Kompozit Malzemeler. Polimer kompozit malzemeler reçine (Matrix) ve takviye (Reinforcement) bileşenlerinden oluşur.

Transkript

1

2 Kompozit Malzemeler Kompozit malzeme tanımı, temel olarak iki veya daha fazla malzemenin bir arada kullanılmasıyla oluşturulan ve meydana geldiği malzemelerden farklı özelliklere sahip yeni tür malzemeleri belirtmek için kullanılmaktadır. Polimer kompozit malzemeler reçine (Matrix) ve takviye (Reinforcement) bileşenlerinden oluşur.

3

4 Bu malzeme türüne en tipik örnek, artık günümüzde gelenekselleşmeye başlayan ve "fiberglass" olarak bilinen polyester esaslı reçinelerin cam fiber ile takviyesiyle üretilen malzemelerdir Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.

5 MATRİKS MALZEMELERİ Polyester Reçineler Performans karakteristiklerini büyük oranda genişleten birkaç faklı tipte polyester reçine bulunmaktadır. o o o o o o o Ortoftalik polyester reçinesi Teraftalik polyester reçinesi Klorür asit polyester reçinesi Novolak epoksi vinil ester reçinesi İzoftalik polyester reçinesi Bisfenol-A fumarit polyester reçinesi Bisfenol-A vinil ester reçinesi

6 Sertleşmiş reçine tipik özellikleri Polyester reçinenin temel yapı malzemelerinin bazıları

7

8 SMC İçin Polyesterler SMC üretimi için değişik tür reçineler kullanılabilir. Önemli olan husus çok miktarda dolgu kabul edebilmesi, bu dolgu miktarına rağmen cam elyafını ıslatabilmesi, katalist ile birlikte uzun süre reaksiyona girmeden kalabilmesi, yüksek ısıda çabuk sertleşebilmesidir. Bu amaçla kullanılan reçinelerde genellikle düşük çekme sağlayan katkı maddeleri bulunur. SMC hamurunun yapılması için her şeyden önce az uçan monomer kullanılmalıdır. Bu monomer genellikle ftalat dır. Cam fiber, aseton içinde çözünmüş reçine ile ıslatılır, asetonun uçması beklenir ve hamur elde edilmiş olur.

9 TAKVİYE MALZEMELERİ Matriks malzeme içinde yer alan fiber takviyeler kompozit yapının temel mukavemet elemanlarıdır. Düşük yoğunluklarının yanı sıra yüksek elastik modüle ve sertliğe sahip olan fiberler kimyasal korozyona da dirençlidir. Ayrıca fiberlerin yüksek performanslı mühendislik malzemeleri olmalarının nedenleri aşağıda verilen özelliklere de bağlıdır

10 Üstün mikro yapısal özellikler, tane boyutlarının küçük oluşu, küçük çapta üretilmeleri. Boy/çap oranı arttıkça matris malzeme tarafından fiberlere iletilen yük miktarının artması. Elastik modülünün çok yüksek olması.

11 Cam Fiberler Yüksek çekme mukavemetine sahiptirler. Isıl dirençleri düşüktür. Kimyasal malzemelere karşı dirençlidirler. Nem absorbe etme özellikleri yoktur. Elektriği iletmezler.

12 Kompozisyonlarına bağlı olarak, değişik cam fiberi türleri vardır. Bunların içinde E camı fiberi en başta geldiği görülmektedir. Elektrik ve mekanik özellikleri ile maliyetinin iyi bir denge oluşturması sonucu, bu kalsiyum alüminosilikat bileşiminin, kullanılan toplam cam elyafı takviye malzemeleri içinde %90 pazar payına sahip olduğu görülmektedir.

13 Fiber Üretiminde Kullanılan Cam Türleri A (Alkali) Camı C (Korozyon) Camı E (Elektrik) Camı S (Mukavemet) Camı Cam fiber üretiminde kullanılan diğer cam türleri ve özellikleri

14 FIBER PROPERTIES DENSITY (g/cm3) FIBER PROPERTIES TENSILE STRENGTH Steel Alum E-Glass S-Glass Carbon Aramid 1,59 1,38 1,99 1,99 2, Alum Steel S-Glass Carbon Aramid E-Glass x10 3 psi FIBER PROPERTIES STRAIN TO FAILURE FIBER PROPERTIES TENSILE MODULUS Alum Steel S-Glass E-Glass Aramid 0,2 0,16 (%) Alum psi Steel 29 5 Carbon 33,5 4,8 Aramid 19 2,8 S-Glass 12,6 Carbon 1,4 E-Glass 10,

15 Cam elyafların mekanik özellikleri ve bileşimleri

16

17 POLYESTER MATRİKSLİ CAM FİBER TAKVİYELİ KOMPOZİT MALZEMELERİN ÜRETİM YÖNTEMLERİ SMC/BMC hazır kalıplama bileşimleri El yatırma metodu Püskürtme metodu Reçine enjeksiyon metodu Fiber sarma metodu Savurma döküm metodu Profil çekme metodu Devamlı levha üretim metodu Termoplastik enjeksiyon (ekstrüzyon metodu) Preslenebilir takviyeli termoplastik (GMT) metodu

18 SMC (Sheet Molding Compound) SMC, esasen termoset reçine, cam fiber takviye ve dolgu maddelerinden oluşan üç bileşenli kompozit bir malzemedir. SMC ile üretilen parçalar, mekanik, elektriksel, termik ve kimyasal özellikleri, hafiflik ve mükemmel dış görünüşle kusursuz birleştirirler. SMC, küçük komplike konstrüksiyon parçalarının yanı sıra büyük yüzeyli parçaların yapısında da başarıyla kullanılabilmektedir.

19 SMC bileşiminin miktar karşılaştırması Örnek SMC bileşimi Mekanik özellikler

20 SMC üretim prosesi

21 Çeşitli cam takviyeli kompozitlerin tipik özellikleri

22 CTP lerin Fiziksel, Kimyasal ve Mekanik Özellikleri (Sertlik, Yoğunluk) Bazı malzemelerin yaklaşık yoğunluklarının karşılaştırılması

23

24

25

26

27

28 Malzemelerin sertlik özellikleri aşınma özelliklerini direk olarak etkileyen faktörlerden biridir. Cam Takviyeli polyester matriksli kompozitlerde cam fiberin sertliğe pek bir etkisi yoktur. Buna karşın matris malzemesinin daha etkili olduğu söylenebilir. Cam fiber takviyeli plastik malzemelerin barcol sertlik değerlerini etkileyen bir diğer önemli etken ise reçine ve fiberin oluşturduğu zincir yapısının iyi olmasıdır. Yani reçine ile fiber arasındaki reaksiyonun kimyasal açıdan iyi olması gerekir.

29 70 60 Barcol Sertliği Elyaf % % Elyaf Oranın-Barcol Sertliği Değişimi

30 DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışmada levhasal tabakalı kompozite sırası ile yoğunluk (ASTM D 792) ve sertlik (ASTM D2583) deneyleri uygulanmıştır. Deney Numunelerinin Hazırlanması Deneyde kullanılan numuneler SMC yöntemiyle tabakalı kompozit halinde üretilmiş levhalardan aşağıda verilen standartlar çerçevesinde numuneler hazırlanmıştır. 10cm x 10cm levhadan 2cm x 2cm boyutlarında parçalar orta bölgeden çıkarılmıştır. Yoğunluk deneyi için dört faklı numune hazırlanırken, sertlik deneyi için standartlardaki boyutlar çerçevesinde bir numune hazırlanmıştır. Kullanılan numunenin bileşimi

31 Barcol sertlik ölçme cihazı Barcol sertlik ölçerin şeması

32 A B C (1) (2) (3) SEM için hazırlanan numuneler ve görüntülenen yüzeyleri

33 Yoğunluk Deneyi CTP 1.Numune 2.Numune 3.Numune 4.Numun e Kuru Ağırlık (gr) Sudaki Ağırlık (gr) Deney Sonu Ağırlık(gr) Yoğunluk (gr/ cm 3 ) 1,820 1,834 1,843 1,849 Ortalama (gr/cm 3 ) Yoğ Numunelerin deney öncesi ve sonrası ağırlık değerleri Malzeme Cam % Polyester(SMC) Epoksi (hazır kalıplama hamuru) Polyester (hazır kalıplama bileşimi) Soğuk pres (kontinu keçe) Cam dokuma-keçe (600/450 gr/m 2 ) Tek yönlü E camı- Epoksi Spas. Yoğ. (gr/cm 3 )

34 Barcol Sertlik Deneyi ASTM standartlarında SMC için verilen diğer ortalama 61 olarak verilmektedir. Çalışmada ölçülen ortalama Barcol sertliği 61,3 olarak tespit edilmiş olup literatürle uyum göstermektedir. Ölçüm Barcol Sertliği Ölçüm Barcol Sertliği 1. Ölçüm Ölçüm Ölçüm Ölçüm Ölçüm Ölçüm Ölçüm Ölçüm Ölçüm Ölçüm 50 Malzeme Barcol Sertlik BMC 39 Polyester 55 SMC 61 Barcol sertlik deneyi bulguları Standart sertlik değerleri

35 MİKROYAPI İNCELEMELERİ SEM Cihazı kullanılarak numunelerin mikroyapıları incelenmiştir.

36 A yüzeyinden alınan SEM görüntüsü verilmektedir. (X220) Polyester matriks ve cam fiberler görülmektedir. Fiber çapları ortalama 20 µm dur.

37 Numunenin A yüzeyinden alınan kırılmış cam fiberlerin SEM görüntüleri (X50)

38 Numunenin A yüzeyinden alınan dokunmuş cam fiberlerin SEM görüntüsü(x100)

39 Numunenin A yüzeyinden alınan dokunmuş cam fiberlerin SEM görüntüsü(x100) Cam fiber dokumanın matriks ile homojen bir dağılım verdiği, fakat bununla birlikte kalsit dağılımının homojen olmadığı görülmektedir.

40 Numunenin A yüzeyinin görünüşü ve deforme edilmiş bölgelerin SEM görüntüsü (X15) Dokunmuş fiber yapısı hem X hem de Y yönlerinde malzeme mukavemetinin artışını sağlayacak yapı göstermektedir.

41 Numunenin A yüzeyinden alınan kırılmış cam fiberlerin SEM görüntüleri (X50) Fiberlerin gevrek kırılmaya uğrayarak yaklaşık 1000 µm boyutundaki bilyenin çukurlaşmaya sebep olduğu görülmektedir.

42 Numunenin A yüzeyinden alınan kırılmış cam fiberlerin SEM görüntüleri (X170) Matriks ve fiberlerin deformasyon sonucu yönlendiği, ayrıca yapıda birçok mikro ve makro çatlak olduğu görülmektedir.

43 Numunenin A yüzeyinden alınan kırılmış cam fiberlerin SEM görüntüleri (X700) Matriks ve fiber ara yüzey bağının güçlü olduğundan dolay kırılan fiberlerin parçalarının düşmediği yapı içinde kaldığı görülmektedir.

44 Numunenin B yüzeyinden alınan fiberlerin SEM görüntüsü (X1000) Yaklaşık fiber çapının 20µm olduğu görülmektedir.

45 Numunenin B yüzeyinden alınan SEM görüntüsü (X27) Dikey fiberler ve yatay fiberler görülebilmektedir.

46 Numunenin B yüzeyinden alınan SEM görüntüsü (X350) 600 ve 800 lük zımparalarla zımparalanmış ve Al2O3 çözeltisi ile parlatılmış fiberler kesik görülmektedir. Dik fiberler ile matriks arasında boşluk tespit edilmemiştir. Ara yüzeyde iyi bağlanma görülmektedir.

47 Numunenin B yüzeyinden alınan SEM görüntüsü (X300) Yapıdaki kalsitlerin dağılımının heterojen şekilde olduğu görülmektedir.

48 Numunenin B yüzeyinden alınan SEM görüntüsü (X1000). Yapıdaki kalsitlerin dağılımı heterojen şekildedir.

49 Numunenin B yüzeyinden alınan SEM görüntüsü (X23) Zımparalama ve parlatma işlemi sırasında kesilmiş fiberler görülmektedir.

50 Numunenin C yüzeyinden alınan SEM görüntüsü (X3500). Fiberlerin kesiti ve yaklaşık fiber çapının 20 µm olduğu görülmektedir.

51 EDS Mikroyapı incelemeleri sırasında yapının çeşitli noktalarından EDS analizleri alınarak kompozit üretiminde kullanılan malzemeler tanımlanmaya çalışılmıştır.

52 Numunenin B yüzeyinden alınmış EDS görüntüsü.

53 1 ile işaretlenen bölgenin EDS analizi Organik malzemelerden biri olan ve termosetler grubuna giren polyester C-H ve O bileşimine sahiptir. Grafik altındaki tablodan atomik yüzdelerine bakıldığında C ve O %73 ve %25 ile en yüksek orandadır ve bu doğaldır. Ağırlıkça konsantrasyonları ise %62 ve %29 olarak verilmektedir.

54 2 ile işaretlenen bölgenin EDS analizi Ağırlıkça % lerine göre %46 O, %22 Si, %13 Ca, %7 Al ve %9 C görülmektedir. %2 lik Au ise kaplamadan kaynaklanmaktadır. Fiber bileşimi daha önce Tablo 3.2 de verilmiştir. Tabloya göre cam fiber bileşimleri SiO2, Al2O3, CaO gibi bileşiklerden oluşmakta ve buda analiz sonucu doğrulanmaktadır.

55 3 ile işaretlenen bölgenin EDS analizi Üretilen kompozitte kullanılan CaCO3 dan alınan EDS piki doğru sonuç vermektedir.% 20 katılan kalsit yapıda yer yer homojen ve heterojen dağılımlar sergilemektedir.

56 4 ile işaretlenmiş bölgenin EDS analizi Numuneler önce C daha sonra Au ile kaplandığı için bu elementler EDS analizi sonucu kısa pikler vermiştir.

57 XRD Analizleri Görüldüğü gibi en büyük pik 2θ=29.48 açısında bulunmuştur. Bu pik ise CaCO3 ü temsil etmektedir. Elde edilen grafikteki diğer piklerde farklı 2θ değerlerinde aynı malzeme görülmüştür. Burada numunemizde bulunan CaCO3 XRD analizi ile doğrulanmıştır.