4. LAMİNA, LAMİNAT VE ÖZEL FORMLAR; TERMAL / FİZİKSEL ÖZELLİKLER

a. Camsı Geçiş Sıcaklığı, T_g

Bir polimer matris kompozitin camsı geçiş sıcaklığı, matris malzemede sıcaklıkla camsı halden kauçuksu hale, veya soğutulurken kauçuksu halden camsı hale oluşan dönüşümdür. Camsı geçişin meydana geldiği sıcaklık, polimer zincirlerin moleküler yerleşimleri ve çapraz-bağ yoğunluğunun fonksiyonu olarak değişir. Ayrıca, ölçmede uygulanan ısıtma ve soğutma hızına ve dinamik mekanik teknik uygulandığında test frekansına da bağlıdır. Camsı geçiş sırasında matris stiffness önemli derecede değişir; ilaveten malzemenin termal genleşme katsayısı ve ısı kapasitesi de değişir. Polimerik malzemelerin camsı geçiş sıcaklığının saptanmasında kullanılan birkaç farklı metot vardır; bunların çoğu fiber takviyeli malzemelere de uygulanabilir.

(Yarı-kristalin termoplastik kompozitlerin kristalin erime sıcaklığı (T_m) DSC veya DTA deneyleriyle saptanır.)

a1. Diferansiyal Taramalı Kalorimetre (DSC)

Kompozit malzemenin ısı kapasitesi camsı geçiş sıcaklığında değiştiğinden T_g değeri DSC tekniğiyle ölçülebilir. Camsı geçiş, ısı akışı-sıcaklık eğrisinde (Şekil-1) meydana gelen şift (değişiklik) olarak saptanır. Pek çok kalorimetrede T_g ölçümü yapabilecek yazılım bulunur.

Saf reçine örneklerde T_g tayini oldukça kolaydır; oysa kompozit bir örnekte reçine miktarı azdır ve reçinede bulunabilecek yüksek çapraz bağlanmalar nedeniyle ısı kapasitesi değişikliği düşük olur. Bu nedenle yüksek derelerde çapraz bağlı kürlenmiş kompozitlerde T_g tayini oldukça zordur.

Şekil-1: Diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC)

Camsı geçişte kompozit malzemenin ısı kapasitesi değiştiğinden T_g’nin tayininde DSC kullanılabilir; ısı akışı-sıcaklık eğrisinde, Şekilde görüldüğü gibi camsı geçiş noktasında bir şift (yer değiştirme) olur. ASTM E1356: (Diferansiyel Taramalı Kalorimetreyle Camsı Geçiş Sıcaklığının Tayini) test metodu önerilen tipik test metotlarından biridir.

a.2. Termomekanik Analiz (TMA)

Termomekanik analizler (genleşme, bükülgenlik, veya penetrasyon gibi) de T_g’nin tayininde kullanılabilir. Genleşme TMA’da sıcaklığın fonksiyonu olarak termal genleşme katsayısı a ölçülür. Şekil-2’de çeşitli TMA teknikleri için örnek geometrileri ve metotlar gösterilmiştir.

Bükülgenlik (flexural) TMA’da dikdörtgen bir örneğe bending uygulanır ve boyutsal değişiklilik sıcaklığın fonksiyonu olarak kaydedilir.

Penetrasyon mod TMA malzemenin sertliğini tayin etmekte kullanılır. Bu tekniğin tek dezavantajı penetrasyon probunun (uç) takviye malzemeye değmesi olasılığıdır; böyle bir durumda matrisin T_g değeri doğru olarak ölçülemez.

Şekil-2: Termomekanik analizler ve tipik boyutları;(a) genleşme, (b) bükülgenlik ve (c) penetrasyon TMA

a.3. Dinamik Mekanik Analiz (DMA)

Dinamik mekanik analiz test metotlar, organik matris kompozitlerin camsı geçiş karakterizasyonunu incelemede uygulanan en yaygın ve tercih edilen yöntemlerdir. Kompozitlere uygulanan birkaç tip DMA yöntemi vardır; Örneğin, bükülme pandül analiz (TPA) ve diğer rezonant teknikler, forslu osilasyon ölçmeler gibi. Bu tekniklerin hepsinde dinamik depolama ve modül kaybının ve tanjant kaybı (tan d) veya log azalmasının (L), sıcaklığın fonksiyonu olarak grafikleri elde edilir. tan d ve L, kayıp modüllerinin (E’’ veya G’’) depo modüllerine (E’ veya G’) oranıyla orantılıdır. Her yükleme saykılında yayılan enerjyi miktarını yansıtırlar ve camsı geçişte bir pik oluştururlar. DMA verilerinden çeşitli yöntemlerle T_g değeri tayin edilebilir. Şekil-3(a)’da görülen eğrilerden T_g değerleri, depolama modül eğrisinde geçişteki orta nokta, tan d ve kayıp modül eğrilerinin maksimumları olarak alınabilir. Bu metotla aynı DTA verileriyle elde edilen T_g değerlerinin birbirlerinden farklı olduğu görülmektedir.

Islak kompozit malzemelerde T_g ölçmesi daha zordur; ısıtma işlemi boyunca örnek aynı zamanda kurumaya başlar; bu nedenle örneğin kurumasını önleyecek tedbirler alınması gerekir. Örnek bir şekilde kaplanarak (seal) ağırlık kaybı mümkün olduğunca yavaşlatılabilir, ancak tamamen yok edilemez. Örnek yeteri kadar kalınsa, kayıp başlıca örnek dış yüzeyinde olacağından geniş veya çift pikli camsı geçiş gözlenir (Şekil-3b). Düşük sıcaklık bölgesi örneğin iç kısmının T_g değerini (hala ıslaktır), yüksek sıcaklık bölgesi ise kuru malzemenin T_g değerini yansıtır. Relatif pik yükseklikleri örnekteki ıslak ve kuru kısımların miktarlarını belirtir. Islak bir örneğin Tg değerinin ölçülmesinde ilginç olan bölge, geçişteki daha düşük sıcaklık kısmıdır.

ASTM D4065 (Dinamik Mekanik Özelliklerin Tayini) test metodu kuvvet ve rezonant tekniklerinin ikisini de kapsadığından plastiklerin DMA tayininde uygulanabilen bir yöntemdir.)

Şekil-3: (a) Dinamik mekanik analiz, (b) ıslak kompozit malzemenin dinamik mekanik analizi

b. Yoğunluk

Kompozit malzemedeki matrisin yoğunluğu, matris malzemenin net dökme veya kütle haldeki yoğunluğuna oldukça yakındır ve pratikte bu değer kullanılır; ancak her iki haldeki matris yoğunluk değerleri proseslerindeki farklılıklar nedeniyle tam olarak aynı değildir. Kompozitte matris farklı sıcaklık, basınç, ortam koşulları ve arafaz etkileşimleri altındadır. Teorik olarak kütle haldeki matris yoğunluğunun, kompozitteki aynı matrisin yoğunluğundan daha düşük olduğu kabul edilir. Kürlenmiş matris reçinelerin yoğunluğunun tayininde önerilen üç ASTM standardı bulunur; bunlar sıvı (su veya başka bir sıvı) yer-değiştirme metodu ASTM D792, yoğunluk gradient esasına dayanan ASTM D1505 test metodu ve test örneği hacminin bilinen miktardaki inert ideal bir gazın basınç değişimine göre ölçüldüğü (helyum piknometre) ASTM D4892 test metodudur.

b.1. ASTM D792: Yer-Değiştirme Tekniğiyle Plastiklerin Yoğunluk ve Spesifik Graviteleri

Katı plastik malzemenin önce havadaki ağırlığı saptanır, sonra örnek sıvı içine daldırılır ve sıvıdaki ağırlığı bulunur. Standartta iki tip metot önerilir:

·         Test metot A—katı plastiklerin sudaki yoğunluğu

·         Test metot B— katı plastiklerin sudan başka bir sıvıda yoğunluğu

Test Örnekleri: Örnekler levha, çubuk, tüp ve kalıplanmış parçalar olabilir. Örneğin alındığı malzemenin iki veya daha fazla tabakadan oluşması veya yoğunlukları farklı kısımlar içermesi halinde malzemenin değişik kısımlarından alınan örneklerde testler yapılır, ancak bu değerlerin ortalaması tek bir örnek için spesifik gravite değeri olarak verilemez, sonuçta işlemlerin rapor edilmesi gerekir.

Ölçülen Özellikler:

Test örneğinin (1-50 g arasında olabilir) havadaki ağırlığı ölçülür, sonra örnek bir telle tutturulup suya daldırılır ve ağırlığının tekrar saptanır. Örneğin yoğunluğu suyun yoğunluğundan daha düşükse suya dalabilmesi için tele bir ek ağırlık takılır.

a örneğin havadaki ağırlığı, b örnek ve ilave parçanın sıvıya tam olarak fakat telin kısmen daldığı haldeki toplam ağırlık, w ilave parçanın tam olarak fakat ve telin kısmen daldığı haldeki ağırlık, d = sudan başka diğer bir sıvının spesifik gravitesidir.

b.2. ASTM D1505: Yoğunluk-Gradient Tekniğiyle Plastiklerin Yoğunluğu

Metot, bir test örneğinin bir sıvı kolonunda (yoğunluk gradient kolonu, Şekil-1) batma seviyesini gözlemleyerek bilinen yoğunlukla kıyaslama esasına dayanır. Gradient tüpün hazırlanmasında üç farklı yöntem uygulanabilir (bak. D1505 Ek): Metot A (basamaklı ilave), Metot B (sürekli doldurma, daha düşük yoğunluklu sıvı), ve Metot C (sürekli doldurma, daha yüksek yoğunluklu sıvı) (Şekil-2)

Test Örnekleri: Test malzemesinden alınan bir parça test örneği olarak kullanılabilir. Örnek testin kolay izlenebilmesine olanak verecek şekilde kesilir. 0.025-0.051 mm kalınlıktaki film örnekler yüzey gerilimden etkilenebilir; böyle bir durumda film kalınlığının >0.127 mm olması önerilir.

Ölçülen Özellikler:Örneklerin yoğunlukları grafiksel yöntemle veya sayısal hesaplamayla tayin edilebilir.

Grafikle Hesaplama: Hazırlanan yoğunluk gradient tüpte float (yüzen madde) konumu-float yoğunluğuna karşı grafiğe alınır; örneğin kolonda sabit kaldığı konum eğri üzerinde işaretlenerek yoğunluk skalasından yoğunluk okunur.

Şekil-1: Yoğunluk gradient kolonu

Sayısal Hesaplama:

a ve b = iki standart float’un yoğunlukları (örnek yoğunluğunu kapsayacak aralıkta), y ve z = iki standardın (a ve b’nin) mesafeleri, x = bilinmeyen (örnek) malzemenin mesafesi

Şekil-1: Gradient tüp hazırlama aparatı, (a) Metot A, (b) Metot B

b.3. ASTM D4892: Helyum Piknometre Metoduyla Katı Ziftin Yoğunluğu

Pulverize edilmiş ve elenmiş malzemeden alınan örnek tartılır ve bir helyum piknometreyle hacmi ölçülür. Bu metotla yoğunluk iki ondalık basamakla saptanır. Daha hassas ölçümler gerektiğinde (üç ondalıklı) D2320 test metodu önerilir.

Test Örnekleri: Kuru zift malzemeden 50-200 g kadar kısım, tanecikler 2.36 mm delikli elekten (No.8 elek) geçebilecek kadar parçalanır, ezilir. Öğütme önerilmez. sonra No.38 elekten geçirilerek 600 mm küçük tanecikler uzaklaştırılır; bu eleğin üstünde kalan kısım test örneğidir.

Ölçülen Özellikler: Yoğunluk, (g/cm³) = kütle / hacim (25 ⁰C’de)

Kütlesi verilen bir zift örneğinin hacmi sıcaklıkla değiştiğinden ortam sıcaklığındaki değişiklikler önemlidir; bu nedenle hesaplamalarda 25 ⁰C’ye düzeltmelerin verilmesi gerekir.

 *0.00047 düzeltme faktörü D2962’den alınmıştır. **15 – 35 ⁰C arasında düzeltme faktörü için D4892 Tablo-1 (üç ondalıklı değer için)

W = örneğin kütlesi (g), V_t = örneğin hacmi, ölçme sıcaklığında (cm³), Dt = 25 ⁰C' ve ölçme sıcaklığı arasındaki sıcaklık farkıdır.

c. Kürlenmiş Tabaka Kalınlığı

Kürlenmiş tabaka kalınlığı, genellikle birkaç yerleşimdeki birer laminatın kalınlığının ölçülmesi, bu değerlerin ortalamasının alınması ve tabaka sayına bölünmesiyle tayin edilir. Ayrıca, mikrometrelerle (doğrudan) veya ultrasonik (dolaylı) ölçme yöntemlerle de kalınlık tayinleri yapılabilir.

ASTM E797: Manuel Ultrasonik Puls-Eko Kontak Metotla Kalınlık Ölçülmesi

Laminat kalınlığının ölçülmesinde puls-eko tip ultrasonik cihazlar kullanılabilir. Puls-eko ultrasonik eko enstrümanlar ultrasonik pulsun parçadan geçiş hızını ölçer. Kalınlık.(T) puls-eko ultrasonik teknikle ölçüldüğünde, malzemedeki sesin hızı ve malzemeden geçiş zamanının yarısıdır.

İncelenen malzemedeki hız malzemenin fiziksel özelliklerinin bir fonksiyonudur; genellikle bazı malzemeler grubu için sabittir. Cihazın görüntü elementi (katot ışını, veya digital görüntü gibi) ölçme aralığına bağlı olarak uygun kalınlık değerlerine ayarlanmalıdır. Geçiş zamanı-kalınlık ilişkisi Şekil-1’de verilmiştir.

d. Fiber Hacim Fraksiyonu (V_f)

Polimer matris kompozitlerin fiber hacim fraksiyonu dört farklı yöntemle saptanabilir; matris digesyon (ASTM D3171), yanma kaybı (ASTM D2584), alansal ağırlık, ve imaj analiz metotları.

d.1. ASTM D3171: Kompozit Malzemelerin Konstitüent İçeriği

Kompozit malzemelerin içerdiği matris ve takviye malzemeler, test örneğinin yapısına bağlı olarak iki farklı metoda göre tayin edilir: Test metot I ve II.

Test Metot I:

Kütlesi bilinen bir örnekteki matris kısım, örnek bir fırında tutularak veya uygun bir çözeltiyle işlemlenerek (çözerek) ayrılır. Çözelti matris içeren kısım, kalıntı fiberdir. Kompozit malzemenin içerdiği matrise göre kullanılan digesyon ortamı farklıdır ve değişik işlemler uygulanır:

·         İşlem A: epoksi reçine, çelik, bakır, .. matris için, konsantre nitrik asit kullanılır.

·         İşlem B: epoksi, fenolik, poliamid, termoplastik reçineler için sulu sülfürik asit + H₂O₂.

·         İşlem C: epoksi reçine matris için, etilen glikol + KOH karışımı kullanılır.

·         İşlem D: Aluminyum, pirinç, .. matris için NaOH çözeltisi kullanılır.

·         İşlem E: Çelik, titanyum, bakır, aluminyum,.. matris için hidroklorik asit kullanılır.

·         İşlem F: İşem A ile aynı, farklı olarak mikrodalgada ısıtma UYGULANIR.

·         İşlem G: Cam veya seramik gibi yüksek sıcaklıktan etkilenmeyen takviyelerle veya karbon gibi kontrollü sıcaklık uygulamasında parçalanmayan takviyelere uygulanır.

Test Metot II:

Düz panel formdaki fiber alansal ağırlığı bilinen laminatlara uygulanan bir yöntemdir; örneğin kalınlığı ölçülür; panel kalınlığından örneğin içerdiği matris ve takviye malzeme miktarları hesaplanır.

Test Örnekleri:

Test Metot I: test örneği, içerdiği malzemelerin hacimsel tayini için en az 0.5 g, boşluk tayini için 1.0 gramdır.

Test metot II. Test örneği boyutları laminat panelin boyutlarındadır; bir laminat yüzeyinin minimum yüzey alanı 625 mm²’dir.

Ölçülen Özellikler:

Test Metot I:

Test Metot II:

M_i ve M_f = örneğin başlangıçtaki ve digesyon veya yakmadan sonraki kütlesi (g), r_r ve r_c ve r_m = takviye malzemenin ve örneğin ve matrisin yoğunluğu (g/cm³), A = örneğin alanı (cm²), h = örneğin kalınlığı (m), N_p = laminattaki tabaka sayısı

d.2. ASTM D2584: Kürlenmiş Takviyeli Reçinelerin Yanma Kaybı

Metotta, kürlenmiş takviyeli reçine örneklerin yakıldıktan sonra bıraktıkları kalıntı miktarı ölçülür. Organik reçinede takviye olarak sadece cam fabrik veya filament bulunuyorsa metotta verilen koşullar atında elde edilen ağırlık kaybı örneğin içerdiği reçine miktarıdır. (Az miktarda bulunabilecek su veya solvent gibi uçucu maddeler ihmal edilebilir.)

Örneğin test şartlarında ağırlık kaybına uğrayan takviye malzemeler içermesi veya parçalanıp uçucu maddeler haline dönüşemeyen reçineler içermesi halinde bu test metodu uygulanamaz.

Test Örnekleri: Test örneği ~ 5 gram,maksimum boyut 2.5 x 2.5 cm’dir

Ölçülen Özellikler:

W₁ ve W₂ = örnek ve kalıntının ağırlıklarıdır (g).

d.3. Alansal Ağırlık / Kalınlık Metodu

Laminat veya örnek kalınlığı ölçülür; ölçülen bu kalınlık değeri, laminattaki tabaka sayısı, ve önceden tayin edilen fiber alansal ağırlığı ve fiber yoğunluğu değerleriyle fiber hacmi hesaplanır.

Alternatif olarak örnek kalınlığı doğrudan ölçülebilir (2).

V_f fiber hacim fraksiyonu, F_AW fiber alansal yoğunluğu (kütle/alan/tabaka), n laminattaki tabaka sayısı, t laminatın (veya örneğin) ölçülen kalınlığı, r_f takviye fiberin yoğunluğu, k birim dönüştürme faktörü (gerekirse). t_c laminatın (veya örneğin) hesaplanan ortalama kalınlığı, M örneğin kütlesi, A örneğin yüzey alanı, r_c örneğin ölçülen yoğunluğudur.

(1) ve (2) eşitliklerinin birleştirilmesiyle laminat örneğin kütle, yoğunluk ve alan özelliklerini kapsayan aşağıdaki eşitlik elde edilir.

d.4. Fiber Hacminin İmaj (Görüntü) Analizle Tayini

İmaj analiz metodu bir fiber hacim ölçme tekniğidir; kalınlık boyunca fiber dağılımı ve boşluk hacmiyle ilişkili bilgiler verirken atık kimyasallar oluşmasına olanak vermez. Bu teknikteki temel kabul, rastgele bir kesitte fiberlerin iki boyutlu dağılımda olduğudur. Polimer bir matriste karbon fiberler için, fiber-matris kontrastı (zıtlık) yeterli olduğundan çok uygun bir teknik olmasına karşın, cam fiberler durumunda, çevresindeki matris malzeme ile zıtlığın düşük olması nedeniyle doğru ölçme almak zordur. İmaj analiz için ticari bilgisayar yazılımlar geliştirilmiştir.

İmaj analizde metalografik örnek hazırlama ekipmanı ve bir yansıtmalı ışık miroskobu (digital kamera, imaj analiz yazılımlı bir bilgisayar bağlantılı) kullanılır. Otomatik imaj sistemi varsa, bu analiz manuel olarak da yapılabilir. Örnekler standart metalografik teknikle hazırlanır. 2 cm kadardır. Bu teknik, laminatlarda (tabaka oryantasyonu 0-60⁰) fiber hacmi tayininde uygulanabilir.

Tek bir yapıda test aşamaları özetle şöyle sıralanabilir: 1. Örnek uygun konumda yerleştirilir, 2. mikroskop fokuslandırılır, 3. bir imaj alınır, 4. fiberlerin pikselleri (görüntü elemanları) tanımlanır, 5. çift (binary) bir imaj oluşturulur, ve 6. beyaz ve siyah pikseller sayılır.

e. Boşluk Hacim Fraksiyonu (V_v)

Kürlenmiş polimer matris kompozitlerin boşluk hacmi tayininde digesyon (ASTM D2734). ve imaj analiz test yöntemleri kullanılabilir. Digesyon metodunda malzemenin içerdiği konstitüentlerin (reçine, takviye) mikarları ve yoğunlukları esas alınır İmaj analizinde mikrografik metotlar uygulanır.

ASTM D2734: Takviyeli Plastiklerde Boşluk Miktarı

Kompozitlerde bulunan boşluklar malzemenin bazı mekanik özelliklerini önemli derecede etkiler; örneğin yorgunluk direncini düşürür, su penetrasyon olasılığını artırır, kuvvetinde değişkenlikler yaratır. Kalite kontrolünde kompozit malzemenin boşluk miktarı önemli bir parametredir.

Reçinenin, takviye malzemenin ve kompozitlerin ayrı ayrı yoğunlukları ölçülür. Sonra reçine miktarı ölçülür ve teorik kompozit yoğunluğu hesaplanır. Bu değer ölçülen kompozit kompozit yoğunluğuyla kıyaslanır.

Yoğunluklar arasındaki fark boşluk miktarını gösterir. İyi bir kompozit %1 veya daha az boşluk içerir.

(Reçine ve kompozitin yoğunluğu tayininde ASTM D792, ASTM D1505, kompozitin reçine miktarı tayininde ise ASTM D2584 test metodu kullanılabilir)

R ve r = kompozitte reçine ve takviye miktarı(% ağ.), D ve d = reçinenin ve takviyenin yoğunluğudur.

T_d = teorik kompozit yoğunluğu, M_d = ölçülen kompozit yoğunluğu. r = reçine miktarı (% ağ.), g = cam miktarı (% ağ.), d_r = reçinenin yoğunluğu, d_g = camın yoğunluğudur.

f. Nem Difüzivite

Nem difüzivite standart metoduna göre (ASTM D5229) test malzemesi tek-faz Fickian malzemesi gibi davranır; bu davranış dışındaki malzemelerde doğru sonuçlar alınamaz. Fickian olmayan davranıştaki bir malzemede, oluşabilecek mikrokrak bağlantılar nemin hareketlenmesine yol açan patikalar meydana getirir. Malzeme Fickian ise testte davranışı incelenir ve difüzivitesi hesaplanarak davranışları ve test sonuçları kıyaslanır.

ASTM D5229: Polimer Matris Kompozitlerin Nem Absorbsiyon Özellikleri ve Şartlandırılması

Bu gravimetrik test metodunda bir test kuponunun özel çevresel koşullar altında tutulduğunda absorbladığı veya desorbladığı nem miktarı nedeniyle kütlesindeki değişiklilik izlenir. Metot dört işlem içerir; işlem-A’da nem difüzivitesi ve nem şartlandırması, B, C ve D’de ise test kuponunun havada, %50 relatif nemli ortamda ve nemsiz ortamlardaki şartlandırılmaları incelenir.

Örnek: 

Örneğin kütlesi en az 5.0 gramdır. Kare şeklinde bir levha veya eğik bir panel şeklindeki örnek için aşağıdaki eşitlik uygulanır. Örnek kalınlığı w/h ³ 100 eşitliğinde tanımlanan h değerinin % ±5’inden fazla olmamalıdır. (w = bir kenarın nominal uzunluğu, mm ve h = nominal kalınlık, mm’dir)

Ölçülen Özellikler:

A = Nem absorbsiyon veya desorbsiyon için kütlede değişimi (%), B =.Örneğin şartlandırılmadan önce alabildiği nem mikrarı (%), C = Çözünebilen madde kaybı (%), D_z.= Difüzivite (Şekil-1).

Şekil-1: Sekiz tabaka karbon/epoksi laminatın 120 ⁰F’da nem absorbsiyonu (0,45⁰,–45,0⁰)

W_i ve W_b = örneğin başlangıçtaki ve nem absorbsiyonu/ desorbsiyonu sonrası kütlesi (g), W_ar ve W_od = örneğin şartlandırımadan önceki ve fırında kurutuduktan sonraki kütlesi (g), W_ab ve W_p = nem absorblayan ana örnek kütlesi ve fırında kurutulan örnek kütlesi (g), h = örneğin ortalama kalınlığı (mm), M_m = dengede nem miktarı (%), M₂ M₁ = nem absorbsiyon eğrisinin başlangıçtaki eğimi, Ö t₂ – Ö t₁ = eğrinin lineer kısmı (Ö sn^-1)

g. Boyutsal Kararlılık (Termal ve Nem)

Kompozit malzemelerin boyutsal değişiklikleri sıcaklık ve nemden önemli derecede etkilenir. Bir örneğin uzunluk ve hacim değişikliği mekanik, optik veya elektriksel transduserle ölçülür ve sıcaklık veya zamanın fonksiyonu olarak kaydedilir. Lineer genleşmenin ölçülebildiği çeşitli teknikler vardır; örneğin, kadranlı göstergeler, mikrometreler, teleskoplar, lineer değişken diferansiyel transformerler, interferometreler ve X-ışını paternleri gibi.

Takviyesiz polimerler ve bunların kompozitlerinin termal genleşmelerini tayinde kullanılan dört standart test metodu vardır; ASTM E831 (Katı Malzemelerin Termomekanik Analizle Lineer Termal Genleşmeleri), ASTM E228 (Katı Malzemelerin İtme-Çubuk Dilatometreyle Lineer Termal Genleşmeleri), ASTM E289 (Sert Katı Malzemelerin İnterferometreyle Lineer Termal Genleşmeleri) ve ASTM D696.

ASTM D696: Plastiklerin Vitreous Silica Dilatometreyle -30⁰C ve +30⁰C arasında Lineer Termal Genleşme Katsayısı

Bu test metodu, dilatometrenin işleyiş koşullarında bozulmayan plastiklerin lineer termal genleşme katayısını tayin etmekte kullanılır. Test örneği dilatometre tüpüne Şekil-1’de görüldüğü konumda yerleştirilir, sıcaklık değişimiyle meydana gelen uzaması ölçülür.

Test Örnekleri: Test örneğinin uzunluğu 50-125 mm arasındadır; kesiti yuvarlak, kare veya dikdörtgen şeklinde ve dilatomerenin ölçme sistemine kolaylıkla yerleştirilebilir formda olmalıdır. Uygun örnek kesitleri = 12.5 - 6.3 mm, 12.5 - 3 mm, çaplar = 12.5 mm veya 6.3 mm’dir. Levha formdaki örneklerin kalınlığı 0.3 - 0.5 mm arasındadır.

Ölçülen Özellikler: Termal genleşme katsayısı, a (ort., ⁰C^-1)

DL = örnekteki uzunluk değişikliği, L₀ = örnek uzunluğu, DT = sıcaklık farkı.

Şekil-1: Kuvartz tüp dilatometre

h. Termal İletkenlik

Polimer matris kompozitlerin termal iletkenlikler, sürekli (kararlı hal) veya süreksiz ısı akış koşullarında incelenebilir. Burada kararlı hal metotları ele alınmıştır. Kararlı hal ısı akışına ulaşıldığında bir örneğin kalınlık yönündeki termal iletkenliği (l) Fourier eşitliğiyle tayin edilir:

Q = ölçme yapılan bölgedeki ısı akış hızı (W), A = ölçme bölgesinin (ısı akışına normal konumda) alanı (m²), ΔT = Örnekteki sıcaklık farkı (K), L = örnek kalınlığı (m)

Kararlı hal termal transmisyon (aktarma, geçiş) özelliklerinin ölçüldüğü test metotları iki grup altında toplanabilir; 1. Mutlak (veya temel) yöntemler; referans standartların kullanılmadığı metotlar (C177); 2. kıyaslamalı yöntemler; ölçülen değerlerin doğrudan referans standartlara bağlı olduğu test metotlarıdır (E1225, C518).

Polimer matris laminatların için metot seçiminde genellikle ölçme yönü esas alınır; düzlem-dışı ve düzlem-içi ölçmelerde genellikle birinci grupta yer alan mutlak ölçme metotları tercih edilir, ancak  kıyaslamalı metotlar da kullanılmaktadır.

Test metotları aşağıda kısaca özetlenmiştir.

h.1. ASTM C177: Kararlı-Hal Isı Akış Ölçmesi ve Termal Transmisyon Özellikleri; Korunaklı-Isıtıcı Cihazıyla

Test metodu düz plaka örneklerin ısı akışını ölçer. İdeal bir sistemin temel elemanları Şekil-1’de gösterilmiştir; iki izotermal soğuk yüzey ve bir korunaklı-ısıtıcı (guarded-hot-plate) bulunur. Korunaklı-ısıtıcıda bir ölçme bölgesi vardır; bu bölge bir ayırıcıyla eş düzlemli bir koruyucudan termal olarak izole edilmiştir. Test örneği bu iç ünite arasına sıkıştırılır (sandviç şeklinde).

Test örneğinin homojen olmaması, ölçme alanı ve koruyucu arasındaki sıcaklık farkı (ayırıcı dengesizliği) ve cihazın dış kenarıyla çevre arasındaki sıcaklık farkı (kenar dengesizliği) ideal konfigürasyondan sapmaya neden olur. Bu durumda ısı akışı çok küçük veya çok büyük olur; ölçme bölgesine verilen güç aynı bölgedeki örnekten akan güce eşit olmaz. Sonuçtaki kalitatif ısı akışları Şekil-2’de görülmektedir.

Test Örnekleri: Örnek seçiminde örneğin kalınlığı (maksimum örnek kalınlığı, cihazın boyutuna ve örneğin termal direncine bağlıdır), boyutu (cihazın ölçme bölgesi ve koruma alanını kapsayacak seviyede olmalıdır) ve homojenliği dikkate alınır. Sıkıştırılabilir örnekler, sert ve iletkenliği yüksek örnekler, anizotropik örnekler, gevşek-dolgulu örneklerle çalışılabilir. 

Örnekler 22 ± 5 ⁰C ve % 50 ± 10 relatif nemde 24 saat kadar tutulur; kütle değişimi <%1 kalmalıdır.

Ölçülen Özellikler:

*Yoğunluk = (r_m + r_s)/2

E = emf (V), I = akım (A), A_m = korumalı-ısıtıcı alanı (m²), A_g = aralık alanı (m²), l_g = termal iletkenlik (W/mK), Q = ısı akış hızı (W), A = toplam ölçme bölgesi alanı (m²), r_m = ölçme bölgesi alanı örnek yoğunluğu (kg/m³), r_s = örnek yoğunluğu (kg/m³)

Şekil-1: Korunaklı ısıtıcı (guarded-hot-plate) cihazının
mekanik elemanları

Şekil-2: Korunaklı ısıtıcı (guarded-hot-plate) cihazında
ideal ısı akışı

h.2. ASTM E1225: Korunaklı-Kıyaslamalı-Boylamasına Isı Akışı Tekniğiyle Katıların Termal İletkenlikleri

Metotta, homojen-opak katı malzemelerin kararlı hal termal iletkenlik (l) tayinini kapsar. Uygulama aralığı 0.2 < l < 200 W/(m·K) ve 90 K ile 1300 K’dir.

Tekniğin genel tanımı Şekil-1’de gösterilmiştir. Test örneğine, termal özellikleri bilinen iki benzer örnek (ölçme çubukları) arasında yük uygulanır.

Test sistemine yukarıdan aşağıya bir sıcaklı gradienti (yüksek sıcaklıktan en düşük sıcaklığa) uygulanır. Isı kaybının, sıcaklık gradientiyle aynı aralıkta olan bir boylamasına korunaklı ısıtıcıyla minimum olması sağlanır.

Sıcaklıkların yakın olması için referans malzemenin termal iletiminin (termal iletkenlik/uzunluk) test örneğinin termal iletim değerine çok yakın olması gerekir. Ölçme çubukları ve test örneği eşit çaplarda dairesel silindir formda olduğunda, bu tekniğe ‘kesme-çubuk’ metodu, kesit boyutları kalınlıktan daha büyük olduğunda ise ‘düz plaka kıyaslama ‘metodu denir. Örnek ve ölçme çubukları aynı iletim alanında olduğu durumda herhangi bir şekildeki örneğin analizi mümkündür.

Kararlı hal dengede termal iletkenlik değeri, ölçülen sıcaklıklar ve refarans malzemelerin termal iletkenlik değerlerinden hesaplanır.Örneğin termal iletkenliği, l_s

Z_i = temokupl konumu, T_i = Z_i konumundaki sıcaklık, l_m¹ = üst ölçme çubuğunun termal iletkenliği, l_m² = alt ölçme çubuğunun termal iletkenliği (i = alt indisler)

Şekil-1: Kıyaslamalı-korunaklı-boylamasına ısı akış sisteminde sıcaklık sensörlerin yerleşimi

h.3. ASTM C518: Kararlı-Hal Isı Akış Ölçmesi ve Termal Transmisyon Özellikleri; Isı Akım Metre Cihazıyla

Bu test metodunda, bir ısı akım metreyle düz plaka örneklerin kararlı hal termal transmisyon değerleri ölçülür. Test cihazının kalibrasyonunda termal transmisyon özellikleri bilinen örnekler kullanıldığından bu metot kıyaslamalı veya ikincil bir metottur.

Metot iletkenlikleri düşük malzemelere uygulanır. Test örneğinin termal direnci ısı akışı yönünde 0.10 m².K/W’dan büyük olmalı, kenarlardan ısı kaybı kenar izolasyonları ve /veya koruyucu ısıtıcılarla kontrol altında tutulmalıdır. Isı akım metre cihazında iki izotermal levha sistemi, bir veya daha fazla ısı akı transduseri bulunur. İki deneysel konfigürasyon Şekil-1’de görülmektedir.

Test örnekleri:

Testte, malzeme konfigürasyonuna bağlı olarak bir veya iki parça örnek kullanılabilir. İki parça örnekle çalışılırsa parçaların yapısı, kalınlığı ve yoğunluğu değişmemesi için aynı örnekten alınması gerekir. Test örneklerinin boyutları ısı akış transduseri, soğuk ve sıcak levha yüzeylere uygun olmalıdır. Örnekler 22 ⁰C’de ve %50 relatif nemli ortamda,  <%1 (ağ.) kaybı dikkate alınarak uygun bir süre şartlandırılır. Test örneğinin kalınlığı: ~25 cm, test ortamı: 10-40 ⁰C arasında, levha sıcaklıkları 195 ⁰C ile 540⁰ C arasındadır.

Ölçülen Özellikler:

S = ısı akış transduser hassasiyeti (W/m²/V), E = ısı akış transduser çıkışı (V), L = örnek kalınlığı (m), DT = sıcaklık farkı (K) (alt indisler örnekleri tanımlar)

Şekil-1: Tipik akım metre cihazı konfigürasyonları

Şekil-2: Isı akış transduserleri; ısıtma ve soğutma levhalarında sıvı yolu

i. Spesifik Isı

Spesifik ısı bir malzemenin iç enerji değişimidir; birim kütle malzeme için birim sıcaklık değişimi. Pratikte sabit basınç veya entalpideki spesifik ısı Cp, ölçülebilen bir miktardır, birimi J/(kg.K) dir.

Polimer matris kompozitlerin spesifik ısısı tayininde diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ile yapılan ASTM E1269 test metodu önerilir. Metot termal kararlı katılar ve sıvılara uygulanabilir. Çalışma aralığı -100 ile 600 ⁰C arasındadır, ancak kullanılan enstrümana ve örnek tutuculara bağlı olarak sıcaklık aralığı genişletilebilir.

ASTM E1269: Diferansiyel Taramalı Kalorimetreyle Spesifik Isı Kapasitesi Tayini

Test metodu test örneğinin kontrollü bir atmosferde kontrollü hızla ısıtılmasıyla yapılır. Test örneğinde ve referansta (veya şahit) enerji değişiklikleri nedeniyle meydana gelen ısı akışı farkı sürekli izlenir ve kaydedilir.

Test Örnekleri:

Test malzemesi toz,granül veya sıvı haldeyse, örnek alınmadan önce iyice karıştırılır. Katı haldeki malzemenin kesilip temizlenmesinden sonra alınır. Örnekler, hazırlandıktan sonra hemen kullanılmalıdır. Testten önce herhangi bir işlem yapıldığında (ısıl veya mekanik) raporda belirtilir.

Ölçülen Özellikler:

T sıcaklığında boş örnek tutucu ve standart (safir) arasındaki (Dst), 2. boş örnek tutucu ve test örneği arasındaki (Ds) mesafeler ölçülür (Şekil-1).

Düzenli aralıklarla ısı akış kalibrasyonu yapıldıysa kalorimetrik hassasiyet E, safirin ısı kapasitesi değerleri kullanılarak (E1269, Tablo-2) ve aşağıdaki eşitlikten hesaplanır.

Kalorimetrik hassasiyet, E:

b = ısıtma hızı (⁰C/dak.), Cp(st) = standardın (safir) spesifik ısı kapasitesi (J/gK), Cp(c) = örnek tutucunun spesifik ısı kapasitesi (J/gK), E = DSC cihazının kalorimetrik hassasiyeti, R = DSC cihazının aralığı (mV/cm), Dst = verilen bir sıcaklıkta, örnek tutucu ve standardın termal eğrileri arasındaki dikey yer değiştirme (cm), Wst = standardın kütlesi (mg), DW = boş örnek tutucu ve örnek tutucu arasındaki kütle fark (mg)

(DW, iki örnek tutucu kullanıldığında veya boş örnek tutucu standart örnek tutucu olarak da kullanılmadığı durumlar için geçerlidir).

Örneğin spesifik Isı kapasitesi, Cp(s) (J/g K), E değeri kullanılarak:

Her ölçmeden önce ısı akış kalibrasyonu yapıldığında:

Cp(st)=standardın spesifik ısı kapasitesi (J/g.K), Ds = verilen bir sıcaklıkta, örnek tutucu ve örnek DSC termal eğrileri arasındaki dikey yer değiştirme (cm), Dst = verilen bir sıcaklıkta, örnek tutucu ve standardın termal eğrileri arasındaki dikey yer değiştirme (cm), Ws ve Wst = örneğin ve standardın kütlesidir (mg).

Şekil-1: Standart (safir) ve test örneklerinin spesifik ısı kapasitesi termal eğrileri

j. Termal Difüzivite

ASTM E1461: Alev Metoduyla Termal Difüzivite

Küçük ve ince bir disk örneğe, kısa süre yüksek radyant enerjili puls uygulanır (Şekil-1). Pulsun enerjisi örneğin ön yüzünde absorblanırken arka yüzdeki sıcaklık yükselmesi kaydedilir (termal eğri). Örneğin kalınlığı ve arka yüzün sıcaklık yükselmesi (% maksimum değer) için geçen zamandan termal difüzivite değeri hesaplanır (Şekil-2). Örneğin belirlenen bir sıcaklık aralığındaki termal difüzivitesi tayin edildikten sonra ilgilenilen her sıcaklık için ölçme tekrarlanır. Test cihazının temel elemanları Şekil-3’de gösterilmiştir.

Test örnekleri:Tipik örnekler 10-12.5 cm çaplı ince dairesel disklerdir. Optimum kalınlık, örnek malzemenin tahmin edilen termal difüzivitesinin büyüklüğüne ve maksimum sıcaklığın yarısının 10-100 ms aralığında olması için gerekli zamana bağlıdır. Kalınlık genellikle 1-6 mm aralığındadır. Test metodunda önerildiği gibi hazırlanan örneklere yüzey işlemleri uygulanır.

Ölçülen Özellikler:

Termal iletkenlik, l (W/m.K)

Termal difüzivite, a (mm²/s)

Düzeltilmiş termal difüzivite, a_{düzeltilmiş} (mm²/s)

Düzeltme faktörü, K_C

Düzeltme faktörü, K_R

C_p = spesifik ısı kapasitesi (J/g.K), r = yoğunluk (g/cm³), t_1/2 = yarı-yükselme zamanı (s), ΔT_maks. = baz hattı ve maks. yükselme için sıcaklık farkı, L = örnek kalınlığı (mm), x= yükselme (%), t_x = %x ΔT_maks. yükselmesi için gerekli zaman, Δt₅ = T(5t_1⁄2) /T(t_1⁄2), Δt₁₀ = T(10t_1⁄2) /T(t_1⁄2) (Şekil-4.ve 5)

 

Şekil-5: Normalize arka yüz sıcaklık yükselmesi matematiksel model ve deneysel değerlerin kıyaslamaları, (a) puls zamanına, ve (b) ısı kaybına göre

GERİ