KOMPOZİTLER

Kompozit Malzemelerin Tanımı

Genel olarak kompozit malzeme fiziksel ve kimyasal özellikleri farklı olan iki veya daha fazla malzemenin bir araya gelerek oluşturduğu daha iyi mekanik özelliklere sahip olan malzemelerdir. Kompozit malzemenin yapısını fiberler ve matris oluşturur. En çok kullanılan şekliyle, matris malzeme içerisine daha farklı bir malzemenin fiber veya parçacık olarak konması ve kür işlemiyle tek bir yapı oluşturulmasıdır. Bu bileşenler birbirleri içinde çözünmezler veya karışmalar. Fiberler, kompozit yapının takviye elemanı olup mekanik mukavemeti sağlarlar. Matris, fiberleri bir arada tutan, fiberler arasında gerilim aktarımını sağlayarak mekanik yapının oluşumunu dolaylı olarak etkileyen ve fiberleri fiziksel ve kimyasal dış etkilerden koruyarak kompozit yapının bir sistem olarak ortaya çıkmasını sağlayan ana yapıdır. Matris malzemesi olarak metal alaşımları kullanıldığı gibi daha uygun olan reçinelerde kullanılmaktadır. Matrislere (bağlayıcılar) örnek olarak polimer, seramik ve metalleri; güçlendiricilere örnek olarak ta fiberler, partiküller, whiskers (polimer, seramik veya metalde olabilir) verilebilir. Kompozit malzemelerin tercih edilmesinin sebebi ağırlık olarak % 25 lere ulaşan miktarda tasarruf sağlamalarıdır.

Bazı kompozit malzemelerin özellikleri :

En çok kullanılan kompozit malzeme kombinasyonları; Cam elyafı+polyester, karbon elyafı+epoksi ve aramid elyafı+epoksi birleşimleridir. Kompozit malzemeler katlı tabakalar veya ince tabakalar halinde uygulanabilmektedir. 1940’ların sonlarında geliştirilen CTP ( Cam Takviyeli Polyester – CTP/ Glassfiber Reinforced Polyester- GRP) günümüzde en çok kullanılan ve ilk modern polimer esaslı kompozit malzemedir. Bugün üretilen tüm kompozit malzemelerin yaklaşık olarak % 85’i CTP’dir ve çoğunlukla tekne gövdeleri, spor araçlar, paneller ve araba gövdelerinde kullanılmaktadır. CTP ve diğer kompozit kombinasyonlarının günümüzde tercih edilmesinin ve kullanımlarındaki artışın mutlak sebepleri sağlamlıkları ve hafiflikleridir. Çeşitli plastik malzemelerin seramik, metal bazen de sert polimerlerin elyafları ile güçlendirilerek ileri derecede faydalar sağlayan malzemeler üretmek mümkündür. İçindeki plastik sayesinde kolaylıkla şekil verilebilen ve takviye elyaflar sayesinde son derece sağlam, sert ve hafif olan bu malzeme kombinasyonları her gün yepyeni uygulama alanlarında karşımıza çıkmaktadırlar. Ayrıca metallere kıyasla malzeme yorulması, malzeme üzerinde hasarların tolere edilmesi ve korozyona dayanıklılık özellikleri bakımından avantaj sağlamaktadır.

Kompozitlerin Yapısı

Kompozitler temelde bir sürekli ve bir de süreksiz olmak üzere iki fazdan oluşurlar. Sürekli faz “matris”, süreksiz faz ise “takviye eleman” (reinforcement) olarak adlandırılır. Takviye eleman fazı ya elyaf yada parçacık halinde olabilir. Lif türünün en yaygın örnekleri cam, karbon veya polimer lifleridir. Parçacık türü için mika ve talk örnek olarak verilebilir. Matris ise çoğunlukla epoksi reçine, poliester/stiren sistemleri veya poliimid türü polimedir.

Faz: Bir malzemenin iç yapı yönünden farklı olan kısımlarına denir.Bu faz iki tür bileşimle sağlanabilir:1- Mikroskobik      2- MakroskobikMikroskobik bileşim: Örneğin perlit çeliği, ferrit ve sementitin mikroskobik düzeyde homojen karışımlarından oluşur. Tek başına ferrit yumuşak ve düşük mukavemetli olup sert ve gevrek sementit ile birlikte yanyana ince tabakalar halinde dizilmek suretiyle yüksek mukavemetli ve yüksek tokluğa sahip perlit çeliğini oluştururlar.

Makroskobik bileşim  : Boyutları 0,1 mm’ nin üzerinde gözle görülebilirler. Sonradan bir araya getirilerek üstün özelliklerdeki kütleleri oluştururlar.

Kompozit malzemeler  donatılı veya pekiştirilmiş türüne göre üç gruba ayrılır
     Taneli kompozitler    Lifli kompozitler        Tabakalı kompozitler
     

Takviye Elemanlar

Lif ile güçlendirilmiş kompozitlerin en çok kullanılanı fiberglassdır. Bunun matrisi, poliesterin stiren monomeri ile reaksiyona girmesi sonucu oluşan çapraz bağlı bir reçinedir. Lifleri ise camdır. Poliester-stiren karışımı önceden belirlenmiş miktardaki cam lifin üzerine dökülür, polimerleşme reaksiyonu sonucu karışım sertleşir ve kompozit malzeme elde edilir. Fiberglas, çelikten daha dayanıklı, fakat çok daha hafiftir. Fiberglassdaki lifler tek bir yönde dizilmemiş olup, karışık şekilde yerleşmişlerdir. Tüm lifler aynı yönde dizilerek daha dayanıklı kompozitler hazırlanabilir. Yönlendirilmiş lifler kompozitlere ilginç özellikler katarlar. Kompozit, liflerin yönünde çekildiğinde çok dayanıklıdır, fakat lif yönüne dik bir açı ile çekildiğinde o kadar dayanıklı olmadığı görülür. Bazen kullanılan malzeme yalnızca bir yönde gerilim altında kalacağından tek yönde dayanıklı malzemelere ihtiyaç vardır. Fakat çoğu zaman da birden fazla yönde dayanıklı kompozitlere ihtiyaç duyulur. Bu durum liflerin dokunmasıyla sağlanır.

Cam Elyaflar

Cam lifler, plastik malzemeleri güçlendirmek için kullanılan en yaygın malzemedir. Bu başarısı, uygun fiyatı (yaklaşık olarak plastiğinkiyle aynı) ve istenilen özellikler arasındaki mükemmel dengenin sonucudur. Cam terimi inorganik camların geniş bir grubunu ifade etmek için kullanılır. Hepsi, silika (SiO2) temellidir, fakat az miktarda diğer inorganik oksitleri de içerirler. Çok çeşitli bileşimleri mevcuttur ve her biri bir kod harfiyle gösterilir. Plastiklerde en çok kullanılan lif, E-camıdır.

Cam lifler, erimiş camın yüksek hızlarda, çok sayıda delik (100-1000 arası) içeren platin bir levha üzerinden geçirilmesiyle elde edilir. Elde edilen uzun lifler yüksek hızda döndürülerek camsı geçiş sıcaklığı civarında soğuyup katılaşırlar. Uygulamalarda cam liflerin aşağıdaki iki özelliği avantaj sağlar:

1) Camın yumuşama noktası yaklaşık 850°C dır, bu nedenle yüksek sıcaklıklara dirençlidir.

2) Görünür ışığa karşı şeffaftır, böylelikle kompozit matrisin rengini alır.

Karbon Elyaflar

Karbon lifler genellikle poliakrilonitril’in (PAN), 1000-1500°C ‘da karbonlaştırılması (havasız ortamda ısıtılması) ile üretilir. Karbon liflerin uygulamadaki avantajları; boyutsal açıdan kararlı oluşları, kimyasal inertlikleri nedeniyle neme ve pek çok kimyasala direnç göstermeleri ve elektriksel/ ısısal iletkenliklerinin yüksek oluşudur. Karbon liflerin kullanıcı açısından en önemli dezavantajı ise siyah renginden dolayı kompozit renginin istenilen şekilde korunamamasıdır. Diğer bir dezavantaj olarak yüksek maliyet söylenebilir.

Polimer Elyaflar

Polimer lifler diğer polimerleri güçlendirmek için yeterince sert ve sağlam değildirler. Yalnızca aramid lifler ve ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen (PE) lifler üstün mekanik özellikleri nedeniyle diğerlerinden ayrılırlar. “Aramid”, aromatik liflerin genel adıdır. Ticari adı ise kevlardır. Kevlar kompozitleri yüksek dayanım ve sertlikleri, hasae ve yorulma dirençleri sayesinde çok kullanılırlar. Spektra ticari adıyla piyasada bulunan PE lifler ise karbon liflerden ve kevlardan daha dayanıklı ve serttir. Tüm lifler mükemmelik açısından karşılaştırıldığında karbonun en iyi olduğu, onu kevların ardından camın izlediği söylenebilir.

Parçacıklar

Tıp alanında kullanılan kompozitlerde güçlendirici olarak çeşitli seramik malzemeler tercih edilir. Bunun nedeni seramik malzemelerin canlı sistemlerle uyumluluğunun son derece yüksek olmasıdır. Fakat seramikler özellikle metallerle karıştırıldığında zayıf ve kırılgandırlar. Bu nedenle seramiklerin parçacık formunda kullanımları tercih edilir. Kalsiyum fosfat yapılar, alüminyum ve çinko bazlı fosfatlar, cam ve cam seramikler örnek olarak verilebilir.

Matris

Matris, kompozitin temelini oluşturur ve lifleri bir arada tutarak kompozitin sıkışmaya karşı dayanımı arttırır. Kullanım yerine bağlı olarak farklı matrisler seçilir. Fazla para harcamak istenmediğinde sıradan özellikler sahip ucuz matrisler seçilir. Poliester/stiren sistemleri bu tür matrisler olup günlük uygulamalar için yeterlidirler. Bazı dezavantajları da mevcuttur. Isıyla sertleştiklerinde büzüşürler, suyu emerler ve sıkışma dayanımları düşüktür. Ayrıca kimyasal dirençleri de iyi değildir.

Bir diğer ucuz sistem vinil ester reçinesidir. Vinil ester reçineleri, poliester-stiren sistemiyle karşılaştırıldığında bazı avantajlara sahiptir. Çok fazla su emmezler ve kimyasal dirençleri daha yüksektir. Yapısındaki hidroksil gruplarından dolayı cama kolaylıkla bağlanırlar. Cam lifler kullanıldığında bu durum avantaj sağlar.

Fakat ne vinil ester, ne de doymamış poliester-stiren sistemi yüksek sıcaklık uygulamaları için uygun değildir. Yüksek sıcaklıklarda, epoksi reçineleri gibi matrisleri kullanmamız gerekir. Bunlar 160 °C ’a kadar olan sıcaklıklarda kullanılabilirler. Ancak 160 °C gerçek anlamda çok yüksek bir sıcaklık değildir. Polimidler yüksek sıcaklığa daha dirençlidirler, fakat yapılarını bozacak kadar su emerler. Polibenzoksazol sıcaklığa dirençli bir diğer yapıdır, ancak işlenmesi hemen hemen imkansızdır. Bazı araştırmacılar ise tüm hidrokarbonları yüksek sıcaklığa dayanım açısından incelemektedirler.

Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanlar

Kompozit malzemeler artık gittikçe artan oranlarda ve yeni sektörlerde kullanılmaya başlanmıştır. Uzun zaman uçak sanayisindeki ihtiyaçların yönlendirdiği kompozit malzeme gelişimleri son dönemde yeni birçok sektörde birçok farklı amaç için kullanılmaktadır.

Havacılık Sanayii

Özellikle ileri kompozit malzemeler havacılık sanayinde çok geniş uygulama alanları bulmaktadır. Kompozit malzemelerin hafifliklerine oranla üstün mekanik özellikleri uçaklarda ve helikopterlerde sadece iç mekan değil yapısal parçalarının da polimer esaslı kompozitlerle üretilmesine neden olmaktadır.

  • B2 bombardıman uçağı gövde panelleri; karbon fiber+ epoksi
  • A380 yolcu uçağı kanat panelleri ve flapleri; karbon fiber+ epoksi
  • A380 yolcu uçağı burun bölümü (radome); CTP (Cam Takviyeli Polyester)
  • A380 yolcu uçağı dikey stabilizer; Aramid fiber+ epoksi
  • Zemin plakası;Airbus 300/600 uçaklarında kullanılan takviyeli Polieterimid
  • Uçak EAPS kapağı; karbon elyafı + PEEK

Denizcilik Sanayii

Kompozit malzemelerin başarılı uygulamalarından biri yarış kayıkları, yani kanolardır. Kanonun yapı malzemesi, epoksi reçinesi içerisine yerleştirilmiş kevlar ve karbon liflerden oluşmuştur. Her üç bileşenin de önemli rolü vardır. Epoksi reçinesi ekonomik bir yapı malzemesi olmasının yanı sıra, suda mükemmel korozyon direnci ve hafifliği nedeniyle tercih edilir. Kevlar ve karbon lifler ise sağlamlık ve rijitliği sağlar. Böylelikle üretilen kano, hızlıdır, rahatlıkla manevra yapabilir ve hafiftir. Kompozit malzemenin denizcilikte kullanıldığı başka örnekler:

  • Yelkenli gövdesi; CTP, Balsa ve polimer köpük üstüne cam, aramid karbon dokumaları ile kaplanması
  • Yat, tekne arkası platform
  • Basamaklar; CTP
  • Yelken direği; Kevlar+epoksi

Spor Araçları

Kompozit malzemelerin en popüler olduğu yeni sektörler arasında spor araç ve gereçleri her geçen gün daha da öne çıkmakatadır. Özellikle ağırlığının azalması, dolayısıyla hareket kabiliyetinin artması ve dayanıklılığının artmasına neden olan cam ve karbon elyafı takviyeli kompozitler kullanılmaktadır. Kompozitler kano, sörf ve yatlar için çok önemli olan malzeme yorgunluğu ve darbe dayanımı konusunda üstün özelliklere sahiptirler. Dağ bisikletleri en iyi katılık/ ağırlık oranı ve en düşük ağırlık özellikleri kazanmak için karbon elyafı ile üretilmektedir. Korozyona dayanım, şok emme ve sağlamlık gibi üstün özellikler kazandırmaktadır. Ayrıca golf sopası, tenis raketi gib spor ürünlerinde ağırlığı düşürmek için karbon elyafı takviyeli kompozit malzemelerden üretilmektedirler.

  • Su kayağı; Termoplastik prepreg
  • Kar kayağı; Ahşap üzerine sarılmış karbon, aramid, cam elyafı karışımı+epoksi
  • Kano küreği; % 33 cam + poliftalamid
  • Su kaydırakları; CTP
  • Sörf tahtaları; CTP
  • Bisiklet; Karbon + Poliamid 6 (yaklaşık 1 kg ağırlığında)
  • Spor ayakkabı; Termoplastik poliüretan petek
  • Golf sopası; Karbon fiber+ epoksi
  • Tenis raketi; Aramid(kevlar)+ epoksi
  • Zıpkın gövdesi; Karbon fiber + epoksi
  • Palet; Karbon fiber+ epoksi

Korozyona Dayanıklı Ürünler

  • Su tankı; CTP
  • Mazgal olukları; CTP
  • Markette dondurulmuş gıda reyonu kaplaması; CTP
  • Rasathane kubbesi; CTP
  • Açık saha dolapları; CTP
  • Çit; CTP
  • İlan panoları; CTP

Sağlık

Kompozit malzemelerin en yaygın kullanıldığı alanlardan

biri de tıptır. Özellikle sert doku implantı olarak ortopedide ve dişçilik uygulamalarında çeşitli kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Ortopedide kırık kemik onarımı için iç ve dış bağlantı sistemi olarak, kemik plakası şeklinde, çivi, çubuk formunda, eklem ve kemik yenilemelerinde, kemik çimentosu olarak hazırlanan kompozitler mevcuttur. Bu malzemeler genelde biyouyumlu kollajen lifler ile güçlendirilmiş poliaktik asit, poliglikolik asit, cam ile güçlendirilmiş poliüretan, kollajen liflerle güçlendirilmiş ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen şeklindedir. Diş hekimliğinde ise diş dolgusu olarak kompozit reçineler, diş destek materyali olarak kolljen lif ile güçlendirilmiş epoksi reçinesi kullanılmaktadır. Ayrıca ortodontik teller; cam lif ile güçlendirilmiş naylon, polipropilen, polimetilmetakrilattan imal edilirler. Köprü olarak ise düşük maliyeti ve kolay hazırlanabilmesi gibi özelliklerinden dolayı kollajen, cam ya da kevlar ile güçlendirilmiş polimetilmetakrilat kompozitler kullanılır.

Özellikle son 40 yıldır diş hekimleri kompozit dolgu malzemeleri üzerinde çlışmaya başlamışlardır ve bunlar bunlar beyaz dolgu olarak adlandırılmıştır. Bu yapı genek olarak camsı reçine ve plastik dolgu maddelerinden hazırlanır. Bu tür dolgu malzemelerini kullanan diş hekimleri kompozit rengiyle diş rengini eşleyerek, klasik amalgam (civa temelli) dolguya nazaran estetik açıdan önemli gelişme kaydetmişlerdir.

Ulaşım

  • Traktör kaporta, kabin, oturma birimi; SMC (Hazır kalıplama pestili)
  • Toplu taşıma araçları oturma birimi; SMC
  • Konteyner tabanı; GMT (Preslenebilir takviyeli termoplastik)
  • Otobüs havalandırma kanalları, port bagaj parçaları, gösterge paneli; CTP
  • Açık alan servis (Golf arabası) araçları kaporta, tavan; CTP
  • Teleferik; CTP
  • Tren; kompozit prepreg ve dokuma malzeme türleri artan oranlarda tren konstrüksiyonlarında maliyet ve ağırlık düşürmek amacıyla kullanılmaktadır. İskelette ağırlığının düşürülmesi enerji tasarrufu sağlamakla beraber daha hızlı araçların geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır. Ayrıca trenlerde malzemelerin yüksek katılığa sahip olmaları iskeletin desteklenmesine gerek olmaması anlamına gelmektedir ki böylece yolcu taşıma bölümüne ayrılan mekan arttırılabilmektedir. Tren konstrüksiyonunda kolay ve hızlı değişebilen genellikle prepreg levhalar kullanılır. Böylece tekil zarar gören paneller hızla değiştirilebilmektedir.

Otomotiv

Otomobil firması müşterilerinin ihtiyaçlarına karşılık vermek için çevresel şartların baskısı altında daha hafif otomobiller üretmektedirler. Hafif otomobiller daha çabuk hızlanabilen, daha çabuk durabilen, ilerlemek için daha küçük bir motora ve daha az benzine ihtiyaç duyan araç anlamına gelmektedir.

  • Cam sileceği; %30 Cam+PBT
  • Filtre kutusu; Mercedes, %35 Cam+ Poliamid 66
  • Pedallar; %40 Cam+ Poliamid 6
  • Dikiz Aynası; % 30 Cam+ABS
  • Far Gövdesi; BMW, %30 Cam + PBT
  • Hava Giriş Manifoldu; BMW, Ford, Mercedes, %30 Cam+ Poliamid 6
  • Otomobil Gösterge Paneli; GMT
  • Otomobil Spoiler; CTP
  • Otomobil Yan Gövde İskeleti; Ford, CTP
  • Otomobil Kaporta; Corvette, SMC CTP

Müzik Aletleri

London College Of Furniture ve diğer bazı yerlerde ileri kompozit malzemelerle müzikal enstrümanlar yapılması üzerine çalışmalar bulunmaktadır. İleri kompozit malzemelerle yapılan yaylı sazlarda boyun kısmının tellerin gerilmesinden dolayı deforme olması karşılaşılan temel sorunlardandır.

  • Keman; Karbon Fiber+ Epoksi
  • Gitar; Karbon lamine tabakalar arası polimer köpük
  • Akustik Gitar; Grafit+ Epoksi
  • Çello; Karbon+ Epoksi

Şehircilik

Bu alanda kompozitler, toplu konut yapımında, çevre güzelleştirme çalışmalarında (heykel, banklar, elektrik devreleri v.s.) kullanılmaktadır. Üreticinin çok sayıda standart ürünü kısa zamanda imal edebilmesi, montajdan tasarruf ve ucuz maliyet imkanları, kullanıcıya da yüksek izolasyon kapasitesi, hafiflik ve yüksek mekanik dayanım imkanları sağlamaktadır.

İnşaat Sektörü

Cephe korumaları, tatil evleri, büfeler, otobüs durakları, soğuk hava depoları, inşaat kalıpları birer kompozit malzeme uygulamalarıdır. Tasarım esnek ve kolay olmakta, nakliye ve montajda büyük avantajlar sağlamaktadır. İzolasyon problemi çözülmekte ve bakım giderleri azalmaktadır.

Tarım Sektörü

Seralar, tahıl toplama siloları, su boruları ve sulama kanalları yapımında kompozitler özel bir öneme sahiptirler. Kompozit malzemelerden yapılan bu örnekler istenirse ışık geçirgenliği, tabiat şartlarına ve korozyona dayanıklılık, düşük yatırım ve kolay montaj gibi avantajlar sağlamaktadır.

Kompozit Malzemelerin Avantajları Ve Dezavantajları

 Avantajları

Kompozit malzemelerin birçok özelliklerinin metallerinkine göre çok farklılıklar göstermesinden dolayı, metal malzemelere göre önem kazanmışlardır. Kompozitlerin özgül ağırlıklarının düşük oluşu hafif konstrüksiyonlarda kullanımda büyük bir avantaj sağlamaktadır. Bunun yanında, fiber takviyeli kompozit malzemelerin korozyona dayanımları, ısı, ses ve elektrik izalasyonu sağlamaları da ilgili kullanım alanları için bir üstünlük sağlamaktadır.

Bu malzemelerin avantajlı olduğu bazı yönler:

Yüksek Mukavemet

Kompozitlerin çekme ve eğilme mukavemeti birçok metalik malzemeye göre çok daha yüksektir. Ayrıca kalıplama özelliklerinden dolayı kompozitlere istenen yönde ve bölgede gerekli mukavemet verilebilir. Böylece malzemeden tasarruf yapılarak, daha hafif ve ucuz ürünler elde edilir.

Kolay Şekillendirebilme

Büyük ve kompleks parçalar tek işlemle bir parça halinde kalıplanabilir. Bu da malzeme ve işçilikten kazanç sağlar.

Elektriksel Özellikler

Uygun malzemelerin seçilmesiyle çok üstün elektriksel özelliklere sahip kompozit ürünler elde edilebilir. Bugün büyük enerji nakil hatlarında kompozitler iyi bir iletken ve gerektiğinde de başka bir yapıda, iyi bir yalıtkan malzemesi olarak kullanılabilirler.

Korozyona Ve Kimyasal Etkilere Karşı Mukavemet

Kompozitler, hava etkilerinden, korozyondan ve çoğu kimyasal etkilerden zarar görmezler. Bu özellikleri nedeniyle kompozit malzemeler kimyevi madde tankları, boru ve aspiratörler, tekne ve diğer deniz araçları yapımında güvenle kullanılmaktadır. Özellikle korozyona karşı mukavemetli olması, endüstride birçok alanda avantaj sağlamaktadır.

Isıya Ve Ateşe Dayanıklılığı

Isı iletim katsayısı düşük malzemelerden oluşabilen kompozitlerin ısıya dayanıklılık özelliği, yüksek ısı altında kullanılabilmesine olanak sağlamaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile kompozitlerin ısıya dayanımı arttırılabilir.

 Kalıcı Renklendirme

Kompozit malzemeye, kalıplama esnasında reçineye ilave edilen pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir. Bu işlem ek bir masraf ve işçilik gerektirmez.

Titreşim Sönümlendirme

Kompozit malzemelerde süneklik nedeniyle doğal bir titreşim sönümleme ve şok yutabilme özelliği vardır. Çatlak yürümesi olayı da böylece minimize edilmiş olmaktadır.

Dezavantajları

  1. Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri malzemenin yorulma özelliklerini olumsuz etkilemektedir.
  2. Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik mekanik özellikler gösterirler.
  3. Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme ve eğilme mukavemet değerleri farklılıklar gösterir.
  4. Kompozit malzemelerin delik delme, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden olduğundan, bu tür malzemelerde hassa imalattan söz edilemez.

Kompozit Malzemelerin Gelişim Süreci

Günümüzde gemi yapımından bina yapımına, ev aletleri üretiminden uzay teknolojisine kadar hemen hemen her alanda çok yaygın bir kullanımı bulunan kompozit malzemenin üretimi son birkaç yüz yıla mal edilmiş gibi görülse de ilk örnekleri çok eskilere dayanmaktadır. Kompozit malzeme kavramının ortaya atılması ve konunun bir mühendislik konusu olarak ele alınması ancak 1940’lı yılların başında gerçekleşmiştir. Çok bileşenli malzemenin ilk örnekleri, doğada bulunan malzemeye yapılan müdahalelerle onun kullanılır hale getirilmeye başlandığı aşamadır.

İlk çağlardan beri insanlar kırılgan malzemenin içine bitkisel veya hayvansal lifler koyarak bu kırılganlık özelliğinin giderilmesine çalışmışlardı. Bu konularda en iyi örneklerden biri kerpiç malzemedir. Kerpiç üretiminde killi çamur içine katılan saman, sarmaşık dalları gibi sap ve lifler, gerek üretim gerek kullanım sırasındaki dayanımını arttırmaktadır.

Öte yandan, günümüzde kompozit malzemenin donatılmasında yaygın olarak kullanılan liflerle ilgili uygulamanın da çok yeni olmadığı eldeki bulgulardan anlaşılmaktadır. Örneğin cam liflerin üretimi, eski Mısır’a kadar tarihlendirilmektedir. Daha M.Ö 1600 yıllarında Mısır’da ince cam liflerin yapımının bilindiği, XVIII. Hanedan devrinden kalan, çeşitli renklerdeki cam lifleriyle bezenmiş amforaların varlığından anlaşılmaktadır.

Cam liflerin sanayide kullanımıyla ilgili ilk kayıt, 1877 tarihlidir. Hidrolik bağlayıcılar ve elyaf malzeme kullanılarak yapay taş plakaların üretilmesi yöntemi hakkında bu yüz yılın başında alınmış patentlere rastlanmaktadır. Günlük uygulamalarda en yaygın kullanım olanağı bulmuş olan liflerle donatılmış kompozit malzemelerden ikisi, asbest lifleriyle donatılı kompozit malzemeler ve cam lifleriyle donatılı polyester kompozitlerdir. İlk kez ince levha yapımında kullanılan çimento ve asbest kompozitleri yıllar boyu önemini koruyarak bu gün hala kullanılan bir malzeme olma özelliğini sürdürmektedir.

Öte yandan, liflerle donatılı sentetik reçineler 1950’li yılların ortalarından itibaren endüstride kullanılmaya başlanmıştır. Bu malzemenin en tanınmış grubunu “cam lifi donatılı polyester reçinesi kompoziti” oluşturmaktadır. Ülkemizde “fiberglas” diye tanınan bu malzeme 1960’lı yılların başından itibaren Türkiye’de sıvı depoları, çatı levhaları, küçük boyda deniz teknelerinin yapımı gibi alanlarda kullanılmıştır. Ülkemizde seri üretimi yapılmış ilk yerli otomobil olan “Anadol” un kaportası bu malzemeden üretilmiştir.

Cam lifleriyle donatılı sentetik reçine matrisli malzemeler için dilimizde “Cam Takviyeli Plastik (CTP)” adı yerleşmiştir. Cam takviyeli plastiklerin üretiminde, en çok kullanılan malzeme olan polyesterin yanı sıra, günümüzde diğer termoset ve termoplastik reçinelerde kullanılmaktadır.

KOMPOZİT MALZEME TÜRLERİ

  1. Polimer Kompozitler
  2. Metal Kompozitler
  3. Seramik Kompozitler

1-Polimer Kompozitler: Liflerle pekiştirilmiş polimer kompozitler endüstride çok geniş kullanma alanına sahiptir. Pekiştirici olarak cam, karbon kevlar ve boron lifleri kullanılır.

Pekiştirici liflerin özellikleri tabloda verilmiştir

Malzeme Özgül ağırlıkgr / cm3 Çekme mukavemetiN / mm2 Elastisite modülüN / mm2
Cam lifi 2,54 2410 70000
Karbon lifi 1,75 3100 220000
Kevlar lifi 1,46 3600 124000

Polimer kompozitlerde kullanılan en önemli bağlayıcı malzeme polyester ve epoksidir. Pekiştirici liflerin miktarı arttıkça kompozitin mukavemeti yükselir. Polimer kompozitlerin en önemli özellikleri yüksek özgül mukavemet(mukavemet/ özgül ağırlık)  ve özgül elastisite modülüdür. Dolayısıyla bu özelliklerden dolayı diğer malzemelere üstün durumundadırlar. Örneğin yüksek mukavemetli çeliklerde özgül mukavemetin 110 Nm / gr olmasına karşın cam lifi – polyesterlerde 620 Nm/gr dır. Diğer taraftan karbon lifi epokside 700 Nm/gr ve kevlar epokside 886 Nm/gr dır. Diğer taraftan karbon liflerinin özgül elastisite modülü alüminyumunkinin 5 katı kadardır. Bu üstünlüklerinden dolayı polimer kompozitler uçak ve uzay endüstrisinde alüminyum alaşımlarına  tercih edilir.

Tablo: Lifli Kompozitlerin Özellikleri

Malzeme Özgül ağırlıkgr/cm3 Çekme mukavemetN/mm2 Elastik mukavemetN/mm2
Cam lifi – polyester 1,5 – 2,1 200 – 340 55000 – 130000
Karbon lifi – epoksi 1,5 – 1,8 1860 145000
Kevlar – epoksi 2,36 2240 76000
Boron lifi – epoksi 1,4 1240 176000

2-Metal Kompozitler  (Metal Matrisli Birleşik Malzemeler MMC):

Bir metalik fazın bazı takviye malzemeleri ile eritme vakum emdirme, sıcak presleme ve difizyon kaynağı gibi ileri teknikler uygulanarak MMC’ ler elde edilirler. MMC  ler daha çok uzay ve havacılık alanlarında, mesela uzay teleskobu, platform taşıyıcı parçalar, uzay haberleşme cihazlarının reflektör ve destek parçaları vs. yerlerde kullanılır.

3-Seramik Kompozitler (Seramik Matrisli Birleşik Malzemeler CMC):

Bu amaçla yapısal ve fonksiyonel nitelikli yüksek teknoloji seramikleri kullanılmaktadır. Başlıcaları Al2O3, SİC, Si3N4, B4C, CbN, TiC, TİB, TİN, AIN’ dir. Bu bileşikler değişik yapılarda olup amaca göre bir yada bir kaçı beraber kullanılarak CMC ler elde edilir. Sandviç zırhlar, çeşitli askeri amaçlı parçalar imali ile uzay araçları bu ürünlerin başlıca kullanım yerleridir.

KOMPOZİT MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI.

 Yapılarında çok sayıda farklı malzeme kullanılabilen kompozitlerin gruplandırılmasında kesin sınırlar çizmek mümkün olmamakla birlikte, yapıdaki malzemelerin formuna göre bir sınıflama yapmak mümkündür. Bu sınıflama şekli aşağıda verilmektedir.

(a) (b) (c) (d)

Kompozit malzemelerin sınıflandırılması

  1. Elyaflı kompozitler
  2. Parçacıklı kompozitler
  3. Tabakalı kompozitler
  4. Karma kompozitler
  5. a) Elyaflı kompozitler: 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, iki 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 oranı arttıkça matris tarafından elyaflara iletilen yük miktarı artmaktadır. Elyaf yapının hatasız olması da mukave­met açısından çok önemlidir.

Kompozit yapının mukavemetinde önemli olan diğer bir unsur ise elyaf matris arasındaki bağın yapısıdır. Matris yapıda boşluklar söz konusu ise elyaflarla temas azalacaktır. Nem absorbsiyonu da elyaf ile matris arasındaki bağı bozan olumsuz bir özelliktir.

  1. b) Parçacıklı kompozitler: Bir matris malzeme içinde başka bir malzemenin parçacıklar halinde bulunması ile elde edilirler. İzotrop yapılardır. Yapının mukavemeti parçacıkların sertliğine bağlıdır. En yaygın tip plastik matris içinde yer alan metal parçacıklardır. Metal parçacıklar ısıl ve elektriksel iletkenlik sağlar. Metal matris içinde seramik parçacıklar içeren yapıların, sertlikleri ve yüksek sıcaklık dayanımları yüksektir. Uçak motor parçalarının üretiminde tercih edilmektedirler .
  2. c) Tabakalı kompozitler: Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiptir. Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukaveket değerleri elde edilir. Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı zamanda mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Sürekli elyaf taviyeli tabakalı kompozitler uçak yapılarında, kanat ve kuyruk grubunda yüzey kaplama malzemesi olarak çok yaygın bir kullanıma sahiptirler.

Ayrıca, uçak yapılarında yaygın bir kullanım alanı olan sandviç yapılar da tabakalı kompozit malzeme örneğidirler. Sandviç yapılar, yük taşımayarak sadece izolasyon özelliğine sahip olan düşük yoğunluklu bir çekirdek malzemenin alt ve üst yüzeylerine mukavemetli levhaların yapıştırılması ile elde edilirler.

  1. d) Karma (Hibrid) kompozitler :Aynı kompozit yapıda iki yada daha fazla elyaf çeşidinin bulunması olasıdır. Bu tip kompozitlere hibrid kompozitler denir. Bu alan yeni tip kompozitlerin geliştirilmesine uygun bir alandır. Örneğin, kevlar ucuz ve tok bir elyafdır ancak basma mukavemeti düşüktür. Grafit ise düşük tokluğa sahip, pahalı ancak iyi basma mukavemeti olan bir elyafdır. Bu iki elyafın kompozit yapısında hibrid kompozitin tokluğu grafit kompozitden iyi,maliyeti düşük ve basma mukavemetide kevlar elyaflı kompozitden daha yüksek olmaktadır

Kaynak:

http://onurmemduhkaya.blogspot.com.tr/2012/03/kompozit-malzemeler-ve-otomotiv.html