T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK MİMARLIK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
KONU
KOMPOZİT MALZEMELER VE MEKANİK ÖZELLİKLERİ
BİTİRME ÖDEVİ
VOLKAN KAZANÇ 9821002028 DANIŞMAN Yrd. Doç. Dr. Ş. Yılmaz GÜVEN MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ISPARTA –i 2002
ÖNSÖZ Malzemenin tarih içindeki gelişim, değişim ve çeşitlenme süreci incelendiğinde, saf ve doğal malzemenin kullanımdaki payının zamanla gitgide azaldığı, buna karşılık gelişen teknolojiyle birlikte, birden fazla malzemenin değişik tekniklerle bir araya getirildiği, amaca uygun özelikler taşıyan, bir anlamda kompozit malzemenin gitgide arttığı, yaygınlaştığı açıkça görülmektedir. Kompazit malzeme konusundaki bu çalışma yalnız makine mühendisliği alanındaki kullanımı ve uygulamalarıyla ele alınmıştır. Bu çalışmada kompozit malzeme konusuna önce genel bir giriş yapılmış, bu konu tarihsel yönüyle özet olarak ele alınmış, daha sonra kompozitlerin başlıca türleri, bunların genel özellikleri, üretimleri ve kullanımları üzerinde ana halleriyle durulmuştur. Ayrıca bu çalışmada katkılarından dolayı değerli hocam Yrd. Doç. Dr. Şevki Yılmaz GÜVEN’e teşekkürlerimi sunarım. Anneme ve Babama Saygılarımla. Volkan KAZANÇ
i
İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ...................................................................................................................................i İÇİNDEKİLER...............................................................................................................ii ŞEKİLLER VE ÇİZELGELER LİSTESİ.......................................................................iii BÖLÜM 1....................................................................................................................1 1.1.Giriş..............................................................................................................................1 1.2. Tarihçe.........................................................................................................................1 1.3. Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri.................................................................2 1.4 Kompozit Üretiminde Kullanılan Malzemeler.............................................................3 1.4.1. Matris Malzemeleri..............................................................................................3 1.4.1.1. Epoksi Reçine Matrisler................................................................................5 1.4.1.2. Polyester Reçine Matrisler............................................................................5 1.4.1.3. Vinylester Reçine Matrisler...........................................................................6 1.4.1.4. Fenolik Reçine Matrisler...............................................................................6 1.4.1.5. Silikon Reçineler...........................................................................................6 1.4.1.6. Metal Matrisler..............................................................................................6 1.4.2. Elyaflar..............................................................................................................7 1.4.2.1. Cam Lifleri....................................................................................................8 1.4.2. Elyaflar.................................................................................................................8 1.4.2.1.Cam Lifleri ....................................................................................................9 1.4.2.2. Asbest Lifleri ..............................................................................................11 1.4.2.3. Çelik Teller..................................................................................................11 1.4.2.4. Karbon Lifleri.............................................................................................12 1.4.2.5. Aromid Lifler ............................................................................................12 1.4.2.6. Bor Lifleri ..................................................................................................12 1.4.2.7. Silisyum Karbür Lifleri ..............................................................................13 1.5. Kompozit Malzemelirinin Sınıflandırılması ve Özellikleri ......................................13 1.5.1. Elyaflı Kompozitler............................................................................................14 1.5.2. Parçacıklı Kompozitler.......................................................................................15 1.5.3.Tabakalı Kompozitler..........................................................................................15 1.5.3.1.Tabakalı Kompozitlerin Örnekleri ve Uygulamaları....................................15 1.5.4. İleri Kompozitler ...............................................................................................17 Malzeme.......................................................................................................................17 BÖLÜM 2......................................................................................................................19 2.1.Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemelerinin Üretim Yöntemleri ...............................19 2.1.1. Elyaf Sarma .......................................................................................................19 2.1.2. Açık – Kalıp Yöntemleri....................................................................................20 2.1.3. Çekme Yöntemi .................................................................................................22 2.1.4. Presleme.............................................................................................................23 2.1.5. Döküm Yöntemi ................................................................................................24 2.1.6. Sinterleme...........................................................................................................24 2.1.7. Laminasyon .......................................................................................................24 2.1.8. Sandviç Kompozitler..........................................................................................25 2.2. Tabakalı Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri ............................................27 BÖLÜM. 3.........................................................................................................................29 3.1. Kompozit Malzeme Kullanımında Tasarım Esasları................................................29 3.1.1.Yükleme Durumu ...............................................................................................29 3.1.1.1. Isıl ve Elektriksel Yükleme ........................................................................30 3.1.1.2. Yorulma, Çarpma ve Tokluk.......................................................................31 ii
3.1.1.3. Kimyasal Yükleme ve Çevre Şartları..........................................................32 3.1.2 Parçaların Birleştirilmesi.....................................................................................34 3.1.3. Ağırlık................................................................................................................36 3.2.Sonuç .........................................................................................................................38 BÖLÜM 4....................................................................................................................39 4.1. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları..............................................................39 4.1.1. Otomotiv Sanayiinde Kompozit Malzeme Kullanımı .......................................39 4.1.2. Uçak Yapılarında Koımpozit Malzeme Kullanımı............................................41 4.1.3. Kompozitlerin Basınçlı Gaz Kabında Kullanımları...........................................46 4.1.4. Diğer kullanım alanları.......................................................................................47 4.2. Sonuç.........................................................................................................................48 GÖRÜŞ................................................................................................................................49 KAYNAKLAR.....................................................................................................................50
ŞEKİLLER VE ÇİZELGELER LİSTESİ KONU.....................................................................................................................................i BİTİRME ÖDEVİ...................................................................................................................i Çizelge 1.4.1. Bazı matris malzemelerin özellikleri..............................................................4 Tablo 1.4.2.1. Cam elyafı üretilen çeşitli camların özellikleri ............................................10 Şekil 1.4.2. Elyaf ve matris malzemelerin gerilme ve uzama diyagramları.........................13 Şekil 1.5................................................................................................................................14 Şekil 1.5.3.1. İki metalin davranışı üzerinde ısıl genleşme katsayısının etkisi....................17 Tablo 1.5.4. Fiber takviyeli malzemelerin uygulama alanları..............................................17 Şekil 1.5.4.1. Titanyum ve Alüminyum alaşımları ile karbon fiber-epoksi özgül yorulma dayanımının kıyaslanması....................................................................................................17 Şekil 1.5.4.2. Farklı kompozit ve metallerin sıcaklığa göre özgül dayanımlarının değişimi ..............................................................................................................................................18 Şekil 2.1.1. Basitleştirilmiş elyaf sarma yöntemleri ............................................................20 Şekil 2.1.2. Püskürtme yöntemi ..........................................................................................21 Şekil 2.1.3. Çekme yöntemi ................................................................................................22 Şekil 2.1.4. Pres şekillendirme yöntemi...............................................................................23 Şekil 2.1.7. Laminasyon doğruları ......................................................................................25 Şekil 2.1.8.1. Balpetekleri sandviç paneller ........................................................................26 Şekil 2.1.8.2. Çizgisel birleştirme ile balpeteği üretimi.......................................................26 Şekil 2.1.8.3. Dişli merdane ile balpeteği üretimi ...............................................................27 Şekil 2.2.1. Tabakalı kompozitlerin üretim teknikleri ........................................................27 iii
Şekil 3.1.1. Çeşitli açılarda takviye edilmiş cam-epoksi kompozitten yapılmış delik içinden çekme kuvvetine maruz bir elemanda gerilme dağılımı......................................................30 Şekil . 3.1.1.2.A. kompozit Malzemelerde Çatlak Oluşum ve İlerleme Şekilleri ..............31 Şekil. 3.1.1.2. B. Kompozitlerin çekme-uzama diyagramı..................................................32 Tablo 3.1.1.3 Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Bazı Malzemelerin Karşılaştırılması. . .33 Şekil 3.1.2 a) Yekpare olarak imal edilmiş otomobil tahrik şaftı b) Kompozitlerin matkapla delinmesi sonucu oluşan hasarlar .....................................................................34 Şekil 3.1.2.c. Yapıştırma şekilleri........................................................................................35 Şekil 3.1.2.d kompozit yapıya rulman montajı....................................................................35 Şekil 3.1.3.a.Dizaynda kullanılan karşılaştırma parametrelerinin eldesi.............................36 Şekil 3.1.3.b Çeşitli Malzemeler İçin Hesaplanmış Karşılaştırma Parametreleri................37 Çizelge 4.l. Uçak malzemelerinin mekanik özellikleri (Tetlovv, 1983; Reindi, 1987)......42 Şekil 4. l Uçak malzemelerinin kullanım oranlarının yıllara göre değişimi ......................43 Çizelge 4.2 İleri kompozitlerle uçak elemanı bazında sağlanan ağırlık kazançları ............45
iv
v
BÖLÜM 1 1.1.Giriş Kompozit malzeme, belirli bir amaca yönelik olarak, en az iki farklı malzemenin bir araya getirilmesiyle meydana gelen malzeme gurubudur. Üç boyutlu nitelikteki bu bir araya getirmede amaç, bileşenlerin hiç birinde tek başına mevcut olmayan bir özelliğin elde edilmesidir. Diğer bir deyişle, amaçlanan doğrultuda bileşenlerin daha üstün özelliklere sahip bir malzeme üretilmesi hedeflenmektedir. Kompozit malzemede genelde dört koşul aranmaktadır: -
İnsan yapısı olmaması, dolayısıyla doğal bir malzeme olması,
-
Kimyasal bileşimleri birbirinden farklı belirli ara yüzeylerle ayrılmış en az iki
malzemenin bir araya getirilmiş olması, -
Farklı malzemenin üç boyutlu olarak bir araya getirilmiş olması,
-
Bileşenlerin hiç birinin tek başına sahip olmadığı özellikleri taşıması. Buna göre malzeme, mikroskobik açıdan heterojen bir malzeme özelliği
göstermekte, ancak makroskobik açıdan homojen bir malzeme gibi davranmaktadır. 1.2. Tarihçe Günümüzde gemi yapımından bina yapımına, ev aletleri üretiminden uzay teknolojisine kadar hemen hemen her alanda çok yaygın bir kullanımı bulunan kompozit malzemenin üretimi son birkaç yüz yıla mal edilmiş gibi görülse de ilk örnekleri çok eskilere dayanmaktadır. Kompozit malzeme kavramının ortaya atılması ve konunun bir mühendislik konusu olarak ele alınması ancak 1940’lı yılların başında gerçekleşmiştir. Çok bileşenli malzemenin ilk örnekleri, doğada bulunan malzemeye yapılan müdahalelerle onun kullanılır hale getirilmeye başlandığı aşamadır. İlk çağlardan beri insanlar kırılgan malzemelerin içine bitkisel veya hayvansal lifler koyarak bu kırılganlık özelliğinin giderilmesine çalışmışlardı. Bu konularda en iyi örneklerden biri kerpiç malzemedir. Kerpiç üretiminde killi çamur içine katılan saman, sarmaşık dalları gibi sap ve lifler, malzemenin gerek üretim, gerek kullanım sırasındaki dayanımını artırmaktadır. 1
Öte yandan, günümüzde kompozit malzemenin donatılmasında yaygın olarak kullanılan liflerle ilgili uygulamanın da çok yeni olmadığı eldeki bulgulardan anlaşılmaktadır. Örneğin cam liflerinin üretimi, eski Mısır’a kadar tarihlendirilmektedir. Daha M.Ö 1600 yıllarında Mısır’da ince cam liflerinin yapımının bilindiği, XVIII. Hanedan devrinden kalan, çeşitli karanlık ve renkte cam lifleriyle bezenmiş amforaların mevcudiyetinden anlaşılmaktadır. Cam liflerinin sanayide kullanımıyla ilgili ilk kayıt, 1877 tarihlidir. Hidrolik bağlayıcılar ve elyaf malzeme kullanılarak yapay taş plakaların üretilmesi yöntemi hakkında
bu
yüz
yılın
başında
alınmış
patentlere
rastlanmaktadır.
Günlük
uygulamalarda en yaygın kullanım olanağı bulmuş olan liflerle donatılmış kompozit malzemelerden ikisi, asbest lifleriyle donatılı kompozit malzemeler ve cam lifleriyle donatılı polyester kompozitlerdir. İlk kez ince levha yapımında kullanılan çimento ve asbest kompozitleri yıllar boyu önemini koruyarak bu gün hala kullanılan bir malzeme olma özelliğini sürdürmektedir. Öte yandan, liflerle donatılı sentetik reçineler 1950’li yılların ortalarından itibaren endüstride kullanılmaya başlanmıştır. Bu malzemenin en tanınmış grubunu “cam lifi donatılı polyester reçinesi kompoziti” oluşturmaktadır. Ülkemizde “fiberglas” diye tanınan bu malzeme 1960’lı yılların başından itibaren Türkiye’de sıvı depoları, çatı levhaları, küçük boyda deniz teknelerinin yapımı gibi alanlarda kullanılmıştır. Ülkemizde seri üretimi yapılmış ilk yerli otomobil olan “Anadol”un kaportası bu malzemeden üretilmiştir. Cam lifleriyle donatılı sentetik reçine motrisli malzemeler için dilimizde “Cam Takviyeli Plastik (CTP)” adı yerleşmiştir. Cam takviyeli plastiklerin üretiminde, en çok kullanılan malzeme olan polyesterin yanı sıra, günümüzde, diğer termoset ve termoplastik reçinelerde kullanılmaktadır. 1.3. Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri Uygulamada, kompozit malzeme üretiminde genellik aşağıdaki özelliklerden birinin veya bir kaçının geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Bu özelliklerin başlıcaları, -
Mekanik dayanım, basınç, çekme, eğilme, çarpma dayanımı,
-
Yorulma dayanımı, aşınma direnci, 2
-
Korozyon direnci,
-
Kırılma tokluğu,
-
Yüksek sıcaklığa dayanıklılık,
-
Isı iletkenliği veya ısıl direnç,
-
Elektrik iletkenliği veya elektriksel direnç,
-
Akustik iletkenlik, ses tutuculuğu veya ses yutuculuğu,
-
Rijitlik,
-
Ağırlık,
-
Görünüm,
ve benzeni özellikler şeklinde sıralanabilir. Ayrıca özellikle dolaylı olarak malzemenin birim maliyeti de düşürülmektedir. Bu amaca yönelik olarak kompozit malzeme üretiminde farklı yöntemler kullanılmaktadır. Hepsinde değişmeyen temel ilke, bileşenlerin zayıf yönlerinin amaç doğrultusunda iyileştirilerek daha nitelikli bir yapının elde edilmesidir. Bir kompozitin yapısında genelde “motris” olarak kabul edilen sürekli bir foz ile onun içinde dağılı değişik özelliklere sahip donatı fazından meydana gelmektedir. 1.4 Kompozit Üretiminde Kullanılan Malzemeler 1.4.1. Matris Malzemeleri Kompozit yapılarda matrisin üç temel fonksiyonu vardır. Bunlar, elyafları bir arada tutmak, yükü elyaflara dağıtmak ve elyafları çevresel etkilerden korumaktır. İdeal bir matris malzemesi başlangıçta düşük viskoziteli bir yapıda iken daha sonra elyafları sağlam ve uygun şekilde çevreleyebilecek katı forma kolaylıkla geçebilmelidir. Kompozit yapılarda yükü taşıyan elyafların fonksiyonların yerine getirmeleri açısından matrisin mekanik özelliklerinin rolü çok büyüktür. Örneğin matris malzemesi olmaksızın bir elyaf demeti düşünüldüğünde yük bir yada birkaç elyaf tarafından taşınacaktır. Matrisin varlığı ise yükün tüm elyaflara eşit dağılımını sağlayacaktır. Kesme yükü altındaki bir gerilmeye dayanım, elyaflarla matris arasında iyi bir yapışma ve matrisin yüksek kesme mukavemeti özelliklerini gösterir. 3
Elyaf yönlenmelerine dik doğrultuda, matrisin mekanik özellikleri ve elyaf ile matris arasındaki bağ kuvvetleri, kompozit yapının mukavemetini belirleyici önemli hususlardır. Matris elyafa göre zayıf ve daha esnektir. Bu özellik kompozit yapıların tasarımında dikkat edilmesi gereken bir husustur. Matrisin kesme mukavemeti ve matris ile elyaf arası bağ kuvvetleri çok yüksek ise elyaf yada matriste oluşacak bir çatlağın yön değiştirmeksizin ilerlemesi mümkündür. Bu durumda kompozit gevrek bir malzeme gibi davrandığından kopma yüzeyi temiz ve parlak bir yapı gösterir. Eğer bağ mukavemeti çok düşükse, elyaflar boşluktaki bir elyaf demeti gibi davranır. Ve kompozit zayıflar. Orta seviyede bir bağ mukavemetinde ise, elyaf veya matristen başlayan enlemesine doğru bir çatlak elyaf/matris ara yüzeyine dönüp elyaf doğrultusunda ilerleyebilir. Bu durumda kompozit sünek malzemelerin kopması gibi lifli bir yüzey sergiler. Kompozit malzemelerin üretiminde kullanılan matris malzeme tipleri epoksi, polyester, vinylester ve fenolik reçinelerdir. Yüksek mukavemet göstermeyen durumlarda en çok kullanılan en çok kullanılan matris malzemesi polyester reçinesidir. Gelişmiş kompozitlerin üretiminde ise genellikle epoksi reçinesi kullanılmaktadır. Matris iyileştirmesi çalışmaları özellikle yüksek sıcaklıkta kullanıma uygun ve düşük nem duyarlılığına sahip yapıların üretilmesi doğrultusundadır. Çizelge 1.4.1’de bazı matris malzemelerin önemli özellikleri verilmiştir.
Çizelge 1.4.1. Bazı matris malzemelerin özellikleri
4
1.4.1.1. Epoksi Reçine Matrisler Epoksiler iki yadad daha fazla epoksit içeren bileşenlerden oluşurlar. Polifenol’ün epikloridin ile bazik şartlarda reoksiyonu sonucu elde edilirler. Eposilere uygulanan kür işlemleri ile yüksek sıcaklıklara dayanımı 150-200 Ċ’a artırılabilir. Büzülmesi %2’den azdır. Avantajları: 1. Kapma mukavemetleri yüksektir. 2. Elyaf yapılarda yüksek bağ mukavemeti sağlarlar. 3. Yüksek aşınma direncine sahiptirler. 4. Uçucu değildirler ve kimyasal dirençleri yüksektir. 5. Düşük ve yüksek sıcaklarda sertleşebilme özelliğine sahiptirler. Dezavantajları: 1. Polyesterle karıştırıldığında pahalıdırlar. 2. Polyestere oranla yüksek viskoziteye daha az uygundur. Epoksiler avantajlarının çokluğu ve tüm elyaf malzemelerde kullanılabilme nedeniyle, uçak yapısında da yaygın bir kullanım alanına sahiptirler. Genellikle karbon elyaflarla birlikte kullanılırlar. 1.4.1.2. Polyester Reçine Matrisler Polyester matrisler dibazik asitlerin, dihidrik alkoller (glikol) yada dihidrik fenollerle karışımının yoğuşması ile şekil alırlar. Polyesterlerin ana tipleri polyester bileşeninin doymuş asitle yada alternatif malzeme olarak glikolle modifikasyonu temeline dayanır. Ayrıca kür işlemi ile matrisin esnekliği iyileştirilerek kopma gerilmesi arttırılabilir. Avantajları: 1. Takviyelerin nemini dışarı kolayca atabilmesini sağlayan düşük vikozite. 2. Düşük maliyet 3. İyi çevresel dayanım 5
1.4.1.3. Vinylester Reçine Matrisler Polyester benzerler. En önemli avantajları elyaf ve matris arasında iyileştirilmiş bir bağ mukavemetine sahip olmalıdır. Polyesterle glikolün bir kısmının yerine doymamış hidrosilik bileşenlerin kullanılması ile elde edilirler. Korozif ortamlardaki kullanımlar için donatılı plastik bileşenlerin üretiminde yararlanılmaktadır. Bu polimerler kimyasal dayanım gerektiren kimya tesislerinde, borularda ve depolama tanklarında kullanılmaktadır. 1.4.1.4. Fenolik Reçine Matrisler Bu yüzyılın başından beri yaklaşık yüz yıldır kullanılmaktadır. Sertleşme, ısı enerjisiyle gerçekleşmekte, laminant ve kalıplama için basınç gerekmektedir. Fenolik reçinelerin ısı stabiliteleri, elektrik özellikleri, suya ve alkaliler dışındaki kimyasal maddelere dayanımları çok iyidir. Bu reçineler 300 Ċ’ye kadar sürekli, asbest lifleriyle donatılmaları halinde ise kisa süreli olarak 1000 Ċ’ye kadar kullanılabilmektedirler. 1.4.1.5. Silikon Reçineler Silikon reçineler, diğerlerinden farklı olarak yapılarında karbon yerine inorganik esaslı silikonlar bulunan malzemelerdir. Mekanik ve elektriksel özelliklerini çok az değişikliklerle 250 C0’ye kadar koruyabilen silikon esaslı reçinelerin kullanımları, mekanik dayanımlarının diğer reçinelere göre daha düşük ve maliyetinin de genelde daha yüksek olması nedeniyle kısıtlıdır. Süpersonik arabalarda kullanılırlar. 1.4.1.6. Metal Matrisler Kompiziti sürekli bir arada tutan ve bu bütünlük içinde lifle birlikte malzemenin özelliklerini belirleyen matris malzemesi olarak metaller, taşıyıcılık açısından, özellikle polimer matris malzemesine kıyasla yüksek dayanıma sahiptirler. Üretimleri zor olup maliyeti yüksek olmasına karşın, metal matris malzemesi kompizitin tokluğunu önemli ölçüde arttırmakta ve yüksek sıcaklık etkisindeki uygulamalara olanak vermektedir. Metallerin matris malzemesi olarak kullanılması, yine metal olan birçok ince liflerin üretimiyle başlamıştır. Kompizit üretiminde metal matris malzemesi olarak, bakır alüminyum, titan, nikel, gümüş gibi metaller başta gelmektedir. Matris malzemesi erimiş halde, moleküler yapıda, levha veya ince tabaka şeklinde olabilmekte ve kullanılan üretim teknolojisine 6
bağlı olarak dökme, karıştırma, presleme, elektroliz yoluyla kaplama, haddeleme yöntemleriyle liflerle birleştirilmektedir. Bu birleşmede kullanılacak yüksek dayanımlı lif tel ve kılların zedelenmemesi, tahrip olmaması sağlanmalıdır. Metal matris içinde en kolay kullanılabilen elyaf bor ve borsic elyaftır. Bu kompozit malzeme 300 C0sıcaklığa kadar oda sıcaklığında özelliğini korumaktadır. Burada kompizitin üretimi 450-500 C0sıcaklıkta, sıcak presleme yöntemiyle yapılır. 1.4.2. Elyaflar Matris malzeme içerisinde yer alan elyaf takviyeler kompizit yapının temel mukavemet elemanlarıdır. Düşük yoğunluklarının yanı sıra yüksek elastik modüle ve sertliğe sahip olan elyaflar kimyasal korozyona da dirençlidirler. Günümüzde kompizitlerin donatılmasında boyutsal ve şekilsel özellikleri çok farklı lifler (elyaflar) kullanılmaktadır. Örneğin, cam lifleri gibi lifler üretim sırasında demetler halinde hazırlanmaktadır. Kompizitlerin donatılmasında kullanılan lifler, E-Modülü değerleri, kullanılan matris malzemesinin E- modülü ile kıyaslanarak, matristen daha düşük yada yüksek Emodülü değerine sahip lifler olmak üzere iki ana grupta toplanabilir. Ancak, kompozitlerin özellikleri içinde önemli olan bu ayrım sabit matris malzemesi için anlam taşımaktadır. Teller, mili metrik boyutta metal malzemelerdir. Çapları diğer donatı malzemelerine kıyasla daha büyük olup, genellikle beton ve harçların donatılmasında kullanılır. Dilimizde lif kelimesinin çoğulu olan “elyaf” kelimesi daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Liflerin çapı ortalama 0,01 mm. mertebesindedir. Narinlik oranı 10000’e kadar çıkabilmektedir. (L/d≤104). Lifler değişik kaynaklardan elde edilmekte ve değişik özellikleriyle büyük çeşitlilik göstermektedir. Kıllar
donatıda
kullanılan
en
ince
malzemelerdir.
Bunlar,
buhar
yoğunlaşmasıyla büyütülen değişik şekillerdeki tek kristaller olup, çapları birkaç mikron, boyları birkaç mm. kadardır.
7
Buharla büyütülen bu kılların genelde yapısal hataları olmamaktadır. Dolayısıyla dislokasyon içermeyen bu cisimlerin dayanımı, normal boyutlardakine oranla yaklaşık olarak yaklaşık bin katı kadar olabilmektedir. Üstün özellilere karşın, yapım yöntemi nedeniyle kıllarla donatılı kompizitlerin üretimi son derece sınırlı kalmaktadır. Ayrıca, kılların sahip oldukları yüksek çekme dayanımı sadece elastik bölgededir. Plastik deformasyonunun başlamasıyla kıllarda dislokasyonlar oluşmakta ve dayanım düşmektedir. Burada kompizitlerin donatılmasında kullanılan lif veya malzeme üzerinde durulacak. Sırasıyla cam lifi, asbest lifi, çelik teller ve organik esaslı yapay lifler incelenecektir. 1.4.2.1. Cam Lifleri Cam lifleri veya diğer bir deyişle cam elyafları kompizitlerin üretiminde en çok kullanılan donatı malzemelerindendir. Üstün özelliklerinin yanı sıra, ekonomik bir donatı türü olması bu sonucu ortaya çıkarmaktadır. Çeşitli matris malzemeleriyle kullanılmış olmasına karşılık, temel kullanım alanı cam takviyeli plastik (CTP) endüstrisidir. Cam liflerinin ticari anlamda üretimi 1930’lu yıllarda İngiltere’de başlanmış olmasına karşılık, bu malzeme plastik malzemenin donatılmasında 1950’lerin başından itibaren kullanılamaya başlanmıştır. Başlangıçta, cam liflerinin üretiminde A- camı veya açık adıyla “alkali cam” kullanılmıştır. Bunu çok az alkali içeren ve çok üstün elektriksel ve mekanik özelliklere sahip bir borsilikat camı olan “elektrik dayanımlı camın”, kısa adı ile E- camının kullanılmaya başlanması izlemiştir. 1.4.2. Elyaflar Matris malzeme içinde yer alan takviyeler kompozit yaşının temel mukavemet elemanlarıdır. Düşük yoğunluklarının yanısıra yüksek elastik modüle ve sertliğe sahip olan elyaflar kimyasal korozyona da dirençlidirler. Günümüzde kompozitlerin donatılmasında boyutsal ve şekilsel özellikleri çok farklı lifler (elyaflar) kullanılmaktadır. Örneğin, com lifleri gibi lifler üretim sırasında demetler halinde hazırlanmaktadırlar.
8
Kompozitlerin donatılmasında kullanılan lifler, E–modülü değerleri, kullanılan matris malzemesinin
E-Modülü ile kıyaslanarak, matristen daha düşük yada daha
yüksek E-Modülü değerine sahip lifler olmak üzere iki ana grupta toplanabilir. Ancak, kompozitlerin özellikleri içinde önemli olan bu ayrım sabit matris malzemesi için anlam taşımaktadır. Teller milimetrik boyutta metal malzemelerdir. Çapları diğer donatı malzemelerine kıyasla daha büyük olup genellikle beton ve harçların donatılmasında kullanılır. Dilimizde lif kelimesinin çoğul hali olan “elyaf” kelimesi daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Lifler tellere göre çok daha narin olan donatı malzemesidir. Liflerin çapı ortalama 0,01 mm mertebesindedir. Narinlik oranı 10 000’e kadar çıkabilmektedir. (L / d ≤ 104) lifler değişik kaynaklardan elde edilmekte değişik özellikleriyle büyük çeşitlilik göstermektedirler. Kıllar
donatıda
kullanılan
in
ince
malzemelerdir.
Bunlar,
buhar
yoğunlaşmasıyla büyütülen değişik şekillerdeki tek kristaller olup, çapları birkaç mikron, boyları birkaç mm kadardır. Buharla büyütülen bu kılların genelde yapısal hataları olmamaktadır. Dolayısıyla dislokasyon içermeyen bu cisimlerin dayanımı, normal boyutlardakine oranla yaklaşık olarak bin katı kadar olabilmektedir. Üstün özelliklere karşın, yapım yönetim nedeniyle kıllar da donatılı kompozitlerin üretimi son derece kısıtlı kalmaktadır. Ayrıca, kılların sahip oldukları yüksek çekme dayanımı sadece elastik bölgededir. Plastik deformasyonun başlamasıyla kıllarda dislokasyon oluşmakta ve dayanım düşmektedir. Burada kompozitlerin donatılmasında kullanılan lif veya tel malzeme üzerinde durulacak. Sırasıyla cam lifi, asbest lifi, çelik teller ve organik esaslı yapay lifler incelenecektir. 1.4.2.1.Cam Lifleri Cam lifleri veya diğer bir deyişle cam elyafı kompozitlerin üretiminde en çok kullanılan donatı malzemelerindendir. Üstün özelliklerinin yanısıra, ekonomik bir donatı türü olması bu sonucu ortaya çıkarmaktadır. Çeşitli matris malzemeleriyle 9
kullanılmış olmasına karşılık, temel kullanım alanı cam takviyeli plastik (CTP) endüstrisidir. Cam liflerinin ticari anlamda üretimi
1930’lu yıllarda İngiltere’de
başlanmış olmasına karşılık, bu malzeme plastik malzemenin donatılmasında 1950’lerin başından itibaren kullanılmaya başlanmıştır. Başlangıçta cam liflerinin üretiminde A-camı veya açık adıyla “alkali cam” kullanılmıştır. Bunu çok az alkali içeren ve çok üstün elektriksel ve mekanik özelliklere sahip bir borsilikat camı olan “elektrik dayanımlı camın”, kısa adı ile E camının kullanılmaya başlanması izlemiştir.
Tablo 1.4.2.1. Cam elyafı üretilen çeşitli camların özellikleri E camı uygulamada en çok yararlanılan donatı malzemelerinden biridir. Yapılan araştırmalar sonucunda çeşitli matris malzemelerinin değişik amaçlarda kullanılmasında bir çok cam lifi türü geliştirilmiştir. Bunlardan S camı, alüminyum ve magnezyum oksit miktarı E-camına göre daha yüksek olan bir türdür ve mekanik özellikleri de diğerlerinden daha yüksektir. Özel uygulamalar için çok yüksek mekanik dayanım özelliğine sahip bir diğer tür, daha çok Amerika Birleşik Devletleri’nde üretilen S-camına benzer nitelikler taşıyan R-camıdır. R ve S – camları üstün özellikleri nedeniyle havacılık ve uzay endüstrilerinde kullanılmaktadır. Cam liflerinin yapımında kullanılan ve özellikle Cam Takviyeli Plastikler için yüzey tülünün üretiminde yararlanılan bir diğer tür C – camıdır. Bu malzeme kimyasal dayanımı çok yüksek olan bir cam türüdür. 10
Liflerle donatılı kompozitlerin donatı malzemesi olarak kullanılan başlıca cam türlerinin temel özellikleri, Tablo 1.4.2.1’de verilmiştir. Cam lifi üretiminde kullanılan camın cinsi, işlem sıcaklığı, camın vizkozitesi ve çekme hızı gibi etkenler değiştirilerek, farklı çaplarda cam lifleri üretilmektedir. 1.4.2.2. Asbest Lifleri Asbest, lifli yapılı bir doğal mineraldir. Esası magnezyum silikat olan, yanmazlık özelliğine sahip bu maddenin bir çok türü vardır. Bu doğal maddeden elde edilen asbest liflerinin boyları, genel olarak 0,8 mm ile 19-20 mm arasındadır. Asbest liflerinin en küçük çapı 0,01 mm’ye kadar olabilmektedir. Bu liflerin çekme dayanımının 3000 N/mm2 nin üzerinde bulunduğu belirtilmektedir. Asbest liflerinin kimyasal direnci, özellikle alkali ortama dayanımları, bunların çimento türü bağlayıcılarla üretilen kompozitlerde çok başarılı bir biçimde kullanılabilmesi sonucunu doğurmuştur. Asbest liflerinin dayanımı yüksek tiplerinden bir olan corocidolite veya mavi asbest, insan sağlığı açısından olumsuz özellikler gösteren bir türdür. Bunların çok uzun süreler solunmasının veya bu lifçikleri taşıyan havanın ulunduğu bölgelerde yaşamanın asbastosis denilen solunum yolları hastalığına, akciğer kanserine neden olduğu ileri sürülmektedir. Asbest lifleri, bu yüzyılın başlarından itibaren çimento bağlayıcı ile teknik açıdan başarıyla kullanılmaktadır. Asbest lifleri genel olarak levha üretiminde %9-12, basınçlı boru üretiminde %20-30 oranları arasında, çimento bağlayıcıyla birlikte karışımlarda yer almaktadır. Asbest lifi donatılı çimento kompozitleri, atmosfer koşullarına ve korozyona dayanıklı, çürümeyen, 400ºC sıcaklığına kadar dayanım özelliğine sahip malzemelerdir. Ancak malzeme darbe karşısında kırılgandır ve genelde kırılma şekil değiştirme oranı çok düşüktür. 1.4.2.3. Çelik Teller Çelik teller özellikle beton ve harçların donatılmasında kullanılabilmektedir. Farklı yöntemlerle üretilen donatı telleri, matriste aralarındaki aderansın artırılması amacıyla değişik biçimlerde de yapılmaktadır. Beton donatımında kullanılan çelik teller 11
“soğuk çekme tel” oda sıcaklığında ısıl işlemsiz çekilmiş, düşük karbon oranlı teldir. Teller genellikle suda kolaylıkla çözülebilen özel bir yapıştırıcıyla birlikte tutturularak demetler halinde üretilmektedir. 1.4.2.4. Karbon Lifleri Liflerde donatıl kompozitlerin üretiminde kullanılan önemli bir lif türüdür. 1960’lı yılların ikinci yarısından itibaren kullanılmaya başlanmış olan bu liflerin düşük yoğunluğuna karşın çekme dayanımı ve E – modülü yüksektir. Yüksek sıcaklıklara dayanabilen karbon liflerinin özellikleri, üretimdeki son işlem sıcaklığına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Uygulamada 6 ila 10 mm arasında değişen çaptaki liflerin 1000-1500 adetlik demetlerinden oluşan fitil ve abkumalar kullanılmaktadır. Üstün özelliklerinin yansıra on derece pahalı olan karbon lifleri, özellikle uzay ve havacılık endüstrisinde yararlanılan bir malzeme niteliğindedir. Maliyeti yüksektir. 1.4.2.5. Aromid Lifler Aromid “aromatik polyamid” in kısaltılmış adıdır. Polyamidler uzun zincirli polimerlerdir. Aromidin moleküler yapısında altı karbon atomu birbirine hidrojen ile bağlanmıştır. İki farklı tip aromid mevcuttur. Bunlar kevlar 29 ve kevlar 49’dur. Camdan daha hafif ve daha risit olan bu malzeme, fiyat açısından da cam lifleri dışında kalan bir çok lif türünden daha ucuzdur. Yüksek sıcaklıkta sönme dayanımı oldukça iyidir. Ayrıca korozyon dayanımı oldukça iyidir. Uçak yapılarında, düşük basma mukavemetleri nedeniyle karbon elyaflarla birlikte hibrit kompozit olarak, kumanda yüzeylerinde kullanılmaktadır. 1.4.2.6. Bor Lifleri 1960’lı yıllarda üretilmeye başlanan bir malzemedir. Yüksek dayanımlı ve pahalı bir malzeme olan bor lifleri, günümüzde özellikle metal motris elemanlarıyla birlikte metal motris malzemesi olarak kullanılmaktadırlar. Elyaf çapı 0,1 mm ile 0,2 mm arasında olan ve diğer bir çok life göre oldukça kalın bir lif özelliği gösteren malzeme, yüksek çekme mukavemetine ve elastik modüle sahiptir. Elastik modülü ise 400 Gpa’dır. bu değer S camının elastik modülünden 5 kat daha fazladır.
12
Üstün
mekanik
özelliklere
sahip
bor
elyaflar,
uçak
yapılarında
kullanılmaktadır. Ancak maliyetinin çok fazla olması nedeniyle yerini karbon elyaflara bırakmıştır. 1.4.2.7. Silisyum Karbür Lifleri Yüksek sıcaklıktaki özellikleri bor liflerinden daha iyidir. Silisyum karbür elyaflar 1370 ºC’de mukavemetinin sadece %30’unu kaybeder. Bor elyaf için bu 640 ºC’ dir. Bu elyaflar genellikle Titanyum motrisle kullanılırlar. Jet motor parçalarında, Titanyum, Alüminyum, Vonodyum alaşımlı motris ile kullanılırlar.
Şekil 1.4.2. Elyaf ve matris malzemelerin gerilme ve uzama diyagramları 1.5. Kompozit Malzemelirinin Sınıflandırılması ve Özellikleri Yapılarında gruplandırılmasında
çok
sayıda
farklı
malzeme
kullanılabilen
kompozitlerin
kesin sınırlar çizmek mümkün olmamakla birlikte, yapıdaki
malzemelerinin formuna göre bir sınıflama yapmak mümkündür. Bu sınıflama Şekil 1.5.’de verilmektedir.
13
a. b. c. d.
Elyaflı Kompozitler Parçacıklı Kompozitler Tabakalı Kompozitler Karma Kompozitler Şekil 1.5.
1.5.1. Elyaflı Kompozitler Bu kompozit tipi ince elyafların motris yapıda yer almasıyla meydana gelmiştir. Elyafların matris içindeki yerleşimi kompozit yapının mukavemetini etkileyen önemli bir unsurdur. Uzun elyafların motris içinde birbirlerine paralel şekilde yerleştirilmeleri ile elyaflar doğrultusunda yüksek mukavemet sağlanırken, elyaflara dik doğrultuda düşük mukavemet elde edilir. İki boyutlu yerleştirilmiş elyaf takviyelerle her iki yönde de eşit mukavemet sağlanırken, matris yapısında homojen dağılmış kısa elyaflarla ise izotrop bir yapı oluşturmak mümkündür. Elyafların mukavemeti kompozit yapının mukavemeti açısından çok önemlidir. Ayrıca, elyafların uzunluk/çap oranları arttıkça matris tarafından elyaflara iletilen yük miktarı artmaktadır. Elyaf yapının hatasız olması da mukavemet açısından çok önemlidir. Kompozit yapının mukavemetinde önemli olan diğer bir unsur ise elyaf matris arasındaki bağın yapısıdır. Matris yapıda boşluklar söz konusu ise elyaflarla temas azalacaktır. Nem obsorbsiyonu da elyaf ile matris arasındaki bağı bozan olumsuz bir özelliktir.
14
1.5.2. Parçacıklı Kompozitler Bir matris malzeme içinde başka bir malzemenin parçacıklar halinde bulunması ile elde edilirler. İzotrop yapılardır. Yapının mukavemeti parçacıkların sertliğine bağlıdır. En yaygın tip plastik matris içinde yer alan metal parçacıklardır. Metal parçacıklar ısıl ve elektriki iletkenlik sağlar. Metal matris içinde seramik matris içeren yapıların (cermet), sertlikleri ve yüksek sıcaklık dayanımları yüksektir. Bunlar kollar, kulplar, elektirk parçaları, muhafazalar vb. gibi küçük parçacıkların yapımında kullanılırlar. 1.5.3.Tabakalı Kompozitler Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiptir. Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukavemet değerleri elde edilir. Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı zamanda mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Pek çok katmanlı kompozit düşük maliyet, yüksek dayanım veya hafifliğini korurken, aşınma veya abrasiv aşınma direnci, gelişmiş görünüm ve mükemmel ısıl genleşme özelliklerini kapsamaktadır. Buna karşın korozyon ve aşınma direnci gibi önemli özelliklerin pek çoğu öncelikle kompoziti oluşturan elemanlardan birine bağlıdır. Elektrik şarjını depolamak için kullanılan kondansatörler esas itibariyle dönüşümlü olarak bir iletken ve bir yalıtkan katmanların üst üste gelerek meydana getirdiği katmanlı kompozitlerdir. 1.5.3.1.Tabakalı Kompozitlerin Örnekleri ve Uygulamaları Katmanlı kompozitlerin sayısı öylesine fazla ve uygulamaları, amaçları öylesine çoktur ki davranışları hakkında genelleme yapılması mümkün değildir. Yaygın olarak kullanılanlar ise; Katmanlar: Katmanlar organik bir yapıştırıcı ile yapıştırılmış malzeme katmanlarıdır. En yaygın katman, her bir alternatif katta dik açılarla ağaç kaplama açılarının dizildiği kontraplaklardır. Bu katlar fenolik veya amine reçineler gibi bir yapıştırıcı ile birleştirilir. Emniyet gözlükleri, polivinil butiral gibi plastik bir yapıştırıcı ile iki cam malzemesinin birleştirildiği katman malzemelerdir. Cam kırıldığı zaman yapıştırıcı cam 15
parçacıklarının ayrılmasını önler. Katmanlar, motorlarda, yalıtım için dişlilerde, basılmış devre katlarında kullanılmaktadır. Yapıştırıcı katmanlar, mükemmel hafiflik, alevlenmeyi geciktirici darbe dayanımı, korozyon direnci, kolay şekillendirme ve işleme, sürtünme ısısının dağıtılması ve iyi yalıtım özelliklerini bünyesinde toplamaktır. Sert yüzey oluşturma : sert, aşınmaya dirençli yüzeyler, sert yüzey oluşturma olarak bilinen ergitme kaynağı teknikleri daha yumuşak ve sünek malzemeler üzerinde biriktirilebilir. Sert yüzey alaşımlar, çeliğin sertleştirilebilen sınıflarını, sert karbürler oluşturan demir ve çelikleri, kobalt esaslı alaşımları ve belirli demir dışı alaşımları içermektedir. Kompozit tungusten karbür çubukları aynı zamanda aşınma yüzeyinde tunsten karbür oluşturmak için kullanılabilmektedir. Benzer kaynak işlemleri yüzeyin korozyon ve ısıya karşı direncini arttırır. Giydirilmiş Metaller : Metal – metal kompozitleridir. Genel bir örnek olarak A.B.D’deki gümüş paraları verilebilir. Bir Cu %80 Ni alaşımının her iki tarafına Cu %80 Ni alaşımı bağlanır. Yoğun olarak bakır bulunan çekirdek düşük maliyet temin ederken, yüksek nitelikli alaşım gümüş rengi vermektedir.giydirilmiş malzemeler yüksek dayanım ile birlikte iyi korozyon direnci kombinasyonuna sahiptir. Alklod adı verilen giydirilmiş kompozit malzeme, ticari saflıktaki alüminyum yüksek mukavemetli alüminyum alaşımlarına bağlanır. Saf alüminyum yüksek dayanımlı alüminyumu korozyondan korumaktadır. Saf alüminyum katmanının kalınlığı toplam kalınlığın yaklaşık %1-1,5’ i kadardır. Alklad, korozyon direnci, dayanım ve hafifliğin arzu edildiği uçak gövdesinde, ısı dönüştürücülerinde, bina yapımında ve depolama tanklarında kullanılır. İkili Metaller : Sıcaklık göstergeleri ve kontrol edicileri, katmanlı kompozitteki iki metalin ısıl genleşme katsayısındaki farklılıktan yararlanmaktadır. İki metal parçası ısıtılırsa yüksek ısıl genleşme katsayısına sahip metal daha fazla uzamış olmaktadır. İki parça birbirine sıkıca bağlı ise ısıl genleşme katsayılarındaki fark şeridin eğilmesine ve eğilimli bir yüzey oluşmasına neden olur. Şeridin bir ucu sabit ise serbest olan uç hareket eder. Bu hareketin miktarı sıcaklığa bağlı olup, şeritteki bükülme ve sapmanın ölçülmesi ile sıcaklık tespit edilmektedir. Aynı şekilde şeridin serbest ucu, elektrik anahtarını hareket ettirirse düzenli sıcaklık hareket elde etmek için bir fırının veya soğutucunun açılıp kapatılması mümkündür. Şekil 1.5.3.1 de gözükmektedir.
16
ikili metaller
Şekil 1.5.3.1. İki metalin davranışı üzerinde ısıl genleşme katsayısının etkisi 1.5.4. İleri Kompozitler İleri kompozitler, uçak ve uzay sanayisi gibi dayanım bükülmezlik ve hafiflik kombinasyonunun gerekli olduğu uygulamalarla ilgilidir. Bazı örnekler tablo 1.5.4’te verilmiştir. İleri kompozitlerde tipik olarak polimer veya metal matris içerisinde boron grafit veya kevlar fiber kullanılır. İleri kompozitler fiber com ve yüksek dayanım alaşımlarından daha iyi dayanım ve yorulma direncine sahiptirler. Malzeme Uygulamalar Borsik Alüminyum Motorlarda, diğer hava taşıtlarında, uzay uygulamalarında Kevlar – Epoksi Havacılık, uzay (uzay mekiği dahil), bot teknesi Kevlar – Polyester Spor gereçleri (tenis raketleri,golf sopası,olta çubuğu) uçaksavar kılıfı Grafit – Polimer Uzay, otomotiv, spor gereçleri Cam – Polimer Hafif otomotiv uygulamaları, su ve denizcilik uygulamaları, korozyon dirençli uygulamalar, spor gereçleri, uzay ve havacılık parçaları. Tablo 1.5.4. Fiber takviyeli malzemelerin uygulama alanları
Şekil 1.5.4.1. Titanyum ve Alüminyum alaşımları ile karbon fiber-epoksi özgül yorulma dayanımının kıyaslanması
17
İleri kompozitler, yüksek özgül dayanım avantajı sağlamak için modern uçaklarda hem yapısal hem de yüzey kısmında yoğun olarak kullanılmaktadır. Bu kompozitler sıcaklık nispeten düşük olduğunda daha etkilidir. Grafit, boron veya silisyum karbürle mukavemetlendirilmiş alüminyum titanyum veya nikel gibi metal matris kompozitler, yüksek sıcaklıkla karşılaşıldığında kullanılır (Şekil 1.5.4.2.)
Şekil 1.5.4.2. Farklı kompozit ve metallerin sıcaklığa göre özgül dayanımlarının değişimi
18
BÖLÜM 2 2.1.Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemelerinin Üretim Yöntemleri arzu edilen performansa uygun kompozit malzemelerinin üretiminde maliyet unsuru ilk düşünülmesi gereken en önemli parametrelerden biridir. Üretim maliyetini, performans, tasarım, malzeme seçimi ve şekil verme yöntemi doğrudan etkilemektedir. Kompozit yapıyı oluşturan bileşenlerin seçimi ve bileşen konfigrasyonu üretim maliyetini önemli ölçüde düşürebilmektedir. Tasarım konsepti ile maliyetin düşürülmesi her zaman geçerli bir yöntem olup daima göz önüne alınmalıdır. Mukavemet ve tokluk, minimum ağırlık, yüksek sıcaklıkta kullanılabilirlik, yorulma mukavemeti, düşük bakım masrafı, korozyon dayanımı, hasar toleransları ve tamir kolaylıkları gibi faktörler birlikte düşünülerek, en düşük maliyetli, en kolay üretilebilir bir kompozit sistem seçilmelidir. Doğranmış, ufaltılmış, tanelere ayrılmış kısa boylu elyaf ve partüküller ile dokunmuş demet şeklinde veya dokunmamış kumaş yapısındaki takviye malzemesi, reçine yüzüne yatırılarak, çeşitli el aletleri ile sıvanıp tam-ısıtma temin edilerek kompozit malzemenin elde edilmesi günümüzde çok yaygın olarak kullanılan bir metoddur. 2.1.1. Elyaf Sarma Sürekli elyafın bir bağlayıcı ortamından geçirildikten sonra, dönel madrenle, önceden belirlenmiş sarım geometrisine uygun sarılması yöntemine elyaf sarma adı verilmektedir. Genellikle sarılan öz veya mandrel, sarım işleminden sonra çıkarılır. Bazı hallerde sabit mandrel kullanılarak kompozit kabuk ile takviye edilebilir. Elyaf sarma yönteminin bazı avantaj ve dez avantajları aşağıda verilmiştir.
Sürekli elyaf ağı ile yüksek mukavemet sağlar
Ardarda sarılan elyaflar mukavemeti arttırır.
İmalatı kolaydır.
Oldukça büyük yapılar elde edilebilir
Yüksek elyaf yoğunluğuna ulaşılabilir.
Avantajlı üretim maliyetine sahiptir. 19
Üretim teknolojisi şekil 2.1.1 de basit bir şema ile aşağıda verilmiştir.
Şekil 2.1.1. Basitleştirilmiş elyaf sarma yöntemleri Çeşitli simetrik malzemelerin üretildiği elyaf sarma yönteminin bazı dez avantajları aşağıda verilmiştir.
Mandrelin çıkartılabileceği şekilde tasarlanması
Konveks yüzeylerin elde edilememesi
Sarım yolunun kolaylıkla değiştirilememesi
Kompleks ve pahalı mandrellerin kullanılması
Zayıf bir dış yüzeye sahip bulunması Bu olumsuzluklara rağmen, boru, fittings, tüp, basınçlı kaplar, küresel ve
silindirik yapılarda oldukça tercih edilen bir yöntemdir. 2.1.2. Açık – Kalıp Yöntemleri Takviye elemanının reçine yüzeyine yerleştirilmesi, reçine sıvama veya elyaf dokuma ile kalıp formuna uygun yüzeylerin elde edilmesi genelde açık-kalıp yöntemi ile şekillendirme adı verilmektedir. Doğranmış, ufaltılmış, tanelere ayrılmış, kısa boylu elyaf ve partiküller ile dokunmuş, demet şeklinde veya dokunmamış kumaş yapısındaki takviye malzemesi, reçine yüzeyine yatırılarak çeşitli el aletleri ile sıvanıp tam ıslatma temin edilerek, 20
kompozit malzemenin elde edilmesi günümüzde en yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu amaçla en çok ahşap kalıp kullanılmakla birlikte alüminyum ve plastik kalıplarda kullanılabilmektedir. Kalıp yüzeyi aynı zamanda ayırıcı özelliğe sahip sert yüzey temin eden “gelcoat” ile sıvandıktan sonra takviye malzemesi yatırılarak reçine ile sıvanır. Sıvama tekniği elyaf oranını etkilediğinden önemlidir. Elle sıvama ve elyafa şekil verme yerine vakum-folyo altında aynı işlemler yapılabilir. Bu itibarla açık kalıp kompozit üretim yöntemi üç kategoride incelenmektedir. Bunlar;elle yatırma, elyaf fırlatma (üfleme) ve vakum torbasında şekillendirme yöntemi olup şekil 2.1.2’de topluca şematize edilmiştir.
Şekil 2.1.2. Püskürtme yöntemi Ara yüzey ayırma elemanı olarak buharlaşan bir çözücüde çözülmüş fluorokarbon türevleri kullanılmaktadır. Kompozit yüzeyde sert fluorokarbonlu ince film oluşurken, her türlü renklendiricilerle renklendirilebilmektedir. Kalıpta kompozit ayırıcısı olarak silikon boyalarda kullanılabilir. Ancak müteakip işlemler ve servis ortamlarında çeşitli sorunlar getirmektedir. Politetrafluoroetilen ayırıcılar özellikle yüksek sıcaklık uygulamalarında tercih edilmektedir. Bobinle beslenen sürekli elyaf, reçine ortamından geçirildikten sonra 3-5 cm’lik boylarda kesilerek hızla kalıp yüzeyine püskürtülür. Kısa elyafın hızla fırlatılması kalıp yüzeyine sıkışma yapmakta, yüksek elyaf oranlı açık-kalıp kompoziti üretilebilmektedir. Geniş paneller ve girift şekilli malzemelerin üretiminde elyaf püskürtme yöntemi oldukça yaygın
kullanılmaktadır. Elyaf püskürtme yönteminde
reçine-elyaf dağılımı, elle sıvama yöntemine oranla daha düzenlidir. Bir başka ifade ile 21
elyaf
püskürtme
yüksek
mukavemetli
geniş
yüzeylerin
elde
edilmesinde
kullanılmaktadır. Vakum sıvama yönteminde ince polipropilen veya polietilen folyo ile örtülen reçine elyaf fazı vakumla emilirken reçine ile birlikte hava emişi gerçekleşerek homojen reçine dağılımı ve yüksek elyaf oranı sağlanmaktadır. Vakum örtü sistemi ile kuru elyaf ortamına basınç altında reçine emilerek en yüksek elyaf oranlı reçine elde edilebilmektedir. 2.1.3. Çekme Yöntemi Elyaf – reçine karışımı şekillendirilmiş kalıptan geçirilirken aynı zamanda da sertleştirilerek çeşitli profieller ve özel kesitli kompozit malzemelerin eldi edilmesi mümkündür. Cam elyaf ve yüksek mukavemetli elyafların uygun reçine matrisi ile çekilmesi gelecekte alüminyum ve çelik türevlerini ikame edecek boyutlara ulaşacaktır. Örgülü
veya
gelişigüzel
dağılmış
elyaf
termoset
reçine
ortamında
çekilmektedir. İki ayrı çekme yöntemi aşağıda Şekil 2.1.3’te şematize edilmiştir.
Şekil 2.1.3. Çekme yöntemi
22
2.1.4. Presleme Termoset veya termoplastik matris içine dağılmış takviye elemanları belli basınç altında sıkıştırılarak sertleştirilir. Havacılık sektörüne yönelik kompozit ürünler için epoksi motrisler kullanılırken kar ve demiryolu taşıtları için poliester ve vinilester reçineli matrisler kullanılmaktadır. 3-5 cm boyunda kesilmiş elyaflar, mikserde reçine ile karıştırılırlar reçiner katalist, dolgu malzemesi, kalıp sıyırma malzemesi ile magnezyum oksit ihtiva eder. Mikserde iyice karıştırılmış hamur, uygun ortamda uzun süre saklanabilir. 130-160 ºC sıcaklığa ısıtılmış kalıp boşluğuna gerekli hacimde karışım hamuru yerleştirilerek 4-21 Mpa basınç altında birkaç dakika bekletilir. Parçanın özelliğine, elyaf oranına ve reçine grubuna göre sertleşme süresi 1-4 dakika arasında değişir. Oldukça yüksek basıncı gerektiren metod mükemmel yüzey kalitesi yanında, mekanik özelliklere sahiptir. Koltuklar çeşitli kaplar ve yapı elemanlarının imaline imkan veren presleme metodu, gelecekte alüminyum ve plastik enjeksiyon döküm ürünlerine alternatif olacaktır. Presleme ile üretilen kompozit ürünler, aynı zamanda ahşap türevleri ile ikame edilebilmektedir.presleme tekniğine uygun, parça geometrileri kolaylıkla üretilebilir. Presleme çelik döküm kalıplar kullanılmaktadır. Mükemmel yüzey için kalıp iç yüzeyinin sert – krom ile kaplanması tercih edilmektedir. Presleme tekniğinin şematik görüntüsü şekil 2.1.4’de verilmiştir.
Şekil 2.1.4. Pres şekillendirme yöntemi
23
Preslemede kullanılan hamura çeşitli dolgu ve renk verici malzemeler katılarak arzu edilen yüzey özellikleri elde edilebilir. 2.1.5. Döküm Yöntemi Genellikle partikül şeklindeki takviye fazı, sıvı reçine veya metalle birlikte hidrostatik veya pres basıncı altında dökülebilir. Özellikle aşınmaya dayanıklı kompozit malzemeler bu yöntemle üretilirler. Soğukta ve sıcakta katılaşabilen reçineler ile alüminyum ve magnezyum gibi metaller bu amaçla kullanılmaktadır. Piston gibi aşınmaya müsait malzemeler taneli kompozit döküm malzemelerdir. Fren pabuçları ve basınç altında çalışan malzemelerin bu yöntemle üretilmesi mümkündür. 2.1.6. Sinterleme Bazı elyaf ve seramik malzemelerin matris tarafından ıslatılması mümkün olmadığından bağlayıcı ara yüzey oluşamamaktadır. Bu amaçla elyaf yüzeyi ıslatma özelliği yüksek malzemelerle kaplanır kaplama işlemi vakum altında veya kimyasal ortamda yapılıp, elyaf sıcak pres altında sinterlenir. Yöntemin en önemli avantajı, matris oranını asgari düzeyde tutmasıdır. Bu metodla %10 bağlayıcı ve %90 takviye fazlı süper yüksek mukavemetli malzemeler elde edilmektedir. Gelecekte özellikle uçak gövde ve kanatlarının bu yöntemle elde edilmesi ve yüksek balistik performansın elde edilmesi muhtemel görülmektedir. Elyaf yüzeyini kaplayan ince metalik film basınç altında difüzyon ile elyafları birbirine bağlarken mükemmel yüzeyler oluşturmaktadır. Metal matrizli kompozitlerin üstün performansları, gelecekte çelik ve özel malzemeleri önemli ölçüde kapsayacağı tahin edilmektedir. 2.1.7. Laminasyon En az iki ayna veya farklı elyaf veya refrakter tabakasının önceden tasarlanmış konfigrasyonla birbirine bağlanması ile ilde edilen yapıya lamine kompozit yapısı adı verilir. ardışık takviye tabakaları, örgülü, dokunmuş, prese edilmiş keçeleştirilmiş veya folyo şekline getirilmiş olabilir. Laminasyonda üç boyutlu konfigrasyona ulaşılabilir Şekil 2.1.7’de verildiği gibi orada da bağlanan tabakalarda, üç doğrultuda mekanik özellikler şekillendirilebilir. 24
Şekil 2.1.7. Laminasyon doğruları Örgülü, dokunmuş veya demet elyaf laminasyon yönteminde genellikle birbirine dik bağlanmaktadır. Bağlayıcı olarak en çok kullanılan opoksi emdirilmiş kağıtlardır. Epoksi rijit veya yüksek mukavemeti ile en çok kullanılan bağlama malzemesidir. Sıcakta ve soğukta sertleşen epoksi malzemeler kullanılmaktadır. Akrilik asit esterlerin oksijence zengin heroksitlerle aktifleştirilerek polimerize edilmiş reçinelerde oldukça yaygın kullanılan bağlama malzemeleridir. Reaktif lastik, silikon yapıştırıcılar ile sıcakta eriyip yapıştırılan termo plastik yapıştırıcılarda yaygın olarak kullanılabilmektedir. Yapıştırıcı emprenge edilmiş plakalar halinde veya doğrudan takviye fazına sürülüp prese edilerek kullanılmaktadır. 2.1.8. Sandviç Kompozitler İki laminat arasına, ince ince metal folyodan yapılan bal petekli bir yapının yerleştirilmesi ile elde edilen kompozit malzemelere sandviç kompozitler ada verilir. Hafif, üstün mekanik özelliklere sahip, üretimi oldukça basit ve bu malzemelerin geniş uygulamaları mevcuttur. Balpetek arakesitli sandviç paneller, ilk defa 1940’lı yıllarda havacılık sektöründe kullanılmıştır. Günümüzde kağıt, plastik, paslanmaz çelik, titanyum, süper alaşım, alüminyum ve benzeri metallerden balpetekleri üretilerek sandviç kompozitler yapılmaktadır. Laminatlara birleştirmlede özel yapıştırıcılar dışında difüzyon veya lehimleme birleştirmeleri de yapılabilmektedir. Yüksek tokluk, yüksek mukavemet ağırlık ilişkisine sahip sandviç panellerin kullanımı gelecekte daha da artacaktır. Bal petekli sandviç kompozitelerin bileşenleri şekil 2.1.8.1’de verilmiştir.
25
Şekil 2.1.8.1. Balpetekleri sandviç paneller Balpetekleri, iki temel yöntemle üretilebilmektedir. Yöntemlerden biri, genişletme diğeri de oluklama olup aşağıda kısaca özetlenmiştir. Genişletme yöntemi günümüzde en çok kullanılan metod olup şerit halindeki metal bantın belli aralıklarla üst üste yapıştırılması ve sonradan açılması prinsibine dayanmaktadır. Şerit metal bantın çizgisel olarak yapıştırılmasında yüksek sıcaklık bağlayıcıları kullanılmakta, yapıştırma işlemi basınç altında gerçekleştirilmektedir. Çizgisel yapıştırma metodunun prensip resmi şekil 2.1.8.2’de verilmiştir.
Şekil 2.1.8.2. Çizgisel birleştirme ile balpeteği üretimi Oluklama yöntemi yüksek olduğuna ve sıcaklığa dayanıklı malzemeler için uygulanan bir metottur. Metodun prensip resmi şekil 2.1.8.3’te verilmiştir.
26
Şekil 2.1.8.3. Dişli merdane ile balpeteği üretimi Arzu edilen genişlik ve boyutlarda balpeteği hücresinin elde edilmesi için iki merdana yüzeyine enlemesine diş açılır. Belli genişlikteki metalik bant, oluklu merdanadan geçerken balpeteği yarı formunu almaktadır. Oluklu bant fenolik, polyester veya poliamid banyo ile temas ettirilerek yapıştırılır. Reçine ağırlığı, yapıştırılan metal ağırlığının %50’si mertebesinde olmalıdır. Nomex, comelyaf, kraft kağıdı alüminyum ve 500 kadar malzemeden balpeteği yapısı dışında dikdörtgen, kare ve çeşitli geometrik yapılar üretilebilmektedir. Ancak gerek mukavemet ve gerekse üretim kolaylığı yönünden balpeteği en çok üretilen ve kullanılan bir arayer malzemesidir. 2.2. Tabakalı Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri Katmanlı kompozitlerin üretiminde deformasyon ve birleştirme tekniklerini de içeren pek çok farklı metod kullanılmaktadır (Şekil 2.2.1)
Şekil 2.2.1. Tabakalı kompozitlerin üretim teknikleri a. Haddeleme ile birleştirme, c. Birlikte ekstrüzyon ve
b. patlayıcı ile birleştirme d. Lehimleme
27
Haddeleme. Giydirilmiş ve ikili metal gibi bir çok
metalik katmanlı
kompozitler sıcak veya soğuk haddeleme ile üretilmektedir. Deformasyon miktarı yeterince büyük ise merdaneler tarafından uygulanan basınç yüzeydeki oksitleri kırmakta atom atom temas eden yüzeyler oluşturmakta ve iki yüzeyin kaynak edilmesine imkan sağlamaktadır. Patlama Kaynağı. Metallerin birleştirilmesi için gerekli basınç bir patlama yüklemesi ile sağlanabilir. Bu işlem özellikle hadde merdanesine sığmayan, büyük plakaların birleştirilmesi için çok uygundur. Birlikte Ekstrüzyon. Ortak eksenli kablo gibi çok basit tabakalı kompozitler, yumuşak malzemenin sert malzemeyi saracak şekilde bir kalıp içerisinden iki metalin birlikte ekstrüzyonu ile üretilmektedir. Benzer şekilde termoplastik polimerler metal iletken teller çevresine birlikte ekstrüze edilebilmektedir. Presleme. Küçük parçalar için, yüksek sıcaklıklarda yüksek basınç uygulanması yapışmayı sağlamaktadır. Katmanlardaki yapıştırıcıyı sertleştirmek için genellikle sıcak presleme kullanılmaktadır. Sert Lehim. Sert lehim kompozitleri birbirine bağlayabilmektedir. Metalik levhalar tercihen 0,075 mm. aralıkla ayrılmıştır ve sert lehim, alaşımının ergime sıcaklığının üzerinde ısıtılmaktadır. Sıvı sert lehim alaşımı, kılcal hareketle ince bağlantıaralığına yayınarık birleştirmeyi sağlar.
28
BÖLÜM. 3 3.1. Kompozit Malzeme Kullanımında Tasarım Esasları Makine ve yapıları imal ederken anizotropik malzeme kullanımının belli bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Avantajları; takviye doğrultusunda çok yüksek özgül mukavemet ve rijitlik, şekillendirilebilme kabiliyeti ve elastik olarak yüksek kopma uzaması, çok iyi yorulma dayanımı, kalıcı deformasyon olmaması, düşük ve kontrol edilebilir ısıl genleşme katsayısı, çok düşük enine ve ısıl elektrik iletim katsayısı, tabakal kompozitlerin tabaka yapılarının istenen amaca göre düzenlenebilmesidir. Dezavantajları ise; malzeme bünyesinde hasara sebep olacak şekilde ikincil gerilmelerin meydana gelebilmesi, kritik uygulamalarda uzun zaman alan masraf gerektiren detaylı gerilme analizi gerekliliği, üretim ve kullanım yerinde yüksek sıcaklık olması durumunda fiber matris ısıl genleşmelerinin farklı olması sebebiyle hasara götüren iç gerilmeler, lineer elastik özellikleri sebebiyle gevrek kırılma tehlikesi kullanım ortamı sıcaklığının matris malzeme özellikleriyle sınırlanması sıcaklık sebebiyle özellikle polimer matrisli malzemelerde sürünme tehlikesi, bağlantı yerlerinde çok dikkatli dizayn gerekliliği olarak sayılabilir. Kompozit malzemelerden yapılacak makine elemanlarının bu özellikler göz önüne alınarak tasarlanması gerekmektedir. Kompozit malzemelerden yapılacak makine elemanlarının tasarımında dikkat edilecek faktörler; ısıl, mekanik, çarpma, kimyasal, elektrik ve manyetik yükleme gibi yükleme durumları, takviye şekli ve yükleme doğrultusuna göre durumu ve makine elemanlarının ağırlığı ile birleştirme yerlerinin seçimi ve birleştirme şeklidir. Tasarımda dikkat edilecek faktörleri tek tek incelersek 3.1.1.Yükleme Durumu klasik malzemelerden farklı olarak, kompozit malzeme üzerine gelecek kuvvetin doğrultusu, şiddeti ve tesirleri çok büyük önem arzeder. Çünkü ompozit malzemede fiberlerin takviye açısına göre malzeme üzerindeki gerilme dağılımı değişmektedir. (Şekil 3.1.1). çeşitli yükleme durumları için incelersek;
29
Şekil 3.1.1. Çeşitli açılarda takviye edilmiş cam-epoksi kompozitten yapılmış delik içinden çekme kuvvetine maruz bir elemanda gerilme dağılımı 3.1.1.1. Isıl ve Elektriksel Yükleme ısı ve elektrik akımı direncin düşük olduğu yerlerden geçme eğiliminde olduğundan ısıl ve elektriksel iletim özellikleri
cam, aramid ve seramik fiber
kullanılması durumunda matris malzemeninkine yakındır. Karbon fiberleri gibi iletim özelliği iyi olan fiberlerin kullanıldığı kompozitlerde ise fiber malzemesinin özelliklerine yakınlık gösterir. Polimerik matrisli kompozitlerde, matris malzemeleri metallere göre yaklayık olarak %1 oranında iletim özelliğine sahiptir. Fiberlerin ise yüksek iletim özellikleri vardır. Kompozit içinde takviye şekli ve doğrultusu ile enerji akış sektörü arasındaki açı önemlidir. İzotrop cam fiberlerinde bile boyuna ve enine iletim katsayılaı arasında %30 gibi bir fark bulunmaktadır. Karbon fiberlerinde ise bu oran %0,2’ye kadar düşmektedir. Bu yüzden elektrik ve ısıl yüke sahip kompozitlerin dizaynında fiber hacim oranı, takviye doğrultusu ve üretim sırasında eleman içinde boşluk kalmayacak şekilde bir üretim yapılması çok önemlidir. Herhangi bir kompozit yapıda bile, kullanılan malzemelerin ısıl genleşme özelliklerinin farklı olması sebebiyle, ısı yükü altında farklı uzamalar sonucu büyük gerilmeler ortaya çıkabilir. Bu gerilmeler, dışarıdan malzemeye herhangi bir yük uygulansa bile malzemede hasara yol açacak kadar büyük olabilmektedir.tabakalı üretimde ise farklı tabakalar arasında aynı uzamaya rağmen takviye doğrultusundaki farklılıklar
sebebiyle
çarpılma
şeklinde
hasarlar
oluşabilmektedir.
İzotropik
malzemelerde oluşan bu gerilmeler çeşitli ısıl işlemler ile ortadan kaldırılabilirken kompozit malzemelerde bu durum mümkün olmamaktadır. Bu yüzden ikincil bir yük 30
olarak ısı yükünün de bulunduğu durumlarda malzeme tayini önem kazanır. Tabakalı üretim durumunda tabakalar,
uzamalar
birbirini ortandan kaldıracak
şekilde
yerleştirilmeyidir. Birleşme yerinin dizaynında, bu gerilmelerin de dikkate alınması gerekir. 3.1.1.2. Yorulma, Çarpma ve Tokluk Kompozitlerde yorulma izotrop malzemelerden oldukça farklı bir şekilde oluşur. İzotrop malzemelerde değişken yüklemeye maruz bir makine elemanında oluşan çatlak tanımlanabilir bir gelişme göstererek ilerlemekte ve parça hesaplanabilen bir ömür sonunda da hasara uğramaktadır. Bu malzemeler için çatlak başlangıcının hemen hemen tamamen tanımlanmış ve deneyler yapılarak gerekli sabitler bulunmuştur. Kompozit malzemelerin çentik hassasiyetleri, matris malzeme çentiğin diğer fibere geçmesini geciktirdiğinden metalik malzemelere göre daha azdır. Kompozitlerde yorulma olayı, malzemeye bağlı olarak farklı şekillerde meydana gelir. Fiber-matris ara yüzey bağ kuvvetine bağlı olarak oluşan yorulma, yük doğrultusu ile fiber doğrultusunun farklı olduğu durumlarda oluşan yorulma şeklidir. Fiber boyunca oluşan çatlağın ilerlemesi ile hasar meydana gelir. Kumaş şeklindeki fakvilerde genellikle bu şekilde yorulma oluşur. (Şekil.A). Fiber ve yük doğrultusu aynı olursa oldukça yüksek yorulma direnci elde edilir. Bu durumda, fiber hacim oranı arttıkça yorulma direncide artmaktadır. Tabakalı yapıdaki yorulma ise, mukavemetlerine göre daha yüksek gerilme uygulanan tabakalardan başlayarak yayılır. Tabakalı yapının kumaş fiberlere göre yorulma dirençleri daha büyüktür.
Şekil . 3.1.1.2.A. kompozit Malzemelerde Çatlak Oluşum ve İlerleme Şekilleri
31
Çarpma, genellikle makine elemanlarında genellikle beklenmeyen ve hesaba katılmayan ani yüklemelere verilen addır. Sünek malzemelerde çarpışma sonucu plastik deformasyon ve gözle görülebilen hasarlar oluşur. Kompozitlerin çarpmaya karşı davranışı çarpmada absorbe ettikleri enerji ile belirlenir. Bu da ara yüzey bağ gerilmelerinin değerine bağlıdır. Eğer bağ dayanımı düşükse malzeme zayıf mukavemet özellikleri göstermekle beraber enerji absorbsiyonu iyi olacağından çarpmaya karşı iyi bir dayanım gösterecektir. Çok yüksek bağ dayanımına sahip kompozitler gevrekleşme eğilimindedir. Pratikte fiberlere yapılan yüzey işlemleri ile ara yüzey bağ dayanımı kontrol edilebilmektedir. Tokluk, malzemenin kırılma dayanımının bir ölçüsüdür. Yorulma
ve
çarpma
yüklerine
karşı
kompozit
malzemelerin
davranışlarının
belirlenmesinde önemli bir karşılaştırma parametresidir. Kompozit malzemelerin tipik çekme-uzama diyagramları Şekil B’de gösterilmiştir.
Şekil. 3.1.1.2. B. Kompozitlerin çekme-uzama diyagramı 3.1.1.3. Kimyasal Yükleme ve Çevre Şartları Matris malzemeleri kompizitin nem, ısı ve kimyevi maddeler gibi çevre etkilerine maruz kalan kısmı olduğundan korozyon dayanımı, nem absorbsiyonu gibi çevre etkilerine karşı özelliklerini de belirlemektedir. Plastik malzeme, plastik matrisli kompozitlerin çok çeşitli çevre ve kimyevi yüklere karşı yüksek performans göstermesini sağlamaktadır. Metalik matrisli kompozitlerde ise kimyasal etkilere karşı direnç, malzemenin yüzeyinde meydana getirdiği koruyucu tabaka kalınlığı ile belirlenmektedir. Mesela, 200 ºC’nin üzerinde özellikleri kararlı olmayan, veya kimyevi 32
etkilere dayanıksız olan bir fiber, çok daha yüksek sıcaklıklara yada çok etkin kimyevi yüklemelere dayanabilen ve ısıl iletkenlik özellikleri iyi olmayan bir matris içinde söz konusu şartlara dayanıklı, mukavemeti yüksek bir kompozit oluşturabilmektedir. Tablo 3.1.1.3’te otomobil endüstrisinde alternatif malzemeler olarak kullanılan çelik, alüminyum alaşımı ve cam takviyeli plastik (CTP) kompozitlerin çeşitli yüklemeler karşısındaki davranışları, üretim şartları ve maliyetleri gibi faktörler karşılaştırmalı olarak verilmiştir.
Tablo 3.1.1.3 Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Bazı Malzemelerin Karşılaştırılması Otomobili oluşturan parçalar çökme ve plastik şekil değiştirme zorlanmaları ile gevrek kırılma, yorulma, sürünme yüklemeleri ve –40 ila 120 ºC sıcaklık aralığı, %55 ila %100’e varan bağıl nem su, yakıt, antifriz ve tuz gibi çevre ve kimyevi yüklemelerin etkisi altındadır. Tablo 3.1.1.3’ten görüldüğü gibi motor bloğu gibi kısımlarda Al alaşımları ve kaporta içinde CTP kullanımı en iyi çözümü vermektedir. CTP malzemelerde 60 ºC üzerinde sürünme hasarları meydana geldiğinden bunun dikkate alınması, ayrıca nem absorbe etme özellikleri sebebiyle %20’ye varan mukavemet azalması da hesaba katılmalıdır.
33
3.1.2 Parçaların Birleştirilmesi Dizaynda göz önünde bulundurulması gereken diğer önemli bir faktörde kompozit makine elemanlarının başka bir parça ile birleştirilmesi durumudur. Gerek “kompozit-kompozit”, gerekse “kompozit-diğer malzemeler” arasındaki birleşmelerde birleştirme şekilleri, yerleri ve usulünün çok dikkatli olarak tayin edilmesi gerekmektedir. Kompozit malzemelerden yapılmış makine elemanlarının metal malzemeler için geçerli olan sökülebilen ve sökülemeyen birleştirme sınıflandırılması içine alınması çoğu zaman mümkün olmaz. Bu yüzden kompozitten yapılacak eleman komple eleman olarak, birleştirme yerlerindeki delik, pim, vida v.s.de mümkünse komple imalat için düşünülmelidir. Çok parçadan imal edilen makine elemanlarının, kompozit malzemenin hafifliği sebebiyle yekpare olarak imal edilmesi ise bir avantaj olmaktadır. Şekil 3.1.2.a’da yekpare olarak imal edilmiş bir otomobil tahrik şaftı görülmektedir. Yekpare imalatın avantajlarından biri de birleştirme yerleri sebebiyle meydana gelen gürültülerin ortadan kaldırılmasıdır. Sonradan
talaşlı
şekillendirme
yoluyla
yapılacak
işlemler
malzeme
mukavemetini düşürmekle kalmayıp çatlak oluşumu gibi hasarlara da sebep olmaktadır. (Şekil 3.1.2.b)
Şekil 3.1.2 a) Yekpare olarak imal edilmiş otomobil tahrik şaftı b) Kompozitlerin matkapla delinmesi sonucu oluşan hasarlar
34
Kompozitlerin birbirine kaynak edilmesi ve yapıştırılarak birleştirilmesi ile ilgili çalışmalarda yapılmaktadır.(Şekil 3.1.2.c.d)
Şekil 3.1.2.c. Yapıştırma şekilleri
Şekil 3.1.2.d kompozit yapıya rulman montajı Yapıştırıcıların basınç gerilmesi altında çok zayıf olmaları, yapıştırıcılarla birleştirmenin uygulama alanı daralmaktadır.
35
3.1.3. Ağırlık Kompozit malzemeler, çelik gibi geleneksel izotropik malzemelerin yerine kullanılırken yapılacak iş elbette, çelikten yapılmış olan makine elemanlarının sökülüp yerine daha hafif olan kompozit malzemelerden yapılmış olanının monte edilmesinden ibaret değildir. ister kompozit isterse çeliğe göre daha hafif olan alüminyum alaşımları olsun birbiri yerine kullanılırken tercihi tayin edecek karşılaştırmalar, klasik dizayn, maksimum
gerilme
veya
maksimum
şekil
değiştirme
kriterleri
kullanılarak
yapıldığından, yine bu kriterlere göre yapılacaktır. Makine elemanı olarak en çok karşılaşılan çekme çubuğu, kiriş veya plak için karşılaştırma kriterleri, ağırlığa bağlı olarak şekil 3.1.3.a’da çıkarılmıştır. Burada bazı kullanılan değişkenler şöyle sıralanabilir; S (mm): maksimum şekil değiştirme
C: yükleme tipine göre katsayı
m (kg): elemanın kütlesi P (N):uygulanan kuvvet
A.L.t.W(mm):kullanılan
G (N/mm²): oluşan maksimum gerilme
elemanların boyutları
E (N/mm²): Elastisite modülü P (Kg/mm3):yoğunluk
Şekil 3.1.3.a.Dizaynda kullanılan karşılaştırma parametrelerinin eldesi
36
Yalnızca taşıyacakları yüke göre sıralama yapılacak olursa çekme çubuğu için tabloda ele alınan malzemelerden en elverişlisi maksimum uzamaya göre Boron-Epoksi, Be-38 Al. Karbon epoksi, Kevlar-Epoksi ve cam –Epoksi’dir. bu sıralamayı kiriş için yaptığımızda ise ilk sıraları maksimum gerilme açısından yüksek mukavemetli karbon fiber takviyeli Epoksi kompozit, Kevlar-Epoksi ve maksimum deformasyon açısından da Karbon- Epoksi kompozitler ve arkasından Be-38Al alüminyum alaşımı gelmektedir. Durum plak eleman açısından Karbon-Epoksi, Kevlar-Epoksi, cam tülü polyester şeklinde ve maksimum çekme açısından da yüksek mukavemetli Karbon-Epoksi Kevlar-Epoksi ve Al-Li şeklinde bir sıralama olduğu görülmektedir. Burada karşılaştırma için seçilen çelik olan maraging çeliği %18-25 Ni, %7,5 Co, %4,8 Mo, %0,4 Ti ve %,03 C içeren 815 ºC’den havada su verilerek ve 480 ºC’de yaşlandırma ile 1750 MPa akma mukavemetli, %11 uzama, yüksek tokluk ve 35-52 Rc sertliğine sahip bir çeliktir. Taynak edilme imkanları vardır ve roket motor bloğu yapımında kullanılmaktadır. Görüldüğü üzere yüksek mukavemetli bir çelik olmasına rağmen kompozitlere göre mukavemet açısından çok gerilerde kalmaktadır.
Şekil 3.1.3.b Çeşitli Malzemeler İçin Hesaplanmış Karşılaştırma Parametreleri
37
Bu durum ekonomik açıdan en çarpıcı şekliyle uçak sanayiinde görülür. Çeşitli kombinasyonlar yapılarak maksada en uygun kompozitin elde edilmesi mümkün olduğundan belirli özelliklerin ağırlıkla oranı önemli ve sınırlayıcı bir faktördür. Uçakların kendi ağırlıkları azaldıkça taşıyacakları yük artacak ayrıca ağırlığındaki azalma orantılı olarak yakıt tüketimini de azaltacaktır. Bir OC 10 uçağının ağırlığında sağlanacak 1 Kg’ lık azalma yıllık 2900 Lt. yakıt tasarrufu sağladığı göz önüne alınacak olursa, alüminyum yerine cam, karbon ve aramid fiberli kompozit kullanılarak bir A 310 uçağında sağlanan 397 Kg’ lık ve bir A 320 uçağında sağlanan 800 Kg’lık bir ağırlık kazancının ne kadar önemli olduğu görülür. 3.2.Sonuç Kompozit malzemelerden yapılacak makine elemanlarında, kompozite has dizayn, üretim ve hesaplama şartları vardır. Bunların dikkate alınması, araştırılması ve uygulamaya konulması gerekmektedir. Bu bölümde tasarımda dikkat edilmesi gereken hususlar üzerinde durulmuştur.
38
BÖLÜM 4 4.1. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları kompozit malzemeler çok geniş bir yelpaze oluşturduğundan bu bölümde kompozit malzemelerin makine mühendisliği açısından kullanım alanları incelenecektir. 4.1.1. Otomotiv Sanayiinde Kompozit Malzeme Kullanımı Otomobilin ağırlığını azaltmak; yakıt tüketiminde hatırı sayılır tasarruflara yol açtığından, otomobil üreticileri ağırlığı azaltacak yeni malzeme arayışlarına girmiş bulunuyorlar. Buna ilaveten petrol yakıtlarına alternatif olarak geliştirilmeye çalışılan elektrikli arabaların motorları nispeten daha az güç ürettiğinden, arabanın ağırlığı fevkalade ehemmiyet kazanır. Kompozit malzemeler, katılığın özgül ağırlığa oranı bakımından çelik ve alüminyum ile karşılaştırıldığında, bu değer birkaç kat daha fazla olabilmektedir. Bu sebeple kompozit malzemeler ağırlık azaltmada en önemli adaylardandır. Kompozit malzemeler arasında en yaygın olarak polimer matrisli kompozitler kullanılmaktadır. Plastik matrisli olmalarına rağmen metaller kadar emniyetli tasarımları mümkündür. Ön kısmı cam elyaf takviyeli polimer kompozitten yapılmış bir araba 35 mil/saat çarpma testini geçmiş bulunuyor. Çarpışmalarda çelik kadar güvenlik sağladığı gibi, polimer kompozitler titreşim kontrolü gibi özellikleriyle de daha üstün performans göstermeye adaydır. Polimer kompozitler matrisi, termoset veya termoplastik olmak üzere ikiye ayrılır. Termoplastik polimerler (naylon gibi), uzun molekül zincirlerinden oluşur. Yüksek sıcaklıklarda bu zincirlerin birbirleri üzerinde kaymaları sonucu, termoplastikler eriyebilme
özelliğine
sahiptirler.
Termosetler
ise
umumiyetle
başlangıçta
monomerlerden veya kısa zincirlerden oluşan sıvı bir halde bulunur. Yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında, bunların aralarında karşılıklı bağların oluşmasıyla büyük bir moleküle dönüşerek katılaşırlar. İyileştirme denen bu işlemden sonra artık polimerin erimesi söz konusu olmaz. Termoset ve termoplastik polimerlerin mikro yapılarındaki bu farklılık; mekanik özelliklerine, imalat tekniklerine ve yeniden dönüşüm imkanlarına da yansır. Termoplastikler molekül zincirlerinin hareket kabiliyetinden dolayı termosetlere göre daha az kırılgandır. Mukavemet ve katılık gibi kompozitin mekanik özelliklerini ağırlıklı olarak elyaf takviyesi belirlediğinden, polimer matrisinin bu gibi 39
özellikleri çok önemli değildir. İmalat yöntemine gelince, termoplastikler yüksek sıcaklıklarda eritilerek şekil verilir, sonra soğutularak katı haline getirilir. Ancak imalatındaki en büyük zorluk, eriyik halde bile viskozitesi çok yüksek olduğundan elyafla karıştırılması çok zordur. Viskozitesini düşürmek için daha yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında ise polimer ayrışır ve bozulur. Termosetler ise yaygın olarak içinde örülü elyaf bulunan bir kalıba sıvı olarak aktarılır, sonra sıcaklık artırılarak iyileştirme işlemi yapılır. Bu işlemden sonra şekil vermek mümkün olmadığından termosetlerin yeniden dönüşüm imkanı yoktur. Ayrıca bu iyileştirme işlemi kimyasal bir süreç olduğundan, imalat süresini uzatmaktadır. Bazı otomotiv uygulamalarında iyileştirme işlemi 5-10 dakikaya kadar inmişse de çelik veya termoplastiğin işlenmesine nazaran bu süre uzundur. Otomotiv sanayiinde şu ana kadar termosetler, termoplastiklere nazaran daha fazla kullanım alanı bulmuştur. Otomobil gövdelerinde termoset kullanımı yaygın olmakla birlikte, termoplastiklere rağbet görülmeye başlandı. Golf A4 ve POLO A03 dahil olmak üzere bütün yeni VW arabalarının ön kısımları cam elyaf örgütlü termoplastik tabakalardan yapılmıştır. Son zamanlarda giriş manifoldları ekseriyetle alüminyumdan imal edilmektedir. Fakat bu parçaların şekilleri daha karmaşık hale geldikçe ve tek kalıpla üretilen cam elyaf takviyeli termoplastikler ağırlıktan tasarruflar sağladıkça, termoplastikler tasarımcılara cazip gelmeye başladı. Ford Mondeo'nun 4 silindirli 16 valflı motorunun giriş manifoldu cam elyaf katkılı PA'dan imal edilmiştir. Chevrolet giriş manifollarında cam elyaf katkılı naylon kullanmaktadır. Plastik ağırlıktan tasarruf sağladığı gibi motorun performansını da artırmıştır. Giriş manifoldlarının iç yüzeyi son derece pürüzsüz olmalıdır. Aksi takdirde oluşacak türbülans, motorun verimliliğini azaltır. Düzgün yüzeyleriyle plastik manifoldlar alüminyumla yapılanlara göre motorun verimini %5 kadar artırabilmektedir. Malzemenin düşük ısı iletkenliği; manifold içindeki havanın motorun sıcaklığından daha iyi yalıtılmasına yol açmakta; manifoldun havayı daha yoğun olarak tutmasıyla, yanma daha randımanlı gerçekleşmektedir. Plastik titremeyi azalttığından motorun gürültüsü azalmaktadır. Avrupalı motor üreticisi PSA da Peogeot 406 vet 605, Citroen Xantia ve XM modellerinde kullanılmakta olan motorun giriş manifoldunda naylon kullanarak benzer faydaları elde etmektedir.
40
Alüminyumdan Naylon 46'ya geçmekle PSA manifoldun ağırlığım %50, imalat maliyetini %20, 30 azaltabilmiş, döküm sonrası işlemeyi ortadan kaldırabilmiştir. Chrysler gibi otomobil üreticileri de valf kapaklarını termoset kompozitlerinden yaparak maliyetleri %15-20 indirebilmişlerdir. Plastik kompozitlerin önemli bir potansiyel uygulama alanı ön koltukların monte edildiği çatıdır. Kompozitlerin fanlarda da kullanımı görülmeye başlanmıştır. Plastik kompozitlere ilaveten, mühendisler matrisi metal olan kompozitleri de ciddi olarak düşünmeye başlamışlardır. GM elektrikli taşıtının çatısında metal matrisli Boralyn kompozitini kullanmaktadır. Boralyn'in katılığının özgül ağırlığa oranı, çelik ve alüminyumunkinin 1.5 katıdır, yoğunluğu ise alüminyumun yoğunluğuna yakındır. Bütün avantajlarına rağmen kompozitlerin otomotiv sanayiinde yoğun olarak kullanılmasının önündeki iki önemli engel vardır. Birincisi, kompozit parçaların hala çelikten daha maliyetli olmalarıdır. İmalatı çelik gibi yüksek basınç gerektirmediğinden, plastik kompozitleri işleyen makinalar daha hafiftir ve dolayısıyla ilk yatırım maliyeti daha düşüktür. Fakat malzemenin maliyetinin fazla olması ve imalat sürecinin nispeten emek yoğun olması toplam maliyeti arttırmaktadır. Ancak ileride imalat teknolojisinde olabilecek yeniliklerle ve kompozit malzemelerin daha yoğun kullanımının getireceği malzeme maliyetlerindeki düşüşle, kompozit parçaların daha ucuza imal edilebileceği beklenmektedir. Şu anda bir çok büyük ölçekli araştırma projelerinde daha verimli imalat teknolojilerinin geliştirilmesi için çalışılmaktadır. Kompozitlerin sanayii de yoğun olarak kullanılmasının önündeki ikinci önemli engel, kompozitlerin tasarımı ve imalatı konusunda tecrübeli ve bilgili mühendis ve teknisyen sayısının yetersizliğidir. Bununla birlikte, bu engellerin zamanla aşılacağı ve kompozit malzemelerin üstün özelliklerinden otomotiv sanayiinde daha çok faydalanılacağı öngörülmektedir. 4.1.2. Uçak Yapılarında Koımpozit Malzeme Kullanımı Havacılıkta son yıllarda yapılan temel bir atılım metal malzeme yerine kompozit malzeme kullanımı konusudur. Uçak yapılarında kullanılan ileri kompozitler, elyaf takviyeli
kompozitlerdir.
Genellikle
epoksi
kullanılmaktadır. 41
matris
içinde
sürekli
elyaflar
Uçak yapılarında alüminyum alaşımları gibi konvansiyonel malzemelerin yerini alan kompozit malzemeler, düşük ağırlığa oranla yüksek mukaveket özelliğine sahiptirler. Çizelge 4.1'de uçak tasarımında kullanılan kimi metal ulaşımları ile kompozit yapıların mekanik özellikleri verilmiştir. Uçak yapısı için malzeme seçiminde önemli bir kriter olan mekanik özelliğin yoğunluğa oranı ile ifade edilen, özgül mekanik özellik değerleri karşılaştırıldığında bor/epoksi ve karbon/epoksi kompozitlerin konvensiyonel malzemelerden önemli farklarla üstün oldukları görülmektedir. Düşük yoğunluğa sahip kompozit yapıların uçak tasarımında kullanılması ile metal yapıya oranla ağırlık kazancı sağlanmıştır. Şekil 4.1'de gelişen teknoloji ile birlikte, uçak tasarımında kompozit malzeme kullanımındaki artış verilmektedir Çizelge 4.l. Uçak malzemelerinin mekanik özellikleri (Tetlovv, 1983; Reindi, 1987) MALZEME
K 0 N V A N S 1 Y O N
ÇELİK (3140)
7,90
Elastik Modul E (GPa) 200,0
ALÜM. ASG (6061)T6
2,70
70,0
26
0,35
0,13
11,00
ALÜMİNYUM AU4G 1(2024)74 ALÜMİNYUM A25G4(7075)T6 TİTANYUM T6V
2,80
73,0
26
0,29
0,21
11,00
2,80
76,0
27
0,45
0,16
11,00
4,40
119,0
27
1,14
0,26
14,00
BOR/EPOKSİ
2,10
270,0 *
129 *
2,00 *
0,95 *
6,50 *
2,70
225,0 **
83 *
1,25 »
0,46 *
10,00 *
208,0 * 10,3 ** 1,50 142,0 * 10,3 ** KEVLAR/EPOKSl 1,35 80,0 * 5,5 * CAM/EPOKSl 2,20 53,0 * 12,4 ** KARBON/ POLYESTER 1,68 127,5 * 7,6 ** KEVLAR/ POLYESTER 1,40 76,0 * 5,5 ** CAM/ POLYESTER 1,80 39,0 * 9,6 ** * Elyaflar yönünde ** Elyaflara dik yönde
122 *
1,34 * 0,03 ** 1,60 * 0,07 * 1,38 * 0,03** 1,45 * 0,04 * 1,52 * 0,04 * 1,20 * 0,02 ** 1,13 * 0,02 •*
0,79 *
0,78 * 0,29 ** 1,10 * 0,57 * 1,70 * 0,50 * 2,70 * 0,30 * 1,20 * 0,53 * 1,60 * 0,40 ** 2,80 * 0,21 *
K BOR/ALÜMİNYUM O M P GRAFİT/EPOKSİ O Z KARBON/EPOKSİ i T
Yoğunluk P (gr/cm3)
1,70
42
Özgul K. Modül E/p 25
Çekme Muk. σ ç (GPa) 1,85
özgül Çek.Muk. σ ç /p 0,24
Maks. Şek.Değ. (%) 11,00
95 * 59 • 24 * 76 * 54 * 22 *
1,06 * 1,02 * 0,66 * 0,9 * 0,86 * 0,63 *
Şekil 4. l Uçak malzemelerinin kullanım oranlarının yıllara göre değişimi
Uçak tasarımında ilk olarak kullanılan kompozitler cam elyaf kompozitlerdir. 1944'lerde "Vultee BT-15" eğitim uçaklarında gövdenin arka kısmında kaplama malzemesi olarak cam elyaf reçineli kompozit plakalar ağaç çekirdeğin yüzeylerine yapıştırılarak sandviç paneller şeklinde kullanılmıştır (Phillips, 1987).
43
Cam elyaflı kompozitler, mukavemetlerinin ağırlıklarına oranı metallerden yüksek olmasına rağmen ana yapı elemanlarında kullanılmamaktadır. Bunun nedeni ise sertliklerinin ağırlığa oranının düşük oluşudur ve bu oran yüksek hız uçaklarında oldukça büyük bir önem taşımaktadır (Huber, 1982). Kompozit yapıların uçak tasarımındaki yaygın kullanımı 1960'larda başlamıştır (A.B.D'de bor elyaflar, İngiltere'de ise grafit elyaflar). A.B.D'de 1970'lerde bor/epoksi kompozitler F-111'lerin yatay kuyruklarında ve F-4'lerin istikamet dümeninde kullanılmışlardır (Grimes, 1976). Bor/epoksi kompozitler yüksek performanslı askeri uçakların dizaynında kullanılmışlar ve başarılı olmuşlardır. Bu kullanıma örnek olarak F-14'lerin yatay kuyruk yüzey kaplaması ve F-15'lerin yatay ve dikey kuyrukları verilebilir (Noton, 1974). İngiltere'de grafit epoksinin gelişimi çok yavaş olmuştur. Strikemaster'ler için istikamet dümeni gibi küçük parçalar üretilmiştir ve Jaguar'ların aerodinamik frenlerinin yapımında kullanılmıştır (Lenoe, et al., 1973). 1970'lerin ortalarında A.B.D bor/epoksi'den grafit/ epoksi'ye geçmiştir. Bunun en önemli nedeni maliyet problemidir. 1979/da uçak yapımcıları tarafından "prepreg" adı altında üretilen grafit/epoksi malzemenin maliyeti 40 $/lb iken bor/epoksi'nin maliyeti 180 $/lb'dir (Hoskin and Baker, I9S6). A.B.D'de bu geçiş askeri uçaklarda hızlı olmuştur. F-16'larda
grafit/epoksi
yatay
ve
dikey
kuyruk
yüzeyleri kaplamasında ve
kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır ve yapısal ağırlığın %3'ünü oluşturmaktadır (Phillips, 1987). Grafit/epoksi kompozitlerin F-18' lerde kullanımı ise yapısal ağırlığın %10'unu, toplam alanın ise %50'sini oluşturmaktadır (Phillips,1987). AV-8B
uçaklarında
ise
tüm
kanat
kaplaması
ve
yapısal
elemanlar
grafit/epoksidir. Aynı zamanda yatay kuyruk yüzeylerinde gövdenin ön kısımlarında ve çeşitli
kumanda
yüzeylerinde
kullanılarak
ağırlıktan
%
26'lık
bir
kazanç
sağlanmıştır(Huber, 1982). Avrupa'da üretilen askeri uçaklar ele alındığında, İtalyan-İngiltere-Almanya yapımı Tornado uçaklarında grafıt/epoksi yatay kuyruk kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır (Schwartz, 1984). Fransa yapımı Mirage 2000'lerde ise bor-grafıt/epoksi karma kompozitler kanat kumanda yüzeylerinde ve düşey kuyrukta kullanılmıştır (Gay, 1989). 44
Gelişmiş kompozitlerin sivil uçaklardaki uygulaması askeri uçaklardan daha sonra gerçekleştirilmiştir. Ancak bu konuya ilgi hızla artmaktadır. Grafıt/epoksi kompozitlerin sivil yolcu uçaklarındaki ilk uygulamaları Boeing 727'lerin gövde kaplamasında gerçekleştirilmiş ve %14 ağırlık kazancı sağlanmıştır (Brooks, et al., 1980). Boeing 737'lerin aerodinamik frenleri grafit epoksi kompozitten üretilmiştir ve 1981'den itibaren 22000 uçuş saatlik kullanımları esnasında önemli bir problemle karşılaşılmamıştır. Bu uçaklarda kompozit kullanımıyla %15'lik bir ağırlık kazancı sağlanmıştır (Noton, 1974). Uçak tasarımında ağırlık kazancı önemli miktarda yakıt kazancıda sağladığından NASA'nın Uçak Enerji Verimliliği programları çerçevesinde uçak yapısı için Uompozit malzeme geliştirimine gidilmiştir. 1980'lerde sadece ikinci dereceden yapısal elemanlarda kompozit kullanılırken, 1985'lerde birinci dereceden temel yapısal elemanlar için kullanılmaya başlanmıştır (Dexter, 1980). Çizelge 4.2'de kompozit malzeme kullanımı ile konvensiyonel malzemelere oranla elde edilen ağırlık kazançları verilmektedir. Bu kazançların %11 ile %44 arasında değiştiği görülmektedir. 1980'lerde Boeing 757 ve 767'lerde kuyruk grubunda, kumanda yüzeylerinde, kanatçıklarda ve flaplarda grafıt/epoksi kullanılmıştır (Schvvartz, 1984). Çizelge 4.2 İleri kompozitlerle uçak elemanı bazında sağlanan ağırlık kazançları UÇAK TİPİ
ELEMAN
KONVANSİYONEL MALZEME
KOMPOZIT MALZEME
AĞIRLIK KAZ. (%)
YAPIMCI FİRMA
İstikamet dümeni Düşey kuyruk grubu L-1011 Kanatçık Dikey kuyruk Boeing 727 İrtifa dümeni Boeing 737 Yatay kuyruk gr. F-lll İrtifa dümeni Kanat hücum kenarı F-15 İrtifa dümeni İstikamet dümeni F- 14 İrtifa dümeni
Alüminyum Alaşımı Alüminyum Alaşımı
Grafit /epoksi Grafit /epoksi
26,8 20,2
Mc DonnellDouglas
Alüminyum Alaşımı Alüminyum Alaşımı Alüminyum Alaşımı Alüminyum Alaşımı Alüminyum Alaşımı Alüminyum Alaşımı
Grafit /epoksi Grafit /epoksi Grafit /epoksi Grafit /epoksi Bor /epoksi Bor/epoksi
26,3 27,9 25,6 27,1 27,0 11,0
Lockheed Company Boeing General Dynamics
Titanyum Alaşımı Alüminyum Alaşımı Titanyum Alaşımı
Bor /epoksi Bor/epoksi Bor/epoksi
25,0 35,0 42,0 -
Mc DonnellDouglas Grumman
F-4
İstikamet dümeni
Alüminyum Alaşımı
Bor/epoksi
44,0
F-5
İniş takım kapakları
Alüminyum Alaşımı
Grafit /epoksi
36,0
Mc DonnellDouglas Northrop
DC-10
45
Bir başka gelişmiş kompozit tipi ise Kevlar (aramid)/epoksidir. Uçak yapısında oldukça yaygın bir kullanımı söz konusudur. Özellikle karma kevlar-grafit/epoksi yapılar kullanılmaktadır. Boeing 767'lerde bu karma yapı motor kaplaması ve kanat hücum kenarı yapılarında kullanılın ıştır (Dexter, 1980). Kevların düşük basma mukavemeti bu karma yapılarda ortadan kaldırılmıştır. Küçük bir yolcu uçağı olan Lear Fan 2100'de grafit/epoksi ağırlıklı olmak üzere tüm yapı kompozittir. İki kişilik "Rutan Voyager" ise durmaksızın dünyanın çevresini dolaşan bir uçaktır ve karbon/polyester ağırlıklı olmak üzere, tamamen kompozitten imal edilmiştir (Phillips, 19G7). Lockheed-California tarafından üretilen L-1011 yolcu uçaklarında kanatçık yapısı alüminyum alaşımı yerine kompozit malzemeden üretilerek %26.3'l (lk bir ağırlık kazancı sağlanmıştır. Maliyette ise önemli bir artış kaydedilmemiştir. Aerospatiale yapımı süpersonik yolcu uçağı Concorde'da grafityepoksi kompozit, iniş takımı kapaklarında kullanılmıştır. Airbus A300 yolcu uçağında grafit/epoksi kompozitler istikamet dümeni, aerodinamik fren ve kanat hücum kenarında kullanılmıştır. Aynı uçağın kanat firar kenarı ve irtifa dümeni kevlar/epoksi kompozitten üretilmiştir. A320'lerde bu kısımlara ek olarak radar konisi, motor kaplaması ve tüm kuyruk grubu grafit/epoksi kompozitten üretilmiştir (Herteman, 1989). Sürekli elyaf takviyeli kompozitleriıı uçak tasarımında geniş bir kullanım alanı söz konusudur. Verilen tüm örneklerden görüldüğü gibi bor/epoksi, grafit/epoksi ve kevlar/epoksi uçak yapısında kullanılan en önemli kompozitlerdir. 4.1.3. Kompozitlerin Basınçlı Gaz Kabında Kullanımları Basınçlı gaz kapları konusunda, değişik malzemeler ile çok sayıda alternatif çözüm bulunmaktadır. (Örneğin çelik, alüminyum, cam elyaf takviyeli plastikler gibi.) İstenen yüksek emniyet faktöründen dolayı bu tür basınçlı kapların ağırlıkları genel olarak çok farklıdır. Daha önceden sıkıştırılmış gazlar için hafif basınç kapları geliştirilmeye başlanmıştır.bu kapların;
Gaz ile çalışan otobüs ve kamyonlarda
Hidrojen, Helyum gibi sıkıştırılmış sanayi gazı taşıyan treylerde. 46
kullanılması ön görülmektedir. Bu kaplar aynı büyüklükteki bütünü ile çelik olan kaplara göre çok daha hafif olup, bu hafiflik kompozit malzeme ile sağlanmıştır. Cam elyafla kaplanmış alüminyum gövde gibi. Bu kombinasyon alüminyum ve cam elyafın optimum malzeme özelliklerinin kullanılmasına imkan vermektedir. Bu kapların avantajları şu şekilde gösterilebilir. -Gaz ile çalışan otobüs ve kamyonların şase ağırlığı azaltılır. Şase ağırlığı / cam elyaflı kaplar ile %35 oranında azalmaktadır. -Bu şekildeki gaz tankeri, çelik gövdeli bir tankere oranla yaklaşık 2 kat daha fazla gaz taşıyabilmektedir. Bu kaplar yüksek işletme performansı sağlayan kaliteli ürünlerdir. Bu kapların pazara sürülmesi ile ucuz doğal gazın kullanımı artacak aynı zamanda sıvı yakıtlı motorların sebep olduğu hava kirliliği azalacaktır. 4.1.4. Diğer kullanım alanları -Motorlar -Spor malzemelerinin üretimi (kayak, tenis raketleri) -Dişli çarklar -Özel takımlar -Kamyon yaprak yayları -Karoseri elemanları -Boru tesisatları -Depolar -Yapı işleri -Deniz araçları yapımında -Elektrik kontak malzemeleri -Nükleer reaktörler -Sürünme dirençli manyetik malzemeler -Batarya ızgaraları -Elektrik elemanları, ısıtıcılar
47
4.2. Sonuç Kompozit malzemeler belirli avantajlar sağlayan özel ürünlerdir. Günümüzde geniş hammadde temin olanakları ve birleştirme metotları kullanıcıya maksimum avantajı sağlayan çok sayıda kombinasyonları mümkün kılmaktadır. Kompozit malzemelerin yüksek ve homojen bir kaliteyi garanti edebilmesi ve üretim maliyetlerinin kabul edilebilir düzeyde tutulabilmesi için yüksek teknolojiye dayalı bir işlemin uygulanması şarttır. Dezavantajı ise, kompozit olmayan malzemelere göre daha pahalı oluşlarıdır. Ancak son kullanıcı açısından ekonomik çözüm arz etmektedir. Bu husus günün ve yarının kompozitleri için daha geniş ve yeni uygulama olanları açacak olan itici güç niteliğindedir.
48
GÖRÜŞ Kompozit malzemelerin dünyada her geçen gün artmakta olan kullanımına paralel olarak ülkemizde de kompozit üretimi ve kullanımı görülmektedir. Kompozit malzeme, maliyetin fazla olmasına rağmen, çok iyi özgül özellikleri sebebiyle bütün dünyada tercih edilen malzemedir. İleriki yıllarda gelişen teknolojiye kompozit malzemelerin üretim maliyetlerinde azalma olursa kompozit malzemeyi daha bir çok alanda görebiliriz. Bu gün dünyada kompozit malzemeler bina yapımında,otomotiv sanayii dahil olmak üzere ulaşımda, elektrik endüstrisinde, denizcilik, havacılık ve uzay sanayiinde, korozyon direnci istenen yerlerde kullanılmaktadır. Kompozit malzemeden yapılacak makine elemanlarında, kompozite has dizayn, üretim ve hesaplama yapılmalıdır. Yani önceden kullanılan bir malzemenin sökülüp yerine kompozitten olanının takılması uygun değildir. Ülkemizde kompozit malzemeler konusunda yapılan bilimsel çalışmalarda artış görülmektedir. Bu durum, kompozitlerin yakın gelecekte ülkemizde de daha fazla kullanılacağının göstergesidir.
49
KAYNAKLAR 1. GÜVEN. Ş. Yılmaz, Kompozit Malzemeler ve Kullanım Alanları, Isparta Mühendislik
Mimarlık
Fakültesi.
Makine
Müh.
Bölümü,
Isparta, 1990. 2. Armatlı Kayrak, Müge, Havacılık Kompozitleri ve Mukavemet Maliyet Analizleri, Anadolu Üniversitesi, Sivil Havacılık Yüksek Okulu, Eskişehir, 1999. 3. Yaşa Ersoy, Halit, Kompozit Malzeme, Literatür Yyayınları, İstanbul, Ekim 2001. 4. Metal Meslek Bilgisi, Milli Eğitim Bakanlığı Yayınları, İstanbul 2000. 5. DONALD R. ASKELAND, Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri, Nobel Yayınları, Ankara 1998. 6. Özbay, Mahmut, Çağdaş Teknolojide Kompozit Malzemeler, Mühendis ve Makine, Cilt 28, Sayı 325, Şubat 1987. 7. Şimşek, Muhittin, Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri Mühendis ve Makine, Cilt 35, Sayı 414, Ekim 1994. 8. Tarakçılar. A.R. - Topçu. M. - Taşgetiren. S., Kompozit Malzeme Kullanımında Tasarım Esasları, Mühendis ve Makine, Cilt 36, Sayı 422, Haziran 1995. 9. BREGENZER. Rene, Yeni Kullanım Alanları İçin Kompozit Malzemeler, Mühendis ve Makine, 2000. 10. Tarakçılar. A.R. - Topçu. M. - Taşgetiren. S., Kompozitler ve Özelliklerini Belirleyen Faktörler, Mühendis ve Makine, Cilt 36, Sayı 420, Nisan 1995. 11. Sönmez. Fazıl Önder, Otomotiv Sanayiinde Kompozit Malzeme Kullanımı, Mühendis ve Makine, Cilt 39, Sayı 465, Mayıs 2000. 12. Robert. C. Forney, Kompozit Malzemeler Çağı, Teknik ve Uygulama, Sayı 11, Ekim 1987. 13. Kaya, Şahin, Kompozit Malzemeler ve Cesur Tasarımlar, Yakın Geleceğin Uçakları, Teknik Uygulama, Sayı 11, Ekim 1987. 50
