Dolgulu Kompozitler
Bir kompozitin mekanik özelliklerinin iyi olması için,
organik reçine matris ile inorganik dolgu maddesi arasında kuvvetli bir bağ
bulunması gerekir. Bu bağ dolgu taneciklerin, bir kaplin maddesiyle
kaplanmasıyla sağlanır; kaplama, kompozitin kuvvetini artırmanın yanında
çözünürlüğünü ve su absorbsiyonunu da azaltır. (Şekil-3)
Şekil-3:
Dolgulu kompozitlerin sınıflandırılması
İnorganik malzeme dolgulu kompozitler, inorganik dolgunun
boyut, miktar ve yapısına göre üç grupta toplanabilir: Konvensiyonal, mikrofil
ve hibrid kompozitler.
Konvensiyonal Kompozitler:
Konvensiyonal kompozitlerde dolgu maddelerinin sert ve tanecik boyutunun
(~8 μm) büyük olması kompozit yüzeyinin pürüzlü bir yapıda olmasına neden olur.
Bu tür bir yüzey, dış etkenlerden kolaylıkla etkilenir ve kirlenir. Kapalı
sistemlerde ise, mikrofil ve hibrid kompozitlere kıyasla daha kolay aşınmaya
uğrar.
Mikrofil Kompozitler:
Mikrofil veya ‘parlayabilen’ kompozitler, 1970 sonlarında geliştirilmiştir;
düzgün yüzeyli malzemelerdir, diş emayesine benzer parlak yüzeylidir. Mikrofil
kompozitler, ortalama çapları 0.01-0.04 mm aralığında olan inorganik taneciklerle
(örneğin, koloidal silika) hazırlanır. Yüzeyinin çok düzgün olması malzemenin
dış etkilerle kirlenmesini ve paslanmasını önler. Mikrofil kompozitlerin bazı
fiziksel ve mekanik özellikleri, daha az dolgu maddesi içermesi nedeniyle konvensiyonal
ve hibrid kompozitlerden biraz düşüktür. Ancak mikrofil kompozitler, klinik
yönden aşınmaya çok dayanıklı malzemelerdir.
Hibrid
Kompozitler:
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’dur. 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.
Farklı fiberlerin biraraya getirilmesinde çeşitli yöntemler
uygulanabilir. Örneğin, karıştırılan tüm fiberler dizili halde olabilir, veya
her bir tip fiberden hazırlanan tabakalar birbiri üstene konularak
laminasyonlar hazırlanabilir. Tüm hibridlerin özellikleri anizotropiktir.
Hibrid kompozitlere gerilme kuvveti uygulandığında, kompozit
hemen bozulmaz, önce karbon fiberler çöker, yük cam fiberlere transfer edilir.
Cam fiberlerin de çökmesiyle uygulanmakta olan yük matris tarafından taşınır ve
matrisin bozulmasına kadar devam eder.
Şekil-4: In-situ hibrid
kompozitlerin şematik tanımı
Şekil-5:
Epoksi matrisli hibrid kompozitlere örnek SEM görüntüleri; Takviye (toz Al + E-cam fiber) / Epoksi
matris, (b) takviye (toz Al + karbon fiber) / Epoksi matris
Takviyeli Kompozitler
Fazlı kompozitler grubunda yer alan takviyeli kompozitler öncelikle iki sınıfa ayrılır:
·
Matrise göre (malzeme) sınıflandırma
·
Takviyeye göre (geometri) sınıflandırma
Matris malzemeye göre yapılan sınıflandırma dört grup
altında toplanır: Polimer matris kompozitler, metal matris kompozitler, seramik
matris kompozitler ve karbon grafit matris kompozitler. Takviye malzemeye göre
yapılan sınıflandırmada kompozitler üç grup altında toplanabilir: Fiber takviyeli
kompozitler, partikülat takviyeli ve flake takviyeli kompozitler. (Şekil-6)
Şekil-6:
Kompozitlerin matris ve takviye malzemeye göre sınıflandırılası
Polimer Matris Kompozitler (PMC):
Polimer matrisler kullanım alanı çok yaygın olan kompozitler grubu olan
‘Polimer Matris Kompozitler (PMC)’in üretiminde kullanılan matrislerdir.
Bunlara ‘Fiber Takviyeli Polimerler’, veya ‘Fiber Takviyeli Plastikler (FRP)’
de denir. Polimer matris kompozitlerin gerilme kuvveti, sıkılığı (stiffness), kırılma veya kırılma
dayanıklılığı (fracture toughness) yüksektir, aşınmaya,
delinmeye ve korozyona karşı dirençlidir. Termal dirençlerinin düşük ve termal
genleşmelerinin yüksek olması PMC’lerin önemli dezavantajlarıdır. (BÖLÜM. 4 POLİMER MATRİS KOMPOZİTLER, PMC)
Metal
Matris Kompozitler (MMC):
Metal matris kompozitlerde bir metal matris (örneğin, aluminyum) ve
kuvvetlendiriciler bulunur. Metal matrisler olarak en çok kullanılan
malzemeler, hafif aluminyum, magnezyum ve titanyum alaşımlarıdır. Metal
matrisler elektrik iletkenliği, yumuşaklık (ductilite), yüksek kuvvet ve yüksek
sıkılık özelliklerine sahiptir. Çalışma sıcaklıkları 200-800 0C
dolayındadır; bu nedenle yüksek sıcaklık uygulamaları gerektiren ortamlara uygundur.
Kesme malzemeleri (cutting tool) bir metal matris kompozit olan sermetten
yapılır. Sermet, %85 WC ve %15 Co içeren sementlenmiş karbiddir. (BÖLÜM. 5 METAL MATRİS KOMPOZİTLER, MMC)
Şekil-7:
CMC, PMC ve MMC’lerin tipik kuvvetlendirme özellikleri
Seramik Matris Kompozitler (CMC):
Seramik matris kompozitler, matrisin bir seramik, takviye malzemenin kısa
fiberler veya whiskerler (silikon karbid ve boron nitridden yapılmış), veya
diğer bir seramik olduğu kompozitlerdir; CMC’ler çok yüksek sıcaklıklardaki
ortamlarda kullanılmaya elverişlidir. CMC’ler yüksek dayanıklılık (taughness)
özelliği gösterirler. (BÖLÜM. 6 SERAMİK
MATRİS KOMPOZİTLER, CMC)
Karbon-Karbon Kompozitler:
Karbon-karbon kompozitler (CC veya CCC), karbon fiber takviye malzemesi ve
karbon matrisle hazırlanan kompozitlerdir; hafiftir, fevkalade kuvvetlidir ve
karbon fiberlerin sertliğine sahiptir. Bu kompozitler, diğer tür kompozitlere
göre yenidir. Çok yüksek sıcaklıklara (2000 0C) kadar yüksek gerilme
kuvveti ve gerilme modülüne sahiptir, kaymaya (creep) dirençlidir, kırılma
dayanıklılığı değerleri yüksektir. Termal genleşmesi katsayıları düşük, termal
iletkenlikleri yüksektir; bu özellikleri yüksek gerilme özellikleri ile
biraraya geldiğinde termal şoklara karşı özel bir dayanıklılık yaratır. C-C
kompozitlerin önemli bir olumsuzluğu, yüksek sıcaklıkta oksitlenme eğilimidir. ÖRNEK: CMC, PMC
ve MMC’lerin tipik kuvvetlendirme özellikleri Şekil-7’de gösterilmiştir.
Takviye malzemeye göre yapılan sınıflandırmada kompozitler
üç grup altında toplanabilir: Fiber takviyeli kompozitler (fiber takviyeler),
partikülat kompozitler (partikül ve dispersoid takviyeler) ve flak (flake)
takviyeli kompozitler (yoğun paketlenebilir flak takviyeler). (Şekil-8)
Şekil-8: Kompozitlerin
içerdikleri takviye malzemeye göre
sınıflandırılması
sınıflandırılması
Fiber Takviyeli Kompozitler
Kompozitler,
monolitik malzemelerle kıyaslandığında önemli üretim avantajlarına sahiptir.
Örneğin, fiber takviyeli polimerler ve seramiklerle, diğer malzemelerle çok zor
veya olanaksız olan büyük, kompleks şekillerin fabrikasyonu mümkün olmaktadır.
Fiber takviyeli kompozitler genellikle ‘fiber/matris’ şeklinde gösterilir;
örneğin, karbon fiber takviyeli epoksi kompozit, ‘karbon/epoksi’ olarak veya
‘C/Ep’ şeklinde yazılır. Partikül takviyeler önce parantez içinde yazılır,
parantezin dışına ‘p’ harfi konulur; silikon karbid partikül takviyeli
aluminyum matrisli bir kompozit ‘(SiC)p/ Al’ olarak tanımlanır.
Fiber takviyeli
kompozitler sürekli fiber takviyeli ve süreksiz fiber takviyeli kompozitler
olarak iki grup altında toplanabilir; her bir grup da kendi içinde değişik alt
gruplara ayrılır (Şekil-9).
Sürekli, dizili
fiberler en etkili takviyelerdir ve özellikle yüksek performans kompozitlerde
çok kullanılan fiberlerdir.
Şekil-9:
Fiber takviyeli kompozitlerin sınıflandırılması
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. Fiber takviyeli kompozitler ağırlık
bazında, yüksek kuvvette ve/veya sertliktedir. Bu özellikler ‘spesifik kuvvet’
ve ‘spesifik modül’ parametre terimleriyle ifade edilir:
Düşük yoğunluklu fiber ve matris malzemeler kullanılarak son
derece yüksek spesifik kuvvetli ve modüllü fiber takviyeli kompozitler
yapılabilmektedir.
Fiberli kompozitlerde dispers faz malzemenin kuvvetini,
sertliğini ve kırılma dayanıklılığını (fracture toughness) artırır, fibere
normal yönde kırılmayı geciktirir.
Fiber malzemeler polikristalin veya amorf olabilir. Tipik
örnekler olarak Al2O3, Aramid, E-cam, Boron, ve UHMWPE
sayılabilir. Fibrous kompozitler uzun (veya sürekli) fiber takviyeli ve kısa
(süreksiz) fiber takviyeli olabilir.
Uzun-fiber takviyeli kompozitler kısa-fiberlerle 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 oriyente olabilir.
Kısa-fiber takviyeli kompozitler bir matris ile dispers faz
olarak kısa-fiberlerin bulunduğu kompozitlerdir; bunlar rastgele, veya istenilen oryantasyonda hazırlanabilir. Tipik örnek olan
whiskerler (grafit, SiC, SiN, Al2O3, v.s.), yüksek
kristalin yapılarda ve çok kuvveti malzemelerdir. Tablo-1’de fiberler ve fiber
şeklinde kullanılabilen bazı maddelerin özellikleri verilmiştir.
Bir fiber takviyeli
kompozitin performansı fiberin uzunluğuna, çapına, oryantasyonuna, bileşenlerin miktar ve özelliklerine ve
aralarındaki bağlanmaya göre değişir. Sürekli fiberler (veya filamentler)
yoğunlukları düşük, kuvvetleri yüksek olduğundan uzunlukları mekanik özellikler
üzerinde çok etkilidir. Özel oryantasyonlu daha kısa fiberler (cam, seramik
veya çok-amaçlı fiberler gibi) içeren kompozitler ise, sürekli fiber takviyeli
kompozitlerden çok daha yüksek kuvvete sahiptirler.
Fiber Uzunluğunun Etkisi:
Fiberin boyutları uzunluk/çap (l/d) oranıyla tanımlanır; büyük l/d oranı
fiberin daha kuvvetli olduğunu gösterir. Tipik fiber çapları 10-150 mm arasındadır. Fiberler yüzeyleri kusurlu
olduğundan kırılmaya eğilimlidirler; çap küçüldükçe fiberin yüzey alanı da
azalacağından yüzey kusurları da azalır. Fiberlerin uç kısımları daha az yük
taşırlar; uzun fiberli kompozitlerde daha az uç kısım bulunacağından yük taşıma
kapasitesi de daha yüksek olur. Şekil-10’da görüldüğü gibi, takviye olarak
değişik uzunluklarda E-cam fiberlerin kullanıldığı epoksi kompozitte gerilme
kuvveti fiber uzunluğuyla artmaktadır.
Fiber takviyeli bir
kompozitin mekanik karakteristikleri sadece fiberin özelliklerine değil, matris
fazdan fiberlere iletilen yükün derecesine de bağlıdır. Yük iletiminin dağılımı
fiber ve matris fazlar arasındaki yüzey arası bağın büyüklüğüne bağlıdır. Bir
gerilim uygulandığında bu fiber-matris bağı fiber uçlarında kesilir ve bir
matris deformasyonu meydana gelir, veya diğer bir deyişle matristen fibere yük
transferi durur (Şekil-11).
Fiberli kompozitlerde etkin bir sertlik ve kuvvetlilik için
kritik fiber uzunluğunun (IC) uygun seviyelerde olması gerekir. sf fiberi gerdirme kuvveti, d
fiberin çapı, tC:
fiber-matris arayüzün kayma veya kesilme (shear) kuvvetini gösterdiğinde kritik
fiber uzunluğu lc,
eşitliğiyle verilir.
Fiber uzunluğunun (l), kritik fiber uzunluğundan büyük, eşit veya kısa olması
kompozitin özelliklerini ve kuvvetini etkileyen bir parametredir.
Şekil-10: E-cam epoksi
kompozit için gerilme kuvveti-fiber uzunluğu eğrisi
Malzeme
|
Spesifik gravite
|
Gerilme kuv., GPa
|
Spesifik kuv., GPa
|
Elastik modül, GPa
|
Spesifik modül, GPa
|
Whiskerler
|
|||||
Grafit
|
2.2
|
20
|
9.1
|
700
|
318
|
Silikon nitrid
|
3.2
|
5-7
|
1.56-2.2
|
350-380
|
109-118
|
Aluminyum oksit
|
4.0
|
10-20
|
2.5-5.0
|
700-1500
|
175-375
|
Silikon karbid
|
3.2
|
20
|
6.25
|
480
|
150
|
Fiberler
|
|||||
Aluminyum oksit
|
3.95
|
1.38
|
0.35
|
379
|
96
|
Aramid (Kevlar 49)
|
1.44
|
3.6-4.1
|
2.5-2.85
|
131
|
91
|
Karbon
|
1.78-2.15
|
1.5-4.8
|
0.70-2.70
|
228-724
|
106-407
|
E-Cam
|
2.58
|
3.45
|
1.34
|
72.5
|
28.1
|
Boron
|
2.57
|
3.6
|
1.40
|
400
|
156
|
Silikon karbid
|
3.0
|
3.9
|
1.30
|
400
|
133
|
UHMWPE (S. 900)
|
0.97
|
2.6
|
2.68
|
117
|
121
|
Metalik Teller
|
|||||
Yüksek-kuv. çelik
|
7.9
|
2.39
|
0.30
|
210
|
26.6
|
Molibden
|
10.2
|
2.2
|
0.22
|
324
|
31.8
|
Tungsten
|
19.3
|
2.89
|
0.15
|
407
|
21.1
|
Şekil-12 (a), (b) ve (c)’de, bir fiber
takviyeli kompozite fiber gerilme kuvvetine (sf) eşit gerilme kuvveti
uygulandığında fiber uzunluğunun (l) kritik uzunluğa eşit, daha büyük ve daha
küçük olması durumlardaki fiber-yük davranışları görülmektedir. Kritik uzunluktaki bir fibere sf ‘ye eşit bit gerilim uygulandığında maksimum fiber yüküne, sadece
fiberin eksensel merkezinde ulaşılır. Fiberin uzunluğu (l) artırıldığında
takviye etkisinin de arttığı (l > lc ), azaltıldığında ise (l
< lc ) fiberin taşıyabildiği yükün sf gerilme kuvvetine ulaşamadığı
görülmektedir. l >> lc
(normali l > 15 lc ) olan fiberler sürekli fiberlerdir. Süreksiz
veya kısa fiberlerin uzunlukları bu değerden düşüktür; l değerinin lc’den
önemli miktarda düşmesi fiberin etrafındaki matrisin deforme olmasına neden
olur.
Şekil-11:
Uygulanan yük altında bir fiberi saran matriste deformasyon paterni
Şekil-12:
Gerilim-konum profilleri; gerilim altında fiber- yük davranışı
Fiber Oryantasyonu ve Konsantrasyonunun
Etkisi: Fiberlerin birbirlerine göre düzenleri veya oryantasyonu, fiber
konsantrasyon ve dağılımları, fiber takviyeli kompozitlerin kuvvetlerini ve
diğer özelliklerini önemli derecede etkiler. Oryantasyona göre iki ekstrem durum
vardır: Fiberlerin longitudinal (boylamasına) eksenine tek bir yönde paralel
dizilişi ve tümüyle rastgele dizilişi.
Sürekli fiberler normal olarak dizilidirler,
süreksiz fiberler ise rastgele veya kısmen oriyente bir düzende dizilirler
(Şekil-13). Kompozit özelliklerinin tümüyle iyi olması muntazam fiber
dağılımına bağlıdır.
Fiberin matristeki oryantasyonu kompozitin
kuvvetini belirler; boylamasına (longitudinal) yapılan oryantasyonda, kompozite
uygulanan yük fiberlerle aynı yönde (aynı açıda) olduğunda en yüksek (maksimum)
performans elde edilir. Yükün uygulanma yönündeki az bir kayma bile kompozitin
kuvvetinde önemli derecede azalmaya ve çökmeye neden olur.
Şekil-13: Sürekli
ve süreksiz fiber takviyeli kompozitlerin şematik tanımı
Şekil-14: Şekilde, E-cam fiber (sürekli ve
dizili) takviyeli epoksi kompozitin gerilme kuvvetine fiber oryantasyonunun
etkisi
Tek-yönlü yük
uygulamasıyla karşılaşan kompozit yapılar oldukça azdır; bu nedenle ağır yük
uygulamalarında kullanılan malzemelerde karışık fiber oryantasyonlu kompozitler
tercih edilir.
Sürekli veya
süreksiz fiberler içeren tek-tabakalı (monolayer) teypler tek-yönlü oryente
istiflenebilir, filament tabakalar da aynı yönde oryente edilebilir. Çok
karmaşık oryantasyonlar da yapılabilmektedir; günümüzde özel amaçlı kompozit
üretiminde projeksiyonlar bilgisayarlarla yapılmaktadır. Kısa, düzlemsel
kompozitlerde kuvvet, tek-yönlü fiber oryente tiplerden farklı olarak izotropik
özelliklerde olabilir.
Açılı-tabakalı
kompozitlerin özellikleri tabaka sayısına ve oryantasyonuna göre değişir (Şekil
15). Bu tür kompozitlerde kompozit değişkenlerinin sabit bir orana sahip olduğu
ve matrislerin fiberlerden daha zayıf olduğu kabul edilir; fiberin üç eksenden
birindeki kuvvet, üç eksendeki hacim yüzdelerinin eşit olduğu varsayılarak, tek-yönlü
fiber kompozitin üçte biri kadardır.
Şekil-15: (a) Tek-yönlü düzenlenme, (b)
çapraz-tabaka (cross-plied) quasi-izotropik düzenlenme, (c) üç-boyutlu örgü
(weave), takviye malzemeler
Fiber takviyeli
kompozitler değişik yüklenmeleri karşılayacak özelliklerde hazırlanabilir;
örneğin, farklı fiber oryantasyonlarıyla quasi-izotropik (izotropik benzeri)
malzemeler üretilebilir, üç-boyutlu (Şekil-15c) yapılar hazırlanabilir.
Kısa fiberlerin
oryantasyonunda çeşitli metotlar vardır; örneğin, rastgele oryantasyonda olduğu
gibi, bir düzlem üzerinde kısa fiberleri dağıtmak, veya fiber depozisyonundan
önce veya sonra, sıvı veya katı halde matris ilave etmek gibi. Bu yolla
üç-boyutlu oryantasyonlar da elde edilebilir. İki-boyutlu oryantasyonların
bulunduğu kompozitlerde kuvvet, tek-yönlü fiberle kuvvetlendirilmiş bir
kompozitin üçte biri, üç-boyutlu oryantasyonlarda ise beşte birinden daha
azdır.
a. Sürekli ve Dizili Fiber Kompozitler
Bu tip kompozitlerin mekanik responsları çeşitli faktörlere
bağlıdır; örneğin, fiber-matris fazların gerilme-gevşeme özellikleri, fazların
hacim fraksiyonları ve uygulanan gerilim (veya yükün) yönü gibi. Ayrıca
kompozitin içerdiği fiberlerin dizilişleri de önemli kompozitin özelliklerini
belirleyen bir etkendir.
Sürekli ve dizili fiberler
Fiber ve matris fazların gerilme-gevşeme eğrileri
Şekil-16(a)’daki gibiyse, fiberin kırılgan, matrisin yumuşak (ductile) olduğu
anlaşılır. Bu fiberleri ve matrisi içeren kompozit Şekil-16(b)’de görüldüğü
gibi tek-eksenli gerilme-gevşeme eğrisi verir. Başlangıçta (aşama I), fiber de
matris de elastik olarak deforme olur; dolayısıyla eğrinin bu kısmı lineerdir.
Bu tip kompozitlerde matris plastik deformasyona uğrarken, fiberler elastik
gerilmeye devam ederler; fiberlerin gerilme kuvveti matrisin yield (akma)
gerilmesinden daha yüksektir (aşama II). Aşama II’de eğri lineerliğe yakındır,
fakat eğimi kısmen azalmıştır. Aşama I’den aşama II’ye geçildiğinde fiberlerin
taşıdığı yük miktarı artar.
Şekil-16:
Fiberler ve matrisin yük altındaki davranışları
İzogevşeme (izostrain):
Fiberlere paralel yüklemedir (Şekil-17 a).
Sürekli ve oriyente fibrous bir kompozit, fiber diziliş
yönünde yüklendiğinde nasıl bir elastik davranış gösterir? Fiber-matris yüzey
arası bağlanmanın çok iyi olduğu varsayılıyor. Bu durumda matris de fiber de
aynı deformasyona, izogevşemeye (izostrain) uğrar. Bu koşullarda kompozitteki
yük (Fc), matris fazın (Fm) ve fiber fazın (Ff)
taşıdığı yüke eşittir.
Am / Ac ve Af / Ac
matris ve fiber fazların alan fraksiyonlarıdır. Kompozit, matris ve fiber faz
uzunlukları eşit olduğunda,
εm matris gevşemesi, εf = fiber
gevşemesidir (c: kompozit, m: matris ve f: fiber özellikleridir)
Kompozit, matris ve fiber deformasyonları elastikse, elastik
modüller E,
Ecl = Em Vm
+ Ef Vf
Karışma kuralı, bir bileşenin katkısının, bileşenin hacim
fraksiyonuyla orantılı olduğunu gösterir; Vm ve Vf matris ve fiberin hacim fraksiyonlarıdır.
Ecl = Em (1
- Vf) + Ef Vf
Kompozit sadece matris ve fiber fazlardan oluştuğundan, Vm
+ Vf = 1’dir. Longitudinal yüklenmede fiberler tarafından taşınan
yükün matrisin taşıdığı yüke oranı için aşağıdaki eşitlik çıkarılabilir.
Şekil-17:
İdeal tekyönlü kompozit malzemeler; (a) fiber yönüne paralel yüklenme
(izogevşeme),(b) fiber yönüne dik yüklenme (izogerilme)
İzogerilme
(isostres): Fiberlere dik yüklemedir (Şekil-17 b)
Bir sürekli ve oriyente fiber kompozit transvers yönde
yüklenebilir; yani, fiberlerin diziliş yönüyle, şekilde görüldüğü gibi, 90
derecelik açıda yük uygulanabilir.
Bu durumda kompozit, matris ve fiber için gerilim (s) aynıdır; ‘izostres hal’.
sc = sm = sf = s ΔLc = ΔLm
+ ΔLf
ΔLc, kompozitin uzamasıdır.
Sürekli ve dizili fiberler
Uzama, kalınlık ve gevşemenin sonucunda oluştuğundan ve tabaka kalınlığı
hacim fraksiyonuyla orantılı olduğundan,kompozitin tamamındaki gevşeme veya deformasyon (ec),
Gevşeme, gerilme (elastik olduğu varsayılıyor) terimleriyle
yazıldığında, ‘Ters (invers) Karışma Kuralı’ denilen aşağıdaki eşitlik çıkar;
bu ifade, fiberlerin etkinliğinin, izogerilim atında kompozitin modülünü
yükseltmede çok az olduğunu gösterir.
Kompozit,
matris ve fiber deformasyonları elastikse,
a.4.
Longitudinal Gerilme Kuvveti
Sürekli ve longitudinal (boylamsal,
uzunlamasına) dizili fiber takviyeli kompozitlerde gerilim, yukarıda verilen
gerilme-gevşeme eğrisindeki (Şekil-16 b) maksimum gerilim olarak alınır; bu
nokta, fiberin kırıldığı noktadır ve kompozitin bozulması olarak işaretlenir. ef < em olduğunda (Şekil-16 a) fiberler matristen önce
bozulur ve fiberlerin taşıdığı yük matrise transfer olur. Böyle bir durumda
kompozitteki gerilim (scl)
aşağıdaki eşitlikle verilir. sm,
fiber kırıldığında matristeki gerilim, sf
fiber gerilme kuvvetidir.
scl
= sm, (1 – Vf)
+ sf Vf
a.5.
Transvers Gerilme Kuvveti
Servis uygulamaları sırasında kompozitlere transvers
(enlemesine) yük uygulaması olabilir. Bu tür koşullarda fiberlerin
kuvvetlendirme etkisi negatiftir. Sürekli ve tek-yönlü fiberli kompozitler
yüksek derecede anizotropiktir; bu tür kompozitler normal olarak boylamasına
yönde yüklenecek şekilde dizayn edilirler. Ancak malzeme kullanılırken
enlemesine kuvvetle de karşılaşabilir. Bu gibi durumlarda, enlemesine kuvvet ne
kadar az olursa olsun kompozit malzemede bozulma başlar, başlangıçtaki yüksek
gerilme kuvveti bazen matrisin gerilme kuvvetinin altına kadar düşer. Böyle bir
durumda takviye fiberlerin etkisi negatif olur.
Şekil-18:
Örnek: Sürekli dizili takviyeli (a) MMC ve (b)
CMC’lere tipik bir örnek
b. Süreksiz ve Dizili Fiber Kompozitler
Süreksiz fiberlerin takviye veriminin sürekli fiberlerden
daha düşük olmasına karşın, ticari pazarda, şekilde şematik olarak gösterilen,
süreksiz ve dizili fiber kompozitlere olan talep oldukça yüksektir. Örneğin,
kırıntı cam fiberler, karbon ve aramid süreksiz fiberler de çok
kullanılmaktadır. Bu gibi kısa fiberli kompozitlerin elastik modülleri ve
gerilme kuvvetleri, benzeri sürekli fiberli kompozitlerin %90’ı ve %50’si
kadardır. Süreksiz ve dizili fiber kompozitte düzenli bir fiber dağılımı vardır
ve fiber uzunluğu,
I > Ic (kritik
fiber uzunluğu)
Bu durumda longitudinal kuvvet (scd) aşağıdaki eşitlikle verilir.
Süreksiz ve
dizili fiberler
sf:
fiberin kırılma kuvveti, sm,
kompozit bozulduğunda matristeki gerilimdir. Fiber uzunluğu kritik uzunluktan daha küçükse (l < lc),
longitudinal gerilim:
c. Süreksiz ve Rastgele
Oriyente Fiber Kompozitler
Fiber oryantasyonu rastgele olduğunda, normal olarak kısa ve
süreksiz fiberler kullanılır. Bu koşullar altında elastik modül eşitliğine
benzer bir ‘karışma kuralı’ eşitliği kullanılabilir.
Ecd = K Ef Vf
+ Em Vm
K fiber verim parametresidir; Vf ve Ef / Em oranına bağlıdır ve 1’den küçüktür, genellikle 0.1-0.6 arasında bulunur. Rastgele (ve oriyente) fiber takviyeler için modül, fiber hacim fraksiyonuna göre bir miktar yükselir.
Süreksiz ve
rastgele fiberler
Özetle, dizili fibrous kompozitler doğal olarak
anizotropiktir; boylamasına dizilme yönünde olduğunda maksimum kuvvete ve
takviye özelliğine sahiptir. Transvers (enlemesine) yönde, takviye gerçekte
yoktur; oldukça düşük gerilimlerde kırılma olur. Diğer gerimle
oryantasyonlarında kompozitin kuvveti iki ekstrem arasında yer alır. Verim (K),
oriyente bir fiber kompozit için 1, ve dik konumda olan için sıfır olarak
alınmıştır (Tablo-3).
Tablo-2: Tek-yönlü Fiber Takviyeli Bazı Kompozitlerin Tipik Boylamasına
ve Enlemesine Gerilme Kuvvetleri (Fiber miktarları hacimce, ~ %50)
Kompozit
malzeme
|
Gerilme
kuvveti, GPa
|
|
Boylamasına
|
Enlemesine
|
|
Cam-Poliester
|
700
|
20
|
Karbon-Epoks*i
|
1000
|
35
|
Kevlar-Epoksi
|
1200
|
20
|
*yüksek modüllü
Tablo-3:
Bazı Fiber Oryantasyonlarında Çeşitli Yönlerde Gerilim Uygulandığında Fiber Takviyeli
Kompozitlerin Takviye Verimi
Fiber Oryantasyonu
|
Gerilme Yönü
|
Takviye
Verimi
|
Tüm fiberler
paralel
|
Fiberlere
paralel yönde
Fiberlere
dik yönde
|
K = 1
K = 0
|
Fiberler
özel bir düzlemde rastgele ve muntazam dağılmıştır
|
Fiberlerin
düzleminde herhangi bir yönde
|
2D izotropi
K= 3/8
|
Fiberler mekânda
üç boyutta rastgele ve muntazam dağılmıştır
|
Herhangi bir
yönde
|
3D izotropi
K = 1/5
|
Şekil-19:
Süreksiz 2D kompozitlere tipik bir örnek
Partikül (Tanecik) Takviyeli Kompozitler
Partikül takviyeli kompozitler, takviye malzemenin
kuvvetlendirme mekanizmasına göre iki gruba ayrılır: Büyük partikül takviyeli
kompozitler ve dispersiyonla-kuvvetlendirilmiş kompozitler (Şekil-20).
‘Büyük’ terimi, partikül-matris etkileşimlerinin atomik veya
moleküler seviyede olmadığını, mekanik seviyede olduğunu tanımlar. Bu tür
kompozitlerin hemen tümünde partikülat faz matristen daha sert ve daha
yoğundur, her partikül çevresindeki matris fazın hareketini engeller. Matris,
uygulanan yükün bir kısmını partiküllere transfer eder. Takviyenin mekanik
davranışları engelleme etkisi matris-partikül arayüzdeki bağlanmanın kuvvetine
bağlıdır.
Dispersiyonla-kuvvetlendirilmiş kompozitlerde partiküller
çok küçüktür (0.01-0.1 mm). Kompozitin
kuvvetlenmesini sağlayan partikül-matris etkileşimi atomik veya moleküler
seviyededir.
Şekil-20: Tanecik
takviyeli kompozitlere tipik örnekler
Kuvvetlendirme mekanizması çökelme sertleşmesine benzer;
uygulanan yükün büyük kısmını matris taşırken küçük dispers partiküller
malzemenin kaymasını engeller veya geciktirirler. Böylece plastik deformasyon
kontrol altında tutulur, gerilme kuvveti ve sertlik düzenlenir.
Büyük Partikül Takviyeli Kompozitler: Dolgu maddeli
bazı polimerik malzemeler büyük partikül takviyeli kompozitlere örnek olarak
gösterilebilir; dolgular polimerin özelliklerini değiştirir veya iyileştirir.
Diğer büyük partiküllü bir kompozitler grubu matrisin çimento, takviyenin de
kum ve çakıl partikülatları olduğu betondur.
Partiküller çok çeşitli olabilir, ancak her yöndeki
boyutları yaklaşık olarak aynı olmalıdır. Etkin kuvvetlendirme için
taneciklerin küçük ve matriste tam olarak dağılmış olması gerekir, ayrıca, her
iki fazın da hacim fraksiyonları da etkilidir. Kompozitin mekanik özellikleri
partikülat miktarının artmasıyla yükselir. İki-fazlı bir kompozitte elastik
modülün fazların hacim fraksiyonlarına
bağlılığı iki matematiksel formülle tanımlanır.’Karışma Kuralı’ denilen bu
eşitliklere göre elastik modül üst limit (1) ve alt limit (2) arasına düşer.
E = elastik modül, V = hacim fraksiyonları, c kompozit, m matris ve p partikül özelliklerini tanımlar. Fiberlerin Ec’’ ye katkısı izogevşeme (paralel) yüklenmede, izogerilme yüklenmede (dik) olduğundan daha yüksektir (Şekil-22a). Agregat (partikül) bir kompozitin modülünün (Ec) yüksek modüllü bir fazın hacim fraksiyonuna (Vh) bağımlılığı izogevşeme ve izogerilme ekstrem koşullarının arasında bulunur (Şekil-22b). Eşitliklerde elektrik İletkenlik (se) için E yerine se ve termal İletkenlik (K) için E yerine K konulur.
E = elastik modül, V = hacim fraksiyonları, c kompozit, m matris ve p partikül özelliklerini tanımlar. Fiberlerin Ec’’ ye katkısı izogevşeme (paralel) yüklenmede, izogerilme yüklenmede (dik) olduğundan daha yüksektir (Şekil-22a). Agregat (partikül) bir kompozitin modülünün (Ec) yüksek modüllü bir fazın hacim fraksiyonuna (Vh) bağımlılığı izogevşeme ve izogerilme ekstrem koşullarının arasında bulunur (Şekil-22b). Eşitliklerde elektrik İletkenlik (se) için E yerine se ve termal İletkenlik (K) için E yerine K konulur.
Büyük-partiküllü kompozitler, metal, polimer ve seramik
malzemelerle hazırlanabilir. Sermetler seramik metal kompozitlerdir. En çok
bilinen sermet sementlenmiş karbiddir; tungsten karbid (WC) veya titanyum
karbid (TiC) gibi fevkalade sert bir refraktör karbid seramik partiküllerin,
kobalt (Co) veya nikel (Ni) gibi bir matriste yerleştirilmesiyle yapılır. Bu
tür kompozitler sert çelikleri kesme parçaların (cutting tools) üretiminde çok
kullanılır.
Kesme işini sert karbid partiküller yapar, ancak bunlar
kırılgan olduklarından kesme sırasındaki gerilimi tek başlarında kaldıramazlar,
burada esnek (ductile) metal matrisin dayanıklılığı artırma (toughness)
özelliği devreye girer; matris, karbid partikülleri arasında yerleşip onları
birbirlerinden ayırarak partikül-partikül kırılmasına engel olur veya
ilerlemesini durdurur. Her iki faz da refraktör malzeme olduğundan kompozit,
kesme işlemi sırasında malzeme üzerinde oluşan yüksek sıcaklığa dayanır.
Sermetin özelliğini gösteren hiçbir tek malzeme yoktur.
Sermette %90 dolayında partikülat faz bulunur.
Şekil
21: Bir bakır-tungsten kompozitin üst ve alt limit Ec-Vp
eğrileri; deneysel veriler iki eğrinin arasına düşmüştür (tungsten partikülat
fazdır)
Şekil-22:
(a) Fiber takviyeli bir kompozitin E-V eğrileri, (b) yüksek modüllü partikül
takviyeli bir kompozitin E-V eğrileri
Şekil-23:
Tipik bazı partikülat kompozitler
Plastikler ve elastomerler de çeşitli partiküllerle takviye edilirler. Karbon siyahı çok küçük, küresel partiküllerdir; vulkanize kauçukla bir araya getirildiğinde gerilme kuvveti, dayanıklılığı, yırtılma ve aşınma direnci yüksek kompozitler elde edilir.
Kauçuk matrislerle diğer tip partikül takviyeler tercih
edilmez; neden, kauçuk molekülleri ile partiküllerin (örneğin silika gibi)
yüzeyleri arasında, karbon partiküllerdeki gibi özel bir etkileşim olmamasıdır.
Beton çok tanınan büyük-partikül takviyeli biyokompozittir; matris faz da,
dispers faz da seramiktir; betonda partikül agregatlar bir tip bağlayıcı ile
katı bir ortamda (çimento) birbirleriyle bağlanmış halde bulunurlar. En çok
bilinen iki beton, portland ve asfaltik çimentoyla yapılan tiplerdir; bunlarda
agregatlar kum ve çakıldır. Asfaltik beton daha çok yol ve kaldırım
döşemesinde, portland çimento betonu ise inşaat sektöründe kullanılır. Portland
çimento betonunun kuvveti ilave takviye malzemelerle artırılabilir; taze,
kürlenmemiş betona, örneğin çelik çubuklar, teller veya ağ yapılı malzemeler
konulur ve sonra sertleştirilir. Bu tür bir yapı daha büyük gerilme kuvvetine,
sıkıştırılmaya, kesilme veya makaslama kuvvetine sahip olur.
Dispersiyonla
Kuvvetlendirilmiş Kompozitler:
Metal ve metal alaşımları, çok sert ve inert bir malzemenin çok ince
partiküllerinin muntazam bir şekilde dispersiyonuyla kuvvetlendirilebilir ve
sertleştirilebilirler. Dispers faz (takviye) metalik veya non-metalik olabilir,
genellikle oksit halindeki malzemeler tercih edilir. Oksit tip tanecikler
reaksiyona girmediklerinden kuvvetlendirme etkisi yüksek sıcaklıklarda da devam
eder. Kuvvetlendirme mekanizması, çökelmeyle sertleşmede olduğu gibi,
partiküller ve matris faz arasındaki etkileşimle ilgilidir. Kuvvetlendirme
atomik/ moleküler seviyelerde meydana gelir.
Dispersiyonla kuvvetlendirilmiş malzemelerde ısıya
dayanıklılık ve kayma direnci yüksektir. Örneğin, TD Ni-alaşımlar ve SAP (Al matriste
çok küçük Al2O3 dağıtılmasıyla yapılan sinterlenmiş aluminyum
toz) tipik örneklerdir.
