a. Fiberler
Teknolojik olarak en önemli kompozitler, dispers (takviye) fazın bir fiber formda olduğu kompozitlerdir. Cam fiberler bilinen en eski fiber takviye malzemelerdir. Seramik ve metal fiberler daha sonraları bulunmuştur; bunlar kompozite sertlik ve ısıya dayanıklılık kazandırırlar.
Kompozit malzemeleri kuvvetlendirmede organik ve inorganik fiberler kullanılır. Hemen hemen tüm organik fiberler düşük yoğunlukludur, esnektir ve elastiktir. İnorganik fiberlerin modülleri ve termal stabiliteleri yüksektir, organik fiberlerden daha serttir ve çeşitli üstün avantajlara sahiptir.
Sürekli, dizili fiberler en etkili takviyelerdir ve özellikle yüksek performans kompozitlerde çok kullanılan fiberlerdir. Sürekli fiberler (veya filamentler) yoğunlukları düşük, kuvvetleri yüksek olduğundan uzunlukları mekanik özellikler üzerinde çok etkilidir. Uzun-fiber takviyeli kompozitler kısa-fiberlerle (süreksiz-fiberler) takviyeli olanlardan daha kuvvetlidir. Uzun-fiber takviyeli kompozitler bir matris ve uzun-fiberler şeklindeki bir takviye fazdan oluşur; uzun-fiberler tek-yönlü, veya çift-yönlü oryente olabilir.
Sürekli fiberler, tekstil teknolojisiyle çeşitli takviye formlara (preformlar) dönüştürülerek daha yüksek kuvvet gibi bazı spesifik özellikler ve fabrikasyon kolaylığı sağlanır. İki-boyutlu (2D) ve üç-boyutlu (3D) fabrikler ve braidler bu tür malzemelere tipik örneklerdir.
Kısa-fiber takviyeli kompozitler bir matris ile dispers faz olarak kısa-fiberlerin bulunduğu kompozitlerdir; bunlar rastgele, veya istenilen oryantasyonda hazırlanabilir. Tipik örnek olan whiskerler (örneğin grafit, SiC, SiN, Al2O3, v.s.), yüksek kristalin yapılarda ve çok kuvveti malzemelerdir. Özel oryantasyonlu kısa fiberli kompozitler, sürekli fiber takviyelilerden çok daha yüksek kuvvete sahiptirler.
Fiberler biri çok uzun olan üç eksenle karakterize edilir, çoğu kez daireseldir veya dairesele yakın yapıdadırlar. Fiberler polikristalin veya amorf malzemeler olabilir, çapları küçüktür; tipik fiberler olarak aramidler, cam, C, B, Al2O3 ve SiC sayılabilir. İnce tellerin çapları fiberlere kıyasla biraz daha büyüktür; örneğin, çelik, molibden ve tungsten takviye malzemeler olarak kullanılan tellerdir.
Başlıca fiber tipleri arasında cam fiberler, metal fiberler ve teller, alumina fiberler, boron fiberler, silikon karbid fiberler, aramid fiberler, yüksek silika ve kuvartz fiberler, grafit fiberler ve multifaz fiberler sayılabilir. (Tablo-2)
Fiberler çok çeşitlidir; örneğin, poliamidler, aramidler, naylonlar, polietilen (UHMWPE), karbon (C), cam, kuvartz, silika, SiC, alumina (Al2O3), metalikler ve mutifaz fiberler tipik fiber takviye malzemelerdir.
Fiber
|
Yoğunluk g/cm3
|
Modül, GPa
|
Gerilme kuv. MPa
|
CTE, ppm/K
|
TC, W/m.K
|
E-Cam
|
2.6
|
70
|
2000
|
5
|
0.9
|
HS-Cam
|
2.5
|
83
|
4200
|
4.1
|
0.9
|
Aramid
|
1.4
|
124
|
3200
|
-5.2
|
0.04
|
Boron
|
2.6
|
400
|
3600
|
4.5
|
-
|
SM-Karbon (PAN)
|
1.7
|
235
|
3200
|
-0.5
|
9
|
UHM-Karbon (PAN)
|
1.9
|
590
|
3800
|
-1
|
18
|
UHM-Karbon (PAN)
|
1.8
|
290
|
7000
|
-1.5
|
160
|
UHM-Karbon (zift)
|
2.2
|
895
|
2200
|
-1.6
|
640
|
UHK-Karbon (zift)
|
2.2
|
830
|
2200
|
-1.6
|
1100
|
SiC monofilament
|
3.0
|
400
|
3600
|
4.9
|
-
|
SiC multifilament
|
3.0
|
400
|
3100
|
-
|
-
|
Si-C-O
|
2.6
|
190
|
2900
|
3.9
|
1.4
|
Si-Ti-C-O
|
2.4
|
190
|
3300
|
3.1
|
-
|
Aluminyum oksit
|
3.9
|
370
|
1900
|
7.9
|
-
|
HDPE
|
0.97
|
172
|
3000
|
-
|
-
|
CTE: eksensel termal genleşme katsayısı, TC: termal iletkenlik
b. Whiskerler
Whiskerler, hemen hemen kusursuz olarak oluşan tek kristallerdir; genellikle farklı kesit alanları olan süreksiz ve kısa fiberlerdir. Whiskerler çeşitli malzemelerden yapılabilir; örneğin, grafit, SiC, Si3N4, Al2O3, bakır, demir gibi. Tipik uzunlukları 3-55 nm aralığında, uzunluk/genişlik oranı 1’den büyüktür. 7000 MPa’a kadar çıkan fevkalade yüksek kuvvete sahiptirler.
Bazı jeolojik yapılar whiskerler olarak tanımlanırken, ilk whisker laboratuarlarda tesadüfen oluşan bir malzemedir; başlangıçta bunun diğer yapıların bir yan-ürünü olması nedeniyle yararlı olup olmadığı üzerinde durulmamıştır. Kristal yapılar üzerindeki çalışmaların geliştirilmesi aşamalarında whiskerler üzerinde de yoğunlaşılmıştır. İlk araştırmalar whisker kuvvetinin etkin çapla ters orantılı olarak değiştiğini göstermiştir. Whiskerler (çap 2-10μm) matrisler içine yerleştirildiğinde oldukça iyi kompozitler elde edilmiştir.
Seramik whiskerler yüksek modüllüdür, kuvvetlidir ve düşük yoğunlukludur. Spesifik kuvveti ve spesifik modülleri çok yüksektir ve bu özellikleriyle seramik whiskerler hafif yapısal kompozitler için uygun takviye malzemelerdir. Seramik whiskerler, daha yoğun olan metalik whiskere kıyasla sıcaklığa, mekanik bozulmalara ve oksidasyona karşı daha dirençlidir, ancak çok kırılgandır.
Whiskerleri üretimlerinde çeşitli yöntemler uygulanır. Örneğin, SiC whiskerler sol-jel, plazma depozisyon, kimyasal buhar depozisyon (CVD) ve tarımsal atıkların pirolizi gibi değişik metotlarla elde edilirler.
c. Dolgulu Kompozitler
Dolgulu kompozitler iki grup altında toplanabilir: Tanecik (partikül) dolgulu kompozitler ve mikrospherler (katı ve oyuk). Bu tür kompozitler, plastik matrislere dolgu malzemeleri ilavesiyle üretilen kompozitlerdir; dolgu malzeme matrisin bir kısmının yerine geçer; kompozitin özelliklerini değiştirir; kuvvetini artırır ve yoğunluğunu düşürür.
Dolgulu kompozitlerin diğer bir tipi, bir ikinci-faz dolgu malzemeyle infiltre edilmiş üründür. İskelet bir hücreler grubu, balpeteği yapı, gözenekli bir ağ yapı şeklinde olabilir. İnfliltrant matristen bağımsız olabilir, fiberler veya toz malzemelerin bağlanmalarıyla şekillenebilir veya malzemenin bütünündeki boşlukları doldurma özelliğindedirler. Toz malzemelerden üretilen dolgular tanecik (partiküler) kompozit olarak da kabul edilebilir.
Poröz veya gözenekli (süngerimsi) bir kompozitin matrisi çeşitli malzemelerle kuvvetlendirilebilir; örneğin, bu amaçla metal impregnatlar kullanılabilir. Bu tür dolgulu kompozitler sınıfı içinde metal dökme, grafit, toz metallurji parçaları ve seramikler sayılabilir.
Balpeteği yapıda matris doğal olarak oluşmaz, önceden belirlenen şekle göre özel olarak dizayn edilir. Sandviç kompozitlerde heksagonal şekillerdeki levhalar reçine veya köpükle impregne edilerek çekirdek (veya göbek) olarak kullanılır.
Dolgu maddeleri düzensiz yapılar olabileceği gibi polihedronlar, kısa fiberler veya kürecikler gibi hassas geometrik şekiller de olabilir. Kompozitin özellikleri dolgu malzemenin şeklinden, yüzey yapılarından, tanecik büyüklüklerinden ve dağılımından etkilenebilir. Renklendirme amacıyla kullanılmamasına karşın bazı dolgu maddeleri kompozite renk veya opaklık verebilir.
Dolgulu plastikler iki bileşen gibi davranırlar. Alaşım değildirler ve bağlanmayı kabul edebilirler. Matris ve dolgu malzeme beraberce yerleşirler, birbirleriyle kimyasal reaksiyona girmezler. Bileşenler koordinasyon halindedir ve birbirlerinin özelliklerini bozmazlar. Dolgu malzemeleri kompozite sertlik, termal direnç, kararlılık, kuvvet ve aşınmaya karşı direnç, porözite ve yeterli bir termal genleşme katsayısı kazandırır.
Mikrospherler (Mikrokürecikler): Mikrospherler en çok kullanılan dolgu malzemeleridir; yoğunluğu kontrol edilebilir, tanecik boyutu kararlıdır. Katı ve oyuk (hollow) olarak iki tip mikrospherlerden bahsedilebilir. Katı veya hollow mikrospherler küresel şekilleri nedeniyle küçük bilyeler gibi hareket ettiklerinden malzemeye çok iyi akıcı özellikler kazandırır, gerilimi reçineye muntazam olarak dağıtır. Küresel taneciklerde ‘yüzey alanı/hacim’ oranı minimumdur.
Katı mikrospherlerin yoğunlukları oldukça düşüktür, dolayısıyla son ürünün ağırlığını ve ticari değerini etkiler. Camdan üretilen katı mikrospherler plastiklerde çok kullanılan malzemelerdir; bunlar, bir bağlayıcıyla kaplanarak hem diğer küreciklerle ve hem de yüzeylerinin reçineye bağlanmaları sağlanır. Böylece bağlanma daha kuvvetli olduğu gibi, küreciklerin etrafında sıvı absorbsiyonu da engellenir. Hollow mikrospherlerin spesifik graviteleri saf reçinelerden daha düşüktür. Hollow mikrospherler genellikle silikat bazlıdır ve polimerlerde kullanılan katı cam spherlerden daha büyüktür. Bu tür mikrospherler nemlenmeye karşı fazla hassas değildir, dolayısıyla tanecikler arasındaki etkileşim düşüktür.
Seramik alumina silikat mikrospherlerin yoğunluğu silisli mikrospherlerden daha yüksek, fakat daha kuvvetli ve aşınmaya daha dirençlidir; bu özellikleriyle yüksek basınç koşullarına uygundurlar.
d. Flaklar (Flake)
Flaklar daha yoğun paketlenebilir olmaları nedeniyle çoğu zaman fiberler yerine kullanılabilen takviye malzemelerdir. Polimer matrisli kompozitler metal flakllarla takviyelendirildiğinde, metal flaklar birbirleriyle temas halinde olduklarından ısı ve elektriği iletirken, mika flak ve cam flak takviyelerle direnç gösterirler. Flak takviyelerde boyut ve şekil kontrolü çok önemlidir, uygun olmayan flak kullanımı kompozitte arızaların oluşmasına yol açar.
Cam flakların kenarları kırık veya çentikli olabilir, bu durum matris içinde birbirlerine paralel konumda yerleşmelerini zorlaştırır ve kompozite düzgün ve kararlı bir kuvvet sağlanamaz. Flaklar genellikle matris içine yerleştirilirler, veya daha basit bir yolla, matriste yapıştırıcı-tip bir bağlayıcıyla tutulurlar.
Flakların yapısal uygulamalarda fiberlere kıyasla çeşitli üstünlükleri vardır. Paralel flak dolgulu kompozitler, flaklarla aynı düzlemde muntazam mekanik özellikler gösterirler. Sürekli fiberlerde izotropik özellikler gerektiren açılı-plying zordur, oysa flaklarla bu tür yapılar mümkündür. Flak kompozitler fiber takviyeli kompozitlerden daha yüksek teorik elastik modülüne sahiptir. Ayrıca flak takviyeler daha ucuzdur ve az miktarlarda üretilebilir.
Partikül takviyeli kompozitler, partiküllerin boyutlarına göre iki grupta toplanır: Büyük tanecikli kompozitler ve dispersiyonla kuvvetlendirilmiş kompozitler. Büyük tanecikli kompozitlerde partiküller kare, üçgen ve yuvarlak şekillerde olabilir; ancak, her birinin boyutları az çok birbirine eşittir. Taneciklerin büyüklüğü birkaç mikron seviyesinde, hacim konsantrasyonu %28’den büyüktür.
Oksit tip tanecikler reaksiyona girmediklerinden kuvvetlendirme etkisi yüksek sıcaklıklarda da devam eder. Bu malzemelerde ısıya dayanıklılık ve kayma direnci yüksektir. Örneğin, TD-Ni-alaşımlar (toryum oksit ThO2 dispersli nikel alaşımları), SAP (Al matriste çok küçük Al2O3 dağıtılmasıyla yapılan sinterlenmiş Al toz).
Şekil-7: Tipik bazı partikül takviyeli kompozitlerin SEM görüntüleri
e. Partikülat Takviyeli Kompozitler
Kuvvetlendirme, matristeki taneciklerin sertlikleri ve hidrostatik baskılarıyla sağlanır. Örnek olarak beton (çimento matris ile kum + çakıl takviyeler), sermet (sermet; metal matris + seramik tanecikler) ve takviyeli kauçuk (kauçuk matris + C siyahı tanecikler) gösterilebilir (Şekil-7).
Dispersiyonla kuvvetlendirilmiş kompozitlerde hacim konsantrasyonu <%5’den taneciklerin büyüklüğü ~0.01-0.1μm’dur. Kuvvetlendirme atomik/moleküler seviyelerde meydana gelir. Kuvvetlendirme mekanizması metallerde çökelme sertleşmesine benzer. Uygulanan yükün büyük kısmını matris taşır, dispersoidler plastik deformasyonu sınırlayarak bozulma ve kaymaları önler.
In-situ (lokal, yerinde) fiberlerin üretilmesinde, alaşımların doğrudan katılaştırılması yöntemi uygulanır. Ergitilmiş alaşım katılaşırken bir kısmı çöktürülerek ayrılır. Bu malzeme eutektik alaşımdır. Ergimiş malzeme dejenere olarak kararlı bir sıcaklıkta çok sayıda faza ayrılır. Reaksiyon fazların katılaşmasından sonra yapıldığında doğrudan katılaşmış eutektikler oluşur. Alaşım katılaşırken ortamdan, veya kısmen soğuk bölgelerden kristal çekirdekleşmeler meydana gelir ve bu çekirdekler büyür.
