Kompozitler; Tabakalı, Yapısal (layered, structural composites)

En çok bilinen yapısal kompozitler laminatlı kompozitler (laminatlar) ve sandviç yapılardır.

Fiber takviyeli bir kompozit farklı fiber oryantasyonlarda birkaç tabaka içeriyorsa ‘çok tabakalı (açılı-ply) kompozit’ adını alır. Yapısal bir kompozit homojen kompozitlerden oluşur; özellikleri sadece içerdiği yapısal elementlerin özelliklerine değil, bunların geometrik dizaynlarına da bağlıdır.

Laminatlı Kompozitler: Laminatlar istiflenmiş ve bağlanmış fiber-takviyeli levhalardan oluşur; istiflenme, örneğin 0⁰/90⁰ veya 0⁰/45⁰/90⁰ açılarda olabilir. Düzlem-içi sertlik dengelenmiştir. Teorik olarak bir panelin bükülgenlik sıkılığı (flexural stiffness), kalınlığının küpüyle orantılıdır.

Laminat bir kompozit, iki-boyutlu tabakalar veya panellerin yüksek–kuvvet yaratacak şekilde biraraya getirilmesiyle oluşturulur; örneğin, odun gibi, veya sürekli ve dizili fiber takviyeli plastiklerde olduğu gibi. Tabakalar, her birinin yüksek-kuvvet yönü, bir diğerininkinden farklı olacak bir oryantasyonda üst üste dizilirler, sıkıştırılırlar veya yapıştırılırlar. Örneğin, kontrplaktaki peşpeşe tahta levhalar (bunlara kaplama denir) birbiriyle dik açı yapacak şekilde yerleştirilirler. Pamuk, kâğıt, veya örgü cam fiberler gibi malzemeler içeren plastik matrisli malzemelerle de laminasyonlar yapılabilir. (Şekil-24)

Sandviç Yapılar: Sandviç panellerde yüzey levhalar bir göbek veya balpeteği ile birbirlerinden ayrılırlar. Laminanın sertliği, malzeme düşük yoğunluklu bir göbekle kalınlaştırarak artırılır. Eğme hareketi uygulanan bir sandviç laminatta üst tabaka sıkışma, alt tabaka gerilme göbek kısım ise kayma halindedir. Tipik üst ve alt tabakalar arasında Al alaşımlar, fiber takviyeli plastikler, titanyum, çelik, ve kontrplak sayılabilir. (Şekil-25)

Şekil-24: Bir laminat kompozit yapısal dizilişi

Şekil-25: Sandviç paneller

Yapısal olarak göbeğin iki önemli işlevi bulunur. Birincisi, alt ve üst tabakaları birbirinden ayırır ve tabakalara dik yönde etkiyen deformasyonlara direnç gösterir. İkincisi, tabakalara dik yöndeki düzlemlerde kompozite kayma gerilimi ve sertlik kazandırır.

Göbek olarak kullanılabilen çeşitli malzemeler vardır; köpük polimerler, sentetik kauçuklar, inorganik dolgular, bazla ağacı gibi. Diğer bir popüler göbek balpeteği yapıdadır.

a. Laminatlı Kompozitler

Yapısal bir laminat spesifik bir yığma (lay-up) veya tabaka (ply) düzenlenmeye sahiptir. Laminat lay-up bir laminattaki üst üste tabakaların, koordinat sistemine göre fiber oryantasyonunu tanımlar. Ply oriyantasyon sembolü Şekil-26’da gösterilmiştir.

İzotropik, bir malzemenin özelliklerinin ölçme yönüne göre değişmemesi, her yönde aynı olmasıdır. Quasi-izotropik, düzlem içinde izotropik özelliklere sahip olmaktır. Quasi izotropik bir malzemede fiberler her yönde rastgele oryentedir; bu tür bir dokuma fabrik laminattaki tabakalar 0⁰, 90⁰, +45⁰, -45⁰ şeklinde dizilir. Oryente tekyönlü tabakalarla 0⁰, 60⁰, 120⁰ izotropik yapılar da yapılabilir.

Şekil-26: Quasi-izotropik laminat ply oriyantasyon sembolü

Bir A vektörünün üç kartezyen komponenti bulunur ve A₁, A₂, A₃ veya A_i olarak gösterilir; ‘i’ 1,2,3 değerlerini alan bir indekstir.

İkinci derece bir tensör T dokuz komponente sahiptir; T_ij, j = 1, 2, 3. Dış çekme ‘T’, malzemenin bir konumuna etkiyen kuvvet/alandır.

Üçüncü derece bir tensör D’nin komponent sayısı 27 dir; D_ijk ile gösterilir, j, k = 1, 2, 3.

N düzlem-içi kuvvetlerin tensörü, M bending momentlerin tensörü, e orta-düzlem deformasyon tensörü, X eğilmelerin tensörü, T orta-düzlem sıcaklığının referans sıcaklığa göre değişimi (deformasyon sıfır kabul ediliyor), DT levhanın üst ve alt yüzeyleri arasındaki sıcaklık farkı ve h laminatın toplam kalınlığıdır. Levhanın elastik davranışı A (ekstensiyonda), B (kaplingde), D (bendingde) tensörleri tarafından belirlenir. U (ekstensiyonda), V (kaplingde), W (bendingde) tensörleri laminatın termo-elastik davranışlarını belirler. CLPT (Classical Laminated Plates Theory) bu tensörlerin tümünü ifade eder.

N_x, N_y, ve N_xy: düzlem-içi yük, e⁰_xx, e⁰_yy, g⁰_xy: düzlem-içi strain, B_ij: kapling stiffness, F: kuvvet

Stres 9 komponent içerir: s_ij (i, j = 1,2,3). normal stres: i = j, shear stres: i ≠ j, alt indekslerden birincisi dış normalin yönünü, ikincisi stresin etki yönünü gösterir.

Her stres komponentine karşı bir strain (e_ij) komponent vardır; bir noktadaki deformasyonu tanımlar. Stres ve strain ilişkisinin genel formu:

s_ij = f_ij (e₁₁ , e₁₂ , e₁₃ , e₂₁ , e₂₂ , e₂₃ , e₃₁ , e₃₂ , e₃₃)

stres küpü

Stres (Gerilme)		Strain (Gevşeme)
Tensör	Daralma	Tensör	Daralma
s11 (s1)	s1	e11 (e1)	e1
s22 (s2)	s2	e22 (e2)	e2
s33 (s3)	s3	e33 (e3)	e3
t23 (s23)	s4	g23 = 2 e23	e4
t31 (s31)	s5	g31 = 2 e31	e5
t12 (s12)	s6	g12 = 2 e12	e6

Laminatlar simetrik, anti-simetrik ve sarmal istiflenen laminatlar olarak sınıflandırılabilir. Simetrik laminatlar kendi içinde çeşitli gruplara ayrılır; orta düzlem simetrik laminatlar, dengelenmiş laminatlar, açılı tabakalı laminatlar, çapraz tabaka (cross-ply) laminatlar ve quasi-izotropik laminatlar gibi.

Çok-Açılı Kompozit Laminatın Çökmesi: Çok-açılı laminatlar, tek-yönlü (unidirectional) laminatlarda karşılaşılmayan çökme şekilleri gösterirler. Nedenler arasında matris kraking/splitting (mikrokraklar), delaminasyon, fiber kırılması, fiber-matris debonding, fiber dolaşması (mikro burulma), global laminat burulması sayılabilir. Çok-açılı laminatların çökmeleri Şekil-27’de görüldüğü gibi deneysel olarak da saptanmıştır.

b. Sandviç Yapılar

Sandviç malzemeler dizayn edilirken ve hazırlanırken çok dikkatli davranılmalı, özellikle dizayn aşamasında yüzey güçlendirme özelliğinin yükseltilmesi öncelikle ele alınmalıdır. Hazırlama aşamasında laminat yüzeyinde gözle görünür herhangi bir değişiklik olmamasına karşın göbek kısımda önemli derecelerde darbe hasarı veya darbe bozulması meydana gelebilir. Böyle durumlarla genellikle sıkıştırma veya shear yüklemelerde karşılaşılır. Bu çökme mekanizması basit darbe kayıt testleriyle saptanabilir.

Şekil-27: Quasi-izotropik laminatta çökmenin deneysel izlenmesi

Şekil-28: Laminat yüzey güçlendirme dizaynında kontrol alanları zorlukları; (a) kapalı şapkalı güçlendirilmiş (stiffened) konfigürasyon, (b) kızakla güçlendirilmiş konfigürasyon, (c) Sandviç yapısal konfigürasyonlarının zor kontrol alanı

Laminat yüzey güçlendirme dizaynında çeşitli kontrol alanları zorluklarıyla karşılaşılır; bunlar bazı yöntemlerle aşılmaya çalışılır; örneğin, kapalı şapkalı güçlendirilmiş (stiffened) konfigürasyon, kızakla güçlendirilmiş konfigürasyon gibi (Şekil-28).

GERİ