Arayüzün tanımlanması takviye malzeme ve matris arasındaki
etkileşimle ilgili bilgileri verir. Fiber takviyeli kompozitlerin mekanik
özellikleri yüzey arası bölgenin kararlılığına bağlıdır, dolayısıyla arayüzün
tanımlanması büyük önem taşır. arayüzün karakterizasyonunda kullanılabilen
çeşitli metotlar vardır; mikromekanik teknikler, spektroskopik testler,
mikroskobik teknikler, termodinamik metotlar gibi. Burada kısaca arayüz
özellikleri ve tipik bazı tanımlama testleri anlatılmıştır.
Kompozitlerde arayüzey bağlanması fiber ve matristeki atomik
düzenlenmeye, moleküler konformasyona ve kimyasal konstitüsyona olduğu kadar,
fiberin morfolojik özelliklerine ve fiber/matristeki elementlerin
difüzivitelerine de bağlıdır. Bu nedenle her bir fiber-matris sistemi için arayüz
özeldir. Adezyon genel olarak bağlanma mekanizmalarına yardımcı olur. Katı ve
sıvı yüzeyler arasındaki termodinamik yapışma işi temas açısı (Şekil-38) ölçülerek saptanır.
Temel bağlanma mekanizmaları çeşitlidir; adsorbsiyon ve
ıslanma, elektrostatik etkileşim, kimyasal bağlanma, reaksiyon bağlanma gibi.
Ayrıca hidrojen bağlanma, van der Walls kuvvetleri ve diğer düşük enerji
kuvvetleri de bağlanma mekanizmaları arasında sayılır. Tüm bu mekanizmalar,
sonuç bağlanmayı oluşturacak şekilde arayüz bölgesinde meydana gelir.
(Şekil-39)
Matrislerin çoğu bir fiber preform içine infiltre edilir. İnfiltrasyonun kolaylığı bir sıvının bir katı yüzey üzerinde yayılma yeteneğine, yani ıslanabilirliğine bağlıdır.
Islanabilirlik, bir sıvının katı bir yüzey üzerindeki
yayılması olarak tanımlanır. Yüzey arası bağlanma takviye ve matris arasındaki
yapışmaya bağlıdır. Kompozitin üretimi sırasında matris takviye malzemeyi
ıslatarak aralarında bağlanma oluşmasını sağlar. Bağlanma sisteme göre çeşitli
şekillerde olabilir; mekanik bağlanma, elektrostatik bağlanma, kimyasal
bağlanma, difüzyon bağlanma gibi. Bağlanma kuvveti tek tanecik testi, kütle
(bulk) örnek testi ve mikro-indentasyon testi gibi değişik testlerle
ölçülebilir. Islanabilirlik, Young-denklemindeki temas açısıyla tarif edilir
(Şekil-38).
glv
cos q = gsv
–gsl
gsv =
katı/buhar yüzey enerjisi, gsl
= katı/sıvı yüzey enerjisi, glv
= sıvı/buhar yüzey enerjisidir. Sıvı damlasının adezyon işi
(WA) Dupré eşitliğiyle verilir:
WA = gSV + glV - gSl
iki eşitliğin birleştirilmesiyle,
WA = glV (1 + cos q) Young-Dupré denklemi elde edilir:
Bir “sessile drop”, kararlı koşullar altında
düz ve katı bir yüzey üzerindeki bir sıvı damlasıdır.
Damlanın yüzey gerilimiyle kıyaslandığında gravite
ve gravitasyonal kuvvetlerin etkisi ihmal edilebilecek kadar küçük olmalıdır.
Bu şartlar altındaki damla yarı-küresel şekildedir, alanı çok küçüktür ve
serbest enerjisi çok düşüktür. Katı malzeme üzerine sessile drop konulur ve
temas noktasındaki q açısı ölçülür; bu
değer temas açısı veya ıslanma açısıdır. Temas açısı 0-1800 arasında
değişir ve ıslanmanın yaygınlığını tanımlar. Tam bir ıslanmada q
= 00, ve tam ıslanmama da q
= 00 dir.
Katı yüzey enerjisinin artmasıyla katı ve
sıvı arasındaki yüzey enerjisi yükselir. Örneğin, bir seramik-reçine kompozitte
seramik-reçine arasındaki bağ. Temas açısının değeri, toplam yüzey enerjisi ve
ıslanabilirliğin göstergesi olarak kabul edilebilir.
b. Bağlanma Mekanizmaları
Arayüz bağların oluşma nedenleri çeşitlidir; moleküler
karmaşıklık, elektrostatik çekim, elementlerin interdifüzyonu, kimyasal
reaksiyon ve mekanik bağlanma tipik arayüz bağlanma türleridir (Şekil-39). Yüzey
arası bağlanma kompozitte yük transferi iletkenlik, v.s. gibi özellikler için,
matris ve fiber arasında iyi bir etkileşimin olmasını sağlar.
İnterdifüzyon:
İki yüzey arasında, yüzeylerdeki atomlar veya moleküllerin karşılıklı
difüzyonuyla (interdifüzyon) bir bağ meydana gelebilir. İnterdifüzyon mekanizmasının
gerçekleşebilmesi için iki konstitüent arasında termodinamik bir denge olması
gerekir. Polimer matris kompozitlerde bağ kuvveti moleküler karmaşıklık
miktarına, mevcut moleküllerin sayısına ve moleküller arasındaki bağlanma
kuvvetine göre değişir. İnterdifüzyon, uygun solventlerle ve difüzyon
miktarıyla (moleküler konformasyona, konstitüentlere ve moleküler
hareketliliğin kolaylığına bağlıdır) yükseltilebilir.
Şekil-39: Arayüz bağların oluşma nedenleri,
(a) moleküler karmaşıklık, (b) elektrostatik çekim, (c) elementlerin
interdifüzyonu, (d) iki farklı yüzeydeki A ve B grupları arasındaki kimyasal
reaksiyon, (e) yeni bir bileşiğin oluşmasını sağlayan kimyasal bir reaksiyon
(özellikle MMC’lerde), (f) mekanik kenetlenme (bağlanma)
Elektrostatik
Etkileşim: Konstitüentler arasındaki arayüzde elektrostatik yükteki
farklılık etkileşim bağının oluşmasını kolaylaştırır. Arayüzün kuvveti yük
yoğunluğuna bağlıdır. Bu etkileşim özellikle, fiber yüzeyi bazı kapling
maddelerle işlemlendirildiğinde önemlidir.
Kimyasal Bağlanma:
Kimyasal bağlanma en eski ve en iyi bilinen bağlanma mekanizmasıdır; arayüzde
primer bağ oluşmasıdır. Arayüzdeki kimyasal bağlanma atomik veya moleküler taşınmayla
ilgilidir; difüzyon veya kimyasal reaksiyonlarla desteklenir. Kimyasal bağlanma
PMC’lerde polimerik matris ağ yapı içine organik sertleştiricinin difüzyonuyla,
MMC ve CMC’lerde ise matris ve fiberler arasındaki kimyasal reaksiyonlar
nedeniyle meydana gelir.
Reaksiyon bölgeleri, normal olarak malzeme özellikleri için
zararlıdır; kalınlığı kimyasal reaksiyon denge sabitleri ve/veya infiltrasyon
sıcaklığı değiştirilerek kontrol altında tutulabilir.
Reaksiyon Bağlanma: Reaksiyon
bağlanmada, arayüz bölgede kimyasal reaksiyonla yeni bir madde meydana gelir;
örneğin, metal matris kompozitlerin ergimiş metal infiltrasyon proseslerinde
elemanlardan birinden veya her ikisinden de atomların transferiyle bu tür
bağlanmalar meydana gelir; transfer prosesleri difüzyon kontrollüdür. Yer
değiştirme reaksiyonu ve oksit bağı oluşması reaksiyon bağlanmanın özel
halleridir.
Mekanik Bağlanma:
Bu tür bir bağlanma iki pürüzlü yüzey arasındaki mekanik kenetlenme etkisiyle
oluşur. Mekanik bağlanmayı ıslanabilirlik özelliği kolaylaştırır; matris ve
fiberler arasındaki temas artar. Matris ve fiberin termal genleşme katsayıları,
am > af olduğunda, infiltrasyondan sonraki
soğuma aşamasında ısıl kalıntı gerilimler doğar. Mekanik bağlanma shear
özellikte çok etkin olabilir, sürtünme katsayısını yükseltebilir fakat arayüze
dik bir bağ oluşturamaz.
Kalıntı Gerilimler:
Kompozit malzemelerde proseslerden sonraki soğuma aşamalarında kalıntı
gerilimler oluşur; nedeni, matris ve fiberler arasındaki termal genleşme
katsayısı (a) uyumsuzluğudur. Ayrıca,
termal etkilerde bu tür gerilimlerin doğmasına neden olabilir.
DV
ev = 3 ex = ¾¾ = 3 a DT a = termal genleşme katsayısı (CTE)
V
Matrisin CTE değeri çoğu zaman fiberinkinden daha yüksektir.
Örneğin, polimerler çevreden de su absorblar. Su absorbsiyonu hacim artmasına
yol açar. Hacim artışına ilaveten absorblanan su, elastik modülü ve camsı geçiş
noktasını düşürür, kırılma gevşemesi ve darbe direncini yükseltir. Higro-termal
kalıntı gerilimlerin sonucunda matris gerilmeyle, takviyeler sıkıştırmayla
karşılaşır. Bu durum yüzey arası bağlanmayı geliştirir.
