Hibrid Kompozitlerin Elastik Özellikleri
Farklı tipteki fiberlerin tek bir matriste karıştırılmasıyla hibrid kompozitler elde edilir. Karıştırma işlemi birkaç yapısal seviyede yapılabilir (Şekil-15); kabuk-göbek yapılar, tabaka-tabaka (ply-ply) laminatlar, karışık tow laminatlar gibi. Hibridizasyonun amacı elde edilecek malzemenin özelliklerinin istenilen seviyelerde olmasını sağlamak, herhangi bir komponentin getirebileceği dezavantajı bir diğer madde ilavesiyle düzeltmektir. Örneğin, cam takviyeli polimer (GRP), karbon fiber takviyeli polimerden (CFRP) daha ucuz ve daha dayanıklıdır; ancak sertliği aha düşüktür. CFRP kompozite bir miktar cam fiber ilave edildiğinde ucuz, dayanıklı ve sıkı (stiff) bir malzeme, bir hibrid kompozit elde edilir. Çeşitli amaçlarla kullanılabilen iki veya daha fazla fiber tipinin biraraya getirildiği dokuma türü hibrid takviye malzemeler bulunmaktadır.
Şekil-15: Üç farklı tip hibrid laminat yapı; (a) kabuk-göbek, (b) tabaka-tabaka, (c) tow-tow yerleşimler
Kabuk-göbek yapılar yapısal mühendislikte çok kullanılan formlardır; göbek ‘shear (makaslama)’ kuvvetleri taşırken, kabuk tabakalar gerilme ve sıkıştırma kuvvetleri taşır. Bu tür kompozit yapılarda göbek malzeme yapısal bir polimer köpük, kâğıt veya metal balpeteği olabilir. Malzemenin eğilme deformasyonuna karşı gösterdiği direnç (eğilme sıkılığı, bending stiffness) EI,
n
(EI)beam = ΣEi Ii
i = 1
Örneğin b genişliğindeki bir kabuk-göbek bir sandviç yapıda, t: ince kabukların (bir fiber kompozit) her birinin kalınlığını, c: göbeğin (bir polimer göbek) kalınlığını gösterdiğinde Ic: göbeğin ve Is: her bir kabuğun nötral düzleme göre atalet momenti:
bc3 bt3
Ic = ¾¾ Is = ¾¾ + b t z2
12 12
z: nötral düzlemden kabuğun orta düzlemine olan mesafedir. Sandviç yapının (sandviç beam) eğilme sıkılığı (bending stiffness):
(EI)beam = 2Es Is + Ec Ic
kabuğun kalınlığı göbeğe kıyasla çok küçükse, , t2 << z2, ve Ec << Es olduğundan eşitlik yaklaşık olarak aşağıdaki gibi yazılabilir.
(EI)beam ≈ 2Es b tz2
Bu ifade pek çok durumda yeterlidir. Şekil-16’da beam eğilme sıkılığının (kabuk panellerin eğilme sıkılığına göre normalize edilmiş), göbek ve kabuk kalınlıklarının oranıyla (c/t) değişimi görülmektedir. Göbek poliüretan köpük, kabuk panellerin kalınlığı 1 mm’dir. Beam’in normalize edilmiş eğilme sıkılığı kabuk malzemenin sıkılığına bağlı değildir.
Tek-yönlü tabakalar(ply) veya karışık, düzenli fiber towlar içeren basit hibridlerin gerilme modülleri karışma kuralına uyum gösterirler
Ehibrid = EAVA + EBVB + ECVC + ..
EA , EB, EC ...her bir tek-yönlü komponentin (örneğin, bir karbon/cam/epoksi hibriddeki CFRP ve GRP) modüllerini, ve VA, VB, VC‘de A, B, C, komponentlerinin hacim fraksiyonlarını gösterir. Basit bir kompozit için VA + VB + VC + = 1 olarak kabul edilebilir. Tipik bir örnek CFRP/GRP hibrid kompozitler için Şekil-17’de görülmektedir.
Şekil-16: Genişliği 10 cm olan bir sandviç yapının (beam), kabuk panellerin eğilme sıkılığına (EIkabuk) göre normalize edilmiş eğilme sıkılığının (EIbeam), göbek ve kabuğun kalınlığına göre değişmesi
Şekil-17: İki tip tek-yönlü (UD) karbon/E cam hibrid kompozitin Young’s modülünün kompozisyonla değişimi; her iki sistem de karışma kuralına uygundur
Karışık-ply (tabaka) bir laminata eğilme (bending) testi uygulandığında oluşan bükülenlik stiffness farklı fiberlerin dağılımından etkilenir; bu durumda karışma kuralından sapmayla karşılaşılır. Tipik bir örnek olarak CFRP/GRP hibrid laminatlar gösterilebilir. Hibrid beam’lerin bükülgenlik modülü:
1 k
Ehibrid = ¾¾ Σ [z3i+1 – z3i] Ei
3t i = 1
t = laminatın kalınlığı, z = i’nci tabakanın tabana olan mesafesi, zi+1 = i’nci tabakanın en üsttekine olan mesafesidir. Pek çok laminat hibridin gerilme bükülgenlik sıkılığı, klasik ince-laminat teoriye uyum gösterir.
Hibrid Kompozitlerde Kalıntı Gevşemeler (Strain)
Yeni üretilen kompozitlerde kalıpta soğuma, post-kürleme veya son ısıl işlemlemeler sırasında ‘kalıntı gevşemeler’ meydana gelir.
Yeni üretilen kompozitlerde post-kürleme soğutma aşamasında veya daha sonraki yüksek servis sıcaklıklarında termal gevşemeyle karşılaşılabilir. Matris reçinelerin çoğu bir dereceye kadar viskoelastiktir, dolayısıyla yavaş yükseltilen sıcaklıklarda veya nemle karşılaştıklarında zamana bağımlı olarak gerilme-relaksasyonuna uğrarlar. Malzemede üretim sırasında oluşan kalıntı gerilimin ortam koşullarında depolamada süresince azalması önemsizdir. Şekil-18’de tek-yönlü cam/karbon/epoksi laminatın farklı hidrotermal koşullardaki kalıntı termal gerilimleri görülmektedir.
Yukarıda verilen hibrid beam’lerin bükülgenlik modülü (Ehibrid) eşitliği 0/900 yerleştirmelerde veya karışık-tabakalı hibrid laminatlarda kalıntı stresin hesaplanmasında da kullanılabilir; iki elemanın genleşme katsayısında önemli derecede farklılık olduğunda bu tür yapıların termal stresleri yükselir. Tipik bir örnek olarak CFRP/GRP hibrid yapı gösterilebilir. Şekil-19’da 0/90/0 GRP laminat tabakaların termal gevşeme (strain) değerlerinin tabaka fiber miktarının fonksiyonu olarak değişimi görülmektedir.
Şekil-18: Tek-yönlü karbon/cam/epoksi hibrid laminatın farklı higrotermal koşullarda kalıntı gerilimin azalması
Şekil-19: Bir 0/90/0 cam/epoksi laminatta: 0°ve 90° tabakalardaki kalıntı termal strainler
Hibrid Kompozitlerin Kuvveti
Hibrid kompozitlerin elastiklik hesaplamaları fiber dağılımından bağımsız olmasına rağmen, kuvvet, dayanıklılık ve yorulma davranışı gibi tahribattaki mikro mekanizmalara bağlı özellikler için durum farklıdır. Hibridizasyonun en yüksek seviyesinde CFRP laminat içindeki GRP şeritler etkili kırılma tutucular olarak davranabilir, lokalize debonding ve ayrılmalarla CFRP’deki kırılma enerjisini hızla dağıtır.
En yaygın hibrid tipi, her birinde tek tip fiber bulunan tabakaların dengeli dizilerde yerleştirilmeleriyle hazırlanır. Hibrid kompozitin kuvveti sH, kompozitin kalıntı yük taşıma kapasitesiyle tanımlanır (Şekil-20).
sH = shu Vhe
Vhe = komponentin hacim fraksiyonu, Vhe + Vle = 1, ve σhu saf her fiberin kuvvetidir.
Diğer ekstremde, bir le kompozite az miktarda he fiber ilave edilir; bu durumda da, le kompozit çöktüğünde he fiberler yükü taşıyamadıklarından kuvvet yine azalır. le fiberlerin çökmesiyle kompozit aniden kırılır. Bu modda hibridin kuvveti:
sH = s’h Vhe + slu Vle
slu , saf le fiberlerin kuvveti, bu hattın he eksenini (Vhe = 1) kestiği nokta s´h; le komponentin çökme gevşemesinde he komponentin gerilimidir ve eluEh ye eşittir (elu ve ehu saf le fiberleri ve saf he fiberlerin çökme gevşemeleridir). Tekten çoklu kırılmaya geçiş Vkrit., (kritik kompozisyon) aşağıdaki eşitliklerin çözümüyle bulunur. (Gm matris shear modülü)
Şekil-20: Tek-yönlü (unidirectional) iki-komponentli hibrid kompozitlerin kuvvetinin iki bileşenin oranlarıyla değişimi (he yüksek-uzayabilir, le düşük-uzayabilir malzeme)
s
Vkrit. = ¾¾¾¾¾¾¾ (1)
slu + shu − eluEh
Gm
skomp. = ¾¾¾ (2)
1 - Vf
Bu geçiş noktası aynı zamanda minimum kuvvetteki hibrid kompozisyonunu tanımlar. Böyle bir model iki tek-yönlü hibrid kombinasyonu için Şekil-21’de görülmektedir.
Hibrid Kompozitlerin Dayanıklılığı (Toughness)
Tek bir reçine içinde iki veya daha fazla tür fiber bulunduğunda oluşan hibrid kompozitin davranışı basit modellerle açıklanamaz. İlk çalışmalarda örneğin, cam/karbon/reçine hibridlerde çentikli darbeyle kırılma işinin malzemenin içerdiği CFRP ve GRP oranına göre değiştiği (karışma kuralına göre)rapor edilmiş (Şekil-22), iki fiberin kompozitteki dağılımı üzerinde durulmamıştır.(1975). Fakat daha sonraları karbon/cam ve karbon/aramid hibridler üzerinde yapılan detaylı çalışmalar bu yorumun her durumda geçerli olmadığını göstermiştir. Örneğin, karbon fiberlerin cam filamentler için ‘ortam (veya çevre)’ olarak konumlandırıldığı bir dağılımda, camın debond ve pull-out uzunlukları etkin bir biçimde modifiye edildiğinden, toplam hibrid kırılma enerjisi karışma kuralıyla tanımlanan değerlerin altında olur. Karbon/kevlar hibridlerin darbe-enerji değerlerinde de benzer sonuçlar elde edilmiştir. Bunlar negatif ‘hibrid etkisi’ örnekleridir.
Hibrid etkisi, hibrid bir yapının davranışlarının ‘karışma-kuralı’ndan sapması olarak tarif edilir. Pozitif hibrid etkisi, hibridin özelliklerinin karışma kuralınca belirlenen değerlerden daha yüksek, negatif hibrid etkisi ise daha düşük olmasıdır. (Karışma Kuralı, bir kompozitin içerdiği matris ve dispers fazın hacim ağırlığı ortalamasına bağlı olarak özelliğini değerlendirme metodudur.)
Hibrid etkisini diğer bir tanımlamada bir fiberin bir hibrid kompozitte ve bir non-hibrid kompozitteki performans farkı dikkate alınır; hibrid kompozitin özelliklerinin non-hibrid kompozite kıyasla daha yüksek (pozitif hibrid etkisi) veya daha düşük (negatif hibrid etkisi) olması dikkate alınır.
Şekil-21: Gerilme kuvvetinin tek-yönlü (unidirectional) hibrid laminatlar GRP / CFRP ve KFRP / CFRP ile değişmesi; alt eğrideki düz çizgiler Denklem (1) ve (2)’yi tanımlar (KFRP: aromatik poliamid takviyeli polimer)
Şekil-22: Hibrid CFRP / GRP kompozitler için kırılma (fracture) işi (çentiklenmiş charpy darbe testi ile ölçülmüştür)
