2. TEMEL KAVRAMLAR 2.1 Giriş 20. yüzyılın son çeyreğindeki en önemli teknolojik gelişmelerden bir tanesi de kompozit malzemelerdir. Kompozit malzemeler iki veya daha fazla organik veya inorganik bileşenin bir araya gelmesiyle oluşurlar. Bileşenlerden birisi ana malzeme olan matriks, diğeri de taşıyıcı görevi yapan fiberdir. Kompozit malzemelerin mukavemet ve sertliğinin tamamına yakını fiber tarafından sağlanır. Matriksin görevi ise; fiberleri birbirine bağlayarak uygun yerleşimi sağlamak, yük dağılımını fiberlere aktarmak, fiberleri çevreden gelen risklere karşı korumak, çatlak yayılışına karşı direnç sağlamak, yüksek sıcaklık ve korozyona karşı koymaktır. Kompozit malzeme üretimindeki en önemli kavram daha iyi özelliklere sahip malzeme elde etmek için fiber ve matriksin uygun olanının seçilmesidir. Ayrıca; mukavemet, rijitlik, yorulma, ısıl ve nem direnci gibi özelliklerin daha iyi olması için uygun fiber yönü seçilmelidir. Bu nedenle daha özel tasarımlara ihtiyaç duyulmaktadır. Dolayısıyla mühendislik uygulamalarında farklı fiber ve matriks çeşidiyle karşılaşmak mümkündür. Kompozit malzemeler; çoğu doğal ve biyolojik yapıda bulunabilir. En çok rastlanan doğal kompozit malzeme odundur. Eski Yunan ve Mısır uygarlıklarında; odunun ısıl büyüme ve nem tutma özellikleri kullanılarak daha kaliteli ürün elde etmek amacıyla kontrplak üretilmiştir. Vücudumuzda bulunan kas ve kemikler iskelet sistemimizin taşıyıcı vazifesi yapan fiberleridir. Modern kompozit malzemeler daha yüksek katılık/ağırlık oranlarında kullanılmaktadır.
14 En çok kullanılan kompozit malzeme türü olan fiber camlar 1950 li yıllarda tekne yapımında ve otomobil karoserlerinde kullanılmıştır. Uçak yapımında da uygulama alanı bulan cam fiberler ilk olarak Boeing 707 de ağırlık olarak %2 oranında, daha sonra Boeing 777 de %10 oranında kullanılmıştır. Bu oran daha özel tasarımlarda %65 değerine kadar artmıştır. Yüksek hız uçaklarında aerodinamik etkiye ve yüksek sıcaklıklara dayanabilecek karoserler yine kompozit malzemelerden yapılmıştır. Kompozit malzemelerin kullanım alanları sadece havacılıkla sınırlandırılamaz. Spor ve elektronik malzemelerin yapımında, gemi ve otomobil tasarımlarında ve protez gibi tıbbi malzeme yapımında da kompozit malzemelere rastlanılmaktadır. Şimdi kompozit malzemeyi oluşturan temel yapılar üzerinde duralım. 2.1.1 Takviye Elemanları Kompozit malzemelerde takviye elemanı olarak fiberler kullanılmaktadır. Fiberler mukavemet ve rijitlik sağlarlar. En çok kullanılan fiber türleri aşağıda anlatıldığı gibidir. Cam Fiberler: Cam fiberler orta maliyette olmasına karşın mekanik, kimyasal ve elektriksel özellikleri oldukça iyidir. Daha çok uçak panelleri, roket motorları, helikopter rotor pervaneleri, basınçlı kaplar ve spor malzemeleri yapımında kullanılırlar. Karbon Fiberler: Karbon fiberler yüksek performanslı kompozit yapılarda en çok kullanılan takviye elemanlarıdır. Daha çok suni ipek ve
15 poliakrilonitrilden (PAN) yapılırlar. Karbon fiber takviyeli kompozit malzemelerin mukavemet ve rijitlikleri cam fiber takviyeli kompozitlere oranla büyük olması nedeniyle günümüzde kullanımları gittikçe artmaktadır. Uçaklarda roket lülelerinin ve türbin kanatçıklarının imalinde kullanılmaktadırlar. Aramid Fiberler: Aramid fiberler mukavemetlerinin yüksek olması nedeniyle çoğu uygulamada yer almaktadır. Bununla birlikte nemi tutabilme özellikleri ve matrikse iyi yapışamama gibi dezavantajları da vardır. Cam fiberden daha hafif fakat daha pahalıdırlar. Özellikle otomobil lastiklerinin imalinde kullanılırlar. Basma dayanımları düşük korozyon dayanımları yüksektir. Boron Fiberler: boron fiberler ilk olarak 1960 larda kullanılmaya başlanmıştır. Yüksek modül ve yüksek mukavemete sahip olmalarına rağmen işleme zorluğu nedeniyle pahalıdırlar. Birleşmiş Milletler Hava Kuvvetlerinde F-15 ve Deniz Kuvvetlerinde F-145 uçaklarının her ikisinde de takviye elemanı olarak boron fiberler kullanılmaktadır. 2.1.2 Matriksler Matriksler kompozit yapı içerisinde fiberleri bağlayıcı görevi yaparlar. Uygulanan yükün tüm fiberler üzerinden taşınmasını sağlayan elemanlardır. Matriks tipik olarak fiberden daha düşük yoğunluk, rijitlik ve mukavemete sahiptir. Matriksler kullanılan matriks türüne göre gevrek, sünek, elastik veya plastik olabilirler. Dolayısıyla lineer veya lineer olmayan gerilme-şekil değiştirme davranışı gösterebilirler. En çok kullanılan matriks türleri karbon, seramik, cam, metal ve polimerdir.
16 Karbon Matriksler: Karbon matriksler birim ağırlıklarına göre yüksek sıcaklık kapasitesine sahiptirler. Roket lülelerinde, uçak kavrama ve fren yastıklarında kullanılırlar. Seramik Matriksler: Genel itibariyle gevrektirler. Yüksek sıcaklık istenen uygulamalarda karbon, seramik, metal ve cam fiberlerle birlikte kullanılırlar. Cam Matriksler: cam ve cam-seramik kompozitler kendilerine taşıyıcı görevi yapan fiberlerden daha düşük elastisite modülüne sahiptirler. Karbon ve metal oksit fiberler genellikle cam matriksli kompozitlere taşıyıcı görevi yaparlar. Cam ve seramik matriksli kompozit malzemelerin en önemli özellikleri mukavemetleri ve yüksek servis sıcaklıklarıdır. Cam matriksli kompozit malzemelerin ilk kullanım alanları ısıl direnç gerektiren makine parçaları ve elektriksel bileşenlerdir. Metal Matriks: Metal matriksli kompozitlerin oksitlenebilecek çevre şartlarında dahi yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmeleri en önemli avantajlarıdır. En çok kullanılan metal matriksler demir, nikel, tungsten, titanyum, magnezyum ve alüminyumdur. Polimer Matriksler: Ucuz olduklarından en çok kullanılan matriks türüdür. Doğal olarak kehribar, zift ve reçine şeklinde bulunurlar. Polimerlerin proses kolaylığı ve iyi nem tutabilme gibi avantajları vardır. Düşük yoğunluklu malzemeler olup tipik polimer matriksler zaman, sıcaklık ve nem etkisine bağlı olarak viskoelastik ve viskoplastik davranış gösterirler.
17 2.2 Kompozit Malzeme Türleri ve Sınıflandırılması Kompozit malzemeler kendisini oluşturan iki fazın (matriks ve fiber) tipine, geometrisine ve fiber oryantasyonuna bağlı olarak üç genel kategoriye ayrılırlar (şekil 2.1). Kompozit malzemeler matriksin ve fiberin durumuna göre aşağıdaki gibidir. Şekil 2.1 Kompozit malzemelerin sınıflandırılması
18 Parçacıklı Kompozitler: Parçacıklı kompozitler, matriks içerisine gelişi güzel dağılmış çeşitli şekil ve boyutlardaki parçacıkları içerirler (Şekil 2.1). Parçacıklı kompozitler; metal olmayan parçacıkların metal olmayan matris içerisinde yer alması (beton, cam takviyeli mika, polimer takviyeli kauçuk gibi), metalik parçacıkların metal olmayan matris içerisinde yer alması (alüminyum takviyeli poliüretan kauçuk gibi), metalik parçacıkların metal matris içerisinde yer alması (bakır alaşımları gibi) ve metal parçacıklarının metal matris içerisinde yer alması (silikon karpit parçacıklarının alüminyum matriks içerisinde yer alması gibi) ile meydana gelirler. Süreksiz veya Kısa Fiberli Kompozitler: Bu kompozitler takviye elemanı olarak bünyelerinde kısa veya kırpılmış fiber bulundururlar. Kısa fiberler çaplarına nazaran oldukça uzundurlar ve matriks içerisinde tek yönde bulunabilecekleri gibi gelişi güzel yerleşmiş de olabilirler. Bu tür kompozitler öncelikle anizotropik veya ortotropik yapı eğiliminde olup yarı izotropik yapıda da olabilirler (Şekil 2.1). Sürekli Fiber Kompozitler: Bu tür kompozitler kesiksiz (sürekli) fiber içermektedirler. Mukavemetleri ve rijitlikleri oldukça yüksektir. Sürekli fiberler devamlı tek yönde yerleşebilecekleri gibi (tek yönlü sürekli fiber kompozitler) birbirlerine dik iki ana yönde (çapraz kat veya örgü tipi) ve birkaç farklı yönde yerleşebilirler (çok yönlü sürekli fiber kompozitler) (Şekil 2.1). Fiber takviyeli kompozitler kullanılan matrikse uygun olarak da polimer, metal, seramik ve karbon matriksli kompozitler şeklinde sınıflandırılabilirler (tablo-2.1).
19 Polimer Matriksli Kompozitler: Bu tür kompozitler termoset (epoksi, poiamit, polyester) veya termoplastik (polieter, keton, polisülfon) reçinelerin cam, karbon (grafit), aramid (kevlar) veya boron fiberlerle bir araya gelmesiyle oluşurlar. Genel olarak düşük sıcaklık gerektiren uygulamalarda kullanılırlar. Çizelge 2.1 Kompozit malzeme tipleri Matriks Tipi Fiber Matriks Polimer E-camı S-camı Karbon (grafit) Aramid (kevlar) Boron Epoksi Poliamid Polyester Termoplastik PEEK Metal Boron Borsik Karbon (grafit) Silikon karpit Alüminyum Magnezyum Titanyum Bakır Alümina Seramik Silikon karpit Alümina Silikon nitrat Silikon karpit Alümina Cam-seramik Silikon nitrat Karbon Karbon Karbon Metal Matriksli Kompozitler: Metal matriksli kompozitler metal veya metal alaşımlarının (alüminyum, magnezyum, titanyum, bakır) boron karbon veya seramik fiberler gibi takviye elemanlarıyla birleşerek
20 meydana gelirler. Maksimum kullanma sıcaklıkları metal matrikslerin erime noktalarıdır. Seramik Matriksli Kompozitler: Seramik matrikslerin (silikon, karpit, alüminyum oksit, cam-seramik, silikon nitrat) içerisinde seramik fiberler bulundurmasıyla oluşurlar. Çok yüksek sıcaklık gerektiren uygulamalarda kullanılabilirler. Karbon/Karbon Kompozitler: Grafit veya karbon fiberlerin, grafit veya karbon matrikse takviye yapması ile oluşurlar. Düşük yoğunluk, yüksek ve düşük sıcaklıklara dayanabilme gibi özelliklere sahiptir. Ayrıca; tabakalı kompozitlerde mevcuttur. Bunlar farklı malzemelerdeki ince tabakaların birleştirilmesiyle oluşurlar. Örnek olarak bimetaller, kaplanmış metaller, kontrplaklar ve formika verilebilir. 2.3 Temel Malzeme Yönleri Şekil 2.2 de matriks içerisine tek yönde yerleşmiş fiberlerle takviyeli kompozit malzemenin temel yönleri görülmektedir. Şekilden de görülebileceği gibi fiber yönünde fiberin takviye elemanı özelliğinden malzeme daha mukavemetli ve daha rijittir. Fakat fiber yönüne dik yönde yük matriks tarafından taşındığından mukavemet daha düşük ve rijitlik zayıftır. Çift yönde fiber takviyeli örgü tipi kompozit malzemelerde her iki yönde de rijitlik ve mukavemet aynıdır. Tüm yerlere yerleşmiş fiber takviyeli kompozit malzemelerde bu özellikler değerini yitirir. Yani daha zayıftır.
21 Şekil 2.2 Kompozit malzemelerde temel malzeme yönleri Kompozit malzemeler analiz edilirken ana yön olan 1 yönü fiber yönünü, 2 ve 3 yönleri fibere dik yönleri belirtmektedir. Bu koordinat sistemi (123) malzeme koordinat sistemi olarak adlandırılır ve fiberin oryantasyonuna bağlıdır. Tabakalı kompozit malzemelerde birden fazla tabaka olacağından fiber yönlerini belirlemek için ikinci bir eksen takımı tanımlanmalıdır. Bu koordinat sistemi xyz ile gösterilip lokal koordinat sistemi olarak adlandırılır. Lokal koordinat sisteminin belirli bir açıyla döndürülmesiyle yeni bir eksen takımı oluşur ki bu da x y z ile gösterilip global koordinat sistemi olarak adlandırılır. Tabakalı kompozitlerde temel malzeme ekseni 123, her bir tabak k, x eksenine göre fiber açıları k ve lokal eksen xyz şeklinde karşımıza çıkar. Saat ibresinin ters yönü pozitif açı iken (+ k ) ters yönü eksi açıdadır (- k ).
22 2.4 Tabakalı kompozitler Tabakalı kompozitler fiber takviyeli levhaların istiflenmesi sonucu oluşurlar. Levhalar istiflendikten sonra sıcaklık ve basınç altında preslenirler. Bir çok tabakalı kompozit mevcuttur. Bunlardan bazıları; karbon matriks-karbon fiber kompozit (KKK), metal-matriks kompozit (MMK), seramik matriksli kompozit (SMK), titanyum matriksli kompozit (TMK) vb. Şekil 2.3 te birleştirilmemiş farklı fiber açılarındaki (-45/45/0/90) plakalar görülmektedir. Şekil 2.3 Birleştirilmemiş (-45/45/0/90) fiber açılarındaki plakalar Şekil 2.4 te iki adet tabaka görülmektedir. Bunlardan biri (0/90/90/0) veya basitçe (0/90) s, ikincisi ise (90/0/0/90) veya basitçe (90/0) s şeklindedir. Bu tabakalı kompozitlerin her ikisinin de geometrileri, tabaka sayıları, kalınlıkları, etkiyen eksenel yük (N) ve momentleri (M) aynıdır. Aynı eksenel çekme yükü uygulandığında aynı
23 miktarda uzama olacaktır. (0/90/90/0) olan tabakanın rijitliği (90/0/0/90) olan tabakadan daha yüksektir. Dolayısıyla istenen rijitlik ve mukavemette kompozit tabaka elde etmek tamamen her bir tabakanın fiber açısına bağlıdır. Şekil 2.4 İki çapraz kat tabakanın eksenel ve eğilme deformasyonu 2.4.1 Özel Tabakalar: Kullanım yerlerine göre önem kazanan çeşitli kompozitler vardır. Bunlar aşağıda anlatılan kompozit tabakalardır. Simetrik: Bir tabakanın simetrik olabilmesi için o tabakanın her iki kenarının orta noktaya olan uzunluklarının aynı kalınlıkta olması gerekir. Simetrik tabakaya (+45/-45/0/90/90/0/-45/+45) veya basitçe (+45/- 45/0/90) s örnek verilebilir. Balans (Denge): Bir tabakanın balans durumunda olabilmesi için belirli bir kalınlığa, malzeme özelliğine ve fiber yönüne sahip plakanın, o
24 kompozit tabaka içerisinde kalınlık ve malzeme özellikleri aynı, fakat fiber yönü ters başka bir plakanın bulunması gerekir. =0 ve =90 fiber açılarının ters açıları sırasıyla =90ve =0 derecelerdir. Örneğin; (0/45/90/-45) ve (0/-30/60/30/90/-60). Açı Kat: Eğer bir kompozit tabakanın her katındaki fiberler ve - açılarında yerleşmiş ise bu kompozit tabaka açılı kat olarak adlandırılır. Örneğin; (30/-30/30/-30) veya basitçe (30/-30) 2 Çapraz Kat: Eğer bir kompozit tabakanın her katmanı =0 ve =90 ise bu kompozit tabaka çapraz kat olarak adlandırılır. Örneğin; (0/90/0/90) veya basitçe (0/90) 2 Yarı İzotropik: Bir kompozit tabaka simetrik ve kendisini oluşturan katmanların fiber açıları =0, +45, -45, 90 açılarında ise bu kompozit tabakaya yarı izotropik denir. Yarı izotropik tabakalar aynı zamanda simetrik ve balanstır. Örneğin; (+45/-45/0/90) s, (+45/0/-45/90) s ve (+45/90/-45/0) s.
2.5 Kompozitlerin Mikro ve Makromekanik Davranışları 25 Şekil 2.5 Kompozit malzemelerin yapım aşaması Kompozit malzemelerin yapım aşamasında fiber çapına, parçacık boyutuna ve takviye elemanı ile matriks arasındaki boşluğa dikkat edilmesi gerekir (Şekil 2.5). Mikromekanik tüm bu elemanlar arasındaki mekanik etkileşimi araştırır. Deformasyon ve gerilme durumunu, matriks hasarını (çeki, bası, kayma gerilmeleri nedeniyle) ve fiber hasarını (çeki,
26 burkulma, kesilme nedeniyle oluşan) gibi lokal hasarları ve ara yüzey/ara faz hasarlarını inceler. Mikromekanik davranışlar malzeme özelliklerini etkileyen en önemli faktördür. Plaka aşamasında malzeme genellikle homojendir ama yinede anizotropik özellik gösterebilir. Bu nedenle analiz yapılırken bu aşamada mekanik özelliklerin ortalaması alınır. Bu tür analize makromekanik analiz adı verilir ve ortalama rijitlik ve mukavemet özelliklerine sahip yarı homojen anizotropik malzeme görünümünde tek yönlü plaka özelliği gösterir. Tabaka aşamasında makromekanik analiz plakaların istiflenmesinin ve plaka davranışının fonksiyonu olarak düşünülür ve böylece tabaka teorisi uygulanır. Sonuçta; her bir tabakadaki gerilme durumu incelenirken tabaka teorisi kullanılarak sonlu elemanlar analizi yapılır.