KOMPOZİT MALZEMELER - ahmettsknn.weebly.com · Karma manasına gelen kompozit kelimesi Fransızca’daki «composite»kelimesinden gelmektedir. Kompozit malzeme tasarımında,bir

1

KOMPOZİT MALZEMELER

Prof.Dr.Serkan SUBAŞI

Düzce Üniversitesi

Teknoloji Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü

2

İçerik

Kompozit Malzeme Nedir?

Kompozit Malzeme ve Özellikleri

Kompozit Malzemelerin Avantaj ve Dezavantajları

Matris ve Takviye Nedir?

Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması

GİRİŞ

Kompozitler (karma malzemeler); metal, seramik vepolimerlerden iki ya da daha fazla malzemenin bir arayagetirilmesi ile oluşan malzemelerdir.

Karma manasına gelen kompozit kelimesi Fransızca’daki«composite» kelimesinden gelmektedir.

Kompozit malzeme tasarımında, bir malzemenin tek başınasergileyemeyeceği özelliklere ve de kendisini oluşturanmalzemelerin en iyi özelliklerine sahip olan bir malzemeninüretilmesi amaçlanır.

3

1- KOMPOZİT MALZEMELER

Cam elyafların (fiberlerin) bir polimer (genellikle, epoksi ya dapoliester) matris içinde bulunduğu cam-elyaf elyaf takviyelikompozitler (CTP), yaygın olarak kullanılan kompozitlerdenbiridir.

Teknolojik olarak diğer önemli bir malzeme de, karbonelyafların bir polimer matris içinde bulundukları karbon elyaftakviyeli kompozitler (KETK)’dir.

KETK, bazı uçak ve uzay uygulamalarında, yüksek teknolojilispor ekipmanlarında (örneğin, bisiklet, golf sopası, tenisraketi, olta ve kayak) kullanılmaktadır.

Son zamanlarda, otomobil kaporta ve tamponlarında dakullanılmaya başlanmıştır. 4

1- KOMPOZİT MALZEMELER

"Kompozit Malzeme" kavramının ortaya atılması ve konununbir mühendislik konusu olarak ele alınması ancak 1940'lıyılların başında gerçekleşmiştir.

İlk çağlardan beri insanlar kırılgan malzemenin içine bitkiselveya hayvansal kaynaklı lifler koyarak bu kırılganlık özeliğiningiderilmesine çalışmışlardır.

Örneğin Kerpiçin bileşimindeki kil, dayanıklığının artması içinsaman ve bitkisel liflerle harmanlanmıştır.

1- KOMPOZİT MALZEMELERİN TARİHİ

İlk modern sentetik plastiklerin 1900'lerin başındageliştirilmesinin ardından, 1930'ların sonunda plastikmalzemelerin özellikleri diğer malzeme çeşitleri ile rekabetedecek düzeyde gelişmeye başlamıştır.

Kolay biçim verilebilir olmaları, metallere oranla düşükyoğunlukta olmaları, üstün yüzey kalitesi ve korozyona karşıdayanımı plastiklerin yükselmesindeki en önemli özelliklerdir.

Bir çok üstün özelliğinin yanı sıra sertlik ve dayanıklılıközelliklerin düşük olması plastik malzemelerin güçlendirilmesiiçin çalışmalar yapılmasını sağlamıştır.

Bu eksikliğin giderilmesi amacıyla 1950'lilerde polimer esaslıkompozit malzemeler geliştirilmiştir.

1- KOMPOZİT MALZEMELERİN TARİHİ

Bir malzemede aynı anda bir çok özellik istenebilir.

Fakat ne yazık ki malzemeler kendi başlarına istenenözelliklerin tümünü gösteremeyebilir.

Yüksek performanslı bir malzemeye ihtiyaç duyulanbir alanda aynı anda sağlamlık, aşınma dayanımı,rijitlik, darbe dayanımı, hafiflik istenebilir.

Bu özelliklerin sadece metallerle, sadece seramiklerleveya sadece polimerlerle elde edilmesi güçtür.

Böyle bir durumda her biri belli bir özelliği ile iyi olanmalzemelerin bir araya getirilerek üretilen kompozitdenen karma malzemelere ihtiyaç vardır.

1- KOMPOZİT MALZEMELERDE AMAÇ

Kompozit Malzeme, belirli bir amaca yönelik olarak,en az iki farklı maddenin bir araya getirilmesiylemeydana gelen malzeme grubudur.

Üç boyutlu nitelikteki bu bir araya getirmede amaç,bileşenlerin hiçbirinde tek başına mevcut olmayan birözeliğin elde edilmesidir.

Diğer bir deyişle, amaçlanan doğrultudabileşenlerinden daha üstün özeliklere sahip birmalzeme üretilmesi hedeflenmektedir.


Kompozit malzemede genelde dört koşul aranmaktadır:

İnsan yapısı olması, dolayısıyla doğal bir malzemeolmaması, (Örn. Granit Kompozit Değildir=Quarz+Mika+Feldispat)

Kimyasal bileşimleri birbirinden farklı ve belirliarayüzlerle ayrılmış en az iki malzemenin birarayagetirilmiş olması,

Farklı malzemenin üç boyutlu olarak birarayagetirilmiş olması,

Bileşenlerinin hiçbirinin tek başına sahip olmadığıözelikleri taşıması, dolayısıyla bu amaçla üretilmişolması


Kompozit malzeme üretiminde genellikle aşağıdaki özeliklerdenbirinin veya birkaçının geliştirilmesi amaçlanmaktadır.

Mekanik dayanım, basınç, çekme, eğilme, çarpma dayanımı,

yorulma dayanımı, aşınma direnci,

korozyon direnci,

kırılma tokluğu,

yüksek sıcaklığa dayanıklılık,

Isı iletkenliği veya ısıl direnç,

elektrik iletkenliği veya elektriksel direnç,

akustik iletkenlik, ses tutuculuğu veya ses yutuculuğu,

rijitlik,

ağırlık,

görünüm

1- KOMPOZİT MALZEMELERİN GENEL ÖZELLİKLERİ

Kompozit Malzemelerde beklenilen en önemli özellikler şunlardır.

Düşük Yoğunluk

Yüksek Mukavemet

Yüksek Sıcaklık Direnci

Yüksek Darbe Direnci

Yüksek Yorulma Dayanımı

Mükemmel Aşınma Direnci

Çekicilik ve Estetik Görünüm

11

1- KOMPOZİT MALZEMELERİN GENEL ÖZELLİKLERİ

Kompozit Malzemelerin Dezavantajları

Üretimin Güçlüğü

Pahalı Olması

İşlenmesinin güç olması yanında maliyetinin yüksekoluşu

Gerekli yüzey kalitesinin elde edilemeyişi

Diğer malzemeler gibi geri dönüşümünün olmayışı

Kırılma uzamasının az oluşu

gibi faktörler sayılabilir.

12

KOMPOZİT MALZEMELERİN DEZAVANTAJLARI

OTOMOTİV

UZAY VE HAVACILIK

SAVUNMA SANAYİ

KİMYA

ELEKTRİK

İNŞAAT

DENİZCİLİK

MAKİNA

DİĞER

KOMPOZİT MALZEMELERİN KULLANIM ALANI

14

Yarış otomobili gövdesi

Ergonomik bisiklet-kişiye özel

Kompozit başlık


Otomobil

ön panel

Golf sopa

Karbon-epoksi keman


Karbon palet Snowboard Sorf

Yapay bacak Zıpkın


Bir kompozitte 2 temel faz vardır. Bunlar matris vetakviye fazıdır.

Bu iki fazın özellikleri, ihtiyaç duyulan niteliklerikarşılayacak şekilde kontrol edilebilir.

Faz: Bir malzemenin iç yapı yönünden farklı olankısımlarına denir.

Çoğu kompozit malzeme, sürekli ve diğer fazları saranbir matris faz (seramik, metalik, polimer vb.) iledisperse faz (takviye elemanı) olmak üzere iki fazdanoluşmaktadır.

17

2-MATRİS VE TAKVİYE MALZEMESİ

İçine yerleştirilmiş kuvvetlendirici takviye elemanlarınıkatılaştığında belli bir formda tutacak ve toplammukavemette de artma yönünde bir görev üstleneceküniform dolguya MATRİS denir.

Matrisin dört önemli görevi vardır.

• Kompozit malzemeye şeklini verir.

• Takviye malzemesini bir arada tutup dış ortamdan korur.

• Yük uygulandığında ise yükü takviye malzemeye aktarır.

• Matris aynı zamanda kompozitin darbe, mukavemet, tokluk gibi mekanik özelliklerini iyileştirir.

18

2-MATRİS NEDİR?

Kompozit yapılarda yükü taşıyan elyaflarınfonksiyonlarını yerine getirmeleri açısından matrisinmekanik özelliklerinin rolü çok büyüktür.

Örneğin matris malzemesi olmaksızın bir elyaf demetidüşünüldüğünde yük bir yada birkaç elyaf tarafındantaşınacaktır.

Matrisin varlığı ise yükün tüm elyaflara eşit olarakdağılımını sağlayacaktır.

19

2-MATRİS NEDİR?

Matrisin mekanik özellikleri ve elyaf ile matrisarasındaki bağ kuvvetleri, kompozit yapınınmukavemetini belirleyici önemli hususlardır.

Matris elyafa göre daha zayıf ve daha esnektir. Buözellik kompozit yapıların tasarımında dikkat edilmesigereken bir husustur.

20

2-MATRİS NEDİR?

Bir kompozit malzemede matris fazından istenen özellikler:

• yüksek mukavemet, yüksek elastik uzama, yüksek kayma mukavemeti,

• kullanım sıcaklığında düşük sürtünme, yüksek tokluk ve darbe dayanımı,

• düşük ısıl iletkenlik, takviye ile iyi bağ oluşturma, kimyasallara ve çözücülere dayanım, düşük nem emme,

• hızlı kür etme / katılaşma, kür etme sıcaklığının kullanım sıcaklığından çok yüksek olması,

• uzun raf ömrü, düşük öz kütlesi ve düşük fiyat.21

2-MATRİS YAPIDAN BEKLENEN ÖZELLİKLER

Kompozitleri matrislerine göre 3 sınıfa ayırabiliriz:

Metal matrisli kompozitler,

Seramik matrisli kompozitler

Polimer matrisli kompozitler.

22

2-MATRİS YAPILARINA GÖRE SINIFLANDIRMA

23

2-MATRİS YAPILARINA GÖRE SINIFLANDIRMA

Matris Yapılarına Göre Sınıflandırma

Polimer MatrisliKompozitler

Thermosetler Termoplastikler

Metal MatrisliKompozitler

Seramik MatrisliKompozitler

24

2-TAKVİYE MALZEMELERİNE GÖRE SINIFLANDIRMA

Takviye faz, kompozitlerde yük taşıyıcı olarak görev yapar.

Yükün %70-80’ini taşıyarak kompozitleri mukavim yapan takviye fazdır.

Bu mukavemetlenme takviye fazla matris fazın birbiriyle uyumuna ve bağlanma kuvvetlerine bağlıdır.

Takviye faz tanecik veya elyaf formunda olabilir.

25


Takviye Malzemelerine Göre Sınıflandırma

Dolgu

Tane dolguluMikro

kürecikler

Katı (dolu)

Boşluklu

Elyaf

Kısa Elyaflarla

Sürekli Elyaflarla

Pul şeklinde Yapraksı

malzemelerle

Laminasyon

26


Takviye Malzemesi olarak Dolgu Kullanımı:

Kompozit ürünlerde inorganik dolguların kullanımıartmaktadır.

Dolgu maddeleri sadece ürün maliyetini düşürmeklekalmayıp, diğer takviye ve reçine girdileriyle eldeedilmesi mümkün olmayan ürün performansartışlarını da sağlamaktadır.

Dolgular kompozit malzeme içindeki organik maddeiçeriğini azaltarak, alev dayanımı ve duman çıkışıperformansını arttırabilir.

27



Ayrıca dolgulu reçinelerin dolgusuz reçinelere göreçekme oranı daha düşüktür.

Buna parelel olarak kalıplanan parçaların boyutsalstabilitesi artmaktadır.

Su direnci, hava etkisiyle meydana gelen değişimler,yüzey düzgünlüğü, sertlik, boyutsal stabilite ve ısıdayanımı gibi önemli özellikler dolgu maddelerininkullanımı ile arttırılabilmektedir.

28



Termoset reçineleri kullanan kompozit sektöründe,dolgu maddeleri, uzun yıllardan beri kullanılmaktadır.

Son zamanlarda, termoplastik endüstrisinde deinorganik dolguların kullanımı yaygınlaşmayabaşlamıştır.

Dolgu malzemeleri, özelliklerindeki gelişmelersayesinde kompozit ürün uygulamalarında eskiyeoranla daha yüksek miktarda kullanılmaktadır.

29


Dolgu maddeleri çeşitleri:

Kompozit uygulamalarında kullanılan başlıca dolgu maddeleri şunlardır;

Kalsiyum Karbonat : En yaygın kullanımı olan inorganikdolgu malzemesidir. Kalsiyum karbonat dolgumalzemelerinin büyük bir çoğunluğu kireçtaşı veyamermerden elde edilmektedir.

Alüminyum Silikat ve Killer : İkinci en yaygın kullanımıolan dolgudur. Kompozit endüstrisinde daha yaygın birifadeyle kil olarak bilinmektedir. Çok farklı partikülboyutlarında piyasada bulunmaktadır. Bu bölümkaoleni, bentonit’i, arduvaz’ı, Mika’yı ve sünger taşınıiçerir.

30



Alüminyum Trihidrat : Yüksek alev dayanımı gerekli olduğuuygulamalarda dolgu malzemesi olarak sıkçabaşvurulmaktadır. Bu tür dolgu malzemeleri yüksek ısılarlakarşılaştığında bünyesindeki su molekülünü açığaçıkartmaktadır. Böylece alev yayılması ve dumanınoluşmasını azaltmaktadır. Alüminyum trihidrat, boru tesisatıuygulamalarında (banyo küvetleri, duş kabinleri ve ilgili diğerürünlerde) kullanılmaktadır.

Kalsiyum Sülfat : Alev/duman geciktirici dolgu malzemesiolarak, banyo küveti ve duş teknelerinde kullanılmaktadır.Düşük maliyetli alev/duman geciktirici dolgu malzemesiolarak tercih edilmektedir.

31



Karbonatlar : Magnezyum Karbonat

Silika ve Silikatlar : Kum ve Toz Silikatlar, Talk, Kalsiyum Silikat, Kieselguhr, Zirkan

Alüminyum Silikatlar ve Killer: Kaolen, Bentonit, Arduvaz, Mika, Kalsiyum, Vermikülit, Sünger Taşı

Cam Dolgu Maddeleri : Katı Cam Kürecik, Boş Cam Kürecikler, Pul Camlar

Metal Oksit Dolgu Maddeleri :Alüminyum, Alüminyum Hidroksit, Antimon Trioksit, Demir Oksit, Kurşun Oksit, Magnezyum Oksit, Titanyum Dioksit, Çinko Oksit, Zirkonyum Oksit

32



Metalik Toz Dolgu Maddeleri :Alüminyum, Bronz, Bakır, Demir, Kurşun, Gümüş, Paslanmaz Çelik, Çinko

Alev Geciktirici Dolgu Maddeleri :Antimon Trioksit, Alüminyum Hidroksit

Diğer Dolgu Maddeleri :Baryum Sülfat, Baryum Titanat, Karbon Siyahı, Grafit, İçi Boş Karbon Kürecikleri, Fenolik Kürecikler, Feldspat, Vollastonit, Öğütülmüş Cam Elyafı

33


Takviye Malzemesi olarak Elyaf Kullanımı:

Kompozit malzemelerdeki mukavemetlenmekullanılan takviye malzemesinin tipine, kompozittekioranına, yönlenmesine ve dağılımına bağlıdır.

Özellikle elyaf kullanımı ile yapılan takviyeuygulamalarında elyafların yönlenmesinin malzememukavemetine önemli etkisi olmaktadır.

34


Elyafın kompozite mukavemet kazandırması içinelyafın matris fazıyla sarılaması yani ıslanma olayınınolması gerekmektedir.

Belirli miktarda matris fazın ıslatabileceği elyafın birsınırı vardır. Bu sınıra kadar elyaf miktarı arttıkçamukavemet artar.

Daha fazlasında ise ıslanma sorunları oluşacağındanmukavemet düşer.

Kompozitte kullanılan elyafın oluşturacağı arayüzeyarttıkça mukavemet de artar.

35


Elyaflar yükü uçları arasında taşıyacağındankompozitin mukavim olabilmesi için elyaflarınuygulanacak yükle aynı doğrultuda olması gerekir.

Eğer yük elyaflara dik uygulanırsa kompozit istenenmukavemeti gösteremez.

Yük çeşitli yönlerden gelecek ise kompozittekielyafların yönlenmesi 2 ya da 3 boyutta olabilir.

36


Kompozit malzemelerde kullanılan başlıca elyaf türleri

Cam elyafı

Karbon (Graphite) elyafı

Aramid (Aromatic Polyamid) elyafı, (Ticari ismi: Kevlar)

Bor elyafı

Bazalt elyafı

Yüksek yoğunluklu polyetilen elyafı

Poliamid elyafı

Polyester elyafı

Doğal organik elyaflar

Seramik elyaflar

37


CAM ELYAFI:

Cam en çok kullanılan takviye malzemesidir ve en ucuzudur.

Yüksek dayanıma ve düşük yoğunluğa sahip aramid vekarbon elyaflar yüksek maliyetlerine rağmen, hava uzaysanayi başta olmak üzere geniş bir kullanıma sahiptir.

Cam elyafı, dünyanın her yerinde kullanım amacına uygunnitelikteki alkalisi düşük “E” camının, 5-20 mikronçaplarında devamlı proses ile ince lifler halinde çekilmiştürüdür.

38


CAM ELYAFI:

1940’lı yıllardan bu yana, değişik cam elyafı tipleriplastiklerin takviyesinde kullanılmaktadır.

Bu şekilde, kırılgan bir yapıya sahip olan plastiklerinçekme ve eğilme dayanımları, rijitlik ve darbedayanımları gibi fiziksel özellikleri arttırılabilmektedir.

Cam elyafı başlangıçta sadece Termoset yapıdakiplastiklerin takviyesinde kullanılırken, günümüzdetermoplastiklerin de takviyesinde hızlı bir büyümegöstermektedir.

39


CAM ELYAFI:

Tarihte cam elyafının ilk kez Fenikeli ve Mısırlısanatçılar tarafından kullanıldığı bilinmektedir.

O zamanlarda, lifler, cam çubukların ısıtılmasısonucunda, yumuşatılarak akıtılması şeklindeelde ediliyordu. Kullanım yeri ise yine takviyeamacına yönelikti ve çanak, amfor gibiürünlerin sağlamlaştırılmasını sağlıyordu.

Bugün bildiğimiz devamlı cam elyafınıngeliştirilmesi 1930’lu yılların sonlarına doğruyapılabilmiştir.

40


Cam Elyafı Üretimi:

Cam elyaf; kil, kum, kaolen, kolemanit, fluspat, dolomit,kireç hammaddelerinden ve daha farklı birtakımeklentilerden üretilmektedir.

Farklı cam üretimleri için bu maddeleri farklı oranlardaiçeren değişik reçeteler vardır.

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.

41


Cam Elyafı Üretimi:

Özellikle cam elyafı ile matris arası yapışma gücünüarttıran "silan" bazlı ve elyaf üzerinde ince filmoluşturan kimyasalların sonra kullanım sahalarıartmıştır.

Cam elyafı halen aramid ve karbon elyaflarından dahayüksek dayanıklılık özelliğine sahiptir. Elyaf kumaşlarıgenellikle sürekli cam elyafının lifleri ile üretilmektedir.

İşlemler sırasında değişik kimyasalların eklenmesi vebazı özel üretim yöntemleri ile farklı türde cam elyafıüretilebilmektedir.

42


Cam Elyafı Türleri:

Kompozisyonlarına bağlı olarak, değişik cam elyafı cinslerivardır. Bunlar içinde “E” camı elyafının en başta geldiğigörülmektedir. Elektrik ve mekanik özellikleri ilemaliyetinin iyi bir denge oluşturması sonucu, bu kalsiyumalüminosilikat bileşiminin, kullanılan toplam cam elyafıtakviye malzemeleri içinde %90 pazar payına sahip olduğugörülmektedir.

“E-CR”camı, “E” camının modifiye edilmiş şekli olup,asitlere karşı dayanım sağlamak amacı ilekompozisyonunda bor içermemektedir. “E-CR” camıelyafı, genellikle kimyasal dayanım istenen tank ve boruimalatında kullanılmaktadır.

43



Yüksek mekanik dayanım aranan ürünler için kullanılancam elyafı cinsleri Amerika’da “S” CAMI; Avrupa’da “R”camı olarak nitelenmektedir. Kompozitin mukavemetini verijitliğini arttıran bu cins cam elyafı havacılık, uzay veaskeri alanlarda, yüksek teknik performans gereksiniminedeni ile kullanılmaktadır. Ayrıca, nakliye, spor vedinlence alanlarında da bazı ürünler için kullanıldığıgörülmektedir.

Bunların dışında, mükemmel dielektrik özellikler taşıyanve elektronik endüstrisinde sıkça kullanılan, “D” camıelyafı ve özellikle yüzey tüllerinde kullanılan kimyasaldayanımlı “C” camı elyafı da bulunmaktadır.

44



Cam Tipi Özellikleri

A-camı Yüksek alkali oranı-düşük maliyet

C-camı Kimyasal dayanım (Yüzey tülleri)

E-camı Elektriksel özellikler

L-camı Radyasyona karşı kurşun içerir

M-camı Yüksek elastik modülS-2 camı Yüksek çekme dayanımıW-2 camı Paneller için yarı şeffafAR-camı Alkali dayanımR-camı Yüksek çekme dayanımı

45



A C E R S

SİO2 72.0 64.6 52.4 60.0 64.4

Al203 1.5 4.1 14.4 25.0 25.0

CaO 10.0 13.4 17.2 9.0 ---

MgO 2.5 3.3 4.6 6.0 10.3

Na2O,K2 O 14.2 9.6 0.8 --- 0.3

B2O3 --- 4.7 10.6 --- ---

BaO --- 0.9 --- --- ---

Başlıca cam elyafı cinslerinin kompozisyonları (% olarak)

tabloda görülmektedir.

46



Cam elyafı farklı türlerdeki ürünler olarak kullanılmaktadır.

KumaşlarTek veya çok uçlu elyaflar Kırpılmış elyaflar

Öğütülmüş Elyaflar Keçeler Fitiller Şeritler

Documents

KOMPOZİT MALZEMELER - ahmettsknn.weebly.com · Karma manasına gelen kompozit kelimesi Fransızca’daki «composite»kelimesinden gelmektedir. Kompozit malzeme tasarımında,bir