KOMPOZİTLER Sakarya Üniversitesi İnşaat Mühendisliği

Transkript

1 Başlık KOMPOZİTLER Sakarya Üniversitesi İnşaat Mühendisliği

2 Tanım İki veya daha fazla malzemenin, iyi özelliklerini bir araya toplamak ya da ortaya yeni bir özellik çıkarmak için, mikro veya makro seviyede heterojen karışımıyla oluşan malzemeye Birleşik Malzeme veya Kompozit Malzeme denir. Kompozit malzemeler üç boyutludur ve atomlar birbiri içinde çözünmez. Alaşımlarda ise malzemeler birbirine atomlar vererek birleşir ve yeni bir bileşik ortaya çıkar. Elde edilen yeni malzeme onu meydana getiren bileşenlerin özelliklerini de içerir.

3 Bir malzemeyi kompozit olarak adlandırabilmek için; İnsan yapısı olması, dolayısıyla doğal bir malzeme olmaması, Kimyasal bileşenleri birbirinden farklı ve belirli ara yüzleri ayrılmaz en az iki malzemenin bir araya getirilmiş olması, Farklı malzemelerin üç boyutlu olarak bir araya getirilmiş olması, Bileşenlerinin hiç birinin tek başına sahip olmadığı özellikleri taşıması, dolayısı ile bu amaçla üretilmiş olması.

4 Kompozit Bileşenleri 1) Matriks Elemanları 2) Takviye Elemanları

5 Matriks Elemanları Polimerler Metaller Seramikler

6 Takviye Elemanları Parçacık (Dane) Elyaf (Lif) Tabakalı

7 MATRİKS MALZEMELERİ Kompozit malzemelerde polimer esaslı matrislerin yanı sıra metal, seramik türevi malzemeler de matris olarak kullanılmaktadır. Matris malzemelerinin genellikle plastik esaslı olmasından dolayı kompozit malzemeler de genellikle takviye edilmiş plastikler olarak adlandırılırlar. Metal matrisler büyük çaplı uygulamalarda kullanılmak için çok pahalı ve çalışılmaları çok zordur. Seramik matrisler ise yüksek oranda kırılgan olmalarından dolayı yeterli dayanıklılığa sahip olmamaları nedeniyle kullanım alanları yüksek ısı ile kullanılan yerlerle sınırlanmaktadır.

8 MATRİKS MALZEMELERİ Tüm diğer matris alternatifleri arasında ticari olarak en uygun olan plastik matrisler arasında ise en çok kullanılan termoset esaslı olan polyester ve epoksi reçineleridir. Matrisler güçlü yapıştırma, çevre ve atmosfer şartlarına yüksek dayanım ve yüksek mekanik özellikler gösterirler. Bir matrisin öncelikle sağladığı mekanik özellikler yüksek sertlik ve yüksek dayanıklılık değerleridir. İyi bir malzeme sert olmalıdır, fakat gevrek bir malzemenin gösterdiği davranışlardan dolayı performansı düşmemelidir.

9 Matris Elemanının Görevleri Takviye elemanlarını birbirine bağlar. Takviye elemanları arasında yük transferini sağlar. Takviye elemanlarını çevrenin zararlı etkilerinden ve mekanik hasarlardan korur.

10 Metal Matriksler Hafif metaller, kompozitler için matriks malzemesi olarak çok cazip almaktadır. Bunlar plastiklerden daha yüksek elastik modül, dayanım ve tokluğa sahip olup yüksek sıcaklıklarda özellikleri daha iyidir. Ancak metal matriksle kompozit üretimi daha zordur. Bunlar her elyafla iyi ara yüzey bağı oluşturmazlar. Metallerle en kolay bağ oluşturan silisyum karbür ile kaplanmış boran elyaftır. Fakat bunlar pahalıdır. MMK lerde çok yaygın olarak kullanılan matriks malzemesi, düşük yoğunluklu, iyi tokluk ve mekanik özelliklere olan hafif metaller ve alaşımlarıdır.

11 Seramik Matriksler Seramikler, metal ve metal olmayan elemanlardan meydana gelen inorganik bileşikler olup doğada kayaların dış etkilerle parçalanması sonucu oluşan kaolen, kil vb. maddelerin yüksek sıcaklıkta pişirilmesi ile elde edilen malzemelerdir. Bunlar farklı şekilde silikatlar aluminatlar ile birlikte metal oksitlerden oluşurlar. Genelde bunlar ya iyonik veya iyonik+ bağ karışımına sahip oldukları için çok kararlıdır. Bu nedenle de çok sert, gevrek ve yüksek sıcaklığa dayanıklıdırlar. Seramik malzemeler endüstriyel fırınlar tuğla, betondan elektronik ve optik araçlarda kullanılan yeni malzemelere kadar geniş bir alanı kapsarlar. Bu malzemelerde kayma direnci çok yüksek olduğundan plastik şekil verme olmaksızın gevrek tarzda kırılırlar. Yaygın olarak kullanılan seramik mühendislik malzemeleri olarak silisyum karbür, silisyum nitrür, alüminyum oksit gösterilebilir.

12 Polimerler Matriksler Normal sıcaklıkta genellikle katı halde bulunan, belirli basınç ve sıcaklıklarda mekanik olarak veya kimyasal yolla şekillendirilebilen ve kalıplanabilen organik maddeler, polimer olarak tanımlanır. Doğada var olan bu malzemelerin başlıcaları; kömür, ham petrol, su, hava ve kireçtir. Yapay olarak da elde edilebilen organik polimerik malzemeler, plastikler, elastomerler, fiberlerdir.

13 Polimerler Matriksler Polimerler, yapay polimerler ve doğal polimerler olarak iki grupta toplanabilirler. 1- Yapay Polimerler (plastikler) 2- Doğal Polimerler (selüloz, doğal kauçuk vb.) Polimerler genellikle çok sayıda tekrarlanan 'monomer' veya kısaca 'mer' denilen basit ünitelerden oluşur. Çok sayıda manasına gelen 'poli' kelimesiyle 'mer' sözcüğü birleşerek 'polimer' oluşmuştur.

14 Takviye Malzemeleri Parçacıklar İrili ufaklı tanelerin bir bağlayıcı madde ile çepeçevre sarılmasıyla meydana gelen kompozittir. Kum, çakıl ve çimentodan oluşan beton ve yine beton agregalarının bitümle bağlanması sonucu elde edilen asfalt gibi.

15 Takviye Malzemeleri Elyaflar (Lif yada Fiber) Elyaflar, boylarına nispetle çapları çok küçük olan malzemelerdir. Bunları dilimizde "lif' çoğul olduğunda "elyaf' diye adlandırırız. Malzemenin mekanik mukavemetini arttırmak, gevrek kırılmasını önlemek için lifler ve çubuk şeklinde donatılarla asıl malzeme (matris) takviye edilerek oluşturulan sistemlere de lifli Kompozitler denir. (Betonarme, kerpiç ve konumuzu ilgilendiren fiber malzemelerle güçlendirilmiş polimerler matrisleri gibi). Bu tür Kompozitler de liflerin yük taşıma kapasitesi matrisinkinden daha yüksek olmalıdır.

16 Takviye Malzemeleri Tabakalar Aynı cins ve daha başka cinsten parçaların lehim tutkal gibi metotlarla birbirine eklenerek istenilen şekil veya boyutlarda yeni parçaların elde edilmesidir. Kontrplaklar ve çelik plakalarla ahşap plakaların birleşiminden oluşan malzemeler bu gruba girer.

17 Takviye Elemanının Görevleri Malzemeye ait ana gövdeyi oluşturmak, Malzemeye gelen yükü taşımak,

18 Kompozitlerin genel avantajları 1. Farklı mekanik özellikler elde etmek için farklı katmanlardan ve farklı kombinasyonlarla kompozit malzeme inşa edilebilir. 2. Kompozit malzemeler kimyasallara, korozyona ve hava şartlarına dayanıklılık gösterir. 3. Karmaşık parçaların tek olarak üretilebilmesinden dolayı parça sayısının azalmasını sağlarlar. Böylece ara birleştirme detay ve parçalarının azalmasıyla üretim süresi kısalmaktadır. 4. Yüksek dayanıklılık/ yoğunluk oranı 5. Yüksek modülüs/ağırlık oranı

19 Kompozitlerin Genel Dezavantajları 1. Hammaddenin pahalı olması; Uçaklarda kullanılabilecek kalitede karbon elyafının bir metrekarelik kumaşının maliyeti yaklaşık 50 $ dır, 2. Lamine edilmiş kompozitlerin özellikleri her zaman ideal değildir, kalınlık yönünde düşük dayanıklılık ve katlar arası düşük kesime dayanırlık özelliği bulunmaktadır, 3. Malzemenin kalitesi üretim yöntemlerinin kalitesine bağlıdır, standartlaşmış bir kalite yoktur, 4. Kompozitler kırılgan (gevrek) malzeme olmalarından dolayı kolaylıkla zarar görürler, onarılmaları yeni problemler yaratabilir.

20 Kompozit Çeşitleri Taneciklerle güçlendirilmiş kompozit malzemeler Tanelerle donatılı kompozit malzemeler Tabakalı kompozit malzemeler Liflerle donatılı kompozit malzemeler

21 Taneciklerle Güçlendirilmiş Kompozit Malzemeler Taneciklerle güçlendirilmiş kompozit malzemeler, bir veya birden çok malzemenin katı asıltı halinde farklı bir malzemeden oluşan matris içerisinde yer aldığı malzemelerdir. Burada, bir arada bulunan matris ve parçacıklar metalik veya metalik olmayan türlerdendir. Yapı alanında kullanımları sınırlıdır.

22 Tanelerle Donatılı Kompozit Malzemeler Bir matris içinde milimetre ve üzerindeki boyutlarda tanelerin yer aldığı bir kompozit malzeme türüdür. Bir başka deyişle, çeşitli kaynaklardan elde edilen parçaların, bunları bağlayıcı nitelikteki bir malzeme içinde dağılı olarak yer aldıkları malzeme grubudur. Burada taneler dağılı fazı, bağlayıcı ise matris denilen sürekli fazı oluşturmaktadır. Bu gruba en iyi örnek olarak Kum, çakıl ve çimentodan oluşan beton ve yine beton agregalarının bitümle bağlanması sonucu elde edilen asfalt malzemesi gösterilebilir.

23 Tabakalı Kompozit Malzemeler Aynı cins ve daha başka cinsten parçaların lehim tutkal gibi metodlarla birbirine eklenerek istenilen şekil veya boyutlarda yeni parçaların elde edilmesidir. Kontrapılaklar ve çelik plakalarla ahşap plakaların birleşiminden oluşan malzemeler bu gruba girer. Tabakalı kompozit malzemeler, yapısal nitelikleri bakımından diğer kompozit malzeme türlerinden farklılık göstermektedirler. Bu tür malzemede en az iki adet olan farklı fazlar, tabakalar şeklinde kompozitin yapısı içinde yer almaktadır. Genelde, bu fazlardan biri, kompozite özelliklerini kazandıran sürekli faz, diğeri ise bu sürekli fazı oluşturan tabakaları bir arada tutan bağlayıcı fazdır.

24 Liflerle Donatılı Kompozit Malzemeler Genellikle yeterli basınç dayanımına oranla çekme, eğilme, çarpma dayanımları çok düşük düzeyde kalan veya zayıf yapılı, kırılgan malzemenin zayıf olan yönlerinin iyileştirilmesi, kırılganlığın giderilmesi ile malzemenin sünekliliğinin arttırılması gibi amaçlarla matris malzemenin lifler ile donatılması ile üretilen kompozitlerdir. Bu gruptaki malzemeler endüstrinin çeşitli alanlarındaki üretiminin yanı sıra yapı alanında da kullanımı artmaktadır. Lif Donatılı Betonlar bu gruba girmektedirler.