KOMPOZİT MALZEMELER

 KOMPOZİT MALZEMELER

En az iki farklı malzemenin makro boyutlarda birleştirilerek meydana getirdiği yeni malzemeye kompozit malzeme denmekte olup tek başına uygun olmayan, birbiri içerisinde çözünemeyen malzemeleri kullanım alanlarına uygun özellikler (dayanım, esneklik, hafiflik vb.) göstermesi amacıyla üretilmektedir.

Kompozit malzemeler ana yapısını iki bileşenden oluştururlar.

  • Matris Malzeme (Polimer, metal ve metal alaşımlı, seramik esaslı malzemeler)
  • Takviye Malzeme (Çelik, karbür, aramid, naylon vb.)

Dayanımlarını sert ve gevrek takviye malzemelerden alan kompozit maddelere matris malzemeler, kompozite tokluk ve süneklik özelliği kazandırır. Malzemeleri bir arada tutma görevi de aynı şekilde matris malzemededir. Malzemenin gösterdiği davranış incelendiğinde mekanik davranışı makro ve mikro olmak üzere ikiye ayrılmaktadır:

Mikromekaniksel davranış: Yapı bileşenlerinin özellikleri ayrı ayrı ve hacimsel oranları ile beraber düşünülerek kompozit malzemenin mukavemet, rijitlik, gerilme deformasyon davranışları vb. özellikleri belirlenmektedir.

Makromekaniksel davranış: Yapı bileşenlerinin ayrı ayrı özellikleri düşünülmeden, ortalama görünür özelliklerinden çıkarımla uygulanan gerilmelere karşı gösterdiği davranışlardır.

Kompozitlerin üstünlük sağladığı özellikler sırasıyla şu şekildedir:

  • Çok bileşenli malzeme olduğu için aşırı dizayn istekleri sağlanabilir.
  • %20 – %60 oranında ağırlık azaltılması sağlanmıştır.
  • Genellikle sabit ve değişken maliyetleri düşüktür.
  • Isıl genleşmeleri düşük yapılabilir.
  • Yorulma ve kırılma özellikleri iyidir.
  • Korozyona dirençlidir.
  • Çarpışma ve hasar toleransı yüksektir.
  • Tabakalılarda klasik malzemelere göre daha fazla dirence sahiptir.
  •  İmalat ve montajı kolaydır.
  • Kompozitlerin şekillendirilmesi klasik metallerin şekillendirilmesine oranla neredeyse 5 kat daha ucuzdur.
  • Hafiftir (mukavemet/ağırlık oranı yüksektir)
  • Kolay ve hızlı üretimi yapılabilmektedir.
  • İlave katkı malzemeleriyle çok çeşitli özellikler kazandırılabilmektedir.

Kompozit Maddelerin Sınıflandırılması

  • Yapılarını Oluşturan Malzemelere Göre Kompozit Maddeler
  1. Plastik-Plastik Kompozitler:

Fiber olarak kullanılan plastik, yük taşıyıcı bir özelliğe sahip iken, matris olarak kullanılan plastik, esneklik verici, darbe emici ya da istenen amaca göre kullanılan plastiğin özelliğine sahip olmaktadır. Kullanılabilecek plastik türleri de iki ayrı sınıfta incelenebilmektedir:

Termoplastikler: Bu tür plastikler ısıtıldığında yumuşar, şekil verildikten sonra soğutulduğunda ise sertleşir. Bu işlemler esnasında plastiğin mikro yapısında hiçbir değişiklik gözlemlenmeyip plastiğin genellikle 5-50°C sıcaklıkta kullanılması uygundur. (Naylon, polietilen, karbonflorür, akrilikler, selülozikler ve viniller)

Termoset plastikler: Bu tür plastikler ise ısıtılıp şekil verildikten sonra soğutulduğunda mikro yapısında meydana gelen değişimlerden ötürü eski yapısına geri dönememektedir. (Polyesterler, epoksiler, alkiter ve aminler)

      b)   Plastik-Metal Fiber Kompozitler:

Endüstride çok kullanılan bir tür olan metal fiber takviyeli plastikten oluşan kompozitler, oldukça hafif ve yüksek mukavemetli bir ürün olup polietilen ve polipropilen gibi plastiklerin Bakır (Cu), Alüminyum (Al), bronz, çelik gibi metal fiberlerle takviye edilmesiyle elde edilmektedir.

      c)   Plastik-Cam Elyaf Kompozitler:

Bu tür kompozitler termoplastikler veya termoset plastikten oluşan matrisin ve cam liflerin uygun kompozisyonlarından üretilmektedir. Mekanik ve fiziksel özellikleri nedeniyle cam lifler; birçok durumda metal, asbest, sentetik elyaf ve pamuk ipliği gibi liflere tercih edilebilmekte olup büyük kuvvetleri iletmelerine karşın camın kırılgan bir yapıya sahip olmasından ötürü az bir dirence sahiptirler. Bu sebeple malzemeyi istenen şekle sokabilmek için plastik reçineler kullanılmaktadır. Cam elyaf takviyelere form vermek için en çok tercih edilen plastik reçine polyesterlerdir.

      d)   Plastik-Köpük Kompozitler:

Bu tür kompozitlerde plastik fiber olarak görev almakta, köpük ise matris konumunda olmaktadır. Köpükler; hücreli yapıya sahip, düşük yoğunluklu ve gözenekli olup doğal halde bulundukları gibi büyük bir kısmı sentetik olarak da imal edilebilen hafif maddelerdir. Köpük hücre yapısına göre sert, kırılgan, yumuşak veyahut kırılgan bir karaktere sahip olup kullanılan plastiğin de çeşitlenmesiyle farklı karakterde kompozitleri meydana getirebilmektedir.

      e)   Metal Matrisli Kompozitler:

Metallerin ve metal alaşımlarının birçoğunun yüksek sıcaklıkta kırılgan davranış göstermesine karşın metalik fiberler ile takviye edilmiş metal matrisli kompozitler, her iki fazın uyumlu çalışması ile yüksek sıcaklıkta da yüksek mukavemet özelliği göstermektedir. (Bakır ve Alüminyum matrisli, Wolfram veyahut Molibden fiberli kompozitler ve Alüminyum-Bakır kompoziti)

      f)   Seramik Kompozitler:

Metal veya metal olmayan malzemelerin birleşimlerinden oluşan ikinci bir fazın seramik bir matris içine gömülü olduğu heterojen malzemelerdir. Seramik özelliklerini (yüksek mukavemet, sertlik ve sıcaklık stabilitesi), takviye fazının yapısına bağlı olarak özel uyarlanmış özelliklerle (tokluk, kendi kendini iyileştirme veya işlevsellik) birleştiren seramik kompozitler; yüksek sıcaklıklara karşı çok iyi dayanım göstermekle birlikte, rijit ve gevrek bir yapıya sahiptirler. Ayrıca elektriksel olarak çok iyi bir yalıtkanlık özelliği de göstermektedirler.

Kesici takımlarda, aşınmaya dirençli elemanların üretiminde, havacılık ve askeri uygulamalarda (ZB2, ZrC), motor ve enerji bağlantılı uygulamaları içeren diğer endüstriyel uygulamalarda kullanılmaktadırlar.

  • Yapısal Bileşenlerinin Şekline Göre Kompozit Malzemeler

       a)   Partikül (Parçacık) Esaslı Kompozitler:

Bu tip kompozitler bir veya iki boyutlu mikroskobik partiküllerin veyahut sıfır boyutlu kabul edilen mikroskobik partiküllerin matris ile oluşturdukları malzemeler olup ortalama gömülen parçacık boyutu l μm’den büyük ve elyaf hacim oranı %25’den fazla kullanılmamaktadır. En çok kullanılan parçacıklar ise Al2O3 ve SiC’den oluşan seramiklerdir.

  • Fiber (Elyaf) Esaslı Kompozitler:

Elyafların matris içine yerleşimi malzeme yapısının mukavemetini etkileyen önemli bir unsuru olup uzun elyafların matris içinde birbirlerine paralel şekilde yerleştirilmeleri ile elyaflar doğrultusunda yüksek mukavemet sağlanırken, elyaflara dik doğrultuda oldukça düşük mukavemet elde edilir. İki boyutlu yerleştirilmiş elyaf takviyelerle her iki yönde de eşit mukavemet sağlanabilirken matris yapısında homojinize yerleşmiş kısa elyaflarla ise izotrop bir yapı oluşturabilmektedir.

Fiber takviyeli kompozitlerin mühendislik performansını etkileyen en önemli faktörler fiberlerin şekli, uzunluğu, yönlenmesi, matrisin mekanik özellikleri ve fiber -matris ara yüzey özellikleridir.

                                            (a)  Tek yönlü pekiştirilmiş sürekli fiber kompozit

                                            (b)  Örgü formunda fiberlerle pekiştirilmiş kompozitler

                                            (c)  Rastgele yönlenmiş süreksiz fiber kompozit

                                            (d)  Yönlendirilmiş süreksiz fiber kompozit

  • Tabaka Yapılı (Lamine) Kompozitler:


Bu tür kompozitler farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın kombinasyonundan olup çok değişik kombinasyonlarla tabakalanmış kompozitlerin üretimi mümkündür. Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukavemet değerleri elde edilmekte olup lamine kompozitler ısıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı zamanda mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Pek çok lamine kompozit düşük maliyet, yüksek dayanım veya hafifliğini korurken, aşınma veya abrasif aşınma direnci, gelişmiş görünüm ve mükemmel ısıl genleşme özelliklerini kapsamaktadır.

      d)  Dolgu Yapılı Kompozitler:

Bu tür kompozitler, 3 boyutlu sürekli bir matris malzemesinin 3 boyutlu bir dolgu malzemesiyle doldurulması ile oluşan malzemeler olup matrisi çeşitli geometrik şekillere sahip bir iskelet veya şebeke yapısındadır. Düzgün petekler, hücreler veya süngere benzeyen gözenekli yapıları arasında metalik, organik veya seramik esaslı dolgu maddeleri yer alabilmektedir.

Optimum özelliklere sahip kompozitlerin üretimi için birbiri içinde çözünmeyen, kimyasal reaksiyon vermeyen bileşenlerin seçilmesi gerekmektedir.

       Kompozitlerin Avantajları:

  • Çatlak ilerlemesi olayı minimize edilmiştir.
  • Titreşimleri absorbe edilme özelliği sağlanmıştır.
  • Kompozitlerden bazıları çok yüksek akma sınırı (akma gerilmesi) değerlerine sahiptir.
  • Korozyon problemi yoktur. Bunda matris ve malzemenin uygun seçilmesinin önemi büyüktür. Aksi takdirde birbirleri ile temasta bulunan malzemeler pil oluşturacak ve galvanik korozyona neden olacaktır.
  • Kopma uzaması metallere göre daha yüksektir.
  • Yorulma dirençleri oldukça yüksektir.
  • Ağırlıkça tasarruf edilmiştir.

       Kompozitlerin Dezavantajları:

  • Metallere yapışmazlar. Fırınlamadan (pişirmeden) kullanılamazlar.
  • Değişik doğrultuda değişik mekanik özelliklere sahiptir. Aynı kompozit malzemeler için çekme, basma, kesme, eğilme mukavemet değerleri farklı farklıdır. Elyaf doğrultusundaki elastik modülü, elyafa dik doğrultudaki elastik modülünden daha büyüktür.
  • Üretimi nispeten pahalıdır.
  • Nem ve hava zerrecikleri, kompozitlerin mekanik ve yorulma özelliklerini olumsuz yönde etkiler.
  • Delik delme ve kesme türü işlemler liflerde açılmaya yol açmaktadır (Ancak 3 boyutlu dokumada bu olay söz konusu değildir. Zira 3 boyutlu yapının kesilmesiyle elde edilen ve 2.5 boyutlu yapı adı verilen malzeme türü iyi özellikler vermektedir.)

KAYNAKÇA:

Sakarya Üniversitesi, Makine ve Metal Teknolojileri Bölümü Metalurji Programı Kompozit Malzemeler Ders Notu

https://www.metalurjik.com/kompozit-malzemelerin-siniflandirilmasi

https://kompozitkimya.com.tr/kompozit-nedir/

https://malzemebilimi.net/seramik-matrisli-kompozitler.html

https://tolgakaranfil.webnode.com.tr/products/kompozit-malzemeler%2C-sınıflandırılması-ve-uretimi/