Kompozitler
kuvvetli heterojen malzemelerdir; dolayısıyla bir kompozitin özellikleri
malzemenin değişik noktalarında farklı olabilir. Monolitik seramikler ve
metalik alaşımlar genellikle homojendirler. Kompozitlerin çoğu, özellikle fiber
takviyeli kompozitler anizotropiktir; yani, özellikleri yöne göre değişir
(izotropik malzemelerin özellikleri her yönde aynıdır).
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.
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.
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 takviyeli
kompozitlerin çoğu, özellikle PMC’ler, MMC’ler ve CCC’ler metaller gibi plastik
davranış göstermediklerinden gerilime karşı daha hassastırlar. Plastik
deformasyon olmadığı halde bu kompozitler monolitik seramikler gibi kırılgan
değildir. Kompozitler, heterojen yapıları nedeniyle, dayanıklılığın (toughness)
da katkısının olduğu kompleks bir kırılma veya çökme mekanizması gösterirler.
Kompozit
maddelerin kendilerine özgü karakteristikleri, özellikle de anizotropisi, özel
dizayn metotları gerektirir. Dört tip kompozitin her biri çok sayıda malzemeyi
kapsadığından genellemeler yapmak oldukça zordur. Ancak, bir malzeme sınıfı
olarak ele alındığında kompozitler için ortak özellikler yüksek kuvvet ve
modül, düşük termal genleşme katsayısı (CTE); düşük yoğunluk; yorulmaya
(fatigue), kaymaya, kayma çatlamasına veya kırılmasına (creep rupture),
korozyona ve aşınmaya karşı direnç olarak sayılabilir.
Monolitik
malzemelerde olduğu gibi, dört tip kompozitin her biri kendine özgü özellikler
gösterir. Örneğin CMC’ler özellikle yüksek sıcaklıklara kadar korozyona,
oksidasyona ve aşınmaya dayanıklıdır.
Mekanik
özellikler ve malzeme hafifliğinin önemli olduğu uygulamalarda dikkat edilen
değerler spesifik kuvvet (kuvvet/yoğunluk) ve spesifik sıkılıktır (stiffness)
(sertlik/yoğunluk). Şekil-29’da konvensiyonal yapısal metallerin (çelik,
titanyum, aluminyum, magnezyum ve berilyum), iki mühendislik seramiği (silikon
nitrid ve alumina) ve tipik bazı kompozitlerin spesifik stiffness ve spesifik
gerilme kuvvetleri verilmiştir. Kompozitler, takviye olarak sürekli fiberler
(karbon, aramid, E-cam ve boron) içeren polimer matris kompozitler ile bir
metal matris kompozittir (silikon karbid partikül takviyeli aluminyum). Diğer
bir malzeme de berilyum-aluminyumdur; bu malzeme düşük çözünürlük özelliği
nedeniyle bir alaşımdan ziyade, bir tip metal matris kompozit olarak
düşünülebilir.
Şekil-29’daki
karbon fiberler çeşitli öncül malzemelerden yapılmıştır, poliakrilonitril
(PAN), petrol zifti ve kömür katranı zifti tipik öncül malzemelerdir. Bunlardan
PAN bazlı karbon fiberler diğer iki öncül malzemeden üretilenlerden (bunların
kısmen benzer özelliklerdedir) çok farklı özelliktedir. Çeşitli karbon fiber
tipleri vardır: SM (standart-modül), UHS (ultra yüksek kuvvet), UHM(ultra yüksek
modül) PAN fiberler ve UHM (ultra yüksek modül) zift veya katran fiberler gibi.
Şekil-29: Kompozit malzemeler, monolitik
metaller ve seramiklerin spesifik modüllerine göre spesifik gerilme kuvvetleri
Fiber takviyeli
kompozitlerin özellikleri fiber oryantasyonuna çok fazla bağlı olduğundan fiber
takviyeli polimerler ‘line’larla tanımlanır. Üst uç bir tekyönlü laminatın
aksiyal (eksensel) özelliklerinin karşılığıdır; tüm fiberler bir yönde dizilmiştir.
Alt uç bir quasi-izotropik laminatı tanımlar; bunlar, fiberlerin düzlemindeki
tüm yönlerde eşit stiffness ve yaklaşık olarak eşit kuvvet özelliklerine sahiptir.
Şekil-29’da görüldüğü gibi kompozitler kuvvet ve sertlik bakımından metallere
kıyasla önemli avantajlara sahiptir. Bu özellikleriyle mühendislik
uygulamalarda geniş kullanım alanına sahiptirler.
Şekil-30: Aluminyum ve tek-yönlü polimer
matris kompozitler için maksimum gerilim-çökme saykıl sayısı eğrileri; gerilme
oranı R = 0.1
Şekil-31: Silikon karbid partikül takviyeli
aluminyum kompozitin termal genleşme katsayısının partikül hacim fraksiyonuyla
değişimi
Fiber takviyeli
kompozitlerin özellikleri fiber oryantasyonuna çok fazla bağlı olduğundan fiber
takviyeli polimerler ‘line’larla tanımlanır. Üst uç bir tekyönlü laminatın
aksiyal (eksensel) özelliklerinin karşılığıdır; tüm fiberler bir yönde
dizilmiştir. Alt uç bir quasi-izotropik laminatı tanımlar; bunlar, fiberlerin
düzlemindeki tüm yönlerde eşit stiffness ve yaklaşık olarak eşit kuvvet
özelliklerine sahiptir. Şekil-29’da görüldüğü gibi kompozitler kuvvet ve
sertlik bakımından metallere kıyasla önemli avantajlara sahiptir. Bu
özellikleriyle mühendislik uygulamalarda geniş kullanım alanına sahiptirler.
Şekil-32: Metaller ve karbon fiberlerin
elektrik dirençleri-termal iletkenlikleri
Yüksek statik
kuvvet özelliklerine ilaveten fiber takviyeli polimerler, fatigue (yorulma)
yüklenmeye de fevkalade dirençlidir. Şekil-30’da, aluminyum ve bazı tek-yönlü
PMC’in maksimum gerilimle (stres, S) çökme saykıl sayısının (N) nasıl değiştiği
görülmektedir. R = 0.1 (minimum gerilim/maksimum gerilim). Kompozitler, aramid,
boron, SM karbon, HS cam ve E-cam takviyeler içeren epoksi matrisli
malzemelerdir. Yorulmaya (fatigue) karşı fevkalade dirençli olmaları nedeniyle
kompozitler havacılık uygulamalarında (helikopter rotor kanatları) ve otomobil
endüstrisinde (amortisör yayı) kritik bazı malzemelerde metallerin yerini almıştır.
Kompozit
malzemelerin yapısal ürünlerde geniş kullanım alanı bulmasında ana neden üstün
mekanik özellikleridir. Ayrıca, düşük, ayarlanabilen termal genleşme katsayısı
(CTE) ve yüksek termal iletkenlik gibi önemli fiziksel özellikleri de
kompozitlerin uygulama alanlarının giderek artmasının önemli nedenleridir.
Karbon ve
aramid fiberlerle takviyeli PMC’ler ve silikon karbid partikül takviyeli
aluminyum gibi çok sayıda kompozitin termal genleşme katsayısı düşüktür; bu
özellik boyutsal kararlılık gerektiren uygulamalarda önemli bir avantajdır.
Uygun takviye ve matris malzeme seçimiyle CTE değerinin sıfıra yakın olduğu
kompozitlerin üretimi de mümkündür. Termal genleşme katsayısının ayarlanabilir
olması, benzeşmeyen malzemelerin bir araya getirilmesinde ortaya çıkan termal
gerilim ve distorsiyonu en düşük seviyeye düşürmeye olanak verir.
Şekil-31’de
silikon karbid partikül takviyeli aluminyum kompozitin CTE değerlerinin
partikül miktarıyla değişimi verilmiştir. Takviye miktarının değişmesiyle elde
edilen CTE değerleri, önemli mühendislik malzemeleriyle (çelik, titanyum ve
alumina gibi) kıyaslanabilir seviyelerdedir. CTE’nin gerekli değere
ayarlanabilmesi, özellikle elektronik malzemelerde önemlidir; uygun CTE,
seramik substratlar, yarı iletkenler ve lehimli bağlantıların çökmesine neden
olan termal gerilimleri karşılar.
Bazı özel
kompozitlerin sahip olduğu diğer bir önemli özellik yüksek termal
iletkenliktir. Bu tür malzemeler ısı dağıtımının gerekli olduğu koşullar için
uygundur. Ayrıca, yoğunluğun düşük olması da ağırlığın önemli olduğu ısıl
kontrol uygulamalarda özel bir avantaj sağlar; örneğin, diz üstü bilgisayarlar,
havacılık elektroniği, uzay aracı komponentleri (radyatörler gibi) bu tür
kompozitlerin tipik uygulama alanları olarak sayılabilir.
Çok sayıda
termal iletken kompozit vardır. Bu tür malzemelerde kullanılan en önemli
takviyeler zift bazlı karbon fiberlerdir. Şekil-32’de konvensiyonal metaller ve
karbon fiberler için termal iletkenliğin elektriksel dirençle değişimi
verilmiştir. Görüldüğü gibi PAN bazlı fiberlerin termal iletkenlikleri relatif
olarak daha düşüktür. Oysa bakırdan iki kat daha yüksek termal iletkenliğe
sahip zift bazlı fiberler vardır. Bu takviye malzemeler aynı zamanda, sıkı
(stiffness) ve düşük yoğunlukludur. Karbon fiber eğrisinin üst ucundaki
fiberler kimyasal buhar depozisyon (CVD) yöntemiyle yapılmıştır. Karbonun diğer
bir formundan yapılan fiberlerin (elmas) termal iletkenlikleri ~2000 W/m.K’dir.
Çok sayıda ve çeşitli PMC, MMC, CMC, ve
CCC vardır; burada bazı tipik örnekler ele alınmıştır.
Kompozitlerin monolitik malzemelere
tercih edilmesinin temel nedeni mekanik özelliklerinin çok yüksek olmasıdır.
Örneğin, yüksek termal iletkenlik ve uygun CTE değerli bazı kompozit sistemler
elektronik paketlemede, çok yüksek stiffness, yaklaşık sıfır CTE değerli ve
düşük yoğunluklu karbon takviyeli polimer kompozitler ise uzay aracı yapı
malzemelerinde kullanılmaktadır.
Kompozitler kompleks, heterojen ve çoğu
zaman anizotropik sistemlerdir. Özellikleri çok sayıda değişkene bağlıdır;
takviye malzemenin formu, hacim fraksiyonu ve geometrisi; arafazın özellikleri,
takviye ve matrisin bağlantı bölgesi; ve kompozitteki boşluk miktarı gibi.
Kompozitin üretim prosesleri bu gibi değişkenleri etkiler. Aynı matris ve
takviyenin kullanıldığı sistemlere farklı prosesler uygulandığında elde edilen
kompozitlerin özellikleri değişik olur.
Kompozitlerin özellikleri, daha önce de
belirtildiği gibi, takviye malzemenin formuna, hacim fraksiyonuna ve
geometrisine bağlıdır. Örneğin, Tablo-4’de bazı E-cam fiber takviyeli poliester
kompozitlerin özellikleri verilmiştir. Takviye formları süreksiz fiberler,
dokuma roving ve düz, paralel, sürekli fiberlerdir.
Görüldüğü gibi süreksiz takviye sürekli
takviye kadar etkili değildir. Ancak, süreksiz fiber takviyeli kompozitlerin
proses sırasında akışkan olmaları kompleks kalıplama parçaların fabrikasyonun
kolaylaştıran bir avantajdır. Süreksiz fiber takviyeli kompozitler üç sınıf
altında toplanabilir:
Tablo-4:
E-Cam Takviyeli Poliesterin Mekanik Özelliklerine Değişik Fiber Formlarının
Hacim Fraksiyonunun Etkisi
BMC
|
SMC
|
CSM
|
Dokuma
|
*Tek-yönlü, eksensel
|
*Tek-yönlü, transvers
|
|
Cam miktarı, % ağ.
|
20
|
30
|
30
|
50
|
70
|
70
|
Gerilme modülü, GPa
|
9
|
13
|
7.7
|
16
|
42
|
12
|
Gerilme kuvveti, MPa
|
45
|
85
|
95
|
250
|
750
|
50
|
BMC: bulk molding
compound, SMC: sheet molding compound, CSM: chopped strand mat,
Dokuma: woven roving, * Paralel sürekli fiberler
Dokuma: woven roving, * Paralel sürekli fiberler
1. Bulk kalıplama (moulding) bileşiği
(BMC): Bu tip malzemelere sadece kalıplama bileşikleri de denir; kullanılan
fiberler oldukça kısadır (3-12 mm) ve üç yönde rastgele oriyente edilmişlerdir.
BMC’ler fazla miktarlarda mineral partiküller (kalsyum karbonat gibi) yüklemeye
müsaittirler; bu tip dolgu maddeleri kompozite, boyutsal kararlılığı koruma,
yüzeyin muntazam olması ve maliyetin düşürülmesi gibi avantajlar sağlar.
BMC’ler hem partikülat ve hem de fibrous takviyeler içerdiğinde bir hibrid
kompozit tipi olarak düşünülebilir.
2. Kesilmiş (chopped) strand matlar
(CSM): Takviye faz olan süreksiz fiberlerin uzunluğunu ~25 mm dolayında olduğu
ve iki yönde rastgele oriyente edildiği kompozitlerdir.
3. Levha (sheet) kalıplama kompaundları
(SMC): Kesilmiş fiberlerin (uzunluk 25-50 mm) rastgele ve iki yönde oriyente
edildiği malzemelerdir. BMC’de olduğu gibi bu tür kompozitler de, kalsyum
karbonat ve klay gibi tanecik dolgu maddeleri içerir.
Tablo-4’de görüldüğü gibi aynı
miktarlarda fiber içerdikleri halde SMC’ın gerilme modülü CMS’den önemli
derecede yüksektir; nedeni, SMC’in aynı zamanda partikülat takviye de içermesidir.
Ancak partiküllerin kompozitin modülünü yükseltmesine karşın gerilme kuvvetini
yükseltmediği de görülmektedir. Böyle bir durum partikül takviyeli polimerler
için geçerlidir, oysa metal matris kompozitler ve seramik matris kompozitlerde
partiküller hem gerilme modülünü ve hem de gerilme kuvvetinin yükseltir.
Fabrikler ve dizili fiberlerle
kuvvetlendirilmiş kompozitlerin fiber yönündeki gerilme modülü ve gerilme
kuvveti, süreksiz fiberlerle takviyeli kompozitlerden çok yüksektir. Örneğin,
dokuma roving takviyeli kompozitin gerilme kuvveti (warp-çözgü yönünde
ölçüldüğünde) CSM’ın iki katından daha yüksektir. Ölçmenin warp yöne dik olan
weft (atkı) yönünde yapılması durumunda da benzer veya çok az düşük modül ve
kuvvet değerleri elde edilir, dokuma ‘dengelenmiştir’; yani dokumanın birim
uzunluğunda warp ve weft yöndeki fiber sayısı yaklaşık olarak eşittir.
Tablo-4’de görüldüğü gibi, tek-yönlü
kompozitin eksensel (aksiyal) gerilme modülü ve kuvveti dokuma takviyeli
kompozitten daha yüksektir. Transvers yöndeki değerler hem aksiyal yöndeki değerden
ve hem de dokuma takviyeli kompozitin değerinden daha düşüktür.
Malzemelerin
fiziksel özellikleri pek çok uygulamada kritik değerlerdir. Burada mühendislik
branşlarında yaygın kullanım alanlarına sahip bazı monolitik malzemelerle,
bunlardan hazırlanan tipik kompozitlerin yoğunluk, CTE (termal genleşme
katsayısı) ve TC (termal iletkenlik) karakteristikleri ele alınmıştır. Bir
malzemeden ısının uzaklaştırılması doğrudan iletimle ilgilidir; bu nedenle
termal iletkenlik kompozitler için önemli bir özelliktir.
Pek çok uygulamada (örneğin uzay
araçları, havacılık, ve taşınabilir sistemler gibi) malzemenin yoğunluğu,
dolayısıyla ağırlığı da önemli bir özelliktir. Termal iletkenlik ve yoğunluk özelliklerine
ilaveten kompozitlerin CTE değerleri de çok önemlidir; örneğin, elektronikte
kullanılan yarı iletkenler ve seramik substratlar kırılgan malzemelerdir. Oysa
termal iletkenlikleri yüksek, CTE değerleri istenilen aralıklarda, düşük
yoğunluklu ve fevkalade mekanik özelliklerde çok sayıda kompozitler
yapılabilmektedir. Tipik örnekler olarak, zift bazlı ultra yüksek termal
iletken (UHK) takviyeli PMC, MMC ve CCC ile silikon karbid partikül takviyeli
aluminyum, berilyum oksit partikül takviyeli berilyum ve elmas partikül
takviyeli aluminyum ve bakır gösterilebilir.
Örnek olarak tablo-6’da elektronik
paketlemede kullanılan UHK karbon fiberlerle takviyeli bazı kompozitlerin ve
kıyaslama amacıyla monolitik bakır ve 6063 aluminyumun fiziksel özellikleri verilmiştir.
Kompozitlerdeki beş farklı matris epoksi, aluminyum, bakır, berilyum ve
karbondur.
Şekil-33:
Bazı monolitik malzemeler ve kompozitlerin CTE-CT
özellikleri
Şekil-33’de elektronik paketlemede
kullanılan Tablo-6’daki kompozitler [(SiC)p/Al, (SiC)p/Be, (elmas)p/Cu, C/Ep,
C/Al, C/Cu, C/C], ile monolitik metaller ve bazı diğer malzemelerin, termal
iletkenlikleri CTE değerlerinin fonksiyonu olarak verilmiştir. Şekildeki
bakır–tungsten (Cu–W), bakır-molibden (Cu–Mo), berilyum–aluminyum (Be–Al),
aluminyum–silikon (Al–Si) metal-metal kompozitler, silvar ise gümüş ve
nikel-demir alaşımıdır.
Takviye / Matris
|
Uzama, MPa
|
Gerilme, MPa
|
Kopma, MPa
|
Polimer Matris Kompozit (PMC)
|
|||
E-cam (%73.3
hac.) / epoksi
|
56 x 103
|
1.640
|
-
|
Al2O3
whiskerler (%14 hac.)/epoksi
|
41 x 103
|
779
|
-
|
C (%67 hac.)
/ Epoksi
|
221 x 103
|
1206
|
-
|
Kevlar (%82
hac.) / epoksi
|
86 x 103
|
1517
|
-
|
B (%70 hac.)
/ epoksi
|
245 x 103
|
1750
|
-
|
Metal Matris Kompozit
|
|||
Al2O3
(%10 hac.) / Al
|
-
|
330
|
-
|
W (%50 hac.)
/ bakır
|
260 x 103
|
1100
|
-
|
W
partiküller (%50 hac.) / bakır
|
190 x 103
|
380
|
-
|
Seramik Matris Kompozit
|
|||
SiC
whiskerler / Al2O3
|
-
|
-
|
800
|
SiC
whiskerler / SiC
|
-
|
-
|
750
|
SiC
whiskerler /Si3N4
|
-
|
-
|
900
|
Tablo-6: Elektronik Paketlemede Kullanılan
Bazı Kompozitlerin Fiziksel Özellikleri
Matris
|
Takviye
|
V/O, %
|
Yoğun., g/cm3
|
CTE, ppm/K
|
TC(a),
W/m.K
|
TC(b),
W/m.K
|
Al (6063)
|
-
|
-
|
2.7
|
23
|
218
|
81
|
Bakır
|
-
|
-
|
8.9
|
17
|
400
|
45
|
Aluminyum
|
SiC partikül
|
70
|
3.0
|
6.5
|
190
|
63
|
Berilyum
|
BeO partikül
|
60
|
2.6
|
6.1
|
240
|
92
|
Bakır
|
Elmas partikül
|
55
|
5.9
|
5.8
|
420
|
71
|
Epoksi
|
UHK CF
|
60
|
1.8
|
-0.7
|
330
|
183
|
Aluminyum
|
UHK CF
|
26
|
2.6
|
6.5
|
290
|
112
|
Bakır
|
UHK CF
|
26
|
7.2
|
6.5
|
400
|
56
|
Karbon
|
UHK CF
|
40
|
1.8
|
-1
|
360
|
195
|
CTE: termal genleşme katsayısı, (a)TC:
düzlem-iç ve (b)TC: spesifik termal iletkenlikler
