KÖK ÇATLAĞA SAHİP KOMPOZİT KİRİŞLERDE YANAL BURKULMANIN DENEYSEL VE NÜMERİK ANALİZİ

Transkript

1 T.C. DOKUZ EYLÜL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ KÖK ÇATLAĞA SAHİP KOMPOZİT KİRİŞLERDE YANAL BURKULMANIN DENEYSEL VE NÜMERİK ANALİZİ BİTİRME PROJESİ Tuğba AKBAY Projeyi Yöneten Doç. Dr. M. Evren Toygar Ocak, 2012 İZMİR

2 TEZ SINAV SONUÇ FORMU Bu çalışma / /. günü toplanan jürimiz tarafından BİTİRME PROJESİ olarak kabul edilmiştir. Yarıyıl içi başarı notu 100 (yüz) tam not üzerinden (.. ) dir. Başkan Üye Üye Makine Mühendisliği Bölüm Başkanlığına,.. numaralı jürimiz tarafından / /. günü saat da yapılan sınavda 100 (yüz) tam not üzerinden. almıştır. Başkan Üye Üye ONAY ii

3 TEŞEKKÜR Kök Çatlağa Sahip Kompozit Kirişlerde Yanal Burkulmanın Deneysel ve Nümerik Analizi konusunda hazırlamış olduğum bitirme projesinin oluşmasında fikirleri ile beni yönlendiren rehberim Doç. Dr. M. Evren Toygar a, deney ve ANSYS çözümlerinde yardımını esirgemeyen Dr. Mustafa Özen e, deneysel incelemelerde beraber çalıştığım arkadışım Nevzat Yolcu ya ve aileme teşekkürlerimi sunarım. Tuğba AKBAY iii

4 ÖZET Kompozit malzemeler; havacılık sanayinde gövde ve kanat panelleri, denizcilikte yelkenli gövdeleri, yat platformları, bisiklet, golf sopası, tenis raketi, yer altı boruları, traktör kaportaları, teleferikler, otomobillerde cam silecekleri, pedallar, dikiz aynası, Formula 1 arabalarında motor kaplaması, ana gövde, burun kapağı ön ve arka kanatları, fren balataları gibi sayısız yerde kullanım alanlarına sahiptirler. Görüldüğü gibi kompozit malzemelerin uygulama alanları çok geniş olmakla birlikte sağladığı yararlar da bir o kadar çoktur. Tüm mühendislik malzemelerinde olduğu gibi, mikroskobik boyutlarda dahi olsa kompozit malzemeler de çatlak içerirler. Malzemelerin kullanımı süresince bu çatlaklar ilerler, birbirleriyle birleşirler ve gözle görünebilecek boyutlara ulaşırlar. Bu bitirme projesinde, öncelikle kompozit malzemelerin çeşitleri, özellikleri, üretim yöntemleri ele alınmış daha sonra sandviç kompozitler, yanal burkulma, kompozit malzemelerde çatlak gibi konulardan bahsedilmiştir. Sandviç kompozit kirişin çatlaksız ve farklı çatlak boylarına sahip durumları için yanal burkulma yükü deneyler ve ANSYS ile nümerik olarak hesaplanmıştır. Elde edilen deney sonuçları ve nümerik analiz sonuçları karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Anahtar sözcükler: kompozit malzeme, sandviç kompozitler, çatlak, yanal burkulma, deneysel ve nümerik analiz. iv

5 İÇİNDEKİLER Sayfa TEZ SONUÇ FORMU TEŞEKKÜR ÖZET ii iii iv BÖLÜM BİR KOMPOZİT MALZEMELER 1.1 Tarihçe Kompozit Malzemelerin Avantajları ve Dezavantajları Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları Kompozit Malzeme Kullanımında Tasarım Esasları Yükleme Durumu Isıl ve Elektriksel Yükleme Yorulma, Çarpma ve Tokluk Kimyasal Yükleme ve Çevre Şartları Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması Partikül Esaslı Kompozitler Lamel Esaslı Kompozitler Fiber Esaslı Kompozitler Dolgu Kompozitleri Tabaka Yapılı Kompozitler Polimer Kompozitler Metal Kompozitler (Metal Matrisli Birleşik Malzemeler MMC) Seramik Kompozitler (Seramik Matrisli Birleşik Malzemeler CMC) Kompozit Malzeme Yapımında Kullanılan Temel Maddeler Matris Malzemeleri Reçineler ve Özellikleri 16 v

6 Epoksi Reçineleri Polyesterler Üretan Reçineleri Fenolik Reçineler Elyaf Çeşitleri ve Özellikleri Cam Elyaflar Bor Elyaflar Silisyum Karbür Elyaflar Alumina Elyaflar Grafit (Karbon) Elyaflar Aramid Elyaflar Kompozit Malzeme Üretim Yöntemleri Elle Yatırma (Hand Lay-Up) Yöntemi Püskürtme (Spray-Up) Yöntemi Elyaf Sarma (Filament Winding) Yöntemi Reçine Transfer Kalıplama RTM / Reçine Enjeksiyonu Yöntemi Profil Çekme / Pultruzyon (Pultrusion) Yöntemi Hazır Kalıplama / Compression Molding (SMC, BMC) Yöntemi Hazır Kalıplama Pestili / SMC (Sheet Moulding Composites) Hazır Kalıplama Hamuru / BMC (Bulk Moulding Composites) Vakum Bonding / Vakum Bagging Otoklav / Autoclave Bonding Yöntemi Preslenebilir Takviyeli Termoplastik/Glass Mat Reinforced Thermoplastic 30 BÖLÜM 2 SANDVİÇ MALZEMELER 2.1 Sandviç Malzemeler Giriş Sandviç Malzemelerin Çeşitleri Yüzey Çeşitleri Cam Elyafları Aramid Elyafları Karbon Elyafları Diğer plastik elyaflar 34 vi

7 Boron elyaflar Reçineler Polyesterler Vinylesterler Epoksiler Çekirdek Çeşitleri PVC köpükler Balsa Tahta Bal peteği (Honeycomb) Sandviç Malzemelerin Endüstride Kullanım Alanları Sandviç Yapı Dizaynında Uygun Malzeme Seçimi Yapısal Etmenler Dayanım Rijitlik Yapıştırma Bağlantısı Performansı Ekonomik Etmenler Çevresel Etmenler Sıcaklık Yanıcılık Özellikleri Yapıştırma Solüsyonları ve Buharlaşma Sandviç Yapılarda Kırılma Mekaniği Analizi ve Kırılma Tokluğu Burkulma Yanal Burkulma 42 BÖLÜM ÜÇ KÖK ÇATLAĞA SAHİP KOMPOZİT KİRİŞLERDE YANAL BURKULMANIN DENEYSEL ANALİZİ 3.1 Deney Verileri Deney Ortamından Görüntüler Deneyler Sonucunda Elde Edilen Grafikler Kuvvet Deplasman Grafikleri 55 vii

8 BÖLÜM DÖRT KÖK ÇATLAĞA SAHİP KOMPOZİT KİRİŞLERDE YANAL BURKULMANIN ANSYS İLE NÜMERİK ANALİZİ 4.1 Sonlu Elemanlar Metodu ANSYS İle Analiz Aşamaları 58 BÖLÜM BEŞ SONUÇ 5.1 Sonuçların Yorumlanması Kaynaklar 89 ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 1.1 Açılı tabakaların ayrı gösterimi 11 Şekil 1.2 Değişik tipte fiber kompozitler 12 Şekil 1.3 Köpüklü kompozit panel bileşenleri 13 Şekil 1.4 Cam elyaf üretimi 19 Şekil 1.5 Elyaf ve matris malzemelerin gerilme uzama diyagramı 23 Şekil 1.6 Elle yatırrma yönteminin uygulanışı 24 Şekil 1.7 Püskürtme yönteminin uygulanışı 25 Şekil 1.8 Elyaf sarma yönteminin uygulanışı 25 Şekil 1.9 Reçine transfer kalıplama yönteminin uygulanışı 26 Şekil 1.10 Profil çekme yönteminin uygulanışı 27 Şekil 1.11 Hazır kalıplama yönteminin uygulanışı 27 Şekil 1.12 Vakum bagging yönteminin uygulanışı 29 Şekil 1.13 Otoklav bonding yönteminin uygulanışı 29 Şekil 1.14 Preslenebilir takviyeli termoplastik (GMT) yönteminin uygulanışı 30 Şekil 2.1 Sandviç yapının I-Kirişi şeklinde modellenmesi 32 Şekil 2.2 Sandviç yapıda oluşan gerilmeler (Mardav yalıtım ve inşaat firma kataloğu) 33 viii

9 Şekil 2.3 Çatlak analizi için olası yükleme koşulları 40 Şekil 3.1 Deneyde kullanılan kompozit malzemenin şekli 43 Şekil 3.2 Kompozit kirişin mengeneyle sabitlenmesi 44 Şekil 3.3 Kompozit kirişin burulma görüntüsü 44 Şekil 3.4 Üst kalın tabakalı çatlaksız a=0 45 Şekil 3.5 Üst ince tabakalı çatlaksız a=0 45 Şekil 3.6 Üst kalın tabakalı çatlaklı a=50 46 Şekil 3.7 Alt kalın tabakalı çatlaklı a=50 46 Şekil 3.8 Üst kalın tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.9 Alt kalın tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.10 Üst kalın tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.11 Alt kalın tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.12 Üst kalın tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.13 Alt kalın tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.14 Üst ince tabakalı çatlaklı a=50 50 Şekil 3.15 Alt ince tabakalı çatlaklı a=50 50 Şekil 3.16 Üst ince tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.17 Alt ince tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.18 Üst ince tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.19 Alt ince tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.20 Üst ince tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.21 Alt ince tabakalı çatlaklı a= Şekil 3.22 Deney sonuçlarının ölçüm cihazından elde edilen sonuçları 54 Şekil 3.23 Tüm deney sonuçlarının Force-Stroke diyagramları 54 Şekil 3.24 Kuvvet-Deplasman grafikleri çeşitleri 55 Şekil 4.1 Ansys te yapılacak analiz tipinin seçimi 58 Şekil 4.2 Kullanılan malzeme tipinin seçimi 59 Şekil 4.3 Eglass-Epoksi tabakanın malzeme özelliklerinin tanımlanması 59 Şekil 4.4 Diğer Eglass-Epoksi tabakanın malzeme özelliklerinin tanımlanması 59 Şekil 4.5 Köpük tabakanın malzeme özelliklerinin tanımlanması 60 Şekil 4.6 Tabaka sayısının girilmesi 60 Şekil 4.7 İlk tabaka için tabaka numarasının, kalınlığının, oryantasyon açısının girilmesi60 Şekil 4.8 İkinci tabaka için tabaka numarası, kalınlığı ve oryantasyon açısı 61 Şekil 4.9 Üçüncü tabaka için tabaka numarası, kalınlığı ve oryantasyon açısı 62 Şekil 4.10 Kalın tabakanın koordinatlarının girilmesi 63 ix

10 Şekil 4.11 Orta tabakanın koordinatlarının girilmesi 63 Şekil 4.12 İnce tabakanın koordinatlarının girilmesi 64 Şekil 4.13 Malzemenin modellenmesi 64 Şekil 4.14 Tabakaların birbirine yapıştırılması 65 Şekil 4.15 Meshleme boyutunun seçimi 65 Şekil 4.16 İlk tabakaya meshleme özelliklerinin atanması 65 Şekil 4.17 Meshleme işlemi 66 Şekil 4.18 Meshleme için ikinci tabakanın seçimi 66 Şekil 4.19 Meshleme için üçüncü tabakanın seçimi 67 Şekil 4.20 İlk analiz olarak statik analizin seçilmesi 67 Şekil 4.21 Analizde hesaplamanın sağlanması 67 Şekil 4.22 Tabakanın sol tarafının mesnetlenmesi 68 Şekil 4.23 Tabakanın üst orta noktasına kuvvetin uygulanması 68 Şekil 4.24 Statik çözümün tamamlanması 69 Şekil 4.25 Yeni analiz tipi için burkulma analizinin seçilmesi 69 Şekil 4.26 Burkulma analzizine mod sayısının girilmesi 69 Şekil 4.27 Burkulma analizi çözümünün tamamlanması 70 Şekil 4.28 Burkulma analizinin sonucu (U_K_a=0) 70 Şekil 4.29 İnce tabaka için koordinat değerleri 71 Şekil 4.30 Kalın tabak için koordinat değerleri 71 Şekil 4.31 Orta tabaka için koordinat değerleri 71 Şekil 4.32 Malzemenin modellenmesi 72 Şekil 4.33 Burkulma analizinin sonucu (U_I_a=0) 72 Şekil 4.34 Burkulma analizinin sonucu (U_K_a=50) 73 Şekil 4.35 Burkulma analizinin sonucu (U_K_a=100) 74 Şekil 4.36 Burkulma analizinin sonucu (U_K_a=150) 75 Şekil 4.37 Burkulma analizinin sonucu (U_K_a=200) 76 Şekil 4.38 Burkulma analizinin sonucu (A_K_a=50) 77 Şekil 4.39 Burkulma analizinin sonucu (A_K_a=100) 78 Şekil 4.40 Burkulma analizinin sonucu (A_K_a=150) 79 Şekil 4.41 Burkulma analizinin sonucu (A_K_a=200) 80 Şekil 4.42 Burkulma analizinin sonucu (A_I_a=50) 81 Şekil 4.43 Burkulma analizinin sonucu (A_I_a=100) 82 Şekil 4.44 Burkulma analizinin sonucu (A_I_a=150) 83 Şekil 4.45 Burkulma analizinin sonucu (A_I_a=200) 84 x

11 Şekil 4.46 Burkulma analizinin sonucu (U_I_a=50) 85 Şekil 4.47 Burkulma analizinin sonucu (U_I_a=100) 86 Şekil 4.48 Burkulma analizinin sonucu (U_I_a=150) 87 Şekil 4.49 Burkulma analizinin sonucu (U_I_a=200) 88 TABLO LİSTESİ Sayfa Tablo 1.1 Pekiştirici liflerin özellikleri 14 Tablo 1.2 Lifli kompozitlerin özellikleri 15 Tablo 1.3 Cam elyafların mekanik özellikleri ve bileşimleri 20 Tablo 1.4 Karbon ve grafit elyafların karşılaştırılması 22 Tablo 1.5 Farklı elyaflardan oluşan kompozitlerin birim maliyetleri 23 Tablo 3.1 Tabakaların malzeme özellikleri 43 Tablo 5.1 Deney sonuçları 89 Tablo 5.2 Ansys analizi sonuçları 89 xi

12 BÖLÜM BİR GİRİŞ 1. KOMPOZİT MALZEMELER İstenen amaç için tek başlarına uygun olmayan farklı iki veya daha fazla malzemeyi istenen özellikleri sağlayacak şekilde belirli şartlar ve oranlarda fiziksel olarak, makro yapıda bir araya getirilerek elde edilen malzemeye kompozit malzeme denir. İç yapıları çıplak gözle incelendiğinde (makroskobik muayene) yapı bileşenlerinin seçilip ayırt edilmesi mümkündür. Yapılarında birden fazla sayıda fazın yer aldığı klasik alaşımlar ise makro ölçüde homojen olmalarına rağmen mikro ölçüde (mikroskobik muayene ile seçilebilen) heterojen malzemelerdir. Kompozit malzemelerde yapıyı oluşturan bileşenler birbiri içinde çözünmezler, kimyasal olarak inert davranırlar. Ancak özellikle metalik sistemlerde düşük oranlarda bile olsa, bir miktar çözünme bileşenler arasında kompozit özelliklerini etkileyebilen ara yüzey reaksiyonları görülebilir. Kompozit malzemelerde çekirdek olarak kullanılan bir fiber malzeme bulunmakta, bu malzemenin çevresinde hacimsel olarak çoğunluğu oluşturan bir matris malzeme bulunmaktadır. Bu iki malzeme grubundan, fiber malzeme kompozit malzemenin mukavemet ve yük taşıma özelliğini, matris malzeme ise plastik deformasyona geçişte oluşabilecek çatlak ilerlemelerini önleyici rol oynamakta ve kompozit malzemenin kopmasını geciktirmektedir. Matris olarak kullanılan malzemenin bir amacı da fiber malzemeleri yük altında bir arada tutabilmek ve yükü lifler arasında homojen olarak dağıtmaktır. Böylece fiber malzemelerde plastik deformasyon gerçekleştiğinde ortaya çıkacak çatlak ilerlemesi olayının önüne geçilmiş olur [1] Tarihçe Günümüzde gemi yapımından bina yapımına, ev aletleri üretiminden uzay teknolojisine kadar hemen hemen her alanda çok yaygın bir kullanımı bulunan kompozit malzemenin üretimi son birkaç yüzyıla mal edilmiş gibi görülse de ilk örnekleri çok eskilere 1

13 dayanmaktadır. Kompozit malzeme kavramının ortaya atılması ve konunun bir mühendislik konusu olarak ele alınması ancak 1940 lı yılların başında gerçekleşmiştir. Çok bileşenli malzemenin ilk örnekleri, doğada bulunan malzemeye yapılan müdahalelerle onun kullanılır hale getirilmeye başlandığı aşamadır. İlk çağlardan beri insanlar kırılgan malzemelerin içine bitkisel veya hayvansal lifler koyarak bu kırılganlık özelliğinin giderilmesine çalışmışlardı. Bu konularda en iyi örneklerden biri kerpiç malzemedir. Kerpiç üretiminde killi çamur içine katılan saman, sarmaşık dalları gibi sap ve lifler, malzemenin gerek üretim, gerek kullanım sırasındaki dayanımını artırmaktadır. Öte yandan, günümüzde kompozit malzemenin donatılmasında yaygın olarak kullanılan liflerle ilgili uygulamanın da çok yeni olmadığı eldeki bulgulardan anlaşılmaktadır. Örneğin cam liflerinin üretimi, eski Mısır a kadar tarihlendirilmektedir. Daha M.Ö yıllarında Mısır da ince cam liflerinin yapımının bilindiği, XVIII. Hanedan devrinden kalan, çeşitli karanlık ve renkte cam lifleriyle bezenmiş amforaların mevcudiyetinden anlaşılmaktadır. Cam liflerinin sanayide kullanımıyla ilgili ilk kayıt, 1877 tarihlidir. Hidrolik bağlayıcılar ve elyaf malzeme kullanılarak yapay taş plakaların üretilmesi yöntemi hakkında bu yüzyılın başında alınmış patentlere rastlanmaktadır. Günlük uygulamalarda en yaygın kullanım olanağı bulmuş olan liflerle donatılmış kompozit malzemelerden ikisi, asbest lifleriyle donatılı kompozit malzemeler ve cam lifleriyle donatılı polyester kompozitlerdir. İlk kez ince levha yapımında kullanılan çimento ve asbest kompozitleri yıllar boyu önemini koruyarak bu gün hala kullanılan bir malzeme olma özelliğini sürdürmektedir. Öte yandan, liflerle donatılı sentetik reçineler 1950 li yılların ortalarından itibaren endüstride kullanılmaya başlanmıştır. Bu malzemenin en tanınmış grubunu cam lifi donatılı polyester reçinesi kompoziti oluşturmaktadır. Ülkemizde fiberglas diye tanınan bu malzeme 1960 lı yılların başından itibaren Türkiye de sıvı depoları, çatı levhaları, küçük boyda deniz teknelerinin yapımı gibi alanlarda kullanılmıştır. Ülkemizde seri üretimi yapılmış ilk yerli otomobil olan Anadol un kaportası bu malzemeden üretilmiştir. Cam lifleriyle donatılı sentetik reçine matrisli malzemeler için dilimizde Cam Takviyeli Plastik (CTP) adı yerleşmiştir. Cam takviyeli plastiklerin üretiminde, en çok kullanılan malzeme olan polyesterin yanı sıra, günümüzde, diğer termoset ve termoplastik reçineler de kullanılmaktadır [2]. 2

14 1.2. Kompozit Malzemelerin Avantajları ve Dezavantajları Kompozit malzemelerin birçok özelliklerinin metallerinkine göre çok farklılıklar göstermesinden dolayı, metal malzemelere göre önem kazanmışlardır. Kompozitlerin özgül ağırlıklarının düşük oluşu hafif konstrüksiyonlarda kullanımda büyük bir avantaj sağlamaktadır. Bunun yanında, fiber takviyeli kompozit malzemelerin korozyona dayanımları, ısı, ses ve elektrik izolasyonu sağlamaları da ilgili kullanım alanları için bir üstünlük sağlamaktadır. Aşağıda bu malzemelerin avantajlı olan ve olmayan yanları kısaca ele alınmıştır. Kompozit malzemelerin dezavantajlı yanlarını ortadan kaldırmaya yönelik teorik çalışmalar yapılmakta olup, bu çalışmaların olumlu sonuçlanması halinde kompozit malzemeler metalik malzemelerin yerini alabilecektir. Yüksek Mukavemet: Kompozitlerin çekme ve eğilme mukavemeti birçok metalik malzemeye göre çok daha yüksektir. Ayrıca kalıplama özelliklerinden dolayı kompozitlere istenen yönde ve bölgede gerekli mukavemet verilebilir. Böylece malzemeden tasarruf yapılarak, daha hafif ve ucuz ürünler elde edilir. Kolay Şekillendirebilme: Büyük ve kompleks parçalar tek işlemle bir parça halinde kaplanabilir. Bu da malzeme ve işçilikten kazanç sağlar. Elektriksel Özellikler: Uygun malzemelerin seçilmesiyle çok üstün elektriksel özelliklere sahip kompozit ürünler elde edilebilir. Bugün büyük enerji nakil hatlarında kompozitler iyi bir iletken ve gerektiğinde de başka bir yapıda, iyi bir yalıtkan malzemesi olarak kullanılabilirler. Korozyona ve Kimyasal Etkilere Karşı Mukavemet: Kompozitler, hava etkilerinden, korozyondan ve çoğu kimyasal etkilerden zarar görmezler. Bu özellikleri nedeniyle kompozit malzemeler kimyevi madde tankları, boru ve aspiratörler, tekne ve diğer deniz araçları yapımında güvenle kullanılmaktadır. Özellikle korozyona karşı mukavemetli olması, endüstride birçok alanda avantaj sağlamaktadır. Isıya ve Ateşe Dayanıklılığı: Isı iletim katsayısı düşük malzemelerden oluşabilen kompozitlerin ısıya dayanıklılık özelliği, yüksek ısı altında kullanılabilmesine olanak sağlamaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile kompozitlerin ısıya dayanımı arttırılabilir. 3

15 Kalıcı Renklendirme: Kompozit malzemeye, kalıplama esnasında reçineye ilave edilen pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir. Bu işlem ek bir masraf ve işçilik gerektirmez. Titreşim Sönümlendirme: Kompozit malzemelerde süneklik nedeniyle doğal bir titreşim sönümleme ve şok yutabilme özelliği vardır. Çatlak yürümesi olayı da böylece minimize edilmiş olmaktadır. Bütün bu olumlu yanların dışında kompozit malzemelerin uygun olmayan yanları da şu şekilde sıralanabilir: Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri malzemenin yorulma özelliklerini olumsuz etkilemektedir. Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik mekanik özellikler gösterirler. Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme ve eğilme mukavemet değerleri farklılıklar gösterir. Kompozit malzemelerin delik delme, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez. Hammaddenin pahalı olması; Uçaklarda kullanılabilecek kalitede karbon elyafının bir metrekarelik kumaşının maliyeti yaklaşık 50 $ dır. Lamine edilmiş kompozitlerin özellikleri her zaman ideal değildir, kalınlık yönünde düşük dayanıklılık ve katlar arası düşük kesime dayanıklılık özelliği bulunmaktadır. Malzemenin kalitesi üretim yöntemlerinin kalitesine bağlıdır, standartlaşmış bir kalite yoktur. Kompozitler kırılgan (gevrek) malzeme olmalarından dolayı kolaylıkla zarar görürler, onarılmaları yeni problemler yaratabilir. Malzemelerin sınırlı raf ömürleri vardır. Bazı tür kompozitlerin soğutularak saklanmaları gerekmektedir. Sıcak kurutma gerekmektedir. Kompozitler onarılmadan önce çok iyi olarak temizlenmeli ve kurutulmalıdır. Bazı durumlarda bu zor olabilir. Bazı kurutma teknikleri uzun zaman alabilmektedir. Görüldüğü gibi kompozit malzemeler, bazı dezavantajlarına rağmen çelik ve alüminyuma göre birçok avantaja sahiptir. Bu özellikleri ile kompozitler otomobil gövde ve tamponlarından deniz teknelerine, bina cephe ve panolarından komple banyo ünitelerine, ev 4

16 eşyalarından tarım araçlarına kadar birçok sanayi kolunda problemleri çözümleyecek bir malzemedir [3] Kompozit Malzemelerin 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. Kompozit malzemelerin 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 kontrolü 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 [3]. 5

17 Şehircilik Bu alanda kompozitler, toplu konut yapımında, çevre güzelleştirme çalışmalarında (heykel, banklar, elektrik direkleri v.s.) kullanılmaktadır. Üreticinin çok sayıda standart ürünü kısa zamanda imal edebilmesi, montajdan tasarruf ve ucuz maliyet imkanları, kullanıcıya da yüksek izolasyon kapasitesi, hafiflik ve yüksek mekanik dayanım imkanları sağlamaktadır. Ev Aletleri Masa, sandalye, televizyon kabinleri, dikiş makinesi parçaları, saç kurutma makinesi gibi çok kullanılan ev aletlerinde ve dekoratif ev eşyalarında kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Bu şekilde komple ve karışık parça üretimi, montaj kolaylığı, elektriksel etkilerden korunum ve hafiflik gibi avantajlar sağlamaktadır. İş Makinaları İş makinalarının kapakları ve çalışma kabinleri yapımında da kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Bu şekilde üretimde kullanılan parça sayısı azaltılabilmekte, tek parça üretim mümkün olmaktadır. Ayrıca elektrik izolasyon malzemelerinden de tasarruf sağlanmaktadır. İnşaat Sektörü Cephe korumaları, tatil evleri, büfeler, otobüs durakları, soğuk hava depoları, inşaat kalıpları birer kompozit malzeme uygulamalarıdır. Tasarım esnek ve kolay olmakta, nakliye ve montajda büyük avantajlar sağlamaktadır. İzolasyon problemi çözülmekte ve bakım giderleri azalmaktadır. Tarım Sektörü Seralar, tahıl toplama siloları, su boruları ve sulama kanalları yapımında kompozitler özel bir öneme sahiptirler. Kompozit malzemelerden yapılan bu örnekler istenirse ışık geçirgenliği, tabiat şartlarına ve korozyona dayanıklılık, düşük yatırım ve kolay montaj gibi avantajlar sağlamaktadır. 6

18 Otomotiv Sanayi Otomobil firmaları, müşterilerinin ihtiyaçlarına karşılık vermek için çevresel şartların baskısı altında daha hafif otomobiller üretmektedirler. Hafif otomobiller daha çabuk hızlanabilen, daha çabuk durabilen, ilerlemek için daha küçük bir motora ve daha az benzine ihtiyaç duyan araç anlamına gelmektedir. Bu alanda kompozitlerden oluşan başlıca ürünler; otomobil kaportası parçaları, iç donanımı, bazı motor parçalan, tamponlar ve oto lastikleridir. Elektrik ve Elektronik Sanayi Kompozitler, başta elektriksel izolasyon olmak üzere her tür elektrik ve elektronik malzemenin yapımında kullanılmaktadır. Sigorta-panel kutuları, aydınlatma gövdeleri, antenler, izolatörler, devre kesiciler, yalıtkan platformlar, elektrik ve aydınlatma direkleri, kablo taşıyıcıları, kablo kanalları, merdivenler vs...[1] 1.4. Kompozit Malzeme Kullanımında Tasarım Esasları Makine ve yapıları imal ederken anizotropik malzeme kullanımının belli bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Avantajları; takviye doğrultusunda çok yüksek özgül mukavemet ve rijitlik, şekillendirilebilme kabiliyeti ve elastik olarak yüksek kopma uzaması, çok iyi yorulma dayanımı, kalıcı deformasyon olmaması, düşük ve kontrol edilebilir ısıl genleşme katsayısı, çok düşük enine ve ısıl elektrik iletim katsayısı, tabakal kompozitlerin tabaka yapılarının istenen amaca göre düzenlenebilmesidir. Dezavantajları ise; malzeme bünyesinde hasara sebep olacak şekilde ikincil gerilmelerin meydana gelebilmesi, kritik uygulamalarda uzun zaman alan masraf gerektiren detaylı gerilme analizi gerekliliği, üretim ve kullanım yerinde yüksek sıcaklık olması durumunda fiber matris ısıl genleşmelerinin farklı olması sebebiyle hasara götüren iç gerilmeler, lineer elastik özellikleri sebebiyle gevrek kırılma tehlikesi kullanım ortamı sıcaklığının matris malzeme özellikleriyle sınırlanması sıcaklık sebebiyle özellikle polimer matrisli malzemelerde sürünme tehlikesi, bağlantı yerlerinde çok dikkatli dizayn gerekliliği olarak sayılabilir. Kompozit malzemelerden yapılacak makine elemanlarının bu özellikler göz önüne alınarak tasarlanması gerekmektedir. Kompozit malzemelerden yapılacak makine elemanlarının tasarımında dikkat edilecek faktörler; ısıl, mekanik, çarpma, kimyasal, elektrik ve manyetik yükleme gibi yükleme durumları, takviye şekli ve yükleme doğrultusuna göre durumu ve makine elemanlarının ağırlığı ile birleştirme 7

19 yerlerinin seçimi ve birleştirme şeklidir. Tasarımda dikkat edilecek faktörler tek tek incelenirse; Yükleme Durumu Klasik malzemelerden farklı olarak, kompozit malzeme üzerine gelecek kuvvetin doğrultusu, şiddeti ve tesirleri çok büyük önem arzeder. Çünkü kompozit malzemede fiberlerin takviye açısına göre malzeme üzerindeki gerilme dağılımı değişmektedir Isıl ve Elektriksel Yükleme Isı ve elektrik akımı direncin düşük olduğu yerlerden geçme eğiliminde olduğundan ısıl ve elektriksel iletim özellikleri cam, aramid ve seramik fiber kullanılması durumunda matris malzemeninkine yakındır. Karbon fiberleri gibi iletim özelliği iyi olan fiberlerin kullanıldığı kompozitlerde ise fiber malzemesinin özelliklerine yakınlık gösterir. Polimerik matrisli kompozitlerde, matris malzemeleri metallere göre yaklayık olarak %1 oranında iletim özelliğine sahiptir. Fiberlerin ise yüksek iletim özellikleri vardır. Kompozit içinde takviye şekli ve doğrultusu ile enerji akış sektörü arasındaki açı önemlidir. İzotrop cam fiberlerinde bile boyuna ve enine iletim katsayılaı arasında %30 gibi bir fark bulunmaktadır. Karbon fiberlerinde ise bu oran %0,2 ye kadar düşmektedir. Bu yüzden elektrik ve ısıl yüke sahip kompozitlerin dizaynında fiber hacim oranı, takviye doğrultusu ve üretim sırasında eleman içinde boşluk kalmayacak şekilde bir üretim yapılması çok önemlidir. Herhangi bir kompozit yapıda bile, kullanılan malzemelerin ısıl genleşme özelliklerinin farklı olması sebebiyle, ısı yükü altında farklı uzamalar sonucu büyük gerilmeler ortaya çıkabilir. Bu gerilmeler, dışarıdan malzemeye herhangi bir yük uygulansa bile malzemede hasara yol açacak kadar büyük olabilmektedir.tabakalı üretimde ise farklı tabakalar arasında aynı uzamaya rağmen takviye doğrultusundaki farklılıklar sebebiyle çarpılma şeklinde hasarlar oluşabilmektedir. İzotropik malzemelerde oluşan bu gerilmeler çeşitli ısıl işlemler ile ortadan kaldırılabilirken kompozit malzemelerde bu durum mümkün olmamaktadır. Bu yüzden ikincil bir yük olarak ısı yükünün de bulunduğu durumlarda malzeme tayini önem kazanır. Tabakalı üretim durumunda tabakalar, uzamalar birbirini ortandan kaldıracak şekilde yerleştirilmeyidir. Birleşme yerinin dizaynında, bu gerilmelerin de dikkate alınması gerekir. 8

20 Yorulma, Çarpma ve Tokluk Kompozitlerde yorulma izotrop malzemelerden oldukça farklı bir şekilde oluşur. İzotrop malzemelerde değişken yüklemeye maruz bir makine elemanında oluşan çatlak tanımlanabilir bir gelişme göstererek ilerlemekte ve parça hesaplanabilen bir ömür sonunda da hasara uğramaktadır. Bu malzemeler için çatlak başlangıcının hemen hemen tamamen tanımlanmış ve deneyler yapılarak gerekli sabitler bulunmuştur. Kompozit malzemelerin çentik hassasiyetleri, matris malzeme çentiğin diğer fibere geçmesini geciktirdiğinden metalik malzemelere göre daha azdır. Kompozitlerde yorulma olayı, malzemeye bağlı olarak farklı şekillerde meydana gelir. Fiber-matris ara yüzey bağ kuvvetine bağlı olarak oluşan yorulma, yük doğrultusu ile fiber doğrultusunun farklı olduğu durumlarda oluşan yorulma şeklidir. Fiber boyunca oluşan çatlağın ilerlemesi ile hasar meydana gelir. Kumaş şeklindeki fakvilerde genellikle bu şekilde yorulma oluşur. Fiber ve yük doğrultusu aynı olursa oldukça yüksek yorulma direnci elde edilir. Bu durumda, fiber hacim oranı arttıkça yorulma direncide artmaktadır. Tabakalı yapıdaki yorulma ise, mukavemetlerine göre daha yüksek gerilme uygulanan tabakalardan başlayarak yayılır. Tabakalı yapının kumaş fiberlere göre yorulma dirençleri daha büyüktür. Çarpma, genellikle makine elemanlarında genellikle beklenmeyen ve hesaba katılmayan ani yüklemelere verilen addır. Sünek malzemelerde çarpışma sonucu plastik deformasyon ve gözle görülebilen hasarlar oluşur. Kompozitlerin çarpmaya karşı davranışı çarpmada absorbe ettikleri enerji ile belirlenir. Bu da ara yüzey bağ gerilmelerinin değerine bağlıdır. Eğer bağ dayanımı düşükse malzeme zayıf mukavemet özellikleri göstermekle beraber enerji absorbsiyonu iyi olacağından çarpmaya karşı iyi bir dayanım gösterecektir. Çok yüksek bağ dayanımına sahip kompozitler gevrekleşme eğilimindedir. Pratikte fiberlere yapılan yüzey işlemleri ile ara yüzey bağ dayanımı kontrol edilebilmektedir. Tokluk, malzemenin kırılma dayanımının bir ölçüsüdür. Yorulma ve çarpma yüklerine karşı kompozit malzemelerin davranışlarının belirlenmesinde önemli bir karşılaştırma parametresidir Kimyasal Yükleme ve Çevre Şartları Matris malzemeleri kompizitin nem, ısı ve kimyevi maddeler gibi çevre etkilerine maruz kalan kısmı olduğundan korozyon dayanımı, nem absorbsiyonu gibi çevre etkilerine karşı özelliklerini de belirlemektedir. Plastik malzeme, plastik matrisli kompozitlerin çok çeşitli çevre ve kimyevi yüklere karşı yüksek performans göstermesini sağlamaktadır. Metalik 9

21 matrisli kompozitlerde ise kimyasal etkilere karşı direnç, malzemenin yüzeyinde meydana getirdiği koruyucu tabaka kalınlığı ile belirlenmektedir. Mesela, 200 ºC nin üzerinde özellikleri kararlı olmayan, veya kimyevi etkilere dayanıksız olan bir fiber, çok daha yüksek sıcaklıklara yada çok etkin kimyevi yüklemelere dayanabilen ve ısıl iletkenlik özellikleri iyi olmayan bir matris içinde söz konusu şartlara dayanıklı, mukavemeti yüksek bir kompozit oluşturabilmektedir [2] Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması Kompozit malzemeleri değişik şekilde sınıflandırmak mümkündür. Matris malzemesinin türüne göre metalik kompozitler, polimerik kompozitler, seramik kompozitler vb. gibi gruplandırma yapılabildiği gibi yapı bileşenlerinin şekillerine göre de sınıflandırma yapılabilir. Yapı Bileşenlerinin Şekillerine Göre Kompozit Malzemeler 1) Partikül esaslı kompozitler 2) Lamel esaslı kompozitler 3) Fiber esaslı kompozitler 4) Dolgu kompozitleri 5) Tabaka yapılı kompozitler Partikül Esaslı Kompozitler Rijitlik ve mukavemette artış sağlayan küçük granül dolgu maddesi ilavesi ile şekillendirilir. Partikül kompozitler, bir veya iki boyutlu makroskobik partiküllerin veya sıfır boyutlu makroskobik partiküllerin oluşturdukları malzemelerdir. Makroskobik veya mikroskobik boyutlu partiküller kompozit malzeme özelliklerini farklı şekilde etkilerler. Partikül takviyeli kompozitleri fiber ve pul kompozitlerden ayırt eden karakteristik özellikleri, partiküllerin matris içinde tamamen rastgele dağılması ve bu nedenle malzemenin izotropik özellik göstermemesidir. Partikül esaslı kompozitlerin maliyeti düşük ve rijitliği de oldukça iyidir. 10

22 Lamel Esaslı Kompozitler Yüksek yük taşıma kabiliyeti olan büyük uzunluk/çap oranında dolgu maddesi ilave edilerek üretilir. Matris içinde yer alan pulların konsantrasyonu düşük olabileceği gibi birbiri ile temas etmelerini sağlayacak derecede yüksek değerlerde olabilir. Düzlemsel yapıya sahip pullarla sıkı bir paketleme elde edilebilir. Pul esaslı sistemin maliyeti biraz daha fazla, ancak mukavemet özellikleri iyidir. Şekil 1.1 Açılı tabakaların ayrı gösterimi Fiber Esaslı Kompozitler Birçok özelliklerde artış sağlayan, yüksek etkinliği olan liflerin ilavesiyle elde edilir. Mühendislikte kullanılan malzemelerin pek çoğu fiber şeklinde üretildiklerinde mukavemet ve rijitlikleri kütle hallerindeki değerlerinden çok üstünde olabilmektedirler. Örneğin; karbon fiberlerin çekme mukavemeti kütle halindeki grafitten elli kat, rijitliği üç kat daha yüksektir. Fiberlerin bu özelliklerinin fark edilmesi ile fiber kompozitlerin üretilmesi süreci başlamıştır. Günümüzdeki düşük performanslı ev eşyalarından roket motorlarına değin kullanım alanı bulan malzemeler olmuşlardır. Fiberler, yapı içerisinde kesintisiz uzayan sürekli fiberler veya uzun fiberlerin kesilmesiyle elde edilen süreksiz fiberler veya elyaflar şeklinde olabilirler. Fiber matris kompozitlerinin mühendislik performansını etkileyen en önemli faktörler; fiberlerin şekli, uzunluğu, yönlenmesi, matrisin mekanik özellikleri ve fiber-matris ara yüzey özellikleridir. Fiberler dairesel olduğu gibi nadiren dikdörtgen, hekzagonal, poligonal ve içi boş dairesel kesitli olabilir. Bu kesitleri bazı artı özellikleri olmakla birlikte (paketleme, yüksek mukavemet v.s) dairesel kesitler maliyeti ve kullanım kolaylığı ile üstünlüğü sağlar. Sürekli fiberlerle çalışmak genelde daha kolay olmakla beraber tasarım serbestliği süreksizlere göre 11

23 çok daha sınırlıdır. Sürekli fiberler süreksizlerden daha iyi yönlenme göstermelerine karşılık, süreksiz fiberlerin kullanılması daha pratik sonuçlar vermektedir. Şekil 1.2 Değişik tipte fiber kompozitler Dolgu Kompozitleri Üç boyutlu sürekli bir matris malzemesinin yine üç boyutlu dolgu maddesi ile doldurulması veya emprenye edilmesi ile oluşan malzemelerdir. Düzgün petekler, hücreler veya süngere benzeyen gözenekli yapılar arasında metalik, organik veya seramik esaslı dolgu maddeleri yer alabilir. Optimum özelliklere sahip olabilmesi için birbiri içinde çözünmeyen, kimyasal reaksiyon vermeyen bileşenlerin seçilmesi gerekir. Bu tür kompozitler sandviç kompozitleri olarak da bilinir. İki laminat arasına, ince ince metal folyodan yapılan bal petekli bir yapının yerleştirilmesi ile elde edilen kompozit malzemelere sandviç kompozitler adı verilir. Hafif, üstün mekanik özelliklere sahip, üretimi oldukça basit ve bu malzemelerin geniş uygulamaları mevcuttur. Balpetek arakesitli sandviç paneller, ilk defa 1940 lı yıllarda havacılık sektöründe kullanılmıştır. Günümüzde kağıt, plastik, paslanmaz çelik, titanyum, süper alaşım, alüminyum ve benzeri metallerden balpetekleri üretilerek sandviç kompozitler yapılmaktadır. Laminatlara birleştirmede özel yapıştırıcılar dışında difüzyon veya lehimleme birleştirmeleri de yapılabilmektedir. Yüksek tokluk, yüksek mukavemet ağırlık ilişkisine sahip sandviç panellerin kullanımı gelecekte daha da artacaktır [2]. Endüstride gün geçtikçe hammadde sıkıntısı artmakta olması nedeniyle alternatif endüstriyel ürünlere yönelik arayışlar devam etmektedir. Buna paralel olarak her geçen gün ürün çeşitliliği de artmaktadır. Köpüklü kompozit levha; poliüretan (PUR) levhanın belirli kalınlıklardaki kontrplak tabakalarının arasında preslenmesi sonucu bütün bir yapıya 12

24 getirilmesiyle oluşmaktadır. Fiziksel durumları itibari ile sandviç malzeme ismi ile nitelendirilmekte ve bu yöntemle imal edilmektedirler. Ülkemizde henüz bir yerde yatların iç kısımlarında kullanılmak üzere üretimi yapılmaktadır. Türkiye ve dünyada endüstriyel orman ürünlerine olan ihtiyacın karşılanabilmesi için hammadde kaynaklarının tekniğe uygun olarak optimum düzeyde işletilmesi ve değerlendirilmesi gerekmektedir. Bu nedenle farklı materyallerin bir araya getirilmesi ile elde edilen kompozit malzemeler günümüzde önem kazanmıştır [4]. Şekil 1.3 Köpüklü kompozit panel bileşenleri Sandviç kompozitler 3 ana bileşenden oluşurlar. Birincisi, yüksek mukavemetli, rijit yapıya sahip ince yüzey malzemesi; ikincisi kalın ve yüzey malzemesine gore daha hafif düşük mukavemetli çekirdek; üçüncüsü de bu iki malzemeyi yapışma ara yüzeyinde hasar oluşmayacak kadar güçlü şekilde bağlayan yapıştırıcı (reçine) malzemedir. Sandviç kompozit yapı, katmanlı bir kompozittir. Bu katmanlı kompozitin oluşması ile kendini oluşturan bileşenlerin her birinin mekanik özelliklerinden daha üstün mekanik özelliklere sahip bir yapı ortaya çıkar. İki adet rijit, yüksek mukavemetli yüzey malzemesinin arasında yer alan, daha az mukavemet ve rijitliğe sahip hafif çekirdek malzeme sayesinde sandviç yapının ağırlığı da düşer. Bu sayede, geleneksel imalat malzemeleri olan çelik ve alüminyum ile imal edilen teknelere nazaran daha hafif tekne imal edilebilir [5]. İkince bölümde sandviç kompozitler hakkında daha ayrıntılı bilgi verilmiştir. 13

25 1.5.5.Tabaka Yapılı Kompozitler Farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın kombinasyonundan oluşur. Çok değişik kombinasyonlarla tabakalaşmış kompozitlerin üretimi mümkündür. Korozyon direnci zayıf metaller üzerine, daha yüksek dirençli metallerin veya plastiklerin kaplanmasıyla korozyon özelliğinin, yumuşak malzemelerin sert malzemelerle birleştirilmesiyle sertlik ve aşınma direncinin, farklı fiber yönlenmesine sahip tek tabakaların birleştirilmesiyle çok yönlü yük taşıma özelliğinin geliştirilmesi mümkün olmuştur. Matris Malzemesinin Türüne Göre Kompozit Malzemeler 1. Polimer Kompozitler 2. Metal Kompozitler 3. Seramik Kompozitler Polimer Kompozitler Liflerle pekiştirilmiş polimer kompozitler endüstride çok geniş kullanma alanına sahiptir. Pekiştirici olarak cam, karbon kevlar ve boron lifleri kullanılır. Pekiştirici liflerin özellikleri tabloda verilmiştir. Tablo 1.1 Pekiştirici liflerin özellikleri Malzeme Özgül ağırlık gr/cm 3 Çekme mukavemeti N/mm 2 Elastisite modülü N/mm 2 Cam lifi 2, Karbon lifi 1, Kevlar lifi 1, Polimer kompozitlerde kullanılan en önemli bağlayıcı malzeme polyester ve epoksidir. Pekiştirici liflerin miktarı arttıkça kompozitin mukavemeti yükselir. Polimer kompozitlerin en önemli özellikleri yüksek özgül mukavemet(mukavemet/ özgül ağırlık) ve özgül elastisite modülüdür. Dolayısıyla bu özelliklerden dolayı diğer malzemelere üstün durumundadırlar. Örneğin; yüksek mukavemetli çeliklerde özgül mukavemetin 110 Nm/gr olmasına karşın cam lifi polyesterlerde 620 Nm/gr dır. Diğer taraftan karbon lifi epokside 700 Nm/gr ve kevlar epokside 886 Nm/gr dır. Diğer taraftan karbon liflerinin özgül elastisite modülü alüminyumunkinin 5 katı kadardır. Bu üstünlüklerinden dolayı polimer kompozitler uçak ve uzay endüstrisinde alüminyum alaşımlarına tercih edilir. 14

26 Tablo 1.2 Lifli kompozitlerin özellikleri Malzeme Özgül ağır. gr/cm 3 Çekme mukavemet N/mm 2 Elastik mukavem. N/mm 2 Cam lifi polyester 1,5 2, Karbon lifi epoksi 1,5 1, Kevlar epoksi 2, Boron lifi epoksi 1, Metal Kompozitler (Metal Matrisli Birleşik Malzemeler MMC) Metallerin ve metal alaşımlarının birçoğu yüksek sıcaklıkta bazı özellikleri sağlamalarına rağmen kırılgan olmaktadırlar. Fakat metalik fiberler ile takviye edilmiş metal matrisli kompozitler her iki fazın uyumlu çalışması ile yüksek sıcaklıkta da yüksek mukavemet özelliklerini vermektedir. Bakır ve alüminyum matrisli, Wolfram ve Molibden fiberli kompozitler ve Al-Cu kompoziti bize bu kompozisyonu en iyi veren örneklerdir. Bu tip kompozitler, matrisin özelliklerini iyileştirdiği gibi bu özelliklere daha ekonomik ulaşılmasını sağlar. Fiberlerin malzemeyi kuvvetlendirme derecesi, yüzeysel boşlukların olmayışına bağlıdır. Böylece teorik duruma yaklaşılabilir. Fiberlerin çaplarına ve matrisle olan adezyon kuvvetinin niteliğine bağlı olarak belli bir kritik uzunluktan daha kısa olmalıdır. Bu kompozitlerde metal matris içine gömülen ikinci faz, sürekli lifler şeklinde olabildiği gibi gelişi güzel olarak dağıtılmış küçük parçalar halinde de olabilmektedir Seramik Kompozitler (Seramik Matrisli Birleşik Malzemeler CMC) Metal veya metal olmayan malzemelerin bileşiminden oluşan seramik kompozitler, yüksek sıcaklıklara karşı çok iyi dayanım göstermekle birlikte rijit ve gevrek bir yapıya sahiptirler. Ayrıca elektriksel olarak çok iyi bir yalıtkanlık özelliği gösterirler. Üç ayrı grupta toplanan seramik kompozitler şu şekilde sıralanabilir: A ) Seramik - Seramik Sistemi: İki seramik fazın karışmasından oluşmaktadır. Örnek olarak saf çini verilebilir. 15

27 B ) Seramik - Cam Sistemi: Yaşamımızın her alanında kullanılan porselen, bir seramik cam kompozitidir. Kuartz fiberlerin bir cam matris içersine çini ile birlikte hamurlanıp yerleştirilmesiyle oluşmuştur. C ) Seramik - Metal Sistemi: Bu tür kompozitler, çok fazlı bir yapıya sahiptirler. Bir metal faz, bir seramik faz, bir gözenek fazı ve daha çok karmaşık formlarda seramik ve metalin ilave fazlarından meydana gelmiştir. Endüstride kullanılan ve elmas olarak adlandırılan kesme aletleri en iyi örneklerdir. Bir kobalt matris içine dağılmış tungsten karpit parçalarından oluşan bu kompozit malzeme büyük bir dayanım sağlamaktadır [1] Kompozit Malzeme Yapımında Kullanılan Temel Maddeler Matris Malzemeleri Kompozit yapılarda matrisin üç temel fonksiyonu vardır. Bunlar, elyafları birarada tutmak, yükü elyaflara dağıtmak ve elyafları çevresel etkilerden korumaktır. İdeal bir matris malzemesi başlangıçta düşük viskoziteli bir yapıda iken daha sonra elyafları sağlam ve uygun bir şekilde çevreleyebilecek katı forma kolaylıkla geçebilmelidir. Kompozit yapılarda yükü taşıyan elyafların fonksiyonlarını yerine getirmeleri açısından matrisin mekanik özelliklerinin rolü çok büyüktür. Örneğin matris malzemesi olmaksızın bir elyaf demeti düşünüldüğünde yük bir ya da birkaç elyaf tarafından taşınacaktır. Matrisin varlığı ise yükün tüm elyaflara eşit olarak dağılımını sağlayacaktır. Kesme yükü altındaki bir gerilmeye dayanım, elyaflarla matris arasında iyi bir yapışma ve matrisin yüksek kesme mukavemeti özelliklerini gerektirir. Elyaf yönlenmelerine dik doğrultuda, matrisin mekanik özellikleri ve elyaf ile matris arasındaki bağ kuvvetleri, kompozit yapının mukavemetini belirleyici önemli hususlardır. Matris elyafa göre daha zayıf ve daha esnektir. Bu özellik kompozit yapıların tasarımında dikkat edilmesi gereken bir husustur. Matrisin kesme mukavemeti ve matris ile elyaf arası bağ kuvvetleri çok yüksek ise elyaf ya da matriste oluşacak bir çatlağın yön değiştirmeksizin ilerlemesi mümkündür. Bu durumda kompozit gevrek bir malzeme gibi davrandığından kopma yüzeyi temiz ve parlak bir yapı gösterir. Eğer bağ mukavemeti çok düşükse elyaflar boşluktaki bir elyaf demeti gibi davranır ve kompozit zayıflar. Orta seviyede bir bağ mukavemetinde ise elyaf veya matristen başlayan enlemesine doğrultuda bir çatlak elyaf/matris ara yüzeyine dönüp elyaf doğrultusunda ilerleyebilir. Bu durumda kompozit sünek malzemelerin kopması gibi lifli bir yüzey sergiler. 16

28 Reçineler ve Özellikleri Epoksi Reçineleri Epoksi reçineleri bifenol A ile epiklorhidridin reaksiyon ürünü olup sertleştirici (katalist) ile karıştırıldığında adi sıcaklıkta veya fırınlama ile (70 90 derece) bir sonucu belli bir sürede sertleşir ve bir plastik görünümü alır. Önemli özellikleri olarak sıvı, viskoz sıvı veya katı hallerde bulunabilmeleri, elektrik, ısı, kimyasal dirençleri ile mekanik özelliklerinin yüksek olması, hava şartlarından etkilenmemeleridir. Depolanma süreleri oda sıcaklığında 24 aydır Polyesterler Dibazik asitlerle gliserin, glikol gibi polialkollerin reaksiyonundan elde edilirler. Katı, sıvı termostat, termoplast gibi türlerde bulunur. Sıvı polyesterler, katalist ve hızlandırıcı kullanılarak kür edilirler. Sert, kimyasal maddelere ve hava şartlarına direnci çok yüksektir. Katı polisterler (LPET gibi) darbe dayanımlıdır Üretan Reçineleri Bir izosiyanatla bir polialkolün oda sıcaklığında katılma polimerizasyonu ile elde edilen üretanlar daha çok köpük lastik (esnek ve rijit) yapımında kullanılırlar. Kimyasal direnci iyidir. Yazılım özellikleri yüksektir Fenolik Reçineler Fenol formaldehit kondenzasyon ürünü olup, bu ham maddelerin bazen türevlerinde kullanılmaktadır. Katı ve sıvı türleri vardır. Yurdumuzda sıvı reçine üretimi vardır Elyaf Çeşitleri ve Özellikleri Matris malzeme içinde yer alan elyaf takviyeler kompozit yapının temel mukavemet elemanlarıdır. Düşük yoğunluklarının yanısıra yüksek elastisite modülüne ve sertliğe sahip olan elyaflar kimyasal korozyona da dirençlidir. Günümüzde kompozit yapılarda kullanılan en önemli takviye malzemeleri sürekli elyaflardır. Bu elyaflar özellikle modern 17

29 kompozitlerin oluşturulmasında önemli bir yer tutarlar. Cam elyaflar teknolojide kullanılan en eski elyaf tipleridir. Son yıllarda geliştirilmiş olan bor, karbon, silisyum karbür ve aramid elyaflar ise gelişmiş kompozit yapılarda kullanılan elyaf tipleridir. Elyafların ince çaplı olarak üretilmeleri ile büyük kütlesel yapılara oranla yapısal hata olasılıkları en aza indirilmiştir. Bu nedenle üstün mekanik özellikler gösterirler. Ayrıca, elyafların yüksek performanslı mühendislik malzemeleri olmalarının nedenleri aşağıda verilen özelliklere de bağlıdır. Üstün mikroyapısal özellikler, tane boyutlarının küçük oluşu ve küçük çapta üretilmeleri. Boy/çap oranı arttıkça matris malzeme tarafından elyaflara iletilen yük miktarının artması. Elastisite modülünün çok yüksek olması Cam Elyaflar Cam elyaflar, sıradan bir şişe camından yüksek saflıktaki kuartz camına kadar pek çok tipte imal edilirler. Cam amorf bir malzemedir ve polimerik yapıdadır. Üç boyutlu moleküler yapıda, bir silisyum atomu dört oksijen atomu ile çevrilmiştir. Silisyum metalik olmayan hafif bir malzemedir, doğada genellikle oksijenle birlikte silis (SiO 2 ) şeklinde bulunur. Cam eldesi için silis kumu, katkı malzemeleri ile birlikte kuru halde iken 1260 C civarına ısıtılır ve soğumaya bırakıldığında sert bir yapı elde edilir. Cam elyafların bazı özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir. Çekme mukavemeti yüksektir, birim ağırlık başına mukavemeti çeliğinkinden yüksektir. Isıl dirençleri düşüktür. Yanmazlar, ancak yüksek sıcaklıkta yumuşarlar. Kimyasal malzemelere karşı dirençlidirler. Nem absorbe etme özellikleri yoktur, ancak cam elyaflı kompozitlerde matris ile cam elyaf arasında nemin etkisi ile bir çözülme olabilir. Özel elyaf kaplama işlemleri ile bu etki ortadan kaldırılabilir. Elektriği iletmezler. Bu özellik sayesinde elektriksel yalıtımın önem kazandığı durumlarda cam elyaflı kompozitlerin kullanılmasına imkan tanırlar. 18

30 Şekil 1.4 Cam elyaf üretimi [6] Cam elyaf imalinde silis kumuna çeşitli katkı malzemeleri eklendiğinde yapı bu malzemelerin etkisi ile farklı özellikler kazanır. Dört farklı tipte cam elyaf mevcuttur. -A (Alkali) Camı: A camı yüksek oranda alkali içeren bir camdır. Bu nedenle elektriksel yalıtkanlık özelliği kötüdür. Kimyasal direnci yüksek, en yaygın cam tipidir. -C (Korozyon) Camı: Kimyasal çözeltilere direnci çok yüksektir. -E (Elektrik) Camı: Düşük alkali oranı nedeniyle elektriksel yalıtkanlığı diğer cam tiplerine göre çok iyidir. Mukavemeti oldukça yüksektir. Suya karşı direnci de oldukça iyidir. Nemli ortamlar için geliştirilen kompozitlerde genellikle E camı kullanılır. -S (Mukavemet) Camı: Yüksek mukavemetli bir camdır. Çekme mukavemeti E camına oranla %33 daha yüksektir. Ayrıca yüksek sıcaklıklarda oldukça iyi bir yorulma direncine sahiptir. Bu özellikleri nedeniyle havacılıkta ve uzay endüstrisinde tercih edilir. Cam elyaflar genellikle plastik veya epoksi reçinelerle kullanılırlar. 19

31 Tablo 1.3 Cam elyafların mekanik özellikleri ve bileşimleri Özellikler Cam Tipi A C E S Özgül ağırlık (gr/cm3) Elastik modül (GPa) Çekme mukavemetî (MPa) Isıl genleşme katsayısı (m/m/ Cx10 6 ) Yumuşama sıcaklığı ( C) Katkı Malzemeleri (%) SiO Al 2 O 3, Fe 2 O CaO MgO Na 2 O, K 2 O B 2 O BaO Bor Elyaflar Bor elyaflar aslında kendi içlerinde kompozit yapıdadırlar. Çekirdek olarak adlandırılan ince bir flamanın üzerine bor kaplanarak imal edilirler. Çekirdek genellikle Tungstendir. Karbon çekirdek de kullanılabilir ancak bu yeni bir uygulamadır. Bor-Tungsten elyaflar, sıcak tungsten flamanın hidrojen ve bortriklorür (BC1 3 ) gazından geçirilmesi ile üretilirler. Böylece Tungsten flamanın dışında bor plaka oluşur. Bor elyaflar değişik çaplarda üretilebilirler (0.05mm ila 0.2mm). Tungsten çekirdek ise daima 0.01 mm çapında üretilir. Bor elyaflar yüksek çekme mukavemetine ve elastik modüle sahiptirler. Çekme mukavemetleri 2758 MPa ila 3447 MPa'dır. Elastisite modülü ise 400 GPa'dır. Bu değer S camının elastisite modülünden beş kat fazladır. Üstün mekanik özelliklere sahip olan bor elyaflar, uçak yapılarında kullanılmak üzere geliştirilmişlerdir. Ancak, maliyetlerinin çok yüksek olması nedeniyle, son yıllarda yerlerini karbon elyaflara bırakmışlardır. Bor elyafların Silisyum Karbür (SiC) veya Bor Karbür (B 4 C) kaplanmasıyla yüksek sıcaklıklara dayanımı artar. Özellikle bor karbür kaplanması ile çekme mukavemeti önemli ölçüde artırılabilir. Bor elyafların erime sıcaklıkları 2040 C civarındadır. 20

32 Silisyum Karbür Elyaflar Bor gibi, Silisyum karbürün Tungsten çekirdek üzerine kaplanması ile elde edilirler. 0.1 mm ila 0.14 mm çaplarında üretilirler. Yüksek sıcaklıklardaki özellikleri bor elyaflardan daha iyidir. Silisyum karbür elyaf 1370 C'ta mukavemetinin sadece %30'nu kaybeder. Bor elyaf için bu sıcaklık 640 C tır. Bu elyaflar genellikle Titanyum matrisle kullanılırlar. Jet motor parçalarında Titanyum, Alüminyum ve Vanadyum alaşımlı matris ile kullanılırlar. Ancak Silisyum karbür elyaflar Bor elyaflara göre daha yüksek yoğunluğa sahiptirler. Silisyum karbürün karbon çekirdek üzerine kaplanması ile üretilen elyafların yoğunluğu düşüktür Alumina Elyaflar Alumina, Alüminyum oksittir (A1 2 O 3 ). Elyaf formundaki alumina, 0.02 mm çapındaki alumina flamanın Silisyum dioksit (SiO 2 ) kaplanması ile elde edilir. Alumina elyafların çekme mukavemetleri yeterince yüksek değildir, ancak basma mukavemetleri yüksektir. Örneğin, alumina epoksi kompozitlerin basma mukavemetleri 2275 ila 2413 MPa'dır. Ayrıca, yüksek sıcaklık dayanımları nedeniyle uçak motorlarında kullanılmaktadırlar Grafit (Karbon) Elyaflar Karbon, yoğunluğu gr/cm 3 olan kristal yapıda bir malzemedir. Karbon elyaflar cam elyaflardan daha sonra gelişen ve çok yaygın olarak kullanılan bir elyaf grubudur. Hem karbon hem de grafit elyaflar aynı esaslı malzemeden üretilirler. Bu malzemeler hammadde olarak bilinirler. Karbon elyafların üretiminde üç adet hammadde mevcuttur. Bunlardan ilki rayondur (suni ipek). Bu hammadde inert bir atmosferde C civarına ısıtılır ve aynı zamanda çekme kuvveti uygulanır. Bu işlem mukavemet ve tokluk sağlar. Ancak yüksek maliyet nedeniyle rayon elyaflar uygun değildirler. Elyaf imalatında genellikle rayonun yerine poliakrilonitril (PAN) kullanılır. PAN bazlı elyaflar 2413 ila 3102 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler ve maliyetleri düşüktür. Petrolün rafinesi ile elde edilen zift bazlı elyaflar ise 2069 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler. Mekanik özellikleri PAN bazlı elyaflar kadar iyi değildir ancak maliyetleri düşüktür. 21