LİF TAKVİYELİ POLİMERİK KOMPOZİT MALZEME TASARIMI MEHMET SABRİ ERSOY YÜKSEK LİSANS TEZİ

Transkript

1 KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TEKSTİL MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI LİF TAKVİYELİ POLİMERİK KOMPOZİT MALZEME TASARIMI MEHMET SABRİ ERSOY YÜKSEK LİSANS TEZİ KAHRAMANMARAŞ AĞUSTOS 2005

2 KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TEKSTİL MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI LİF TAKVİYELİ POLİMERİK KOMPOZİT MALZEME TASARIMI MEHMET SABRİ ERSOY YÜKSEK LİSANS TEZİ Kod No: Bu tez / /.. Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oy Birliğiyle / Oy Çokluğu ile Kabul Edilmiştir... Yrd. Doç. Dr. Prof. Dr. Yrd. Doç. Dr. Remzi GEMCİ Hakkı ALMA Hanifi BİNİCİ DANIŞMAN ÜYE ÜYE Yukarıdaki imzaların adı geçen öğretim üyelerine ait olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. Hanifi BİNİCİ Enstitü Müdür Vekili Bu çalışma K.S.Ü Bilimsel Araştırma Projeleri Daire Başkanlığı tarafından desteklenmiştir. Proje No: 2005 / 1-22 Not : Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmesinden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki Hükümlere tabiidir.

3 İÇİNDEKİLER İÇİNDEKİLER SAYFA İÇİNDEKİLER...I ÖZET... III ABSTRACT...IV ÖNSÖZ... V ÇİZELGELER DİZİNİ...VI ŞEKİLLER DİZİNİ... VII EK ÇİZELGELER DİZİNİ...IX EK ŞEKİLLER DİZİNİ... X SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ...XI 1. GİRİŞ Parçacık Takviyeli Kompozit Malzemeler Lif Takviyeli Kompozit Malzemeler LTK Malzemede Matris ve Liflerin Fonksiyonu LTK Malzemede Takviye Elemanları Cam Lifi Karbon Lifi Aramid Lifi Matris Malzemeler Termoset Reçineler Epoksi Reçine Polyester Reçine Fenolik Reçine Termoset Kompozit İşlemenin Avantajları Termoset Kompozit İşlemenin Dezavantajları Termoplastik Reçineler Termoplastik Kompozit İşlemenin Avantajları Termoplastik Kompozit İşlemenin Dezavantajları Kompozit Malzeme Üretimi Üretim Yöntemi Seçim Kriterleri Üretim Oranı / Hızı Maliyet Performans Boyut Şekil Ürün İmalat İhtiyaçları Kompozit Üretim Prosesinde Temel İşlemler Emdirme Yatırma Birleştirme Katılaştırma Kompozit Üretim Prosesleri Termoset Kompozitler İçin Üretim Prosesleri Prepreg Yatırma Prosesi Islak Yatırma Prosesi I

4 İÇNDEKİLER Püskürtme Prosesi Filament Sarım Prosesi Profil Çekme Prosesi Reçine Transfer Kalıplama Prosesi Yapısal Reaksiyon Enjeksiyon Kalıplama Prosesi (SRIM) Baskı Kalıplama Prosesi Rulo Sarım Prosesi Termoset Reçinelerin Enjeksiyon Kalıplanması LTK Malzemelerde Gerilim Transfer Teoremleri Kontinü Lif Takviyeli Kompozitlerde Gerilim Teoremleri Kesikli Lif Takviyeli Kompozitlerde Gerilim Teoremleri ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE METOT Materyal Metot Numunelerin Oluşturulması Üç Noktalı Eğilme Testi Sonuçların Değerlendirilmesi BULGULAR VE TARTIŞMA Eğilme Testi Varyans Analizi Su Alma Testi SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR EKLER ÖZGEÇMİŞ II

5 ÖZET KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ TEKSTİL MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI YÜKSEK LİSANS TEZİ ÖZET LİF TAKVİYELİ POLİMERİK KOMPOZİT MALZEME TASARIMI MEHMET SABRİ ERSOY DANIŞMAN: Yrd. Doç. Dr. Remzi GEMCİ Yıl:2005, Sayfa: 79 Jüri : Yrd. Doç. Dr. Remzi GEMCİ : Prof. Dr. Hakkı ALMA : Yrd. Doç. Dr. Hanifi BİNİCİ Bu çalışmada, polimerik lif takviyeli kompozit malzemenin üretim yöntemleri ve tasarım parametreleri incelenmiştir. Toz formda olan fenolik reçinelerin, demet formda cam lifleri ile takviyelendirilerek eğilme özelliklerinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. İki farklı lif uzunluğu (6 mm ve 12 mm) ve üç farklı kütlesel lif oranı (% 3, % 5, % 7) kullanılarak fenolik reçine cam lifleri ile takviyelendirilmiştir. Numuneler baskı kalıplama yöntemi ile oluşturulmuştur. Oluşturulan numunelerde, lif oranı ve lif uzunluğunun, kompozit malzemenin eğilme özelliklerine olan etkisi üç noktalı eğilme test yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki; kompozit malzemenin eğilmede kopma öncesi yaptığı yer değiştirmede, lif oranı önemli bir faktördür. Lif uzunluğu yer değiştirmeyi fazla etkilememiştir. Eğilme dayanımında ise lif uzunluğu etkili olan faktördür. Demet halde yapılan lif takviyesi, takviyelendirme etkisi göstermiş ama efektif olmadığı görülmüştür. Ayrıca, takviyelendirmenin termoset ve termoplastikler üzerindeki etkileri genel bir incelemeyle ele alınmıştır. Anahtar Kelimeler: Lif Takviyeli, Kompozit, Fenolik Reçine, Cam Elyaf, Eğilme, Elyaf Oranı, Tasarım Parametreleri III

6 ABSTRACT UNIVERSITY OF KAHRAMANMARAŞ SÜTÇÜ İMAM INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF TEXTILE ENGINEERING MSc THESIS ABSTRACT DESIGN OF FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIALS MEHMET SABRİ ERSOY Supervisor: Yrd. Doç. Dr. Remzi GEMCİ Year:2005, Pages: 79 Jury : Assist. Prof. Dr. Remzi GEMCİ : Prof. Dr. Hakkı ALMA : Assist. Prof. Dr. Hanifi BİNİCİ In this study, manufacturing processes and design parameters of fiber reinforced composite materials were examined. The aim of this study was to improve bending properties of phenolic resin in powder form reinforcing with glass fibers in flake form. Two different fiber lengths (6 mm and 12 mm) and three different fiber mass ratios ( 3%, 5%, 7%) were used to reinforce phenolic resin. Composite specimens were manufactured using compression molding process. Bending properties of manufactured specimens were tested using 3 point bending test. The effects of fiber ratio and fiber length on bending properties were determined. Results showed that fiber ratio is an important factor on yield displacement. Fiber length doesn t considerably effect the yield displacement. For bending strength, fiber length was an important factor. The reinforcement of chopped glass fibers in flake form showed reinforcing effect but not effective. Furthermore, the general rewiev on the effects of reinforcements on the properties of termosettings and thermoplastics was undertaken. Key Words: Fiber Reinforced, Composite, Phenolic Resin, Glass Fiber, Bending, Fiber Ratio, Design Parameters IV

7 ÖNSÖZ ÖNSÖZ Teknolojik sorunlara çözüm getirme noktasında malzeme bilimi, her geçen gün önemini arttırmaktadır. Çıkış noktalarından biri olan kompozit malzeme üretimi; tasarım imkanları sayesinde, uygulama alanına göre arzu edilen fiziksel özellikleri sağlayabilecek şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Kompozit malzeme üretiminde tekstil liflerinin kullanımı oldukça yaygındır. Özellikle çekme özelliklerinin iyileştirilmesi istenilen durumlarda tekstil lifleri çok iyi takviye elemanları olarak görülmektedir. Günümüzde enerji tasarrufunun çok önemli bir konu olduğu göz önüne alındığında, özellikle taşıma sektöründe kompozit malzeme kullanımı ile sağlanan ağırlık azaltımlarının ne denli önemli bir konu olduğu açıktır. Bu tez çalışmasında, kompozit malzeme tasarım parametrelerinin malzeme özellikleri üzerine etkisi incelenmiştir. Bu çalışmalar boyunca bana yol gösteren, yakın ilgisini esirgemeyen ve her türlü konuda yardımcı olan danışman hocam Yrd. Doç. Dr. Remzi GEMCİ ye en içten teşekkürlerimi sunarım. Yakın ilgilerini esirgemeyen K.S.Ü., Orman Fakültesi, Orman Endüstri Mühendisliği Bölüm Başkanı saygıdeğer hocam Prof. Dr. Hakkı ALMA ya teşekkür ederim. Çalışmanın son şeklini almasında tavsiyelerini esirgemeyen kıymetli hocam Yrd. Doç. Dr. Hanifi BİNİCİ ye teşekkür ederim. Çalışmamızda kullandığımız malzemelerin temininde yardımcı olan ŞİŞECAM A.Ş. yetkililerine teşekkürü bir borç bilirim. Her zaman manevi destekleri ile yanımda olan anneme ve babama, sonsuz saygı ve sevgilerimi sunuyorum. Ağustos Kahramanmaraş V

8 ÇİZELGELER DİZİNİ ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 1.1. Tipik dolgusuz termoset reçinelerin fiziksel özellikleri Çizelge 1.2. Tipik katkısız termoplastik reçinelerin özellikleri Çizelge 1.3. Çeşitli lif takviyeli epoksi kompozitler için kritik lif hacimsel oranı Çizelge 2.1. İyi ve kötü kalitede ara yüzeye sahip kompozit malzemelerin çekme deneyi sonuçları Çizelge 2.2. Haşıllı ve haşılsız lyocell lifleri ile takviyelendirilmiş kompozitlerin karşılaştırılması Çizelge 2.3. Her iki kompozit sistemin kısa dönemdeki çekme, eğilme ve kesme özellikleri Çizelge 3.1. Katkılı fenol formaldehit kalıplama karışımı Çizelge 3.2. Oluşturulan numunelerin deneysel tasarımı Çizelge 4.1. Cam lifi katkısı olmayan (referans) numunelerin eğilme test sonuçları.. 60 Çizelge 4.2. BK3 numunelerin eğilme test sonuçları Çizelge 4.3. BK5 numunelerin eğilme test sonuçları Çizelge 4.4. BK7 numunelerin eğilme test sonuçları Çizelge 4.5. BU3 numunelerin eğilme test sonuçları Çizelge 4.6. BU5 numunelerin eğilme test sonuçları Çizelge 4.7. BU7 numunelerin eğilme test sonuçları Çizelge 4.8. Varyans analizi sonuçları Çizelge 4.9. t testi sonuçları Çizelge Su alma testi sonuçları VI

9 ŞEKİLLER DİZİNİ ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Kompozit malzemenin kesit görünüşü... 3 Şekil 1.2. Kompozit malzemelerin sınıflandırılması... 4 Şekil 1.3. Lif ve reçine kullanarak kompozit malzemenin üretilmesi... 7 Şekil 1.4. Sürekli ve kesikli lif takviyeli kompozitler... 7 Şekil 1.5. Askeri uçaklarda kullanılan kompozit yapılar... 8 Şekil 1.6. Ticari uçaklarda kullanılan kompozit yapılar... 9 Şekil 1.7. Uydu bileşenleri olarak kullanılan kompozit yapılar... 9 Şekil 1.8. Kevlar 49 lifinin moleküler yapısı Şekil 1.9. Termoset moleküllerin kür işlemi sırasında çapraz bağlanması Şekil Epoksi Grubu Şekil Fenol Formaldehit polimer sentezi Şekil Amorf (a) ve yarı kristalin (b) polimerlerde moleküler düzenlemeler Şekil Kompozit üretim yöntemlerinin sınıflandırılması Şekil Prepreg yatırma prosesi için vakum torbalama Şekil Karbon / epoksi prepreg için klasik kür çevrimi Şekil El yatırma prosesi Şekil Küvet üretimi için robotlu püskürtme prosesi.robot jel ile kesikli cam lifi uygulamaktadır Şekil Filament sarım prosesinin şematik ve gerçek görünüşü Şekil Filament sarım işleminde sıyırıcı bıçak düzenlemesi Şekil Profil çekme prosesinin gösterimi Şekil Profil çekme yöntemi ile üretilmiş parçalar kullanarak üretilen cam lifi ızgara ve tırabzan sistemleri Şekil RTM prosesinin şematik gösterimi Şekil SRIM prosesinin şematik gösterimi Şekil Baskı kalıplama prosesinin şematik görünümü Şekil Kontinü paralel lif takviyeli tabakaya boylamsal çekme yüklemesi Şekil Kontinü paralel lif takviyeli kompozit tabakada lifler tarafından paylaşılan yük oranları Şekil Kesikli paralel lifli tabakaya boylamsal çekme yüklemesi Şekil Kompozit malzeme içindeki kesikli lifte, lif uzunluğu boyunca gerilim dağılımı Şekil İdealize edilmiş matris kayma gerilim-gerinim eğrisi Şekil Boylamsal çekmeye maruz kesikli lif takviyeli kompozit malzeme Şekil Değişik lif uzunlukları için lif gerilimi ve arayüzey kayma geriliminin değişimi Şekil Lif uzunluğu boyunca lif gerilimi ve arayüzey kayma geriliminin değişimi Şekil 2.1. Plakadan kesip çıkartma metodu ile numune oluşturma Şekil 2.2. Kompozit malzemede lif oryantasyonuna göre dinamik yükler karşısındaki deformasyonu Şekil 2.3. L/D oranına bağlı olarak LKT malzemenin elastiklik modülünün değişimi Şekil 2.4. Muhtemel mikro hata çeşitleri VII

10 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.5. Tamamen boşaltmalı ve kısmi boşaltmalı yükler altında kompozit malzemenin deformasyonu Şekil 2.6. Yağlanmış ( T 20/100) ve yağlanmamış (N 20/100) cam lifi takviyeli kompozit malzemelerin gerilim /gerinim eğrileri Şekil 2.7. Bant sarım işleminin şematik ve gerçek görünümü Şekil 2.8. Yarı konik volan ve tipik hata şekli Şekil 2.9. Üç noktalı eğilmede sünme test düzeneği Şekil Eg/PU ve Eg / Ep nin oda sıcaklığında sünme kopması davranışı Şekil Eg/PU kompozitlerde kopma sonrası cam lifi yüzeyi Şekil Eg/ep kompozitlerde kopma sonrası cam lifi yüzeyi Şekil Selüloz ve MAPE arasında bağlanma Şekil 3.1. Kırpılmış cam elyaf demeti Şekil 3.2. Numunelerin oluşturulmasında kullanılan kalıp Şekil 3.3. Üç noktalı eğilme test düzeneği Şekil 4.1. Kompozit numunelerin eğilmede hata yüklerinin kıyaslanması Şekil 4.2. Kompozit numunelerin eğilme dayanımlarının kıyaslanması Şekil 4.3. Kompozit numunelerin hata öncesi yer değiştirmelerinin kıyaslanması Şekil 4.4. Kompozit numunelerin elastisite modüllerinin kıyaslanması Şekil 4.5. Sabit lif oranında lif uzunluğunun eğilme dayanımına etkisi Şekil 4.6. Sabit lif oranında lif uzunluğunun yer değiştirmeye etkisi Şekil 4.7. Sabit lif uzunluğunda lif oranının eğilme dayanımına etkisi Şekil 4.8. Sabit lif uzunluğunda lif oranının yer değiştirmeye etkisi VIII

11 EK ÇİZELGELER DİZİNİ EK ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Ek Çizelge 1. Liflerin ve konvansiyonel malzemelerin özellikleri Ek Çizelge 2. Çeşitli takviyelendirilmiş termoplastik reçinelerin mekanik özelliklerinin ve ısıl performanslarının karşılaştırılması Ek Çizelge 3. Çeşitli termoset ve termoplastik malzemeler için maksimum sürekli kullanım sıcaklıkları Ek Çizelge 4. Üretim yöntemi seçim kriterleri IX

12 EK ŞEKİLLER DİZİNİ EK ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Ek Şekil 1. Kompozit üretiminde kullanılan hammaddelerin sınıflandırılması Ek Şekil 2. Referans numunelerin ve takviyelendirilmiş numunelerin eğilmede hata şekilleri X

13 SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ BMC : Hacimli kalıp bileşeni SRIM : Yapısal reaksiyon enjeksiyon kalıplama SMC : Tabaka kalıp bileşeni LTK : Lif takviyeli kompozit MAPE : Maleik anhidrit polietilen S.D. : Serbestlik derecesi ε : Gerinim E : Elastisite modülü σ : Gerilim τ : Kayma gerilimi P : Çekme kuvveti v f : Lif hacimsel oranı v m : Matris hacimsel oranı A f : Liflerin kesit alanı A m : Matrisin kesit alanı n b : Yapışma faktörü n l : Lif uzunluğu etki faktörü n d : Tesadüfi dağılım etki faktörü : Yük transfer uzunluğu l t XI

14 GİRİŞ 1. GİRİŞ Malzemeler genellikle; Metaller, Seramikler Organik malzemeler olarak üç ana gruba ayrılırlar. Bu üç grubun birbirlerine göre üstün ve zayıf yönleri vardır. Bu üç ana grubun yanında, aynı yada farklı gruplardan iki ya da daha fazla malzemenin uygun olan özelliklerini tek malzemede toplamak, yada yeni bir özellik ortaya çıkarmak amacıyla makro düzeyde birleştirilmesi ile oluşturulan malzemeler, karma (kompozit) malzemeler olarak adlandırılırlar (Aran, 1990). Kelime olarak kompozit, iki veya daha fazla ayrık parçadan oluşan anlamına gelmektedir. Kompozit malzemeler; makro ölçekte kimyasal olarak birbirinden ayrık, iki veya daha fazla bileşenden oluşan ve bu bileşenler arasında bir ara yüzeyin bulunduğu malzemelerdir (Agarwall, 1980; Rosato, 1997). Bileşenler, kompozit içerisinde özelliklerini korumaktadırlar. Kompozit malzemelerin avantajı bileşenlerin en iyi özelliklerini bir araya getirmesidir. Kompozit malzemelerin üretimiyle aşağıdaki özelliklerden biri veya birkaçının geliştirilmesi amaçlanır. Bu özellikler; Dayanım Yorulmaya karşı dayanım Aşınmaya karşı dayanım Korozyona karşı dayanım Kırılma Tokluğu Yüksek Sıcaklık Özellikleri Isıl İletkenlik Elektrik İletkenliği Akustik İletkenlik Rijitlik Ağırlık Fiyattır. Kavram olarak lif takviyeli kompozitler, milattan önce 800 yıllarında İsrailliler tarafından samanın tuğlaya takviye olarak kullanılmasından bu yana mevcuttur larda çimentoya, kesikli cam elyaf takviyesi ile LTK lerin kullanımı A.B.D de mevcuttu. II. Dünya Savaşı sonrası üreticiler cam elyaf takviyeli polyester kompozitlerden, gemi gövdeleri ve radar koruyucular üretmeye başlamışlardır. Otomotiv endüstrisinin kompozitlerle ilk tanışması 1950 lerde araç gövdelerinde kullanılması ile gerçekleşmiştir. Kompozitlerin çok hafif, korozyona dayanıklı ve yüksek mukavemet değerlerine sahip olmaları sebebiyle, kompozitlerle ilgili araştırmalar malzeme bilimi ve üretim yöntemleri yönünde olmuştur. Özellikle iki yeni üretim yöntemi olan elyaf sarım ve profil çekme yöntemi, kompozit teknolojisinin yeni pazarlar ve kullanım alanları bulmasını sağlamıştır. Özellikle eğlence endüstrisinde kompozit malzeme olarak üretilen, balık oltası, tenis 1

15 GİRİŞ raketleri, kayak malzemeleri ve golf ekipmanlarına talep oldukça artmıştır (Anonim, 2005a). Kompozit malzemelerden uzun süre, teknolojik problemleri çözmek için faydalanılmıştır. Fakat 1960 larda, polimerik esaslı kompozitlerin tanınmasıyla, bu malzemeler endüstrinin dikkatini çekmeye başlamıştır. Bundan sonra, kompozit malzemeler sık kullanılan mühendislik malzemeleri haline gelmiş ve otomotiv bileşenleri, spor malzemeleri, uçak bileşenleri, tüketim malları, denizcilik endüstrisi ve petrol endüstrisinde çeşitli uygulamalar için tasarlanmış ve üretilmişlerdir. Kompozit malzeme kullanımındaki büyüme, ürün performansını göz ardı etmedeki artış ve evrensel pazardaki hafif malzeme rekabetinin artması sebeplerinden kaynaklanmaktadır. Tüm malzemelerin arasında, kompozit malzemeler, çok sık kullanılan çelik ve alüminyum gibi malzemelerin yerini ikame etme potansiyeline sahiptirler ve çoğu zaman daha iyi performans gösterirler (Anonim, 2005a). Kompozit malzemelerin, çeliğin yerini almasıyla %60-80, ve alüminyumun yerini almasında ise %20-50 ağırlıktan kazanım mümkündür. Günümüzde kompozitler birçok mühendislik uygulamaları için tercih edilen malzemeler gibi gözükmektedir. Bu ağırlık kazançları, enerjinin giderek artan bir sorun haline geldiği çağımızda yakıtta önemli tasarruflar sağlamaktadır. Kompozit malzemeler, sürekli bir faz içine gömülmüş bir veya daha fazla kesikli fazdan oluşmaktadır. Bu kesikli faz genelde, sürekli fazdan daha sert ve dayanıklı olduğundan, takviye veya takviye malzemesi, sürekli faz ise matris adını alır. Takviye malzemesi; kontinü elyaf, kesikli elyaf, parçacık, dokuma kumaş yüzeyi, çok yönlü kumaş yüzey, üç boyutlu dokuma veya örme ön form, lif demeti, matris malzemesi ise metal, plastik veya seramik olabilir (Mazumdar, 2002; Ulcay, 1991; Rosato, 1997). Kompozit malzemelerin özellikleri; Bileşenler, Bileşenlerin dağılımı, Bileşenler arasındaki etkileşim, faktörlerinden büyük ölçüde etkilenmektedir (Agarwall, 1980). Kompozit malzemelerin özellikleri, bileşenlerin özelliklerinin hacimsel oranları toplamı olabilir yada bileşenler birbirini sinerjik bir şekilde etkiler ki bu durumda elde edilen kompozit malzemenin özellikleri, basit bir şekilde; bileşenlerin özelliklerinin hacimsel oranlar toplamı ile elde edilemez. Bu nedenle kompozit malzemeyi bir sistem olarak tanımlarken, bileşenleri ve bileşenlerin özelliklerini belirtmenin yanı sıra, takviyenin geometrisinin de sistem için bir referans olarak belirtilmesi gereklidir. Takviyenin geometrisi, şekil, boyut, boyut dağılımı ile tanımlanabilir (Agarwal, l976). Konsantrasyon, genellikle hacimsel yada kütlesel oran ile ölçülür. Temel olarak lif ve matris malzemenin hacimsel veya kütlesel oranından bahsetmek mümkündür. Kompozit 2

16 GİRİŞ bir plakanın kesit görünüşüne baktığımızda liflerin ve matris malzemenin durumu Şekil 1.1. deki gibidir. Şekil 1.1. Kompozit malzemenin kesit görünüşü (Agarwall, 1980). Burada liflerin ve matrisin hacimsel oranı; A f A m : liflerin toplam kesit alanı : matrisin toplam kesit alanı A c = A f + A m olduğundan, v f = A f / A c..(1.1) v m = A m / A c (1.2) lif ve matris malzemenin hacimsel oranları olarak tanımlanır. Bir bileşenin kompozit malzeme özelliklerine olan katkısı, bu hacimsel oran parametresi ile belirlenir. Konsantrasyon, genelde kompozit malzeme özelliklerini en çok etkileyen parametre olarak sayılmaktadır. Aynı zamanda, kompozit malzemenin özelliklerini değiştirmek için kolaylıkla kontrol edilebilen bir üretim değişkenidir (Agarwall, 1980). Konsantrasyon dağılımı, sistemin homojenliği ve üniform oluşunun bir ölçüsüdür. Homojenlik, örnek bir hacimdeki fiziksel ve mekanik özelliklerin, malzemenin ortalama değerlerinden farklılığının boyutunun belirlenmesinde önemli bir faktördür. Üniform olmayan bir sistemden kaçınılmalıdır. Çünkü bu özellikler malzemedeki en zayıf bağlar tarafından belirlendiğinden, düşüşler görülmektedir. Örneğin üniform olmayan bir malzemede hatalar en düşük dayanıma sahip bölgelerde başlamaktadır ki, bu da malzemenin toplam dayanımını etkilemektedir (Mallick, 1988). Kompozit malzemelerin yapısı beraber incelendiğinde, ortak bir dayanım mekanizması olduğu görülür. Dayanım mekanizması, takviyenin geometrisine çok sıkı şekilde bağlıdır. Bu nedenle kompozit malzemeleri, örnek takviye biriminin geometrisi göz önüne alınarak sınıflandırmak uygundur. Bu şekilde yapılan sınıflandırma Şekil 1.2. de görülmektedir. 3

17 GİRİŞ KOMPOZİT MALZEMELER Lif Takviyeli Kompozitler Parçacık Takviyeli Kompozitler Tek Katmanlı Kompozitler Çok KatmanlıKompozitler (Açılı katmanlı) Dağınık (Gelişigüzel) Oryantasyon Tercihli Oryantasyon Tabakalı Hibritler Sürekli Lif Takviyeli Kompozitler Kesikli Lif Takviyeli Kompozitler Tek Yönlü Takviye Çift Yönlü Takviye (Doku Takviyesi) Dağınık (Gelişigüzel) Oryantasyon Tercihli Oryantasyon Şekil 1.2. Kompozit malzemelerin sınıflandırılması (Agarwall, 1980). 4

18 GİRİŞ Takviyenin oryantasyonu sistemin izotropisini etkilemektedir. Takviye parçacık formunda olduğunda, malzeme özellikleri yönden bağımsız olarak izotropik bir malzeme gibi davranır ve her yönde yaklaşık olarak aynıdır. Kısa lif takviyeli kompozitler gibi, takviye parçacıklarının boyutları eşit olmadığında, rasgele yönlendirilmiş takviyeli kompozit malzemeler izotropik malzeme gibi davranabilirler. Diğer durumlarda (örn: Kısa lifli kompozit kalıplamada), üretim prosesi, takviyenin oryantasyonuna neden olabilir ve bu da bir miktar anizotropiye neden olabilir. Sürekli lif takviyeli kompozitlerde anizotropi arzu edilebilmektedir. Zaten, bu tür kompozitlerin başlıca avantajı anizotropinin tasarım ve üretim ile kontrol edilebilmesidir (Agarwall, 1980) Parçacık Takviyeli Kompozit Malzemeler Parçacık takviyeli kompozitlerde takviye elemanı, genelde uzun boyutlara sahip olmayan yapılardır. Takviye malzemesinin boyutları, takviye malzeme özelliklerinin, kompozit malzemeye olan katkısını belirler. Aynı zamanda uzun boyutlara sahip takviye elemanı, oluşan çatlakların büyümesini engeller. Bu nedenle lifler, matrisin kırılma dayanımını geliştirmek için etkili takviyelerdir. Parçacıklar genelde kırılma dayanımını geliştirecek bir etki göstermezler. Bunun yanında lastik türü malzeme parçacıkları, özellikle gevrek matrislerde kırılma dayanımını artırmaktadır. Parçacıklar matrise kıyasla doğalarındaki sertlik nedeniyle, matrisin plastik deformasyonunda bazı kısıtlamalara neden olur. Parçacıklar da yükü paylaşmaktadır. Fakat liflerin yük eksenine paralel olarak yerleştirildiği kompozitlere kıyasla bu, çok düşük bir seviyededir. Bu nedenle parçacıklar, kompozitin sertliğini arttırmada etkili olurken, dayanımı arttırmada fazla bir etkiye sahip değillerdir. Parçacık dolgular, her ne kadar yaygın olarak ısıl ve elektriksel iletkenliği değiştirmek, yüksek sıcaklık performansını geliştirmek, sürtünmeyi azaltmak, aşınma dayanımını arttırmak, makinede işlenebilirliğini geliştirmek, yüzey sertliğini artırmak ve büzülmeyi (çekmeyi) azaltmak amaçları için kullanılsa da, birçok durumda sadece maliyeti azaltmak için kullanılırlar. İnorganik dolgular oldukça etkili şekilde, yüzey sertliğini artırmak, büzülmeyi azaltmak, alev yavaşlatıcılığını artırmak, renk sağlamak, görünümü geliştirmek, ısıl ve elektriksel iletkenlikleri değiştirmek ve en önemlisi maliyeti düşürmek amaçlarıyla, diğer istenen özelliklerden önemli bir taviz vermeden kullanılmaktadırlar (Agarwall, 1980). Birçok önemli ticari elastomerler karbon siyahı veya silis ile dolgu yapıldığında uzayabilirliğini (elastikiyetini) önemli ölçüde korurken, mukavemet ve aşınma dayanımı gelişmektedir (Agarwall, 1980). İnce tabakalar etkili bir takviye için cazip özellikler göstermektedirler. Öncelikle 2-D (2 boyutlu) geometriye sahiptirler ve bu nedenle tek yönlü takviyelendirilmiş liflerle kıyaslandığında, kendi düzlemlerinde her yönde eşit dayanım gösterirler. Tabakalar paralel olarak yatırıldığında liflerden yada küresel parçacıklardan daha sıkı paketlenebilirler.mika tabakalar elektrik ve ısı izolasyon uygulamalarında kullanılır. Mika tabakaların camsı bir matrise gömülerek oluşturulduğu kompozitler, kolay işlenebilir ve elektriksel uygulamalarda kullanılabilir. Alüminyum tabakalar genelde boya ve diğer kaplamalarda, kendilerini kaplama yüzeyine paralel bir şekilde yönlendirir ve olağanüstü iyi özellikler verir. Gümüş tabakalar iyi bir iletkenlik gerektiğinde kullanılırlar (Agarwall, 1980). 5

19 GİRİŞ Parçacık dolgulu malzemede performansı etkileyen çok değişik unsurlar vardır. Bunların içinde, parçacık boyutları boyut dağılımları, yüzey enerjileri (yapışma etkisi nedeniyle), hacimsel oranlar, homojen dağılıp dağılmadıkları, eksen oranı denilen parçacığın iki ana eksen uzunluğunun oranı, üretim sırasında eksenlerin yönlenme miktarı, tek-tek ve birbirleriyle bağımlı olarak kompozit özelliklerini etkiler. Bu konularda şimdiye kadar yapılan çalışmalar sağlam bir teoriye dayanmaktadır. Ancak, bu karşılıklı ilişkiler yumağı bazen en güçlü bilgisayar kullanılarak yapılan modellemelerde bile bize ön tahmin yapma imkanı vermeyebilir. Bu tip kompozitlerde, örneğin, katı roket yakıtlarından dolgulu PVC malzemeye kadar geniş bir alanda araştırmalar devam etmektedir (Bayramlı, 1995; Gemci, 1996) Lif Takviyeli Kompozit Malzemeler Kompozit malzemelerin en yaygın türü elyaf takviyeli kompozitlerdir. Elyaf takviyeli kompozitlerde takviye malzemesi olarak ilk sırayı cam almıştır. Matris malzeme olarak plastik reçineler en fazla kullanılan tür olup bunlardan da polyester ucuzluğu sebebiyle ilk sırayı almaktadır. Epoksi reçine ise yüksek mukavemet ve kimyasal dayanım sebebiyle uzay, havacılık, ev ve spor aletleri yapımına kadar çok geniş bir alanda kullanım imkanı bulmuştur. Grafit ve kevlar elyaf-epoksi kompozitler ileri kompozitler olarak uzay ve havacılık endüstrisinin temel malzemeleri olmuşlardır (Güldü, 2003). Lif takviyeli kompozit malzemeler (LTK), farklı şekillerde sınıflandırılabilirler. Takviye elemanının şekline göre şöyle sınıflandırılırlar; 1. Sürekli lif takviyeli kompozitler 2. Kesikli lif takviyeli kompozitler Yapıya bağlı olarak yapılan sınıflandırma ise, 1. Tek katlı kompozitler 2. Çok katlı kompozitler şeklindedir. Lif takviyeli kompozit malzemelerde bileşen malzemeler, moleküler boyutta birbirinden farklıdırlar ve mekanik olarak birbirinden ayrılabilirler. Kompozit malzemelerin son özellikleri, bileşen malzemelerin özelliklerinden daha iyidir (Mazumdar, 2002; Aran, 1990). Tipik kompozit malzeme, takviye liflerinin Şekil 1.3. de görüldüğü gibi, matris içine yerleştirilmesiyle olur. Lifler filament, kısa veya uzun lif olabilir. Polimerik matrislerin kullanıldığı kompozitler daha yaygınlaşmıştır ve birçok endüstride kullanılmaktadır (Mazumdar, 2002). Matris (reçineler) termoset veya termoplastik olabilir. Takviye lifleri, uzun filament liflerden, dokuma kumaş, kısa kesilmiş lifler ve hasıra kadar değişik formlarda olabilirler. Her biçim ayrı özelliklerle sonuçlanır. Kompozit malzemenin özellikleri, liflerin kompozit içerisinde nasıl uzandığına çok kuvvetli biçimde bağlıdır. Bu kombinasyonların tümü yada sadece biri kompozitlerde kullanılabilir. 6

20 GİRİŞ Kompozitler hakkında hatırlanması gereken önemli bir nokta; yükü lifler taşımaktadır ve kompozit malzemenin dayanımı lif ekseni doğrultusunda en büyük değerdedir. Yük doğrultusunda yapılan filament lif takviyesi, matris malzemenin özelliklerini çok aşan özelliklerle sonuçlanmaktadır. Aynı lif kısa lif haline getirildiğinde (kesildiğinde), filament liflere göre daha düşük özellikler gösterirler (Şekil 1.4.). Şekil 1.3. Lif ve reçine kullanarak kompozit malzemenin üretilmesi (Mazumdar, 2002). Filament Lif Takviyeli Kompozit Kesikli Lif Takviyeli Kompozit Şekil 1.4. Sürekli ve kesikli lif takviyeli kompozitler (Mazumdar, 2002). Elyaf formu; uygulama alanına (yapısal veya yapısal olmayan) ve kompozit malzeme üretim metoduna göre seçilir. Yapısal uygulamalar için filament veya uzun lifler önerilir, yapısal olmayan uygulama alanlarında ise kısa lifler tavsiye edilir. Enjeksiyon ve baskı kalıplamada kesikli lifler kullanılırken, elyaf sarma, profil çekme, rulo sarımda filament lifler kullanılır (Mazumdar, 2002) LTK Malzemede Matris ve Liflerin Fonksiyonu Kompozit malzemede liflerin temel fonksiyonları; Yükü taşımak; yapısal kompozitlerde yükün % ı lifler tarafından taşınır. Kompozit malzemeye, sertlik, ısıl stabilite ve diğer yapısal özellikleri kazandırmak. Kullanılan lifin türüne bağlı olarak, elektriksel iletkenlik veya yalıtkanlık kazandırmaktır (Mazumdar, 2002). 7

21 GİRİŞ Bir matris malzeme, kompozit malzeme yapısında birçok fonksiyonu yerine getirir. Bunların birçoğu, yapının yeterli performans değerleri için çok önemlidir. Matris malzemenin önemli fonksiyonları; Matris, lifleri bağlar ve yükü liflere iletir. Yapıya, rijitlik ve şekil kazandırır. Matris, lifleri izole eder. Bu sayede lifler ayrı, bireysel olarak davranabilirler. Bu da, çatlak büyümesini durdurur veya yavaşlatır. Matris, iyi bir yüzey kalitesi sağlar ve net şekilli veya yarı net şekilli parçaların üretimini sağlar. Matris, takviye liflerinin kimyasal etkilere ve mekanik hasarlara karşı korunmasını sağlar. Seçilen matris malzemesine bağlı olarak, esneklik, darbe dayanımı gibi performans karakteristikleri etkilenir. Yüksek sertlik ihtiyacı için, termoplastik esaslı kompozitler seçilir. Malzemenin yetersizliği, kullanılan matris malzemenin çeşidi ve lifle uyumluluğundan çok etkilenmektedir (Mazumdar, 2002). Polimerik matrisli kompozitler (PMC), birçok mühendislik uygulamalarında tercih edilen malzeme özelliklerine sahiptir. Özgül katılık ve dayanım, darbe özellikleri ve aşınma dayanımı gibi faktörler, bu malzemeleri özellikle uçak sanayii, inşaat mühendisliği, gemi ve otomobil endüstrisi için cazip kılmaktadır. Uygulamaların birçoğu dinamik yükleme koşulları altında çalışmaktadır. Uçak endüstrisinde; kanatlar, türbin bıçakları gibi birincil uçak yapılarında bu malzemeler kullanılmaktadır. Bu malzemeler kuş saldırıları veya yabancı maddelerden kaynaklanan yüksek hızda darbelere maruz kalmaktadır. Otomotiv, gemi ve inşaat yapıları da kullanım sırasında yabancı maddelerden dolayı yüksek hızlı darbelere eğilimlidirler (Ochola, 2004). Şekil 1.5, Şekil 1.6. ve Şekil 1.7. de, ağırlık kazancının çok önemli olduğu bazı uygulama alanları görülmektedir. Şekil 1.5. Askeri uçaklarda kullanılan kompozit yapılar (Mazumdar, 2002). 8

22 GİRİŞ Şekil 1.6. Ticari uçaklarda kullanılan kompozit yapılar (Mazumdar, 2002). Şekil 1.7. Uydu bileşenleri olarak kullanılan kompozit yapılar (Mazumdar, 2002). 9

23 GİRİŞ Savaş gemilerinde de lif takviyeli kompozitler uzun süredir kullanılmaktadır yılında İngiltere de cam lifi takviyeli polimerik kompozit malzeme kullanılarak, Wilton adlı mayın temizleyici gemi yapılmıştır (Lindqvist, 2003). Bu gemilerde polimerik kompozitlerin tercih edilme nedeni manyetik olmayan bir malzeme olmasıdır. Normalde bu amaçla ahşap malzeme kullanılmakta idi. Ancak ahşap malzeme su absorbe ettiği için, zaman içerisinde bozunmakta ve özelliklerini kaybetmektedir. Kompozit malzemelerin, manyetik olmama özelliğinin yanı sıra; düşük ağırlık, mükemmel çarpma dayanımı ve düşük sinyal bırakma özellikleri önemli karakteristikleri arasındadır. Günümüzde, ağırlık ve dayanımın kritik olduğu uygulamalarda karbon lifi takviyeli kompozitler kullanılmaktadır. Kompozit bir tekne aynı boyut ve dayanımda çelik bir tekneye göre % daha hafif olmaktadır. Lif takviyeli sandviç yapılı kompozitler manyetik olmayan bir yapıda olduklarından düşük manyetik ve elektriksel iz bırakma özelliği gösterirler. Aynı zamanda ısıl izolasyonu iyi olan bu yapılar, düşük IR-sinyali göndermektedirler. Yapısal sönümleme kabiliyetleri yüksek olduğundan düşük akustik sinyal sağlarlar. Bu yapıların yüzeyleri pürüzsüz olduğundan radara yakalanma riski önemli ölçüde (% 99 lara kadar) azalmaktadır (Lindqvist, 2003). Kompozit yapıların kullanılmasıyla korozyon riski de yok edilmektedir. Kompozit yapılar metallerle kıyaslandığında düşük elastisite modülü ve yüksek darbe direnci gösterirler. Lif takviyeli sandviç yapılar, düşük ağırlıklı alüminyum alaşımların 3 katı, yüksek mukavemetli çelik ve titanyum alaşımların 2 katı yorulma dayanımı gösterirler (Lindqvist, 2003). Enerji üretim alanında, karbon lif takviyeli polimerler sıcaklığın düşük olduğu, ilk basınç aşamasında kullanılabilirler. Hammadde maliyeti olarak; karbon lif takviyeli kompozitler, çelikten 2-5 kat daha pahalıdırlar. Birçok uygulamada kompozit malzeme kullanımı, parçanın fiyat artışına neden olur. Ancak, lif takviyeli polimerik kompozit malzemelerde yüksek özgül dayanım ve yüksek performans sayesinde daha hafif parçaların oluşturulması sağlanır ki bu da yapısal desteklerin azaltılması ile sonuçlanır ve tüm sistemin maliyeti ciddi bir miktarda düşer ( Mahieux, 2001). Birçok cam lifi, karbon lifi, yüksek modüllü PE gibi liflerle takviyelendirilmiş LTK ler, dişçilik uygulamaları için geliştirilmiştir. Cam lifi takviyeli olanlar estetik nedenler dolayısıyla tercih edilmektedir. Bu kompozitler kliniklerde kabul görmüştür. Çünkü bu yapılar iyi mekanik özelliklere sahiptir, biyolojik olarak uyumludurlar, iyi optik özellik ve bağlanma özellikleri gösterirler ve tamiri kolaydır ( Karmaker, 2000) LTK Malzemede Takviye Elemanları Takviye elemanları kompozit malzemenin önemli bileşenidir ve kompozit malzemenin katılık ve dayanımının önemli bir kısmını sağlar (Mazumdar, 2002). Sıkça kullanılan takviye türlerinden bazıları; Kontinü karbon lif kablosu, cam elyaf fitili, aramid iplik Kesikli lifler Dokuma kumaş 10

24 GİRİŞ 3 boyutlu kumaş Dokuma veya örme yapıda 3 boyutlu ön şekilli parçalardır. En çok kullanılan takviye elemanları cam, karbon, aramid ve bor lifleridir. Tipik lif çapları 5 µm ( inç) ile 20 µm ( inç) arasında değişir (Mazumdar, 2002). Ek Çizelge 1. de bazı liflerin ve konvansiyonel malzemelerin özellikleri görülmektedir Cam Lifi Cam lifleri polimer kompozitlerde en çok kullanım alanına sahip liflerdir. Bugün termoset reçinelerle birlikte kullanılan takviye liflerinin 2/3' ünden fazlası cam lifleridir. Cam liflerinin erime noktaları yaklaşık 840 C'dir. Cam liflerinin ana maddesi silikadır. Lif içinde SiO 2 şeklinde bulunur. Cam liflerinin özellikleri değişik malzemelerin eklenmesi ile değişik performans seviyelerine ayarlanabilir. Düşük maliyeti, yüksek gerilim mukavemeti, yüksek kimyasal direnci ve mükemmel yalıtma özellikleri cam liflerinin avantajları arasındadır. Düşük gerilim modülü, yüksek yoğunluğu, kullanım esnasında aşınmaya karşı olan duyarlılığı, düşük yorulma direnci ve yüksek sertliği de dezavantajlarıdır (Philips, 1989; Ulcay, 1991). Cam lifleri oldukça fazla ve kolay bulunabilmektedir. Aramid ve karbon liflerine göre oldukça ucuzdur. En çok kullanılan 3 tipi E-cam, S-cam ve S2- cam dır. Cam liflerinin tipik örnekleri A, C, D, E ve S tipi cam lifleridir. En cok kullanılan E tipi camdır. Esas olarak elektrik amaçlı düşünülmesine rağmen iyi mekanik özelliklere ve ısıl dirence sahip olduğu için bugün birçok sanayi dalında kullanılmaktadır. C tipi cam lifleri kimyasal direnci yüksek olduğu için kimyasal korozyona dayanıklı olması istenen yerlerde kullanılır (Cook, 1984; Philips, 1989). S tipi cam lifi yüksek modüle ve mukavemete sahip olmasına karşın yüksek maliyetinden dolayı ancak özel kullanım alanlarına uygundur (Philips, 1989). Cam lifleri diğer takviye liflerinden farklı olarak izotropik yapıya sahiptirler. Çünkü camın yapısında üç boyutlu network bir yapı bulunur. Cam lifleri birbirlerine sürtünme ile zarar görürler. Cam liflerini bu hasardan koruyabilmek için haşıl tipi bir maddeyle kaplamak gerekir. Cam lifleri kayıkların, yarış botlarının, helikopter gövde ve kanatlarının, otomobil panellerinin, sıvı tanklarının yapımında kullanılmaktadır (Moncrieff, 1975; Philips, 1989) Karbon Lifi Karbon lifleri metallere göre oldukça düşük yoğunluktadır. Çeliğe göre mukavemeti yüksek olup, aşırı katıdırlar (Cook, 1984). LTK'larda kullanılan karbon lifleri düşük yoğunluktaki hafif reçineleri takviye etmede kullanılır. Genellikle epoksi reçineleri ve 11

25 GİRİŞ bazende polyester reçineleri takviyelendirir. Karbon liflerinin takviye elemanı olarak kullanılması grafit kristalinin karakteristik sonucudur. Karbon grafit kristali altıgen hegzagonal katlı bir yapıda olup, her köşedeki karbon atomları birbirlerine kovalent bağlarla bağlanmıştır. Katlar ise birbirlerine VanderWaals bağlarıyla bağlanmıştır. Grafit kristalinin anizotropik yapısından dolayı bu katların lif uzunluğunca olması istenir. Bu şekilde bir düzenleme yüksek elastisite modülüne sahip bir karbon lifi üretmek için gereklidir (Philips, 1989; Ulcay, 1991). Bugün iki tip karbon lifi üretilir: yüksek mukavemetli karbon lifleri ve yüksek modüllü karbon lifleri. Piyasada ticari olarak mevcut karbon lifleri şunlardır: Celion Thornel Fortafil Toroyca Grafil - Amerikan Celanese firması tarafından üretilir. - Amerikan Union Carpet firması tarafından üretilir. - Amerikan Great Lakes firması tarafından üretilir. - Japon Toroya firması tarafından üretilir. - İngiliz Courtauls firması tarafından üretilir. Karbon liflerinde mukavemet/ağırlık ve modül/ağırlık oranları çok yüksektir. Isıya karşı boyutsal stabilite, yüksek yorulma mukavemeti, yüksek erime noktası ve yüksek katılıkları onların avantajlarıdır. Düşük ani darbe direnci, yüksek elektrik iletkenliği karbon liflerinin dezavantajlarıdır. Karbon lifi takviyeli kompozit malzemeler uçak sanayisinde, roket ve uydu yapımında, otomotiv sanayisinde ve birçok spor malzemelerinin yapımında kullanılır (Moncrieff, 1975; Cook, 1984; Eaton, 1986) Aramid Lifi Aramidlere benzen halkaları içeren aromatik poliamidlerde denilir. Yapıdaki aromatik halka zincirin katılığını artırır. Bu halkanın bağlantı şekline göre yapı meta aramid, para aramid gibi adlar alır (Cook, 1984). Aromatik yapı zincirin katılığını artırdığı için erimezler. Bu yüzden aramidler çözeltiden elde edilirler (Aran, 1990; Philips, 1989). Aramid ailesi içinde Amerikan Dupont firmasının geliştirerek piyasaya sunduğu Kevlar lifleri bugün ençok kullanılan türlerdir. Kevlar liflerinin piyasada bilinen beş türü vardır (Ulcay, 1991). Bunlar; 1. Kevlar - Tekerleklerde takviye lifi olarak kullanılırlar. 2. Kevlar 29 - Urgan, kablo, kaplanmış kumaş ve balistik korunma amaçlı kumaş üretiminde kullanılırlar. 3. Kevlar 49 - Otomotiv sanayi, deniz sanayi ve sportif amaçlı eşya sanayisinde kullanılırlar. Kompozit malzeme yapımında takviye lifi olarak kullanılırlar. 4. Kevlar 68 - Kevlar 49' un kullanıldığı her yerde kullanılır. 5. Kevlar Kevlar 49"dan %35 daha yüksek modüle sahiptir. Ancak üretimi durmuştur. 12

26 GİRİŞ LTK malzemelerde en çok Kevlar 49 lifleri kullanılmaktadır. Şekil 1.8.' de de görüldüğü gibi Kevlar 49 liflerinin zincirinde bulunan aromatik halkalar elyafın rijitliğini büyük ölçüde artırır. Bu da elyafa yüksek modül, daha iyi kimyasal ve termal stabilite sağlar. Üretim ve işleme esnasında katı polimer molekülleri lif eksenine paralel olarak oryante edilirler. Bu oryantasyon, yüksek modülün kazanılmasına yardım eder (Mallick, 1988). Şekil 1.8. Kevlar 49 lifinin moleküler yapısı (Anonim, 2004). Kevlar liflerinin son derece yüksek mukavemet / ağırlık oranına sahip olmaları onların son derece geniş kullanım alanına sahip olmalarını sağlamıştır. Bugün uçak sanayisinde, yüksek performanslı kayış ve halat yapımında, yüksek basınca dayanıklı boruların yapımında, yüksek performanslı radyal tekerleklerin yapımında yaygın olarak kullanılmaktadırlar Matris Malzemeler Genel olarak kompozit üretimi için kullanılan reçineler iki kategoriye ayrılır. Bunlar termoset esaslı ve termoplastik esaslı kompozit malzemelerdir. Termoset plastikler bir kez katılaştırıldıktan (kür) sonra tekrar eritilemezler. Termoplastikler ise tekrar eritilip şekil verilebilir ve katılaştırılabilirler. Bütün kompozitlerde 2 temel bileşen mevcuttur. Bunlar: takviye elemanları ve reçinelerdir (Mazumdar, 2002). Sistemin içinde kaplama maddeleri ve dolgu maddeleri gibi başka elemanlar da olabilir. Kaplama maddeleri lif yüzeyine uygulanarak, yüzeyin ıslanma derecesini artırır ve böylece lif-matris arasındaki yapışmayı geliştirir. Dolgu maddeleri ise, boyutsal kararlılığı geliştirmek, maliyeti azaltmak için kullanılırlar (Gemci, 1996) Termoset Reçineler Termoset matrisler, küçük monomer moleküllerini, uzun ve aralarında kuvvetli bağlar bulunan polimer molekülleri haline getiren kimyasal reaksiyon sonucu oluşur. Bu reaksiyonun gerçekleşmesi için genellikle katılaştırıcı kullanılır. Termoset matrisler LTK yapımında daha fazla kullanılırlar. Termoset matrisler sıvı halde bulunurlar. Katılaştırıcı ilavesi ile önce jel haline gelir ve sonra da katılaşırlar. Termoset reçineler izotropiktirler. LTK yapımında genellikle düşük viskozitede olmaları tercih edilir (Gemci, 1996). 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. Kırılgan sayılırlar (Ulcay, 1989). Termoset malzemeler kür edildikten sonra tekrar eritilemez ve şekil verilemezler. Kür işlemi sırasında molekül zincirleri, Şekil 1.9. de görüldüğü gibi çapraz bağlanma 13

27 GİRİŞ yaparlar. Bu nedenle moleküller tekrar eritilip şekil verdirilemez. Çapraz bağlanma yoğunluğu ne kadar fazla ise malzeme o kadar rijit ve ısıl stabilitesi yüksek olur (Mazumdar, 2002). Poliimidler, plastikler arasında kalıpta şekil verilebilen, ısıl direnci en yüksek polimerlerdir (Itoh, 2002). Şekil 1.9. Termoset moleküllerin kür işlemi sırasında çapraz bağlanması (Mazumdar, 2002) yılında 3,6 milyar libre cam lifi takviyeli termoset kompozit malzeme (reçineler, lifler, dolgu ve katkı) tüketimi tespit edilmiştir yılları arasında, cam lifi takviyeli kompozit malzeme üretimi yıllık % 4,5 büyümüştür de oldukça zorlu yerel ve küresel ekonomik koşullar ve 9/11 olayları büyümeyi yavaşlatmıştır. Ancak 2002 de tekrar bir canlılık olmuştur ve 2006 yılında 4,5 milyar librelik bir tüketim tahmin edilmektedir (Blanco, 2002). Çizelge 1.1. de bazı termoset reçinelerin özellikleri verilmiştir. Çizelge 1.1. Tipik dolgusuz termoset reçinelerin fiziksel özellikleri Reçine Malzemesi Yoğunluk (gr / cm 3 ) Çekme Modülü GPa (10 6 psi) Epoksi (0,36 0,72) Fenolik ( ) Polyester ( ) Çekme Dayanımı MPa (10 3 psi) (7.2 16) (5 9) (5 13.8) Epoksi Reçine Gelişmiş kompozitlerde genellikle tercih edilen ve her tür elyaf ile kullanılabilen bir reçinedir. Epoksi grubunun polimerizasyonu ile elde edilir. Farklı formüller kullanılarak özelliklerini büyük ölçüde değiştirmek mümkündür (Aran, 1990). Epoksi reçinenin genel başlangıç malzemesi Bis-fenol A Diglisidil Eter dir. Diğer malzemeler başlangıç çözeltisine karıştırılabilir. Mesela sulandırıcı maddeler viskoziteyi düşürmek, plastikliği artırmak ve epoksi reçinenin darbe mukavemetini artırmak için kullanılabilirler (Gemci, 1996). 14

28 GİRİŞ Reaktif katılaştırma maddesi (mesela di etilentriamin) takviye lifleri ile reçine karışmadan önce, reçine sıvı haldeyken ilave edilir. Katışaştırıcı maddenin amine grupları ile reçinenin epokside grupları reaksiyona girer (Gemci, 1996). Şekil Epoksi Grubu (Pişkin, 1999). Epoksi reçineler, reçine türüne ve son kullanım yerine göre sıvı veya katı olarak temin edilebilir. Bu reçineler çeşitli ajanlar varlığında, oda sıcaklığında veya yüksek sıcaklıkta kür edilerek termoset son ürün haline dönüştürülür. Epoksi reçineler termoset formunda mükemmel mekanik dayanıklılığa, yüksek dielektrik direncine, iyi boyutsal kararlılığa, kimyasal ve ısıl dirence sahiptirler (Pişkin, 1999). Sertleşme sırasında kendini çekme sorunu yoktur. Birçok elyaf ile iyi bağ oluşturur ve ayrıca kimyasal dayanımları da yüksektir (Aran, 1990). Bu özelliklerin yanı sıra sahip olabilecekleri formülasyonların çeşitliliği ve çok yönlü işlenebilirlik özellikleri nedeniyle epoksi termosetler, birçok uygulama alanı bulmuştur Çok değişik epoksiler geliştirilmiştir. Uygun bir seçim yapmak çok önemlidir. Kullanılan sertleştiricinin türü, ortaya çıkan kompozit malzemenin özelliklerini büyük ölçüde etkiler. Sertleşme süresi 1 saat dolayında olup, 127 ve 177 o C sıcaklıklarda ve genellikle basınç altında gerçekleştirilir. Ayrıca epoksilerin 250 o C ye kadar ısıl kararlı türleri de geliştirilmiştir (Aran, 1990) Polyester Reçine Kompozit malzeme matrisi olarak, özellikle cam elyaf takviye ile birlikte yaygın olarak kullanılır. Ester grubunun sertleşmesi ile oluşur. Ester polimerizasyonunda reaksiyon, dibazik ve diasitik monomerlerin birleşmesidir; n ( HO-R-OH ) + n ( H-P-H ) -[ R-P] n + 2n H 2 O Örneğin etil glikol; ( HO-CH 2 - CH 2 -OH ) ve fumarik asit ; kullanıldığında polimeri oluşur. 15

29 GİRİŞ Burada karbon atomları arasında çift bağ bulunması polimerin doymamış olduğunu gösterir. Bu çift bağlar doymamış bir monomer yardımıyla polimer zincirleri arasındaki çapraz bağların kurulmasına ve üç boyutlu, kuvvetli bir ağın oluşturulmasına (sertleşme) olanak sağlar. Bu durumda sertleştirici olarak kullanılan monomer ağın bir parçası olur. Sertleşmenin derecesi ve hızı bir hızlandırıcı yardımıyla kontrol edilir. Polyesterde bağların şekli yer değiştirilerek çok farklı özellikler elde edilebildiğinden, bunlar hakkında genel bir fikir vermek oldukça güçtür. Polyester reçineler 100 o C sıcaklığın altında mekanik ve kimyasal dayanım bakımından iyi olup, fiyatları düşüktür. Polyesterin sertleşme öncesinde viskozitesi düşüktür ve cam elyafını çok iyi ıslatır. Kompozit malzemelerde matris olarak kullanılırken dolgu malzemeleri katılabilir (Aran, 1990). Bunun yanında polyester reçinenin dezavantajları; sertleşme sırasında kendini çekme oranı (% 5-12) yüksektir. Bu durum liflerin basma gerilimi altında burkulmasına neden olabilir. Bu nedenle malzemenin basma gerilimleri altındaki dayanımı düşüktür ve düzgün yüzey elde etmek güçtür. Özellikle alkali ve bazik ortamlarda korozyon dayanımı düşüktür. Bünyesine su alarak bozunur (Aran, 1990) Fenolik Reçine Bakalit olarak da bilinen fenolik reçineler, Şekil de de görüldüğü gibi esas olarak fenol ile formaldehit kondenzasyon polimerizasyonu ile sentezlenen polimerlerdir. Şekil Fenol Formaldehit polimer sentezi 1909 da Baekeland çapraz bağlı termoset fenolik reçinenin üretimini gerçekleştirmiştir (Pişkin, 1999). Fenolik reçineler eriyebilir, laminat ve kalıplama kompozisyonlarında kullanılabilir. Bunun için basınca ihtiyaç duyulur. 300 o C ye kadar asbest lif ile takviye edilebilir. Alkalilere karşı duyarlı olup, su ve birçok asitlere karşı dayanıklıdır (Yazıcı, 1993) Termoset Kompozit İşlemenin Avantajları Yaygın termoset reçineler; epoksi, polyester 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; 16

30 GİRİŞ 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 (Mazumdar, 2002) Termoset Kompozit İşlemenin Dezavantajları 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 (Mazumdar, 2002) Termoplastik Reçineler Termoplastik malzemeler, genellikle sünek ve termoset malzemelerden daha sert malzemelerdir. Yapısal olmayan uygulamalarda dolgu ve takviye kullanmaksızın yaygın şekilde kullanılırlar. Termoplastikler ısı ile eritilebilir ve soğutma ile katılaştırılırlar. Bu da onlara tekrar şekil verdirilebilme kabiliyeti sağlar. Termoplastik moleküller çapraz bağlanma yapmadıklarından esnektirler ve yeniden şekillendirilebilirler. Şekil te görüldüğü gibi termoplastikler amorf veya yarı kristalin yapıda olabilirler. Amorf termoplastiklerde moleküller gelişigüzel düzenlenmiş bir yapıdadır. Kristalin bölgede ise moleküller sıkı paketlenmiş düzenli bir yapıdadır. Şekil Amorf (a) ve yarı kristalin (b) polimerlerde moleküler düzenlemeler (Mazumdar, 2002) Moleküllerin karmaşık yapısı nedeniyle plastiklerin % 100 kristaliteye ulaşmaları mümkün değildir. Bazı termoplastiklerin özellikleri Çizelge 1.2. de verilmiştir. Düşük katılık ve dayanım değerleri sebebiyle; yapısal uygulamalarda dolgu ve takviye elemanlarına gereksinim duyarlar. Termoplastikler, genellikle termosetlere göre özellikle 17

31 GİRİŞ yüksek sıcaklıklarda, düşük dayanım gösterirler. Termosetlere göre çözeltilere karşı daha kolay etkilenebilir yapıdadırlar. Çizelge 1.2. Tipik katkısız termoplastik reçinelerin özellikleri Reçine Malzemesi Yoğunluk (gr / cm 3 ) Çekme Modülü GPa (10 6 psi) Çekme Dayanımı MPa (10 3 psi) Naylon ( ) (8 13) PEEK ( ) 100 (14.5) PPS (0.49) 80 (11.6) Polyester ( ) (8 8.7) Polikarbonat 1, ( ) (8 10) Asetal 1.4 3,5 (0.5) 70 (10) Polietilen ( ) (2.9 5) Teflon (1.5-5) Ek Çizelge 2 de çeşitli takviyelendirilmiş termoplastik reçinelerin mekanik ve ısıl özellikleri görülmektedir. Ek Çizelge 3 te çeşitli termoset ve termoplastik malzemeler için maksimum sürekli kullanım sıcaklıkları görülmektedir Termoplastik Kompozit İşlemenin Avantajları Termoplastik kompozitlerin başlangıç hammaddesi katı haldedir ve son ürün eldesi için eritilmesi gereklidir. Termoplastik kompozit üretiminin avantajları; 1. Proses süreci genelde çok kısadır. Çünkü, proses sırasında kimyasal bir reaksiyon yoktur. Bu nedenle, yüksek hacimli üretim metotları için kullanılabilir. Örneğin, enjeksiyon kalıplama için proses süresi 1 dakikadan azdır. 2. Termoplastik kompozitler, ısı ve basınç ile yeniden şekillendirilebilirler. 3. Termoplastik kompozitlerin geri dönüşümü kolaydır (Mazumdar, 2002) Termoplastik Kompozit İşlemenin Dezavantajları 1. Termoplastik kompozitlerin üretimi, ağır ve dayanıklı teçhizat gerektirir. Ayrıca, teçhizat maliyeti yüksektir. Örneğin Reçine Enjeksiyon İşlemi için gerekli olan yatırım maliyeti $ iken, termosetlerde kullanılan Filament Sarım için gerekli olan mandrel maliyeti 500$ civarındadır. 2. Termoplastik kompozitlerin üretiminde ısı ve basınç uygulamak için bazen nitelikli donanım gerektirmektedir (Mazumdar, 2002) Kompozit Malzeme Üretimi Her malzeme, kendine özgü fiziksel, mekanik ve işleme karakteristiklerine sahiptir. Bu nedenle malzemeyi son şekline dönüştürmek için uygun bir üretim tekniğinden faydalanılmalıdır. Herhangi bir üretim tekniği, bir malzeme için en iyi teknik olabilirken, bir başkası için verimli olmayabilir. Bir üretim yönteminin başarılı olması için sistemin güvenilir ve maliyet açısından verimli olması gereklidir. Maliyet açısından verimlilik büyük oranda üretim miktarına 18