PLASTİK MATRİSLİ KOMPOZİTLER
PLASTİK MATRİSLİ KOMPOZİTLER Polimer malzemeler, son 25-30 yıl içerisinde önemli gelişmeler göstererek günlük yaşantımızda ve endüstrinin hemen her dalında kullanılan malzemeler haline gelmişlerdir. Polimerler, yapıları gereği çelik ve diğer konvansiyonel malzemelerden farklıdırlar ve onların avantajlı yanları ön plana çıkartılarak kullanım alanları giderek genişlemektedir. Polimer ve polimer kompozitlerin baslıca hedefleri en az çelik kadar sağlam, olabildiğince hafif, yüksek kullanım sıcaklıklarına dayanıklı ve ekonomik malzeme üretimidir. Günümüzde ileri mühendislik malzemelerinin kullanımında hiç şüphesiz otomotiv sektörü en büyük payı almaktadır. Otolarda çeşitli plastik malzemelerin kullanımı % 10 civarında ise de tamponlar gibi bazı özel uygulamalarda plastik kompozitler rakipsizdir
POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİTLER Çeşitli mühendislik uygulamalarında metallerin yerini tercihen kullanılan polimer kompozitler sadece hafiflik, mekanik dayanım gibi özellikler değil, insan dokuları ile uyum sağlayan ve sertlik derecesi ayarlanabilen yapay doku ve organlar gibi uygulamaların dışında "optik elyaf" ve basınç ile elektrik üretebilen" piezo elektrik özellikli ve istenildiği gibi işlenebilen özel sistemlerin yapımında da metal ve seramik malzemelerin yerlerine kullanılmaktadır. Polimer kompozitler, iki ana kategoride incelenebilir. -- parçacık dolgulu kompozitler -- sürekli elyaf kompozitler Özellikle sürekli elyaf içeren kompozitler yüksek performans istenen alanlarda giderek daha çok kullanılmaktadir.
ELYAFLI KOMPOZİTLER Bu kompozit tipi ince elyafların matris yapıda yer almasıyla meydana gelmiştir. Elyafların matris içindeki yerleşimi kompozit yapının mukavemetini etkileyen önemli bir unsurdur. Uzun elyafların matris içinde birbirlerine paralel şekilde yerleştirilmeleri ile elyaflar doğrultusunda yüksek mukavemet sağlanırken, elyaflara dik doğrultuda oldukça düşük mukavemet elde edilir. İki boyutlu yerleştirilmiş elyaf takviyelerle her iki yönde de eşit mukavemet sağlanırken, matris yapısında homojen dağılmış kısa elyaflarla ise izotrop bir yapı oluşturmak mümkündür. Elyafların mukavemeti, kompozit yapının mukavemeti açısından çok önemlidir. Ayrıca, elyafların uzunluk/çap oranlar arttıkça matris tarafından elyaflara iletilen yük miktarı artmaktadır. Elyaf yapının hatasız olması da mukavemet açısından çok önemlidir. Elyaflarla pekiştirilmiş polimer kompozitler endüstride çok geniş kullanma alanına sahiptir. Pekiştirici olarak cam, karbon kevlar ve boron lifleri kullanılır.
ELYAFLI KOMPOZİTLER Bazı elyaf veya liflerin (pekiştirici/takviye liflerin) özellikleri
ELYAFLI KOMPOZİTLER Kompozit yapının mukavemetinde önemli olan diğer bir unsur ise elyaf matris arasındaki bağın yapısıdır. Matris yapı da boşluklar söz konusu ise elyaflarla temas azalacaktır. Nem absorbsiyonu da elyaf ile matris arasındaki bağı bozan olumsuz bir özelliktir. Günümüzde kompozit yapılarda en önemli takviye malzemeleri sürekli elyaflardır. Bu elyaflar özellikle modern 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 kuarts camına kadar pek çok tipte imal edilirler. Cam amorf bir malzemedir. Üç boyutlu moleküler yapıda, bir silisyum atomu dört oksijen atomu ile çevrilmiştir. Silisyum metalik olmayan hafif bir malzemedir, doğada genellikle oksijenle birlikte silis (Si 0 2 ) şeklinde bulunur. Cam eldesi için silis kumu, katkı malzemeleri ile birlikte kuru halde iken 1260 ºC civarına ısıtılır ve soğumaya bırakıldığında sert bir yapı elde edilir. Cam elyaf silika, kolemanit, alüminyum oksit, soda gibi cam üretim maddelerinden üretilmektedir. Cam elyaf, elyaf takviyeli kompozitler arasında en bilinen ve kullanılanıdır.
CAM ELYAFLARIN ÖZELLİKLERİ Cam elyafın bazı özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir ; Yüksek çekme mukavemetine sahiptirler, birim ağırlık başına mukavemeti çeliğinkinden daha yüksektir. Isıl dirençleri düşüktür. Yanmazlar, ancak yüksek sıcaklıkta yumuşarlar. Bu özellikleri katkı malzemeleri kullanılarak iyileştirilebilir. 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. Cam elyaf imalinde silis kumuna çeşitli katkı malzemeleri eklendiğinde yapı bu malzemelerin etkisi ile farklı özellikler kazanır.
CAM ELYAFLARIN ÖZELLİKLERİ Dört farklı tipte cam elyaf mevcuttur 1. A (Alkali) Camı A camı yüksek oranda alkali içeren bir camdır.bu nedenle elektriksel yalıtkanlık özelliği kötüdür. Kimyasal direnci yüksek olan A camı, en yaygın cam tipidir. 2. C (Korozyon) Camı Kimyasal çözeltilere direnci çok yüksektir, bileşimi ve özellikleri Tablo 3.1 de verilmektedir. 3. E (Elektrik) Camı Düşük alkali oran 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. 4. S,R (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. Tablo da cam elyaf tiplerine ait kimi özellikler verilmiştir.
CAM ELYAFLARIN ÖZELLİKLERİ
CAM ELYAFLARIN ÜRETİMİ Cam elyaf özel olarak tasarlanmış ve dibinde küçük deliklerin bulunduğu özel bir ocaktan eritilmiş camın itilmesiyle üretilir. Bu ince elyaflar soğutulduktan sonra makaralara sarılarak kompozit hammaddesi olarak nakliye edilir. Özellikle cam elyaf ile matris arası yapışma gücünü arttıran "silan" bazlı ve elyaf üzerinde ince film oluşturan kimyasalların geliştirilmesinden sonra kullanım sahaları artmıştır. Elyaflar işlem sırasında dayanıklılıklarının %50 sini kaybetmelerine rağmen son derece sağlamdırlar. Elyaf kumaşları genellikle sürekli cam elyafların lifleri ile üretilmektedir. İşlemler sırasında değişik kimyasalların eklenmesi ve bazı özel üretim yöntemleri ile farklı türde cam elyaflar üretilebilmektedir. Cam elyaf üretimi için genellikle dikdörtgen prizma şeklinde fırınlar kullanılmaktadır. Bu fırınlar normal cam üretim fırınlarına benzemekle birlikte ekstra bir ısıtıcıya da sahiptir. Fırın ısısını sağlamak amacı ile elektrik enerjisi ve fuel oil kullanılmaktadır. Günlük 200 ton civarında cam elyaf üretecek hammaddeyi ergitebilen fırınlar mevcuttur.
CAM ELYAF ÜRETİMİ Mekanik Lif Çekme Yöntemi Filamanlar kovan çıkışında mekanik yöntem ile çekilir ve daha sonra sarılırlar. Şekil de yöntem şematik olarak gösterilmektedir. Bu yöntem cam fiberi yönteminde en çok kullanılan yöntemdir
(1)Basınçlı hava girişi; (2)Joule etkisi ile ısıtılmış kovan;(3) etekler;(4)spray boyutunu ayarlayan aparat;(5)delikli tambur;(6) tambur vakumu; (7) akan fiberler (8)fiberler için toplama çemberi (9) iplik (10) şekillendirme makarası (11) sarım makarası Pnömatik lif çekme yöntemi
CAM ELYAFLAR Bileşenlerine bağlı olarak, kullanışlı elyaflar dönüştürülebilen çeşitli cam tipleri mevcuttur. Tip E D A C R,S Genel Karakteristik Genel kullanım, iyi elektriksel özellikler Yüksek dielektrik değerler Yüksek alkali içerir İyi kimyasal dayanım Yüksek mekanik özellikler Özellikler E-Camı R-Camı Yoğunluk r g/cm³ 2,6 2,55 Elastiklik Modülü E GPa 73 86 Değişik türlerdeki camların karekteristikleri Çekme Dayanımı Rm MPa 3400 4400 Maksimum Uzama % 4,4 5,2 Poisson Oranı 0,22 - E ve R tipi camların mekanik özellikleri Öz ağırlık :r = ağırlık/hacim
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 (BCl3) gazından geçirilmesi ile üretilirler. Böylece Tungsten flamanın dışında bor plaka oluşur. Bor elyaflar değişik çaplarda üretilebilirler (0.05 mm ila 0.2 mm). 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. Elastik modül ise 400 GPa dır. Bu değer S camının elastik modülünden beş kat daha 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 (B4C) kaplanmasıyla yüksek sıcaklıklara dayanım artar. Özellikle bor karbür kaplanması ile çekme mukavemeti önemli ölçüde artırılabilir. Bor elyafların erime sıcaklıkları 2040 ºC civarındadır.
BOR ELYAFLAR Çeşitli refrakter veya seramik elyaflar buhar fazında kimyasal biriktirme yöntemi ile üretilebilmektedir. Üretilen bazı elyaf türleri aşağıdaki gibidir: Bor (B) elyaflar Bor-karbür (B 4 C) elyaflar Silikon-karbür ( SiC ) elyaflar Bor-silikon karbür (BorSiC) elyaflar Bu elyaflar büyük çaplarda (yaklaşık 100 mikrona kadar) üretilmektedir. Yaklaşık 20 mikron çapındaki bir tungsten veya karbon destek çubuğu etrafına aşağıdaki seramiklerin kaplanması ile üretilmektedirler. 40 mikron kalınlığında bor katmanı (bor elyaflar ) 40 mikron kalınlığında bor katmanı ve 4 mikron kalınlığında bor-karbür katmanı (B- B 4 C elyaflar ) Silikon-karbür katmanı (SiC elyaflar ) Bor ve Silikon-karbür katmanı (BorSiC elyaflar )
BOR ELYAFLAR Çeşitli bor elyafların mekanik özellikleri Özellik Bor Bor + B 4C SiC Yoğunluk r (g/cm³) 2,6 2,6 3 Çap (mm) 100-150 100-150 100-150 Elastiklik Modülü E (GPa) 430 430 410 Spesifik Modül E/r (MNm/kg) 165 165 140 Çekme Dayanım Rm (MPa) 3800 4000 3900 Spesifik Dayanım Rm /r (knm/kg) 1460 1540 1300
SİLİSYUM 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 ºC ta mukavemetinin sadece %30 nu kaybeder. Bor elyaf için bu sıcaklık 640 ºC 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.
ALÜMİNA ELYAFLAR Alümina, Alüminyum oksittir (Al2O3). Elyaf formundaki alümina, 0.02 mm çapındaki alümina flamanın Silisyum dioksit (SiO2) kaplanması ile elde edilir. Alümina elyafların çekme mukavemetleri yeterince iyi değildir ancak basma mukavemetleri yüksektir. Örneğin, alümina/epoksi kompozitlerin basma mukavemetleri 2275 ila 2413 MPa dır. Ayrıca, yüksek sıcaklık dayanımları nedeniyle uçak motorlarında kullanılmaktadırlar.
GRAFİT - KARBON ELYAFLAR Karbon, yoğunluğu 2.268 gr/cm3 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). Ryon inert bir atmosferde 1000-3000 ºC civarına ısıtılır ve aynı zamanda çekme kuvveti uygulanır. Bu işlem mukavemet ve tokluk sağlar. Ancak yüksek maliyet nedeniyle rayon elyaflar uygun değildirler. Karbon ve grafit aynı hammaddeden elde edilirler, grafit daha yüksek sıcaklıkta elde edilir, bu da daha yüksek saflık sağlar. Karbon ve grafit elyafların karşılaştırılması Tablo da verilmektedir.
KARBON VE GRAFİT ELYAFLARIN KARŞILAŞTIRILMASI Karbon ve Grafit Elyafların Karşılaştırılması
KARBON ELYAFLAR Karbon lifi ilk defa karbonun çok iyi bir elektrik iletkeni olduğu bilinmesinden dolayı üretilmiştir. Cam fiberin metale göre sertliğinin çok düşük olmasından dolayı sertliğin 3 5 kat artırılması çok belirgin bir amaçtır. Karbon fiber, epoksi matriksler ile birleştirildiğinde olağanüstü dayanıklılık ve sertlik özellikleri gösterir. Karbon fiber üreticileri devamlı bir gelişim içerisinde çalışmalarından dolayı karbon fiberlerin çeşitleri sürekli değişmektedir. Karbon fiberin üretimi çok pahalı olduğu için ancak uçak sanayinde, spor gereçlerinde veya tıbbi malzemelerin yüksek değerli uygulamalarında kullanılmaktadır
KARBON ELYAF ÜRETİMİ Karbon elyaflar çoğunlukla iki malzemeden elde edilir; Zift ve PAN (Poliakrilonitril) Zift tabanlı karbon elyaflar göreceli olarak daha düşük mekanik özelliklere sahiptir. Buna bağlı olarak yapısal uygulamalarda nadiren kullanılırlar. PAN tabanlı karbon elyaflar kompozit malzemeleri daha sağlam ve daha hafif olmaları için sürekli geliştirilmektedir. Bu elyaflar ile önce gerdirilerek termoset işlemlerle 400 C nin üzerine ısıtılır. İlk aşama organik malzemenin oksidasyonuna neden olur. Daha sonra malzeme yaklaşık olarak 800 C de vakum altında karbonizasyon işlemine tabii tutulur ve karbon dışındaki empüritelerden arındırılır. Malzemenin karbonizasyonundan sonra elyaflar %50 ile %100 arasında gerdirilerek 1100 C ile 3000 C arasında ısıtılarak grafitleştirme işlemi yapılır. Son olarak elyaflar yüzey işlemlerinden geçerler ve epoksi-fiber bağının güçlenmesini sağlamak amacıyla epoksi kaplanılar.
KARBON ELYAF ÜRETİMİ PAN ve zift proseslerinin şematik gösterimi
KARBON ELYAFLAR 1. Yüksek çekme mukavemetine ve 200-300 GPa değerinde orta elastik modüle sahip olan elyaflar (High Tensile Strength HT ) 2. 400 GPa değerinde yüksek elastik modüllü elyaflar (High Module HM ) Karbon elyafların en önemli özellikleri düşük yoğunluğun yanısıra yüksek mukavemet ve tokluk değerleridir. Karbon elyaflar, nemden etkilenmezler ve sürtünme mukavemetleri çok yüksektir. Aşınma ve yorulma mukavemetleri oldukça iyidir. Bu nedenle askeri ve sivil uçak yapılarında yaygın bir kullanım alanına sahiptirler. Karbon elyaflar çeşitli plastik matrislerle ve en yaygın olarak epoksi reçinelerle kullanılırlar. Ayrıca karbon elyaflar alüminyum, magnezyum gibi metal matrislerle de kullanılırlar.
KARBON ELYAFLAR Farklı Karbon Elyaf Dokuma Karbon Elyaf Örnekleri Elyaf Dokuma Türleri
GRAFİT ELYAFLAR Grafit elyaflar yaklaşık 0.008 mm çapında üretilirler. PAN bazlı grafit elyaflar çeşitli özelliklerde üretilebilirler. Elyaf imalatında genellikle rayonun yerine poliakrilonitril (PAN) kullanılır. PAN bazlı elyaflar 2413 ila 3102 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler ve maliyetleri düşüktür. Karbon Elyaf Örnekleri
ARAMİD ELYAFLAR Aramid aromatik polyamid in kısaltılmış adıdır. Polyamidler uzun zincirli polimerlerdir, aramidin moleküler yapısında altı karbon atomu birbirine hidrojen atomu ile bağlanmışlardır. İki farklı tip aramid elyaf mevcuttur. Bunlar Du Pont firması tarafından geliştirilen Kevlar 29 ve Kevlar 49 dur. Aramidin mekanik özellikleri grafit elyaflarda olduğu gibi elyaf ekseni doğrultusunda çok iyi iken elyaflara dik doğrultuda çok zayıftır. Aramid elyaflar düşük ağırlık, yüksek çekme mukavemeti ve düşük maliyet özelliklerine sahiptir. Darbe direnci yüksektir, gevrekliği grafitin gevrekliğinin yarısı kadardır. Bu nedenle kolay şekil verilebilir. Doğal kimyasallara dirençlidir ancak asit ve alkalilerden etkilenir.
ARAMİD ELYAFLAR Farklı uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için birçok farklı özelliklerde aramid fiberi üretilmektedir. Önemli Özellikleri; Genellikle rengi sarıdır Düşük yoğunlukludur. Yüksek dayanıklılık Yüksek darbe dayanımı Yüksek aşınma dayanımı Yüksek yorulma dayanımı Yüksek kimyasal dayanımı Kevlar fiberli kompozitler Cam fiberli kompozitlere göre 35% daha hafiftir E Cam türü fiberlere yakın basınç dayanıklılığı
ARAMİD ELYAFLAR Aramid fiberlerin dezavantajları: 1- Bazı tür aramid fiberi ultraviole ışınlara maruz kaldığında bozulma göstermektedir. Sürekli karanlıkta saklanmaları gerekmektedir. 2- Fiberler çok iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda reçinede mikroskobik çatlaklar oluşabilir. Bu çatlaklar malzeme yorulduğunda su emişine yol açmaktadır. Genellikle plastik matriksler için takviye elemanı olarak kullanılan aramid fiberinin bazı kullanım alanları Balistik koruma uygulamaları; Askeri kasklar, kurşungeçirmez yelekler... Koruyucu giysiler; eldiven, motosiklet koruma giysileri, avcılık giysi ve aksesuarları Yelkenliler ve yatlar için yelken direği Hava araçları gövde parçaları Tekne gövdesi Endüstri ve otomotiv uygulamaları için kemer ve hortum Fiber optik ve elektromekanik kablolar Debriyajlarda bulunan sürtünme balatalarında ve fren kampanalarında Yüksek ıs ve basınçlarda kullanılan conta, salmastra vb.
ARAMİD ELYAFLAR Her iki kevlarda 2344 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptir ve kopma uzaması %1.8 dir. Kevlar 49 un elastik modülü Kevlar 29 unkinden iki kat fazladır. Kevlar elyafın yoğunluğu cam ve grafit elyafların yoğunluklarından daha düşüktür. Kevlar 49/Epoksi kompozitlerinin darbe mukavemeti grafit/epoksi kompozitlere oranlar yedi kat, bor/epoksi kompozitlere oranla dört kat daha iyidir. Uçak yapılarında, düşük basma mukavemetleri nedeniyle, karbon elyaflarla birlikte hibrid kompozit olarak, kumanda yüzeylerinde kullanılmaktadırlar. Aramid elyaflar elektriksel iletkenliğe sahip değildirler. Basma mukavemetlerinin iyi olmamasınn yanısıra kevlar/epoksi kompozitlerinin nem absorbe etme özellikleri kötüdür. Tablo da farklı elyaf malzemelerin epoksi matris ile oluşturduğu yarı mamul tabaka maliyetleri, E camının maliyeti baz alınarak verilmektedir.
ARAMİD ELYAFLAR Aramid monofilamanların mekanik özellikleri Özellik Kevlar 29 Kevlar 49 Kevlar 149 Twaron Technora Yoğunluk, r (g/cm³) 1,44 1,45 1,47 1,44 1,39 Çap, (mm) 12 12 12 12 12 Elastiklik Modülü, E (GPa) 60 120 160 60 90 Spesifik Modül, Ef/r (MNm/kg) 42 82 110 42 65 Çekme Dayanımı, Rm (MPa) 3000 3000 2400 2600 2800 Spesifik Dayanım, Rm/r (knm/kg) 2080 2070 1630 1800 2010 Maksimum Uzama, % 3,6 1,9 1,5 3 4
FARKLI ELYAFLARDAN OLUŞAN KOMPOZİTLERİN BİRİM MALİYETLERİ
PLASTİK MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN YAPI BİLEŞENLERİ Kullanılan Matrisler Termosetler Termoplastikler Kullanılan Fiberler Cam Fiberler Karbon Fiberler Aramid Fiberler
TERMOSET MATRİSLER En çok kullanılan matris malzemeleridir. Sıvı halde bulunurlar, ısıtılarak ve kimyasal tepkimelerle sertleşir ve sağlamlaşırlar. Termoset polimerlerin polimerizasyon süreci, termoplastiklerden farklı olarak geri dönüşü olmayan bir süreçtir. Yüksek sıcaklıklarda dahi yumuşamazlar. Termoset matris malzemelerin üretiminde kullanılan malzeme tipleri; epoksi, polyester, vinylester ve fenolik reçinelerdir.
TERMOSET MATRİSLER Termoset plastikler sıvı halde bulunurlar, ısıtılarak ve kimyasal tepkimelerle sertleşir ve sağlamlaşırlar. Çoğu termoset matris sertleşmemeleri için dondurulmuş olarak depolanmak zorundadır. Dondurucudan çıkarılıp oda sıcaklığında bir müddet (1-4 hafta arası) bekletildiğinde sertleşmeye başlar ve özelliklerini kaybederek biçim verilmesi zor bir hâl alır ve kullanılamaz duruma gelir. Dondurucu içinde olmak şartıyla raf ömürleri ise 6 ila 18 ay arasında değişmektedir. Termoset reçineler kimyasal etkiler altında çözülmez ve olağandışı hava şartlarında dahi uzun ömürlü olmaktadırlar. Yüksek mukavemet gerektirmeyen durumlarda en çok kullanılan matris malzemesi polyester reçinesidir. Gelişmiş kompozitlerin üretiminde ise genellikle epoksi reçinesi kullanılmaktadır
TERMOSET MATRİSLER Epoksi Reçine Matrisler Epoksiler iki ya da daha fazla epoksit içeren bileşenlerden oluşurlar. Polifenol ün epikloridin ile bazik şartlarda reaksiyonu sonucu elde edilirler. Viskoz ve açık renkli bir sıvı halindedirler. Epoksilere uygulanan kür işlemleri ile yüksek sıcaklıklara dayanımları 150-200ºC a artırılabilir. Saydam ve yapışkan hal amorf polimerlerin karakteristiğidir. Tüm polimerler düşük sıcaklıklarda saydamlaşırlar ve yüksek sıcaklıklarda kauçuklaşırlar. Geçişin meydana geldiği sıcaklık aralığına Camsı geçiş sıcaklığı adı verilir. Camsı geçiş sıcaklığı maksimum çalışabilme sıcaklığının bir ölçüsüdür. 100 ºC a arttırılabilir. 150-250 ºC arasında uygulanacak bir kür ile 150-250 ºC arasında maksimum çalışma sıcaklığı sağlanabilir. Kür işlemleri uygun katalizörlerin kullanılması ile hızlandırılabilir.
TERMOSET MATRİSLER Bazı Termoset Plastik Matris Malzemelerinin Özellikleri
TERMOSET MATRİSLER Epoksilerin avantajı ve dezavantajları aşağıdaki gibi özetlenebilir; Avantajları : Kopma mukavemetleri yüksektir. Elyaf yapılarla yüksek bağ mukavemeti sağlarlar. Yüksek aşınma direncine sahiptirler. Uçucu değildirler ve kimyasal dirençleri yüksektir.. Düşük ve yüksek sıcaklıklarda sertleşebilme özelliğine sahiptirler. Dezavantajları : Polyesterle karşılaştırıldığında pahalıdır. Polyestere oranla daha yüksek viskoziteye sahiptirler.
TERMOSET MATRİSLER Polyester matrisler Polyesterin ana tipleri, polyester bileşeninin doymuş asitle ya da alternatif malzeme olarak glikolle modifikasyonu temeline dayanır. Ayrıca kür işlemi ile matrisin esnekliği iyileştirilerek kopma gerilmesi artırılabilir. Polyester matrislerin avantaj ve dezavantajları aşağıdaki gibi özetlenebilir; Avantajları : Takviyelerin neminin kolayca dışarı atılabilmesine izin veren düşük viskozite. Düşük maliyet. Çeşitli uygulamalar için geniş bir sınır içinde kolay imal edilebilirlik. İyi çevresel dayanım. Dezavantajları : Kür sırasındaki yüksek egzotermik reaksiyon zayıf elyaf/matris bağı mukavemetine neden olur. Sistem gevrekleşmeye eğilimlidir. Çok seyreltik alkalilere bile zayıf kimyasal direnç gösterir.
TERMOSET MATRİSLER Vinylester Reçine Matrisler Polyesterlere benzerler. En önemli avantajları elyaf ve matris arasında iyileştirilmiş bir bağ mukavemetine sahip olmalarıdır. Fenolik Reçine Matrisler Fenol, alkalin şartları altında formaldehitle yoğuştuğunda polimerizasyon oluşur. Polimerizasyon asidik şartlar altında yapılır. Fenolik reçinelerin en büyük avantajı yüksek sıcaklık dirençleri olmalarıdır. En önemli dezavantajları ise diğer matris malzemelerine göre mekanik özelliklerinin düşük olmasıdır.
TERMOPLASTİK MATRİSLER Termoplastik polimerlerinin çeşitlerinin çok fazla olmasına rağmen matris olarak kullanılan polimerler sınırlıdır. Termoplastikler düşük sıcaklıklarda sert halde bulunurlar ısıtıldıklarında yumuşarlar. Termosetlere göre matris olarak kullanımları daha az olmakla birlikte üstün kırılma tokluğu, hammaddenin raf ömrünün uzun olması, geri dönüşüm kapasitesi ve sertleşme prosesi için organik çözücülere ihtiyaç duyulmamasından dolayı güvenli çalışma ortamı sağlaması gibi avantajları bulunmaktadır. Bunun yanı sıra şekil verilen termoplastik parça işlem sonrası ısıtılarak yeniden şekillendirilebilir. Oda sıcaklığında katı halde bulunan termoplastik soğutucu içinde bekletilmeden depolanabilir. Termoplastikler yüksek sertlik ve çarpma dayanımı özelliğine de sahiptirler. Yeni gelişmelerle termo plastiğin sağladığı bu artı değerleri son dönem termoset matrislerinden 977-3 Epoksi ve 52450-4 BMI reçineleri de sağlamaktadırlar.
TERMOPLASTİK MATRİSLER Termoplastiklerin kompozit malzemelerde matris olarak tercih edilmemelerinin başlıca nedeni üretimindeki zorlukların yanı sıra yüksek maliyetidir. Oda sıcaklığında düşük işleme kalitesi sağlarlar, bu onların üretimde zaman kaybına yol açmasına neden olur. Termoplastik, reçineler malzemenin çekme ve eğilme dayanımlarının artırılması için kullanılırlar Bazı termoplastikleri istenilen şekillere sokabilmek için çözücülere ihtiyaç duyulabilir. Termo plastikler, termosetlere kıyasla hammaddesi daha pahalıdır. Başlangıçta amorf yapılı reçinelerden polietersulfon (PES) ve polieterimid (PEI) matris olarak kullanılmaktaydı. Sonraki dönemde ise havacılık sektörü uygulamaları için çözücülere karşı dayanım önemli bir kriter olarak ortaya çıkmıştır. Bu ihtiyaç sonrasında Polietereterketon (PEEK) and Polifenilen sulfid (PPS) gibi yarı-kristal yapılı plastik malzemeler geliştirilmiştir. Ayrıca sınırlı oranlarda Poliamidimid (PAI) ve Poliimid gibi plastiklerde kullanılmaktadır. Bu polimerler diğer termoplastiklerden farklı olarak polimerizasyonlarını kür aşamasında tamamlarlar. En yoğun çalışmalar ise PA, PBT/PET ve PP gibi düşük sıcaklıklarda kullanılan polimerlerin üzerine yapılmıştır. Tüm bu polimerlerin haricinde ABS, SAN, SMA (StirenMaleikAnhidrit), PSU (Polisülfon), PPE (Poifenilen Eter) matris olarak kullanılır.
TERMOPLASTİK MATRİSLER Otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan termoplastikler uçak sanayisinde de yüksek performanslı malzeme çözümlerinde kullanılmaktadırlar. Çoğunlukla enjeksiyon ve ekstrüzyon kalıplama yöntemleri ile üretilen termoplastiklerin üretiminde GMT (Glass Mat Reinforced Thermoplastics / Preslenebilir Takviyeli Termoplastik) olarak ta üretilmektedir. Bu yöntemle hazırlanan takviyeli termoplastikler soğuk plakaların preslenebilmesi ve geri dönüşüm sürecine uygunluğundan dolayı özellikle otomotiv sektöründe tercih edilmektedir
BELLİ BAŞLI TERMOPLASTİK REÇİNELERİ VE İŞLEM SICAKLIKLARI Malzeme Erime sıcaklık aralığı ( C) Maksimum işlem sıcaklığı ( C) PP 160-190 110 PA 220-270 170 PES- poli eter sülfon - 180 PEI- polieterimid - 170 PAI- poliamid imide - 230 PPS- polfenilen sulfit 290-340 240 PEEK- polieter eter keton 350-390 250
ÜRETİM YÖNTEMLERİ AÇIK KALIPLAMA YÖNTEMLERİ El Yatırma Yöntemi Püskürtme Yöntemi Elyaf Sarma Yöntemi Vakum Torbası Yöntemi Otoklav Yöntemi
ÜRETİM YÖNTEMLERİ: KAPALI KALIPLAMA YÖNTEMLERİ Reçine Transfer Yöntemi (RTM) Pultruzyon Yöntemi Ekstrüzyonla Kalıplama Yöntemi Hazır Kalıplama Yöntemleri BMC SMC Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemi Savurma Kalıplama Yöntemi
ÜRETİM YÖNTEMİ SEÇİM KRİTERLERİ Seçilecek üretim yöntemi; takviye malzemesine (elyaf), matris malzemeye (reçine), parça şekline, istenen mekanik ve fiziksel özelliklere bağlı olarak değişim gösterir. Bir parçayı üretmek için genel olarak; ham madde, kalıp, ısı ve basınca ihtiyaç vardır. Kullanılan reçine ve takviye malzemesine ilave olarak, üretim yöntemi de bir kompozit yapının son özelliklerini belirlemede önemli rol oynar.
AÇIK KALIPLAMA YÖNTEMLERİ
ÜRETİM YÖNTEMLERİ El Yatırma Yöntemi: El yatırma, cam fiber takviyeli plastiklerin üretiminde kullanılan en eski ve en basit tekniklerden biridir. Keçe, örgü, kumaş formundaki takviyeleri açık bir kalıba yatırıp yüzeylerine reçine empenye ederek uygulanır.
ÜRETİM YÖNTEMLERİ Püskürtme Yöntemi: Elyaf püskürtme metodunda sürekli beslenen fitil kesici bıçaklardan geçerek kırpıldıktan sonra katalize edilmiş, reçine ile beraber jelkot uygulanmış kalıp yüzeyine püskürtülür ve oda sıcaklığında sertleşmeye bırakılır.
ÜRETİM YÖNTEMLERİ Elyaf Sarma Yöntemi: Sürekli elyafın bir bağlayıcı ortamından geçirildikten sonra, dönel mandrelle, önceden belirlenmiş sarım geometrisine uygun sarılması yöntemine elyaf sarma adı verilmektedir.
ÜRETİM YÖNTEMLERİ Vakum Torbası Yöntemi: Vakumlu torba kalıplaması elle kalıplamanın gelişmiş bir şeklidir. Büyük karmaşık şekilli parçaların bu teknikle üretilmesi mümkündür.
ÜRETİM YÖNTEMLERİ Otoklav Yöntemi: Otoklav, kesin basıncın, ısının ve emişin kontrol edilebildiği basınçlı bir kaptır. Vakum bagging yöntemi ile benzerdir. Fırın yerine bir otoklav kullanılır. Böylece özel amaçlar için yüksek kalitede kompozit üretebilmek için kür şartları tam olarak kontrol edilebilir. Bu yöntem diğerlerine oranla daha uzun sürede uygulanır ve daha pahalıdır.
ÜRETİM YÖNTEMLERİ RTM (Reçine Transferli Kalıplama )Yöntemi: İki tarafı düzgün veya parlak ürün elde etmek için uygun bir biçimde hazırlanmış olan alt kalıba (dişi kalıp) öngörülen tüm takviye malzemelerinin yerleştirilip üst kalıp (erkek kalıp) kapatıldıktan sonra, kapalı kalıbın içine uygun bir makine/ekipman ile reçinenin enjekte edilmesi işlemidir..
RTM (Resin Transfer Molding)yönteminin akım şeması
ÜRETİM YÖNTEMLERİ Pultruzyon Yöntemi: Pultruzyon işlemi sürekli sabit kesitli kompozit profil ürünlerin üretilebildiği düşük maliyetli seri üretim yöntemidir. Pull ve Extrusion kelimelerinden türetilmiştir. Sisteme beslenen sürekli takviye malzemesi reçine banyosundan geçirildikten sonra 120 150 ºC ye ısıtılmış şekillendirme kalıbından geçirilerek sertleşmesi sağlanır.
ÜRETİM YÖNTEMLERİ Ekstrüzyon Yöntemi: Ekstrüzyon tekniği termoplastiklerin şekillendirilmesinde büyük ölçüde kullanılmakla beraber takviyeli termoplastiklerde sınırlı oranda uygulanmaktadır. Sürekli bir yöntem olup tonajı yüksek olduğu zaman ekonomiktir. Tüp, boru veya karmaşık şekilli profillerin üretimi mümkündür.
ÜRETİM YÖNTEMLERİ Basınçlı Kalıplama (Compression Molding,SMC,BMC) Yöntemi: Ürün boyutuna göre 3-6 dakikalık bir kalıplama süresi sağlayan hızlı, seri bir kalıplama metodudur. Önceden hazırlanmış, pestil veya hamur haldeki cam elyafı polyester dolgu ve katkı malzemeleri karışımının 150-170 C sıcaklıkta, 50-120 kgf/cm2 basınç altında çelik kalıplarda şekillendirilmesi metodudur.
ÜRETİM YÖNTEMLERİ Hazır Kalıplama Prosesinin Gösterimi
ÜRETİM YÖNTEMLERİ SMC/BMC YÖNTEMİ - HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) Hazır kalıplama bünyesinde cam elyafı, reçine, katkı ve dolgu malzemeleri içeren kalıplamaya hazır, hazır kalıplama bileşimleri olarak adlandırılan kompozit malzemelerin (SMC,BMC) sıcak pres kalıplarla ürüne dönüştürülmesidir. Karmaşık şekillerin üretilebilmesi, metal parçaların bünye içine gömülebilmesi, farklı cidar kalınlıkları gibi avantajları bulunmaktadır. Ayrıca ürünün iki yüzü de kalıp ile şekillenmektedir. Diğer kompozit malzeme üretim tekniklerinin olanak vermediği delik gibi komplike şekiller elde edilebilmektedir. Iskarta oranı düşüktür. Bu yöntemin dezavantajları kalıplama bileşimlerinin buzdolaplarında saklanmaları gerekliliği, kalıpların metal olmasından dolayı diğer kalıplardan daha maliyetli olması ve büyük parçaların üretimi için büyük ve pahalı preslere ihtiyaç olmasıdır. Hazır kalıplama yönteminde kullanılan bileşimler içeriklerine göre çeşitlilik göstermekle beraber en çok iki tür hazır kalıplama bileşimi kullanılmaktadır;
ÜRETİM YÖNTEMLERİ 1. SMC Kompozitler (Hazır kalıplama pestili / SMC (sheet moulding composites) SMC takviye malzemesi olarak kırpılmış lif ile dolgu malzemesi içeren bir reçinenin önceden birleştirilmesi ile oluşan pestil biçiminde malzemedir. Sürekli lifler, 25-50 mm kırpılmış olarak ve kompozitin toplam ağırlığının %25-30 oranında kullanılır. Genellikle 1m genişliğinde ve 3mm. kalınlığında üretilir.
ÜRETİM YÖNTEMLERİ SMC Kompozitlerin Özellikleri SMC (sheet moulding compound)'nin temel girdileri BMC ile aynıdır. Tablo da, SMC ve BMC nin ağırlık oranları yaklaşık olarak verilmiştir. SMC, BMC'den farklı olarak pestil şeklinde hazırlanmaktadır. SMC daha çok otomotiv sektöründe tercih edilir. SMC'nin mekanik özellikleri 'de görülebilir. Tablodan da görüleceği üzere bu SMC tipi plastik işleme karışımlarının diğerlerine oranla üstün nitelikleri vardır.
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) BMC ve SMC üretiminde kullanılan girdilerin yaklaşık değerleri. Girdiler BMC Formülasyonu Ağırlıkça SMC Formülasyonu Ağırlıkça Polyester reçine 100 100 Cam elyafı takviyesi 45-70 50-100 Pigment 10-15 5-8 Dolgu maddesi 45-70 140-180 Muhtelif kimyasallar - -
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) SMC Ürün Çeşitleri a) Stadyum koltuğu
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) b) Oto kaporta, ön panel ve karter
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) c) Her türlü konteynır ve araç bagaj taşıyıcıları.
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) d) Elektrik dağıtım dolapları,
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) e) Her türlü taban,tavan kaplamaları
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) 2. HAZIR KALIPLAMA HAMURU / BMC (BULK MOULDİNG COMPOSİTES) BMC takviye malzemesi olarak kırpılmış lif ve dolgu malzemesi içeren bir reçinenin önceden birleştirilmesi ile oluşan hamur biçiminde malzemedir.hazır kalıplama bileşimlerinin avantajları; Çok geniş tasarım esnekliği Düzgün yüzey Kolayca laklanabilme, boyanabilme ve kalıp içinde yüzeyin kaplanabilmesi Geri dönüştürülebilme ve hazırlığında geri dönüşümü malzeme kullanabilme Metal gömme parçaların yerleştirilmesi ile montaj kolaylığı Yüksek alev dayanımı Sıcaklık dayanımı Soğukta kırılgan olmama Bu yöntem RTM ye benzer bir yöntemdir. Farklılığı reçine/elyaf karışımın kalıp dışarısında karışmış ve eritilerek basınç altında boş kalıp içine enjekte ediliyor olmasındadır. Sadece düşük viskoziteye sahip termoset reçineler bu yöntemde kullanılabilir. Diğer yöntemlere göre daha hızlıdır. Çocuk oyuncaklarından uçak parçalarına kadar bir çok ürün bu yöntemle üretilebilmektedir.
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) Kalıplama Prosesinin Gösterimi
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) BMC Kompozitlerin Özellikleri: BMC ( Bulk Moulding Compound ) termoset reçine, cam elyaf, dolgu ve katkı maddeleri kullanılarak hazırlanan kompozit malzemedir. Bu üç ana girdinin dışında termoplastik katkılar, katalizörler, inhibitörler, pigmentler gibi pek çok madde malzemenin özelliklerini iyileştirmek, kalıplama işlemini kolaylaştırmak ve renk vermek gibi amaçlarla kullanılır. BMC üretiminde kullanılan temel girdiler Tabloda verilmiştir. BMC genellikle elektrik sektöründe tercih edilir.
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) Tablo BMC ve SMC üretiminde kullanılan girdilerin yaklaşık değerleri Girdiler BMC Formülasyonu Ağırlıkça SMC Formülasyonu Ağırlıkça Polyester reçine 100 100 Cam elyafı takviyesi 45-70 50-100 Pigment 10-15 5-8 Dolgu maddesi 45-70 140-180 Muhtelif kimyasallar - - Tablodan da görüleceği üzere BMC'nin ve SMC'nin diğer karışımlara göre üstünlüğü vardır ( hafiflik ve yüksek mekanik dayanımı bir arada sağlama, ısı dayanımı, iyi elektrik yalıtım özelliği, yüksek alev dayanımı gibi...)
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) BMC Ürün Çeşitleri a) Beton Numune Test Kalıbı ( 150 150 150 mm)
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) b) Her türlü kutu, kap,mikro dalga tabakları, her türlü endüstriyel uygulamalar
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) c) Her türlü elektrik kutuları, armatürler
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) d) Her türlü elektrik parçaları, izalatörler, şalter parçaları
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) e) Muhtelif elektrik parçaları
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) g) NH altlıkları ve bara tutucuları
HAZIR KALIPLAMA / COMPRESSİON MOLDİNG (SMC,BMC) h) Çamaşır makinası kazanı
ÜRETİM YÖNTEMLERİ Enjeksiyon Yöntemi: Fiber takviyeli termoplastiklerin, imalatında tercih edilen bir yöntemdir. Her bir kalıplama periyodunda birkaç gramdan on kilograma kadar değişen aralıklarda parçaları kalıplayabilecek kapasitede enjeksiyon makinalarının kullanılması mümkündür. Enjeksiyon makinalarına beslenen kalıplama bileşikleri, boyları 3-6 m arasında değişen granüller halinde ön karışımlardır. Enjeksiyonla kalıplama tekniğinde genellikle palet şeklindeki ön karışımlar kullanılır.
ÜRETİM YÖNTEMLERİ Santrifüj Yöntemi (Savurma Yöntemi): Silindirik parçaların üretimi için uygun bir yöntemdir. Kırpılmış elyaf ve sertleştirici katılmış reçine, silindirik bir kabın içine doldurulur ve döndürülen kabın cidarlarına merkezkaç kuvvetler yardımıyla dağılan kompozit malzeme sıcak hava ile sertleştirilir. Boru, depo ve silindirik ürünlerin yapımında kullanılır.
PLASTİK MATRİSLİ KOMPOZİTLER KULLANIM ALANLARI Otomotiv Sektörü Havacılık Sektörü Denizcilik Sektörü Diğer
PLASTİK MATRİSLİ KOMPOZİTLER
KAYNAKLAR Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN EKER ders notları Doç.Dr.Cesim ATAŞ Kompozit Malzemeler ders notlarından alıntılar