KOMPOZİT SEKTÖR RAPORU

Transkript

1 İSTANBUL TİCARET ODASI KOMPOZİT SEKTÖR RAPORU Hazırlayan: Ozan Arıcasoy Aralık, 2006

2 İÇİNDEKİLER BİRİNCİ BÖLÜM Sayfa No 1. ÜRÜN TANIMI VE KAPSAMI Kompozit Tarihçesi Yoğun Olarak Kullanılan Matrisler ve Genel Özellikleri Kompozit Malzemelerde Kullanılan Başlıca Elyaf Türleri Cam Elyafı Karbon Elyafı ve Üretim Süreci 9 Aramid Elyafı ve Dezavantajları 10 Kompozit Malzeme Üretim Yöntemleri Elle Yatırma( hand lay-up) Püskürtme( spray-up) Elyaf Sarma (filament winding) Reçine transfer kalıplama RTM / reçine enjeksiyonu Profil çekme / pultruzyon (pultrusion) Hazır kalıplama / conmpression molding (SMC,BMC) Hazır kalıplama pestili / SMC (sheet moulding composites) Hazır kalıplama hamuru / BMC (bulk moulding composites) Vakum bonding / vakum bagging Otoklav / autoclave bonding Preslenebilir takviyeli termoplastik/glass mat reinforced thermoplastics (GMT) Kompozit Malzeme Kullanım Alanları Havacılık Sanayi Uçaklarda Kullanılan Kompozit Bileşenleri Matris Malzemeleri Epoksi Reçineleri Polyesterler Polyamidler Naylonlar Fiber Takviyeler Cam Fiberler Karbon Fiberler Organik Fiberler Denizcilik Sanayi Spor Araçları Korozyona Dayanıklı Ürünler Sağlık Ulaşım Otomotiv Formula 1 Arabaları Müzik aletleri Yapı sektörü Kompozit Malzemelerin Avantajları ve Dezavantajları 21 2

3 İKİNCİ BÖLÜM 2. DÜNYA KOMPOZİT SEKTÖRÜ Dünya Kompozit Sektörü İhracatı Dünya Kompozit Sektörü İthalatı İhracat ve İthalatta 2005 yılı Ülke Sıralaması 28 ÜÇÜNCÜ BÖLÜM 3. TÜRKİYE KOMPOZİT SEKTÖRÜ Türkiye Kompozit Sektör İhracatı Türkiye Kompozit Sektör İthalatı 29 DÖRDÜNCÜ BÖLÜM 4. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME Malzeme Teknolojilerinde Türkiye nin 2023 Hedefleri 30 Kaynakça 34 TABLOLAR LİSTESİ OTOMOTİV SANAYİİNE GENEL BAKIŞ TABLO 1 : KOMPOZİT YAPISI 5 TABLO 2 : BELLİ BAŞLI TERMOPLASTİK REÇİNELERİ VE İŞLEM ISILARI(AZOM) 7 TABLO 3 : KARBON ELYAFI SINIFLARI 10 TABLO 4 : BELLİ BAŞLI ELYAFLARIN KARŞILAŞTIRILMASI 11 TABLO 5 : YÜKSEK MUKAVEMETLİ MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ VE KOMPOZİTLERİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ 23 TABLO 6 : E,S,C CAMLARININ KİMYASAL BİLEŞİMLERİ 24 TABLO 7 : KARBON, CAM VE KEVLAR 49 FİBERLERİNİN 20 o C DEKİ ÖZELLİKLERİ 24 TABLO 8 : DÜNYA KOMPOZİT SEKTÖR İHRACATI 25 TABLO 9 : DÜNYA KOMPOZİT İTHALATI 26 TABLO 10 : İHRACATTA ÜLKE SIRALAMASI (2005 YILI) 28 TABLO 11 : İTHALATTA ÜLKE SIRALAMASI (2005 YILI) 28 TABLO 12 : TÜRKİYE KOMPOZİT İHRACATI 29 TABLO 13 : TÜRKİYE KOMPOZİT İTHALATI 30 TABLO 14 : MALZEME TEKNOLOJİ VİZYONLARI 31 RESİMLER LİSTESİ RESİM 1 : CAM ELYAFI ÜRETİMİ 8 RESİM 2 : PÜSKÜRTME YÖNTEM 12 RESİM 3 : ELYAF SARMA MAKİNESİ 12 RESİM 4 : RTM YÖNTEMİ 13 RESİM 5 : VAKUM BAGGING 15 3

4 1. ÜRÜN TANIMI VE KAPSAMI 1.1. Kompozit Tarihçesi Malzeme sektörü, ekonomide tüm faaliyetlere girdi sağlayan temel, yayılgan (jenerik) alanlardan biridir. Bu niteliği açısından mikro-elektronik, biyoteknoloji ve nanoteknoloji ile birlikte sınai üretimin karakterini dönüştürecek ana teknolojik alanlardan biri olarak kabul edilmektedir. Savunma, havacılık, mikro-elektronik, iletişim ve otomotiv sektörlerinde kullanılacak ileri malzemelerin ortaya çıkışı, malzeme biliminin bu gereksinimleri karşılayabilecek çok disiplinli, proses ağırlıklı bir alana dönüşmesiyle birlikte ilerlemektedir. Bu bağlamda polimerik ve kompozit malzemeler, akıllı ve işlevsel malzemeler, optoelektronik malzemeler gibi önümüzdeki yıllarda önemli çekim alanları oluşturacak ileri malzeme alanları, ülkemiz için de önemli fırsat alanlarıdır. Birbirine karışmayan iki veya daha fazla katının bileşimiyle oluşan katı malzemelere "kompozit malzeme" denir. Doğadaki malzemelerin çoğu "kompozit" olarak adlandırılan bileşik yapılı maddelerden oluşur. Bu karışımın özelliği, kendini oluşturan maddelerin özelliklerinden çok daha üstündür. En tipik örnek, artık günümüzde gelenekselleşmeye başlayan ve "fiberglas" olarak bilinen polyester esaslı reçinelerin cam elyaf ile takviyesiyle üretilen malzemelerdir. Ancak bugün 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. İlk modern sentetik plastiklerin 1900'lerin başında geliştirilmesinin ardından, 1930'ların sonunda plastik malzemelerin özellikleri diğer malzeme çeşitleri ile boy ölçüşür düzeyde gelişmeye başlamıştır. Kolay biçim verilebilir olması, metallere oranla düşük yoğunlukta olması, üstün yüzey kalitesi ve korozyona karşı dayanımı plastiğin yükselmesindeki en önemli özelliklerdir. Bir çok üstün özelliğinin yanı sıra sertlik ve dayanıklılık özelliklerin düşük olması plastik malzemelerin güçlendirilmesi için çalışmalar yapılmasına neden olmuştur. Bu eksikliğin giderilmesi amacıyla 1950'lilerde polimer esaslı kompozit malzemeler geliştirilmiştir. Kompozitler, özellikle polimer kompozitler yüksek mukavemet, boyut ve termal kararlılık, sertlik, aşınmaya karşı dayanıklılık gibi özellikleriyle pek çok avantajlar sunarlar. Ayrıca kompozit malzemeler dayanıklılık ve sertlik yönünden metallerle yarışabilecek olmasının yanında çok da hafiftirler. Kompozit malzemelerin üç ana elemanı bulunmaktadır. Bunlar: 1. Matriks: Termoset veya termoplastik polimer malzeme olarak sürekli fazı oluşturur. Termosetler grubunda ağırlıklı olarak poliyesterler kullanılır. Bunun yanı sıra vinil ester / bisfenol, epoksi reçine ve fenolik reçinelerin kullanımı da giderek yaygınlaşmaktadır. Termoplastik grubunda yaygın olarak poliamid ve polipropilen kullanımını görmekteyiz (yaklaşık % 68.3), bunların yanı sıra hibrid formda polietilen ve polibutilen tereftalat, polietereterketon ve polietersulfon kullanımı da dikkat çekmektedir. 2. Takviye: Aramid, karbon, grafit, boron, silisyum karbür (SiC), alümina, cam ve polietilen malzemelerin kısa veya uzun devamlı elyaf formunda kullanıldığı ve matriksi yaklaşık % 60 hacim oranında pekiştirici işlevi olan malzemelerdir. 3. Katkılar: Dolgular, kimyasallar ve diğer katkılar matrikse niteliklerine göre özelliklerin geliştirilmesi amacıyla ilave edilirler. Bu gruptaki kompozit malzemeler uçak-uzay, savunma, yapı-inşaat, tüketim mallarında, korozyon dayanımı gerektiren uygulamalarda, elektrik-elektronik, denizcilik, kara 4

5 taşıtlarında ve özel amaçlı uygulamalarda kullanılmaktadır. Özellikle otomotiv sektöründe giderek artan ve % 6 ya yaklaşan bir uygulama artış hızı görülmektedir. Matris Malzemeleri TABLO 1 KOMPOZİT YAPISI Takviye Elemanları Kompozit Yapının Şekli Polimerler Lifler Tabakalar Metaller Granül Kaplamalar Seramikler Whiskers Film-Folya Pudra Yonga Honey-Combs (Bal peteği) Filaman Sarılmış Yapılar Kaynak: Ayhan Enşici, İTÜ Mimarlık Fakültesi Günümüzde en çok kullanılan kompozitlerden biri betondur. Çimento ve kumdan meydana gelen malzeme matris çelik çubuklar ile desteklenir. Bir diğer tanınmış kompozit ise kerpiçtir. Çamur ve samanın karıştırılması ile oluşturulan bu malzeme oldukça eskiden beri bilinen belki de insanlık tarihinin en eski yapı malzemesidir ve halen Türkiye'de kırsal kesimde kullanılır. Bazı ülkelerde, (Örn;Yemen'de) bu yapı malzemesinden çok katlı yüksek yapılar inşa edilir. En çok kullanılan kompozit malzeme kombinasyonları; Cam elyafı+ polyester, karbon elyafı+epoksi ve aramid elyafı+epoksi birleşimleridir. Kompozit malzemeler katlı tabakalar veya ince tabakalar halinde uygulanabilmektedir. 1940'larin sonlarında geliştirilen CTP (Cam Takviyeli Polyester-CTP/ Glassfiber Reinforced Polyester/GRP, FIBERGLASS) günümüzde en çok kullanılan ve ilk modern polimer esaslı kompozit malzemedir. Bugün üretilen tüm kompozit malzemelerin yaklaşık olarak % 85'i CTP'dir ve çoğunlukla tekne gövdeleri, spor araçları, paneller ve araba gövdelerinde kullanılmaktadır. CTP ve diğer kompozit kombinasyonları günümüzde tercih edilmesinin ve kullanımlarındaki artışın mutlak sebepleri sağlamlıkları ve hafiflikleridir. Çeşitli plastik malzemelerin seramik, metal bazen de sert polimerlerin elyafları ile güçlendirilerek ileri derecede faydalar sağlayan malzemeler üretmek mümkündür. İçindeki plastik sayesinde kolaylıkla şekil verilebilen ve takviye elyaflar sayesinde son derece sağlam, sert ve hafif olan bu malzeme kombinasyonları, kompozitler her gün yepyeni uygulama alanlarında karşımıza çıkmaktadırlar. Ayrıca metallere kıyasla malzeme yorulması, malzeme üzerinde hasarların tolöre edilmesi ve korozyona dayanıklılık özellikleri bakımından avantaj sağlamaktadır. Tüm bu faydalarına rağmen kompozitlerin tamamıyla metalin yerine geçmemesinin dört ana sebebi vardır. 1.Titanyum ve çelik gibi metallerin bazı uygulamalarda ihtiyaç duyulan kritik düzeyde ısı, mekanik özellikleri günümüz kompozitleri karşılamamaktadır. 2. Yeni geliştirilen matris malzemelerle, elyafların tüm karakteristik özellikleri metaller kadar bilinememektedir. 3. Bazı karmaşık biçimler düşük maliyetler çerçevesinde üretilememektedir. 5

6 4. Kompozitler kg başına düşen üretim maliyeti rakamları metallerden, özellikle alüminyum, daha yüksektir Yoğun Olarak Kullanılan Matrisler ve Genel Özellikleri Polyester; Özellikle denizcilik ve inşaat alanında en çok kullanılan termoset reçinedir. Kompozit malzemelerde kullanılan 2 tür polyester reçine vardır; daha ekonomik olan ortoftalik ve suya dayanım gibi daha iyi özelliklere sahip olan isoftalik polyester. Polyester reçinelerini polimerizasyon süreçlerinin tamamlaması için katalizör ve hızlandırıcı olarak adlandırılan ek maddelere ihtiyaç duyarlar. Türkiye de Cam Elyaf A.Ş. nin yanı sıra Boytek Reçine, Boya ve Kimya Sanayi Ticaret A.Ş. gibi firmalar da genel amaçlı kullanımlar için polyester üretmektedir. Reçinelerin avantajları;kolay kullanım ve çok düşük maliyetli olmasıdır( $/kg) dezavantajları ise;sertleşme sırasında yüksek oranda çekme,zehirli sitiren gazı yayma,orta mekanik özellikler ve kısa raf ömrüdür. Epoksiler; havacılık, spor, ulaşım, askeri ve deniz araçları elemanları gibi geniş kullanım alanına sahiptirler.avantajları iyi mekanik özellikler,suya dayanım,ıslakken 140ºC, kuruyken 220ºC ye kadar ısı dayanımı ve sertleşme sırasında düşük oranda çekme;dezavantajları ise yüksek maliyet(5 25 $/ kg) cilde aşırı zararlı ve doğru karışımın hayati bir önemi olmasıdır. Vinil ester; Son derece yüksek kimyasal ve çevresel dayanıma sahip ve polyesterden daha yüksek mekanik özelliklere sahip olmasına karşın aşırı sitiren içermesi,polyesterden daha pahalı olması(4-7$/kg),iyi özellikler için ikincil kür işlemlerine ihtiyaç duyulması ve sertleşme sırasında yüksek oranda çekmesi gibi olumsuz özellikleri de vardır. Bismaleimid (BMI); Uçak motorlarında ve yüksek ısıya maruz kalan parçalarda kullanılır.son derece yüksek ısı dayanımının yanı sıra (yaşken 230 C, kuru halde 250 C) çok yüksek maliyeti vardır(80 $/kg) Fenolikler; Ateşe dayanım ihtiyacı olan yerlerde kullanılır. Kür işleminin buharlaşma özelliği hava boşlukların oluşmasına ve yüzey kalitesinin düşmesine neden olur. Uçakların iç bölümlerinde, deniz araçlarının motorlarında ve demiryollarında kullanılır.avantajları Yüksek ateş dayanımı,düşük maliyet (4 8 $/kg);dezavantajları ise yaş halde son derece zararlı olması.oldukça kırılgan ve düşük yüzey kalitesine sahip olmasıdır. Silikon; yüksek ateş dayanımı,yüksek ısılarda ürün özelliklerini koruyabilme ve düşük maliyete sahiptir (30 $/kg dan az) Fakat kür işlemi için yüksek ısı gereklidir. Cynate Ester; Esas olarak uçak endüstrisinde kullanılır. Mükemmel yalıtkanlık özelliğine sahiptir. Yaş durumda 200ºC ye kadar dayanımı vardır. Poliimidler Poliüretan 6

7 TABLO 2 BELLİ BAŞLI TERMOPLASTİK REÇİNELERİ VE İŞLEM ISILARI(AZOM) Malzeme Erime sıcaklık aralığı ( C) Maksimum işlem sıcaklığı ( C) PP PA PES- poli eter sülfon PEI- polieterimid PAI- poliamid imide PPS- polfenilen sulfit PEEK- polieter eter keton Kaynak: Kompozit malzemelerde kullanılan başlıca elyaf türleri; Cam elyafı Cam elyafı Karbon (Graphite) elyafı, (PAN -polyacrylonitrile- ve zift kökenli) Aramid (Aromatic Polyamid) elyafı, (Ticari ismi; Kevlar-DuPont) Bor elyafı Oksit elyafı Yüksek yoğunluklu polyetilen elyafı Poliamid elyafı Polyester elyafı Doğal organik elyaflar Cam elyafı silika, kolemanit, alüminyum 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 sağlamdırlar. 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: 7

8 RESİM 1 CAM ELYAFI ÜRETİMİ(PHILLIPS, 1989) Kaynak: Cam Elyaf, Bülten Sayı 6 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. Türkiye de Sişecam Grubuna bağlı olan Cam Elyaf Sanayii A.Ş. tarafından E camı elyafı üretilmektedir. Hem yurtiçine, hem yurt içine satış yapan firmadan doğrudan veya bayileri aracıyla ürün satın almak mümkündür dan beri faaliyet gösteren firma Avrupa nın önemli elyaf üreticilerinden biridir. 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. Cam elyafının kullanım amacına bağlı olarak elyaf sarma biçimleri farklı olabilir. Elyaf çapı 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 kullanılmaktadır. Elyaf ile reçinenin birbirine iyi yapışması çok önemlidir. İyi yapışmamaktan dolayı birbirinden kayan takviye malzemesi ve matris, kompozit malzemenin sertliğini ve sağlamlık performansını düşürür. Bu durumun engellenmesi için elyaf kimyasallarla kaplanır. 8

9 Karbon Elyafı ve Üretim Süreci 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 elyafı da grafit elyafı da aynı malzemeyi tanımlamaktadır. Karbon elyafı epoksi matrisler ile birleştirildiğinde olağanüstü dayanıklılık ve sertlik özellikleri gösterir. Karbon fiber 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. Karbon elyafları piyasada 2 biçimde bulunmaktadır: Sürekli Elyaflar:Dokuma, örgü, tel bobin uygulamalarında, tek yönlü bantlarda, ve prepreg lar da kullanılmaktadır. Bütün reçinelerle kombine edilebilirler. Kırpılmış elyaf : 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. Karbon elyafı çoğunlukla iki malzemeden elde edilir; Zift PAN (Poliakrilonitril) Zift tabanlı karbon elyafları göreceli olarak daha düşük mekanik özelliklere sahiptir. Buna bağlı olarak yapısal uygulamalarda nadiren kullanılırlar. 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 300 derecede ısıtılır. Bu işlem, elyaftan H nin ayrılmasını daha uçucu olan O nin eklenmesini sağlar. Ardından karbonizasyon aşaması için elyaflar kesilerek graphite 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. Karbonizayon işleminde uygulanan sıcaklık üretilen elyafının sınıfını belirler. 3. Yüzey İyileştirmesi karbonun yüzeyinin temizlenmesi ve elyafın kompozit malzemenin reçinesine daha iyi yapışabilmesi için elektrolitik banyoya yatırılır. 9

10 4. Kaplama; Elyafı sonraki işlemlerden (prepreg gibi) korumak için yapılan nötr bir sonlandırma işlemidir. Elyaf reçine ile kaplanır. Genellikle bu kaplama işlemi için epoksi kullanılır. Kompozit malzemede kullanılacak olan reçine ile elyaf arasında bir arayüz görevi görür. Karbon elyafının tüm diğer elyaflara göre en önemli avantajı yüksek modülüs özelliğidir. Karbon elyafı bilinen tüm malzemelerle eşit ağırlıklı olarak karşılaştırıldığında en sert malzemedir. TABLO 3 KARBON ELYAFI SINIFLARI Karbon Elyafı Sınıfları (Grades) Karbonizasyon Isisi ( C) Karbon elyafı sınıfı Elastic modülüs (GPa) 1000'e kadar Düsük modülüs Standart Modülüs Orta modülüs (Grafit) Yüksek modülüs 200'e kadar Kaynak: Ayhan Enşici, İTÜ Mimarlık Fakültesi Aramid Elyafı ve Dezavantajları 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. Önemli özellikleri; 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 Genellikle rengi sarıdır Düşük yoğunlukludur. Dezavantajlar şöyle sıralanabilir; 10

11 Bazı tür aramid elyafı ultraviole ışınlara maruz kaldığında bozulma göstermektedir. Sürekli karanlıkta saklanmaları gerekmektedir. Elyaflar çok iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda reçinede mikroskopik çatlaklar oluşabilir. Bu çatlaklar malzeme yorulduğunda su emişine yol açmaktadır. Genellikle polimer matrisler için takviye elemanı olarak kullanılan aramid elyafının bazı kullanım alanları; Balistik koruma uygulamaları; Askeri kasklar, kurşun geçirmez yelekler... Koruyucu giysiler; eldiven, motorsiklet 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 ısı ve basınçlarda kullanılan conta, salmastra vb. En çok bilinen ve kullanılan aramid elyafı Dupont firmasının tescilli ismi olan Kevlar dır. Kevlar 29, and Kevlar 49 olarak iki çeşidi bulunmaktadır. Kevlar 29 üstün darbe dayanımı özelliğine sahiptir ve bu nedenle çoğunlukla kurşun geçirmez yelek gibi uygulamalarda kullanılırlar. TABLO 4 BELLİ BAŞLI ELYAFLARIN KARŞILAŞTIRILMASI Malzeme Yoğunluk (g/cm3) Çekme Dayanımı (MPa) Modülüs (GPa) E-Cam S-Cam Alüminyum Karbon Kevlar Kevlar Kaynak: Cam Elyaf, Bülten sayı Kompozit malzeme üretim yöntemleri İstenilen özelliklerde ve biçimde kompozit malzeme üretimi için bir çok yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemlerden başlıcaları aşağıdadır Elle yatırma (hand lay-up) Dokuma veya kırpılmış elyaflarla hazırlanmış takviye kumaşları hazırlanmış olan kalıp üzerine elle yatırılarak üzerine sıvı reçine elyaf katmanlarına emdirilir. Elyaf yatırılmadan önce kalıp temizlenerek jelkot sürülür. Jelkot sertleştikten sonra elyaf katları yatırılır. Reçine ise kompozit malzemenin hazır olması için en son sürülür Bu işlemde elyaf kumaşına reçinenin iyi nüfuz etmesi önemlidir. El yatırma tekniğinde en çok kullanılan polyester ve 11

12 epoksi nin yanısıra vinil ester ve fenolik reçineler de tercih edilmektedir. Elle yatırma yoğun işçilik gerektirmesine rağmen düşük sayıdaki üretimler için çok uygundur Püskürtme (spray-up) Püskürtme yöntemi elle yatırma yöntemini aletli şekli olarak kabul edilebilir. Kırpılmış elyaflar kalıp yüzeyine, içine sertleştirici katılmış reçine ile birlikte özel bir tabanca ile püskürtülür. Elyafın kırpılma işlemi tabanca üzerinde bulunan ve bağımsız çalışan bir kırpıcı sayesinde yapılır. Püskürtülme işlemi sonrası yüzeyin bir rulo ile düzeltilmesiyle ürün hazırlanmış olur. RESİM 2 PÜSKÜRTME YÖNTEMİ Püskürtme Yöntemi Püskürtme Tabancası Elyaf sarma (filament winding) Bu yöntem özel biçime sahip ürünlerin seri üretimine uygundur. Elyaf sarma yöntemi sürekli elyaf liflerinin reçine ile ıslatıldıktan sonra bir makaradan çekilerek dönen bir kalıp üzerine sarılmasıdır. Sürekli liflerin farklı açılarla kalıba sarılmasıyla farklı mekanik özelliklerde ürünler elde edilebilir. Yeterli sayıda elyaf katının sarılmasından sonra ürün sertleşir. Ardından döner kalıp ayrılır. Bu yöntemle yapılan ürünler genellikle silindirik, borular, araba şaftları, uçak su tankları, yat direkleri, dairesel basınç tanklarıdır. RESİM 3 12

13 ELYAF SARMA MAKİNESİ Reçine transfer kalıplama RTM / reçine enjeksiyonu Bu kompozit üretim yönteminde elle yatırma sistemlere daha hızlı ve uzun ömürlü olmakla birlikte iki parçalı kalıp kullanmak gereklidir. Kalıbın kompozit malzemeyle yapılması çelik kalıp maliyetine göre daha düşük kalmasına neden olmaktadır. RTM yöntemi çoğunluk jelkotlu veya jelkotsuz her iki yüzeyinde düzgün olması istenen parçalarda kullanılır. Takviye malzemesi kuru olarak keçe, kumaş veya ikisinin kombinasyonu kullanılır. Takviye malzemesi önceden kalıp boşluğu doldurulacak şekilde kalıba yerleştirilir ve kalıp kapatılır. Elyaflar matris içinde geç çözünen reçinelerle kaplanarak kalıp içerisinde sürüklenmesi önlenir. Reçine basınç altında kalıba pompalanır. Bu süreç daha fazla zaman ister. Matris enjeksiyonu soğuk, ılık veya en çok 80ºC ye kadar ısıtılmış kaplarda uygulanabilir. Bu yöntemde içerideki havanın dışarı çıkarılması ve reçinenin elyaf içine iyi işlemesi için vakum kullanılabilir. Elyafın kalıba yerleştirilmesini gerektirmesinden dolayı uzun sayılabilecek bir işçilik gerektirir. Kalıp kapalı olduğu için ise zararlı gazlar azalır ve gözeneksik bir ürün elde edilebilir. Bu yöntemle karmaşık parçalar üretilebilir. Concorde uçaklarında, F1 arabalarında bazı parçalar bu yöntemle hazırlanmaktadır. RESİM 4 RTM YÖNTEMİ Profil çekme / pultruzyon (pultrusion) Pultruzyon işlemi sürekli sabit kesitli kompozit profil ürünlerin üretilebildiği düşük maliyetli seri üretim yöntemidir. Pull ve Extrusion kelimelerinden türetilmiştir. Sisteme beslenen sürekli takviye malzemesi reçine banyosundan geçirildikten sonra ºC ye ısıtılmış şekillendirme kalıbından geçilerek sertleşmesi sağlanır. Kalıplar genellikle krom 13

14 kaplanmış parlak çelikten yapılmaktadır. Sürekli elyaf kullanılmasından dolayı takviye yönünde çok yüksek mekanik mukavemet elde edilir. Enine yükleri karşılayabilmek için özel dokumalar kullanmak gerekmektedir 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 yüzüde 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. Hazır kalıplama yönteminde kullanılan bileşimler içeriklerine göre çeşitlilik göstermekle beraber en çok iki tür hazır kalıplama bileşimi kullanılmaktadır 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, mm kırpılmış olarak ve kompozitin toplam ağırlığının %25-30 oranında kullanılır. Genellikle 1m genişliğinde ve 3mm. kalınlığında üretilir 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. 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 boş kalıp içine enjekte ediliyor olmasındadır. Sadece düşük viskoziteye sahip termoset reçineler bu yöntemde kullanılabilir. Diğer 14

15 yöntemlere göre daha hızlıdır. Çocuk oyuncaklarından uçak parçalarına kadar bir çok ürün bu yöntemle üretilebilmektedir Vakum bonding / vakum bagging Kompozit malzeme (genellikle geniş sandöviç yapılar) önce bir kalıba yerleştirilir, ardından bir vakum torbası en üst katman olarak yerleştirilir. İçerideki havanın emilmesiyle vakum 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. RESİM 5 VAKUM BAGGING 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 ısı 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 metod, dışarıdan sıkıştırılmış gazın kompozit malzemenin içinde bulunduğu kaba verilmesidir. 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 15

16 yüksek kalitede kompozit üretebilmek için kür şartları tam olarak kontrol edilebilir. Bu yöntem diğerlerine oranla daha uzun sürede uygulanır ve daha pahalıdır Preslenebilir Takviyeli Termoplastik Keçe türünde elyaf takviyesi içeren termoplastik reçine ile yapılmış plaka şeklinde preslenebilir kalıplamaya hazır özel amaçlı bir takviyeli termoplastik çeşidini tanımlamaktadır. GMT nin hazırlanması SMC ye benzemektedir. Ekstruderden çekilen bir termoplastik levha üzerine yumuşak haldeyken bir elyaf takviyesi yerleştirilir. Bu katmanların üzerine bir diğer termoplastik levhada yumuşakken yerleştirilerek soğuk hadde silindirlerinin arasından geçirilir. Sertleşen plakalar kesilerek preslenmeye hazır duruma getirilir Kompozit Malzeme Kullanım Alanları Kompozit malzemeler artık gittikçe artan oranlarda ve yeni sektörlerde kullanılmaya başlanmıştır. Uzun zaman uçak sanayisindeki ihtiyaçların yönlendirdiği kompozit malzeme gelişimleri son dönemde yeni bir çok sektörde birçok farklı amaç için kullanılmaktadır Havacılık Sanayi Özellikle ileri kompozit malzemeler havacılık sanayinde çok geniş uygulama alanları bulmaktadır. Komposite malzemelerinin hafifliklerine oranla üstün mekanik özellikleri uçaklarda ve helikopterlerde sadece içi mekan değil yapısal parçalarını da polimer esaslı kompozitlerle üretilmesine neden olmaktadır. Uçaklar genellikle gövde ağırlık kontrolu uzun hizmet ömrü, sistem dizaynının ana hatları ve maliyet karakterlerinin yarısına belirli navlun, mesafe, seyir sürati irtifa gibi performans gereksinimlerini karşılayacak şekilde dizayn edilirler. Diğer tüm koşulların eşit olduğu durumlarda, ağırlığı en az tutulan dizayn kriteri en uygun olacaktır. Buna göre uygun özelliklere sahip hafif metaller en iyi verimi sağlayacaktır. Kompozit malzemeler bu amaçla kullanılabilecek uygun bir malzeme grubunu oluşturmaktadır. Havacılık endüstrisinde, tasarımlar; emniyet, hız ve ekonomi kriterlerinin optimizasyonu ile gerçekleşir. Hava taşıtlarında, uzun hizmet ömrü, belirli navlun, mesafe seyir sürati, irtifa gibi performans değerlerini sağlayan malzemelerden en düşük ağırlığa sahip olanı en uygun dizaynı sağlayacaktır. Kompozitler bu amaçlar için uygun bir malzeme grubunu oluşturmaktadır. Özgül mukavemet ve özgül rijitlik değerleri esas alındığında; düşük yoğunluklarından dolayı kompozit malzemeler de bu değerler konvensiyonel malzemelere üstünlük sağlamaktadır. Bunlardan dolayı kompozit malzemelerin, hava taşıtlarındaki kullanımı hızla yaygınlaşmaktadır Uçaklarda Kullanılan Kompozit Bileşenleri 16