Mekanik Özellikler
Epoksiler ve poliesterler gibi reçineler olduğu gibi
kullanıldıklarında yapısal üretimlerde kullanımları oldukça sınırlıdır; pek çok
metallerle kıyaslandırıldıklarında mekanik özellikleri daha düşüktür.
Cam, aramid ve boron gibi malzemelerin gerilme ve sıkıştırma
kuvveti yüksektir, ancak katı halde bu özelliklerden yararlanılamaz, gerilim
uygulandığında, optimum kuvvet özelliklerinin altındaki değerlerde kırılırlar.
Sorun bunların fiber forma getirilmesiyle çözülür; fiber
demetleri malzemenin sahip olduğu optimum performansı gösterir.
Reçine sistemler takviye fiberlerle (cam, karbon, aramid
gibi) birleştirildiğinde fevkalade özellikler elde edilir.
Fiber takviyeli polimer (FRP) matris
kompozitin gerilme-gevşeme eğrileri
Reçine matris, kompozite uygulanan yükü fiberler arasında
dağıtır, fiberleri dışarıdan gelebilecek aşınma veya darbe gibi etkilerden
korur. Yüksek kuvvet ve stiffness, kompleks şekillerin kalıplanabilmesi,
çevresel koşullara karşı yüksek direnç, kompozitlerin pek çok uygulamada
metallere tercih edilmesini sağlamıştır. Polimer matris kompozitler bir reçine
ve takviye malzemesinden (fiberler) oluştuğuna göre özellikleri kısmen
reçinenin ve kısmen de takviye malzemenin özelliklerine bağlıdır.
Takviyenin kompozit içindeki miktarı (takviye/reçine,
%hacim), geometrisi ve oryantasyonu, kompozitin özelliklerinde çok etkili
parametrelerdir.
Genellikle fiberlerin mekanik özellikleri reçineninkinden
daha yüksektir, dolayısıyla kompozitteki reçine miktarının artması kompozitin
mekanik özelliklerinin daha yüksek olmasını sağlar.
Fiberlerin geometrisi de kompozitin özelliklerinde önemli
parametredir; fiberler uzunlukları yönünde (boylamasına) en yüksek mekanik
özelliklere sahiptirler, oysa, enlemesine yönde zayıftırlar. Bu durum
kompozitin anizotropik özellik göstermesine neden olur.
Polimerler
oldukça zayıf, düşük-stiffnessli malzemelerdir; yapısal kullanıma uygun mekanik
özellikler kazanabilmesi için sürekli veya süreksiz fiberlerle
kuvvetlendirilmesi gerekir. Polimerik matrislerde takviye olarak seramik veya
metalik partiküller de kullanılabilir, bunlar, malzemenin modülünü artırır,
ancak kuvvetinde önemli bir artış sağlamaz, hatta zayıflamasına neden olabilir.
Yine de, elektronik sanayinde, fiziksel özelliklerinin yeterli olması nedeniyle
partikül takviyeli polimerlerin kullanımı oldukça yaygındır. Bu tip
uygulamalarda monolitik polimere seramik partiküller (alumina, aluminyum
nitrid) ve hatta elmas takviyeler ilave edilerek termal iletkenliği yüksek,
termal genleşme katsayısı düşük olan elektrik izolasyon malzemeleri yapılır.
Takviye
malzemesi olarak gümüş ve aluminyum gibi metallik partiküller ilavesiyle de
elektrik ve termal iletken kompozitler üretilir. Bu tür malzemeler pek çok
uygulamalarda kurşun-bazlı lehimlerin yerini almaktadır. Çeşitli polimerlerde
demir veya magnet partiküllerin bulunduğu magnetik kompozitler de vardır. Tipik
bir örnek audio ve video kayıtlarda kullanılan magnetik teyplerdir.
Sürekli
fiberlerle takviyeli kompozitler çok etkili malzemelerdir. Tablo-2’de tek-yönlü
bazı polimer matris kompozitlerin oda sıcaklığındaki mekanik özellikleri
verilmiştir Matris epoksi, takviye malzemeler E-cam, aramid, boron, SM PAN
karbon, UHS PAN karbon, UHM PAN karbon, UHM zift karbon ve ultra yüksek termal
iletkenlikli (UHK) zift karbondur.
Polimer matris
kompozitlerin özellikleri, özellikle de kuvvetleri sıcaklığa çok bağlıdır. Bu
durum pek çok polimerin özelliklerinin sıcaklığa göre değişmesinden dolayıdır;
örneğin, değişik epoksi formülasyonları farklı kürleme ve farklı camsı geçiş
sıcaklıkları gösterirler. Ancak poliimidler gibi bazı polimerler, titanyumla
kıyaslanabilir seviyede yüksek sıcaklık özelliklerine sahiptirler. Örneğin uçak
gaz türbin motoru parçalarında, 290 0C’ye kadar dayanıklı olan
poliimid matrisli kompozitler kullanılmaktadır. Tablodaki özelliklerden Poisson’s
oranı, kompozit aksiyal yönde yüklendiğinde, transvers gevşemenin (strain)
aksiyal gevşemeye oranına eşittir. görüldüğü gibi transvers modül ve kuvvet
değerleri, aksiyal değerlerden çok daha düşüktür.
Karbon fiberler doğrusal olmayan gerilme-gevşeme (stres-strain)
davranış gösterirler; modülleri, artan gerilme kuvvetinde yükselir, artan
sıkıştırma kuvvetinde ise düşer. Bu durum modül hesaplama metodunu
kritikleştirir.
Tablo-2: Tek-yönlü
Polimer Matris Kompozitlerin (Epoksi Matrisli) Mekanik Özellikleri
Modül, GPa
|
Poisson’s oranı
|
Gerilme kuv., MPa
|
Sıkıştırma kuv., MPa
|
D.I.S. kuv., MPa
|
|||||
Fiber
|
A
|
T
|
D.I.S
|
Al
|
T
|
A
|
T
|
||
E-Cam
|
45
|
12
|
5.5
|
0.28
|
1020
|
40
|
620
|
140
|
70
|
Aramid
|
76
|
5.5
|
2.1
|
0.34
|
1240
|
30
|
280
|
140
|
60
|
Boron
|
210
|
19
|
4.8
|
0.25
|
1240
|
70
|
3310
|
280
|
90
|
SM Karbon
|
145
|
10
|
4.1
|
0.25
|
1520
|
41
|
1380
|
170
|
80
|
UHS Karbon
|
170
|
10
|
4.1
|
0.25
|
3530
|
41
|
1380
|
170
|
80
|
UHM Karbon
|
310
|
9
|
4.1
|
0.20
|
1380
|
41
|
760
|
170
|
80
|
UHM Karbon
|
480
|
9
|
4.1
|
0.25
|
900
|
20
|
280
|
100
|
41
|
UHK karbon
|
480
|
9
|
4.1
|
0.25
|
900
|
20
|
280
|
100
|
41
|
Endüstrideki
özellikler raporunda karışıklığa neden olmaması için çeşitli tanjant ve sekant
tanımları verilir. Tablo-2’deki değerler yaklaşıktır ve gerilme-gevşeme
eğirleri tanjantlarına dayanır (orijinde); yani göre gerilme ve sıkıştırma modülleri
genellikle çok yakındır.
Tek-yönlü
laminatların transvers kuvvetleri düşüktür; dolayısıyla yapısal uygulamalara
uygun değildir. Tabakalar şeklindeki laminalar çeşitli yönlerde istiflenerek
uygun kuvvet, stiffness, burulma, v.s. gibi gerekli özellikleri içeren
laminatlar yapılır. Çok çeşitli laminat geometrisi vardır; örneğin, quasi-izotropik
laminatlar düzlem içinde her yönde aynı elastik özelliklere sahiptir.
Tablo-3’de quasi-izotropik laminatların
mekanik özellikleri verilmiştir; modül ve kuvvet değerleri, aynı malzemeden
yapılan tek-yönlü laminatların aksiyal özelliklerinden çok daha küçüktür.
Tek-yönlü kompozitlerin metallere karşı
önemli avantajlarından biri yorulma (fatigue) dayanıklılığıdır. Karbon, boron
ve aramid fiberlerle kuvvetlendirilmiş PMC’lerin gerilim-gerilim S-N eğrileri
(çökme saykılının fonksiyonu olarak maksi mum gerilimin gösterildiği eğriler)
oldukça düzdür. Cam takviyeli kompozitler saykıl sayısının artmasıyla kuvvette
daha büyük düşüşler gösterir. Metaller, sıkıştırma yükü yerine değişken
gerilimler uygulandığında çabuk yorulurlar; nedeni, yorulma yükü altında
metallerin çatlaması veya kırılmasıdır.
Modül, GPa
|
Poisson’s oranı
|
Gerilme kuv., MPa
|
Sıkıştırma kuv. MPa
|
D.I.S. kuv., MPa
|
|||||
Fiber
|
A
|
T
|
D.I.S
|
Al
|
T
|
A
|
T
|
||
E-Cam
|
23
|
23
|
90
|
0.28
|
550
|
550
|
330
|
330
|
250
|
Aramid
|
29
|
29
|
11
|
0.32
|
460
|
460
|
190
|
190
|
65
|
Boron
|
80
|
80
|
30
|
0.33
|
480
|
480
|
1100
|
1100
|
360
|
SM Karbon
|
54
|
54
|
21
|
0.31
|
580
|
580
|
580
|
580
|
410
|
UHS Karbon
|
63
|
63
|
21
|
0.31
|
1350
|
1350
|
580
|
580
|
410
|
UHM Karbon
|
110
|
110
|
41
|
0.32
|
490
|
490
|
270
|
70
|
205
|
UHM Karbon
|
165
|
165
|
63
|
0.32
|
310
|
310
|
96
|
96
|
73
|
UHK karbon
|
165
|
165
|
63
|
0.32
|
310
|
310
|
97
|
96
|
73
|
(Tablo-2 ve Tablo-3’deki
kısaltmalar: SM Karbon (standart-modül, PAN bazlı), UHS Karbon (ultra yüksek
kuvvet, PAN bzlı), UHM Karbon (PAN), UHM Karbon (ultra yüksek modül, zift bazlı),
UHK karbon (ultra yüksek termal iletkenlikli, zift bazlı), A: aksiyal (eksensel),
T: transvers (enlemesine), D.I.S: düzlem içi shear. Takviyelerin fiber hacim
fraksiyonu %60’dır.)
Şekil-5:
Karbon fiberli epoksi laminatların maksimum
gerilmelerinde çökme saykılları
Şekil-5’de
karbon fiber takviyeli epoksi laminatların gerilim-gerilim ve
sıkıştırma-sıkıştırma yorulmasında maksimum gerilimlerinin fonksiyonu olarak
çökme saykılları görülmektedir. Laminatlar 00 (%60), +450
(%20) ve -450 (%20) oriyente tabakalar içermektedir. Laminatlara 00’yönde
değişken yük uygulanmıştır. Gerilme ve sıkıştırma yorulması için minimum
gerilimin maksimum gerilime oranı (R), sırasıyla 0.1 ve 10’dur. Şekilde
görüldüğü gibi, sıkıştırma–sıkıştırma yorulmasındaki kuvvet azalması
gerilme-gerilme yorulmasındakinden daha fazladır.
Karbon ve
boronla takviyeli polimer matris kompozitler, fiber yönündeki statik
yüklenmelerde deformasyon (creep ‘kayma’) ve çökmeye (creep rupture ‘kayma
kırılması’) karşı çok dirençlidir.
Polimerler
viskoelastik malzemeler olduğundan fiberlerle desteklenmediğinde kayma
fazladır. Kompozit malzemeler, matrisin dominant olduğu yönlerde yüklenecekse
creep özelliği dikkate alınmalıdır.
Termal Özellikler
Tablo-4’de bazı
polimer matris kompozitlerin bazı fiziksel özellikleri verilmiştir; fiber hacim
fraksiyonları %60’dır. Kompozitlerin tümünün yoğunluğu aluminyumdan, ve
bazılarının da magnezyumdan daha düşüktür. Bu durum hem fiberlerin ve hem de
matris malzemelerin düşük yoğunluklarından dolayıdır. Polimerlerin
yoğunluklarının düşük olması, diğer komponentleri aynı olsa bile, PMC’lerin
MMC’ler ve CMC’lere karşı önemli bir avantajıdır.
Tabloda
görüldüğü gibi, kompozitlerin hepsinin aksiyal termal genleşme katsayıları
(CTE) oldukça düşüktür; bu durum düşük fiber aksiyal CTE, yüksek fiber stiffness
ve düşük matris stiffness özelliklerinden dolayıdır. Aramid fiberler ve bazı
karbon fiberlerle takviyeli PMC’lerin CTE değerleri negatiftir; anlamı, pek çok
monolitik malzemenin davranışının aksine bu tip malzemelerin ısıtıldıklarında
daraldıklarını gösterir. Kompozitlerin transvers CTE eğerlerinin hepsi
pozitiftir ve aksiyal CTE değerlerinden daha büyüktür. Bu durum matrisin CTE
değerinin yüksek olmasından ve matrisin transvers yönde zayıf ve aksiyal yönde
baskın olmasının yarattığı Poisson’s etkiden kaynaklanır. Aramid kompozitlerin
transvers CTE’leri, fiberlerin yüksek pozitif radyal CTE değerlerinden dolayı
yüksektir.
Fiber
|
Yoğunluk, g/cm3
|
CTE, ppm/K
|
CTE, W/m.K
|
TC, W/m.K
|
TC, W/m.K
|
E-Cam
|
2.1
|
6.3
|
22
|
1.2
|
0.6
|
Aramid
|
1.38
|
-4.0
|
58
|
1.7
|
0.1
|
Boron
|
2.0
|
4.5
|
23
|
2.2
|
0.7
|
SM karbon (PAN)
|
1.58
|
0.9
|
27
|
5
|
0.5
|
UHS karbon (PAN)
|
1.61
|
0.5
|
27
|
10
|
0.5
|
UHM karbon (PAN)
|
1.66
|
-0.9
|
40
|
45
|
0.5
|
UHM karbon (zift)
|
1.80
|
-1.1
|
27
|
380
|
10
|
UHK karbon (zift)
|
1.80
|
-1.1
|
27
|
660
|
10
|
Fiber
|
Yoğunluk, g/cm3
|
CTE, ppm/K
|
CTE, W/m.K
|
TC, W/m.K
|
TC, W/m.K
|
E-Cam
|
2.1
|
10
|
10
|
0.9
|
0.9
|
Aramid
|
1.38
|
1.4
|
1.4
|
0.9
|
0.9
|
Boron
|
2.0
|
6.5
|
6.5
|
1.4
|
1.4
|
SM karbon (PAN)
|
1.58
|
3.1
|
3.1
|
2.8
|
2.8
|
UHS karbon (PAN)
|
1.61
|
2.3
|
2.3
|
6
|
6
|
UHM karbon (PAN)
|
1.66
|
0.4
|
0.4
|
23
|
23
|
UHM karbon (zift)
|
1.80
|
-0.4
|
-0.4
|
195
|
195
|
UHK karbon (zift)
|
1.80
|
-0.4
|
-0.4
|
335
|
335
|
Cam, aramid,
boron ve çeşitli karbon fiberlerle takviyeli kompozitlerin aksiyal termal
iletkenlikleri düşüktür. E-cam ve aramid içeren PMC’ler termal yalıtkan
(izolatör) olarak kullanılır. Tablo-4’de görüldüğü gibi, pek çok PMC, fiberler
ve matrisin radyal yönde düşük termal iletkenlikleri (TC) nedeniyle transvers yönde oldukça yüksek termal dirence
sahiptir. Laminatların kalınlık boyuca iletkenlikleri, tek-yönlü kompozitlerin
transvers termal iletkenliklerine benzer eğilim gösterir.
Tablo-5’de,
Tablo-4’deki aynı malzemelerden yapılmış olan, quasi-izotropik laminatların
düzlem içi TC’leri ve CTE değerleri verilmiştir; fiber hacim fraksiyonu %60
alınmıştır.
Quasi-izotropik
kompozitlerin CTE’leri, karşılığı olan tek-yönlü kompozitlerin aksiyal
değerlerinden daha yüksektir. Ancak, aramid ve karbon fiberlerle takviyeli
quasi-izotropik kompozitlerin CTE değerleri çok küçüktür. Uygun fiber, matris
ve fiber hacim fraksiyonunun seçilmesiyle CTE’nin sıfıra çok yakın olduğu
quasi-izotropik malzemelerin yapılması mümkündür. Bu tür laminatların kalınlıkları
borunca olan CTE değerleri tipik olarak pozitiftir ve relatif olarak da büyük
olur.
