Genel olarak bir kompozit malzeme, her iki bileşene ait özelliklerin birleşimiyle daha iyi özellikteki kombinasyonlarının elde edildiği çok fazlı bir malzeme olarak düşünülebilir. Bu birleşik etki prensibine göre, iki veya daha fazla malzemenin daha iyi özellikler sunması amacıyla uygun kombinasyonlarda bir araya getirilmesidir.
Çoğu kompozit malzeme yalnızca iki fazdan oluşur, matris adı verilen birinci faz, genellikle saçınmış faz olarak adlandırılan diğer fazı sarar ve sürekliliğini sağlar.
Şekil 16.2 de belirtildiği gibi, iri parçacıklı ve saçınımla dayanımı arttırılmış kompozitler parçacık takviyeli kompozitlerin alt iki grubudur. Bunlar arasındaki ayrım takviye veya dayanım artırma mekanizmalarına göre yapılır.
Karışım kuralı denklemlerinden, elastiklik modülünün üst sınırını veren denklem şu şekilde ifade edilir: alt sınırını veren denklem ise aşağıda verilmiştir:
İri parçacıklı kompozitler her üç malzeme grubuyla da kullanılır (metaller, seramikleri ve polimerler). Sermetler, seramik-metal kompozitlerine örnektir. En yaygın sermet ise sinterlenmiş karbürdür.
Beton hem matrisi, hem de takviyesi seramik olan en yaygın iri parçacıklı kompozittir. Bazen beton ve çimento yanlışlıkla birbiri yerine kullanıldığından, başta her ikisi arasındaki farkın belirtilmesinde fayda vardır. Genel anlamda, beton terimi, bağlayıcı bir katı ortam sağlayan çimento ile bu ortamın bir arada tuttuğu agregadan (kum ve değişik boyutlarda çakıllardan oluşan beton dolgu karışımı) oluşan kompozit malzemeyi tarif eder.
Bu betonun içeriğinde, portland çimentosu, ince agrega (kum), iri agrega (çakıl) ve su bulunur. Portland çimentosu betonu, istenilen yere dökülebilme ve oda sıcaklığında bile sertleşebilme (su altında bile) özellikleri nedeniyle, yapılarda kullanılan ana yapı malzemesidir.
Dayanım artırma tekniklerinden bir diğeri de yapısal elemanda basma artık gerilmesi oluşturmaktır, bu şekilde üretilen malzemelere ön gerilmeli beton adı verilir.
Çok sert ve kararlı malzemelerin, çok küçük boyuttaki parçacıklarının metal ve metal alaşımları içinde küçük miktarlarda homojen bir şekilde saçılması (dağıtılması) malzemenin sertlik ve dayanımı arttırılabilir. Burada saçınmış faz, metalik veya metal dışı malzeme olabilir, en yaygın rastlananı ise oksit malzemelerdir. Bu dayanım artırma mekanizması da çökelme sertleşmesinde olduğu gibi, tanecikler ve matris içindeki dislokasyonlar arası etkileşimle ilgilidir.
Elyaf takviyeli kompozitlerin tasarım amacı genellikle düşük ağırlıkla birlikte yüksek dayanım ve/veya yüksek elastiklik modülüdür. Bu özellikler, özgül dayanım ve özgül elastiklik modülü terimleri ile tarif edilir, sırasıyla çekme dayanımının özgül ağırlığa oranı ve elastiklik modülünün özgül ağırlığa oranı olarak tanımlanır.
Bu tür kompozitlerin davranışı, matris ve elyafın gerilme-birim şekil değişimi davranışı, fazların hacimsel oranları, gerilme veya yükün uygulandığı yön gibi bazı faktörlere bağlıdır. Buna ilave olarak, yönlenmiş kompozitler anizotropik davranış gösterdiğinden, ölçülen özellikler bu yönlenmeye de bağlıdır. Bu nedenle, ilk olarak yükün elyaf doğrultusunda uygulandığı boyuna durum (Şekil 16.8a) incelenecektir.
veya
Sürekli ve yönlenmiş elyaf takviyeli bir kompozitte, yüklemenin elyafa dik yönde olması durumunda, uygulanan yük ile elyaf yönlenmesi arasında, Şekil 16.8a da gösterildiği gibi, 90 C lik bir açı oluşur. Bu durumda kompozitin etkisi altındaki gerilme σ, her iki bileşende de (matris ve elyaf) aynıdır
Kompozitlerin elyafa dik doğrultudaki dayanımları son derece düşük olduğu ve hatta kimi zaman matris dayanımının bile altına düştüğünden, beklenmedik erken hasarlar meydana gelebilir. Yani elyaf takviyesi, kompozitin dayanımını arttırmak yerine, tersine azaltıcı yönde etki yaptığı bir durum gelişir. Üç farklı kompozite ait, elyaf doğrultusuna dik yöndeki çekme dayanımı değerleri Tablo 16.1 de verilmiştir.
Çap ve özelliklerine göre elyaf; visker (sakalcık), elyaf ve tel olmak üzere üç gruba ayrılır. Viskerler, son derece büyük uzunlukçap oranına sahip, çok ince tek kristal malzemelerdir. Elyaf olarak sınıflandırılan malzemeler, kristal veya amorf yapıda, küçük çapa sahip ve genellikle polimer veya seramiktir (örneğin aramid, cam, karbon, bor, alüminyum oksit ve silisyum karbür). İnce teller göreceli olarak kalın çaplı olup, genellikle çelik, tungsten ve molibden den yapılırlar. Tablo 16.4
Elyaf takviyeli kompozitlerin matris fazı; metal, polimer veya seramik olabilir. Sünekliğin önemli olduğu uygulamalarda, genellikle metal ve polimerler matris malzemesi olarak kullanılır. Seramik matrisli kompozitlerde ise ilave edilen takviyenin kırılma tokluğunu arttırması beklenir.
Polimer matrisli kompozitler (PMK), matris olarak polimer reçinenin, takviye olarak elyafın kullanıldığı kompozitlerdir. Bu malzemelerin oda sıcaklığındaki üstün özellikleri yanında kolay üretimi ve düşük maliyeti nedeniyle, kompozitler arasında en çok uygulama çeşitliliğine ve miktarına sahip olandır.
Cam elyaf (Fiberglass), sürekli veya süreksiz cam elyaf ile polimer matristen oluşan ve en çok kullanılan kompozite verilen addır. Elyaf kalınlığı genelde 3 ile 20 μm arasındadır. Birçok cam elyaf uygulaması yaygın olarak bilinmektedir, bunlara örnek olarak; otomobil ve gemi gövdesi, plastik borular, saklama kapları ve endüstriyel yer döşemeleri sayılabilir.
Karbon, birçok ileri polimer matrisli kompozitte (cam elyaf hariç) en çok kullanılan yüksek performanslı elyaf malzemesidir. Karbon elyaf takviyeli kompozitler günümüzde yaygın olarak spor ve hobi (olta, golf sopası gibi) amaçlı ekipmanlarda, elyaf sarma yöntemiyle roket gövdelerinde, basınçlı kaplarda, askeri ve ticari amaçlı sabit kanatlı ve helikopter gibi hava taşıtlarında (kanat, gövde, stabilizatör ve kuyruk dümeni gibi) yapısal eleman olarak kullanılır.
Polimer matrislerle kullanılan en yaygın elyaf cam, aramid ve karbondur. Bor, silisyum karbür ve alüminyum oksit gibi diğer elyaf türleri daha az kullanılmaktadır. Bor elyaf takviyeli polimer kompozitler, askeri uçaklara ait parçalarda, helikopter rotor kanatlarında ve bazı spor ekipmanlarında kullanılmaktadır. Silisyum karbür ve alüminyum oksit ise tenis raketi, devre kartları, askeri zırhlarda ve roket uç konilerinde kullanım alanı bulur.
Matris elyafa göre daha düşük yumuşama, erime ve bozulma sıcaklığına sahip olduğu için, kompozitin kullanılabileceği en yüksek sıcaklığı belirler. En yaygın kullanılan ve en ucuz polimer matris reçineleri polyesterler ve vinil esterdir. Son olarak da polietereterketon (PEEK), poli(fenilen sülfid)(pps) ve polieterimit (PEI) gibi yüksek sıcaklık termoplastik reçineleri gelecekte havacılık uygulamaları için önemli potansiyele sahip malzemelerdir.
Adından da anlaşılacağı üzere, metal matrisli kompozitler (MMK) matrisi sünek metal olan kompozitlerdir. Bu tür malzemeler, takviyesiz olan metallere göre daha yüksek ortam sıcaklıklarında kullanılabilir, takviye işlemi ayrıca özgül rijitliği, özgül dayanımı, aşınma dayanımı, sürünme direnci, ısıl iletkenliği ve boyutsal kararlılığı da arttırabilir.
Seramiklerin kırılma tokluğu değerleri, parçacık, elyaf veya visker formundaki bir seramik malzemenin diğer bir seramik içine gömüldüğü yeni nesil seramik matrisli kompozitler (SMK) ile önemli ölçüde arttırılmıştır.
En gelişmiş ve gelecek vadeden mühendislik malzemelerinden birisi de karbonkarbon kompoziti adı verilen karbon elyaf takviyeli karbon matrisli kompozittir. Bu malzemeler oldukça yeni ve pahalıdır, bu nedenle de hali hazırda kullanımı yaygın değildir. En önemli özellikleri, 2000 C ye kadar korunan yüksek çekme elastiklik modülü ve çekme dayanımı yanı sıra sürünme dayanımı ve diğerlerine göre daha yüksek kırılma tokluğu değerlerine sahip olmasıdır.
İki veya daha fazla, farklı elyafın aynı matris içinde bulunduğu hibrit kompozitler, nispeten yeni bir elyaf takviyeli kompozit malzeme grubunu oluşturur. Hibrit kompozitler, tek elyaf türünden oluşan kompozitlere göre her açıdan daha iyi özelliklere sahiptir. Çok farklı matris ve elyaf kombinasyonlarının kullanıldığı hibrit kompozitlerde, en çok tercih edilen sistem, karbon ve cam elyafın birlikte bulunduğu polimer matristen oluşandır.
Elyaf takviyeli kompozitlerin, tasarımda öngörülen özellikleri sağlayacak şekilde üretilebilmesi için elyafın, plastik matris içinde düzgün bir şekilde dağılması ve çoğunlukla da tamamının aynı yönde yönlenmesi gereklidir.
Profil çekme, sabit kesite sahip (çubuk, boru, kiriş vs.) uzun parçaların üretilmesi için kullanılan bir yöntemdir.
Prepreg, kompozit endüstrisinin reçine emdirilmiş ve yalnızca kısmen kürlenmiş sürekli elyaf takviyeler için kullandığı terimdir.
Elyaf Sarma, sürekli takviye elyafının önceden belirlenmiş düzende, içi boş bir yapı (genellikle silindirik) oluşturacak şekilde, düzgün bir şekilde yerleştirildiği işlemdir.
Bir yapısal kompozit, özelliklerinin sadece bileşenlerine değil, aynı zamanda geometriye de bağlı olduğu, homojen ve kompozit malzemelerin birleşiminden oluşur.
Tabakalı kompozit, ahşap ve yönlenmiş sürekli elyafla takviyeli plastiklerde olduğu gibi, ince plakalar veya belirli yönde yüksek dayanıma sahip panellerden oluşur. Bu tabakalar üstü üste istiflendikten sonra her biri belirli bir yöndeki dayanımı artıracak şekilde, yönlenmede yerleştirilerek yapıştırılır (Şekil 16.16).
Sandviç paneller, hafif ancak yüksek rijitlik ve dayanıma sahip kiriş veya panellerin tasarımında kullanılan yapısal kompozitler sınıfında yer alırlar. Bir sandviç panel, Şekil 16.17 de görüleceği gibi, kalın bir ara dolgu tabaka ve buna yapışan iki dış tabaka veya yüzeyden oluşur.