Seramik matrikse
ilave edilen karbon, seramik ve cam fiberler özellikle yüksek sıcaklık uygulamaları gibi özel
şartlar için geliştirilmektedir. Seramik malzemelerin seramik fiberler ile takviye edilmesi
durumunda, mukavemet yükselmekte ve tokluklar da artmaktadır. Alümina ve zirkonya
esaslı seramik kompozitler üzerindeki son yıllardaki çalışmalar, bu malzemelerin sadece
roket başlığı, uzay araçları gibi uygulamalarda değil aynı zamanda insan vücudunda da
biomalzeme olarak kullanılmaya başlanmasına sebebiyet vermiştir. [8]
2.1.2.3. Karbon-karbon kompozitler (KKK)
Karbon - karbon kompozitleri, saf karbon partiküllerinin (primer karbon bileşeni olarak
tanımlanır) karbon esaslı bağlayıcı (bu malzeme karbonizasyon işlemi esnasında sekonder
karbon bileşenini oluşturur) ile J karışımından elde edilir. Neticede, malzemenin tümü
karbon olup karbonlar iki farklı şekilde bulunur. Bunlardan biri, dolgu (primer) diğeri ise
bağlayıcı (sekonder) niteliğinde olan karbondur. Matriks malzemesi olarak kullanılan
16
karbonun birim ağırlıktaki ısı kapasitesi oldukça yüksektir. Roket ağızlarında, uzay
araçlarında bulunan koruyucu kalkanlarda, debriyaj ve fren balata-disk sistemlerinde
kullanılmaktadır. Bu malzemeler yüksek teknoloji gerektiren askeri ve uzay alanlarındaki
uygulamalarına nispeten düşük hacim sağlamasına karşın, katma değeri yüksek ve oldukça
pahalı malzemelerdir. [8]
2.1.2.4 Nano Kompozitler (NK)
Nano kompozitler mineral nano dolgulu ve %10‟dan daha az miktarda nano boyutlu mineral
içeren kompozit malzemelerdir. Kullanılan nano boyutlu parçacıkların boy-en oranı ve yüzey
alanının çok yüksek olmasından dolayı kompozitlerin mekanik, yanmazlık, ısıl ve bariyer
özellikleri çok iyi yönde geliştirilebilmektedir. Bu kompozitlerin üretilmesinde daha çok
ergimiş metal karıştırması, toz metalürjisi ve mekanik alaşımlama kullanılır. [8]
2.1.2.5. Polimer Matrisli Kompozitler
Kompozitler malzemelerin % 90‟ı polimer esaslı matrislerle üretilmektedir. İleri plastik-
polimer grubu matris malzemelerin çoğunlukla elyaf formunda sert, dayanımlı malzemelerle
takviye edilmeleri bu gruptaki kompozit malzemeleri oluşturur. En tipik örnek, artık
günümüzde gelenekselleşmeye başlayan ve "fiberglas" olarak bilinen poliester esaslı
reçinelerin cam elyafla takviyesiyle üretilen malzemelerdir. Ancak ileri kompozitler
grubunda daha üstün fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklere sahip elyaflar
kullanılmaktadır. Bu malzemeler yüksek dayanım (çekme ve basma dayanımı), yüksek
elastik modül ve yüksek tokluğa sahiptirler.[4]
Polimer kompozitlerin en önemli özellikleri yüksek özgül mukavemet (mukavemet/özgül
ağırlık) ve özgül elastisite modülüdür. Dolayısıyla bu özelliklerden dolayı diğer malzemelere
üstün durumundadırlar. Örneğin yüksek mukavemetli çeliklerde özgül mukavemetin 110
Nm/g olmasına karşın cam lifi–poliesterlerde 620 Nm/g‟dır. Diğer taraftan karbon lifi
epokside 700 Nm/g ve kevlar epokside 886 Nm/g‟dır. Diğer taraftan karbon liflerinin özgül
elastisite modülü alüminyumunkinin 5 katı kadardır. Bu üstünlüklerinden
dolayı polimer kompozitler uçak ve uzay endüstrisinde alüminyum alaşımlarına tercih edilir.
Matris olarak kullanılan polimerler ucuz ve kolaylıkla çalışabilir malzemelerdir. Diğer
taraftan düşük elastik modüle ve düşük kullanım sıcaklığına sahiptirler. Kompozit
malzemelerde polimer matris olarak kullanılan genelde üç tip plastikler mevcut olup bunlar;
termosetler, termoplastikler ve elastomerlerdir. Termosetler grubunda ağırlıklı olarak
17
poliester ve epoksi reçine kullanılır. Bunun yanı sıra vinil ester/bisfenol ve fenolik
reçinelerin kullanımı da giderek yaygınlaşmaktadır. Termoplastik grubunda yaygın olarak
poliamid ve polipropilen kullanımı görülür (yaklaşık %68.3). Bunların yanı sıra hibrid
formda polietilen ve polibutilen tereftalat, polietereterketon ve polietersulfon kullanımı da
dikkat çekmektedir. Naylonlar ve polikarbonatlar, ticari kompozitlerin hazırlanmasında
kullanılan az sayıdaki termoplastikten ikisidir. [3,9]
Termoplastikler: Termoplastikler, oda sıcaklığında katı malzeme olarak adlandırılır. Isıtılırsa
yumuşar, sıcaklık arttıkça viskozitesi düşer. Bu özellik bunlardan yapılan ürünleri daha
ekonomik yapar ve kolaylıkla şekillenmesini sağlar. Bu tekrar soğutulduğunda yeniden
sertleşir. Sıvı halde bulunduğu sıcaklıklarda viskozite hali yüksektir. Bu nedenle ara yüzey
bağı termosetlere göre daha zordur. Ancak şekillendirme kapasitesi iyi olduğundan bunların
kullanımı yaygınlaşmaktadır. Bu polimerler kristalin veya şekilsiz (amorf) olabilir. Kristal
şekilli olanlarda moleküller büyük uzaklıklarda oldukça düzenli şekil oluştururlar. Amorf
polimerler de ise uzun zincirler birçok noktada birbirine dolaşmıştır. Kısa elyafla küçük
hacim ortamında hamur veya levha kalıplama yöntemi ile kullanılmaktadır.[3]
Termoplastikler, üretilen bütün sentetik polimerlerin yaklaşık %70'ini meydana getirir ve üç
tipten ticari olarak en önemlisidir. Termosetler ve elastomerler ise yaklaşık %30'unu
oluşturur. Tipik olarak kullanılan termoplastikler Acetal, Acrylonitrile- Butadiene-Streyn
(ABS), Selüloz, Poli-tetra-floretilene= Fluoropolymers (PTFE), Poli amids( PA),
Polikarbonat (PC), Polietilen (PE), Polyester (PET), Polivinil klorür (PVC), Naylon 6.6,
Polistreyn(PS) ve Polipropilen (PP)'dir. Ancak bu üç tür olan polimerler bazen birbiri
içerisine girebilir. Termoplastik olan belli polimerlerden termosetler de yapılabilir.[3]
Elastomerler: Elastomerler, termoset polimerler gibi çapraz bağlı olan uzun zincir
moleküllerinden oluşur. Bunlar, çok düşük gerilmelere maruz kaldığı zaman büyük elastik
deformasyon yapma yeteneği olan polimerlerdir. Bazı polimerler %500 ve daha fazla uzama
yaparlar ve tekrar orijinal şekline dönerler. Çok meşhur olan polimerler ise Kauçuk‟tur.[3]
Termosetler: Kompozit malzeme matrisleri olarak en çok kullanılanlardır. Termoset
plastikler sıvı halde bulunurlar, ısıtılarak ve kimyasal tepkimelerle sertleşir ve sağlamlaşırlar.
Termoplastik polimerlerden farklı olarak termoset polimerlerin polimerizasyon süreci geri
dönüşü olmayan bir süreçtir. Yüksek sıcaklıklarda dahi yumuşamazlar. Çizelge 2.2‟de en
yoğun kullanılan termosetler ve genel özellikleri yer almaktadır.[3]
18
Termoset matrisler, küçük monomer moleküllerini, uzun ve aralarında kuvvetli bağlar
bulunan polimer molekülleri haline getiren kimyasal reaksiyon sonucu oluşur. Termosetler,
polimerizasyonla iki kademede elde edilir. Birincisi malzemeyi ihtiva eden monomerler
lineer zincirlerin bir araya getirdiği reaktörde başlarken ikinci polimerizasyon işlemi
kalıplama işlemi esnasında sıcaklık ve basınçla reaksiyona girmeyen kısımlar sıvılaşarak
molekül zincirleri üç boyutlu yapıya sahip olurlar. Bu reaksiyonun gerçekleşmesi için
genellikle katılaştırıcı kullanılır. Katılaştırıcı ilavesi ile önce jel haline gelir ve sonra da
katılaşırlar. Bunlar tekrar ısıtılarak yumuşatılamaz. Termoset reçineler izotropiktirler. Termal
stabilite, kimyasal direnç, düşük yoğunluk termoset reçinelerin avantajlarıdır. Oda
sıcaklığındaki sınırlı çalışma zamanı, katılaşma için geçen uzun fabrikasyon zamanı, kopma
esnasındaki düşük uzama dezavantajlarıdır Epoksi ve poliesterler elyaf takviyeli
kompozitlerde yaygın olarak kullanılan matris malzemelerdir. Bunların fiziksel ve
mekaniksel özelikleri, moleküllerin büyüklüğüne, yoğunluğuna ve çapraz bağın uzunluğuna
bağlıdır. Ancak poliesterler cam elyafı iyi ıslatır ve dolgu maddesi kullanılabilir. Bunların
sakıncası ise sertleşme sırasında %10 kadar kendini çekme (büzülmesi) göstermesidir. Bu
büzülme ise liflerin basma gerilmeleri altında burkulmasına neden olur.[3]
Termoset malzemeler kür edildikten sonra tekrar eritilemez ve şekil verilemezler. Kür işlemi
sırasında molekül zincirleri, Şekil 2.7‟de görüldüğü gibi çapraz bağlanma yaparlar. Bu
nedenle moleküller tekrar eritilip şekil verdirilemez. Çapraz bağlanma yoğunluğu ne kadar
fazla ise malzeme o kadar rijit ve ısıl stabilitesi yüksek olur. Poliimidler, plastikler arasında
kalıpta şekil verilebilen, ısıl direnci en yüksek polimerlerdir.[3]
Şekil 2. 7 Termoset moleküllerin kür işlemi sırasında çapraz bağlanması
Yaygın termoset reçineler; epoksi, poliester ve vinilesterdir. Bu malzemeler, tek parça veya
iki parça sistemi olabilmektedir ve genelde oda sıcaklığında sıvı formdadır. Bu reçine
sistemleri, yüksek sıcaklıklara çıkarılır veya oda sıcaklığında son şekli verilir.
Termoset kompozitleri işlemedeki avantajlar;
19
1.Başlangıçtaki reçine sistemi sıvı formda olduğundan, termoset kompozitleri
işlemesi kolaydır.
2.Lifler, termosetlerle kolay ıslatılabildiğinden, boşluk ve gözenek daha azdır.
3.Termoset kompozitlerin işlenmesinde, termoplastik kompozitlere göre, ısı ve basınç
gereksinimi daha azdır. Bu da enerji kazanımı sağlar. 4.Termoset kompozitlerin
işlenmesinde, basit ve düşük maliyetli teçhizat kullanılabilir.[3]
Termoset kompozit işlemenin dezavantajları;
1.Termoset kompozit işleme, uzun kür zamanları gerektirir ve sonuç olarak
termoplastiklere göre düşük üretim oranları elde edilir.
2.Termoset kompozit parçalar, bir kez kür edilir ve katılaştırıldığında, tekrar
şekil verilemez.
3.Termoset kompozitlerin geri dönüşümü bir sorundur
Tablo 2. 2 Bazı termoset malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri
Malzeme
Özellikler
Epoksi Polyester Fenolik
Yoğunluk (g/cm3) 1,11 1,04-1,46 1,24-1,32
Elastik Modül (MPa) 7000 3400 4800
Çekme dayanımı (MPa) 70 41-90 34-62
Kopma uzaması (%) 3-6 4,2 1,5-2,0
Isıl iletkenlik 0,19 0,19 0,15
Isıl genleşme katsayısı (l/Co) 45-65 55-100 68
2.2.Matris Malzemeler (Reçineler)
2.2.1. Epoksi (Epoksit) Reçineleri
Gelişmiş kompozitlerde genellikle tercih edilen ve her tür elyaf ile kullanılabilen bir
reçinedir. Epoksi reçineler, reçine türüne ve son kullanım yerine göre sıvı veya katı olarak
temin edilebilir. Epoksi grubunun polimerizasyonu ile elde edilir. Bu reçineler çeşitli ajanlar
varlığında, oda sıcaklığında veya yüksek sıcaklıkta kür edilerek termoset son ürün haline
20
dönüştürülür. Epoksi reçineleri gerçekte polieter yapısındadırlar ve polieterlerin önemli bir
grubunu oluştururlar. Epoksit reçinesi adı, monomerde ve kür edilmeden önceki
önpolimerde, epoksit gruplarının bulunması nedeyle verilmiştir. Epiklorhidrin ve bisfenol-
A‟nın bazik ortamdaki reaksiyonundan, ilk ticari epoksi reçinelerinden olan ve epoksit
reçinelerin %95‟ini oluşturan Diglisidil eter bisfenol-A (DGEBA) ve yüksek molekül
ağırlıklı türler elde edilir. Epiklorhidrin, propilenden sentezlenir ve sentetik gliserin
prosesinin ara ürünüdür. Bisfenol-A ise fenollü aseton ile oluşturulan bir petrol türevidir.
DGEBA, epiklorhidrinin bisfenol-A ile sodyum hidroksit varlığında reaksiyonuyla elde
edilir. Termoset polimer yapısına iki aşamada geçilir. İlk aşamada fazla epiklorhidrin
kullanılarak zincir sonlarında epoksit grupları bulunan düşük mol kütleli bir önpolimer
hazırlanır.
Şekil 2. 8 DGEBA‟nın oluşumu
Önpolimerdeki yinelenen birimin (n) büyüklüğü, elde edilecek epoksi polimerinin
özelliklerini belirler. Küçük n değerlerinde polimer viskoz bir sıvı iken yinelenen birim
sayısı 25 dolayına ulaştığında oda sıcaklığında katı ve serttir. Küçük n sayılı epoksitler
üstün yapışma ve kimyasal direnç özellikleri nedeniyle koruyucu kaplama ve
yapıştırıcı olarak kullanılırlar. Örneğin, düşük çapraz bağ yoğunluğu esneklik için
gereklidir. Yüksek çapraz bağ yoğunluğu mekanik dayanım ve kimyasal direnç sağlar.
Ayrıca, artan sıcaklıklarda yüksek sertlik (Tg yükseltmesi gibi) sağlar. [9]
Termoset epoksi eldesinin ikinci aşamasında önpolimer, uygun bir çapraz bağlayıcı ile
sertleştirilir. Örneğin, iki ayrı tüpte satılan epoksit yapıştırıcılarının birisinde
önpolimer, diğerinde bir diamin vardır. İki madde karıştırıldığında aşağıdaki
tepkimeye uygun olarak epoksit grupları üzerinden çapraz bağlanma gerçekleşir ve
polimer termoset yapıya geçer. Dietilen triamin, trietilen tetraamin, hekzametilen
tetraamin, m-fenilen diamin çapraz bağlanmada kullanabilecek diğer aminlerdir [3]
21
Şekil 2. 9 Çapraz bağlanmış epoksi polimeri
Epoksilerin çapraz bağlanma sırasında uçucu madde oluşmaz, çapraz bağlanma sonrası
büzülme oranlan da (%l-5) düşüktür. Ancak, fiyatları yüksektir ve pişirme zamanları
uzundur. Pişirme zamanını azaltmak amacıyla hızlandırıcılar kullanılarak çapraz bağlanma
tepkimeleri hızlandırılır. Kullanım sıcaklıkları polimer özelliklerine bağlı olarak 150°C‟ye
kadar çıkar [6]. Şekil 2.9‟de de epoksi reçinelerin üretimi ayrıntılı şekilde gösterilmiştir.[9]
22
Şekil 2. 10 Epoksi reçinelerin üretimi
Epoksi reçinelerde kullanılan başlıca sertleştiriciler; lewis bazları, inorganik bazlar, birincil
ve ikincil aminler ve amitlerdir. Ayrıca, karboksilik asit anhidritler, dibazik organik asitler,
fenoller ve lewis asitleri de asit sertleştiriciler olarak epoksi sistemlerde kullanılmaktadır.[9]
23
Şekil 2. 11 Epoksi reçinelerin amin çapraz bağlanması
Proses gereklerini yerine getirmek için uygun sertleştirici ve/veya sertleştirici sistemi
seçilerek sertleşme hızları kontrol altında tutulabilir. Genellikle epoksi reçineler, bir anhidrit
veya bir amin sertleştirici eklendiğinde sertleşme reaksiyonuna girer. Her sertleştirici farklı
bir sertleşme profili gösterir ve son ürüne farklı özellikler katar. Modifiye edilmemiş
bisfenol-A reçineleri (diglisidileter bisfenol A-DGEBA) genellikle ıslak yatırma
sistemlerinde ısıyla sertleştirmek için kullanılır. Bunlar aminle sertleştirildiklerinde, daimin
di-fenilmetan gibi, 150°C'nin üstünde ısı defleksiyonu ısısıyla mükemmel mekanik ve
elektriksel özelliklere sahip olurlar.[9]
Girdilerin oranı ve özellikleri ayarlanarak, farklı alanlarda kullanılabilecek ürünler hazırlanır.
Epoksitler, kimyasallara karşı dirençleri, dayanıklılıkları, esnek oluşları ve iyi yapışma
özellikleri nedeniyle yüzey kaplamaları için eşsiz bir polimerdir. Kimyasal korozyona ve
aşınmaya karşı yüzeylerin kaplanmasında; yüksek kuvvetler etkisinde kalan yerlerin
kaplanmasında; tüp, boru ve endüstriyel tankların astarlanmasında kullanılır. Epoksitler
kompozitler için de iyi bir matristir. Epoksilerin %80‟ini kaplama, laminat hazırlama ve
kompozit yapımında tüketilir[3]
Isı-işlem görmüş epoksilerin dayanımı yüksek, ısıl ve kimyasal dirençleri iyidir. Sertleşme
sırasında kendini çekme sorunu yoktur. Bu özelliklerin yanı sıra sahip olabilecekleri
formülasyonların çeşitliliği ve çok yönlü islenebilirlik özellikleri nedeniyle epoksi
termosetler, birçok uygulama alanı bulmuştur. Epoksi reçine matrisli kompozitierin en
önemli uygulamalarından biri havacılık uygulamalarıdır. Yüzey kaplamaları, endüstriyel
döşemeler, cam takviyeli kompozitler ve yapıştırıcılar uygulama alanı olarak sayılabilir.
Epoksinin yalıtım özelikleri değişik elektronik uygulamalarda, örneğin, transistör ve baskı
devre plakalarında kullanılmalarını sağlar.[9]
24
2.2.2.Polyester Reçineler
Polyester matrisler dibazik asitlerin, dihidrik alkoller (glikol) yada dihidrik fenollerle
karısımının yoğusması ile sekil alırlar. Polyesterlerin ana tipleri polyester bileseninin
doymus asitle yada alternatif malzeme olarak glikolle modifikasyonu temeline dayanır.
Ayrıca kur islemi ile matrisin esnekliği iyilestirilerek kopma gerilmesi arttırılabilir. [10]
Avantajları:
1. Takviyelerin nemini dısarı kolayca atabilmesini sağlayan dusuk vikozite.
2. Dusuk maliyet
3. İyi cevresel dayanım [10]
Dezavantajları:
1- Kür sırasındaki yüksek egzotermik reaksiyon zayıf elyaf/matris bağ mukavemetine
neden olur.
2- Sistem gevrekleşmeye eğilimlidir.
3- Çok seyreltik alkalilere bile zayıf kimyasal direnç gösterir.
Polyester reçinelerin, epoksi reçinelere göre elyaf/matris arası bağ mukavemetinin
daha düşük olması nedeniyle, uçak yapılarındaki kullanım alanları küçük uçaklarla ve
planörlerle sınırlıdır. [10]
2.2.3. Vinilester reçine matrisler
Polyesterlerden sonra bulunmuş bir matriks tipidir. Vinylester reçine ıslak yatırma için
uygundur. En önemli avantajları elyaf ve matris arasında iyiletirilmiş bir bağ mukavemetine
sahip olmalıdır. Polyesterle glikolün bir kısmının yerine doymamı hidrosilik
bileşenlerin kullanılması ile elde edilirler. Korozif ortamlardaki kullanımlar için donatılı
plastik bileşenlerin üretiminde yararlanılmaktadır. Vinil ester reçineler, polyester reçinelere
benzer biçimde üretilmekte ve epoks reçinelerin sertleşme özelliklerini göstermektedir. Bu
polimerler kimyasal dayanım gerektiren kimya tesislerinde, borularda ve depolama
tanklarında kullanılmaktadır. [10,11]
25
2.3. Takviye Malzemeleri
Kompozit malzemelerde kullanılan elyafların fiziksel biçimleri, oluşturulan yeni malzemenin
özellikleri üzerinde çok önemli bir faktördür. Takviyeler temel olarak 3 farklı biçimde
bulunmak- tadırlar; parçacıklar, süreksiz ve sürekli elyaflar. Parçacık genelde küresel bir
biçimde olmamasına rağmen her yönde yaklaşık olarak eşit boyutlardadır. Çakıl,
mikrobalonlar ve reçine tozu parçacık takviyelerine örnekler arasında sayılabilir. Takviye
malzemelerinin bir boyutu diğer boyutlarına göre daha fazla olduğunda elyaflardan
bahsetmeye başlarız. Süreksiz elyaflar (doğranmış elyaflar, öğütül- müş 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 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.
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.
Polimerler matris olarak kullanılmalarının yanı sıra kompozitler için elyaf üretilmesinde de
kullanılmaktadır. Kompozit malzemeye çok yüksek düzeyde sağlamlık katan ve sertlik
kazandıran Kevlar (Aramid) bir polimer elyafıdır. Hafiflik ve güvenilir konstrüksiyon
26
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;
1-Cam elyafı,
2-Karbon (Graphite) elyafı, (PAN -polyacrylonitrile- ve zift kökenli)
3-Aramid (Aromatic Polyamid) elyafı, (Ticari ismi; Kevlar-DuPont)
4-Bor elyafı,
5-Oksit elyafı,
6-Yüksek yoğunluklu polyetilen elyafı,
7-Poliamid elyafı,
8-Polyester elyafı,
9-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.
2.3.1. Cam Elyafı
Cam elyafı silika, kolemanit, aluminyum 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 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
sağlamlardır.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;[12]
27
Şekil 2. 12 Cam elyaf rulosu
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.
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. [12]
Cam elyafının kullanım amacına bağlı olarak elyaf sarma biçimleri farklı olabilir. Elyaf çapı
28
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 kullanıl- maktadır. Elyaf ile reçinenin birbirine iyi yapışması
çok önemlidir. İyi yapışmamaktan dolayı birbirin-den kayan takviye malzemesi ve matris,
kompozit malzemenin sertliğini ve sağlamlık performansını düşürür. Bu durumun
engellenmesi için elyaf kimyasallarla kaplanır. [12]
2.3.2. Karbon Elyaflar
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.[2]
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 elyafıda grafit elyafı da aynı malzemeyi
tanımlamaktadır. Karbon elyafı epoksi matrisler ile birleştirildiğinde olağanüstü dayanıklılık
ve sertlik özellikleri gösterir. Karbon elyaf 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 uygulamalarında kullanılmaktadır.[2]
29
Şekil 2. 13 Dokunmuş halde karbon fiber
Karbon elyafları piyasada 2 biçimde bulunmaktadır:
-Sürekli Elyaflar: Dokuma, örgü, tel bobin uygulamalarında, tek yönlü bantlarda ve önceden
reçine emdirilmiş elyaflarda kullanılmaktadır. Bütün reçinelerle kombine edilebilirler.
-Kırpılmış Elyaflar: Genellikle enjeksiyon kalıplamada ve basınçlı kalıplarda makine
parçaları ve kimyasal valf yapımında kullanılırlar. Elde edilen ürünler mükemmel korozyon
ve yorgunluk dayanımının yanı sıra yüksek sağlamlık ve sertlik özelliklerine de sahiptirler
[2]
Karbon elyafının üretim süreci;
Karbon elyafı çoğunlukla iki malzemeden elde edilir;
• Zift
• PAN (Poliakrilonitril)
30
Karbon, yoğunluğu 2.268 g/cm3 olan kristal yapıda bir malzemedir. Karbon elyaflar cam
elyaflardan daha sonra gelişen ve çok yaygın olarak kullanılan bir elyaf grubudur. Karbon ve
grafit elyaflar organik maddelerden üretildikleri için organik fiber olarak da adlandırılırlar.
Ham madde olarak PAN, Selüloz (Rayon) ve Zift (Pitch) olarak kullanılır. Dolayısı ile de
üretildikleri maddelere göre isim alırlar. Günümüzde rayon sadece çok düşük modüllü
elyaflar için kullanılır. Bu hammadde inert bir atmosferde 1000- 3000°C civarına ısıtılır ve
aynı zamanda çekme kuvveti uygulanır. Bu işlem mukavemet ve tokluk sağlar. Ancak
yüksek maliyet nedeniyle rayon elyaflar uygun değildirler. Elyaf imalatında genellikle
rayonun yerine poliakrilonitril (PAN) kullanılır. PAN bazlı elyaflar 2413 ile 3102 MPa
değerinde çekme mukavemetine sahiptirler ve maliyetleri düşüktür. Petrolün rafinesi ile elde
edilen zift bazlı elyaflar ise 2069 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler. Mekanik
özellikleri PAN bazlı elyaflar kadar iyi değildir ancak maliyetleri düşüktür.[2]
Zift tabanlı karbon elyafları göreceli olarak daha düşük mekanik özelliklere sahiptir. Buna
bağlı olarak yapısal uygulamalarda nadiren kullanılırlar. Karbon elyafın gerçek özellikleri
üretim metoduna bağlıdır. Endüstriyel olarak karbon elyaf üretim metotları termal
oksidasyon ve organik precursor kullanılarak grafitleme işlemleridir. [2]
PAN tabanlı karbon elyafları kompozit malzemeleri daha sağlam ve daha hafif olmaları için
sürekli geliştirilmektedir. PAN‟ın karbon elyafına birbirini takip eden dört aşamada
dönüştürülmektedir;
1. Oksidasyon: Bu aşamada elyaflar hava ortamında 300oC‟de ısıtılır. Bu işlem, elyaftan
H‟nin ayrılmasını daha uçucu olan O„nin eklenmesini sağlar. Ardından karbonizasyon
aşaması için elyaflar kesilerek grafit 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;
3.Yüzey iyileştirmesi 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
31
sonlandırma işlemidir. Elyaf reçine ile kaplanır. Genellikle bu kaplama işlemi için epoksi
kullanılır. Kompozit malzemede kullanılacak olan reçine ile elyaf arasında bir ara yüzey
görevi görür. [2]
Karbon elyafının tüm diğer elyaflara göre en önemli avantajı yüksek modülüs özelliğidir.
Karbon elyafı bilinen tüm malzemelerle eşit ağırlıklı olarak karşılaştırıldığında en sert
malzemedir. [2]
Karbon lifleri liflerle donatılı kompozitlerin üretiminde kullanılan önemli bir lif türüdür.
1960‟lı yılların ikinci yarısından itibaren kullanılmaya başlamış olan bu liflerin, düşük
yoğunluğuna karşın çekme dayanımı ve E-modülü yüksektir. Yüksek sıcaklıklara
dayanabilen karbon liflerinin özellikleri, üretimindeki son işlemin sıcaklığına bağlı olarak
değişiklik göstermektedir. Uygulamada 6 ile 10 µm arasında değişen çaptaki liflerin 1000-
1500 adetlik demetlerinden oluşan fitil ve dokumalar kullanılmaktadır. Üstün özeliklerinin
yanı sıra son derece pahalı olan karbon lifleri, özellikle uzay ve havacılık endüstrisinde
yararlanılan bir malzeme niteliğindedir. Yüksek maliyeti nedeniyle yapı alanında
kullanılmamaktadır.[13]
Karbon elyafların en önemli özellikleri düşük yoğunluğunun yanında yüksek mukavemet ve
tokluk değerleridir. Karbon elyaflar, nemden etkilenmezler ve sürünme mukavemetleri çok
yüksektir. Aşınma ve yorulma mukavemetleri oldukça iyidir. Bu nedenle askeri ve sivil uçak
yapılarında yaygın bir kullanım alanına sahiptirler. Karbon elyaflar çeşitli plastik matrislerle
ve en yaygın olarak epoksi reçinelerle kullanılırlar. Ayrıca karbon elyaflar alüminyum,
magnezyum gibi metal matrislerle de kullanılırlar.
Kompozit malzemelerde karbon ve grafit elyaflar, çeşitli şekilde, örneğin, sürekli lifler ve
demetler, kırpılmış elyaflar, örgü ve dokunmuş elyaflar, öğütülmüş elyaflar olarak
kullanılmaktadır. Sürekli elyafların çapları genellikle 8-10 µm ve iplik demeti şeklinde
yaklaşık 12-120 000 sayıdan oluşabilmektedir. Örgü şeklindeki elyaflar kompleks şekilli
parçaların kalıplanarak üretilmesine daha uygundurlar. Şekil‟de tipik bir grafıtleme çevirimi
ve sıcaklığın çekme dayanımı ve modülü üzerine etkisi gösterilmiştir. Ticari olarak PAN
karbon elyafın iki tipi mevcut olup bunlar yüksek elastik modüllü (Tip 1), yüksek dayanım (Tip
2) olanıdır. En yüksek modül 2500-3000°C de üretilir. Ancak, dayanım ince yapı ve çatlakların
dağılımı ile ilgilidir. Yüksek sıcaklık matrislerinde kullanmak için elyaflar, metal veya seramik
koruyucu filmleri ile de kaplanabilir. Azot atmosferinde kararlı olmasına rağmen 400°C
üzerinde havada artan oranda oksitlenir. Ancak uçak frenlerinde olduğu gibi yüksek sıcaklıklarda
32
1000°C'nin üzerinde karbon elyaflı karbon kompozitler dayanıklı olduklarından karbon elyafların
kullanımı hızla artmaktadır. [3]
Şekil 2. 15 Çekme dayanımı ve elastik modülü üzerine sıcaklığın etkisi
Şekil 2. 14 Karbon elyafların temel yapısal özellikleri
33
Karbon elyaflar pahalıdır, bu nedenle ileri kompozitleri hazırlanarak fiyatın önemli olmadığı
uzay araçları, uçaklar, ileri teknoloji vb alanlarda kullanılırlar. Otomobil endüstrisi açısından
karbon takviyeli kompozitlerin fiyatları henüz çelikle rekabet edecek düzeyde değildir.
Karbon lifler de, cam lifler gibi yüzeyleri uygun bir polimerle (genelde epoksi ile)
kaplanarak kompozit yapımına kadar korunurlar.[3]
2.3.3.Aramid Elyafı
Aramid kelimesi bir çeşit naylon olan aromatik poliamid‟den maddesinden gelmektedir.
Aramid elyafı piyasada daha çok ticari isimleri Kevlar (DuPont) ve Twaron (Akzo Nobel)
olarak bilinmektedir. Farklı uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için birçok farklı
özelliklerde aramid elyafı üretilmektedir.[14]
Önemli özellikleri;
• Genellikle rengi sarıdır
• Düşük yoğunlukludur.
• Yüksek dayanıklılık
• 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 [14]
Aramid elyafının dezavantajları
1- Bazı tür aramid elyafı ultraviole 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. [14]
Genellikle polimer matrisler için takviye elemanı olarak kullanılan aramid elyafının bazı
kullanım alanları;
34
• Balistik koruma uygulamaları; Askeri kasklar, kurşun geçirmez 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
• Fiberoptik ve elektromekanik kablolar
• Debriyajlarda bulunan sürtünme balatalarında ve fren kampanalarında
• Yüksek ıs ve basınçlarda kullanılan conta, salmastra vb. [14]
Şekil 2. 16 İplik halinde aramid elyafı
En çok bilinen ve kullanılan aramid elyafı Dupont firmasının tescilli ismi olan Kevlar‟dır.
Kevlar 29, ve Kevlar 49 olarak iki çeşidi bulunmaktadır. Kevlar 29 üstün darbe dayanımı
özelliğine sahiptir ve bu nedenle çoğunlukla kurşun geçirmez yelek gibi uygulamalarda
kullanılırlar. [14]
2.4. Çekirdek (Core) malzemesi
Çekirdek, sandviç yapılarda elyaf/matriks sisteminde oluşturulan iki deri (skin) arasına
mukavemetini arttırmak üzere yerleştirilen bir malzemedir. Çekirdek olarak kullanılan
35
malzemeler çeşitlidir.[11]
2.4.1. PVC köpükler
PVC köpükler çok kullanılan bir çekirdek malzemesidir. Rutubet/su absorbsiyonu direnci
iyidir. 40-300 kg/m3 yoğunluklarda bulunabilir.[11]
Şekil 2. 17 Farklı kalınlıklarda ve yoğunluklarda köpükler.
Yapılarına göre:
a) Cross linked: nisbeten kırılgan ,
b) Linear: mukavemet özellikleri bozulmadan deformasyon kabul edebilen ,
c) Yüksek ısı dirençli tipleri vardır.
2.4.2. Balsa
Hafif balsa ağacı, elyafları deriye dik gelecek şekilde (end grain) kesilerek çekirdek olarak
kullanılır. Balsa çekirdekli sandviçler çok iyi bir rijitlik sağlarlar. Ancak, kırılmaları ani ve
36
büyük boyutlu (catastrophic failure) olur. Bunun yanı sıra, tabii kaynaklı malzemenin
standardizasyonu imkansız denecek kadar zordur. Nisbeten yüksek yoğunluğu ise, PVC
köpük gibi geniş bir seçim şansı vermez. [11]
2.4.3. Tahta
Balsa dışında tahta da, bilhassa iyi ezilme mukavemeti beklenen yerlerde çekirdek
malzemesi olarak kullanılabilir. Genelde kontrplak veya lamine şeklindedir.
Standardizasyonu balsadan daha iyi kontrol edilebilir. Ağırlığı önemli bir dezavantajıdır.
[11]
2.4.4. Bal peteği (Honeycomb)
Bal peteği metalik veya kompozit esaslı olabilir. Metalik bal peteği çok ince alüminyumdan,
kompozit bal peteği ise kağıt veya nylon/aramid elyafları ve epoksi veya fenolik bir
reçineden yapılırlar. [11]
Şekil 2. 18 Aluminyum Balpeteği
Ataşe dayanıklı Nomex en popüler bal petek sistemlerinden biridir. Bal petek sistemleri dış
derilere yapıştırılması oldukça zor ama üstün mukavemet/ağırlık oranları sağlayan çekirdek
yapıları oluştururlar. Ayrıca, eğimli yüzeyleri bal peteği ile dönmek için özel bir teknik
gerekmektedir. [11]
37
2.5.Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri
2.5.1. Elle yatırma (hand lay-up)
Önceleri, ıslak yatırma prosesi kompozit parça üretiminde baskın üretim metoduydu. Halen,
denizcilik endüstrisinde, prototip parçaları yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu
proses emek yogundur ve açık kalıp nedeniyle, stiren yayılımı sorunu vardır. Bu proseste sıvı
reçine kalıba uygulanır ve takviye üste yerlestirilir. Lifi reçine ile emdirmek için bir rulo
kullanılır. Bir baska reçine ve takviye yüzeyi, uygun kalınlık elde edilinceye kadar uygulanır.
Oldukça esnek bir prosestir ve kullanıcıya degisik tipte kumas ve hasır malzemeler
yerlestirmek suretiyle parçanın optimizasyonuna izin verir. Takviye manuel olarak
yatırıldıgından el yatırma prosesi olarak da isimlendirilir. Bu proses, küçük yatırım maliyeti
ve düsük seviyede uzmanlık gerektirdiginden kullanımı kolaydır. Ticari boyutta bu proses
yaygın olarak tekne yapımında, yel degirmeni pervanelerinde, depolama tanklarında ve
yüzme havuzlarında kullanılır. Prosesin basitligi ve düsük yatırım maliyeti nedeniyle, bu
proses prototip parça yapımında yaygın olarak kullanılır. Basit ve karmasık sekiller, bu
proses kullanılarak üretilebilir. Gemi gövdeleri, balsa veya köpük özlü cam lifli katmanların
laminasyonu ile olusturulur. Öz kullanılmadan yapılan, tek kat panellerde boylamsal ve
enine tasıyıcı sistemler daha karmasık, ve sandviç panellerden daha agırdır. Sandviç
paneller, tek kat kabuk panellere göre daha uzun mesafeleri destekler. Cam lifinden
dokunmus kumaslar, Kevlar ve karbon lifleri takviye elemanı olarak kullanılabilir. Ticari
sektörde E-cam kullanımı baskındır. Parçanın gereksinimine göre, epoksi, polyester ve vinil
ester reçineler el yatırma prosesinde kullanılır. Polyester reçine tekne ve ticari malların
üretiminde en çok kullanılan reçinedir. Cam seritler de tekne gövdelerinin yapımında
kullanılır.[15]
El yatırma prosesi için gerekli kalıp tasarımı, diger üretim prosesleriyle karsılastırıldıgında
çok basittir. Çünkü, proses çogunlukla oda sıcaklıgında ve düsük basınç kür sartları
gerektirir. Çelik, tahta, cam takviyeli plastik ve diger maddeler kalıp malzemesi olarak
kullanılabilir. Kalıp disi veya erkek kalıp olabilir. Küvet yapımında bir erkek kalıp kullanılır.
Tekne endüstrisinde, yat gövdelerinin yapımı için, tek yönlü cam takviyeli plastikten
yapılmıs disi kalıp kullanılır. Kalıbın dıs kabugu, ahsap bir iskelet ile sertlestirilir.[15]
Islak yatırma prosesi sematik olarak Sekil 2.19.‟ da gösterilmektedir. Kompozit parçanın
kalınlıgı, bir seri takviye kat ve sıvı reçine kat uygulanarak olusturulur. Bir silindir, fazla
reçineyi sıkmak ve reçinenin yüzey boyunca düzgün dagılımını saglamak için kullanılır.
Silindirin sıkma islemiyle, liflerin homojen olarak ıslanması saglanır. [15]
38
Şekil 2. 19 El yatırma prosesi
Islatma islemini verimli hale getirmek için bir fulard kullanılarak reçine, kumas yüzeye
üniform olarak uygulanabilir ve daha sonra kumas, kalıba yatırılır. Sertlestiricisi önceden
katılmıs reçine çogunlukla oda sıcaklıgında sertlesir. Bazı durumlarda tam sertlesme için ek
bir ısıl islem gerekebilir (Aran, 1990). Parça katılastıktan sonra kalıptan çıkarılır. Tüm
proses; çevrim zamanı, bilesenin boyutu ve kullanılan reçinenin formülasyonu tarafından
belirlenir. Büyük boyutlu parçalar genellikle oda sıcaklıgında kür edilir. Eger yapılacak
lamina yüzey kalın ise, asırı ısınmayı önlemek için duvar kalınlıgı kademeli sekilde
olusturulur. Bu sartlarda o günkü isi bir kabuk tabaka ile bitirmek yaygın kullanılan
yöntemdir. Bu tabaka temizlenerek, bir sonraki tabakanın baglanması için temiz ve iyi bir
yüzey olusturulur. Son parçanın kalitesi, operatörün yetenegine oldukça baglıdır.
El yatırma prosesinin temel sınırlaması, kalıplamada tek bir düzgün yüzeyin olusudur. Parça
kalınlıgının, bosluk miktarının, lif içeriginin, arka yüzdeki yüzey kalitesinin kontrolündeki
eksiklik, boyutsal stabilitenin kritik olmadıgı, düsük gerilimli parçalarda bu yöntemin
uygulanması oldıkça yaygındır. [15]
Düşük ve orta hacimli temas kalıplama olup, kayık teknesi, tanklar, bina paneleri ve sandık
gibi büyük boyutlu yapısal parçaları için yaygın olarak kullanılan en basit bir yöntemdir.
Genellikle, keçe, dokuma biçimindeki elyaflar takviye elemanı olarak seçilir. Fakat ek
dayanım ve elastik modülü kazandırmak için belirli konumlarda dokuma şeklindeki elyaflar
yanında sürekli cam ve karbon elyaflar da yerleştirilir.
39
Şekil 2. 20 SAHİMO'nun kapısının el yatırması ile üretimi.
Kalıp reçine ile kaplanılmadan önce kalıptan parça ayrılmasını sağlamak için polivinil alkol,
silikon sürülür. Sonra vizkozitesi yüksek reçine fırçayla kalıp içine yatırılır. Daha sonra
elyafa demeti hazırlanarak dolgu maddeli reçine elyaflar üzerine emdirilir. Bu şekilde
istenilen yön, doğrultuda ve hacim oranlarında arzulanan kalınlığa ulaşıncaya kadar işlem
devam ettirilir. Ancak işlem sırasında hava kabarcıklarını yok etmek için rülolar kullanılarak
kompozit malzeme kalıptan dışarı çıkartılır. Bu işlemde reçine olarak oda sıcaklığında
sertleşen genel amaçlı polyesterler ve belli epoksilerde kullanılmaktadır. Bu en basit metot
olup takımlama maliyeti düşüktür. Burada keza değişik ölçüdeki parçalar yanında tasarım
değişiklikleri kolaylıkla yapılabilir. Kalıp tek veya çok parçalı olabilir ve bitmiş yüzeyi
iyileştirmek için vakumda torbalama, vb. metotlar uygulanabilir. [15]
Bu işlemde elyaf dağılımının düzensiz olduğu kalınlıktaki değişmeler nedeniyle düşük
kalitede parçalar üretilir. Ancak basit aletler kullanıldığından yatırım maliyeti düşük ve
genellikle prototip veya model gibi az sayıda parça üretimi istendiğinden tercih edilir.
Kullanılan elyaf hacim oranı da sınırlı olup yaklaşık %30 civarındadır. Ancak elyaf hacim
oranı ön gömülmüş elyaf kullanılarak artırılabilir. Bu durum malzeme özelliklerinin çok
önemli olduğu yerlerde tercih edilir. [15]
2.5.2. Püskürtme (spray-up)
Püskürtme prosesi el yatırma prosesi ile benzerdir. Reçine ile lifin, kalıp üzerine uygulanma
metodu farklıdır. El yatırma prosesi emek yogundur. Çünkü, takviye ve reçine malzeme
40
manuel olarak uygulanır. Püskürtme prosesinde ise, reçine ve takviye malzemeler, bir sprey
tabancası kullanılarak, saatte 1000 – 1800 libre ( 450 kg- 800 kg) kapasite ile uygulanır. Bu
proseste kesikli cam lifi ve reçine / katalizör kalıp üzerine biriktirilir. Tabanca es zamanlı
olarak filament lif seritlerini belirlenen uzunluklarda ( 20-40 mm) keser ve lifi reçine /
katalizör arasından kalıba sevk eder. Püskürtme prosesi, el yatırma prosesinden çok hızlıdır
ve daha ucuz bir seçenektir. Çünkü, cam lifinin pahalı olmayan bir formu olan seritlerden
faydalanmaktadır. Ürünün dayanımının çok önemli olmadıgı yerlerde, püskürtme metodu en
uygun seçenektir. Küvetler, yüzme havuzları, tekne gövdeleri, depolama tankları, kanal
ekipmanları, mobilya bilesenleri bu proses kullanılarak üretilen ürünlerin bazı ticari kullanım
alanlarıdır. Bu proses için takviye malzemesi, cam seritleridir. Gelistirilmis mekanik
özellikler için, kumas yüzey ve kesikli lif takviyeli yüzey kullanılır. En çok kullanılan
malzeme tipi E- camdır. Fakat, karbon ve Kevlar seritler de kullanılabilir. Kontinü seritler,
kumas ve çesitli öz materyaller gerektiginde elle yerlestirilebilmektedir. Bu prosesteki
takviye elemanının tüm parçanın agırlıgına oranı % 20 – 40 arasındadır. Püskürtme prosesi
için kullanılan en yaygın reçine sistemi, genel amaçlı polyester veya DCDP polyesterdir.
İzoftalik polyester ve vinil ester de bu proseste kullanılabilir. Reçine genellikle belirgin
miktarda dolgu içerir. En yaygın dolgular; kalsiyum karbonat ve alüminyum trihidrat
malzemelerdir. Dolgulu reçine sistemlerinde, dolgu malzemesi, bazı takviye elemanlarının
yerini alır. % 5 – 25 oranında dolgu kullanılır.[15]
Şekil 2. 21 Püskürtme yöntemi
Püskürtme prosesindeki islem basamakları, el yatırma prosesindekilere çok benzerdir. Bu
proseste kalıba önce bir çözücü ajan uygulanır. Daha sonra, bir kat jel tabaka uygulanır. Jel
tabaka 2 saat sertlesinceye kadar bekletilir. Jel tabaka sertlesince, lif reçine karısımını kalıp
yüzeyine biriktirmek için bir sprey tabancası kullanılır. Sprey tabancası gelen filament
41
seritleri (bir veya daha çok serit) belirlenen uzunluklarda ( 20-40 mm) keser ve lifi, reçine /
katalizör karısımına Sekil 2.22‟ de görüldügü gibi sevk eder. [15]
Şekil 2. 22 Küvet üretimi için robotlu püskürtme prosesi.Robot jel ile kesikli cam lifi [1]
Reçine / katalizör karıstırma tabanca içerisinde veya tabancanın hemen ön kısmında
gerçeklesebilir. Tabanca içerisinde saglanan karıstırma islemi, saglık açısından operatöre
verebilecegi zararları minimuma indirmek için tercih edilir. Diger sekilde, katalizör, reçineye
her iki tarafında bulunan düzeler ile püskürtülür. Hava kullanılmayan sprey tabancaları daha
yaygın hale gelmektedir. Çünkü, bunlar daha kontrollü bir sprey sevki ve daha az uçucu
partikül yayılımı saglarlar. Havasız sistemlerde, reçineyi özel düzelere vermek için hidrolik
basınç kullanılır. Özel düzeler reçine akısını küçük damlalara parçalar ve daha sonra takviye
ile doyurulmus hale gelir. [15]
Malzeme kalıp üzerine püskürtüldükten sonra, fırça ve silindir kullanarak hem sıkısmıs hava
uzaklastırılır, hem de liflerin iyi ıslatılması saglanır. Reçine oda sıcaklıgında kür edilir.
Reçinenin kür edilmesi, reçine türüne baglı olarak 2 – 4 saat alabilir. Kür isleminden sonra,
parça kalıptan çıkarılır.
Püskürtme prosesi yüksek ısı ve basınç ihtiyacı olmadıgından oldukça ekonomiktir. Parça
bazen oda sıcaklıgında veya bazen yüksek kapasiteli üretimler için fırınlarda kür edilir. Kür
islemi sırasında basınç uygulanmaz. [15]
42
2.5.3. Elyaf sarma (filament winding)
Filament sarım prosesi, reçine emdirilmis liflerin dönen bir mandrel üzerine istenen açıda
yatırıldıgı bir prosestir. Tipik filament sarım prosesi Sekil 2.23‟ de gösterilmektedir.
Şekil 2. 23 Filament sarım prosesinin sematik ve gerçek görünüsü
Dagıtım ünitesi ileri-geri hareket etmekte, mandrel ise belirli bir hızda dönmektedir. Dagıtım
ünitesinin ve mandrelin hızı kontrol edilerek istenen lif açısı olusturulur. Boru seklindeki
parçaların yapımı için çok uygun bir prosestir. Proses, yüksek hacimli ve ucuz üretim için
otomatize edilebilir.
Filament sarım yöntemi ile üretilen en yaygın ürünler; tüp seklindeki yapılar, basınç
hortumları, borular, roket motorlarının koruyucu kaplamaları, kimyasal depolama tankları,
roket fırlatma tüpleridir. Gelismis filament sarım makinelerinin tanınması ve CAD
(bilgisayar destekli tasarım) sistemlerinin ilavesi ile çok karmasık geometrilerin üretilmesi
mümkün olmustur ve geometrik sınırlamaların birçogunun üstesinden gelinmistir. [15]
Kavisli sekiller, birlestirme çubukları, siseler, oltalar, golf sopaları, basınç silindirleri,
tasıyıcı elemanlar, saftlar (endüstriyel ve otomotiv), benzin tüpleri, teleskobik (iç içe
geçmeli) direkler vs. günümüzde filament sarım kullanılarak üretilen ürünlerdir. Filament
sarılmıs cam lifi takviyeli plastik (CTP), su nakli boru sistemlerinde kullanılır. Bu, temiz ve
klavuzsuz boru sistemi olusturur. Filament sarılmıs boru, su hareketini saglamak için
gereken enerjiyi, demir ve beton borulara kıyasla, pürüzsüz iç yüzeyi sayesinde % 10 – 35
arasında azaltır. CTP borunun agırlıgı demir borunu agırlıgını 1/4‟ ü ve beton borunun 1/10‟
u kadardır. Bu özellik, boruların tasınmasında ve kurulmasında avantaj saglar. [15]
43
Genellikle, filament sarım için baslangıç malzemesi filament lifler (iplikler) ve sıvı termoset
reçinelerdir. _plikler arka askıda makara formunda bekletilir ve dagıtım ünitesindeki bir
reçine banyosu içerisinden geçirilir. Cam, karbon ve Kevlar lifleri filament sarım için
kullanılır. Cam lifleri ucuz oldugundan kullanımı en yaygın olan liflerdir. Epoksi, polyester
ve vinil ester reçineleri kullanılır. Polyester reçine ile cam lifi düsük maliyetli uygulamalar
için oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. [15]
Filament sarım için en yaygın ekipman çelik bir mandreldir. Çelik mandreller, hem kompozit
yapının iç yüzeyinde yüksek parlaklık özelligi saglamak, hem de mandrelin kolay hareket
etmesini saglamak için krom kaplıdırlar. Mandrel yapımında alüminyum da
kullanılmaktadır. Basınç hortumları gibi bazı uygulamalarda mandrel çıkarılmaz ve
kompozit yapının bir bileseni olarak kalır. Çıkarılmayan mandrel, kompozit iç yüzeyinde
geçirgen olmayan bir bariyer yüzey olusturur. Bu da, basınç hortumları içerisindeki basınçlı
gaz veya sıvıların sızıntısı önler. Genellikle metal ve termoplastik malzemelerbariyer yüzey
olarak kullanılır. [15]
Filament sargılı yapıların olusturulması için, bir mandrel filament sarım makinesinin önüne
Sekil 1.18‟ da görüldügü sekilde yerlestirilir. Filament sarım makinesi torna makinesine
benzer. Burada, bas ve son kısımdaki kabzalar, mandreli tutmak için kullanılır. Mandrel
döner ve dagıtım ünitesi, reçine emdirilmis lifleri mandrele belirli açıda yatırmak için
mandrel boyunca gidis gelis yapar. Kompozit malzeme pazarında, iki eksenliden, altı
eksenliye kadar degisen, çok çesitli bilgisayar kontrollü filament sarım makineleri
mevcuttur. [15]
Yas sarım sırasında, caglıklara, masura formunda yerlestirilen filamentler, tasıma ünitesinde
bulunan reçine banyosundan, daha sonra dagıtım gözünden mandrele dogru geçirilir. _yi bir
lif ıslanması saglamak için, lif demeti içerisinde kalan hava çıkarılmalı ve reçine ile yer
degistirilmelidir. _yi bir emdirme için birçok sey yapılmaktadır: seritler sabit gerilimde
tutulur, seritler rehber mandallardan geçirilir, reçine banyosunda bir sıyırıcı bıçak kullanılır.
[15]
Seritlerin gerilimi çok düsük olursa tabaka tam olarak sıkı paketlenemez ve tabaka üzerinde
asırı reçine bölgeleri olusturur. Gerilim çok yüksek ise, lif kopuslarına sebep olabilir veya iç
katmanlarda reçineden yoksun bölgeler olusturabilir. Sıyırıcı bıçak düzenlemesinin
kullanımı, asırı reçineyi sıyırır ve üniform reçine katmanı olusturur. İstenen sarımı elde
44
etmek için, makine operatörü, yazılımın ihtiyaçlarına baglı olarak; boru çapları, mandrel hızı,
basınç oranı, bant genisligi, lif açısı vs. gibi birçok parametre girer. [15]
Şekil 2. 24 Filament sarım isleminde sıyırıcı bıçak düzenlemesi
İstenen lif açı dagıtımı saglandıktan sonra, kompozit tabaka ile mandrel, bir kür bölgesine
tasınır. Burada, tabaka oda sıcaklıgında veya daha yüksek sıcaklıklarda kür edilir. Kalın
tabakalar için, sarımın bölümler halinde yapılması ve tabakanın, sarım islemleri arasında kür
islemine izin verilmesi önemlidir. Parça kür edildikten sonra, mandrel bir çıkarma elemanı
ile parçadan çıkarılır. Filament sarılmıs parçaların dıs yüzey kalitesi genellikle iyi degildir ve
yüzeyin ekstra isleme, zımparalama islemlerine tabi tutulması gereklidir. [15]
2.5.4 Reçine transfer kalıplama rtm / reçine enjeksiyonu
Reçine transfer kalıplama prosesi (RTM), sıvı transfer kalıplama yöntemi olarak ta bilinir.
Enjeksiyon kalıplama ve baskı kalıplama metotları yüksek kapasiteli üretim yöntemleri
olmaları nedeniyle popülarite kazanmıslardır. Bu proseslerle üretilen parçaların kullanımı
yapısal olmayan uygulamalarla sınırlıdır. Bu kalıplama proseslerinin aksine, RTM prosesi,
maliyet açısından verimli parçaların üretimini, düsük maliyetli ekipman kullanımıyla
basarmaktadır. RTM, lif yönlendirilmesi kontrol altında tutuldugu bir prosestir ve yaklasık
net sekilli parçaların üretimini saglar. [15]
45
Şekil 2. 25. Reçine transfer kalıplama
RTM prosesinde genellikle sürekli lifler kullanılır. Kalıp iki bölümden olusur. Birinci bölüm,
ikinci bölüm üzerine gelir ve iki kısım birlesir. Daha sonra dagıtım ekipmanları kullanılarak,
basınç altında tutulan termoset reçine, katalizör, renk, dolgu vs. karısımı tek yada çok port
kullanılarak kalıp içerisine basılır. Karısımın kür kinetigine baglı olarak, 6-30 dakika kür
edilir ve kalıptan çıkarılır. Bu nedenle, RTM prosesi yapısal parçaların her iki yüzeyinde de
iyi yüzey kalitesi saglar. [15]
RTM prosesi otomotiv, havacılık, spor malzemeleri ve tüketim malzemeleri üretiminde
kullanılabilir. Genellikle bu yöntemle; kasklar, kapılar, hokey sopası, bisiklet kasası, yel
degirmeni kanadı, spor araba kasası, otomobil panelleri ve uçak parçaları üretilmektedir.
RTM prosesinde, lif ön formları veya kumaslar takviye olarak kullanılabilir. Çok degisik
türde ön formlar (ısıl islemle sekillenebilen hasırlar, braiding ile olusturulmus yapılar) RTM
prosesinde kullanılabilir. [15]
RTM prosesinde polyester, vinil ester, epoksi, fenolik reçine ve pigment ve dolgularla
(alüminyum trihidrat ve kalsiyum karbonat) kombine edilmis metil metakrilat reçineleri
kullanılabilmektedir. RTM prosesinde en çok kullanılan reçine türü doymamıs polyester ve
epoksilerdir. Epoksi ve diger yüksek viskoziteli reçinelerin kullanımı ekipmanda
degisiklikler gerektirmektedir. Yeni gelistirilen epoksi reçineler hızlı kür edilebilmektedir.
Böylece üretim oranı artırılmaktadır. [15]
46
Şekil 2. 26. RTM prosesinin sematik gösterimi
RTM prosesinde bir ön form olan cam lifinden hasır malzeme veya kumas kalıptaki bosluga
Sekil 1.22.‟ deki gibi yerlestirilir. Genellikle balsa ve köpük özler, öz malzeme olarak
kullanılır. Ticari olarak elde edilebilen ve etrafında bir kaplayıcı örtü bulunan polipropilen
özler de kullanılmaktadır. Bu örtü reçinenin öz içerisine geçisini engellemektedir. Öz
malzeme kullanılması ile yapının hafif olması ve bir sandviç yapı olusturmak suretiyle
yapının güçlü olması saglanmaktadır. [15]
Takviye ve öz malzeme kalıp bosluguna konulduktan sonra kalıp kapatılır. Kapatılan kalıba
sıvı reçine düsük yada orta basınçta kalıp bosluguna basılır. Reçine enjeksiyon basıncı;
reçine viskozitesi, kalıp büyüklügü, bosluklu yapının geçirgenligi, gerekli kalıp dolum süresi
ve reçinenin kür kinetiklerine baglı olarak 69-690 kPa arasında degisir. Reçine ve katalizör
farklı tanklarda depolanmaktadır ve statik bir karıstırıcıdan geçerek kalıba enjekte
edilmektedir. Enjeksiyon islemi asagıdan yukarıya dogru yapılır. Bu tercih, sıkısan havanın
minimuma indirilmesi için gereklidir. Kalıp üst kısmında hava menfezleri bulunmaktadır.
[15]
RTM prosesinde, reçine akısı ve lif ıslanması kritiktir. RTM kalıbı içerisindeki reçine akısı
birçok parametre tarafından belirlenir. Bunlar: enjeksiyon basıncı, kalıptaki vakum, reçine
sıcaklıgı, viskozite ve ön formun geçirgenligi seklinde belirtilmektedir. Ön formun
geçirgenligi lif türüne, lif yapısına, lif hacimsel oranına vs. baglıdır.
RTM prosesinde olusabilecek kuru noktalar (uygun olmayan ıslatmadan kaynaklanan) en
büyük sorundur. Düzgün bir reçine akısı ve kuru noktaları elemine etmek için, kalıptaki hava
kanallarından vakum uygulanarak takviye elemanlarındaki hava çıkarılmaktadır. Vakum
47
aynı zamanda kalıbın hızlı dolmasını da saglamaktadır. Kalıbın dolması çapraz baglanmanın
baslangıcının hemen öncesinde bitmektedir. Kalıp reçine ile dolduktan sonra, hızlı bir kür ve
ardından kalıptan çıkarma islemi gerçeklesir. [15]
2.5.5. Profil çekme / pultruzyon (pultrusion)
Profil çekme prosesi düsük maliyetli, yüksek üretim kapasiteli bir prosestir. Bu proseste,
reçine emdirilmis lifler, parça üretimi için bir kalıba gönderilir. Profil çekme prosesiyle sabit
kesit ve kontinü uzunlukta parçalar üretilir.
Profil çekme; basit, düsük maliyetli, sürekli ve otomatik bir prosestir. Sekil 1.20.‟ de reçine
emdirilmis ipliklerin, ısıtılmıs bir kalıba sabit hızda gönderildigi tipik bir profil çekme
prosesi gösterilmektedir. [15]
Şekil 2. 27. Profil çekme prosesinin gösterimi
Malzeme, ısıtılmıs kalıp içerisinden geçirildiginde kısmen veya tamamen kür edilmis olur.
Profil çekme prosesi ile elde edilen parçalar düzgündür ve genellikle ard islem gerektirmez.
Profil çekme yaygın olarak, sabit kesitli katı ve bosluklu yapıların üretiminde kullanılır.
Aynı zamanda, özel uygulamalar için temel sekillendirilmesi yapılmıs parçaların üretiminde
kullanılır.
En yaygın uygulamaları; kirisler, kanallar, tüpler, ızgara sistemleri, zemin ve ekipman
destekleri, yürüyüs yolları ve köprüler, tırabzan, merdiven, hafif direkler, elektrikli
çevirmeler gibi alanlardır. Profil çekme ile olusturulan sekiller altyapı, otomotiv, ticari ve
diger endüstriyel sektörlerde kullanılır.
48
Sekil 2.28.‟ de cam lifli ızgara sistemi görülmektedir. Izgara sistemleri hafif, uzun süre
dayanımı olan sistemlerdir ve kolay montaj imkanı saglar. [15]
Profil çekme genellikle es yönlü lifler içeren parçaların üretiminde kullanılır. E–cam, S-cam,
karbon ve aramid lifleri takviye elemanı olarak kullanılır. En çok kullanılan takviye tipi E-
cam fitillerdir. Kumaslar ve hasırlar da çift yönlü ve çok yönlü dayanım özellikleri saglamak
için kullanılabilirler. [15]
Şekil 2. 28. Profil çekme yöntemi ile üretilmis parçalar kullanarak üretilen cam lifi ızgara
Doymamıs polyester, profil çekme prosesi için en yaygın olarak kullanılan reçine
malzemesidir. Profil çekme kolay islemenin yanında çok iyi performans / fiyat oranı
sunmaktadır. Vinil ester ve epoksiler gelismis özellikleri için kullanılabilirler. Ancak, bu
reçinelerin islenmesi zorlasmıstır. Ayrıca, bu reçinelerle çalısırken kullanılan çekme hızları,
reçine aktivitesinin düsük olması nedeniyle daha yavastır.
Çesitli tiplerdeki dolgular; izolasyon karakteristiklerini, kimyasal dayanıklılık, alev dayanımı
gibi özellikleri gelistirmek ve toplam maliyeti azaltmak amaçlarıyla polyester reçine
içerisine katılır. Kalsiyum karbonat, maliyeti azaltmak için ilave edilir. Kalsiyum karbonat
oldukça ucuz bir malzemedir ve SMC bilesenlerinde temel dolgudur. Parçanın opaklıgını
49
artırır. Alüminyum trihidrat ve antimon trioksit alev geciktirici olarak kullanılır. Alüminyum
silikat (kaolin kil) izolasyon, opaklık, yüzey finis özelligi ve kimyasal dayanımı artırır. [15]
Profil çekme prosesinde, reçine emdirilmis liflerin, istenilen sekle dönüstürülmesi için çelik
kalıplar kullanılır. Kalıpların kesitleri, uzunlukları boyunca sabittir. Kalıplar belirli bir
sıcaklıga kadar, reçinenin kısmen veya tamamen kür edilmesi için ısıtılırlar.
Profil çekme prosesi kullanarak kompozit parça yapmak için, fitil makaraları, filament sarım
prosesinde oldugu gibi caglıga yerlestirilir. Daha sonra takviye elemanları bir reçine banyosu
içerisinden geçirilerek, liflere reçine emdirilir.
Kuru liflerin asındırıcı yapısı nedeniyle, genellikle seramik rehberler kullanılır. Bu nedenle
emdirilmis takviye elemanları ısıtılmıs bir kalıp içerisinden geçirilir. Kalıp, hafif daralan bir
girise sahiptir. Reçine ısıtılmıs kalıp içerisinden geçerken kür edilir. Kalıbın uzunlugu;
reçinenin aktivitesine, parça kalınlıgına ve üretim miktarı gereksinimlerine baglıdır. Reçine
aktivitesi ne kadar fazla ise, kalıp uzunlugu gereksinimi o kadar az olmaktadır. [15]
Profil çekme düsük maliyetli kompozit parça üretimini, prosesin otomatiklestirilmesi ve lif-
reçine maliyetlerinin prepreg ve kumasa kıyasla daha az olmasıyla saglar. Profil çekme
sürekli bir proses oldugundan, istenen uzunlukta parça üretilebilmektedir. Parçalar daha
sonra belirlenen uzunluklarda, bir bıçkı veya demir testere ile kesilirler.
2.5.6. Hazır kalıplama / compression 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.[16]
Hazır kalıplama yönteminde kullanılan bileşimler içeriklerine göre çeşitlilik göstermekle
beraber en çok iki tür hazır kalıplama bileşimi kullanılmaktadır. [16]
50
2.5.7. Hazır kalıplama pestili / smc (sheet 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 1m
genişliğinde ve 3mm. kalınlığında üretilir. [16]
2.5.8. Hazır kalıplama hamuru / bmc (bulk moulding composites)
BMC takviye malzemesi olarak kırpılmış lif ve dolgu malzemesi içeren bir reçinenin
önceden birleştirilmesi ile oluşan hamur biçiminde malzemedir. [16]
Hazır kalıplama bileşimlerinin avantajları;
· Çok geniş tasarım esnekliği
· Düzgün yüzey
· Kolayca laklanabilme, boyanabilme ve kalıp içinde yüzeyin kaplanabilmesi
· Geri dönüştürülebilme ve hazırlığında geri dönüşümlü 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 bos 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. [16]
2.5.9. Vakum bonding / vakum bagging
Kompozit malzeme (genellikle geniş sandviç yapılar) önce bir kalıba yerleştirilir, ardından
bir vakum torbası en üst katman olarak yerleştirilir. İçerideki havanın emilmesiyle vakum
51
torbası, yatırılan malzemenin üzerine 1 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. [16]
Şekil 2. 29. Vakum Bagging
2.5.10. 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 isi ve basınca uygulayarak
sağlanabilir. Vakum bagging yöntemindeki gibi sızdırmaz bir torba ile elyaf/reçine
yatırmasına basınç uygulanabilir. Fakat 1 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 metot, dışarıdan
sıkıştırılmış gazin kompozit malzemenin içinde bulunduğu kaba verilmesidir. [16]
52
Şekil 2. 30 Otoklav
Otoklav kesin basıncın, ısının ve emişin kontrol edilebildiği basınçlı bir kaptır. Vacum
bagging yöntemi ile benzerdir. Fırın yerine bir otoklav kullanılır. Böylece özel amaçlar için
yüksek kalitede kompozit üretebilmek için kür şartları tam olarak kontrol edilebilir. Bu
yöntem diğerlerine oranla daha uzun sürede uygulanır ve daha pahalıdır. [16]
2.6. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları
Kompozit malzemeler çok geniş bir yelpaze oluşturduğundan bu bölümde kompozit
malzemelerin makine mühendisliği açısından kullanım alanları incelenecektir.[17]
2.6.1. Otomotiv Sanayiinde Kompozit Malzeme Kullanımı
Otomobilin ağırlığını azaltmak; yakıt tüketiminde hatırı sayılır tasarruflara yol açtığından,
otomobil üreticileri ağırlığı azaltacak yeni malzeme arayışlarına girmiş bulunuyorlar. Buna
ilaveten petrol yakıtlarına alternatif olarak geliştirilmeye çalışılan elektrikli arabaların
motorları nispeten daha az güç ürettiğinden, arabanın ağırlığı fevkalade ehemmiyet kazanır.
53
Kompozit malzemeler, katılığın özgül ağırlığa oranı bakımından çelik ve alüminyum ile
karşılaştırıldığında, bu değer birkaç kat daha fazla olabilmektedir. Bu sebeple kompozit
malzemeler ağırlık azaltmada en önemli adaylardandır. [17]
Kompozit malzemeler arasında en yaygın olarak polimer matrisli kompozitler
kullanılmaktadır. Plastik matrisli olmalarına rağmen metaller kadar emniyetli tasarımları
mümkündür. Ön kısmı cam elyaf takviyeli polimer kompozitten yapılmış bir araba 35
mil/saat çarpma testini geçmiş bulunuyor. Çarpışmalarda çelik kadar güvenlik sağladığı gibi,
polimer kompozitler titreşim kontrolü gibi özellikleriyle de daha üstün performans
göstermeye adaydır. [17]
Polimer kompozitler matrisi, termoset veya termoplastik olmak üzere ikiye ayrılır.
Termoplastik polimerler (naylon gibi), uzun molekül zincirlerinden oluşur. Yüksek
sıcaklıklarda bu zincirlerin birbirleri üzerinde kaymaları sonucu, termoplastikler eriyebilme
özelliğine sahiptirler. Termosetler ise umumiyetle başlangıçta monomerlerden veya kısa
zincirlerden oluşan sıvı bir halde bulunur. Yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında, bunların
aralarında karşılıklı bağların oluşmasıyla büyük bir moleküle dönüşerek katılaşırlar.
Đyileştirme denen bu işlemden sonra artık polimerin erimesi söz konusu olmaz. Termoset ve
termoplastik polimerlerin mikro yapılarındaki bu farklılık; mekanik özelliklerine, imalat
tekniklerine ve yeniden dönüşüm imkanlarına da yansır. Termoplastikler molekül
zincirlerinin hareket kabiliyetinden dolayı termosetlere göre daha az kırılgandır. Mukavemet
ve katılık gibi kompozitin mekanik özelliklerini ağırlıklı olarak elyaf takviyesi
belirlediğinden, polimer matrisinin bu gibi özellikleri çok önemli değildir. Đmalat yöntemine
gelince, termoplastikler yüksek sıcaklıklarda eritilerek şekil verilir, sonra soğutularak katı
haline getirilir. Ancak imalatındaki en büyük zorluk, eriyik halde bile viskozitesi çok yüksek
olduğundan elyafla karıştırılması çok zordur. Viskozitesini düşürmek için daha yüksek
sıcaklıklara çıkarıldığında ise polimer ayrışır ve bozulur. Termosetler ise yaygın olarak
içinde örülü elyaf bulunan bir kalıba sıvı olarak aktarılır, sonra sıcaklık artırılarak iyileştirme
işlemi yapılır. Bu işlemden sonra şekil vermek mümkün olmadığından termosetlerin yeniden
dönüşüm imkanı yoktur. Ayrıca bu iyileştirme işlemi kimyasal bir süreç olduğundan, imalat
süresini uzatmaktadır. Bazı otomotiv uygulamalarında iyileştirme işlemi 5-10 dakikaya
kadar inmişse de çelik veya termoplastiğin işlenmesine nazaran bu süre uzundur. [17]
Otomotiv sanayiinde şu ana kadar termosetler, termoplastiklere nazaran daha fazla kullanım
54
alanı bulmuştur. Otomobil gövdelerinde termoset kullanımı yaygın olmakla birlikte,
termoplastiklere rağbet görülmeye başlandı. Golf A4 ve POLO A03 dahil olmak üzere bütün
yeni VW arabalarının ön kısımları cam elyaf örgütlü termoplastik tabakalardan yapılmıştır.
[17]
Son zamanlarda giriş manifoldları ekseriyetle alüminyumdan imal edilmektedir. Fakat bu
parçaların şekilleri daha karmaşık hale geldikçe ve tek kalıpla üretilen cam elyaf takviyeli
termoplastikler ağırlıktan tasarruflar sağladıkça, termoplastikler tasarımcılara cazip gelmeye
başladı. Ford Mondeo'nun 4 silindirli 16 valflı motorunun giriş manifoldu cam elyaf katkılı
PA'dan imal edilmiştir. Chevrolet giriş manifollarında cam elyaf katkılı naylon
kullanmaktadır. Plastik ağırlıktan tasarruf sağladığı gibi motorun performansını da
artırmıştır. Giriş manifoldlarının iç yüzeyi son derece pürüzsüz olmalıdır. Aksi takdirde
oluşacak türbülans, motorun verimliliğini azaltır. Düzgün yüzeyleriyle plastik manifoldlar
alüminyumla yapılanlara göre motorun verimini %5 kadar artırabilmektedir. Malzemenin
düşük ısı iletkenliği; manifold içindeki havanın motorun sıcaklığından daha iyi yalıtılmasına
yol açmakta; manifoldun havayı daha yoğun olarak tutmasıyla, yanma daha randımanlı
gerçekleşmektedir. Plastik titremeyi azalttığından motorun gürültüsü azalmaktadır. Avrupalı
motor üreticisi PSA da Peogeot 406 vet 605, Citroen Xantia ve XM modellerinde
kullanılmakta olan motorun giriş manifoldunda naylon kullanarak benzer faydaları elde
etmektedir. [17]
Alüminyumdan Naylon 46'ya geçmekle PSA manifoldun ağırlığım %50, imalat maliyetini
%20, 30 azaltabilmiş, döküm sonrası işlemeyi ortadan kaldırabilmiştir.
Chrysler gibi otomobil üreticileri de valf kapaklarını termoset kompozitlerinden yaparak
maliyetleri %15-20 indirebilmişlerdir. Plastik kompozitlerin önemli bir potansiyel uygulama
alanı ön koltukların monte edildiği çatıdır. Kompozitlerin fanlarda da kullanımı görülmeye
başlanmıştır. [17]
Plastik kompozitlere ilaveten, mühendisler matrisi metal olan kompozitleri de ciddi olarak
düşünmeye başlamışlardır. GM elektrikli taşıtının çatısında metal matrisli Boralyn
kompozitini kullanmaktadır. Boralyn'in katılığının özgül ağırlığa oranı, çelik ve
alüminyumunkinin 1.5 katıdır, yoğunluğu ise alüminyumun yoğunluğuna yakındır. [17]
55
Bütün avantajlarına rağmen kompozitlerin otomotiv sanayiinde yoğun olarak kullanılmasının
önündeki iki önemli engel vardır. Birincisi, kompozit parçaların hala çelikten daha maliyetli
olmalarıdır. Đmalatı çelik gibi yüksek basınç gerektirmediğinden, plastik kompozitleri işleyen
makinalar daha hafiftir ve dolayısıyla ilk yatırım maliyeti daha düşüktür. Fakat malzemenin
maliyetinin fazla olması ve imalat sürecinin nispeten emek yoğun olması toplam maliyeti
arttırmaktadır. Ancak ileride imalat teknolojisinde olabilecek yeniliklerle ve kompozit
malzemelerin daha yoğun kullanımının getireceği malzeme maliyetlerindeki düşüşle,
kompozit parçaların daha ucuza imal edilebileceği beklenmektedir. Şu anda bir çok büyük
ölçekli araştırma projelerinde daha verimli imalat teknolojilerinin geliştirilmesi için
çalışılmaktadır. [17]
Kompozitlerin sanayii de yoğun olarak kullanılmasının önündeki ikinci önemli engel,
kompozitlerin tasarımı ve imalatı konusunda tecrübeli ve bilgili mühendis ve teknisyen
sayısının yetersizliğidir. Bununla birlikte, bu engellerin zamanla aşılacağı ve kompozit
malzemelerin üstün özelliklerinden otomotiv sanayiinde daha çok faydalanılacağı
öngörülmektedir. [17]
2.6.2. Uçak Yapılarında Koımpozit Malzeme Kullanımı
Havacılıkta son yıllarda yapılan temel bir atılım metal malzeme yerine kompozit malzeme
kullanımı konusudur. Uçak yapılarında kullanılan ileri kompozitler, elyaf takviyeli
kompozitlerdir. Genellikle epoksi matris içinde sürekli elyaflar kullanılmaktadır.
Uçak yapılarında alüminyum alaşımları gibi konvansiyonel malzemelerin yerini alan
kompozit malzemeler, düşük ağırlığa oranla yüksek mukaveket özelliğine sahiptirler.
Çizelge 4.1'de uçak tasarımında kullanılan kimi metal ulaşımları ile kompozit yapıların
mekanik özellikleri verilmiştir. Uçak yapısı için malzeme seçiminde önemli bir kriter
olan mekanik özelliğin yoğunluğa oranı ile ifade edilen, özgül mekanik özellik değerleri
karşılaştırıldığında bor/epoksi ve karbon/epoksi kompozitlerin konvensiyonel
malzemelerden önemli farklarla üstün oldukları görülmektedir. [17]
Düşük yoğunluğa sahip kompozit yapıların uçak tasarımında kullanılması ile metal
yapıya oranla ağırlık kazancı sağlanmıştır. Şekil 4.1'de gelişen teknoloji ile birlikte, uçak
56
tasarımında kompozit malzeme kullanımındaki artış verilmektedir[17]
Tablo 2. 3. Uçak malzemelerinin mekanik özellikleri
57
Şekil 2. 31 Uçak malzemelerinin kullanım oranlarının yıllara göre değişimi
Uçak tasarımında ilk olarak kullanılan kompozitler cam elyaf kompozitlerdir. 1944'lerde
"Vultee BT-15" eğitim uçaklarında gövdenin arka kısmında kaplama malzemesi olarak cam
elyaf reçineli kompozit plakalar ağaç çekirdeğin yüzeylerine yapıştırılarak sandviç paneller
şeklinde kullanılmıştır
Cam elyaflı kompozitler, mukavemetlerinin ağırlıklarına oranı metallerden yüksek olmasına
rağmen ana yapı elemanlarında kullanılmamaktadır. Bunun nedeni ise sertliklerinin ağırlığa
58
oranının düşük oluşudur ve bu oran yüksek hız uçaklarında oldukça büyük bir önem
taşımaktadır. [17]
Kompozit yapıların uçak tasarımındaki yaygın kullanımı 1960'larda başlamıştır (A.B.D'de
bor elyaflar, İngiltere'de ise grafit elyaflar). A.B.D'de 1970'lerde bor/epoksi kompozitler F-
111'lerin yatay kuyruklarında ve F-4'lerin istikamet dümeninde kullanılmışlardır (Grimes,
1976). Bor/epoksi kompozitler yüksek performanslı askeri uçakların dizaynında
kullanılmışlar ve başarılı olmuşlardır. Bu kullanıma örnek olarak F-14'lerin yatay kuyruk
yüzey kaplaması ve F-15'lerin yatay ve dikey kuyrukları verilebilir. [17]
İngiltere'de grafit epoksinin gelişimi çok yavaş olmuştur. Strikemaster'ler için istikamet
dümeni gibi küçük parçalar üretilmiştir ve Jaguar'ların aerodinamik frenlerinin yapımında
kullanılmıştır (Lenoe, et al., 1973). 1970'lerin ortalarında A.B.D bor/epoksi'den grafit/
epoksi'ye geçmiştir. Bunun en önemli nedeni maliyet problemidir. 1979/da uçak yapımcıları
tarafından "prepreg" adı altında üretilen grafit/epoksi malzemenin maliyeti 40 $/lb iken
bor/epoksi'nin maliyeti 180 $/lb'dir (Hoskin and Baker, I9S6). A.B.D'de bu geçiş askeri
uçaklarda hızlı olmuştur. F-16'larda grafit/epoksi yatay ve dikey kuyruk yüzeyleri
kaplamasında ve kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır ve yapısal ağırlığın %3'ünü
oluşturmaktadır (Phillips, 1987). Grafit/epoksi kompozitlerin F-18' lerde kullanımı ise
yapısal ağırlığın %10'unu, toplam alanın ise %50'sini oluşturmaktadır. [17]
AV-8B uçaklarında ise tüm kanat kaplaması ve yapısal elemanlar grafit/epoksidir. Aynı
zamanda yatay kuyruk yüzeylerinde gövdenin ön kısımlarında ve çeşitli kumanda
yüzeylerinde kullanılarak ağırlıktan % 26'lık bir kazanç sağlanmıştır. [17]
Avrupa'da üretilen askeri uçaklar ele alındığında, Đtalyan-Đngiltere-Almanya yapımı
Tornado uçaklarında grafıt/epoksi yatay kuyruk kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır
(Schwartz, 1984). Fransa yapımı Mirage 2000'lerde ise bor-grafıt/epoksi karma kompozitler
kanat kumanda yüzeylerinde ve düşey kuyrukta kullanılmıştır. [17]
Gelişmiş kompozitlerin sivil uçaklardaki uygulaması askeri uçaklardan daha sonra
gerçekleştirilmiştir. Ancak bu konuya ilgi hızla artmaktadır. Grafıt/epoksi
kompozitlerin sivil yolcu uçaklarındaki ilk uygulamaları Boeing 727'lerin gövde
kaplamasında gerçekleştirilmiş ve %14 ağırlık kazancı sağlanmıştır. Boeing 737'lerin
59
aerodinamik frenleri grafit epoksi kompozitten üretilmiştir ve 1981'den itibaren 22000
uçuş saatlik kullanımları esnasında önemli bir problemle karşılaşılmamıştır. Bu
uçaklarda kompozit kullanımıyla %15'lik bir ağırlık kazancı sağlanmıştır. [17]
Uçak tasarımında ağırlık kazancı önemli miktarda yakıt kazancıda sağladığından
NASA'nın Uçak Enerji Verimliliği programları çerçevesinde uçak yapısı için
Uompozit malzeme geliştirimine gidilmiştir. 1980'lerde sadece ikinci dereceden
yapısal elemanlarda kompozit kullanılırken, 1985'lerde birinci dereceden temel
yapısal elemanlar için kullanılmaya başlanmıştır (Dexter, 1980). Çizelge 4.2'de
kompozit malzeme kullanımı ile konvensiyonel malzemelere oranla elde edilen ağırlık
kazançları verilmektedir. Bu kazançların %11 ile %44 arasında değiştiği
görülmektedir. 1980'lerde Boeing 757 ve 767'lerde kuyruk grubunda, kumanda
yüzeylerinde, kanatçıklarda ve flaplarda grafıt/epoksi kullanılmıştır. [17]
Tablo 2. 4. İleri kompozitlerle uçak elemanı bazında sağlanan ağırlık kazançları
Bir başka gelişmiş kompozit tipi ise Kevlar (aramid)/epoksidir. Uçak yapısında oldukça
yaygın bir kullanımı söz konusudur. Özellikle karma kevlar-grafit/epoksi yapılar
kullanılmaktadır. Boeing 767'lerde bu karma yapı motor kaplaması ve kanat hücum kenarı
60
yapılarında kullanılın ıştır (Dexter, 1980). Kevların düşük basma mukavemeti bu karma
yapılarda ortadan kaldırılmıştır. [17]
Küçük bir yolcu uçağı olan Lear Fan 2100'de grafit/epoksi ağırlıklı olmak üzere tüm yapı
kompozittir. İki kişilik "Rutan Voyager" ise durmaksızın dünyanın çevresini dolaşan bir
uçaktır ve karbon/polyester ağırlıklı olmak üzere, tamamen kompozitten imal edilmiştir. [17]
Lockheed-California tarafından üretilen L-1011 yolcu uçaklarında kanatçık yapısı
alüminyum alaşımı yerine kompozit malzemeden üretilerek %26.3'l (lk bir ağırlık kazancı
sağlanmıştır. Maliyette ise önemli bir artış kaydedilmemiştir. [17]
Aerospatiale yapımı süpersonik yolcu uçağı Concorde'da grafityepoksi kompozit, iniş takımı
kapaklarında kullanılmıştır. Airbus A300 yolcu uçağında grafit/epoksi kompozitler istikamet
dümeni, aerodinamik fren ve kanat hücum kenarında kullanılmıştır. Aynı uçağın kanat firar
kenarı ve irtifa dümeni kevlar/epoksi kompozitten üretilmiştir. A320'lerde bu kısımlara ek
olarak radar konisi, motor kaplaması ve tüm kuyruk grubu grafit/epoksi kompozitten
üretilmiştir. [17]
Sürekli elyaf takviyeli kompozitleriıı uçak tasarımında geniş bir kullanım alanı söz
konusudur. Verilen tüm örneklerden görüldüğü gibi bor/epoksi, grafit/epoksi ve
kevlar/epoksi uçak yapısında kullanılan en önemli kompozitlerdir. [17]
2.6.3. Kompozitlerin Basınçlı Gaz Kabında Kullanımları
Basınçlı gaz kapları konusunda, değişik malzemeler ile çok sayıda alternatif çözüm
bulunmaktadır. (Örneğin çelik, alüminyum, cam elyaf takviyeli plastikler gibi.) Đstenen
yüksek emniyet faktöründen dolayı bu tür basınçlı kapların ağırlıkları genel olarak çok
farklıdır. Daha önceden sıkıştırılmış gazlar için hafif basınç kapları geliştirilmeye
başlanmıştır.bu kapların;
■ Gaz ile çalışan otobüs ve kamyonlarda
■ Hidroj en, Helyum gibi sıkıştırılmış sanayi gazı taşıyan treylerde.
kullanılması ön görülmektedir.
61
Bu kaplar aynı büyüklükteki bütünü ile çelik olan kaplara göre çok daha hafif olup, bu
hafiflik kompozit malzeme ile sağlanmıştır. Cam elyafla kaplanmış alüminyum gövde gibi.
Bu kombinasyon alüminyum ve cam elyafın optimum malzeme özelliklerinin kullanılmasına
imkan vermektedir. Bu kapların avantajları şu şekilde gösterilebilir. [17]
-Gaz ile çalışan otobüs ve kamyonların şase ağırlığı azaltılır. Şase ağırlığı / cam
elyaflı kaplar ile %35 oranında azalmaktadır.
-Bu şekildeki gaz tankeri, çelik gövdeli bir tankere oranla yaklaşık 2 kat daha fazla
gaz taşıyabilmektedir.
Bu kaplar yüksek işletme performansı sağlayan kaliteli ürünlerdir. Bu kapların pazara
sürülmesi ile ucuz doğal gazın kullanımı artacak aynı zamanda sıvı yakıtlı motorların sebep
olduğu hava kirliliği azalacaktır. [17]
2.6.4. Denizcilik Sanayi Uygulamaları
• Yelkenli Gövdesi; CTP, Balsa ve polimer köpük üstüne cam, aramid karbon dokumaları ile
kaplanması
• Yat, Tekne Arkası Platform
• Basamaklar; CTP
• Yelken Direği; Kevlar+Epoksi Spor Araçları[18]
2.6.5. Spor Uygulamaları
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 yorgünlüğü 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.
62
• Su kayağı; Termoplastik 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 1kg ağırlığında
• Reebook Spor Ayakkabı; termoplastik poliüretan, petek (honeycomb)
• Golf Sopası; Karbon Fiber+Epoksi
• Tenis Raketi; Aramid (Kevlar)+Epoksi
• Zıpkın Gövdesi; Karbon Fiber+Epoksi
• Palet; Karbon Fiber+Epoksi [18]
2.6.6.Korozyona Dayanıklı Uygulamalar
• 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 [18]
2.6.7.Sağlık Uygulamaları
• Tekerlekli sandalye; Cam veya Karbon Elyaf takviyeli Polyester
• Tıbbi Tetkik Cihazları Dış Muhafazaları; CTP [18]
2.6.8.Ulaşım
• Traktör Kaporta
• Kabin
63
• Oturma Birimi; SMC
• Toplu Taşıma Araçları Oturma Birimi; SMC
• Konteyner Tabanı; GMT
• Otobüs Havalandırma Kanalları
• Port Bagaj Parçaları
• Gösterge Paneli; CTP [18]
• Açık Alan Servis (Golf Arabası) araçları kaporta, tavan; CTP
• Teleferik; CTP, Maçka teleferiği
• Tren; Kompozit prepreg ve dokuma malzemeler türleri artan oranlarda tren
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 gelmaktedir ki böylece yolcu taşıma bölümü ayrılan mekan
artırılabilmektedir. Tren konstruksiyonunda kolay ve hzılı değişebilen genellikle prepreg
levhalar kullanılır. Böylece tekil zarar gören paneller hızla değiştirilebilmektedir. [18]
2.6.9. Formula 1 Arabaları
Formula 1 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 ikiye katlanabilmektedir. Ayrıca karmaşık parçaların kompozit malzemelerle
üretilebilmesi F1 otomobillerin üretiminde gerekli parça sayısı azaltılabilmektedir.
Alümninyumla 200‟den fazla parçayla üretilen gövde ve saşe beş parçaya düşürülmüştür.
64
Şekil 2. 32. Formula 1 aracının monokok şasesi
Kompozit malzemeler metal çivatalar gibi bağlantı parçaları ile birleştirilmek yerine epoksi
reçimesi ile birbirlerine bağlanmaktadır. F1 arabalarında aşağıda belirtilenlerle beraber
birçok parça kompozit malzeme kullanılmaktadır.
• Motor kaplaması
• Burun kapağı
• Ön ve arka kanatlar, spoiler
• Ana gövde, Mühendislik
• Elektrik dağıtım Panoları; CTP
2.6.10.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. [18]
• Keman; Karbon Fiber+Epoksi
• Gitar; Karbon lamine tabakalar arası polimer köpük
• Akustik Gitar; Grafit-Epoksi
• Çello; Karbon + Epoksi[18]
65
3.Deneysel çalışmalar
3.1.Numuneleri Üretimi
Numunler sahil güvenlik botları üreten Yonca-Onuk Tersanesin‟de üretildi. Numuneler el
yatırması metodu ile üretildi. Kalıp olarak parlak yüzeye sahip MDF ve cam kullanıldı, önce
kalıp yüzeyi temiz bir bezle silindi. Yeteri kadar temizlenen kalıp yüzeyine temiz bir bez ile
Poliya Polivak uygulanır ve 15 dakika beklenir. Ardından tekrar Poliya Polivak uygulanır ve
birkaç defa temiz bir bez ile silinir. 15-20 dakika kuruması beklendikten sonra kalıp yüzeyi
tekrar silinir ve bir sonraki uygulama olan sıvı kalıp ayırıcı uygulamasına geçilir. Sıvı kalıp
ayırıcı olarak Poliya Sıvı PVA kullanıldı. Kalıp yüzeyinin bu aşamada tozlanmamasına özen
gösterilir. Ve temiz bir sünger ile sıvı kalıp ayırıcı yüzeye eşit miktarda ve ince bir şekilde
uygulanır. Uygulama sırasında kalıp yüzeyinin tozlanmaması ve yüzeye dokunulmaması çok
önemlidir. Dokunulması halinde yüzeydeki kalıp ayırıcı film kalkar ve kalıptan ürün
ayrılırken ürünün kalıba yapışmasına neden olur. İlk kat sıvı kalıp ayırıcıdan sonra 15-20
dakika beklenir ve kuruduğundan emin olunduktan sonra 2. kat sıvı kalıp ayırıcı uygulanır.
Daha hızlı kuruması için hava yada sıcak hava makinası tutulabilir. Burda dikkat edilmesi
gereken kalıba çok yakın tutmamaktır. Çünkü çok yakın tuttuğumuz takdirdekalıp ayırıcı
filmi kaldırabilir. 2. kat sıvı kalıp ayırıcıda uygulandıktan 30 dakika sonra kalıp ürün almak
için hazırdır.
Numunelerde Poliye Polipol vinilester reçine ve 600gr/m2
twill dokuma karbon fiber
kullandık. 1,2,3 ve 4 kat elyaf tabakasına sahip 4 farklı numune için 4 farklı plaka üretildi.
Yüzeye yatırılan karbon fiberin üstüne fırça yardımı ile reçine uygulandı. Reçine ile çalışma
sırasındaki ortam sıcaklığı çok önemlidir. Kaliteye önem veren tesisler iklimlendirme
sistemleri ile ortam sıcaklığını sabit tutmaktadırlar. 23 C ile 25 C arası idealdir. Çalışma
ortamının sıcaklığı kürleşme zamanını etkiler ve sağlıklı bir kürleşme için bu sıcaklıklarda
çalışmak önemlidir. Plakaların üretimine başladığımız zaman vinilester reçineye dondurucu
ve hızlandırıcı olarak kobalt ve Mek-p eklendi. %6lık kobalttan reçine miktarının %0.2 si
kadar karıştırıldı. Reçine miktarının %2 si kadarda Mek-p ekledik. Bu sırada Kobalt ve Mek-
p in reçine dışından bir ortamda karışmaması gerekir, zira bu 2 madde birbiri ile karışınca
patlayabilmektedir ve çok tehlikelidir. Reçineye gerekli katkılar yapıldıktan sonra homojen
olacak şekilde karıştırılır. Karışımın homojen olması önemlidir. Homojen hale getirdikten
sonra işleme başlamak için hazırız. Rulo bir aparat sayesinde plakaların üstünden geçildi ve
66
hava kabarcıklarının azalması sağlandı. Bu aşamada işcilik kalitesi üretilen numunenin
kalitesi ile doğru orantılıdır. Çünkü el yatırması işleminin standartizasyonu imkansıza
yakındır ve işçilik kalitesi ürünün kalitesi ile çok ilgilidir. Yonca-Onuk Tersanesi bu açıdan
ülkemizde olduğu kadar dünyadada adından söz ettiren bir ileri kompozit
uygulayıcısıdır.[19]
Şekil 3. 1. Kullanılan malzemeler
Kalıp yüzeyine serilen elyafa fırça ile reçine tatbik edildikten sonra üstüne düzgün bir yüzey
sağlaması açısından peel ply denen sarf malzeme uygulanır. Bu malzeme plakalar kürleştikte
sonra sökülür ve plakaların yüzeyi zımparalanmış gibi düzgün olur. Eğer plakalar 1 den fazla
kat içeriyor ise ilk katın üstüne gerekli miktarda kat oluncaya kadar aynı işlem uygulanır ve
en son üstüne peel ply serilir. Peel ply sadece en üst kata serilir ve rulo yardımıyla bünye ile
iyice kaynaşması sağlanır.
3.2. Numunelerin Kesilmesi
Numuneler ASTM standartlarına göre hassas bir şekilde kesilmelidir. Bu aşamada kesim
sırasında su kullanılmaması önemlidir. Çünkü su kesim sırasında numunenin kenarlarından
içeri etki ederek mukavemetin düşmesine neden olmaktadır. Bu yüzden en uygun kesim şekli
67
lazerdir. Adapazarı sanayisinde laser ile kesim yapan Yılgenci firması bize bu konuda
yardım etti ve istediğimiz numuneleri laser ile temiz ve hassas bir şekilde kesti.
Çekme testi için ASTM D 638 – 08 Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics
standartına UYULDU. Bu satandarta uyan 5 farklı tipten 1 numaralı olana uygun numune
hazırlandı ve kesildi. Plakanın x ve y yönünden numune kesildi.
Şekil 3. 2. Lazer kesimin şematik gösterimi.
Şekil 3. 3 Numuneler
68
3.3. Çekme Testi
Hazırlanan numuneler kategorize edildikten sonra çekme işlemine geçildi. Metalurji mühendisliğ
labarotuarındaki İnstron marka çekme cihazı kullanıldı. Çekme cihazının polimer malzemeler için
gerekli ayarları yapıldıktan sonra teste başlandı. Standartlara uygun olaraka 2mm/dk lık çekme hızı
tercih edildi.
Şekil 3. 4 Çekme Cihazı
69
4.SONUÇ
Karbon Fiber takviyeli polimer kompozit malzemelerde karbon fiber tabaka sayısının artışı
ile mukavemetin artmış olduğu yapılan çekme testleri sonucunda tespit edilmiştir. Tablo 5.1.
de yapılan çekme testlerinin sonuçları verilmiştir.
Tablo 4. 1. Çekme Testi Sonuçları
Numune Cinsi Numune 1 Numune 2 Numune 3
1 Kat 347 Mpa 392 Mpa
2 Kat 492 Mpa 435 Mpa 519 Mpa
3 Kat 460 Mpa 414 Mpa 427 Mpa
4 Kat 470 Mpa 429 Mpa
Testler sonucunda en yüksek değer 2 kat karbon fiber içeren PMK‟larda 492-520 Mpa
olarak ölçülmüştür. SAHİMO‟ya ait numuneler üstünde daha önce okulumuzda yapılan
çalışmalarda akma mukavemeti 2500 Mpa ölçülmüştür. SAHİMO‟ya ait numuneler aynı
teknik ve malzemeler ile üretilmiştir. Bu göstermektedirki bu çalışmada elde edilen sonuçlar
beklenenin çok altındadır. Bunun çok farklı sebepleri vardır.
Şekil 4. 1. Elyaf katlarının artışı ile mukavemet ilişkisi
El yatırması ile üretim sırasında bazı bölgeler istenilen mukavemeti karşılarken bazı bölgeler
istenenin çok altında kalabilmektedir. Tabaka sayısı arttıkça tabakalar arasında hatalı
bölgeler olmaktadır. Bu çalışmadada açıkca görüldüğü gibi el yatırması tekniğinin en büyük
70
dezavantajı standart bir sonuç alınamamasıdır. Ayrıca diğer bir etkende lazerle kesim
sırasında oluşan hatalardır. Lazerle kesim hassas bir işlemdir, nozülün iyi bir şekilde
ayarlanması ile temiz bir kesim yapılabilmekte iken yanlış nozül ayarı sonucu numuneler
zarar görebilmektedir.
Şekil 4. 2. 2 kat karbon fiber içeren numuneye ait gerilme - genleme diyagramı
Şekil 4. 1. Karbon fiber katman sayılarına göre akma mukavemetleri
71
KAYNAKLAR
[1] İnternet: http://tr.wikipedia.org/wiki/Kompozit_malzemeler
[2] İnternet: Havacılık Sanayınde Kullanılan Plastık Matrıslı Kompozıt
Malzemeler.http://www.hho.edu.tr/huten/2003_2004%20SEMINER%20INTERNET/ UGUR%20ER/UGUR%20ER%5BWORD%5D.pdf (2006).
[3] Demirel, A. Karbon Elyaf Takviyeli Epoksi Kompozit Malzemelerin Karakterizasyonu, Yüksek
Lisans Tezi, GÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, 2007.
[4] İnternet: Sekizinci Bes Yıllık Kalkınma Planı. http://ekutup.dpt.gov.tr/-
imalatsa/kimya/oik602.pdf (2006).
[5] İnternet: T.C Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisligi Bölümü. http://web.deu.edu.tr/ansys/tezler/3.pdf
[6] Prepreg Technology, Hexcel Corporation. March (2005)
[7] Bilisik, A.K., “Balistik kumaslarda yapı özellik iliskileri”, Tekstil ve Konfeksiyon (1997).
[8] Uğur SOY, Kompozit Malzemeler, Ders Notu, Sakarya Üniversitesi Teknoloji Fakültesi,
Ekim, 2009.
[9] Arıkan, A., “Flexibility Improvement of Short Glass Fiber Reinforced Epoxy” , Yüksek
Lisans Tezi , ODTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü , Ankara, (2001).
[10] İnternet: T.C Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisligi
Bölümü. http://web.deu.edu.tr/ansys/tezler/lisans/MakDin_10.pdf
[11] İTÜ Uzay ve Uçak Bilimleri Fakültesi
http://www.gidb.itu.edu.tr/staff/odabasi/KAANKOMP.PDF
[12] İnternet: T.C Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisligi
Bölümü. http://www.batul.deu.edu.tr/mak/bitirmetezleri/bproje/bahar/emrah_%20akdeniz%20_20024
85004.pdf
[13] Prof. Dr. Ethem Aran, Elyaf Takviyeli Karma Malzemeler,Ders Notu, İTÜ Makina Fakültesi, İstanbul, 1990
[14] İnternet: http://www.ito.org.tr/Dokuman/Sektor/1-57.pdf
[15] İnternet: http://kutuphane.ksu.edu.tr/e-tez/fbe/T00467/mehmet_%20sabri_ersoy_tez.pdf
[16] İnternet: http://www.turkcadcam.net/rapor/kompozit-malzemeler/index4.html
[17] İnternet: http://www.teknolojikarastirmalar.com/e-
egitim/yapi_malzemesi/icerik/kompozit.htm#KOMPOZ%C4%B0T%20MALZEMELER%C4%B0N
%20KULLANIMI
[18] İnternet: http://www.kalipteknolojisi.net/forum/kutuphane/polimer-esasli-kompozit-
malzemeler-ve-urun-tasariminda-kullanimlari/
72
[19] İnternet: http://www.poliya.com.tr/docs/techspec/polives/Polives_701.pdf
[20] İnternet:
http://lazerburak.bloggum.com/yazi/lazer_kesim_nedir_nasil_calisir_ve_avantajlari_nel.html
