Şekil-1: Bazı (a) polimer, metal ve seramik
matrisler, (b) monolitik malzemeler ve kompozitlerinde spesifik kuvvet
Kompozitler bir arayüzle birbirine bağlanan, kendi
özelliklerini koruyan farklı fazlar veya malzemelerin bir kombinasyonudur.
Farklı elemanlar bir araya gelerek kompozitin fiziksel ve mekanik özelliklerini
belirlerler.
Kompozitteki primer faz matristir; süreklidir ve esnektir,
dispers (takviye) fazı tutar ve uygulanan yükün dağıtılmasını sağlar. Dispers
faz genellikle matristen daha kuvvetlidir, matris içinde sürekli veya rastgele
düzenlemelerde bulunabilir.
Polimer matris kompozitler 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. Arayüz
olarak tanımlanan bu tür etkileşimler takviyelerin uygun malzemelerle
kaplanarak kullanılmasıyla kontrol altında tutulur.
Polimer matris kompozitler, kompozit uygulamalarında en çok
kullanılan kompozit türüdür; fabrikasyon prosesleri kolaydır. Gerilme kuvveti,
sıkılığı (stiffness), kırılma veya çatlama dayanıklılığı (fracture toughness)
yüksektir, aşınmaya, delinmeye ve korozyona karşı dirençlidir. PMC’lerin önemli
dezavantajları termal dirençlerinin düşük ve termal genleşmelerinin yüksek
olmasıdır. Yüksek performans fiber takviyeli polimer matris kompozitler
hafifliği, korozyona dirençleri, yorulmaya dayanıklılıkları ve kolay montaj
edilebilmeleri gibi nedenlerle çok çeşitli dallarda tercih edilen malzemelerdir.
Kullanım alanları arasında uzay araçları ve uçak yapıları, elektronik paketleme
malzemeleri, medikal ekipmanlar ev gereçleri gibi çeşitli önekler verilebilir.
En önemli polimerik kompozitler doğada bulunmaktadır; bunlar
‘doğal kompozitler’ olarak tanımlanır; örneğin odun, lignin matriste selüloz
fiberlerin yer aldığı doğal bir kompozittir.
Şekil-2’deki
sınıflandırma sisteminde görüldüğü gibi pek çok türde polimer matris
kompozit vardır. Dolgulu ve takviyeli
kompozitlerin özellikleri ve tipik bazı takviye malzemeler “BÖLÜM. 2 ve BÖLÜM.
3’de anlatılmıştır.
Takviye Malzemenin Şekli ve Oryantasyonu: Takviye
malzeme partiküller, flaklar, fiberler veya laminatlar olabilir. Partiküller
için tercih edilen herhangi bir yönlendirme yapılmaz, matris malzemelerin
özelliklerini geliştirmesi ve/veya maliyeti düşürmesi üzerinde durulur;
küresel, kübik, platelet, veya düzgün veya düzensiz geometrik formlarda
olabilir. Partikülat takviyelerin boyutları her yönde yaklaşık olarak eşittir.
Polimerlerin sıkılığı (stiffness), kuvveti ve kırılma dayanımı düşüktür. Bu
özellikler mikro-/nano-SiO2, cam, Al2O3,
Mg(OH)2 ve CaCO3 partiküller, karbon nanotüpler, ve
tabakalı silikatlar gibi inorganik partikülatlarla takviye edilerek
yükseltilir.
Teknolojik olarak en önemli polimer matris kompozitler,
dispers (takviye) fazın bir fiber formda olduğu kompozitlerdir.
Şekil-2: Polimer bazlı kompozitlerin
sınıflandırma sistemi
·
Cam Fiber-Takviyeli Polimer Kompozitler (GFRP)
·
Karbon Fiber Takviyeli Polimer Kompozitler
(CFRP)
·
Aramid Fiber Takviyeli Polimer Kompozitler
(AFRP)
·
Diğer Fiber Takviyeli Polimerler
En çok kullanılan fiber takviyeler cam,
karbon ve aramidlerdir. Diğer fiberler arasında, kullanımı sınırlı veya fazla
yaygın olmayan ultra yüksek molekül ağırlıklı polietilen (UHMWPE) fiberlerle,
boron, silikon karbür ve aluminyum oksit fiberler sayılabilir. Şekil-3’de CFRP, AFRP, GFRP kompozitlerin gerilme-gevşeme ve
yük-gevşeme eğrilerinin çelik ve aluminyumla kıyaslamaları, Şekil-4’de aynı
kompozitlerin SEM görüntüleri verilmiştir.
Şekil-3: Bazı CFRP, AFRP,
GFRP ve, (a) yumuşak çeliğin gerilme-gevşeme, (b) aluminyumun yük-gevşeme,
eğrilerinin kıyaslamaları
Şekil-4: Bazı GFRP, CFRP ve ARFP
kompozitlerin SEM görüntüleri
Fiberglas,
bir polimer matriste sürekli veya süreksiz cam fiberlerin bulunduğu basit bir
kompozittir. En çok kullanılan cam (E-cam) fiberlerin çapı 3-20 mm
arasındadır; bileşimi: % 52-56 SiO2, % 12-16 Al2O3,
% 16-25 CaO, ve % 8-13 B2O3.
Fiberglasların
üretiminde kullanılan en popüler matrisler doymamış poli-esterler ve epoksiler
gibi termosetler, naylon (poliamid), polikarbonat, polistiren ve
polivinilklorür gibi termoplastiklerdir. Fiberglaslardaki cam fiberler
genellikle %40-70 aralığında değişir. Fiberglas malzemeler takviye cam
tabakalarda farklı fiber oryantasyonlarıyla laminar yapılara sahiptirler; bu
durum laminatlara paralel düzlemde malzeme özelliklerinin anizotropik olmasına
neden olur.
Cam
fiberlerin yüzey karakteristikleri, çok az bir çatlama bile gerilme
özelliklerini etkilediğinden, çok önemlidir. Başka bir sert malzeme
sürtünmesiyle yüzey kolaylıkla çatlayabilir. Keza, cam yüzeyler kısa bir süre
bile normal atmosferle karşılaştığında yüzey tabaka genellikle zayıflar ve bu
durum matrisle olan bağlantıyı etkiler. Bu nedenle cam fiberler çekilirken,
yüzeylerinin tahrip olmasını önleyecek ve çevresel etkilerden koruyacak ince
bir malzeme tabakasıyla kaplanır. Kompozit üretilirken bu malzeme çıkarılır ve
yerine fiber ile matris arasında iyi bir etkileşim sağlayan bir ‘kapling
madde’si (veya arayüz) konulur.
Fiberglasların
pek çok uygulama alanları vardır: Otomotiv ve deniz araçları kasaları, plastik
borular, depolama konteynerleri ve endüstriyel kaplamalar gibi.
Karbon fiber takviyeli polimerlerde (CFRP) kullanılan
en popüler matrisler arasında, termoset epoksiler ve poliesterler ile
termoplastik naylonlar (poliamidler) sayılabilir. CFRP malzemeler laminat
yapıdadırlar ve iki dik yönde (boylamasın ve enlemesine) takviye etkisi
gösterirler. Üretimlerinde açık kalıplama, kapalı kalıplama ve pultruzyon
yöntemleri kullanılabilir.
Karbon fiber takviyeli epoksi matrisli
kompozitlerde kompozitin kuvveti ve sertliği reçine (örneğin, epoksi) içindeki
karbon miktarıyla kontrol edilir. Kompozitin bu tür özelliklerinin istenildiği
şekilde ayarlanabilmesi kullanım alanını genişletir. Spor ve eğlence
malzemeleri (balıkçılık ve golf gibi), roket motor kasaları, basınçlı kaplar,
uçak yapısal komponentleri, sabit kanatlar ve helikopter komponentleri gibi
malzemelerin yapımında çok yaygın olarak kullanılırlar.
Aramid fiberler polimer matrislerle çok
kullanılan bir fiberler grubudur. Epoksiler ve poliesterler tipik matrislerdir.
Aramid fiberler esnek ve biraz ductile olduğundan, pek çok tekstil prosesiyle
işlemlenebilir. Aramid kompozitlerin tipik uygulama alanları arasında, balistik
ürünler (kurşun geçirmez yelekler), spor eşyaları, iplik, halat, mermi
kasaları, basınçlı kaplar, otomobil fren ve kavrama hatları (asbest yerine) ve
contalar sayılabilir.
Sürekli ve dizili cam, karbon ve aramid
fiber takviyeli epoksi matrisli kompozitlerin özellikleri tablo-1’de
verilmiştir; fiberlerin, hacim fraksiyonu 0.60’tır. (L: boylamasına
“longitudinal”, T: enlemesine “transverse” dizilişi gösterir.)
Tablo-1: GFRP, CFRP ve AFRP Kompozitlerin
Tipik Özellikleri
Tipik Özellikleri
GFRP (E-cam)
|
CFRP
(karbon)
|
AFRP
(Kevlar 49) |
||||
Spesifik gravite
|
2.1
|
1.6
|
1.4
|
|||
Gerilme modülü, GPa
|
45
L
|
12
T
|
145
L
|
10
T
|
76
L
|
5.5
T
|
Gerilme kuvveti, MPa
|
1020
L
|
40
T
|
1240
L
|
41
T
|
1380
L
|
30
T
|
Son gerilme gevşemesi, %
|
2.3
L
|
0.4
T
|
0.9
L
|
0.4
T
|
1.8
L
|
0.5
T
|
