Prof. Dr. Hatem AKBULUT KOMPOZİT MALZEMELER. Prof. Dr. Hatem AKBULUT

Transkript

1 KOMPOZİT MALZEMELER

2 Kompozitlerin Tarihçesi M.Ö M.Ö lar 1960 lar Saman ve Çamur Kontraplak Cam Fiber Takviyeli Polimerler (GFRP) Karbon Fiber Takviyeli Polimerler (CFRP) ler 1976 Kevlar Metal Matriks Kompozitler (MMK) Seramikler

3 GİRİŞ Modern teknolojiler: Uzay, Uçak, yapısal ve otomotiv endüstrileri Hafif, üstün ve spesifik özelliklere sahip yeni malzemelere ihtiyaç duymakta. Uzay, havacılık ve otomotiv sektörlerinde, mukavemet/ağırlık, mukavemet/yoğunluk oranları gibi malzeme özellikleri önemli Kompozitler çok yüksek özelliklere sahip Üretim maliyetleri yüksek Son yıllarda gelişmeler hızlı (ucuz üretim ve malzeme temini) Kompozit tarihçesi çok eski yıllara dayanır Örnek: Kemik ve diş doğal kompozit malzemeler Saman ve çamur karışmı (kerpiç tuğlalar) Muhtemelen ilk suni kompozitler

4 Malzeme Türleri Metaller Seramikler Polimerler Yüksek yoğunluk Orta ve yüksek ergime noktası Orta ve yüksek elastik modül Reaktif Sünek Düşük yoğunluk Yüksek ergime noktası Çok yüksek elastik modül Reaktif değil Gevrek Çok düşük yoğunluk Düşük ergime noktası Çok düşük elastik modül Çok reaktif Sünek ve gevrek

5 Kompozit Oluşturma Amaçları

6 KOMPOZİTİN TANIMLANMASI Metaller Seramikler Kompozitler Polimerler Camlar Elastomerler

7 Kompozit terimi en geniş manada: Çok kristalli birçok metal ve metal olmayan parça Bir malzemenin kompozit sayılabilmesi için: İnsan tarafından üretilmelidir Farklı bileşenlerle beraber kimyasal olarak birbirinden farklı en azından iki malzeme kombinasyonundan oluşmalıdır. Kompozit malzemeyi oluşturan ayrı malzemeler üç boyutlu olarak birleşmelidirler. Kompozit, kendisini meydana getiren bileşenlerin tek başlarına sahip olamayacakları özellikleri göstermelidir

8 Hangi malzeme kompozit, hangi malzeme monolitik malzeme? Yapı seviyelerini göz önünde bulundurmak gerekir. Bunlar; Atomik Seviye: Tek molekül ve kristal hücrelerine göre Tüm malzemeler, iki veya daha fazla sayıdaki farklı atomların bir arada bulunması durumunda kompozittir. (katı eriyikler, alaşımlar, polimerler ve seramikler kompozit) Mikroyapısal Seviye: İki kristal, faz, iki molekül kompozit. Çelikler, dökme demirler, intermetalikler kompozit sınıfına girer. Makroyapısal Seviye: Kaba olarak iki bileşenin oluşturduğu yapılar (matriksler, partiküller, fiberler) Farklı makrobileşenler mevcut. Kompozit olarak bilinen bazı malzemeleri kapsamamaktadır. Daha kapsayıcı olması için bileşenlerin tabiatları ve iki karakteristikleri daha göz önüne alınmaktadır.

9 Bu özellikler; i) Kompoziti meydana getiren bileşenler genelde hemen hemen farklı kimyasal yapıya sahiptirler, ii) Birbirleri içinde çözünmezler. Bu şartlar altında kompozit malzemelerin tanımı: "Bir kompozit malzeme, temel olarak birbiri içinde çözünmeyen ve birbirinden farklı şekil ve/veya malzeme kompozisyonuna sahip iki veya daha fazla makrobileşenin karışımından veya birleşmesinden meydana gelen malzeme sistemidir"

10 Kompozit üstün özellik içermeli (arayüzey bağı yeterli olmalı) Bu durumda teknolojik olarak malzeme kompozit sayılabilir Arayüzey Fiber Ara faz (bağ fazı) Matriks Şekil. Fiber ve matriks arayüzeyi ve bileşenler arasında meydana gelen arafaz.

11 Arayüzeyde bağ çeşitleri farklıdır. Bileşen türü, üretim sıcaklığı, ön işlemlere göre bağ türü değişebilir. Arayüzey bağ türleri: (a) Moleküler etkileşim, (b) Elektrostatik çekim, (c) Elementlerin karşılıklı difüzyonu, (d) Gruplar arası kimyasal reaksiyon, (e) Yeni bileşik oluşturacak şekilde kimyasal reaksiyon (özellikle MMK larda), (f) Mekanik kitlenme.

12 Kompozit Malzemelerdeki Yapı Bileşenleri Şekil. Kompozitlerdeki farklı bileşen şekilleri. kompozitlerdeki bileşenler; i) fiberler, ii) partiküller, iii) levhalar, iv) tabakalar ve v) dolgular olarak tanımlanmaktadırlar

13 Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması Farklı sınıflandırmalar yapılmaktadır Malzeme kombinasyonları (Metal-organik veya metal-inorganik) Bileşen fazların karakteristikleri (Matriks sistemleri), Bileşenlerin dağılımları (Sürekli, süreksiz), Fonksiyonları (Elektiriksel veya yapısal) Bileşenlerin şekline göre yapılan genel bir sınıflandırma: 1. Fiberli kompozitler, fiberler + matriks veya matriksiz fiber. 2. Levhasal kompozitler, düz plakalar + matriks veya levha ile matriksiz yapı. 3. Partikül kompozitler, partiküller + matriks veya partikül ile matriksiz yapı. 4. Doldurulmuş(veya iskelet) kompozitler, sürekli bir iskelet matriksin ikincil bir malzemeyle doldurulması. 5. Tabakalı kompozitler, farklı bileşen tabakalarından oluşmuş kompozit.

14 Yapısal bileşenlerin şekline göre kompozit sınıflandırması

15 Fiber-Matriks Kompozitleri Fiberler bir malzemenin en üstün özelliklerini sergiler. Fiber takviyeli kompozit malzemelerin kullanımlarını kısıtlayan en önemli olay yüksek mukavemete ve elastik modüle sahip fiberlerin üretimlerinin güçlük ve maliyet Fiber takviyeli kompozit malzemelerdeki fiber şekilleri değişik olabilir. a) Sürekli fiber takviyeli kompozitler b) Kısa fiber takviyeli kompozitler şeklindedir.

16 Sürekli fiber takviyeli kompozit Kısa fiber veya whisker takviyeli kompozit (tek boyutlu düzen) Kısa fiber veya whisker takviyeli kompozit (düzlemsel dağılmış) Kısa fiber veya whisker takviyeli kompozit (üç boyutta dağılmış) Şekil. Fiber şekilleri ve mümkün fiber dağılımları.

17 Levhasal Kompozitler Matriks fazi içindeki levha şekilli takviye elemanları Al-grafit (levha) sistemi Levhalar; pullar, cam, mika ve metal olabilir En çok bilinen metal levhalar AlB2 ve Be levhalar. Partikül Kompozitler İki makro ölçekli partikül veya bir matriks içinde partikül. Partikül takviyeri metal, seramik veya polimer olabilir. Doldurulmuş Kompozitler Ön hazırlanmış iskeletlere (bal peteği, preform) matriks malzemesi döküm veya basınç yoluyla doldurulur. Tabakalı Kompozitler Farklı özellikteki en az iki tabaka birleştirilir. Polimer-cam, Metal-seramik, seramik-polimer

18 Kompozitler Partikül Takviyeli Fiber Takviyeli Yapısal Kaba Partikül Dispersiyonla Sertleştirme Sürekli (Yönlenmiş) Süreksiz (Kısa) Tabakalı Sandwich Paneller Tek Yönlü Rastgele Dağılmış

19 En yaygın kabul gören sınıflama türü: Matriks malzemesi türüne göre sınıflamadır KOMPOZİT MALZEMELER METAL POLİMER SERAMİK KARBON- MATRİKSLİ MATRİKSLİ MATRİKSLİ KARBON

20 Kompozit Malzemelerin Önemi ve Genel Kullanım Alanları Kompozit performansı için en önemli anahtar parametreler; Mukavemet/ağırlık oranı veya spesifik mukavemet Karbon/Karbon Kompozitleri Metal Matriksli Kompozitler Seramikler Geleneksel Malzemeler Ti ve Süperalaşımlar İntermetalik ve İntermetalik Kompozitler Seramik Kompozitler Şekil. Çeşitli motor malzemelerinin çalışma sıcaklılığı ve mukavemet/ağırlık oranına göre performans haritaları.

21 Spesifik Mukavemet [inç] x Composites Wood,Stone Bronze Cast Iron Steel Aluminum Aramid Fibers, Carbon Fibers Yıllar

22 Relatif Önem Yıllar Şekil. Tarih boyunca malzemelerin relatif önemi ve ileriki yıllarda kullanılması düşünülen malzeme tahmini.

23 Tüketim Tüketim (Bin (bin Ton) ton) Uzay/havacýlýk/askeri Alet Ýnþaat Tüketim Korozyona dayanýklýmalz. Elektrik Denizcilik Taþýmacýlýk Diðer Yıl Yýl Şekil. Kompozit Malzemelerin çeşitli kullanım alanları ve kullanım miktarlarının yıllara göre değişimi.

24 Kompozitler için seçilmiş bazı takviye malzemeleri

25 Kompozit malzemelere üç örnek mikroyapı, a) tabakalı bir kompozit olan kontraplak, b) Yüksek mukavemetli cam fiber ve yumuşak matriksten oluşan PMK, c) Bir partikül kompozit olan ve çimento matriksinde farklı boyutlu kum ve çakıl takviye beton

26 Son yıllarda özellikle uzay ve uçak araçlarında kompozit malzemelerin kullanımları yaygınlaşmıştır. Bazı önemli kompozit kullanım alanları; - Boeing 757 ve 767 uçaklarında % 30 dan fazla polimer matriksli kompozit kullanılmıştır - Douglas AV8B Harier Avcı uçaklarında kanatlar ve gövde karbon fiber takviyeli kompozit - Voyager uçağı petrol ürünlerine dayanıklı kompozit malzeme - Corvette, Ferarri, Avanti, Toyota ve Ford otomobillerinde - Spor malzemeleri, tenis raketi, kayak, bisiklet, spor ayakkabıları - Amerikan uydularında, NASA araştırmalarında

27 Tablo. Dökümle üretilen MMK malzeme sistemleri içinde uzay işlemler ile elde edilen malzeme sistemleri. Sistem Program Amaç Sonuç Mg-ThO2 SPAR I Mikron altı ThO2 nın dispersiyonu Mg-ThO2 SPAR II Mikron altı ThO2 nın dispersiyonu Gaz, boşluk, çekme boşluğu yok Üniform dağılım, aglomerasyon yok. Be-BeO SPAR III Tane inceltme Üniform dağılım, aglomerasyon zamanı uzun Ag-SiC Skylab Whiskerle sertleştirilmiş kompozit InBi-Cu fiber InBi- SiCw Apollo 14 Apollo 14 Cu fiberlerin dispersiyonu SiC whiskerlerin dispersiyonu InBi-W Apollo 14 Islatılabilirliği zayıf W' un dispersiyonu Al-Pb Texus I Islatılabilirlik temas açısının düşürülmesi Ag-cam Texus I Islatılabilirlik ve homojen dağılım Üniform dağılım, iyi özellikler Üniform dağılım Üniform dağılım İyi ıslanma, üniform dağılım İdeal dağılıma yakın bir dağılım Segregasyon düşük ve daha ince yapi