KOMPOZİTLER
KOMPOZİTLER
İstenen amaç için tek başlarına uygun olmayan farklı iki veya daha fazla malzemeyi istenen özellikleri sağlayacak şekilde belirli şartlar ve oranlarda fiziksel olarak, makro yapıda bir araya getirilerek elde edilen malzemeye kompozit malzeme denir.
İç yapıları çıplak gözle incelendiğinde (makroskobik muayene) yapı bileşenlerinin seçilip ayırt edilmesi mümkündür. Yapılarında birden fazla sayıda fazın yer aldığı klasik alaşımlar ise makro ölçüde homojen olmalarına rağmen mikro ölçüde (mikroskobik muayene ile seçilebilen) heterojen malzemelerdir. Kompozit malzemelerde yapıyı oluşturan bileşenler birbiri içinde çözünmezler, kimyasal olarak inert davranırlar. Ancak özellikle metalik sistemlerde düşük oranlarda bile olsa, bir miktar çözünme bileşenler arasında kompozit özelliklerini etkileyebilen ara yüzey reaksiyonları görülebilir.
Bu konunun devamı için lütfen yeşil butona tıklayınız. 
Kompozit malzemelerde çekirdek olarak kullanılan bir fiber malzeme bulunmakta, bu malzemenin çevresinde hacimsel olarak çoğunluğu oluşturan bir matris malzeme bulunmaktadır. Bu iki malzeme grubundan, fiber malzeme kompozit malzemenin mukavemet ve yük taşıma özelliğini, matris malzeme ise plastik deformasyona geçişte oluşabilecek çatlak ilerlemelerini önleyici rol oynamakta ve kompozit malzemenin kopmasını geciktirmektedir. Matris olarak kullanılan malzemenin bir amacı da fiber malzemeleri yük altında bir arada tutabilmek ve yükü lifler arasında homojen olarak dağıtmaktır. Böylece fiber malzemelerde plastik deformasyon gerçekleştiğinde ortaya çıkacak çatlak ilerlemesi olayının önüne geçilmiş olur.
KOMPOZİT TEKNOLOJİSİNİN GELİŞİMİ
Kompozıt malzemelerin bilinen en eski ve en geniş kullanım alanı inşaat sektörüdür. Saman ile liflendirilmiş çamurdan yapılan duvarlar ilk kompozit malzeme örneklerindendir. Bugün taş, kum, kireç, demir, ve çimento ile oluşturulan kompozit malzeme evlerimizi oluşturmaktadır. Kompozit malzemeye en güncel örneklerden biri de kağıttır. Selüloz ve reçineden oluşan kağıt, günümüzde yaşamımızın her alanında eşsiz bir kullanım aracı olarak insanlığın hizmetine sunulmuştur. Günümüzde kompozit malzemelerin kullanım alam çok geniş boyutlara ulaşmıştır. Kompozit malzemelerin başlıca kullanım alanları ve bu alanlarda sağlanan avantajlar şu şekilde sıralanabilir:
Şehircilik: Bu alanda kompozitler, toplu konut yapımında, çevre güzelleştirme çalışmalarında (heykel, banklar, elektrik direkleri v.s.) kullanılmaktadır.
Ev Aletleri: Masa, sandalye, televizyon kabinleri, dikiş makinesi parçaları, saç kurutma makinesi gibi çok kullanılan ev aletlerinde ve dekoratif ev eşyalarında kompozit malzemeler kullanılmaktadır.
Elektrik ve Elektronik Sanayi: Kompozitler, başta elektriksel izolasyon olmak üzere her tür elektrik ve elektronik malzemenin yapımında kullanılmaktadır.
Havacılık Sanayi: Havacılık sanayisinde kompozitler, gün geçtikçe daha geniş bir uygulama alanına sahip olmaktadır. Planör gövdesi, uçak modelleri, uçak gövde ve iç dekorasyonu, helikopter parçaları ve uzay araçlarında başarıyla kullanılmaktadır. Daha hafif malzemeyle atmosfer şartlarına dayanım ve yüksek mukavemet sağlanmaktadır.
Otomotiv Sanayi : Bu alanda kompozitlerden oluşan başlıca ürünler; otomobil kaportası parçaları, iç donanımı, bazı motor parçalan, tamponlar ve oto lastikleridir. İş Makinaları : İş makinalarının kapakları ve çalışma kabinleri yapımında da kompozit malzemeler kullanılmaktadır. Ayrıca elektrik izolasyon malzemelerinden de tasarruf sağlanmaktadır.
İnşaat Sektörü: Cephe korumaları, tatil evleri, büfeler, otobüs durakları, soğuk hava depoları, inşaat kalıpları birer kompozit malzeme uygulamalarıdır. 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.
KOMPOZİT MALZEMELERİN AVANTAJLARI
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 izolasyonu sağlamaları da ilgili kullanım alanları için bir üstünlük sağlamaktadır.
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 kahplanabilir.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 5 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.
KOMPOZİT MALZEMELERİN DEZAVANTAJLARI
Bütün bu olumlu yanların dışında kompozit malzemelerin uygun olmayan yanları da şu şekilde sıralanabilir:
- Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri malzemenin yorulma özelliklerini olumsuz etkilemektedir.
- Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik mekanik özellikler gösterirler.
- Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme ve eğilme mukavemet değerleri farklılıklar gösterir.
- Kompozit malzemelerin delik delme, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez.
Görüldüğü gibi kompozit malzemeler, bazı dezavantajlarına rağmen çelik ve alüminyuma göre birçok avantaja sahiptir. Bu özellikleri ile kompozitler otomobil gövde ve tamponlarından deniz teknelerine, bina cephe ve panolarından komple banyo ünitelerine, ev eşyalarından tarım araçlarına kadar bir çok sanayi kolunda problemleri çözümleyecek bir malzemedir.
KOMPOZİT TÜRLERİ ve SINIFLANDIRILMASI
Kompozit malzemeler yapılarını oluşturan malzemeler ve yapım metotlarına göre iki ayrı şekilde sınıflandırılmıştır. Bunları sıralayacak olursak;
Yapılarını Oluşturan Malzemelere Göre Kompozitler, Fiber ve matris olarak kullanılabilen malzemeler amaca uygun olarak çok çeşitli olabilmektedirler. Fakat genellikle cam, seramik, plastik ve metaller kullanılmaktadır.
a- Plastik - Plastik Kompozitler, Fiber olarak kullanılan plastik yük taşıyıcı bir özelliğe sahip iken, matris olarak kullanılan plastik esneklik verici, darbe emici ya da istenen amaca göre kullanılan plastiğin özelliğine sahip olmaktadır. Kullanılabilecek plastik türleri de iki ayrı grupta incelenebilir:
- Termoplastikler, Bu tür plastikler ısıtıldığında yumuşar ve şekillendirildikten sonra soğutulduğunda sertleşir. Bu işlem sırasında plastiğin mikro yapısında bir değişiklik olmaz. Genellikle 5-50 °C arasında kullanılabilirler. Bu gruba giren plastikler naylon, polietilen, polistren, karbonflorür akrilikler, selülozikler, viniller sayılabilir.
- Termoset Plastikler, Bu tür plastikler ise ısıtılıp şekillendirildikten sonra soğutulduklarında artık mikro yapıda oluşan değişim nedeniyle eski yapıya dönüşüm mümkün olmamaktadır. Bu grubun belli başlı plastikleri ise polyesterler, epoksiler, alkitler, aminler olarak verilebilir.
b - Plastik - Cam Elyaf Kompozitler, İsteğe göre termoplastikler veya termoset plastikten oluşan matris ve cam liflerin uygun kompozisyonundan üretilmektedir. Mekanik ve fiziksel özellikleri nedeniyle cam lifler birçok durumda metal, asbest, sentetik elyaf ve pamuk ipliği gibi liflere tercih edilebilirler. Ancak cam elyaflı kompozitler, büyük kuvvetleri iletmelerine rağmen camın kırılgan olmasından dolayı çok düşük dirençlidirler. Bu tür malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, kullanılan plastik reçineler uygun seçilerek arzu edilen şekle sokulabilir. Plastik reçineler de termoplastik ve termoset türünde olmaktadır. Termoset plastikler, fiberlerinde düzgün oryantasyonu ile yüksek mukavemete ulaşabilirler. Cam elyaf takviyeleri ile en çok kullanılan plastik reçineler, polyesterlerdir.Polyesterlerinde bu amaçla kullanılan bir çok türü mevcuttur.
c- Plastik - Metal Fiber Kompozitler, Endüstride çok kullanılan metal fiber takviyeli plastikten oluşan kompozitler oldukça hafif ve mukavim bir ürün olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu kompozitler, metal fiberlerin ( Bakır, Bronz, Alüminyum. Çelik v.s. ) poli - etilen ve poli - propilen plastiklerini takviyelendirmesi amacı ile elde edilmekte ve kullanılmaktadır. Özellikle deformasyon yönünden takviyelendirme yaygın olarak kullanılmakta ve iyi bir verim alınmaktadır.
d- Plastik - Köpük Kompozitler, Bu tür kompozitlerde plastik, fiber olarak görev yapmakta; Köpük ise matris, reçine konumunda olmaktadır. Köpükler, hücreli yapıya sahip, düşük yoğunlukta, gözenekli ve doğal halde bulunduğu gibi, büyük kısmı sentetik olarak elde edilmiş hafif maddelerdir. Köpük, hücre yapısına göre sert, kırılgan, yumuşak ya da elastik olabilmektedir. Matris olarak kullanılan bu köpük türleri, kullanılan plastiğin çeşitlenebilmesiyle değişik özellikte kompozitlerin oluşumunu sağlar.
e- Metal Matrisli Kompozitler, Metallerin ve metal alaşımlarının birçoğu yüksek sıcaklıkta bazı özellikleri sağlamalarına rağmen kırılgan olmaktadırlar. Fakat metalik fiberler ile takviye edilmiş metal matrisli kompozitler her iki fazın uyumlu çalışması ile yüksek sıcaklıkta da yüksek mukavemet özelliklerini vermektedir. Bakır ve alüminyum matrisli, Wolfram ve Molibden fiberli kompozitler ve Al-Cu kompoziti bize bu kompozisyonu en iyi veren örneklerdir. Bu tip kompozitler, matrisin özelliklerini iyileştirdiği gibi bu özelliklere daha ekonomik ulaşılmasını sağlar. Fiberlerin malzemeyi kuvvetlendirme derecesi, yüzeysel boşlukların olmayışına bağlıdır. Böylece teorik duruma yaklaşılabilir. Fiberlerin çaplarına ve matrisle olan adezyon kuvvetinin niteliğine bağlı olarak belli bir kritik uzunluktan daha kısa olmalıdır. Bu kompozitlerde metal matris içine gömülen ikinci faz, sürekli lifler şeklinde olabildiği gibi gelişi güzel olarak dağıtılmış küçük parçalar halinde de olabilmektedir.
f- Seramik Kompozitler, Metal veya metal olmayan malzemelerin bileşiminden oluşan seramik kompozitler,yüksek sıcaklıklara karşı çok iyi dayanım göstermekle birlikte rijit ve gevrek bir yapıya sahiptirler. Ayrıca elektriksel olarak çok iyi bir yalıtkanlık Özelliği gösterirler.
YAPIM ŞEKİLLERİNE GÖRE KOMPOZİTLER
a- Karışık Malzeme ve Sinterleme, Endüstride kullanılan çok çeşitli karışık kompozit malzeme vardır. İnce bir kalıp kumun bir plastik malzeme ile bağlanması ve plastiğin yüksek sıcaklıkta polimerize olmasından yararlanılarak dökümcülükte kullanılan kalıp malzemeleri ortaya çıkmıştır. Zımpara taşı taneleri de cam ve reçine tarafından bağlanarak zımparalar oluşturulmuştur. Karışık malzemelerin birleştirilmesinde bir başka yöntem de sinterlemedir. Sinterleme, küçük parçaları (çoğu kez metalleri) yüksek sıcaklıkta, basınç altında birbirine bağlama ile gerçekleşir. Sinterleme olması için ya bir sıvı faz meydana gelmeli ya da katı halde yayınma ile parçaların arasında bir bağ oluşmalıdır. Sıvı fazlı sinterlemede bağlayıcı metal erir ve karbür taneleri arasında sürekli bir faz oluşur. Fakat sinterlemeden sonra kristalleşir, kuvvetli ve rijit bir yapı meydana getirir. Küçük parçaları birbirine bağlamada reçine kullanıldığı zaman aynı şekilde tanelerin yüzeyini kaplaması gerekir. Kristalleşme yerine, reçine polimerize olur ve akışkanlığını kaybederek kuvvetli bir bağ yapar.
En çok kullanılan sinter metodu, cam sinterlemesi adı da verilen silisli malzemenin pişirilmesidir. Tuğla, porselen, buji veya benzer silisli maddeler bu yöntemle elde edilir. Bir miktar sıvı, solidus sıcaklığının üzerine kadar ısıtılır. Meydana gelen bu silikat sıvı bir camdır ve kristalleşmeden oda sıcaklığına kadar soğutulur. Kristalleşmeyen bu bağın viskozitesi çok yüksektir. Sonuçta çok sert ve kuvvetli bir bağ oluşur. Katı sinterlemede ise, gereken yayınmanın çabuk olması için solidus sıcaklığının biraz altında olması istenir. Birçok toz metal parça ve dielektrik seramik malzeme katı sinterleme ile yapılır. Ayrıca volfram ve kolumbiyum gibi refrakter metaller bu malzemeleri içinde ergitecek potaların ve kalıpların pratik olarak mümkün olmamasından dolayı katı sinterleme ile şekillendirilir. Sinterlemeden önce parçacıklar arasında iki yüzey vardır. Yüzeydeki atomların yalnız bir taraflarında atom olduğu için yüzeyler yüksek enerji yerleridir. Çünkü iki parça birbirine çok yakın görünse bile aralarındaki açıklık birçok atom alacak kadar geniştir ve atomlar arası çekim kuvveti buralarda çok zayıftır. Ancak sinterleme işleminde, yüksek sıcaklıkta yeterli zaman verilirse atomlar yayınma ile hareket eder ve parçalar arasındaki noktalara genişlerler. Bu şekilde iki ayrı yüzey yerine iki parça arasında ortak bir yüzey meydana getirirler. Oluşan ortak yüzeyde atomların yakın komşuları olduğundan, önceki yüzeylerin her ikisinden de alçak enerjide olurlar.
b- Yüzey Kaplamaları, Birçok uygulamada aşınmaya dayanıklı,çok sert yüzeyi olan malzeme aranır. Böyle bir yüzey elde etmenin yolu metal yüzeylerini aşınmaya dayanıklı bir malzeme ile kaplamaktır. Metal üzerine bir tabak şeklinde bağlanmış boya veya seramik yüzey kaplama bir kompozit malzeme oluşturur. Kaplamanın ana malzemeye yapışabilmesi için yüzey tabakası ile yüzey altı malzeme arasında bir süreklilik olmalıdır. Her iki malzeme birbirine benzer özellik taşıyorsa bağlar da, mikro yapı içerisindeki bağlar gibi olur. Galvaniz kaplama, bu şekilde çelik malzemeye yapışır. Kaplama ile alttaki malzeme birbirine benzemeyen yapıya sahipseler, genel olarak astar tabaka kullanılır. Örnek olarak boyanın cam üzerine iyi yapışması için öncelikle cam üzerine silikon yayılır. Çünkü silikonun yapısal özellikleri hem cama hem de boya taşıyıcılarına benzemektedir. Yüzey kaplamada kullanılan bir diğer yöntem ise alaşım elementlerinin dışarıdan yüzey tabakasına yayınması ile yapılır.
c- Lif Takviyesi, Malzeme mekanik özelliklerini yükseltmek için malzeme yapısı içine çok sert ve ince fazların serpilmesi yöntemidir. Bu tür kompozitlcr ana fazdan beklenen bazı özelliklerin elde edilmesi ya da geliştirilmesi amacıyla üretilirler. Ana faz (matris), ikincil fazlarla (fıber)belirli doğrultularda takviyelendirilir. Böylece mukavemet, korozyon ve aşınma direnci, ısı izolasyonu, rijitlik ve ağırlık gibi özelliklerde daha verimli hale getirilir. Örnek olarak, saf alüminyum çekme mukavemeti 1000 [kg/cm2 ] kadarken, alüminyum alaşımınki 4000 [kg/cm2 ] 'den fazladır. Aynı şekilde ferritin çekme mukavemeti 2800 [kg/cm2 ] olduğu halde ferrit içine serpilen çok ince karbür tanelerinin oluşturduğu karışım 14000 [kg/cm2 ] lik bir çekme mukavemetine sahiptir. Bu arada cam takviyeli plastik, kord beziyle takviyeli otomobil lastiği ve demir ile takviyeli betondan söz edilebilir. Bu tür kompozitlerde hem fiber hem de matris malzeme yeterince büyük olduklarından, her birinin etkisini ayrı ayrı hesaplayıp, bu hesapları kompozit malzeme üzerinde birleştirmek gerekmektedir.
KARBON FİBER ÜRETİMİ
Karbon fiberler, germe ve termoset işlemleriyle sentetik fiberlerden üretilmekte. Bu üretimin basitleştirilmiş bir planı yukarıdaki şemada görülmektedir. Polyacrylonitrile (PAN) ve zift karbon fiber üretimi için kullanılan en genel ham maddelerdir.PAN önceden üretilmiş ve makaralara sarılmış durumdadır. Zift ise bir petrol türevi olup eritilip biri dizi işlemden geçirilerek fiber haline getirilir.
1.aşama Isıl işlem aşamasında fiberlere gerilme uygulanıp 400° C yi aşmayacak şekilde ısıtılır.Bu işlem karbon zincirlerinin birbirleriyle kesişmesini sağlayarak daha sonraki ısıl işlemlerde erimesini önler.
2.aşama Karbonizasyon aşamasında fiberler oksijensiz ortamda 800° C ye kadar ısıtılır.Bu işlem karbon olmayan empüriteleri ortadan kaldırır,
3.aşama Grafîtizasyon aşamasında fiberler %50 ila %100 uzayacak şekilde gerilmeye maruz bırakılır ve 1100° C ila 3000° C arasında ısıtılır. Gerilme,istenilen kristal oryantasyonu sağlayarak istenilen young modülü değerinin (300-600 Gpa) elde edilmesini sağlar. Son olarak, epoxy boyutlandırması ve yüzey işleme aşamaları, karbon fiber / epoxy arası bağ kuvvetlerini güçlendirmek amacıyla yapılmaktadır. Bu son iki aşama yerine daha değişik yöntemlerde kullanılabilir.
Bu web sayfasındaki yazılı ve görsel bütün bilgilerin yayın hakları Hamit ARSLAN' a aittir. Hamit ARSLAN' ın yazılı izni olmaksızın kısmen veya tamamen alıntı yapılamaz, kopya edilemez, elektronik, mekanik, dijital, fotokopi ya da herhangi bir kayıt sistemiyle çoğaltılamaz ve yayınlanamaz.
