MAK 4087 KOMPOZİT MALZEME MEKANİĞİ Öğretim Üyesi: Doç.Dr. Cesim Ataş Değerlendirme: 1. Ara S: %17.5, 2. Ara S: %17.5, Ödev/Sunum: %15, Final: %50 Kaynak Kitaplar Mechanics of Composite Materials, Autar K. Kaw, CRC Press(Taylor&Francis), 2006 (Türkçesi Çevirisi: Efil Yayınları) Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and Design, P.K. Mallick, CRC Press (Taylor&Francis), 2007. Mechanics of Composite Materials with MATLAB, George Z. Voyiadjis, Peter I. Kattan, Springer, 2005.
1. GİRİŞ Mühendislikte Kullanılan Malzemeler Metaller Plastikler Seramikler Kompozitler,. Kompozit Malzeme Nedir? İki veya daha fazla malzemenin makrodüzeyde bir araya getirilmesiyle oluşturulan ve yeni özelliklere sahip malzemelere Kompozit Malzeme denir.
+ = Polimer matriks Takviye kompozit
Kompozitlerin Kulanım Alanları Havacılık ve savunma sanayi Kapasite: 853 yolcu Airbus A380 Uzunluk : 67,90 m Yükseklik: 24,10 m veya daha fazla Azami boş ağırlık: 361 t Kanat Alanı: 846 m²
Deniz taşımacılığı
Kara taşımacılığı Uzay Programları
Enerji sektörü Rüzgar Türbini
Altyapı ürünleri
Yapı/İnşaat Sportif ürünler
Ev ürünleri Tanklar ve basınçlı kaplar
Kompozit malzemelerin bileşenleri 1. Matris fazı Sürekli ve ana faz. Takviye fazını birarada tutar ve yükü paylaşırlar. 2. Takviye fazı Matris içindeki ikincil fazdır, matrisin dayanım ve rijitliğini arttırır. 3. Arayüzey Matris ile takviye fazı arasındaki fazdır (kimyasal, fiziksel, mekanik). Yapışmayı belirler.
Kompozit malzemelerin sınıflandırılması a) Matrise Göre Polimer Matris Kompozitler [Polymer Matrix Composites (PMC) veya Fibre Reinforced Polymers/Plastics (FRP)] : Matris olarak çeşitli reçineler, takviye malzemesi olarak da çeşitli elyaflar (cam, karbon, aramid) kullanılır. Metal Matris Kompozitler (Metal Matrix Composites,MMC): Özellikle otomotiv sanayinde kullanılan kompozitlerdir. Ör; SiC takviyeli alüminyum matris kompozitler. Seramik Matris Kompozitler (Ceramic Matrix Composites, CMC): Genellikle, çok yüksek sıcaklıklarda çalışan yapılarda kullanılırlar. Takviye malzemesi olarak genellikle silicon carbide ve boron nitride gibi kısa fiberler kullanılır. b) Takviyeye Göre Elyaf takviyeli kompozitler Parçacık takviyeli kompozitler Tabakalı kompozit malzemeler
Bir malzemede aranan özellikler Akma/kırılma dayanımı Rijitlik (Elastik modülü) Kırılma Tokluğu (Çatlak yayılmasına karşı dayanma direnci) Yoğunluk (birim hacim kütlesi) Yüksek sıcaklıklara dayanma direnci
Kompozit Malzemelerin Avantaj ve dezavantajları Avantajlar: Yüksek dayanım Yüksek rijitlik Düşük ağırlık Yüksek yorulma dayanımı Yüksek aşınma direnci Yüksek korozyon direnci İstenen yönde ısıl ve termal özellikler Dezavantajlar: Daha yüksek maliyet İşleme güçlükleri Geri dönüşümün genellikle olmayışı Kırılma uzamasının az olması Bazı kompozitler için metallere oranla üretim zorluğu Estetik görünüm
Kompozitler ile Klasik Malzemelerin mekanik özellikleri (Ref: komp. Mlz. Giriş-Yusuf Şahin) Malzeme Cinsi Özgül Ağırlığı (ρ, gr/cm 3 ) Çekme Dayanı mı (σ,mpa) Elastisite Modülü (E, GPa) Özgül Çekme Dayanı mı (σ/ ρ) Özgül Modülü (E/ ρ) Alüminyum 2.8 84 71 30 25 --- Uzama % Al-2024 2.8 247 89 88 25 8-20 Al alaşımı 2.8 600 71 210 25 --- Titanyum 4.51 700 117 192 25.1 20 Ni Alaşımı 8.18 450-1200 204 147 24.9 26-45 Akşap (Kayın) 0.7 110 13 157 19 --- Alaşımsız Çelik 7.86 460 210 60 27 20 Düşük Alaşımlı Çelik 7.8 600 207 80-250 26.5 20-30 Dökme Demir --- 275 138 --- --- 0.6 Pirinç %30Zn 8.5 550 100 60 12 --- Karbon/epoxy %60 1.62 1400 220 865 135 0.8 Kevlar/epoxy 1.38 1310 83 950 60 --- cam/epoxy %60 1.66 1510 165 910 99 -- Cam/polyester %50 1.9 750 38 390 19.8 1.8
2. Takviye ve Matris Malzemeleri Kompozit malzemeler reçine ve takviye bileşenlerinden oluşur.kompozitler temel olarak kalıp görevi gören reçine içine gömülmüş sürekli veya kırpılmış elyaflardan oluşmaktadır.bu bileşenler birbirleri içinde çözülmezler veya karışmazlar.kompozit malzemelerde elyaf;sertlik,sağlamlık gibi yapısal özellikleri,plastik reçine malzemesi ise elyafın yapısal bütünlüğü oluşturması icin birbirine bağlanması,yükün elyaf arasında dağılmasını ve elyafın kimyasal etkilerden ve atmosfer şartlarından korunmasını sağlar.
Bir Kompozit Ürünün özelliklerini belirleyen unsurlar Takviye elemanının (fiber) özellikleri Matris malzemenin özellikleri Fiber-matris ara yüzeyindeki yapışma kabiliyeti Fiber/matris oranı (Hacimsel Yoğunluk, Fibre Volume Fraction) Takviye elemanının geometrisi ve matris içindeki yönlenmesi (oryantasyonu)
Başlıca Takviye elemanları (elyaf halinde): Cam Karbon Boron Alüminyum oksit Silisyum karbür Organik moleküller (aramidler)..
Cam lifi Kırpılmış Cam lifi Kırpılmış Cam lifinden keçe kumaş
Çekirdek (Core) takviyeler Bu malzemeler, genellikle sandviç yapıların üretiminde; yüksek mukavemetli ve ince iki kompozit tabaka arasında çekirdek (core) olarak kullanılırlar. Amaç, malzeme kalınlığını hafif yapılar ile arttırarak direngenliği arttırmaktır. Bu malzemeler yüksek mukavemetli alt ve üst yüzeylere (tabakalara) yük transferini bir yüzeyden diğerine aktarabilecek güçlü yapıştırıcılar ile bağlanırlar. Mazumdar
MATRİS MALZEMELER (REÇİNELER) Kompozit malzeme üretiminde kullanılan bir reçineden beklenen özellikler:. İyi mekanik özellikler 2. İyi yapışma kabiliyeti 3. İyi tokluk özellikleri 4. Çevresel etkilere direnç: Reçinelerin birtakım çevresel etkilere (UV gibi), suya ve agresif maddelere (kimyasallar) dirençlerinin yüksek olması istenir.
(Mallick) REÇİNE TÜRLERİ Fiber takviyeli kompozit imalatında kullanılan reçineler bazen polimer olarak anılırlar. Polimerler basit molekül yapıların oluşturduğu zincir yapılardır. Polimerler; Termoplastikler ve Termosetler olarak iki gruba ayrılır. Termoplastikler, metallerde olduğu gibi, yeterli ısı ile eriyen ve soğutulduğunda da katılaşabilen yapılardır. Yani geri dönüşümü olan polimer yapılardır. Naylon, polipropilen, polietilen tipik termoplastik örnekleridir.
3. Polimer Matris Kompozitlerin Üretim Yöntemleri Seçilecek üretim yöntemi; takviye malzemesine (elyaf), matris malzemeye (reçine), parça şekline, istenen mekanik ve fiziksel özelliklere, maliyete ve üretim hızına 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 nihai özelliklerini belirlemede önemli rol oynar.
Mazumdar
Kollar& springer
Polimer Matris Kompozitlerin Üretim Yöntemleri Termoset kompozitlerin üretim yöntemleri Termoplastik kompozitlerin üretim yöntemleri Kısa-fiber kompozitler Sürekli-fiber kompozitler Kısa-fiber kompozitler Sürekli-fiber kompozitler SMC kalıplama SRIM BMC kalıplama Spreyleme (Sprey kalıplama) Enjeksiyon kalıplama İplik Sarma (Filament Winding) Çekme (Pultrusion) RTM (Resin Transfer Molding ) Elle Tabakalama (Hand Lay Up Otoklav prosesi (Autoclave process) Diğer Yöntemler ( SCRIMP, RIFT, VARTM ) Enjeksiyon kalıplama Blow molding? Termal şekillendirme Bant sarma Presli Kalıplama (Compression Moulding) Otoklav..
Sprey kalıplama/püskürtme Reçine olarak daha çok polyester kullanılır. Takviye malzemesi olarak demet halindeki lifler kullanılır. Kaynak: Mazumdar
1) Spray-up Chopper Roving 2) Resin Cure Atomised resin and catalyst 3) De-moulding
Elle Tabakalama (Hand Lay Up/Wet lay-up) Yöntem; bir kalıba elle yerleştirilen kumaşlara (elyaf) bir rulo veya fırça ile reçinenin emdirilmesi esasına dayanır. 1) Placement of Dry Reinforcement 3) Repeated Application of Layers 2) Resin Wetting 4) Resin Cure
İplik Sarma (Filament Winding) Çevresel sarım Helisel sarım Polar sarım
Vakum Destekli Reçine İnfüzyon Prosesi Resin inlet Vacuum bag Resin distribution medium PET/PVC foam Peel ply E-glass fabrics Vacuum outlet Sealant tape Release film Mold Breather
Reçine Transfer kalıplama (Resin Transfer Molding,RTM) İnfüzyon yönteminden farklı olarak burada Jelkot uygulanmış iki kalıp kullanılır. 1) Preform Manufacture 2) Preform Compression 3) Resin Injection 4) Resin Cure 5) De-moulding
Pultrüzyon (pultrusion) Pultrüzyon (çekme) düşük maliyetli, yüksek-hacimde üretime imkan veren, sürekli ve otomatik bir prosestir.
Autoclave Cure (Otoklav Pişirme)
Sıcak Presleme (Hot Press technique)