Tasarımda Malzeme Seçimi (2)

Makina Mühendisi | nsoydan@hotmail.com

POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER 1.BÖLÜM

1.GİRİŞ: “YÜKSEK DAYANIM, DÜŞÜK AĞIRLIK”

Son yıllarda, konvansiyonel malzemelere alternatif olarak kompozit malzemeler; yüksek dayanım özeliklerine karşın düşük ağırlıklı olmaları, gelişmiş imalat teknolojisi, spesifik dayanım ve yüksek korozyon direnci gibi özellikleri nedeniyle, birçok sanayi sektöründe yaygın olarak kullanılmaktadır.

Dünyada kompozit malzeme üretiminde artış gözlemlenmektedir. Kompozit malzeme üretimindeki bu artışın en hızlı olduğu sektör; havacılık, uzay, otomotiv ve enerji sektörleridir.                                   

Şekil 1 de Mühendislik Malzemeleri görülmektedir. Şekil 2 de ise Doğal kompozit olan Kemik yapısı örneği görülmektedir. Şekil 3 de Matrislerine göre genel kompozitler görülmektedir.

Şekil:1 Mühendislik malzemeleri.
Şekil: 2 Doğal kompozit (kemik) yapısı.
Şekil: 3 Matrislerine göre genel Kompozitler 

2.KOMPOZİT MALZEMENİN TANIMI:

Kompozit malzemeler, yeni bulunan bir malzeme olmayıp, doğada var olan yapılardan hareketle farklı özelliklere sahip malzemelerin değişik şekillerde (taneli, lifli, tabakalı vb.) birleştirilmesi sonucu elde edilmektedir. Tanım olarak iki ya da daha fazla malzemenin makroskobik düzeyde birleşimi olarak söylenebilir. Amaç malzemelerin kompozit yapı öncesinde sahip olmadığı özelliklerinin, bu malzemelerin bir araya getirilerek sağlanabilmesidir.

Doğal veya suni elyaflarla güçlendirilmiş, termoset veya termoplastik matrisli malzemelerdir. Diğer tarifler aşağıda ifade edilmiştir;

 En az iki farklı fiziksel veya kimyasal özelliklere sahip malzemenin makro seviyede (birbiri içerisinde çözünmeyecek şekilde) birleşimiyle oluşturulan yeni malzemelere KOMPOZİT MALZEMELER denir. Tek başına iken mevcut olmayan bazı özelliklerin (hafiflik, dayanım, esneklik, v.b ) geliştirilmesi ve bir araya getirilmesidir.

Kompozitler, özellikle boyut, termal kararlılık, sertlik, aşınmaya karşı dayanım ve yüksek mukavemet gibi konularda metallere en yakın özellik göstermelerinin yanında, çok daha hafiftir. Bu malzemelerde, reçine ve takviye malzemenin diziliminin değişmesi bir mekanik ve kimyasal özelliği değiştirdiğinden dolayı temel imalat malzemelerinden daha fazla varyasyonunun olmasının sebebidir ve sürekli gelişecektir.

Kompozitin kullanıldığı alanlar şunlardır:

  • Gıda Sektörü (kompozit ambalajlar/UHT ambalajlar) ve Tarım Sektörü (İlaçlama makinaları depoları)
  • Havacılık / Uçak.
  • Uzay Teknolojileri.
  • Ulaşım, Otomotiv Sektörü
  • Kimya Sanayi
  • Sağlık (Diş dolgusu, ortodontik teller)
  • Denizcilik.
  • Rüzgâr Türbini Kanatları

2.1 KOMPOZİT MALZEMELERİN TEMEL ÖZELLİKLERİ:

Tablo:1 Kompozit malzemelerin olumlu ve olumsuz özellikleri. 

2.2 NİÇİN KOMPOZİT MALZEME?

          Şekil :4 Çelik Alüminyum ve Kompozit malzemelerin fiziksel özelliklerinin karşılaştırması

       Kompozitlerin Sağladığı Başlıca Avantajlar:

       Kalıplama kolaylığı:

  • Çok parçadan oluşan karmaşık makine elemanları kompozitler kullanılarak tek parça olarak üretilebilir.
  • Bu sayede parça sayısı azaldığından ara birleştirme detay ve parçalarının azalmasıyla üretim süresi kısalmaktadır.

Metal Yüzeylere Koruyucu Uygulama:

  • Metal yüzeyindeki pas ve yağ kalıntıları temizlendikten sonra kompozitlerle kaplanabilir.
  • Böylece demir esaslı malzeme yüzeyleri korozyondan korunabilir.

Tamir edilebilirlik: Hasar görmeleri halinde tamir edilebilirler. Onarım işleminde bir kalıp kullanılır. Onarım sonrası zımpara ve boya yapılır.

3.KOMPOZİTLERİN BİLEŞENLERİ:

Kompozitler genel olarak “MATRİS” veya “MATRIX” adı verilen bir ana malzeme ve “Takviye elemanı /Fiber, Elyaf” adı verilen daha mukavemetli bir malzemeden oluşmaktadır. ( Şekil:5 )

Bu iki malzeme grubundan, takviye malzeme; mukavemet ve yük taşıma özelliğini, matris malzeme ise plastik deformasyona geçişte oluşabilecek çatlak ilerlemelerini önleyici rol oynamakta kompozit malzemenin kopmasını geciktirmektedir.

3.1 TERMİNOLOJİ:

Lif (Fiber):Kompozit dolgu maddeleri açısından,bir lif uzun boyuta sahip bir dolgu malzemesidir.

Matris / Matrix :Dolguyu bağlayan kompozit parçasıdır.

Parçacık:Kompozit dolgu maddeleri açısından,uzun boyuta sahip olmayan bir dolgu  maddesidir

4. KOMPOZİT MALZEMELERİN TARİHÇESİ:

İnsanlar, ilk çağlardan beri kırılgan malzemelerin içine bitkisel veya hayvansal elyaflar koyarak kırılganlık özelliklerini gidermeye çalışmışlardır. Örnek: Kerpiç (Şekil:6), (Şekil:7)

Killi çamur içine katılan saman, sarmaşık dalları gibi sap ve lifler kerpicin mukavemetini artırmaktadır.

Kompozit Malzemelerin İlk Örnekleri

Kerpiç çamuru, kalıplara döküldükten sonra iyice sıkıştırılır. Bu sıkıştırma yapılmazsa kerpiç zayıf olur. Sıkıştırılan çamurun üstü düzgünce bir tahta ile düzeltilir ve fazla çamur da atılmış olur. Sonra kalıp çekilerek, çamur düz bir yerde kalır. İmkân varsa önce gölgede kurutulduktan sonra güneşte bırakılır. 

4.1 ÜLKEMİZDEKİ KOMPOZİT MALZEME KULLANIM TARİHÇESİ:

Ülkemizde fiberglas olarak bilinen CTP (Cam elyaf Takviyeli Polyester) ,1960lı yılların başından itibaren çatı levhaları, sıvı depoları ve küçük deniz teknelerinin yapımı gibi alanlarda kullanılmıştır. Ülkemizde ilk seri üretim Anadol otomobilinin karoseri bu malzemeden yapılmıştır. (Şekil:8)

Şekil :8 CTP Karoserli ilk yerli seri üretim otomobil. 

4.2 DÜNYA GENELİ KOMPOZİT TARİHİ:

Cam liftlerinin sanayide kullanımıyla ilgili ilk kayıt 1877 tarihlidir. Kompozit malzeme üretiminin bilinçli olarak ele alınması ve bilimsel yaklaşımlarla yeni malzemelerin geliştirilmesi ancak 1940’lı yıllarda cam takviyeli plastiklerin kullanımı ile başlamıştır. Radar kubbeleri, önemli ilk uygulamalara örnek olarak gösterilebilir.

1950’lerde uçak pervaneleri kompozit malzemeden yapılmaya başlanmıştır.

1970’li yıllarda metal matrisli kompozitler geliştirilmiştir. Havacılık sektöründe ilk olarak ağırlıkça %2 oranla Boeing 707 uçağında, daha sonra %10 oranla Boeing 777’de kullanılmıştır. Bu oran daha sonra %65 değerine kadar artmıştır. 1980li yıllarda yüksek dayanımlı fiber kompozit alanında önemli çalışmalar yapılmıştır. Kompozit malzemeler günümüzde uzay ve uçak sanayi, yapı ve inşaat sektörü, otomotiv sanayi, elektrik ve elektronik sanayi, spor sektörü, biyomedikal sektörü gibi alanlarda yaygın bir kullanım alanı bulmuştur. Yüksek dayanım ve düşük ağırlık gerektiren alanlarda artan bir kullanım oranıyla kompozit malzemeler tercih edilmeye devam etmektedir.

5. KOMPOZİTLERİN SINIFLANDIRILMASI:

Kompozitler, genel olarak Matrislerine ve Takviyelerine (Elyaf formu) göre olmak üzere iki şekilde sınıflandırılır.

Genel Kompozit şemasında gösterilen (Şekil:2) Polimer Matrisli Kompozitler (PMC), bu yazımızın konusudur.

Diğer bir sınıflandırma şekli, tabaka çeşidine göredir.(Yazımızın 2.Bölümünde incelenecektir)

Şekil :9 Polimer Matrisli Kompozit malzeme Sınıflandırması.

5.1 REÇİNELER:

Epoxy Reçine: Birincil olarak, epoksi yapıştırıcı olarak kullanılmaktadır. Yüzeylere güçlü bir şekilde yapışarak dayanıklı bir bağlantı sağlar. Metal, ahşap, cam, seramik, beton ve plastik gibi farklı malzemelerin birleştirilmesinde etkili bir çözümdür. Epoksi yapıştırıcılar, mükemmel yapışma gücüne sahip olduğu için yapısal olarak güvenli ve dayanıklı bağlantılar oluşturur.

5.2 Polyester Çeşitleri:

1.Doymuş Polyesterler, Termoplastik özelliği gösterir. Enjeksiyon kalıplamada kullanılır.

2.Doymamış polyesterler, uygun bir katalizör (metil etil keton peroksit)= (MEK-P) ile kullanıldığında kürlenen(sertleşen) ve TERMOSET yapı oluşturur.

Polyester reçine içerisine, hızlandırıcı olarak “Kobalt %6″dan %0,2-0,3 aralığında, katalizör olarak da “MEK-P“ten %1-%2 aralığında eklenmesi tavsiye edilir.

Bu malzeme; mekanik, kimyasal ve elektriksel özellikleri, kullanım amacına göre tasarım kolaylığı, boya ve benzeri katkı maddelerini kabul edişi gibi nedenlerle, olanakları geniş ve ekonomik bir malzeme özelliği taşımaktadır.

5.3 TERMOPLASTİK REÇİNELER Kompozit ürünlerde, termoplastik reçineler özellikle elyafla takviye edildiğinde eşsiz ve avantajlı özellikler sunmaktadır.

Tasarımcılar ürün performansını arttırmak ve üretim harcamalarını düşürmek için, giderek termoplastik kompozitlerin özellikleri üzerinde yoğunlaşmaktadırlar. Termoset reçineler, tipik olarak sert ve parlak olarak nitelendirilmelerine karşın, termoplastik reçineler yapısal olarak sağlam ve darbeye karşı olağanüstü dayanıklılık gösterir. Ayrıca, termoplastik reçinelerde, termosetlerdeki gibi bir sertleştirme işlemi yoktur; soğuyunca kendi sertliğine ulaşır.

Tablo: 2 Matrislerine ve Takviye malzemesine göre sınıflandırma.  

5.4 ELYAFLARINA GÖRE SINIFLANDIRMA 

TABLO: 3 Elyaf /Güçlendirici türlerine göre kompozit malzeme sembolleri 
Şekil:10 Elyaflarına göre Sınıflandırma
FİBERAVANTAJDEZAVANTAJ
AramidDüşük ağırlık Düşük dayanım
CamYüksek dayanım  Yüksek ağırlık
Yüksek çatlak gerilimi Düşük sertlik
KarbonDüşük ağırlıkDüşük çatlak gerilimi
Yüksek sertlikKorozyon
Yüksek dayanımPahalı


Tablo :4 Fiberlerin birbirine göre avantaj ve dezavantajları.

Güçlendirme Malzemeleri: Doğal elyaflar, Cam elyaf, Karbon elyaf, Aramid

Matris Malzemeler: Termoset (İki komponentli) : Polyester, Epoxy, DCPD, PUR, v.d.

Termoplastik: PP, PA, PBT, v.d.

BAKIŞ AÇISIÖZELLİKDOĞAL FİBERLERSENTETİK FİBERLER
  TEKNİKMekanik ÖzelliklerOrtaYüksek
Nem HassasiyetiYüksekDüşük
Termal HassasiyetYüksekDüşük
  ÇEVRESEL  KaynakSınırlıSınırlı
ÜretimDüşükYüksek
Geri DönüşümİyiOrta

Tablo:5 Doğal ve Sentetik fiberlerin özelliklerinin karşılaştırılması.

FİBERAVANTAJDEZAVANTAJ
AramidDüşük ağırlık Düşük dayanım
CamYüksek dayanım  Yüksek ağırlık
Yüksek çatlak gerilimi Düşük sertlik
KarbonDüşük ağırlıkDüşük çatlak gerilimi
Yüksek sertlikKorozyon
Yüksek dayanımPahalı

Tablo: 6 Fiberlerin birbirine göre avantaj ve dezavantajları.

Şekil: 11 Elyaf formları

ELYAF FORMLARI:
a) Tek yönlü, sürekli b) Dokuma kumaş şeklinde düzlemsel sürekli c) Rastgele süreksiz elyaf 

6. ELYAFLI (FİBER) KOMPOZİTLER:

Bu kompozit türü, elyafların matris yapıyla birleşmesiyle oluşmuştur. Elyafların diziliş şekline göre mukavemet seviyesi değişir. Sektörde en çok tercih edilen kompozit türüdür.Cam elyafı (fiberglas), karbon elyafı (karbon fiber), Aramid elyaf (kevlar), Bor elyafı’dır.

  1. Cam elyafı (Fiberglas): E-Glass, S-Glass, Quartz türü elyaf, C Glass
  2. Karbon Elyafı Karbon fiber)
  3. Aramid Elyaf (Kevlar)
  4. Bor Elyaf
 Şekil: 12 Elyaflı Fiber Kompozitler
Şekil:13 Elyaflı Kompozit türleri.

“Cam Elyafı Takviyeli Plastikler” (CTP) terimi geçen yıllar içerisinde “Cam Elyafı Takviyeli Polyester” ifadesi ile eş anlamlı hale gelmiştir. “Fiberglass Reinforced Plastics” (FRP) veya “Glassfiber Reinforced Plastics” (GRP) şeklindeki İngilizce ifadelerde de bu eş anlamlı kullanım geçerlidir.

 Bu yazıda, “Kompozit” kavramı ister termoset,ister termoplastik yapıda olsun; ister elyaf ile, ister diğer takviye malzemeleri ile performansı yükseltilmiş olsun tüm takviye edilmiş plastik malzemeleri tanımlamak amacı ile kullanılmıştır. (Uluslararası bir kuruluş olan “SPI Composite Institute” da bu tanımlamayı kabul ve tavsiye etmektedir.)

6.1 CAM ELYAFLI KOMPOZİTLER (Fiberglas):

En çok kullanılan Cam elyaf türleri;

E-Glass türü elyaf: Özellikle yüksek elektrik iletkenliği istenen alanlarda kullanılır. Diğer cam elyaflarına göre en ucuzudur. Elyafta sıcaklık arttıkça mukavemette azalma olur. (Şekil:14)

S-Glass türü elyaf: Diğer cam elyaflarına oranla yüksek mukavemet özelliği ile öne çıkar. Yüksek sıcaklıklarda E-Glass’a göre kendini muhafaza edebilme kabiliyeti çok daha iyidir. Özellikle uzay sanayisi için üretilen hibrit kompozitlerde, birçok üstün özelliği ile tercih edilme sebebidir. (Şekil:17)

Quartz türü elyaf: Isı direnci ve düşük elektrik iletkenliği özellikleri ile anten ve radar yapımında kullanılır. (Şekil: 16),(Şekil:18)

C-Glass elyaf: Uçak tasarımında kullanılmaz. (Şekil:14), (Şekil:15)

Şekil: 14 C-Glass ve E-Glass Fiberglass kumaşlar.
      Şekil: 14 C-Glass ve E-Glass Fiberglass kumaşlar.
Şekil :15 CTP Tanklı Çekilir Zirai Atomizör.
Şekil: 16 Quartz elyafın kullanıldığı radar örneği. 
Şekil :17 S-Glass elyafın kullanıldığı   uzay roketi
Şekil: 18 Uçak Burun Radarı 

                                                                                               

 Referanslar:

  1. Öğr. Gör. Musa Yılmaz, musa.yilmaz@bozok.edu.tr 
  2. https://www.serdarkorkut.com/2017/01/22/kompozit-malzemeler/
  3. https://tr.wikipedia.org/wiki/Kerpi%C3%A7
  4. Mühendis ve Makina cilt 59, sayı 690, s. 27-44, 2018
    Kompozit Rüzgâr Türbin Kanatlarının Yorulma Ömrüne ve Dayanımına Bağlı Olarak Malzeme Seçimi ve Gelecek Projeksiyonu
  5. https://kompozitkimya.com.tr/kompozit-nedir/
  6. Kompozit Malzemeler, Prof.Dr.Ali Bayat
  7. https://en.wikipedia.org/wiki/Composite_material
  8. https://www.easycomposites.co.uk/cured-composite-materials
  9. https://tr.wikipedia.org/wiki/Bor_fiber
  10. Uçak Gövde ve Yapıları Atölyesi, Ozan Kaya MEB Ders Materyali
  11. Savunma Sanayinde Kullanılan İleri Kompozit Malzemeler ve Uygulama Alanları Erdem ERYILDIZ ve Ayşegül Akdoğan EKER, Yıldız Teknik Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü.
  12. Cam Küre Takviyeli Polipropilen Kompozitlerin Delaminasyon Faktörünün İncelenmesi, Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi 
    Fatih ÖZKAYA , Fatih ÖZEN , Erdinç İLHAN, Salim ASLANLAR
  13. https://tdefenceagency.com/aesa-radarin-faydalari/
  14. https://bkbmetal.com/sandvic-panel /
  15. https://kompozit.org.tr/tr/dogal-elyafli-kompozitlerin-genel-gorunumu/,Kompozit Sanayicileri Derneği,Ekim 2020
  16. https://metaldunyasi.com.tr/tr/arsiv/2015/52/yeni-nesil-malzeme-metalik-camlar.html
  17. https://bilimgenc.tubitak.gov.tr/makale/metalik-camlar
    Dr. Mahir E. Ocak
  18. https://kompozit.org.tr/wp-content/uploads/2017/03/Composites-Turkey-07.pdf
  19. https://www.spmkompozit.com/prepreg
  20. https://www.fafdokum.com.tr/en/project/modelleme/
  21. https://www.spmkompozit.com/
Tanıtımlar
Künye
MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI İZMİR ŞUBESİ ADINA SAHİBİ
Ziya Haktan Karadeniz
SORUMLU YAZI İŞLERİ MÜDÜRÜ
Evrim Aksoy
BÜLTEN YAYIN KOMİSYONU SORUMLU YÖNETİM KURULU ÜYELERİ
Burcu Başpişirici
YAYINA HAZIRLAYAN
Orhan Bilikvar
YAYIN TARİHİ
5 KASIM 2024
YÖNETİM YERİ
MMO Tepekule Kongre ve Sergi Merkezi Anadolu Cad. No: 40 K: M2 Bayraklı - İZMİR
Tel: (232) 462 33 33
Faks: (232) 486 20 60
www.mmo.org.tr/izmir
Yerel Süreli Yayın
MMO İzmir Şube yayın organı MMO üyelerine ücretsiz gönderilir.
Gönderilen yazıların yayınlanıp
yayınlanmamasına, TMMOB Makina
Mühendisleri Odası İzmir Şubesi
Yönetim Kurulu karar verir.
Yayımlanan yazılardaki sorumluluk
yazarlarına ilan ve reklamlardaki sorumluluk ilanı veren kişi veya kuruluşa aittir.
Bülten’e gönderilen çeviri yazıların kaynağı mutlaka belirtilir. Gönderilen yazılar, yazarlarına geri verilmez.
Bu web sitesi çerez kullanmaktadır
Sitemizin çalışması için gerekli olan çerezleri kullanıyoruz. Siteyi kullanmaya devam ederek bunları kabul etmiş olursunuz.
Bizi Takip Edin
MMO İZMİR
MMO
TMMOB