POLİMER MATRİKSLİ KOMPOZİTLER (PMK)
PMK LERDE MATRİKS MALZEMELERİ POLİMER LER TERMOPLASTİKLER ELASTOMERLER (KAUÇUKLAR) TERMOSETLER KRİSTALİN AMORF Burada incelenmeyecek, genelde sadece lastik üretiminde kompozit yapımında değerlendirilir.
Polimerler organik moleküllerdir. Moleküler ağırlıkları = 10.000 1.000.000 g/g.mol Mer: tek bir molekül Polimer: Küçük moleküllerin birleşmesi ve çok büyük molekülleri oluşturması Polimer molekül boyutu arttıkça ergime derecesi ve mukavemet artar.
POLİMERLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ Hafiflik, yüksek korozyon direnci, düşük mukavemet, yüksek sıcaklıkta kullanılamama Nispeten ucuz, kolay şekillendirilebilme (plastik poşetlerden mekanik dişlilere kadar) Fiziksel Açıdan -Işığı geçirebilirler (cam yerine kullanılabilme), - Elektriksel olarak izolatör ( Özel iletken polimerler mevcut) -Düşük sürtünme katsayısına sahip polimerler var. -Bazı polimerler ışığı elektriğe çevirir Oyuncak, ev eşyaları, yapısal, dekoratif kaplama, boya, yapıştırma, Otomobil lastiği, köpükler, paketleme malzemeleri.
Oluşum şekline göre Polimerler; Doğal olarak oluşan polimerler bitki ve hayvanlardan elde edilenler, -Odun, kauçuk, pamuk, yün, deri, ipek, enzimler, nişasta selüloz Sentetik polimerler, PE, PVC, PEET, vs.
HİDROKARBON MOLEKÜLLERİ Polimerler genelde hidrokarbon molekülleri C ve H atomlarından oluşmuşlardır. Moleküller arası bağ = kovalent Kovalent bağda : Her bir C 4 elektrona sahip Tekli bağ : Her bir H 1 elektrona sahip C C arasında tek, çift veya üçlü bağ meydana gelebilir. Örnek: C2H4 (Etilen): H C H H = C Çift bağ H C2H4 (Asetilen) H - C C H Üçlü bağ
Tablo: Bazı parafin Bileşiklerinin kompozisyon ve moleküler yapıları
Çift ve üç bağlı moleküller doymamış hidrokarbon molekülleri Doymuş hidrokarbonlarda tüm bağlar tek bağlıdır. Kovalent bağlar çok kuvvetli Tablodaki parafin molekülleri tek bağlı, (Bu nedenle ergime dereceleri çok düşük) Molekül ağırlığı arttığı zaman ancak ergime sıcaklığı ve dayanım artar. İzomerizm: Aynı kompozisyon fakat farklı atomik düzende olan hidrokarbon demektir.
H H H H H C C C C H H H H H Bütanın iki izomerinden (a: Normal bütan) H H C H H H H C C C H H H H Bütanın iki izomerinden (b: İzobütan) Özellikler izomerizme bağlı: Örnek: Normal bütanın kaynama sıcaklığı = - 0.5 C İzobütanın kaynama sıcaklığı = - 12.3 C
POLİMER MOLEKÜLLERİ Polimerler çok büyük hidrokarbon molekülleridir. Polimerler makro moleküller olarak da adlandırılır. Molekülde atomlar kovalent bağlar ile bağlanarak bükülebilir çok uzun zincir oluşturur. H H H H H H H H C C C C C C C C H H H H H H H H Etilen meri Etilen polimeri
Polimer Moleküllerinin Kimyası Bir C2H4 (Etilen) ele aldığımızda Etilen oda sıcaklığı ve atmosferik basınçta gazdır. Etilen yüksek bir sıcaklık ve basınçta bir katalizörle tutulursa, polietilene (PE) dönüşür. H H C =C H H PE katı bir polimerdir. Reaksiyon, etilen ve aktif bir katalizör (R )yardımıyla oluşur. H H H H R + C = C R C C H H H H
Tekrarlanan yapı artık polietilen aktif merinin ana mere bağlanıp çoğalması ile oluşur. Aktif uç (reaksiyon ucu) C olarak gösterilen ve paylaşılmamış elektron içeren uçtur. H H H H H H H H R C C + C = C R C C C C H H H H H H H H Çok sayıda etilen molekülü birleşip polietileni meydana getirmektedir. Çok sayıda etilen molekülü birleşip polietileni meydana getirmektedir. C C bağları arası mesafe 0,154 nm
Şekil. Polietilen molekülünün küçük bir parçası; a) Mer ve zincir yapısının şematik gösterimi, b) C atomları arası açı 109 olan gerçekçi zincir modeli Polietilende H atomlarının yerini F alırsa Polimer: Polytetrafloretan (PTFE) şeklini alır. Ticari isimi = TEFLON Florokarbon polimeri olarak da adlandırılır. Şekil. a) Polytetrafloretan (PTFE) b) polivinilklorür (PVC), polipropilen (PP)
Zincirdeki tüm tekrarlı mer birimleri birbirinin aynı tipi ise bu tür polimer: HOMOPOLİMER Zincir yapısı iki veya daha fazla farklı mer biriminden oluşursa bu polimer: KOPOLİMER Zincir yapısı iki farklı polimerden ise polimer (kopolimer) daha üstün Kopolimerler homopolimerlerden daha üstün özelliklere sahiptir. Şekil. a) Rastgele dizimli, b) Alternatif dizimli, c) Blok ve d) Aşılı kopolimer örnekleri
Polimerizasyon: Monomerlerin birbirine bağlanması ile küçük bir molekülden uzun zincir yapılı bir malzeme oluşturma. Çok sayıdaki monomerin temel yapı üzerinde tekrarlanması. Polimerizasyon reaksiyonları: Eklemeli polimerizasyon Yoğunlaştırma polimerizasyonu Kombinasyon polimerizasyonu
Eklemeli Polimerizasyon (Zincir reaksiyonu polimerizasyonu olarak da bilinir). Tekrarlı yapı aslında monomerin kendisidir. Eklemeli polimerizasyonda: 1. Başlama, 2. İlerleme, 3. Tamamlanma kademeleri var Başlama: Katalizör (başlatıcı) ve monomer birimi arasındaki reaksiyonla ilerleyecek bir merkez oluşur. Polietilende olduğu gibi.
H H H H R + C = C R C C H H H H R = Aktif katalizör, : paylaşmamış elektron İlerleme : Monomerlerin birbirine bağlanması ile lineer büyüme olur. PE için H H H H H H H H R C C + C = C R C C C C H H H H H H H H Zincir büyümesi oldukça hızlıdır Örnek 100 merden oluşan bir zincir 10-2 sn - 10-3 sn arasında büyür.
Tamamlanma: İlerleme farklı şekillerde son bulur. İlerleyen iki zincir reaksiyona girerek aktif olmayan bir molekül oluşturur ve zincirin ilerlemesi durdurulur. Aktif bir uç başka bir başlatıcı ile reaksiyona girebilir Veya tek bir aktif ucu olan bir kimyasal madde ile reaksiyona girebilir.
Yoğunlaşma Polimerizasyonu Basamaklı Reaksiyon olarak da adlandırılır. Intermoleküler kimyasal reaksiyonlarla oluşur. Herbir basamak basit bir bileşiktir. Herbir bileşik bir reaksiyon ürünüdür Polyesterin etilen glikol ve adipik asit arasındaki reaksiyondan oluşumu örneği Kombinasyon Polimerizasyonu Eklemeli ve Yoğunlaşma Polimerizasyonu birlikte oluşur.
Metallerde kristalinite atom düzeni, polimerlerde ise zincir düzeni ile belirlenir. Polimer zincirleri her zaman düzenli değil. Bir kısım zincirler düzenli sıralanır Sıcaklığın fonksiyonu olarak polimerlerin spesifik hacmi. Amorf polimerlerde Tg (cam geçiş sıcaklığı) var ve belirli bir ergime derecesi (T M ) yok
Tablo. Bazı polimerlerin cam geçiş ve ergime sıcaklıkları MALZEME T g ( C) T m ( C) Nylon 6,6 Polikarbonat Polyester Polietilen Yüksek Yoğunluk Düşük Yoğunluk Polimetilmetakrilat Polipropilen Polisitren Teflon PVC Teflon 57 150 73-90 -110 105-14 100-90 87-73 265 265 265 137 115-176 239 327 212 -
Zincir şekillerine göre polimerler 4 gruba ayrılır: a) Lineer b) Dallanmış c) Çapraz bağlı d) Şebeke yapılı
PMK Malzeme üretiminde en çok kullanılan matriks malzemeleri ve kompozitlerinin mekanik özellikleri MATERIAL ABS ABS (reinforced) Acetals Acetals (reinforced) Acrylics Cellulosics Epoxies Epoxies (reinforced) Fluorocarbons Nylon Nylon (reinforced) Phenolics Polycarbonates Polycarbonates (reinforced) Polyesters Polyesters (reinforced) Polyethylenes Polypropylenes Polypropylenes (reinforced) Polystyrenes Polyvinyl chloride UTS (MPa) 28-55 100 55-70 135 40-75 10-48 35-140 70-1400 7-48 55-83 70-210 28-70 55-70 110 55 110-160 7-40 20-35 40-100 14-83 7-55 E (GPa) 1.4-2.8 7.5 1.4-3.5 10 1.4-3.5 0.4-1.4 3.5-17 21-52 0.7-2 1.4-2.8 2-10 2.8-21 2.5-3 6 2 8.3-12 0.1-0.14 0.7-1.2 3.6-6 1.4-4 0.014-4 ELONG ATION IN 50 mm (%) 75-5 - 75-25 - 50-5 100-5 10-1 4-2 300-100 200-60 10-1 2-0 125-10 6-4 300-5 3-1 1000-15 500-10 4-2 60-1 450-40 POISSON s RATIO (ν) - 0.35-0.35-0.40 - - - - 0.46-0.48 0.32-0.40 - - 0.38-0.38-0.46 - - 0.35 -
En çok kullanılan üç termoplastiğin 20 o C de bazı özellikleri. Özellik Birim Polipropilen Naylon 6.6 Polikarbonat Yoğunluk g/cm 3 0.90 1.14 1.06-1.20 Elasitisite Modülü GN/m 2 1.0-1.4 1.4-2.8 2.2-2.4 Poisson Oranı 0.3 0.3 0.3 Çekme Mukavemeti MN/m 2 25-38 60-75 45-70 Uzama % >300 40-80 50-100 Isı Iletkenliği W/mC 0.2 0.2 0.2 Termal genleşme kat. 10-6 C 110 90 70 Distorsiyon sıcaklığı C 60-65 50-110 110-140 Ergime sıcaklığı C 175 264 ---- Su emme(24 s -20 o C) % 0.03 1.3 0.1
Tablo. Epoksi ve Polyester reçinelerin Özellikleri Özellik Birim Epoksi Reçineler Polyester Reçineler Yoğunluk g/cm 3 1.1-1.4 1.2-1.5 Elasitisite Modülü GN/m 2 3-6 2.0-4.5 Poisson Oranı 0.38-0.4 0.37-0.39 Çekme Mukavemeti MN/m 2 35-100 40-90 Basma Mukavemeti MN/m 2 100-200 90-250 Uzama % 1-6 2 Isı İletkenliği W/mC 0.1 0.2 Termal genleşme kats. C 50-300 50-110 Distorsiyon sıcaklığı C 50-300 50-110 Katılaşırken çekme % 1-2 4-8 Su emme (24 s-20 o C) % 0.1-0.4 0.1-0.3
+ = Polimer Matriksler Takviye Malz. Kompozit Bileşenler
PMK Malzemelerde Takviye Malzemeleri Cam Karbon, Grafit Aramid Bor Polimer PMK malzemelerde kısıtlı türde takviye malzemesi kullanılmakta. Polimerler düşük sıcaklıkta üretilir ve birçok fiber üretim şartlarında polimerlerle bağ yapamazlar Sadece 5 tür takviye elemanı kullanılır. Çok nadir hallerde yüzeyleri özel olarak değiştirilmiş seramik fiberler kullanılabilir.
Sürekli fiberler değişik şekillerde örülebilir Şekil. Özellikle polimerler için örülen değişik fiber şekilleri.
Şekil. Uygulama sahasına göre özel örülmüş fiber düzenleri
Fiber örgü örnekleri Şekil. Yük uygulama açısının değişimine göre fiberlerden elde edilecek gerilme değerlerinin değişimi. Çekme Gerilmesi (MPa) Gerilme yönü ve fiberler arası açı
Cam Fiberler Cam fiber üretimi için çok değişik bileşimde cam mineralleri kullanılır. Çok değişik türde de cam fiber mevcut, Örnek: S, C, E, C, R, D. Tablo. Cam fiber üretiminde kullanılan cam çeşitleri ve bileşimleri (% ağ.) Bileşen E Camı C Camı S Camı SiO2 52.4 64.4 64.4 Al2O3.Fe2O3 14.4 4.1 25.0 CaO 17.2 13.4 - MgO 4.6 3.3 10.3 Na2O.K2O 0.8 9.6 0.3 Ba2O3 10.6 4.7 - BaO - 0.9 -
E camı = E elektriksel özellikli camı ifade eder İyi mukavemet, modül ve elektriksel özellikler Fiber üretimi oldukça kolaydır. C camı = Korozyona dayanımı temsil eder. Kimyasal korozyona karşı oldukça dirençlidir. Mekanik özellikleri E camına göre daha kötüdür. Maliyeti de yüksektir. S camı = Yüksek mukavemet ve modülü temsil eder Hem E ve hem de C camından daha yüksek maliyete sahip ve daha yüksek mukavemet ve elastik modül özellikleri sergiler. Yüksek sıcaklıkta bile mukavemetini muhafaza edebilir.
Karbon Fiberler Karbon (C) elementi = 2.268 g/cm3 C allotropik malzeme Fiber üretiminde, C fiberler hegzagonal yapıda C C bağları arası mesafe 0,154 nm Grafit fiberlerde ise C- C bağları arası mesafe 0.142 nm Şekil. Grafitin kristal yapısı
Karbon fiber PMK malzemelerin önemli özellikleri: - Düşük yoğunluk (Alüminyumdan % 40 düşük) - Yüksek mukavemet (yüksek mukavemetli çelik kadar mukavemetli) - Yüksek elastik modül(ti dan daha yüksek modül ve daha düşük yoğunluk) - İyi yorulma direnci (Neredeye limitsiz yorulma ömrü) - İyi sürünme direnci - Düşük sürtünme, iyi aşınma direnci (yağlama altında çalışan çeliğe eşit sürtünme katsayısı) - Düşük elektriksel direnç - Yüksek elektromagnetik etkileşim - Yüksek termal iletkenlik
Karbon fiberler değişik özellikte olabilir. Genel Özellikler: Düşük yoğunluk Yüksek elastik modül ve yüksek mukavemet Ortalama maliyet Standart Elastik modüllü: Orta ölçekli elastik modüllü: Yüksek elastik modüllü: 207-240 GPa 240-340 GPa 340-960 GPa Fiber çapları 5-8 mikron arasında (insan saçından ince)
Takviye amaçlı Karbon fiberler üç türlüdür: 1. PAN (Polyakrilonitril) 2. PITCH (Petrol ürünlerinden) 3. Rayon (Kimyasallardan)-Artık kullanılmıyor Karbon Fiberlerin Mekanik Özellikleri PAN Esaslı PITCH Esaslı Rayon Esaslı Elastik Modül (Mpsi) 33-56 23-55 5.9 Çekme Mukavemeti(Mpsi)0.48-0.35 0.2-0.25 0.15 Uzama (%) 1.4-0.6 0.9-0.4 25 Yoğunluk (g/cm3) 1.8-1.9 1.9-2.0 1.6 Karbon miktarı (%) 92-100 97-99 99
Seçilmiş bazı C fiberlerin mekanik özellikleri Fiber Türü PAN GP-Pitch HP-Pitch Ürün Kodu T300 T1000 M55J IM7 KCF200 Thornel P25 Thornel P75 Thornel P120 Çekme Mukavemeti (GPa) 3.53 7.06 3.92 5.30 0.85 1.40 2.0 2.20 Elastik Modül (GPa) 230 294 540 276 42 140 500 820 Uzama (%) 1.5 2.0 0.7 1.8 2.1 1.0 0.4 0.2
PAN Polimerizasyon PITCH Pitch Hazırlama (izotropik/anizotropik) Islak Döndürme Stabilizasyon (Oksitli atm.) Sıvı Döndürme Aşılama (Oksitli atm.) Karbonizasyon (inert atm.) Grafitizasyon (İnert atm.) KARBON FİBER Aktivasyon (Reaktif atm.) AKTİVE EDİLMİŞ FİBER Karbonizasyon (inert atm.) Grafitizasyon (inert atm.) KARBON FİBER PITCH ve PAN esaslı C fiberlerin üretim akım şeması.
Uzay araçlarında C fiber kompozitler başarıyla kullanılmakta. -Yükleme ve geçiş bölmelerinde ve itici kuyruklarda, solar panellerde epoksi C fiber PMK, PEEK matriks yüksek elastik modüllü C (350 GPa) PMK kompozitler Primer yapı olarak Airbus A310/A320 dikey kuyruk kutularında toklaştırılmış epoksi grafit fiber kullanılmakta. C fiber PMK malzemeler ağırlık kazanımı için otomobillerde kullanılmaya başlanmış.paneller, tamponlar, şaftlar, motor bileşenleri Sürekli C fiber takviyeli PMK malzemeler elektronikte sıcaklığı düşürmek amacıyla kullanılmaktadır. C fiber kompozitler beton takviyesinde kullanılır.
Tablo. Tek yönlü dizilmiş C fiber takviyeli epoksi matriksli kompozitlerin ve yine epoksi matriksli farklı fiber takviyeli kompozitler ile farklı malzemelerin karşılaştırılması Epoksi/C fiber (Yüksek muk.) Epoksi/C fiber (Yüksek modül) Gerilme (MPa) Çekme Basma E. Modül (GPa) 1482 1276 1227 1020 145 207 Yoğun. (g/cm3) 1.55 1.63 Epoksi/S cam fiber Epoksi/E cam fber Epoksi/Kevlar 49 fiber Alüminyum (7075T6) Titanyum (6Al-4V) Çelik (4130) 1751 1103 1310 572 1103 1300 496 490 290 - - - 59 52 83 69 114 207 1.99 1.99 1.39 2.76 4.43 8.01
Aramid Fiberler (Kevlar, Twaron) Cam fiberlerin performansı yetersiz kaldığında uygulanır. Savunma sanayii, balistik uygulamalar, kurşun geçirmez yelek, endüstriyel spor eşyaları Camdan daha yüksek mukavemetli ve daha hafif. Karbon fiberlerden daha sünek, Maliyeti karbon ve cam fiberlerden daha fazla
Aramid fiberler C, O, N ve H nin aromatik bir bileşimidir Kevlar ve Twaron ticari isimlerdir. Üretilen Hammaddesi: Para-phenylene-tere-phthalamide (Aramid) Polimer ilkin yıkanır ve sülfürik asitte çözündürülür Polimer yapısından dolayı çözünmüş halde kısmen yönlenmiş haldedir. Polimer çözeltisi küçük boşluklu kalıplardan ekstrüzyon işlemine maruz bırakılır. Çözeltilerin döndürülme ile üretilmesine (spinning) benzerdir. Fiberler tekrar yıkanarak kurutulur ve istenen şekillerde sarılıp veya örülür. Ekstrüzyona uğrayan her bir küçük demetin içinde 134 den 10,000 arası fiber bulunur.
Şekil. Kevlar fiberlerin yapısı. Kevlar oksijen ve hidrojen arasında ikincil bağlarla bağlanır. Kevlar fiberlerin tipik gerilme- uzama diyagramı. Gerilme (GPa) Eğme uzaması (%)
Kevlar Fiber özellikleri Kevlar 29 49 149 Elastik Modül MPa 83 131 186 Çekme Mukavemeti MPa 3,6 3,6 3,4 Uzama % 4 2,8 2 Yoğunluk g/cm 3 1,44 1,44 1,47 Şekil. Kevlar 49 fiberin taramalı elektron mikroskobunda elde edilmiş fotoğrafı.
Bor Fiberler Üretimi Kimyasal buhar depozisyonu (CVD) ile üretilir. (2500 F) Çok küçük çapta bir altlık (W veya C; çap =0.0005 inç ) bir cam reaktörden geçirilir ve reaktöre uygun gazlar gönderilir. Reaksiyona göre Bor buharları telde yoğunlaşır. 2BCl 3 + 3H 2 = 2 B + 6 HCl Hg elektrod BCl 3 + 3H 2 B Hg elektrod HCl W, C tel besleme B fiber sarımı
Bor Fiber Özellikleri Yoğunluk: 2.5 g/cm3 Elastik Modül: 400 GPa Çekme Gerilmesi: 2.8 GPa Çekmede Uzama: % 0.7 Eksenel CTE: 4.9 PPM/oC) (CTE: Termal genleşme katsayısı) SiC fiberler, Polimerik fiberler (PE, Naylon, PP) birçok uygulamada kullanılır.
Spesifik mukvemet (x10 6 in.) Spesifik modül (x10 8 in.) Şekil. Bazı önemli fiberlerin, metallerin ve polimerlerin spesifik gerilme ve spesifik modül değerlerinin karşılaştırılması
METALURJİ VE MALZEME MÜHENDİSLİĞİ Tablo. Seçilmiş bazı takviye malzemeleri
Çekme Gerilmesi Fiber Özellikleri Young Modülü x10 3 psi 10 6 psi Yoğunluk
Kompozit Üretim yöntemlerinin sınıflandırılması
Elle Yatırma (Hand Lay-Up) İlkin açık bir kalıp hazırlanır, takviye malzemesi kalıba yerleştirilerek yüzeye reçine sürülür. Yeterli kalınlık elde edilinceye kadar tabakalı olarak işlem devam ettirilir. Kalıplamada kompozit içinde kalan havanın dışarı atılması için yüzey merdanelerle sıkıştırılır. Reçinelere katalizör ve sertleştirici ilavesi yapılarak ısı uygulanmaksızın sertleşmesi sağlanır. Bu yöntemle cam fiber takviyeli sandallar, radar kılıfları, borular, tanklar, korozyona dayanımlı teçhizatlar, otomobil parçaları, düz ve oluklu levhalar başarılı olarak üretilir.
Polimer ve takviye Fırça Merdane Kalıp Reçine Kuru takviye İnce jel Kalıplamadan önce kalıp yüzeyine jel halinde bir polimer püskürtülür (pürüzsüz yüzey içinkalıptan kolay sıyırma). Sandviç türü PMK ler de üretilebilir. Elle yatırma yöntemi ile üretilen Epoksi/cam fiber snowboard.
Püskürtme Metodu Kırpılmış fiber akışı Merdane Kalıp Metod elle sıvama tekniğinin mekanize edilmiş halidir. Elle sıvama tekniğine göre çok daha kısa sürelerde ve daha başarılı PMK malzemeler daha az polimer israfı ile üretilebilmektedir. - Otomotiv, -Havacılık, - Spor eşyaları, - Endüstriyel uygulamalar Polimer püskürtme Elle yatırma tekniği ile birlikte açık kalıp metodu olarak bilinir. Püskürtme için kısa cam fiberler
Issues and Analysis Nispeten hızlı ve basit metotdur. Tek adımda hem fiber ve hem de matriks uygulanır. Ortalama yatırım maliyetli. Sadece kısa ve rastgele dağılmış fiberler için uygun (bu durum mekanik özelliklerde kısıtlama demek) Temiz ve sağlıklı bir çalışma ortamı için dikkatli olunmalı. Uygulama kolay ancak püskürtme tabancası ayarı ve kullanıcının tecrübesi ürünün özelliklerini direkt etkiler.
Keseli Kalıplama Önceden hazırlanmış tabaka şekilli PMK malzemelerin (prepreg) şekillendirilmesi ve yoğunlaştırılması için çok eskiden beri kullanılmaktadır. Yarı sertleştirilmiş PMK malzeme bir kalıba yatırılır ve üzeri elastik bir torba ile kapatılır. Isıtma ve basınçla beraber PMK malzeme şekillendirilip sertleştirilir. İyi eğitilmiş tecrübeli işçiler ve polimerlerin iyi tanınması gerekmektedir. Keseli kalıplama; i) Basınçlı ii) Vakumlu iii) Otoklavda keseli kalıplama (vakum + basınç)
(a) Vakum-keseli kalıplama, (b) basınçlı keseli kalıplama Keseli Kalıplama Avantajları: Tabakaların homojen olarak konsolidasyonu Son üründe boşlukların kaldırılması Gereksiz reçinenin malzemeden atılabilmesi Takviye ve reçinenin bağını arttırmak ve hızlı polimerizasyon.
Vakumda proses elle yatırma işlemine benzer başlar. Şekillenecek parça üzerine değişik amaçla örtüler (kese) uygulanır. Vakum, fazla reçinenin dışarı atılmasına ve şekillenmeye yol açar. Reçine içindeki hava boşlukları kolaylıkla dışarı atılabilir. ızdırmaz Prepreg tabakası Kalıp (ayırıcı uygulanmış) Koruyucu tabaka Ayırma filmi Hava/reçine sızdırmama tabakası Vakum kesesi(örtü) Vakum pompasına Hava Kauçuk Kalıp Vakumda keseli kalıplama Basınçlı keseli kalıplama
İplik Sarma Metodu Üç değişik iplik sarma metodu mevcut: A) Yaş sarma B) Kuru sarma C) Çift emdirmeli sarma Yaş sarma en çok tercih edilen yöntemdir. Çok değişik tipte reçineler yaş sarma yönteminde kullanılır. Hızlı üretim düşük üretim maliyeti Takviye malzemesi (fiberler) reçine tankından geçirilir ve bir mandreal üzerine sarılır. Yeterli kalınlık sağlandıktan sonra genelde silindirik şekilli kompozitler elde edilir.
Yaş sarmada reçine sisteminin belirli özelliklere sahip olması gerekmektedir. Bunlar: i) Sarılı yapıdaki gaz ve gaz kabarcıklarının olmaması için reçinedeki uçucu bileşiklerin oranı düşük olmalı. ii) Reçinenin viskozitesi takviye fazlarını tamamen ıslatıp aralarına girmesini sağlayacak şekilde düşük olmalı. ii) Katalizör ilave edilmiş reçinede sertleşme büyük parçaların üretilmesi süresine göre ayarlanmalıdır. Kuru sarma işleminde önceden reçineden geçirilmiş fiberler bir yumuşatma fırınından geçirildikten sonra veya doğrudan doğruya mandreale sarılır. Çift emdirmeli sarma işleminde kuru sarmadaki işleme ilave olarak, mandrealde PMK malzeme üzerine tekrar termoset plastik püskürtme işlemi gerçekleştirilir.
Helisel sarma Yöntemin yatırım maliyeti düşük İşlem oldukça basit Parça boyutu çok büyük ve çok küçük olabilir. Bir mandreale sarıldıktan sonra alınıp çubuklar veya tenis raketi gibi parçaların üretiminde kullanılabilir. Dairesel sarma Kutupsal sarma
Bir termoplastik kompozitin iplik sarma yöntemi ile üretilmesi ve bu yöntemle elde edilen değişik parçalar
Şekil. a) İplik sarma metodunun şematik gösterimi, b) Boeing 767 şişme cankurtaranı içi Al üzerine sarılan cam fiberler
- Günümüzde bilgisayar kontrollü olarak istenen geometride ürünler elde edilebilmektedir. - Islak sarma ile üretilen parçalar atmosferik şartlarda sertleşmeye terk edilir, dış etkenlerle sertleştirilebilir. - Kuru veya çift emdirmeli sarmada sıcak kalıptan geçirdikten sonra ikincil şekil verilebilir veya tekrar üzerine reçine emdirilebilir. Şerit şeklindeki takviye malzemeleri de iplik sarma ile üretilebilir (Örnek: karbon şeritler)
İplik sarma yöntemi ile üretilen bazı parçalar
Pültrüzyon Metodu - Sürekli takviye fiberleri bir reçine tankından geçirildikten sonra fiber demetleri sıcak bir kalıpta sertleştirilir. - Pültrüzyon metodu ekstrüzyona benzemektedir. Ancak Ekstrüzyonda üretilecek parçanın hammaddesi kalıba itilir, pültrüzyonda ise kalıba çekilir. - Yöntem ile sabit kesitli değişik profiller, çubuklar, düz ve oluklu levhalar üretilmektedir. Üretim hızı yüksektir. Pültrüzyon metodu ile kompozit şekillendirilmesi
- Pültrüzyon metodu ile PMK üretmede sertleşme (polimerizasyon) işlemi radyo frekansı, enfraruj veya mikro dalga enerjisi ile ısıtma teknikleri kullanılmaktadır. - İplik sarma yönteminde olduğu gibi yaş ve kuru pültrüzyon teknikleri ayrı ayrı uygulanmaktadır. -Yaş pültrüzyonda reçine tankından geçirilen fiberler hemen kalıplanıp sertleştirilmekte iken kuru pültrüzyonda tavlanıp yumuşayan PMK malzeme bu halde iken şekillendirilir. -Yaş yöntem düşük maliyetin önemli olduğu durumlarda, kuru yöntem ise yüksek mukavemetin önem kazandığı uygulamalarda kullanılır. -Başta polyesterler olmak üzere epoksi, poliamid, polisülfon reçineleri cam ve grafit takviye fazları ile birlikte pültrüzyon tekniğinde kullanılırlar. -Yüksek korozyon dayanımının istendiği bir alanda vinil ester matriksli kompozit, yüksek mekanik mukavemet ve elektrik iletkenliği istenen alanlarda ise epoksi PMK kullanılır.
Pültrüzyonla tek adımda tabakalı PMK üretilebilir. Daha kontrollü polimerizasyon için sertleştirme mikro dalga tekniği kullanılır.
Pültrüzyon yöntemi ile daha sonra nihai şekil verilecek yarı sertleştirilmiş tabaka şekilli PMK malzemeler (Prepreg) üretilebilir.
a) Fiberler reçine tankından geçirildikten sonra plaka şekilli prepregler elde edilir. Bu prepregler daha sonra keseli kalıpma, preste kalıplama gibi yöntemler ile nihai haline getirilir. b) Epoksi matriksli B fiber takviyeli bir prepreg şerit
Pültrüzyon yöntemi ile üretilen prepreglerin daha sonra preste şekillendirilen ve prepreglerin farklı yönlerde dizimini gösteren şekil; a) Model, b) gerçek mikroyapı. Fiberler arasına infiltre olan reçine
Fiber makarası Metal şerit Özellikle son yıllarda metal + PMK kompozit çiftlerinin birlikte üretilmesi çalışmaları yoğun. % 50-70 fiber takviyeli PMK malzemeler Al, Ti veya paslanmaz çelik gibi metallerle Difüzyonla birleştirme pültrüzyon ve takiben difüzyonla birleştirilir. Aramid-polimer Alüminyum Aramid-polimer Alüminyum 0.4 mm 0.2 mm Şekil. Alüminyum-aramid fiber takviyeli PMK çifti, uzay uygulamaları için üretilmekte
Bazı pültrüzyon ürünleri
Preste (Basınçlı) Kalıplama En eski PMK kalıplama ve sertleştirme tekniklerden biridir. Reçine + takviye karışımı(prepreg) iki parçadan oluşan kalıplarda ısı ve basınç altında sertleştirilir. Başlangıç yatırım maliyeti ve kalıp maliyetinin yüksektir, Ancak bu sistemin çeşitli avantajları mevcuttur. Bunlar; Üretim hızı yüksektir Özellik kontrolü(fiber-matriks oranı, boşluk miktarı) mümkün. Karmaşık şekilli ürünler dar boyut toleransında üretilebilir. Kaliteli parça üretimi gerçekleştirilir.
Yatırım maliyeti çok yüksektir (kalıplar pahalı). Çok sayıda ve hızlı ürün elde edilmektedir. Sistem aynı zamanda eş kalıp yöntemi olarak da bilinir. Isı altında ve yüksek basınç altında polimerizasyon (sertleşme) tamamlanır Levha şekilli parçalar üretildiğinde: Sistem SMC (Sheet Molding Compound) yöntemi, Üç boyutlu (monolitik) parçalar üretildiğinde: Sistem BMC (Bulk Molding Compound) yöntemi,
Enjeksiyonla Kalıplama Genelde termoplastik malzemelerin üretimlerinde kullanılırken bazı termoset malzemelerin üretiminde de kullanılır. Termoset malzemeler üretilirken genelde kısa fiberlerle takviye edilmiş PMK ler üretilir. Kalıp, bünyedeki havanın kompozitte kalmaması için vakuma da alınabilir. Enjeksiyonla kalıplama genelde süreksiz takviyeli kompozitlerin üretiminde kullanılır. Malzemenin kalıba beslenmesine göre iki değişik uygulama yöntemi mevcut: a) İtmeli b) Dönmeli
Kalıba ürün besleme prensibine göre İki farklı enjeksiyon türü: a) İtmeli, b) Dönmeli
Enjeksiyon yöntemi ile üretilen bazı PMK malzemeler, Metalik bileşenler enjeksiyon öncesi kalıba yerleştirilir ve kalıp kapatıldıktan sonra istenen kısmı metalik istenen kısmı PMK malzeme elde edilmiş olur.
Enjeksiyon yöntemi ile farklı polimer bileşenleri arasında reaksiyon gerçekleştirilip aynı anda kalıba verilip yeni bir polimer, kompozit ve hatta bu yöntemle polimerlerden hareketle seramik kompozitler bile elde edilebilir.
Ekstrüzyon Tipik bir ekstrüder Enjeksiyona bezer ancak ürün bir kalıpta sıkıştırılmak yerine kalıptan sürekli olarak itilerek şekillendirilir. Ekstrüzyon çok büyük miktarlarda ve sürekli ürünlerin üretilmesinde kullanılmaktadır. Extrüzyon ürünleri uzun, içi dolu, içi boş ve kompleks kesite sahip ürünler olabilir.
Reçine Transfer Kalıplama Fiberler bir preform oluşturacak şekilde istenen şekilde örülürler. Preform sonrasında kalıba yerleştirilir. Reçine takiben kalıba pompalanır. Polimerizasyon kalıpta tamamlanır ve ürün kalıptan alınır.
Reçine transfer kalıplama ile üretilen bazı parçalar
Şişirme Kalıp Şekil. Üç istasyonlu bir şişirme kalıp sistemi. Şişe gibi polimerik ürünler ve bunların kompozitlerin bu yöntemle üretilir. Genelde termoplastik kompozitler için uygundur.
Dönmeli Kalıp Konserve kutuları, kovalar ve plastik futbol topları gibi Polimerler ve PMK malzemeler bu yöntemle üretilir.
Termal Şekillendirme Termoplastik plaka ve şeritlerin şekillendirilmesinde kullanılan termal şekillendirme metodu. Reklam pano ve işaretleri, bisküvi ve şeker tepsileri, duş tekne panelleri ve paketleme ürünlerinin şekillendirilmesinde kullanılır.
Döküm, Potlama ve Kapsülleme Şekil a) Döküm, b) Potlama (slip dökme) ve c) kapsülleme yöntemleri
PMK MALZEMELERİN TEMEL KULLANIM ALANLARI POLİMER KOMPOZİT MALZEMELER UZAY VE HAVACILIK OTOMOTİV SEKTÖRÜ SPOR ARAÇLARI YAPISAL UY- GULAMALAR
A- Uzay ve Havacılık Uzay Mekiğinde Gövde kaplama bileşenleri (çelikten çok daha hafif) Ticari Uçaklarda Kanat kısımlarının tamamı Kuyruk kısımları Savaş uçaklarında (jetler) Kanat kısımları, kuyruk Helikopter ve uydularda Ana ve kuyruk pervanelerinde Gövde bileşenlerinde Uydu gövdelerinde
Uzay Mekiği Nomex fiber PMK Grafit epoksi yüksek mukavemetli PMK Ti ile birlikte B fiber epoksi PMK Bor Al+PMK Cam fiber PMK alt tabaka kaplama Cam fiber PMK Al üzerine kaplama yapılmış Grafit epoksi kapılar Epoksi cam örgülü PMK Örülmüş cam fiber Poliüretan PMK, ani sıcaklık değişikliklerine dayanıklı
Ticari Uçaklar
Ticari uçaklarda PMK kullanımı iki kısımda ele alınır: Birincil yapılar; uçuşta kritik, ikincil yapılar
Savaş Uçakları (Jetler)
Askeri uçakların PMK malzemelerden yapılan genel parçaları
A.B.D. Hava kuvvetleri B-2 ileri (hayalet) bombardrıman uçağı
Uçakların motor uygulamalarında kullanılan bileşenler
Uçaklarda kullanılan değişik PMK malzemeler: Uçak gövde burunları, konik parçalar,
Helikopter ve Uydular Helikopterlerde dış gövdenin nerdeyse tamamına yakını PMK malzemedir. Kullanılan PMK malzemeler özellikle Epoksi-karbon veya grafit (uçuşta kritik bölgelerde-helikopter pervanesi ve uçuş denge pervanesinde kullanılır) Polimer + Aramid fiber (balistik amaçla kullanılır) Polimer + cam fiber (Uçuşta ikincil önemli parçalarda kullanılr) Apaçi; Dış gövde ve pervane sistemi PMK Lynx model: gövde altı ve yan kapılar Kevlar PMK kompoziti
Helikopterlerde kullanılan PMK pervane kanatları S-75 ACAP helikopteri, X- pervanesi (uçuş pervanesi) tamamen karbon fiber takviyeli PMK malzemeden dizayn edilmiştir. Özellikle havadan askeri araçların ve silahların naklinde kullanılır.
Plastikorganik fiber Plastikcam Plastik-cam kısa fiber Plastik- C fiber Metaller KA-50 helikopter gövdesinde kullanılan malzemeler
Uydu Bileşenleri
Nasa Helios, Atmosfer uydusu (meteoroloji). Kaporta tamamen PMK malzemedir. Solar paneller PMK, Ana gövde iskeleti Al-Li MMK olmasına rağmen kaporta kısmının tamamı C fiber PMK tir. 2004 yılında faaliyeti durdurulmuş ancak teleskop sistemi yenilenerek başka uydularda kullanılmaya başlanmış
B- Otomotiv sektörü Sürekli fiber demetleri bir kumaş gibi örülerek dikilmiş ve fiberler arasına polyester emdirilmiştir. Elektrikli aracın dış gövdesi 8 parçadan imal edilmiştir. Bu tür araçlarda temel avantajlar: Ağırlık tasarrufu, Ürtim maliyetinde azalma, Korozyon direnci, Termal izolasyon Solectria electrikli oto: (a) kaporta. (b)tamamlanmış gövde.
Otomobillerde özellikle C-fiber takviyeli PMK ler revaçta Gövde Parçaları - Kaputlar -Kapılar - Spoylerler - Alt kaportalar İç Parçalar - Kumanda panosu kitleri - Şanzımanlar - Koltuklar - Konsoller Other Parts - Ekzost Sistemleri -Yakıt geliş sistemleri
Sadece 160 Kg ağırlığında Monocoque otomobil gövdesi. Gövde Ti iskelet üzerine kaplanarak üretilmiş. Gövde çelikten daha yüksek elastik modüle sahip ve çeliğin ¼ kadar bir yoğunluğa sahiptir.
woven fibers 0.5mm cross section view 0.5mm Ferrari Formula 1 aracı. Tüm gövde yapısı elle yatırma yöntemi ile üretilen Epoksi C fiberden daha sonra otoklav yöntemi ile şekillendirilerek üretilmiş. Katmanlı mikroyapı Carbon Fiber: McLaren 1 aracı
a) b) c) a) tampon, b) kaput ve c) İç kumanda panosu
Volkswagen Sharan iç panel Oto spoileri Kevlar fiber zırhlı araç Hızlı tren vagonları Tamamen PMK gövdeli kamyon
C- Spor Araçları Hafiflik, korozyona dayanım, arzulanan mukavemet ve ealstik modülün sağlanabilmesi, düşük sürtünme katsayısı gibi bazı ana nedenlerden dolayı PMK malzemeler spor eşyalarında yaygın olarak kullanılır
Karbon Fiber parçalar: Yarış bisikletleri İskeletlerde Çatallarda Tekerleklerde Golf Sopalarında Tenis Raketlerinde Amrikan Futbolu ve Hokey koruyucularda Silahlarda Yay ve oklarda
Cam veya karbon fiber PMK Karbon fiber PMK snowboard
D- Yapısal Uygulamalar Birçok farklı uygulama sahsı mevcut: Denizcilik, Zırh (kurşun geçirmez yelek) Askeri araçlar, İnşaat sektörü Şekil. Karbon/epoksi kompozit koltuk değnekleri. Al dan daha yüksek mukavemetli ve % 50 daha hafif, daha estetik görünümlü
Özellikle Japonya da depreme dayanıklı beton veya yapı malzemeleri üretilmektedir. Beton içine C veya farklı polimer fiberle ilave edilip betonun kırılma tokluğu arttırılır
Çok amaçlı PMK malzeme dış gövdeli araç. Zırh amaçlı ve radar sinyallerini engelleyici PMK ile yapılmış. Zırh için Kevlar PMK, radar sinyali engellemek için cam fiber polyester PMK Kişisel amaçlı kurşun geçirmez malzemeler Kevlar fiber takviyeli kask
Denizcilikte yatlar, yelkenli kayıklar genelde cam fiber polyester PMK dir.
Nautical Transportation PMK PMK Kompozit kasası Preste sandwich türü dizayn ile üretilen Norveç e ait mayın tarama gemisi Cam fiber PMK Yelkenliler
PMK Malzemelerde Özellikler Çelik ve Al ile karşılaştırıldığında fiber takviyeli PMK malzemelerde mekanik özellikler Yoğunluk ρ(kg/m 3 ) E. Modül E(GPa) Çekme Mukav. σ(mpa) Spesifik Modül E/ρ Spesifik Mukav. σ/ρ Çelik Alüminyum Nylon Beton Rastgele Fibee FRP 7800 2700 1100 2400 1800 208 70 2.5 40 20 400 200 80 20 300 1 0.97 0.09 0.63 0.42 1 1.44 1.42 0.16 3.25 Tek yönlü Fiber FRP (Fiberlere Paralel) (Fiberlere dik) 1600 1600 200 3 1500 50 4.69 0.07 18.3 0.61
Spesifik Mukavemet (σ/ρ) Spesifik Modül (E/ρ) Malzeme türü Malzeme türü Şekil. Seçilmiş bazı kompozit ve takviyesiz alaşımların spesifik modül ve mukavemet değerleri.
Spesifik mukavemet (x10 6 in) Spesifik modül (x10 8 in) Birçok malzeme ve kompozitlerde spesifik mukavemet ve modül ilişkisi.
Mukavemet Modül % 40 Karbon % 40 Cam Takviyesiz Elektirik Direnci Sürünme Direnci Yorulma Dayanım Sınırı Yağlayıcılık Aşınma Dayanımı Termal İletkenlik Şekil. Nylon 6.6 matriksli kompozitte özellikler