POLİMER MATRİKSLİ KOMPOZİTLER (PMK) 1/118
PMK LERDE MATRİKS MALZEMELERİ POLİMER LER TERMOPLASTİKLER ELASTOMERLER (KAUÇUKLAR) TERMOSETLER KRİSTALİN AMORF Burada incelenmeyecek, genelde sadece lastik üretiminde kompozit yapımında değerlendirilir. 2/118
Polimerler organik moleküllerdir. Mer: tek bir molekül Polimer: Küçük moleküllerin birleşmesi ve çok büyük molekülleri oluşturması Polimer molekül boyutu arttıkça ergime derecesi ve mukavemet artar. 3/118
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. 4/118
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. 5/118
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 6/118
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 7/118
PMK Malzeme üretiminde en çok kullanılan matriks malzemeleri ve kompozitlerinin mekanik özellikleri MATERIAL ABS ABS (reinforced) Acetals Acetals (reinforced) Acrylics Cellulosics Epoxies Epoxies (r einforced) Fluorocarbons Nylon Nylon (reinforced) Phenolics Polycarbonates Polycarbonates (reinforced) Polyesters Polyesters (reinforced) Polyethylenes Polypropylenes Polypropylenes (reinforced) Polystyrenes Polyvinyl chloride 8/118 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 ELONGAT ION 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 ( ) - 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 9/118
Tablo. Epoksi ve Polyester reçinelerin Özellikleri Özellik 10/118 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 11/118
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. 12/118
Sürekli fiberler değişik şekillerde örülebilir Kabarık kumaş Saten karga ayağı 8 li saten 5 li saten Şekil. Özellikle polimerler için örülen değişik fiber şekilleri. 13/118
Şekil. Uygulama sahasına göre özel örülmüş fiber düzenleri 14/118
Çekme Gerilmesi (MPa) Fiber örgü örnekleri Şekil. Yük uygulama açısının değişimine göre fiberlerden elde edilecek gerilme değerlerinin değişimi. 15/118 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 - 0.9-16/118
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. 17/118
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 18/118
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 19/118
Karbon fiberler değişik özellikte olabilir. Genel Özellikler: Düşük yoğunluk Yüksek elastik modül ve yüksek mukavemet Ortalama maliyet Standart Elastik modüllü: 207-240 GPa Orta ölçekli elastik modüllü: 240-340 GPa Yüksek elastik modüllü: 340-960 GPa Fiber çapları 5-8 mikron arasında (insan saçından ince) 20/118
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 21/118
Seçilmiş bazı C fiberlerin mekanik özellikleri Fiber Türü Ürün Kodu Çekme Mukavemeti (GPa) Elastik Modül (GPa) Uzama (%) PAN T300 T1000 M55J IM7 3.53 7.06 3.92 5.30 230 294 540 276 1.5 2.0 0.7 1.8 GP-Pitch HP-Pitch KCF200 Thornel P25 Thornel P75 Thornel P120 0.85 1.40 2.0 2.20 42 140 500 820 2.1 1.0 0.4 0.2 22/118
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. 23/118
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 24/118
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 25/118
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. 26/118
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. 27/118
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. 28/118
Spesifik mukvemet (x10 6 in.) 29/118 Spesifik modül (x10 8 in.) Şekil. Bazı önemli fiberlerin, metallerin ve polimerlerin spesifik gerilme ve spesifik modül değerlerinin karşılaştırılması
Tablo. Seçilmiş bazı takviye malzemeleri 30/118
Çekme Gerilmesi Fiber Özellikleri Young Modülü x10 3 psi 10 6 psi Yoğunluk 31/118
Kompozit Üretim yöntemlerinin sınıflandırılması 32/118
PMK MALZEMELERİN TEMEL KULLANIM ALANLARI POLİMER KOMPOZİT MALZEMELER UZAY VE HAVACILIK OTOMOTİV SEKTÖRÜ SPOR ARAÇLARI YAPISAL UY- GULAMALAR 33/118
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 34/118
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 35/118
Ticari Uçaklar 36/118
Ticari uçaklarda PMK kullanımı iki kısımda ele alınır: Birincil yapılar; uçuşta kritik, ikincil yapılar 37/118
Savaş Uçakları (Jetler) 38/118
Askeri uçakların PMK malzemelerden yapılan genel parçaları 39/118
A.B.D. Hava kuvvetleri B-2 ileri (hayalet) bombardrıman uçağı 40/118
Uçakların motor uygulamalarında kullanılan bileşenler 41/118
42/118 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 43/118 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. 44/118
Plastikorganik fiber Plastikcam Plastik-cam kısa fiber Plastik- C fiber Metaller KA-50 helikopter gövdesinde kullanılan malzemeler 45/118
Uydu Bileşenleri 46/118
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 47/118
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. 48/118
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 49/118
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. 50/118
Ferrari Formula 1 aracı. Tüm gövde yapısı elle yatırma yöntemi ile üretilen Epoksi C fiberden daha sonra otoklav yöntemi ile şekillendirilerek üretilmiş. Katmanlı mikroyapı 51/118 Carbon Fiber: McLaren 1 aracı
a) b) c) 52/118 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 53/118
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 54/118
Karbon Fiber parçalar: Yarış bisikletleri İskeletlerde Çatallarda Tekerleklerde Golf Sopalarında Tenis Raketlerinde Amrikan Futbolu ve Hokey koruyucularda Silahlarda Yay ve oklarda 55/118
Cam veya karbon fiber PMK Karbon fiber PMK snowboard 56/118
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 57/118
Özellikle Japonya da depreme dayanıklı beton veya yapı malzemeleri üretilmektedir. Beton içine C veya farklı polimer fiberle ilave edilip betonun kırılma tokluğu arttırılır 58/118
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 59/118
Denizcilikte yatlar, yelkenli kayıklar genelde cam fiber polyester PMK dir. 60/118
PMK Nautical Transportation PMK Kompozit kasası Preste sandwich türü dizayn ile üretilen Norveç e ait mayın tarama gemisi Cam fiber PMK Yelkenliler 61/118
PMK Malzemelerde Özellikler Çelik ve Al ile karşılaştırıldığında fiber takviyeli PMK malzemelerde mekanik özellikler Yoğunluk r(kg/m 3 ) E. Modül E(GPa) Çekme Mukav. s(mpa) Spesifik Modül E/r Spesifik Mukav. s/r 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) 62/118 1600 1600 200 3 1500 50 4.69 0.07 18.3 0.61
Spesifik Mukavemet (s/r) Spesifik Modül (E/r) Malzeme türü Malzeme türü Şekil. Seçilmiş bazı kompozit ve takviyesiz alaşımların spesifik modül ve mukavemet değerleri. 63/118
Spesifik mukavemet (x10 6 in) Spesifik modül (x10 8 in) Birçok malzeme ve kompozitlerde spesifik mukavemet ve modül ilişkisi. 64/118
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 65/118