Malzeme
tarihine bakıldığında kompozitlerin tarih kadar eski olduğu görülür. İlk
takviyeli polimerik bazlı malzemeler takviyeli bitüm veya zift Babil’de M.Ö.
4000-2000 arasında kullanılmıştır.
M.Ö.
3000 öncesinde okçuların kullandığı yayların kompozit malzemeler olduğuna, ve
Mısır ve Mezopotamya’da nehir kayıklarının, papirüs kamışların bitüm
matrislerde yerleştirilerek yapıldığına dair çok sayıda belge bulunmaktadır.
M.Ö.
2500’lerde Mısır’da mumyalama sanatında keten teypler ve doğal kauçuk
kullanılarak ilk filament sarma prosesi uygulanmıştır.
M.Ö.
1000’deki kayıtlarda Hindistan ve Çin’de birkaç bin yıl lak kullanıldığı
görülür.
Diğer
bir örnek, M.Ö. 500’lerde Yunanlıların üç sıra kürekli kadırga denilen
gemilerin yapımında kullandıkları kompozit malzemelerdir.
Çok
kullanılan yapısal malzemelerin önemi tarih boyunca dalgalanmalar gösterir. Her
grup malzemenin M.Ö.10 000 başlayan ve 2020 yılına kadar ekstrapole edilmiş
relatif önemlerinin kronolojik değişimi aşağıdaki grafikte verilmiştir.
Görüldüğü gibi kompozitlerin önemi ~1960’dan sonra kararlı bir büyüme
göstermiştir; gelecek birkaç on yıl boyunca da bu büyümenin sürmesi
beklenmektedir.
Kompozit malzemelerin geliştirilmesi çalışmaları 1940’lı yıllarda üç önemli itici nedenle hızlandırılmıştır: Birincisi, uçak, helikopter ve roketler gibi askeri araçlarda yüksek kuvvette ve hafif malzemelere olan talebin artması, ikinci neden hızla büyüyen polimer endüstrisinin çok çeşitli dallarda gelişmesiyle farklı yapılarda, hafif ve yüksek mekanik özelliklerde malzeme talebinin artmasıdır. Diğer bir neden de çok yüksek kuvvette bazı malzemelerin (cam fiberler gibi) keşfedilmesi ve bu potansiyel güçlerin özellikle askeri amaçlı kullanımının araştırılmasıdır.
Kompozit malzemeler dört jenerasyon altında toplanabilir.
·
Birinci jenerasyon (1940’lar): Cam fiber
takviyeli kompozitler
·
kinci jenerasyon (1960’lar): Yüksek performans
kompozitler
·
Üçüncü jenerasyon (1970-1980’ler): Yeni pazar
araştırmaları gereksinimleri
·
Dördüncü jenerasyon (1990’lar): Hibrid
malzemeler, nanokompozitler, biyomimetik stratejiler
Birinci
Jenerasyon (1940’lar): Cam Fiber Takviyeli Polimerler (GFRP)
Havacılık sektöründe örneğin, kanat, roket burnu, helikopter
rotoru, v.s. gibi parçaların bazı yüksek kuvvetli malzemelerden yapılması
üzerindeki çalışmalar bu tür malzemelerin kuvvetlerinin yüksek olmasına karşın kırılganlıkları
nedeniyle uygun olmadığını göstermiştir.
Malzeme Özelliklerini Geliştirme: Hafif ve kuvvetli
olmayan bir matris malzeme içine fiberler yerleştirildiğinde malzemenin daha
kuvveti olduğu saptanmıştır; bu durumun, matristeki çatlamanın ilerlemesinin
fiberler tarafından durdurmasından ileri geldiği anlaşılmıştır. Örneğin, uçak
kanadında kullanılan yüksek kuvvetli fakat ağır bir malzeme yerine, yeterli
kuvvete ve sıkılığa (stiffness) sahip olmayan bir polimer (matris) uygun bir
fiberle takviye edildiğinde daha kuvvetli, daha sıkı ve hafif bir ürün elde
edilir. Polimer matris fiberleri çevreden gelebilecek darbelerde korurken,
fiber takviyeler de kuvvetli arayüz bağlarla polimerden fiberlere transfer
edilen gerilimin büyük bir kısmını omuzlar, kırılgan polimer malzemeye ilave
bir kuvvet katar.
Endüstriyel İşbirliği: Cam üretim şirketleri camdan
fiber çekmeye 1932 yılında başlamışlardır. Kimya şirketlerinin ~1930 da
başlayan fenolik, üre, anilin-formaldehit gibi yeni polimerler üzerindeki
çalışmaları, doymamış poliester reçineler (~1936) ve epoksi reçinelerin (~1938)
elde edilmesiyle devam etti. Bu yeni termoplastik ve termoset reçineler
paketleme, yapıştırıcı ve ucuz kalıplama malzemelerin üretimi amaçlı
geliştirilirken, zamanla yüksek kuvvetli malzemelerin elde edilmesinde matris
olarak da kullanılabilecekleri düşünülmüştür.
Takviyeli Plastik Endüstrisinin Başlaması; Cam Fiber
Takviyeli Polimer (GFRP): GFRP, en basit şekliyle cam fiberlerin bir
polimer ergiyik içine konulması ve karışımın bir kalıba dökülmesiyle elde
edilir. Ancak fiberlerin matriste kütle veya yığınlar halinde kalmaması,
matrisin tamamı içinde homojen dağılmasına yönelik olarak araştırmalar
sürdürülmüştür. Matris olarak ilk sentezlenen reçinelerle çalışıldığında,
kürleme için uygulanan yüksek basınçta fiberlerin hemen tahrip olduğu
görülmüştür. Bunun üzerine düşük basınç allil poliester reçineler ve diğer ve
bazı reçineler (1940) geliştirilmiştir. 1942 yılında ilk fiberglas lamlnatlar
elde edilmiştir (PPG CR-38 ve CR-39 reçinelerle). Cam fiber takviyeli
polimerlerin (GFRP) ilk uygulamaları denizcilik sektöründe olmuştur; tahta ve
metal kayıkların yerini, hafif kuvvetli ve paslanmayan fiberglas kayıklar
almıştır. GFRP’lerler 1943’de havacılıkta kullanılmaya başlanmıştır.
Askeri uzay programlarındaki taleplere bağlı olarak yüksek
modül değerlerine sahip daha kuvvetli ve yüksek sıcaklıklara dayanıklı yeni
fiberlere yönelik araştırmalar başlamıştır. 1956 yılında fenolik reçine
matrisli ve asbest takviye malzemeli kompozitler sentezlenmiştir. Aynı yıllarda
metal matris kompozitler (MMC) üzerinde çalışmalara başlanmıştır.
Karbon ve Boron: 1960’lı yıllarda artan talep ve
gelişen teknoloji takviye malzemeleri üzerindeki çalışmaları tetiklemiştir.
Grafit (karbon) ve boron fiberlerin sentezlenmesiyle daha yüksek stiffness ve
daha kuvvetli yeni takviye malzemeler elde edilmiştir. Bir yıl kadar sonra
grafit fiberler poli matrislerde takviye olarak kullanılmaya başlanmıştır.
Karbonun aluminyum ve magnezyum gibi metallere karşı reaktif olması başlangıçta
grafitin metal matrislerde kullanımını engellemiştir; ancak daha sonra karbon
fiberlerin hava-dayanıklı kaplamalarla kaplanmasıyla bu engel aşılmış ve
grafit-aluminyum, grafit-magnezyum kompozitleri üretilmiştir.
Aramid Fiberler: Aromatik poliamidlerden elde edilen
ilk aramid fiber “kevlar” adı altında 1971 yılında üretilmiştir. Daha sonra
Kevlar üretiminde kullanılan öncül polimerin aromatik halkaları arasındaki amid
gruplarının pozisyonlarında değişiklikler yapılarak bazı özellikler
kazandırılması ve geliştirilmesiyle aleve dayanıklı Nomex elde edildi.
Takviyeli Plastiklerden Genel Kompozit Kavramına Geçiş:
1960’larda farklı kompozitler üzerindeki araştırmalar yoğunlaştırılmış ve
çeşitli fiberler ve çeşitli matrislere dikkate alınarak kompozit tanımı
genelleştirilmiştir; “kompozit, iki heterojen fazın uygun koşullar altında bir
araya getirildiği bir malzemedir”. Kompozit malzemelerin dizaynı, bilim
adamları ve mühendisleri kompozitteki iki faz arasındaki arayüz üzerinde
çalışmaya yönlendirdi. Heterojen yapıların mekanik özellikleri komponentler
arasındaki arayüzlerin kalitesine bağlı olduğundan, fiber ve matris arasındaki
kimyasal bağları güçlendirecek katkı maddeleri geliştirilmiş ve yeni
oryantasyonda malzemeler elde edilmiştir.
Polimer matris kompozitler
(PMC), matris olarak bir polimer reçine ve takviye ortamı olarak da fiberler
ve/veya diğer takviye malzemeler içeren kompozitlerdir. Takviye faz ve matris
arasındaki etkileşim kuvvetli kimyasal bağlardan zayıf sürtünme kuvvetlerine
kadar farklı şekillerde olabilir.
Üçüncü Jenerasyon (1970 ve 1980’ler): Yeni
Pazarlar ve Özelliklerin Sinerjisi Üzerinde Araştırmalar
Havacılık ve çeşitli sivil
endüstri dalları, spor ve otomobil endüstrileri kompozit pazarında çok önemli
yerleri olan sektörlerdir. Bilgisayarların da kullanıma girmesiyle malzeme
dizaynında yeni bir yaklaşıma, özelliklerin sinerjini araştıran çalışmalara ağırlık
verilmiştir.
Metal Matris Kompozitler (MMC): Uzay yarışları
başladığında araştırmaya kapsamına alınan MMC’lerin optimizasyon çalışmaları
gündeme geldi. Metal matris kompozitler yüksek kuvvet, yüksek sıcaklık
dayanıklılığı ve düşük termal genleşme katsayısı (CTE) özelliklerini birarada
içerir; bu nedenle MMC malzeme termal çevrim peridotları sırasında fazla
kasılmaz ve genleşmez. Metalik matrisler için 1970’lerde yeni fiberlerin (SiC
gibi) geliştirilmesi, karbon ve boron fiberlerin kaplanmasıyla MMC’ler 1990
yılarında uzay çalışmalarında yaralanılan çok önemli bir malzeme durumuna geldi
(örneğin, SiC / Cu, Al2O3 / Al, SiC / Al, v.s.).
Metal matris kompozitler
(MMC), esneyebilir (ductile) bir metal matris ile takviye malzemelerden oluşan kompozitlerdir;
matris daima bir metal olarak tanımlanırsa da metaller ve hafif metal
alaşımlarıdır. Metal matris kompozitlerin çalışma sıcaklıkları 200-800 0C
dolayındadır; bu nedenle yüksek sıcaklık uygulamaları gerektiren ortamlara
uygundur.
Seramik Matris Kompozitler (CMC): Seramik matris
kompozitlerin geliştirilesi, yüksek sıcaklığa dayanıklı takviye fiberlerin (SiC
gibi) keşfinden sonra olabilmiştir; çünkü, seramiğin sinterleme prosesinde
uygulanan yüksek sıcaklıklar, düşük-ergime noktalı fiberlerin bozulmasına neden
olur. CMC’leri elde edilmesinde Nicalon SiC fiberlerin sentezi (1976) ilk temel
adım olmuştur. Seramiklerde fiber, çatlamaya karşı köprü görevi yapar,
çatlamanın ilerlemesini yavaşlatır, durdurur. Ancak bu işlevi yaparken
fiberlerin, çatlamadan dolayı oluşan enerjinin bir kısmını absorblayarak metal
matristeki yerleşimleri bozulur; istenmeyen bu durum fiberlerin kaplanmasıyla
giderilmiştir. (Örneğin, SiC takviyeli alumina seramik)
Seramik matris kompozitlerde
(CMC) matris, seramik olarak tanımlanan geniş bir inorganik malzemeler
grubudur; örneğin, silika bazlı camlar, kristalin seramikler, intermetalikler
ve karbon gibi. Bunların tümü yüksek sıcaklıklara dayanıklı yapısal
malzemelerdir. Kimyasal bağları genellikle bir kovalent hibrid ve iyoniktir;
dolayısıyla ergime noktaları yüksek, kimyasal stabiliteleri yüksek, elastik
modülleri yüksek ve atomik hareketlilikleri düşüktür. Bu özelliklerinin sonucu
olarak çok serttirler ve kaymaya (creep) dirençlidirler, fakat kırılgandırlar.
Karbon-karbon kompozitler
(CCC) karbon (veya grafit) fiber takviyeli karbon matris kompozitlerdir; hem
takviye ve hem de matris faz karbondur. Monolitik grafit kırılgandır ve kuvvetli
olmayan bir malzemedir. Yüksek sıcaklık uygulamalarda termal kararlılığın
fevkalade olduğu, karbon matris içinde yüksek-kuvvetli karbon fiberler
bulunduğu karbon-karbon kompozitler geliştirilmiştir.
Kompozit malzemelerin özelliklerinde sinerjetik etkiler
çeşitli ve kapsamlı araştırmalara konu olmuştur. Bazı sinerji örnekleri
kompozit teknolojisine yeni bir bakış açısı getirmiştir. Kompozit tanımları
farklı şekillerde ifade edilmeye başlanmıştır:
“Kompozitler, bir matris ve takviye fiberlerin
birleşmesinden oluşan bir malzemedir (1970)”. “Kompozitler, içerdiği
elementlerin özellikleri arasında bir sinerji etkinin doğduğu malzemelerdir
(1980)”.
1990’larda akademik ve endüstriyel araştırmacılar kompozit
modellerinde küçük, daha da küçük skalalara yönelmeye başladılar: Makroskopik
skaladan moleküler skalaya doğru: Hibrid malzemeler. Nano skalaya doğru:
Nanokompozitler
Hibrid Malzemeler; Doğadan Ders Almak: Hibrid
malzemelerde organik ve inorganik komponentler (moleküler skalada) karışık
haldedir. Yumuşakça kabukları, kemikler, odun, canlı organizmalarca yapılan pek
çok malzeme inorganik ve organik komponentlerden oluşmuştur. Biyolojik
makromoleküller proteinler ve mineral fazların çok çeşitli seviyelerdeki
karışımıdır. Örneğin sedef, protein organik tabakalarla kalsyum karbonat
tabakalardan oluşmuş sandviç yapı bir malzemedir. Kemikte matris faz kollajen
protein fiberler, takviye malzeme de küçük hidroksiapatit (inorganik)
kristallerdir. Aluminyum matriste takviye küçük SiC partiküller (MMC), ve
alumina matriste küçük zirkon partiküller (CMC) içeren kompozitler tipik
örneklerdir.
Hibrid kompozitler,
konvensiyonal kompozitlerin üstün fiziksel ve mekanik özellikleriyle mikrofil
kompozitlerin düzgün yüzey oluşumlarını bir araya getirmek için geliştirilmiş
kompozit türleridir. Dolgu maddesi genellikle bir mikrofil ve küçük
dolgulardır; tanecik büyüklüğü ~0.4-1 mm’dir. Fiziksel ve mekanik özellikleri konvensiyonal
kompozitlere kıyasla daha yüksektir. Hibrid kompozitler, bir matriste iki veya
daha fazla farklı fiber veya takviye içeren kompozitlerdir; hibrid kompozitler,
tek tip takviyeli kompozitlere kıyasla çok daha yeterli özelliklere sahiptir.
Örneğin, C ve cam fiberlerin polimerik bir reçine matriste biraraya getirildiği
sistemler çok yaygındır. Karbon fiberler kuvvetlidir, oldukça serttir ve düşük
yoğunlukludur. Cam fiberler karbonun sertliğine sahip değildir. Cam-karbon
hibridi kuvvetli ve dayanıklıdır, darbe direnci yüksektir.
Nanokompozitler: Bilgisayar elemanlarının yapımında mikro
sentezlerle başarılı sonuçların alınması, malzeme bilimcileri atom-atom
yapıların oluşabileceği nano skala boyutlarda (<100 nm) kompleks malzemelere
yönlendirmiştir. Biyolojik sistemler nanomalzemelere tipik modellerdir: "nanometre
skala için ilginç fikirler ve stratejilerin bulunduğu biyolojiden daha zengin
bir hazine yoktur”. Nanokompozitler üzerindeki araştırmalara çok emek ve para
harcanmıştır. Temel sorun mikro skaladan nano skalaya ekstrapolasyonun
olanaksız olmasıdır; nano skalada kuvantum etkiler önceliklidir.
Nanokompoziter, kompoziti
oluşturan bir veya daha çok fazın nano skala (<100 nm) boyutlarında olduğu
bir malzemeler sınıfıdır. Nano skala bir fazın ilavesindeki genel düşünce,
çeşitli bileşenler arasında bir sinerji yaratılarak malzemeden istenilen yüksek
performans özelliklerine ulaşabilmektir. Nanokompozit malzemelerin özellikleri
malzemeyi oluşturan elemanların özellikleriyle sınırlı olmayıp, malzemenin
morfolojisi ve yüzey arası karakteristiklerle de ilgilidir.
Aşağıda 1700’lü yıllardan günümüze kadar yapılan bazı ilk
kompozitler ve üretilen polimerik malzemelere tipik örnekler verilmiştir.
1783: İlk balonun
uçurulması. Kompozit malzeme olarak keten fabrikler ve kâğıt (J. M. ve J.É.
Montgolfier, 25 Nisan), ipek fabrikler ve kauçuk (J.A.Charles ve F.P.Rozier, 1
Aralık) kullanıldı.
1839: Doğal kauçuğun gum ve sülfürle vulkanizasyonuyla pnömatik lastik yapıldı (Charles Goodyear). 1887’de pnömatik bisiklet lastiği (John Boyd Dunlop, 1887) ve 1895’de pnömatik sökülebilir araba lastiği (A. & E. Michelin) yapıldı.
1839: Polistiren elde edildi (E. Simon). 1862: İlk
plastikler kâğıt hamurundan elde edilen nitroselülozla üretildi. “Parkesine”:
nitroselüloz + kâğıt (Alexander Parkes)
1870: “Celluloid”: nitroselüloz + kamfor (John Wesley Hyatt). 1872: Poli(vinil klorür) üretildi.
1878, 1879:
Ampulde kullanılan karbon fiber yapıldı: Filament, pamuk ipliğinin
karbonizasyonuyla yapıldı (Joseph Wilson Swan, 1878). Filament olarak karbonize
bambu kıymıkları kullanıldı (Thomas Alva Edison, 1879).
1884: Üre formaldehit üretildi. 1889: İlk yapay ipek fiber “Rayon”, kâğıt
hamurundan rejenere selülozik filamentler çekilerek üretildi (Hilaire de
Chardonnet). 1898: Polikarbonat
üretildi (A. Einhorn).
1903: İlk uçağın
yapılması ve uçurulması: Deneme uçuşları: Samuel P. Langley (7 Ekim, 8 Aralık),
İlk uçağın başarıyla uçurulması: O. ve W. Wright (17 aralık).
1907: Fenol
formaldehit reçinesi üretildi (S. Smith ). Bakalit elde edildi: fenol formaldehit+pamuk
(Leo Baekeland).
1927: Anilin formaldehit reçinesi üretildi. (Soc. Anon. pour l'Ind. chim. A Bale).
1933: Doymamış
poliester reçine üretildi (Carleton Ellis). Doymamış poliester reçine + cam
fiber kompozit yapıldı (P. Castan).
1935: Polietilen (PE) üretildi (R. Gibson, E.Fawcette). 1935: Naylon; fiber yapılabilen
poliamidin keşfi (Wallace H. Carothers). (1943’de naylondan uçak lastiği
yapıldı)
1936: Melamin
formaldehit reçinesinin patenti alındı (William F. Talbot).
1938: Epoksi reçinelerin ilk patenti alındı (P.Castan). Epoksi + cam fiber kompozit yapıldı(C. Ellis).
1941: Polietilentereftalat (PET) üretildi (J. R. Whinfield ve J. T.
Dickson). 1942: İlk poliakrilonitril
(PAN) akrilik fiber üretildi (Herbert Rein).
1942: Fiberglas
kayıkların doğumu (Ray Green). 1944:
İlk cam fiber takviyeli kompozit GFRP radar anteni yapıldı (TBM Avenger Torpedo
Bomber). 1953: İlk GFRP araba kasası
yapıldı (Chevrolet Corvette).
1960’lar: a-Olefinlerin stereoregüler polimerizasyonu
gerçekleştirildi; izotaktik polipropilen (PP) üretildi (K. Ziegler ve G. Nata.
1963).
1964: Polimidler yapıldı. Aramid fiber Kevlar (S.
Kwolek & W. Sweeny) ve Nomex üretildi (Wilfred Sweeny).
1959-1969: Boron ve karbon fiberler üretildi. İlk boron fiber
üretildi, C.P.Talley (1959). Grafit whisker yapıldı; mikroyapı kontrolüyle çok
yüksek elastik modüllü karbon fiber elde edilebileceği ispatlandı, Roger Bacon
(1960).
Kömür katranından (zift)
karbon fiber yapıldı, Sugio Otani (1963). Petrol ziftinden karbon fiber yapıldı,
Leonard S. Singer (1965). Rayondan karbon fiber üretildi, R. Bacon (1969).
1969: İlk cam fiber takviyeli uçak; The Eagle AC-7.
1970’ler: Karbon
fiberler spor malzemeleri yapımında kullanılmaya başlandı. Grafit tenis
raketleri, golf sopaları, v.s. gibi.
1990’lı yıllar:
Uzay araçlarında metal matris kompozitler uygulanmaya başlandı.
