smc yÖntemİ İle polİmer esasli kompozİt malzemeden traktÖr kaportasi İmalati
TRANSCRIPT
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİMAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
SMC YÖNTEMİ İLE POLİMER ESASLI
KOMPOZİT MALZEMEDEN TRAKTÖR
KAPORTASI İMALATI
02065214 Önder BULUT
MAKİNE MALZEMESİ VE İMALAT TEKNOLOJİSİ ANABİLİM DALINDA
HAZIRLANAN
LİSANS BİTİRME TEZİ
Tez Danışmanı: Prof. Dr. Ayşegül AKDOĞAN EKER
İSTANBUL, 2009
İÇİNDEKİLER
ŞEKİL LİSTESİ ...................................................................................................................... 4
ÇİZELGE LİSTESİ ................................................................................................................. 6
ÖNSÖZ ................................................................................................................................... 6
ÖZET ...................................................................................................................................... 7
1.GİRİŞ ................................................................................................................................... 8
2.KOMPOZİT MALZEMELER .............................................................................................. 9
Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri ........................................................................ 10
Kompozit Malzemelerin Olumlu ve Olumsuz Yanları ........................................................ 11
2.4. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları ................................................................ 16
3.KOMPOZİT MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI ................................................. 21
3.1. Yapı ve Geometrik Özelliklere Göre Sınıflandırma ..................................................... 21
3.1.1. Parçacık Takviyeli Kompozit Malzemeler ............................................................ 21
3.1.2. Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemeler ................................................................. 21
3.1.3. Tabakalı Kompozit Malzemeler ............................................................................ 22
3.1.4 Karma (Hibrid) Kompozit Malzemeler .................................................................. 25
3.2. Matris Malzemesine Göre Sınıflandırma ..................................................................... 26
3.2.1. Metal Matrisli Kompozit Malzemeler ................................................................... 26
3.2.1.1. Metal Matrisli Kompozit Malzemelerde Kullanılan Matris Malzemeleri ........ 27
3.2.1.1.1 Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemeler ............................................. 27
3.2.1.1.2. Titanyum Matrisli Kompozit Malzemeler ................................................ 28
3.2.1.1.3. Magnezyum Matrisli Kompozit Malzemeler ............................................ 29
3.2.1.2. Metal Matrisli Kompozit Malzemelerde Kullanılan Takviye Malzemeleri ..... 29
3.2.1.2.1. Bor Elyaflar ............................................................................................. 29
3.2.1.2.2. Silisyum Karbür Elyaflar ......................................................................... 30
3.2.1.2.3 Alümina Elyaflar ...................................................................................... 30
3.2.1.3. Metal Matrisli Kompozitlerin Üretim Yöntemleri .......................................... 31
3.2.1.4. Metal Matrisli Kompozitlerin Uygulama Alanları .......................................... 32
3.2.2. Seramik Matrisli Kompozit Malzemeler ............................................................... 33
3.2.2.1. Seramik Matrisli Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması ........................... 35
3.2.2.1.1. Cam - Seramik Sistemleri ........................................................................ 35
3.2.2.1.2. Seramik – Metal Sistemleri ...................................................................... 36
3.2.3. Karbon-Karbon Kompozitler ................................................................................ 37
3.2.3.1 Mekanik Özellikler ......................................................................................... 38
3.2.3.2 Üretim Yöntemleri .......................................................................................... 38
3.2.3.2.1 Gaz Fazı İle Doldurma .............................................................................. 38
3.2.3.2.2. Sıvı Faz ile Doldurma .............................................................................. 38
4. POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER ..................................................... 40
4.1. Polimer Matris Malzemeleri ........................................................................................ 40
4.1.1. Termoset Matrisler ............................................................................................... 41
4.1.1.1. Polyester Reçineler ......................................................................................... 41
4.1.1.2. Vinil Ester Reçineler ...................................................................................... 42
4.1.1.3. Epoksi Reçineler ............................................................................................ 42
4.1.1.4. Fenolik Reçineler ........................................................................................... 43
4.1.1.5. Diğer Termoset Reçineler ............................................................................... 44
4.1.2. Termoplastik Matrisler ......................................................................................... 45
4.2. Polimer Matrisli Kompozitlerde Kullanılan Takviye Malzemeleri .............................. 47
4.2.1. Cam Elyaflar ........................................................................................................ 48
4.2.2. Karbon Elyaflar .................................................................................................... 51
4.2.3. Aramid Elyaflar .................................................................................................... 53
4.2.4. Bor Elyaflar .......................................................................................................... 55
4.3. Polimer Esaslı Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri ........................................ 55
4.3.1. El Yatırması Yöntemi ........................................................................................... 56
4.3.2. Elyaf Püskürtme Yöntemi ..................................................................................... 57
4.3.3. Vakumlama Yöntemi ............................................................................................ 59
4.3.4. Otoklav Yöntemi .................................................................................................. 61
4.3.5. Elyaf (Flaman) Sarma Yöntemi ............................................................................ 61
4.3.6. Reçine Transfer (RTM) Yöntemi .......................................................................... 63
4.3.7. İnfüzyon Yöntemi ................................................................................................. 64
4.3.8 Profil Çekme / Pultruzyon Yöntemi ....................................................................... 65
4.3.9.Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemi .......................................................................... 66
4.3.10. Ekstrüzyon Yöntemi ........................................................................................... 67
4.3.11. Preslenebilir Takviyeli Termoplastik (GMT) Yöntemi ........................................ 67
4.3.12. Hazır Kalıplama (SMC-BMC) Yöntemleri ......................................................... 67
4.4. Polimer Matrisli Kompozit Malzemelerin Özellikleri ................................................. 69
4.4.1. Mekanik Özellikler ............................................................................................... 69
4.4.2. Isıl Özellikler ........................................................................................................ 73
4.4.3. Elektriksel Özellikler ............................................................................................ 73
4.4.4. Yorulma .............................................................................................................. 74
4.4.5. Sürünme ............................................................................................................... 74
4.4.6. Korozyon Davranışı .............................................................................................. 75
4.4.7. Yanmazlık Özelliği ............................................................................................... 75
5. SMC YÖNTEMİ İLE TRAKTÖR KAPORTASI İMALATI ............................................ 76
5.1. SMC Hazır Kalıplama Bileşeninin Hazırlanması ......................................................... 77
5.1.1. Formülasyon Bileşenleri ...................................................................................... 77
5.1.2. Pastanın Hazırlanması .......................................................................................... 79
5.1.3. Elyaf Islatma ve Pestilin Hazırlanması .................................................................. 79
5.2. SMC Sıcak Kalıplama İşlemi ...................................................................................... 81
5.2.1 Kalıbın Hazırlanması ............................................................................................. 81
5.2.2. Şarj Hazırlama ve Yerleştirme .............................................................................. 82
5.2.3. Kalıbın Kapatılması ve Malzemenin Şekillendirilmesi .......................................... 83
5.2.4. Kalıptan Çıkarma ve Son Kürleşme ..................................................................... 83
5.3. Boyama ...................................................................................................................... 84
5.4. Kalite Kontrol ............................................................................................................. 85
5.5. Son İşlemler ................................................................................................................ 86
6. SONUÇ ............................................................................................................................. 87
KAYNAKÇA ........................................................................................................................ 88
ŞEKİL LİSTESİ
Şekil 2.1. Kompozit Malzemelerin Yoğunluk-Elastiklik Modülü Grafiğinde Diğer
Malzemelerle Karşılaştırılması
Şekil 2.2. Temel Mühendislik Parametreleri Bazında Kompozit ve Konvansiyonel
Malzemelerin Karşılaştırılması 1- Çelik 2- Alüminyum 3- Kompozit Malzeme
Şekil 2.3. Bir Yolcu Uçağında Kompozit ve Diğer Malzemelerin Kullanımı
Şekil 2.4. Kompozit Malzemeden Üretilen Çeşitli Otomobil Parçaları: soldan sağa manifold,
fren diski, şaft
Şekil 2.5. Kompozit Malzemeden Üretilen Çeşitli Şehircilik Uygulamaları; Mazgal, Bank ve
Çöp Kutusu
Şekil 2.6. Kompozit Malzemeden Üretilmiş Bir Atlama Sırığının Bileşenleri
Şekil 3.1. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması
Şekil 3.2. Bir bal peteği kompozitinin yapısını oluşturan elemanlar
Şekil 3.3. Bal Peteği Kompozit Hücre Tipleri
Şekil 3.3 Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemeden Üretilmiş Fren Elemanları
Şekil 3.4 Bir Seramik Matrisli Kompozit Fren Diski
Şekil 4.1 Cam Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü
Şekil 4.2 Cam Elyaf Üretimi Makara Kısmının Ayrıntılı Görünüşü
Şekil 4.3 Karbon Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü
Şekil 4.4. Aramid Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü
Şekil 4.5. El Yatırması Yönteminin Şematik Görüntüsü
Şekil 4.6. Elyaf Püskürtme Yönteminin Şematik Görüntüsü
Şekil 4.7 Püskürtme Yöntemiyle Küvet İmalatı
Şekil 4.8. Vakumlama Yöntemi Prensibi
Şekil 4.9. Elyaf Sarma Yönteminin Şematik Görüntüsü
Şekil 4.10. RTM Yönteminin Şematik Görüntüsü
Şekil 4.11 Pultruzyon Yönteminin Şematik Görüntüsü
Şekil 4.12. Enjeksiyon Yönteminin Şematik Görüntüsü
Şekil 4.13. Hazır Kalıplama Yönteminin Şematik Görüntüsü
Şekil 4.14. Paralel ve Dik Yönlenmiş Lifler ile Elastisite Modülü İlişkisi
Şekil 5.1. SMC Elyaf Islatma ve Pestil Hazırlama Makinesi Şematik Görüntüsü
Şekil 5.2. Kalıp ve Parça Tasarımı ile Bilgisayarda Modelleme
Şekil 5.3. CNC Dik İşleme Merkezinde Kalıbın İşlenmesi
Şekil 5.4. Şarjın Kalıba Yerleştirilmesi
Şekil 5.5. Kalıbın Açılması ve Katılaşmış Parça
Şekil 5.6. Boyama ve Kurutma İşlemleri
Şekil 5.7. SMC Deney Çubuğu İçin Mekanik Test Makinesi
Şekil 5.8. SMC Malzemeden Üretilen Traktör Kaportasının Son Hali
ÇİZELGE LİSTESİ
Tablo 2.1. Çeşitli Mühendislik Malzemelerle Kompozit Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin
Kıyaslanması
Tablo 3.1. Metal Matrisli Kompozitlerde Kullanılan Çeşitli Takviye Türlerinin
Karşılaştırılması
Tablo 3.2. Çeşitli Seramiklerin Mekanik Özellikleri
Tablo 3.3 Ticari Karbon-Karbon Kompozitlerin Tipik Mekanik Özellikleri
Tablo 4.1.. Bazı Termoset Plastik Matris Malzemelerinin Özellikleri
Tablo 4.2. Termoset Malzemelerin Avantaj ve Dezavantajları
Tablo 4.3. Bazı Termoplastik Malzemelerin İşlem Sıcaklıkları
Tablo 4.4 Çeşitli Cam Liflerin Özellikleri
Tablo 4.5. Çeşitli Aramid Fiberlerin Mekanik Özellikleri
Tablo 4.6. Tek Yönde %60 Oranında Takviyelendirilmiş Epoksi Reçine Matrisli
Kompozitlerin Enine ve Boyuna Mekanik Özelliklerinin Karşılaştırılması
Tablo 4.7. Geleneksel Bazı Malzemelerle Polimer Esaslı Kompozitlerin Karşılaştırılması
Tablo 5.1. SMC Formülasyon Bileşenleri
ÖNSÖZ
Mühendisliğin doğuşu malzemenin, insanlığın yararı gözetilerek işlenmesi ve kullanılması
düşüncesine dayanmaktadır. Bir başka deyişle malzeme, mühendisliğin temelini oluşturan
yapı taşlarından biridir. İnsanlık tarihinin başlangıından beri var olan malzemeler,
teknolojinin bir yüzyılda olağanüstü bir hızla gelişmesi sonucu ihtiyaçlara cevap veremez hale
gelmiş ve bu durum var olan malzemelerin özelliklerinin geliştirilmesi yoluna gidilmiştir.
Kompozit malzemelerin ortaya çıkması da tam olarak bu süreçte gerçekleşmiştir.
Bu çalışmada detaylı olarak polimer esaslı kompozit malzemelerin mekanik özellikleri ve
üretim safhaları üzerinde durulmuş ve pratik bir uygulama olarak traktör kaportasının polimer
esaslı malzemeden imal edilmesi incelenmiştir.
Bu tez çalışmasında, konuya ilgi duymama vesile olan, tez çalışmamda ilgi duygduğum
konuda çalışmamı sağlayan, araştırmaya sevkedici ve uygulamaya dönük çalışmaya teşvik
eden değerli tez danışmanım ve hocam Prof. Dr. Ayşegül Akdoğan Eker’e teşekkür ederim.
Uygulamanın incelenmesi esnasında bilgi birikimini paylaşan CTP Kompozit San. Tic Ltd.
Şti. firması adına sayın Uğur İnci’ye ve diğer firma çalışanlarına katkılarından ötürü teşekkür
ederim.
CTP Kompozit San. Tic Ltd. Şti. firmasında incelemelerde bulunmama vesile olan ve elinden
gelen her türlü imkanı sağlamaya çalışan Makine Mühendisleri Odası Beyoğlu Şubesi’nden
sayın Çetin Kartal’a teşekkür ederim.
Öğrenim hayatım boyunca maddi manevi desteklerini esirgemeyen babam Suha Bulut,
annem Atike Bulut, ağabeyim Özgür Bulut ve eşi Beyza Bulut’a teşekkür ederim.
Tez çalışmam esnasında her zaman yanımda olan ve yardımlarını esirgemeyen arkadaşlarım
Haluk Keskin, Deniz Uymaz, Özdemir Özden, Burak Özüntürk ve Nermin Akel’e teşekkür
ederim.
ÖZET
Kompozit malzemeler günümüzde başta yüksek teknolojiye sahip ürünler olmak üzere birçok
alanda kullanılmaktadır. Kompozit malzemeler estetik, dayanım, tasarım esnekliği, yüksek
sıcaklık dayanımı gibi birçok avantaj sağlar. Bu nedenle kompozit malzeme kullanımı her
türlü pratik uygulamada da giderek artmaktadır.
Bu çalışmada, kompozit malzemeler genel özellikleri ile ele alınmış, sınıflandırılmış ve
polimer esaslı kompozit malzemeler yapı bileşenleri ve üretim yöntemleri ile birlikte ayrıntılı
olarak incelenmiştir.
Ayrıca bu çalışmada, bir traktör kaportasının polimer esaslı kompozit malzemeden imal
edilişi adım adım ayrıntılı bir şekilde ele alınmış ve konvansiyonel tasarımla
karşılaştırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Kompozit, Polimer, SMC, Traktör Kaportası
1.GİRİŞ
Mühendislik biliminin temelini malzemeler oluşturmaktadır. İlk çağlardan beri insanoğlu
doğada karşılaştığı maddeleri yaşamı kolaylaştırma adına şekillendirmek suretiyle
kullanmaktadır. İlerleyen teknoloji ile birlikte ihtiyaçların artması ve yeryüzünde keşfedilen
malzeme çeşidinin artık sınırlara ulaşması sonucu malzeme bilimi ve mühendisliği, eldeki
malzemeleri çeşitli takviyelerle güçlendirerek yeni özelliklere sahip malzemeler oluşturma
yoluna gitmiştir. Böylece kompozit malzemeler doğmuş ve günümüzde birçok alanda
yaşamımızdaki yerlerini almıştır.
Kompozit malzemelerin geçmişi çok eskilere dayanmaktadır. İlk kompozit malzeme örneği
olarak kerpiç verilebilir. Eski Mısır’da ve Çin’de kerpiç içine saman karıştırarak malzeme
dayanımı arttırma yoluna gidilmiştir. Cam liflerinin yapımı 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. Demir
takviyeli beton kullanımı 19.yy.a kadar uzanmaktadır. Fenolik reçinelerin asbest elyaflar ile
takviye edilmesi 20.yy.ın başlarına rastlamaktadır. Elyaf sargı tekniğin geçmişi 1946 yıllarına
dayanmaktadır.1950’li yıllarda özellikle roket uygulamalarında kullanılmaya başlanmıştır.
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.
Bu çalışmada kompozit malzemeler ana hatları ile ele alınacak, polimer esaslı kompozit
malzemeler ve üretim yöntemleri ayrıntılı olarak incelenecek ve son bölümde bir traktör
kaportasının polimer esaslı kompozit malzemeden imal edilme süreci incelenecektir.
2.KOMPOZİT MALZEMELER
Mühendislik malzemeleri genellikle metaller, seramikler ve plastikler olmak üzere üç ana
gruba ayrılır. Bunların yanında iki veya daha çok malzemenin uygun özelliklerini bir araya
getirmek, ya da yeni bir özellik ortaya çıkarmak amacıyla makro düzeyde birleştirilmeleriyle
oluşturulan malzemeler karma (kompozit) malzemeler olarak adlandırılırlar. [1] Başka bir
deyişle kompozit malzeme; kimyasal bileşimleri farklı iki veya daha fazla malzemenin,
kullanım yerindeki aranan özellikleri verebilecek daha uygun malzeme oluşumu için birbiri
içerisinde çözünmeden makro seviyede birleştirilmesi sonucu meydana gelen malzemelerdir.
Burada kastedilen özellikler; mukavemet, hafiflik, sıcaklık ve korozyon direnci, ısıl ve
elektriksel iletkenlik gibi farklı özellikler olabilmektedir.
Kompozit malzemelerin özellikleri büyük ölçüde bileşenlerin özelliklerine, geometrisine ve
bunların dağılımına bağlıdır. Kompozit malzemeler genellikle matris dediğimiz ana faz ile
takviye verici malzemeden oluşurlar. Burada takviye veri malzeme genellikle fiber olarak
adlandırılır. Matris fazın ve ikincil fazın (takviye fiber) istenilen özellikleri verecek oranda
fiziksel karışımı ile kompozit malzeme üretilir.
Kompozit malzemenin özelliğini belirleyen en önemli parametrelerden birisi de takviye ve
bağlayıcı malzemelerin oranıdır. Matris olarak kullanılan malzemenin amacı fiber
malzemeleri yük altında bir arada tutmak ve yükü lifler arasında homojen olarak dağıtmaktır.
Takviye malzemeleri ise; gelen yükleri karşılayarak kompozitin dayanımını ve rijitliğini
oluştururlar.
Kompozit Malzemelerin Genel Özellikleri
Bilim ve teknolojinin büyük bir hızla ilerlediği günümüzde, her geçen gün yeni ve üstün
özelliklere sahip malzeme ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu ihtiyaçlar, kompozit malzemelerin
geliştirilmesi için itici gücü oluşturmuştur. Son yıllarda elyaf takviyeli polimer matrisli
kompozit malzemelerin üretimi ve endüstriyel uygulamalarda kullanımı büyük ölçüde
artmıştır. Bu malzemelerin yüksek özgül mukavemet ve rijitliğe sahip olması, uzay sanayi,
otomotiv ve kimya endüstrisi gibi birçok alanda kullanılmasını sağlamıştır. Ayrıca bu
malzemelerden dişli, kam, tekerlek, fren ve debriyaj balataları, yataklar, muylular gibi
aşınmaya maruz kalabilecek parçaların imali de gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. [18]
Kompozit malzemenin oluşum aşamasında doğa ve insanın yapısı örnek olmuştur. İnsan
vücudundaki çoğu dokular yüksek eğilme kabiliyeti gösteren liflerden meydana gelmiştir ve
bu lifler zorlanma ve yüklenmelere karşı koyabilmek için düzene konmuş ve birbirlerinin
üstünde kayarak dokunun dayanıklı olmasını sağlamaktadır. Odun yapısının araştırılması
sonucu hücre duvarlarının spiral yapılı selüloz liflerinden yapılmış olduğu ve matris
malzemesinin de lignin olduğu görülmüştür. Bu sürekli bir fiber ve bir matris malzemeden
meydana gelmiş tipik bir kompozit malzemedir. [15]
Kompozit malzemelerin üretiminde genel amacın bazı özellikleri iyileştirmek olduğu daha
önce ifade edilmişti. Kompozit malzemelerde makroskobik muayene ile yapı bileşenlerinin ayırt
edilmesi mümkündür. Yapılarında birden fazla sayıda fazın yer aldığı klasik alaşımlar ise makro
ölçüde homojen olmalarına karşılık mikroskobik muayene ile mikro ölçüde heterojen olduğu
görülür. Kompozit malzemelerde yapı bileşenlerinin makro boyutta oldukları kabul edilir.
Bu açıdan bakıldığında kompozit malzemeler;
a) Dizayn amacı olan (yüksek mukavemet-düşük ağırlık gibi),
b) Dizayn amacı sağlayan birden fazla saf/kompozit malzeme bulunduran
(beton basma-yapı dayanımı),
c) Uygun yöntemle makro bileşime sahip,
d) İstenmeyen özelliklerin azaltılabilmesi özelliklerine sahip olmalıdır.
Oluşan kompozit malzemenin özellikleri her bir fazın tek başına sahip olduğu özelliklerin bir
birleşimidir. Dolayısıyla malzemenin özellikleri her bir fazın sadece kendi içinde
değerlendirilmesiyle belirlenemez. [5]
Kompozit Malzemelerin Olumlu ve Olumsuz Yanları
Kompozit malzemeler temelde özelliklerin iyileştirilmesine yönelik geliştirilmiş
malzemelerdir. Fakat olumsuz yanları da yok değildir. Aşağıda kompozitlerin olumlu ve
olumsuz yanları incelenerek diğer malzemelerle belirli özelliklerinin kıyaslaması yapılmıştır.
· Yüksek Mukavemet: Kompozitlerin çekme ve eğilme mukavemeti birçok metalik
malzemeye göre çok daha yüksektir. Ayrıca kalıplama özelliklerinden dolayı kompozitlere
istenen yönde ve bölgede gerekli mukavemet verilebilir. Böylece malzemeden tasarruf
yapılarak, daha hafif ve ucuz ürünler elde edilir. [2]
Tablo 2.1. Çeşitli Mühendislik Malzemelerle Kompozit Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin
Kıyaslanması [14]
· Kolay Şekillendirebilme: Büyük ve karmaşık parçalar tek işlemle bir parça halinde
kaplanabilir. Bu da malzeme ve işçilikten kazanç sağlar. Kompozitler bir tasarımcının aklına
gelebilecek her türlü karmaşık, basit, geniş, küçük, yapısal, estetik, dekoratif ya da
fonksiyonel amaçlı olarak tasarlanabilir. [2]
· Elektriksel Özellikler: Uygun malzemelerin seçilmesiyle çok üstün elektriksel özelliklere
sahip kompozit ürünler elde edilebilir. Bugün büyük enerji nakil hatlarında kompozitler iyi bir
iletken ve gerektiğinde de başka bir yapıda, iyi bir yalıtkan malzemesi olarak kullanılabilirler.
· Korozyona ve Kimyasal Etkilere Karşı Mukavemet: Kompozitler, hava etkilerinden,
korozyondan ve çoğu kimyasal etkilerden zarar görmezler. Bu özellikleri nedeniyle kompozit
malzemeler kimyevi madde tankları, boru ve aspiratörler, tekne ve diğer deniz araçları
yapımında güvenle kullanılmaktadır. Özellikle korozyona karşı mukavemetli olması,
endüstride birçok alanda avantaj sağlamaktadır. Kimya endüstrisinde çeşitli reaktif veya
çözeltilerin depolanmasında, taşınmasında çözeltilere karşı inert davranan, reaksiyon
vermeyen malzemelerin seçilmesi gerekir. Bu iş için en uygun malzemeler paslanmaz çelikler
ve plastiklerdir. Tamamen plastik bir malzeme mukavemetsiz, tamamen paslanmaz çelikten
yapı ise çok pahalıdır. Paslanmaz çeliğe göre çok daha ucuz olan düşük karbonlu çeliğin
kimyasal maddeyle temas yüzeyinin plastik malzeme ile kaplanması hem yüksek
mukavemetli hem de ucuz bir çözüm olacaktır.
· Isıya ve Ateşe Dayanıklılığı: Isı iletim katsayısı düşük malzemelerden oluşabilen
kompozitlerin ısıya dayanıklılık özelliği, yüksek ısı altında kullanılabilmesine olanak
sağlamaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile kompozitlerin ısıya dayanımı arttırılabilir.
Kompozit malzemelerde, yüksek ısıl gerilmelere dayanıklı malzeme tasarımı kolay ve
mümkündür. Özellikle tabakalaşmış kompozit malzemelerde bu tasarım yapılır. Örneğin, sıvı
yakıcı-yakıtlı roket motoru yanma odası tasarımında burada malzemeden istenen özellikler
düşük ağırlık, yüksek ısıl ve basınca dayanıklılık, yanma kararsızlığından oluşan yüksek
dinamik yüklere dayanım (ve dolayısıyla yüksek bir sürünme dayanımı) gibi özelliklerdir.
Görüleceği üzere bu özellikler birbiriyle çelişen özelliklerdir. İşte bu tür yapılar içinde
kompozit malzemeler kullanılabilir.
· Kalıcı Renklendirme: Kompozit malzemeye, kalıplama esnasında reçineye ilave edilen
pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir. Bu işlem ek bir masraf ve isçilik gerektirmez.
· Titreşim Sönümleme: Kompozit malzemelerde süneklik nedeniyle doğal bir titreşim
sönümleme ve şok yutabilme özelliği vardır. Çatlak yürümesi olayı da böylece en aza
indirgenmiş olmaktadır.
· Hafiflik: Kompozitler birim alan ağırlığında hem takviyesiz plastiklere, hem de metallere
göre daha yüksek mukavemet değerleri sunmaktadır. Şekil 2.1.’deki yoğunluk-mukavemet
ilişkisinde kompozit malzemelerin yeri görülmektedir.
Şekil 2.1. Kompozit Malzemelerin Yoğunluk-Elastiklik Modülü Grafiğinde Diğer
Malzemelerle Karşılaştırılması [5]
Bütün bu olumlu yanların dışında kompozit malzemelerin uygun olmayan yanları da su
şekilde sıralanabilir:
· Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri malzemenin yorulma özelliklerini olumsuz
etkilemektedir.
· Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik mekanik özellikler gösterirler.
· Ayni kompozit malzeme için çekme, basma, kesme ve eğilme mukavemet değerleri
farklılıklar gösterir.
· Kompozit malzemelerin delik delme, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden
olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez.
· Hammaddenin pahalı olması; Uçaklarda kullanılabilecek kalitede karbon elyafının bir
metrekarelik kumaşının maliyeti yaklaşık 50 $ ’dır.
· Lamine edilmiş kompozitlerin özellikleri her zaman ideal değildir, kalınlık yönünde düşük
dayanıklılık ve katlar arası düşük kesime dayanıklılık özelliği bulunmaktadır
· Malzemenin kalitesi üretim yöntemlerinin kalitesine bağlıdır, standartlaşmış bir kalite
yoktur.
· Kompozitler kırılgan (gevrek) malzeme olmalarından dolayı kolaylıkla zarar görürler,
onarılmaları yeni problemler yaratabilir.
· Malzemelerin sinirli raf ömürleri vardır. Bazı tür kompozitlerin soğutularak saklanmaları
gerekmektedir.
· Sıcak kurutma gerekmektedir.
· Kompozitler onarılmadan önce çok iyi olarak temizlenmeli ve kurutulmalıdır. Bazı
durumlarda bu zor olabilir.
· Bazı kurutma teknikleri uzun zaman alabilmektedir. [2]
Görüldüğü gibi kompozit malzemeler, bazı dezavantajlarına rağmen çelik ve alüminyuma
göre birçok avantaja sahiptir. Şekil 2.2.’de alüminyum ve çelik gibi endüstride çok kullanılan
iki malzeme ile kompozit malzemelerin bir karşılaştırması verilmiştir. Bu özellikleri ile
kompozitler otomobil gövde ve tamponlarından deniz teknelerine, bina cephe ve panolarından
komple banyo ünitelerine, ev eşyalarından tarım araçlarına kadar birçok sanayi kolunda
problemleri çözümleyecek bir malzeme çeşididir.
Şekil 2.2. Temel Mühendislik Parametreleri Bazında Kompozit ve Konvansiyonel
Malzemelerin Karşılaştırılması 1- Çelik 2- Alüminyum 3- Kompozit Malzeme [12]
2.4. Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları
Günümüzde kompozit malzemelerin kullanım alam çok geniş boyutlara ulaşmıştır. Kompozit
malzemelerin başlıca kullanım alanları ve bu alanlarda sağlanan avantajlar şu şekilde
sıralanabilir:
Havacılık Sanayi: Havacılık sanayisinde kompozitler, gün geçtikçe daha geniş bir uygulama
alanına sahip olmaktadır. Planör gövdesi, uçak modelleri, uçak gövde ve iç dekorasyonu,
helikopter parçaları ve uzay araçlarında başarıyla kullanılmaktadır. Daha hafif malzemeyle
atmosfer şartlarına dayanım ve yüksek mukavemet sağlanmaktadır. Özellikle ileri kompozit
malzemeler havacılık sanayinde çok geniş uygulama alanları bulmaktadır. Kompozit
malzemelerinin hafifliklerine oranla üstün mekanik özellikleri uçaklarda ve helikopterlerde
sadece iç mekân değil, yapısal parçalarını da polimer esaslı kompozitlerle üretilmesine neden
olmaktadır. [23]
Uçaklar genellikle gövde ağırlık kontrolü uzun hizmet ömrü, sistem dizaynının ana hatları ve
maliyet karakterlerinin yarısına belirli navlun, mesafe, seyir sürati irtifa gibi performans
gereksinimlerini karşılayacak şekilde dizayn edilirler. Diğer tüm koşulların eşit olduğu
durumlarda, ağırlığı en az tutulan dizayn kriteri en uygun olacaktır. Buna göre uygun
özelliklere sahip hafif metaller en iyi verimi sağlayacaktır. Kompozit malzemeler bu amaçla
kullanılabilecek uygun bir malzeme grubunu oluşturmaktadır. [2] Şekil 2.3’de bir yolcu
uçağını oluşturan malzemeler görülmektedir.
Şekil 2.3. Bir Yolcu Uçağında Kompozit ve Diğer Malzemelerin Kullanımı [22]
Otomotiv Sanayi: 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. Bu alanda kompozitlerden oluşan başlıca ürünler; otomobil kaportası
parçaları, iç donanımı, bazı motor parçalan, tamponlar ve oto lastikleridir. [13]
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.
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 Paydan imal
edilmiştir. Chevrolet giriş manifoldlarında 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. Şekil 2.4. ‘de kompozit malzemeden üretilen
çeşitli otomobil parçaları verilmiştir.
Şekil 2.4. Kompozit Malzemeden Üretilen Çeşitli Otomobil Parçaları: soldan sağa manifold,
fren diski, şaft [27,28]
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. [13]
Şehircilik: Bu alanda kompozitler, toplu konut yapımında, çevre güzelleştirme çalışmalarında
(heykel, banklar, elektrik direkleri v.s.) kullanılmaktadır. Üreticinin çok sayıda standart ürünü
kısa zamanda imal edebilmesi, montajdan tasarruf ve ucuz maliyet imkânları, kullanıcıya da
yüksek yalıtım kapasitesi, hafiflik ve yüksek mekanik dayanım imkânları sağlamaktadır. Şekil
2.5.’de bazı şehircilik uygulamaları görülmektedir. [23]
Şekil 2.5. Kompozit Malzemeden Üretilen Çeşitli Şehircilik Uygulamaları; Mazgal, Bank ve
Çöp Kutusu [29]
Ev Aletleri: Masa, sandalye, televizyon kabinleri, dikiş makinesi parçaları, saç kurutma
makinesi gibi çok kullanılan ev aletlerinde ve dekoratif ev eşyalarında kompozit malzemeler
kullanılmaktadır. Bu şekilde komple ve karışık parça üretimi, montaj kolaylığı, elektriksel
etkilerden korunum ve hafiflik gibi avantajlar sağlamaktadır.
İş Makineleri: İş makinelerinin kapakları ve çalışma kabinleri yapımında da kompozit
malzemeler kullanılmaktadır. Bu şekilde üretimde kullanılan parça sayısı azaltılabilmekte, tek
parça üretim mümkün olmaktadır. Ayrıca elektrik yalıtım malzemelerinden de tasarruf
sağlanmaktadır.
İnşaat Sektörü: Cephe korumaları, tatil evleri, büfeler, otobüs durakları, soğuk hava
depoları, inşaat kalıpları birer kompozit malzeme uygulamalarıdır. Tasarım esnek ve kolay
olmakta, nakliye ve montajda büyük avantajlar sağlamaktadır. İzolasyon problemi çözülmekte
ve bakım giderleri azalmaktadır.
Tarım Sektörü: Seralar, tahıl toplama siloları, su boruları ve sulama kanalları yapımında
kompozitler özel bir öneme sahiptirler. Kompozit malzemelerden yapılan bu örnekler istenirse
ışık geçirgenliği, tabiat şartlarına ve korozyona dayanıklılık, düşük yatırım ve kolay montaj
gibi avantajlar sağlamaktadır.
Denizcilik Sektörü: Denizcilik sanayinde de kompozit malzeme kullanımı gitgide
artmaktadır. Özellikle hafif ve korozyon direncinin istendiği bu sektör için kompozit
malzemeler son derece uygundur. İnfüzyon tekniği ile üretilen paneller, bal peteği
kompozitleri bu sektörde en çok kullanılan türlerdir.
Yelkenli Gövdesi; CTP, Balsa ve polimer köpük üstüne cam, aramid karbon dokumaları ile
kaplanması, Yat, tekne arkası platformlar, Kevlar+Epoksi yelken direği, Yelkenli/motorlu
tekneler, can kurtarma filikaları, şamandıralar, sallar, kanolar, deniz motosikleti, sörf tahtası,
şilep ve yolcu gemileri üst yapıları, dubalar-iskeleler, iç donanım gibi örnekler verilebilir. [2]
Spor Araçları: Kompozit malzemelerin popüler olduğu yeni sektörler arasında spor araç ve
gereçleri her geçen gün daha da öne çıkmaktadır. Özellikle ağırlığın azalması, dolayısıyla
hareket kabiliyetinin artması ve dayanıklılığın artmasına neden olan cam ve karbon elyafı
takviyeli kompozitler kullanılmaktadır.
Sırıkla atlama sporunda kompozit malzemelerin kullanımının başlaması ile derecelerin
gelişimi oldukça ilginçtir. 20. yüzyılın başlarında sporcular bambu kamışlardan
yararlanıyorlardı. Dolayısıyla o zamanki performansın bugünkü dünya rekoru olan 6.14
metrenin altında olması son derece normal bir sonuçtur. Ancak sırıklar her geçen gün biraz
daha geliştiriliyor. Özellikle 1950’li yıllarda metal sırıklar, hemen ardından cam-elyafı
kompozit sırıklar büyük fark yarattı. Sonuçta sırıkla atlama rekorları 1912’den bu yana %53
oranında yükseldi. Bunu yüksek atlama ile karşılaştırdığımızda, bugünkü rekor 1912’den
ancak %23 oranında daha fazladır, aynı şekilde uzun atlamada bu fark %18 dolayındadır. [20]
Şekil 2.6.da karbon fiber takviyeli epoksiden imal edilmiş bir atlama sırığının makro yapısı
görülebilmektedir.
Şekil 2.6. Kompozit Malzemeden Üretilmiş Bir Atlama Sırığının Bileşenleri [20]
3.KOMPOZİT MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI
Kompozit malzemeleri iki açıdan sınıflandırabiliriz. Birincisi yapı bileşenlerinin şekil ve
geometrisine göre, ikincisi ise matris malzemesine göredir.
3.1. Yapı ve Geometrik Özelliklere Göre Sınıflandırma
Yapının şekil ve geometrisine göre kompozit malzemeler Şekil 3.1’de görülebileceği gibi ;
parçacık takviyeli, fiber takviyeli, tabakalı ve hibrid kompozitler olarak sınıflandırılabilir.
Şekil 3.1. Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması [16]
a. Elyaflı kompozitler b. Parçacıklı kompozitler c. Tabakalı kompozitler d. Karma
kompozitler
3.1.1. Parçacık Takviyeli Kompozit Malzemeler
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, ısı ve elektrik
iletkenliği sağlar. Metal matris içinde seramik matris içeren yapıların (cermet), sertlikleri ve
yüksek sıcaklık dayanımları yüksektir. Bunlar kollar, kulplar, elektrik parçaları, muhafazalar
vb. gibi küçük parçacıkların yapımında kullanılırlar. Matris malzemesi, içinde rastgele
dağılmış çok değişik şekil ve büyüklükte olan dolgu parçacıkları içerebilmektedir. [25]
3.1.2. Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemeler
Fiber takviyesi işlemi, malzeme mekanik özelliklerini yükseltmek için malzeme yapısı içine
çok sert ve ince fazların serpilmesi yöntemidir. Bu tür kompozitler ana fazdan beklenen bazı
özelliklerin elde edilmesi ya da geliştirilmesi amacıyla üretilirler. Ana faz (matris), ikincil
fazlarla (fiber) belirli doğrultularda takviyelendirilir. Böylece mukavemet, korozyon ve
aşınma direnci, ısı yalıtımı, rijitlik ve ağırlık gibi özelliklerde daha verimli hale getirilir.
[23]
Fiber takviyeli plastikler, "FRP" veya "Yapı Kompozitleri" olarak adlandırılan bu kompozitler
polimer matris malzemenin fiberle takviye edilmesinden elde edilirler. FRP ürünleri, yapısal
uygulamalarda iyi bir konuma sahiptir. Karbon fiber ve termoset polimerler gibi yüksek
mukavemet ve rijitliğe sahip polimerik matristen yapılan ileri kompozit sistemler yıllardır
etkin bir şekilde kullanılmaktadır. Fakat daha sonra termoplastikler, Torlon, PEEK ve Ryton
gibi malzemelerdeki yenilik ve gelişme yapısal kompozitlerde, takviyeli plastik malzemelerin
ileri uygulamalarına yeni bir boyut kazandırdı. Bu yeni nesil mühendislik malzemeleri, fiber
takviyeli polimer matris termoplastik kompozitler, klasik takviyeli termosetlere göre yüksek
bir üstünlük ve gelişmişliğe sahiptirler. [17]
Fiber takviyeli kompozitlerin mühendislik performansını etkileyen en önemli faktörler;
fiberlerin şekli, uzunluğu, yönlenmesi, matrisin mekanik özellikleri ve fiber matris ara yüzey
özellikleridir. Fiberler dairesel olduğu gibi nadiren dikdörtgen, hegzagonal, poligonal ve içi
boş dairesel kesitli olabilir. Bu kesitleri bazı artı özellikleri olmakla birlikte (paketleme,
yüksek mukavemet v.s) dairesel kesitler maliyeti ve kullanım kolaylığı ile üstünlüğü sağlar.
Sürekli fiberlerle çalışmak genelde daha kolay olmakla beraber tasarım serbestliği
süreksizlere göre çok daha sınırlıdır. Sürekli fiberler süreksizlerden daha iyi yönlenme
göstermelerine karşılık, süreksiz fiberlerin kullanılması daha pratik sonuçlar vermektedir. [12]
3.1.3. Tabakalı Kompozit Malzemeler
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. Sürekli elyaf takviyeli tabakalı kompozitler
uçak yapılarında, kanat ve kuyruk grubunda yüzey kaplama malzemesi olarak çok yaygın bir
kullanıma sahiptirler.[16]
Farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın kombinasyonundan oluşur. Çok değişik
kombinasyonlarla tabakalaşmış kompozitlerin üretimi mümkündür. Korozyon direnci zayıf
metaller üzerine, daha yüksek dirençli metallerin veya plastiklerin kaplanmasıyla korozyon
özelliğinin, yumuşak malzemelerin sert malzemelerle birleştirilmesiyle sertlik ve aşınma
direncinin, farklı fiber yönlenmesine sahip tek tabakaların birleştirilmesiyle çok yönlü yük
taşıma özelliğinin geliştirilmesi mümkün olmuştur. [12]
Günümüzde tabakalı kompozit malzemelerin yüksek dayanım/ağırlık oranı ve
direngenlik/ağırlık oranına sahip olmaları sebebiyle; uzay yapılarında, ulaşım araçlarında,
elektrik, kimya, konstrüksiyon ve gıda endüstrisinde kullanım alanları giderek artmaktadır.
[17]
Ayrıca, uçak yapılarında yaygın bir kullanım alanı olan sandviç yapılar da tabakalı kompozit
malzeme örneğidirler. Sandviç yapılar, yük taşımayarak sadece izolasyon özelliğine sahip
olan düşük yoğunluklu bir çekirdek malzemenin alt ve üst yüzeylerine mukavemetli
levhaların yapıştırılması ile elde edilirler. [16]
Sandviç yapıların en yaygın kullanımlarından biri bal peteği (honeycomb) kompozitleridir.
Kompozit imalatında kullanılan petekli yapı, çok ince tabakaların şekillendirilmesi sonucu
elde edilen hücrelerin birleştirilmesi ile oluşturulur. Bu tür yapılar bal arılarının doğal olarak
yaptıkları bal petekleri ile birebir benzerlik göstermektedir. Farklı malzemelerden
yapılabilirler. Bunlara birkaç örnek verebiliriz; Cam fiber, karbon fiber, alüminyum, titanyum,
aramid, grafit epoksi gibi. [4]
Petekli kompozit yapılar özellikle çarpma sonucu ortaya çıkan enerjinin absorbe edildiği
yüksek mekanik dayanım gerektiren yapılarda kullanılır. Oldukça hafif sistemler elde etmek
için, sandviç yapıların iç ve dış tabakaları arasına bu petekli yapılar yerleştirilir. Kompozit
imalatında kullanılan petekli yapı, çok ince tabakaların şekillendirilmesi sonucu elde edilen
hücrelerin birleştirilmesi ile oluşturulur. Petekli kompozit yapılar yaklaşık olarak 1940
yılından sonra havacılık sektöründe, uçakların gövde panellerinde kullanılmaya başlanılmıştır.
Günümüzde kullanılan petekli yapıların büyük bir çoğunluğu bir yapıştırıcı sayesinde
hücrelerin birbirleri ile yapıştırılması sonucu oluşturulurlar.
Bir sandviç panel, petekli yapının alt ve üst yüzeylerin yapıştırıcı kullanılarak yüzey örtüleri
ile yapıştırılması sonucu elde edilir. Şekil 3.2.’de bir sandviç bal peteği paneli oluşturan
bileşenler görülebilmektedir.
Şekil 3.2. Bir bal peteği kompozitinin yapısını oluşturan elemanlar [4]
Çelik, titanyum ve nikel alaşımlı metal hücre yapılı petekli yapılar yapıştırıcı yerine daha çok
kaynak ve lehimleme ile birleştirilirler. Bu tür hücreler öncelikle yüksek sıcaklık
uygulamalarında kullanılır. Yüksek rijitlik ve dayanım/ağırlık oranına sahip olan sandviç
yapılar son derece hafif yapılardır. Petek yapılı kompozitler, diğer sandviç konstrüksiyon ara
malzemelerine oranla daha pahalıdır ve sandviç yapı haline dönüştürülmesi daha özel işçilik
gerektirmektedir. Genellikle havacılık ve uzay sektöründe yüksek mekanik dayanım sağlamak
amacıyla kullanılmaktadır. Petek yapılar mükemmel bir titreşim özelliğine sahiptirler. Yalıtım
özellikleri de ( ses ve ısı ) oldukça iyidir.
Denizcilik sektöründe, tekne imalatı sırasında sandviç tekniği kullanılarak, teknenin mekanik
dayanımı artırılmaktadır. Havacılık ve uzay sanayine yönelik uygulamalarda ise, hafiflik ve
rijitlik özellikleri önem taşımakta ve genellikle uçağın taban kaplamaları, kanat ve kuyruk
parçaları, helikopter pervanesi gibi parçalar sandviç yapı tekniği ile üretilmektedir. Son
yıllarda birçok binek ve spor otomobillerin tavan, direk ve gövdesinin bir çok kısımlarında,
spor aletlerinde (yarış bisikleti kaburgası) ve rüzgâr türbini pervanesi gibi bir çok alet ve
makine imalatında petekli yapılar yaygın olarak kullanılmaktadır.
Aşırı uzatılmış, altıgen ve eğip bükülebilir yapı (flex-core) olmak üzere üç temel hücre biçimi
vardır. Bu üç hücre tipi dışında pek yaygın olmayan kare ve takviyeli çeşitleri de vardır.
Şekil 3.3. Bal Peteği Kompozit Hücre Tipleri [4]
3.1.4 Karma (Hibrid) Kompozit Malzemeler
Aynı kompozit yapıda iki veya daha fazla elyaf çeşidinin bulunması olasıdır. Bu tip
kompozitlere hibrid kompozitler denir. Bu alan, yeni tip kompozitlerin geliştirilmesine uygun
bir alandır. Örneğin, Kevlar ucuz ve tok bir elyaftır. Ancak basma mukavemeti düşüktür.
Grafit ise düşük tokluğa sahip, pahalı ancak iyi basma mukavemeti olan bir elyaftır. Bu iki
elyafın kompozit yapısında bir arada bulunması ile elde edilen hibrid kompozitin tokluğu
grafit kompozitten daha iyi aynı zamanda maliyeti daha düşük ve basma mukavemeti de
Kevlar elyaflı kompozitten daha yüksek olmaktadır. Farklı tiplerdeki hibrid kompozitler
aşağıdaki gibi gruplandırılabilir;
1- Matris içinde iki ya da daha fazla tabaka içerirler. Her tabaka belirli bir yöndeki takviyeleri
içerir ve her bir tabakada belirli bir tip elyaf kullanılmıştır. Tabakalar amaca göre istenilen
şekilde yerleştirilirler.
2- İki ya da daha fazla elyaf karışım halinde aynı tabakada yer alır ve tabakalar istenilen
şekilde birleştirilerek hibrid kompozit elde edilir.
3- Reçine matrisli tabakalar ve metal matrisli tabakalar gibi farklı kompozit yapılan içeren
süper hibridler elde edilebilir. Süper hibridlerde tabakalar bir yapışkan malzeme ile
birleştirilirler.
3.2. Matris Malzemesine Göre Sınıflandırma
Matris malzemesine göre kompozit malzemeler en genel biçimde polimer matrisli, metal
matrisli ve seramik matrisli olmak üzere üç çeşittir.
3.2.1. Metal Matrisli Kompozit Malzemeler
Metal matrisli kompozitler, çeşitli metal ve alaşımlarının, takviye malzemeleri ile
birleştirilmesi sonucu oluşmaktadır. Metal matrisli kompozit malzemeler tek bileşenli
alaşımlarla elde edilemeyen özellikleri sağlamak üzere, bir metal matris içinde sürekli veya
kısa fiber, whisker veya parçacık şeklinde takviye fazı içerir Metal matrisli kompozit
malzemelerin üstünlükleri;
Yüksek elastiklik modülüne sahiptirler.
Yüksek mukavemet gösterir. Metallerin süneklik ve tokluk; seramiklerin yüksek
mukavemet ve aşınma direnci bu kompozitlerde bir araya gelebilir.
Düşük yoğunluğa sahiptirler. Sıcaklık değişiklikleri ve termal şoka karşı düşük
hassasiyet gösterirler. Yüksek sıcaklıklarda kullanılabilirler.
Tekrar üretilebilir mikro yapı ve özelliklere sahiptirler.
Kaynak veya diğer yöntemlerle kolayca birleştirilebilirler.
Bu özelliklerden dolayı metal matrisli kompozit malzemeler teknolojik çalışmalarda sıklıkla
kullanılmaktadır. Ancak bunun yanında çeşitli dezavantajlar da bulunmaktadır;
Sürekli fiber takviyesinin söz konusu olduğu durumlarda zor ve karmaşık üretim
prosesleri (döküm yöntemi hariç)
Metallere göre sünekliğin belli oranda azalması Yüksek maliyetli üretim sistemi ve
teçhizat
Yeni gelişen bir teknoloji olması nedeniyle firmaların ve üreticilerin deneyimsiz oluşu
Özellikle döküm yönetimi ile üretilen partikül takviyeli MMK malzemeler, sürtünme
ve aşınma dayanımının istendiği alanlarda küçümsenmeyecek oranda endüstriyel
uygulama alanına sahiplerdir. Örneğin, Al- Grafit ve Al-SiC MMK pistonlar, yüksek
aşınma dayanımı sağlamaları ve yakıt tüketimini azaltmalarından dolayı ön plana
çıkmaktadırlar. Bu tür kompozitlerin diğer kullanım şekilleri yatak malzemesi, elektrik
kontak malzemesi ve silindir gömleği olabilmektedir. [8]
3.2.1.1. Metal Matrisli Kompozit Malzemelerde Kullanılan Matris Malzemeleri
Metal matrisli kompozitlerde matris malzemesi olarak hafif metaller ve alaşımlar tercih
edilmektedir. Matris malzemesi olarak genellikle Al, Ti, Mg, Ni, Cu, Co ve Zn gibi metaller
ve alaşımları kullanılır. Fakat bunlardan sadece Al, Ti ve Mg alaşımları yaygın olarak
kullanılmaktadır.
Yüksek performanslı kompozit malzeme üretimi için matris malzemesi, takviye fiberleri veya
partikülleri iyi ıslatabilmeli, iyi bir ara yüzey bağı oluşturmalı, mümkün olan en düşük basınç
ve sıcaklıkta hızlı şekilde katılaşma yapabilmelidir. Ayrıca üretim esnasında veya bundan
sonraki işlemler esnasında, matris ve takviye elemanı arasında diğer kimyasal etkileşimler
olmamalı ve matris kararlı kalmalıdır. [8]
3.2.1.1.1 Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemeler
Metal matrisli kompozitlerde en çok kullanılan matris malzemesi alüminyum ve alaşımlarıdır.
Bu alaşımların tercih edilmesinin nedeni düşük yoğunluk, düşük ergime sıcaklığına sahip
olmaları ve birçok seramik takviye elemanını kolay ıslatabilmeleridir. Alüminyum saf olarak
kullanılabildiği gibi alaşım olarak da kullanılabilmektedir. Yüksek aşınma dayanımı ve düşük
sürtünme değerleri için Al-Si alaşımları, düşük yoğunluk ve yüksek termal iletkenlik için Al-
Mg ve Al-Cu alaşımları matris alaşımı olarak kullanılabilmektedir. Saf alüminyumun oksijene
ilgisinden dolayı döküm kabiliyetinin kötü oluşu ve düşük mekanik özellikler göstermesi gibi
istenmeyen özellikleri vardır. Alaşımlama yapılarak bu özelliklerde gelişme
sağlanabilmektedir.
Alüminyum matrisli kompozit malzemeler diğerlerine göre; yüksek mukavemet, iyileştirilmiş
rijitlik, daha düşük yoğunluk, yüksek sıcaklık özellikleri, kontrollü ısıl genleşme katsayısı
elektriksel özellikleri, iyileştirilmiş aşınma ve abraziv özellikleri, özellikle kütle kontrolü ve
iyileştirilmiş sönümleme kapasite özellikleri açısından avantajlara sahiptir. Belirtilen
avantajları daha iyi kullanabilmek için değerlendirme yapılabilir. Örneğin saf alüminyum,
hacimsel olarak %60 a kadar fiber takviyesi ile elastik modülü 70 GPa dan 240 GPa kadar
artırılabilir. Diğer taraftan saf alüminyum içine hacimsel olarak %60 alümine fiber takviyesi
malzemenin genleşme katsayısını 24 ppm/°C’ dan 7 ppm/°C’ a düşürür. Benzer şekilde Al-
%9Si-%20 SiC kompozitin aşınma direnci gri dökme demirin özelliliğinden daha iyi
olabilmektedir. Bütün bu örnekler göstermektedir ki alüminyum/alüminyum alaşımı uygun
takviye fazları ile desteklendiğinde özellikleri iki veya üç kata kadar iyileştirilmektedir. [7]
Alüminyum matrisli kompozitlerin son zamanlarda yaygın olarak kullanıldığı alanlardan biri
de fren sistemleridir. Şekil 3,3’de çeşitli alüminyum esaslı kompozit fren elemanları
görülmektedir.
Şekil 3.3 Alüminyum Matrisli Kompozit Malzemeden Üretilmiş Fren Elemanları [7]
3.2.1.1.2. Titanyum Matrisli Kompozit Malzemeler
Titanyum, güç ve dayanım açısından çelikten daha sağlam, ağırlık açısından alüminyum ile
kıyaslanabilecek kadar hafif, bilinen bütün metaller arasında en yüksek korozyon dayanımına
sahip, neredeyse bütün kimyasal etkilere karşı dirençli bir metaldir.
Titanyum kompozitler; ısıl mukavemetleri ve hafifliklerinin yanı sıra korozyona karşı
dayanaklıklarıyla da bilinmektedirler. Bu nedenden dolayı, savunma sanayisinde ateşli
silahların yapımında, organik sıvılara dayanıklılığı nedeniyle tıpta kemiklerin
birleştirilmesinde kullanılmakta ve ayrıca endüstride kullanılan birçok malzemede önemli bir
yer tutmaktadır.
Titanyum mükemmel mukavemet/ağırlık oranına sahip olduğu için çok tercih edilir fakat
üretim maliyetinin yüksek olması titanyumun dezavantajıdır. Daha iyi aşınma direnci, rijitlik
ve ısı direnci istendiğinde titanyumdan toz metalürjisi sayesinde metal matris kompozit
üretilir ve bu özellikleri iyileştirilmiş olur.
Titanyum mükemmel özelliklere sahiptir fakat aşınma direnci ve sürtünmeye dayanımı az
olduğundan tribolojik uygulamalarda tercih edilmez. Ancak metal matris kompoziti gibi
yöntemlerle bu özellikleri iyileştirilip otomotiv, sağlık ve uzay araçlarında
kullanılabilmektedir.
3.2.1.1.3. Magnezyum Matrisli Kompozit Malzemeler
Magnezyumun atom numarası 12, yoğunluğu 1,74 gr/cm3 ve rengi gümüş rengi olan bir
metaldir. Oldukça hafif bir metal olan magnezyum, kullanılan en hafif metallerden biridir.
Magnezyumun özellikleri arasında; düşük yoğunluk, yüksek sertlik, yüksek aşınma direnci,
yüksek sıcaklıklarda bile dayanım, iyi sürünme direnci, düşük süneklik, yüksek kırılganlık
bulunmaktadır.
Magnezyum matris kompozitler yarış arabalarında, fren sistemlerinde, jantlarda, vites
kutularında, kompresörlerde, motor bloklarında, uzay araçlarında kullanılmaktadır.
Ancak magnezyum alaşımları; oksijene karşı ilgisinin fazla olması, düşük elastik modülü ve
yorulma direncine sahip olması, yüksek sıcaklıkta sürünme dayanımı değerinin düşük olması
vb. nedenlerle daha az tercih edilirler. [8]
3.2.1.2. Metal Matrisli Kompozit Malzemelerde Kullanılan Takviye Malzemeleri
Metal matrisli kompozit malzemelerde en çok kullanılan takviye malzemeleri bor,alümina ve
silisyum karbür elyaflardır.
3.2.1.2.1. Bor Elyaflar
Bor elyaflar aslında kendi içlerinde kompozit yapıdadırlar. Çekirdek olarak adlandırılan ince
bir flamanın üzerine bor kaplanarak imal edilirler. Çekirdek genellikle tungstendir. Karbon
çekirdek de kullanılabilir ancak bu yeni bir uygulamadır. Bor-Tungsten elyaflar, sıcak
tungsten flamanın hidrojen ve bor triklorür ( BCI3 ) gazından geçirilmesi ile üretilirler.
Böylece tungsten flamanın dışında bir bor plaka oluşur. Bor elyaflar değişik çaplarda
üretilebilirler (0.05 mm- 0.2 mm arasında). Tungsten çekirdek ise daima 0.01 mm çapında
üretilir.
Bor elyaflar yüksek çekme mukavemetine ve elastik modüle sahiptirler Çekme
mukavemetleri 27_58 MPa ile 3447 MPa'dır. Elastik modülü ise 400 GPa'dır. Bu değer S
camının elastik modülünden 5 kat fazladır. Üstün mekanik özelliklere sahip olan bor elyaflar,
uçak yapılarında kullanılmak üzere geliştirilmişlerdir. Ancak mukavemetlerinin çok yüksek
olması nedeniyle, son yıllarda yerlerini karbon elyaflara bırakmışlardır. Bor elyafların
silisyum karbür ( SiC ) veya bor karbür ( B4C ) kaplanmasıyla yüksek sıcaklıklara dayanım
artar. Özellikle bor karbür kaplanması ile çekme mukavemeti önemli ölçüde arttırılabilir. Bor
elyafların erime sıcaklıktan 2040 °C civarındadır.
3.2.1.2.2. Silisyum Karbür Elyaflar
Bor gibi silisyum karbürün tungsten çekirdek üzerine kaplanması ile elde edilir. 0.1 mm ile
0.14 mm çaplarında üretilirler. Yüksek sıcaklıklardaki özellikleri bor elyaflardan daha iyidir.
Silisyum karbür elyaf 1370 °C de mukavemetinin sadece % 30'unu kaybeder. Bor elyaf için
bu sıcaklık 640 °C 'dır. Bu elyaflar genellikler titanyum matrisle kullanılırlar. Jet motor
parçalarında titanyum, alüminyum ve vanadyum alaşımlı matris ile kullanılırlar. Ancak
silisyum karbür elyaflar, bor elyaflara göre daha yüksek yoğunluğa sahiptirler. Silisyum
karbürün karbon çekirdek üzerine kaplanması ile üretilen elyafların yoğunluğu düşüktür.
SiC malzemede kovalent bağlar mevcuttur. Bu özellik, SiC fibere yüksek elastiklik modülü
değeri vermektedir. SiC’ün en önemli avantajı, maruz kaldığı yüksek sıcaklık şartları altında
özelliklerini muhafaza edebilmesidir. Diğer bir üstünlüğü de bor fiberden daha ekonomik
olmasıdır. Ayrıca SiC fiberlerin termal genleşme katsayısı da alümina ile kıyaslandığında
daha düşüktür. Partikül ve whisker tipinde SiC takviyeleri ile üretilen metal matrisli kompozit
malzemelere, ekstrüzyon, haddeleme gibi plastik şekil verme işlemleri yapılabilmesi de
önemli bir avantaj teşkil eder.
3.2.1.2.3 Alümina Elyaflar
Alümina alüminyum oksittir (AI2O3). Elyaf formundaki alümina, 0.02 mm çapındaki
alümina flamanın silisyum dioksit (SİO2) kaplanması ile elde edilir. Alümina elyafların
çekme mukavemetleri yeterince yüksek değildir. Ancak basma mukavemetleri yüksektir.
Örneğin, alümina/epoksi kompozitlerin basma mukavemetleri 2275 ile 2413 MPa'dır. Ayrıca
yüksek sıcaklık dayanımları nedeniyle uçak motorlarında kullanılmaktadırlar.
Ergime noktası 2000 ± 30 °C olan alüminyum oksit düşük sıcaklıklarda kimyasal maddelere
ve mekanik yüklere karşı en dayanıklı malzemelerden birisidir. 1700-1800 °C gibi yüksek
sıcaklıklarda, flor gazı dışında bütün gazlara karşı direnç gösterir. Alümina, oksitleyici ve
indirgeyici atmosferde 1900°C’ ye kadar kullanılabilir.
Tablo 3.1. Metal Matrisli Kompozitlerde Kullanılan Çeşitli Takviye TürlerininKarşılaştırılması [1]
Takviye
Türü
Çap
(mikron)
Dayanım
(MPa)
Modül
(GPa)
Kullanım
Sıcaklığı
(°C)
Bor 150-200 3450 400 540
Karbon
(PAN)
7 2400-4800 230-395 1650
SiC 100-150 4140 425 930
Alümina
(FP)
20 1380 380 1650
3.2.1.3. Metal Matrisli Kompozitlerin Üretim Yöntemleri
Üretim yönteminin seçiminde, üretilecek mamul veya yarı mamulün önceden belirlenen
fiziksel ve mekanik özelikleri değerlendirilip, şu parametreler dikkate alınarak yöntem
belirlemesi yapılır:
• Çalışma sıcaklığı aralığı
• Takviye malzemesi şekli
• Matris malzemesi ile takviye malzemesinin uyumu
• Matris ve takviye malzemelerinin ek işlem gereksinimi
• Matris malzemesi ile takviye malzemesi arasında oluşabilecek reaksiyonlar
• Elde edilecek üründen istenen boyut tamlığı
• Takviyenin matris malzemesi içerisinde dağılımının homojen olması
• Matris-takviye ara yüzey bağının tam olarak sağlanabilmesi. [8]
Metal matrisli kompozit malzeme üretiminde; sıvı metal emdirmesi (infiltrasyon), sıkıştırmalı
veya sıvı dövme döküm tekniği, basınçlı infiltrasyon, sıvı metal karıştırması, hızlı
katılaştırma, yarı katı karıştırma, plazma püskürtme, toz metalürjisi tekniği, difüzyon bağlama
ve sıcak presleme gibi katı ve sıvı faz üretim teknikleri uygulanmaktadır.
3.2.1.4. Metal Matrisli Kompozitlerin Uygulama Alanları
Metal matrisli kompozit malzemeler gerek işlem zorluğu gerekse maliyet dezavantajlarından
ötürü pratik uygulamalardan ziyade, havacılık ve uzay sektörü, savunma sanayi, motor
sporları, otomotiv biyoteknoloji ve tıp gibi maliyetin önemli olmadığı teknolojik alanlarda
yaygın olarak kullanılmaktadır. Aşağıda çeşitli kullanım örnekleri verilmektedir:
Havacılık ve Uzay Sektörü:
Uzay yapıları ve antenler: B/Al, B/Mg, Gr/Mg
Uçak gövde ve iç donanım parçaları: B/Al, SiC/Al, Gr/Al
Helikopter parçaları: B/Al, SiC/Al, Gr/Al, Gr/Mg, Al2O3/Mg, Al2O3/Al
Otomotiv:
Motor blokları SiC/Al
Pistonlar SiC/Al
Biyeller SiC/Al
Akü plakaları Gr/Pb
Tıp:
Protezler B/Al, SiC/Al
Tekerlekli sandalyeler B/Al, SiC/Al
3.2.2. Seramik Matrisli Kompozit Malzemeler
Seramik kelimesi yunanca pişirilmiş eşya anlamına gelen "keramos" kelimesinden
gelmektedir. Seramik üretimi eski çağlardan beri gerçekleşmekte olup arkeolojik buluntular
seramik üretiminin milattan önce 6500 yıllarına dayandığını göstermektedir. Seramik
malzemeler farklı bileşimde kristal ve cam yapılı fazlan içermekte ve genellikle porozite
(gözenek ) ihtiva etmektedir. Bu farklı yapı bileşenlerinin miktarı ve dağılımları seramik
malzemelerin özelliklerini önemli ölçüde etkilemektedir. Örneğin yapıda mevcut fazların
yerleşim düzenini değiştirmek, yalıtkan olan seramik malzemelerin geliştirilmesi konusunda
ana fikir, mikro yapı üzerine yoğunlaşmıştır. [12]
Seramik endüstrisinin en önemli özelliği bir çok diğer endüstrilerin temel taşlarından biri
olmasıdır. Örneğin refrakterler, metalürji endüstrisinin, cam, inşaat, elektronik ve uranyum
oksit yakıtlar, nükleer güç santrallerinin en önemli bileşenlerinden biridir. Çeşitli özel
seramikler, bilgisayar ve diğer birçok elektronik devrelerin yapı bileşenleridir. Günümüzde
seramikler konusunda araştırma ve geliştirme konularına büyük önem verilmektedir. Seramik
malzemelere ilginin artmasının başlıca nedenleri şöyle sıralanabilir: Yüksek sıcaklıklara
dayanıklılık, kimyasal kararlılığın yüksek olması, çok sert olmaları, metallerden hafif olmaları
( % 40 mertebesine varan ), hammadde olarak bol miktarda bulunması ve genellikle metallere
kıyasla ucuz olması, pahalı ve stratejik malzemelere ihtiyaç göstermemesi, erozyon ve
aşınmaya karşı dayanıklı olması, oksitlenmeye karşı dirençlerinin yüksek olması, sürtünme
katsayısının düşük olması, basma dayanımının yüksek olması, düşük yoğunluk ve yüksek
elastisite modülüne sahip olmaları.
Bütün bu özelliklere rağmen seramik malzemelerin en önemli özelliği gevrek karakterde
olmasıdır. Ayrıca çok düşük kopma uzaması ve kısıtlı kayma sistemlerine sahiptirler.
Geleneksel seramiklerin yerini yeni seramikler almaktadır. Bu seramikler günümüzde "ince
seramikler veya ileri teknoloji seramikleri" olarak adlandırılmaktadır. Bu terimlere ilave
olarak son senelerde gelişen seramiklere ileri seramikler, yüksek performanslı seramikler, ileri
teknoloji seramikleri, mühendislik seramikleri gibi terimler kullanılmaktadır. İleri teknoloji
seramiklerinin geleneksel seramiklerden farkları başlıca hammadde, üretim yöntemleri ve
mikroyapı açısından bariz farklılıklar göstermektedir. Geleneksel seramikler doğal
hammaddelerden üretilirken, ince seramiklerin hammaddesi sentezleme yöntemiyle yapay
olarak hazırlanmaktadır. Bunun nedeni, yapay hammaddelerin istenmeyen maddelerden
arındırılmış olarak çok saf halde ve istenilen fiziksel özelliklerde üretilebilmeleridir. Yapay
hammadde üretiminde de çoğu kez ileri teknoloji yöntemleri kullanılmaktadır. İnce
seramikleri geleneksel seramiklerden ayıran en önemli diğer bir özellik de, ince seramiklerin
pudra halinde çok ince tozlardan üretilmeleridir. Öyle ki, günümüzde üretilen ince
seramiklerde 1 mikron un altında tozlar kullanılmakta ve böylece tamamen yoğun seramikler
üretilmektedir. Dolayısıyla ince seramiklerin mekanik özellikleri geleneksel seramiklerden
çok üstündür.
Seramik matrisli kompozitlerin mekanik özellikleri itibarı ile yüksek mukavemetli, aşınma
dirençli, düşük termal
genleşme katsayılı, kendi kendine yağlayabilen malzemeler olması onların özellikle kesici
takımlar, aşındırıcılar, türbin kanatları, katı yağlayıcılar, hassas cihazların parçaları şeklinde
kullanılmalarını sağlar. Diğer yandan termal özelliklerinin yüksek olması ısı iletimi, ısı
toplama, refrakter özellikleri sayesinde, elektrot malzemesi, yüksek sıcaklık fırın astarı,
elektronik parçalar için ısı yutucular şeklinde kullanılmalarını sağlamaktadır. Bunun yanı sıra
nükleer, optik, manyetik, elektrik, biyolojik özellikleri de söz konusudur ve bu sayede çok
özellikli alanlarda kullanılmaktadırlar.
Seramiklerin üstün sürünme özellikleri bu malzemelerin dizel ve otomobil parçaları, türbin
kanatları ve rotor olarak kullanılma potansiyelini gündeme getirmiştir. Bu durum
gerçekleşirse dizel motorun çalışına sıcaklığı 70°C den 1100 °C ye çıkabilecek ve bu da
motorun verimini % 50 oranında arttıracaktır. Diğer taraftan motor parçalarına uygulanan
kısmen stabilize edilmiş zirkonya gibi oksit kaplamaların termal genleşme katsayısının dökme
demire çok yakın olduğu saptanmıştır. Günümüzde birçok dizel motoru parçalarında (yanma
odası cidarı, silindir gömlekleri ve başlığı, egzoz bölgesi kullanılmaktadır. Gaz türbinlerinde
kanatlar tamamen soğutma sistemi gerektirmeyen Si3N4 seramikten yapılmakta ve bu
türbinin günümüzde kullanılan Ni esaslı süper alaşımlara kıyasla daha verimli çalışması
mümkün olmaktadır. Seramik yataklar yağlamaya gerek kalmadan yüksek devirde
çalışabilmektedir. Silisyum nitrürden yapılmış türbin tekerleği ve turbo charger kaplaması
halen deneme aşamasındadır. “Seramik turbo charger”ler halen kullanılmakta olan
konvansiyonel nikel alaşımlardan % 40 daha hafiftir. Bunun avantajı motorun dönmesi için
daha az. egzoz gazı alması ve dolayısıyla motorun kontağı çalışır çalışmaz turbo charger
harekete derhal geçmesi ve arabanın anında ivme kazanmasını sağlamasıdır. 21. Yüzyıla
kadar, jet motorlarındaki metalik parçalar tamamen seramik kompozitlerle değişeceği tahmin
edilmektedir. Böylece jet motorlarının çalışma sıcaklığı 1500 °C ye ulaşabilecektir. İleri
seramiklerin sertlikleri yüksek olduğundan aşınmaya dayanıklı ideal malzemelerdir. Bu
özelliklerinden dolayı, ileri seramikler makine takımlarını kaplamada, tamamen seramik
makine takımlarında, tekstil makinelerinde iplik geçen makaralarda, melal şekillendirme
kalıplarında ve daha pek çok benzeri yerlerde kullanılmaktadır. Halen makine takımlarının %
2-3 ü tamamen seramiktir. Kesici takımlardan aranan özellikler: Aşınmaya karşı yüksek
direnç, sıcaklıkta sertliği koruyabilme ve tokluğun yüksek olmasıdır. Bu bağlamda seramik
matrisli kompozitlerin kesici takını olarak kullanılmaları için pek çok üstün özellikler söz
konusu olmaktadır. Tablo 3.2.’de çeşitli seramik malzemelerin mekanik özellikleri verilmiştir.
Tablo 3.2. Çeşitli Seramiklerin Mekanik Özellikleri [21]
3.2.2.1. Seramik Matrisli Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması
Seramik matrisli kompozit malzemeleri cam-seramik ve seramik-metal sistemleri olarak ikiye
ayırmamız mümkündür.
3.2.2.1.1. Cam - Seramik Sistemleri
Cam seramik malzemeler özgül ağırlığının düşük olması, yüksek sıcaklıklara dayanıklılık, ısıl
şoka, oksidasyona ve korozyona karşı dirençli olmaları nedeniyle kompozit malzemelerde
matris olarak kullanılmaktadır. Düşük yoğunluk ve yüksek sıcaklık performansına sahip
malzemelerin en önemli uygulama alanlarından birisi jet motorlarında kullanılan türbin
kanatçıklarıdır. Günümüzde bu tür parçaların üretiminde kullanılan metal ve alaşımlarının
ergime dereceleri, kullanılması düşünülen uygulamanın maruz kalacağı sıcaklıklardan 200ºC
daha düşük olması cam seramik matrisli kompozitleri daha avantajlı hale getirmektedir. Bu
tür uygulamalarda birçok malzeme üzerinde çalışmalar ve denemeler yapılmakta ve yıllardır
kullanılmaktadır. [21]
3.2.2.1.2. Seramik – Metal Sistemleri
Bu tür kompozitler, çok fazlı bir yapıya sahiptirler. Bir metal faz, bir seramik faz, bir gözenek
fazı ve daha çok karmaşık formlarda seramik ve metalin ilave fazlarından meydana gelmiştir.
Endüstride kullanılan ve elmas olarak adlandırılan kesme aletleri en iyi örneklerdir. Bir kobalt
matris içine dağılmış tungsten karpit parçalarından oluşan bu kompozit malzeme büyük bir
dayanım sağlamaktadır. [21]
Seramik matrisli kompozitlerin uçaklarda uygulamalarına örnek olarak; alçak basınç türbin'e
(LPT, Low Pressure Turbine) ait sabit parçalarda (egzoz gömleği, flapler, v.b.) kullanılabilir.
SNECMA M88 motorunda egzoz flapleri (Kapakları) seramik katmanlı kompozittir. Yüksek
sıcaklıktaki mükemmel mukavemet değerlerine bağlı olarak, uzay roketi motorları, sandviç
zırhlar, çeşitli askeri amaçlı parçalar imali ile uzay araçları bu ürünlerin başlıca kullanım
yerleridir. [8]
Seramik matrisli kompozitlerin kullanılmaya başladığı alanlardan biri de fren diskleridir
(Şekil 3.4.). Bu disklerin üstünlükleri ise şöyle sıralanabilir:
*Isı hassasiyetinin olmayışı yani mevsimlere göre kullanım performansının değişmiyor oluşu
*Çok daha geniş bantta daha yüksek torkları kaldırabilmesi
*Uzun ömürlü olması
*Maliyetinin diğer kompozit uygulamalardan düşük olması
*Kopma geriliminin yüksek oluşu
*Fren hassasiyeti ve sürücüye verdiği algılamanın daha iyi olması
*Fren performansının yüksekliği
Şekil 3.4 Bir Seramik Matrisli Kompozit Fren Diski [21]
3.2.3. Karbon-Karbon Kompozitler
Karbon-karbon kompozitler (CC) polimer matrisli kompozitlerin grafit/epoksi ailesine benzer,
genel bir türdür. Karbon - karbon kompozitler, karbon esaslı matris içersine karbon
fiberlerinin yerleştirilmesi ile üretilmektedir. Böylece, refrakter özelliğinin yanı sıra, yüksek
mukavemet ve tokluk bir arada sağlanmaktadır Bu malzemeler, tek yönlü fiber kullanılarak
bir boyutludan n boyutluya kadar çok çeşitli formlarda yapılabilir. Bu özelliklerinden dolayı
mekanik özellikleri kolayca istenen seviyelere uyarlanabilir. Karbon malzemeler yüksek
dayanım ve sertliklerinin yanında yüksek sıcaklık ve kimyasal dayanım özellikleri de
gösterirler. Bu malzemeler, sayılan üstün özelliklerine rağmen yine de oksitleyici bir ortamda
kullanıldıklarında bir kaplama veya yüzey yalıtım malzemesi ile korunmalıdır. Karbon-
karbon kompozitleri ile ilgili çalışmalar 1958 yılında başlandı ve araştırmalar Birleşik
Devletler Hava Kuvvetleri uzay aracı programı “Dyna-Soar” ve NASA’nın ”Apollo”
projelerinde geliştirilmeye devam etti. [11]
İki bileşeninin de aynı olmasına rağmen bu durum kompozit davranışını kolaylaştırmaz çünkü
matris amorf karbondan grafite kadar değişim gösterebilmektedir. Bu nedenle, karbon -
karbon kompozitlerin özellikleri geniş bir aralıkta değişmektedir.
3.2.3.1 Mekanik Özellikler
Karbon - karbon kompozitlerinin her iki bileşeni gevrek davranış gösterir ve uzamaları %
2'nin altındadır. % 2'nin üzerindeki değerler ancak fiber oryantasyonunun uygulanan gerilme
yönünde olması ile elde edilir, Ticari olarak üretilen farklı karbon - karbon kompozitlerinin
tipik mekanik özellikleri Tablo 3.1.'de verilmiştir.
Tablo 3.3 Ticari Karbon-Karbon Kompozitlerin Tipik Mekanik Özellikleri [26]
3.2.3.2 Üretim Yöntemleri
Karbon - karbon kompozitlerde, genellikle karbon fiberleri primer karbon bileşeni olarak
kullanılır. Karbon fiberleri arasındaki boşluk, başlıca gaz veya sıvı haldeki karbon
hammaddesi emdirilerek doldurulur. Bunlardan sıvı fazla doldurma tekniği daha yaygın
olarak kullanılmaktadır. Gaz fazı ile doldurma yöntemi, daha ziyade bir kaç cm kalınlı_a
varan ince cidarlı parçalara uygulanmakta, buna mukabil kalın parçaların üretiminde sıvı faz
ile doldurma tercih edilmektedir.
3.2.3.2.1 Gaz Fazı İle Doldurma
Bu proseste, fiberlerin üzeri, kimyasal buhar çökelmesi (CVD) sonucu pirolitik karbonla
kaplanır. CVD yöntemi, karbon fiberle dokunmuş malzemenin şeklini bozmadan
uygulanabilir. CVD yönteminde, karbon fiberden dokunmuş ve şekillendirilmiş kumaş, 800
2000°C gibi yüksek sıcaklıkta hidrokarbon gazı (genellikle, metan, fakat propan ve benzen
gibi gazlarda kullanıla bilinir) geçirilerek uygulanır. Gazın parçalanması sonucu oluşan
karbon, malzemenin yüzeyine ve iç kısmına çökelir. Ayrışma sıcaklığına ve gazın girişine
göre üç farklı CVD yöntemi mevcuttur. Bunlar; izotermal, termal gradyan ve basınç gradyanı
yöntemleridir.
3.2.3.2.2. Sıvı Faz ile Doldurma
Sıvı faz ile doldurma yönteminde kullanılacak hammaddenin, karbonizasyon esnasında ağırlık
kaybının az olması ve yüksek karbon içermesi gerekir. Bu özelliklere sahip çeşitli organik
malzeme mevcuttur. Mamafih, prosesin tümü ve istenen nihai özellikler göz önüne
alındığında, kullanılabilecek sadece bir kaç malzeme mevcuttur. Hammaddenin seçiminde,
viskozite, karbonizasyon sonucu içerdiği karbon miktarı, matris mikro yapısı ve matris kristal
yapısı gibi özellikler dikkate alınmalıdır. Tüm bu karakteristikler prosesin, zaman - sıcaklık –
basınç ilişkisine önemli ölçüde etki etmektedir. Pirolia olayından sonra % 40 mertebesinde
karbon içeren çok az sayıda reçine mevcuttur. Bu durum, fenolik ve furan reçinelerinin
seçimini sınırlar. Buna mukabil, poliaril keton, poliyimid ve polifenilen gibi bazı polimerler
gelecek için ümit vaat etmektedir.
Sıvı faz yönteminde kullanılan diğer malzemeler kömür katranı veya petrol esaslı ziftlerdir.
Geleneksel kompozit üretiminde matris malzemesi olarak termoset reçinelerin kullanımı
yaygındır. Genellikle, termoset reçineler, 250°C’ nin altında polimerize olurlar ve önemli
miktarda 3-boyutta karşılıklı bağ oluştururlar. Reçine pirolize edildiğinde camsı, izotropik
karbon oluşur ve 3000°C sıcaklıklara kadar grafitleşmez. Reçinenin genellikle ağırlığının %
50-60'_ı kadarı karbona dönüşür. Karbon miktarının düşük olması nihai karbon kompozitinin
yoğunluğunu sınırlar. Fakat grafit olmayan matrisin istendiği pek çok uygulamalar da
mevcuttur.
4. POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER
Plastik matrisli kompozit malzemeler, kompozit malzemeler içerisinde en yaygın olarak
kullanılanlardır. Otomotivden havacılığa, inşaattan spor malzemelerine kadar çok geniş bir
kullanım alanına sahiptirler. Genel olarak bir plastik matrisli kompozit malzeme polimer
esaslı bir matris fazına çeşitli yöntemlerle ilave edilen takviye malzemelerinden oluşmaktadır.
Polimerik matrisler olabildiğince hafif ve dayanıklı tasarımların istendiği durumlarda çokça
kullanılmaktadır. Polimer matrislerin yaygın olarak kullanılmasının başlıca nedenleri ucuz
olmaları, tasarım serbestliği ve üretim kolaylığı gibi özellikleridir. Öte yandan düşük çalışma
sıcaklığı, sürünme direnci ve modüle sahiptirler. Kovalent bağlı olduklarından elektrik
iletkenlikleri yoktur. Plastik malzemelerin olumsuz özelliklerini en aza indirerek olumlu
özelliklerinden daha geniş alanlarda faydalanmak amacıyla uygun özellikte kompozit
malzemelerin üretilmesi için çalışmalar yapılmaktadır.
Kompozit malzeme tasarım sürecinin ilk basamakları matris malzemesi ve üretim yönteminin
belirlenmesidir. Plastik matrisli kompozitlerde matris malzemesi seçilirken mekanik
özellikler, korozyon geçirgenliği ve yanıcılık göz önünde tutulur. Kompozit malzemenin
korozyon geçirgenliği özelliğinde belirleyici unsur matris malzemesidir. Ancak, örneğin
karbon fiberler kimyasal olarak inert olmalarına karşın, matris malzemesinin niteliği
bozulduğu takdirde, kompozit malzemenin bütünlüğü tehlikeye girer. Bu nedenle tasarım
sürecinde uygun bir reçine seçimi yapılmalıdır. [6]
4.1. Polimer Matris Malzemeleri
Kompozit malzemelerde matrisin üç ana görevi vardır; elyafları bir arada tutmak, yükü
elyaflara dağıtmak ve elyafları çevresel etkilerden korumaktır. Kompozit malzemelerde yükü
taşıyan elyafların fonksiyonlarını yerine getirmeleri açısından matrisin mekanik özelliklerinin
rolü çok büyüktür. Matris malzemesi, taşınacak yükü tüm elyaflara eşit olarak dağıtır. Kesme
yükü altındaki bir gerilmeye dayanım, elyaflarla matris arasında iyi bir yapışma ve matrisin
yüksek kesme mukavemeti özelliklerini gerektirir. Polimer esaslı kompozit malzemelerde
matris malzemesi termoset ve termoplastik olabilmektedir.
Bu bölümde polimer esaslı matris malzemelerinin özellikleri işlenecek, daha sonra takviye
malzemeleri ve üretim yöntemleri ele alınacak, ilave malzemelerin fiziksel ve mekanik
özelliklere yaptığı etkiler karşılaştırmalı olarak incelenecektir.
4.1.1. Termoset Matrisler
Termoset matrisler geri döndürülemez bir kimyasal dönüşümle şekillendirilirler. Amorf ve
çapraz bağlı yapılardır. Termosetler, düşük viskoziteye sahiptir. Bu özellikleri sayesinde çok
iyi fiber takviyesini çok iyi emprenye ederler ve yüksek işlem hızlarında çalışmaya olanak
sağlarlar. Düşük maliyetleri ve üretim kolaylıkları sayesinde en yaygın kullanılan matris
sistemleri termoset reçinelerdir. Deniz araçlarının imalinde, otomotiv sanayinde, inşaat
sektöründe, depo, tank, boru ve mobilya imalinde bu malzemeler ekonomik olduğundan
dolayı ve aranan özellikleri taşıdıklarından dolayı büyük önem kazanmışlardır. En büyük
dezavantajları ise geri dönüşümlerinin olmayışıdır.
Termoset malzemelerde raf ömrü; saf reçinenin bozulmadan saklanabileceği zamana verilen
addır. Malzemenin mevcut raf ömrünü koruyabilmesi için soğutulmuş ortamda saklama
önerilmektedir.[6] Termosetler, uzun bir zaman periyodu içinde kendi kendilerine jelleşmeye
(gel) uğrarlar. Üretim esnasında jelleşmeyi geciktirmek için küçük oranlarda bazı inhibitörler
de kullanılır. En çok kullanılan termoset malzemeler; polyesterler, vinil esterler, epoksiler ve
Fenolik reçinelerdir. Bunun yanında silikon reçineler de kullanılmaktadır. [5]
4.1.1.1. Polyester Reçineler
Polyester reçineler, sitren gibi reaktif bir monomerde çözülmeyen düşük viskoziteye sahip
malzemelerdir. Isı ve tetikleyici ilavesiyle doymamış monomer ve doymamış polimer
arasında oluşan çapraz bağlı bir reaksiyon ile düşük viskoziteli malzeme, 3 boyutlu bir
termoset plastiğe dönüşür. Doymuş ve doymamış bileşenlerin oranı, çapraz bağların
derecesini ve dolayısıyla malzeme rijitliğinin kontrolünü sağlar. Kullanılan monomer tipi de
polyester reçinenin ısıl performansını önemli ölçüde etkiler. [6]
Polyester reçineler UV ışınlarına iyi direnç gösterebilecek şekilde elde edilebilir ve birçok
açık hava uygulamasında kullanılabilir. Ayrıca kimyasal direnç gerektiren uygulamalarda da
kullanılabilmektedir. Koruyucu tanklar, borular, kanallar gibi korozyon direnci gerektiren
ortamlarda polyester malzemelere sıkça rastlanır. Ayrıca polyesterler, düşük maliyet ve kolay
imal edilebilirlikleri nedeniyle de tercih edilmektedirler. En önemli dezavantajı ise kompozit
uygulamalarında elyaf-matris bağının zayıf olmasıdır.
4.1.1.2. Vinil Ester Reçineler
Vinil ester reçineler, polyesterlere benzemekle birlikte polyesterlere kıyasla daha yüksek
mekanik özelliklere sahiptir. Elyaf-matris arasındaki bağ mukavemeti güçlendirilmiştir. 121
°C’ ın üzerinde çalışılabilen çok çeşitli vinil ester reçineleri bulunmaktadır. Asit çözeltilerine,
alkalilere, çözücülere, perokside karşı kuvvetlidir. Brom ilave edilmiş çeşitleri ise yanmayı
geciktirici özelliğe sahiptir. Maliyetleri de polyester ve epoksilere yakındır.
4.1.1.3. Epoksi Reçineler
Epoksi reçineler çok amaçlılıkları, yüksek mekanik özellikleri ve yüksek korozyon dirençleri
sebebi ile son derece geniş bir uygulama alanına sahiptirler. Epoksilerin kendini çekme
özelliği diğer malzemelerden daha düşüktür. ( % 1.2- % 4 hacimsel ) Bu durum, yapışkan
epoksilerin yapışkan olarak kullanıldıklarında gösterdikleri yüksek bağ karakteristiklerini
açıklamaktadır. Epoksiler diğer polimer matrislere kıyasla sudan ve ısıdan daha az
etkilenirler. Epoksi reçineler 5 ila 150 °C arasında gerçekleştirilebilen kolay kür işlemleri
sebebiyle de tercih edilmektedir.
Epoksiler iki ya da daha fazla epoksit içeren bileşenlerden oluşurlar. Polifenol’ün epikloridin
ile bazik şartlarda reaksiyonu sonucu elde edilirler. Viskoz ve açık renkli bir sıvı
halindedirler. Epoksilere uygulanan kür işlemleri ile yüksek sıcaklıklara dayanımları 150
200ºC’ a artırılabilir. Saydam ve yapışkan hal amorf polimerlerin karakteristiğidir. Tüm
polimerler düşük sıcaklıklarda saydamlaşırlar ve yüksek sıcaklıklarda kauçuklaşırlar. Geçişin
meydana geldiği sıcaklık aralığına “Camsı geçiş sıcaklığı ” adı verilir. Camsı geçiş sıcaklığı
maksimum çalışabilme sıcaklığının bir ölçüsüdür. 100 ºC’ a arttırılabilir. 150-250 ºC arasında
uygulanacak bir kür ile 150-250 ºC arasında maksimum çalışma sıcaklığı sağlanabilir. Kür
işlemleri uygun katalizörlerin kullanılması ile hızlandırılabilir.
Epoksilerin en önemli kullanım alanlarından biri havacılık uygulamalarıdır. Epoksiler,
uçaklarda kullanılan bal peteği sandviç yapılarda yapıştırıcı malzeme olarak, roket ve hava
araçlarındaki tabakalı kompozit uygulamalarda sıkça kullanılmaktadır. Plastik kompozit ve
metal deniz araçlarının ve otomobillerin yapımında ve tamirinde de kullanım olanağı vardır.
Yol ve yapı uygulamalarında ziftleme ve yalıtım malzemesi olarak da (yüksek kimyasal
direnç gerektiğinde) kullanılırlar. Epoksiler dökümde prototip uygulamalarında, basınçlı
kalıplama işlemlerinde de kullanılabilirler. Bir diğer kullanım alanı ise elektriksel
uygulamalarda mükemmel bir yalıtım malzemesi olarak kullanılır. Epoksilerin maliyeti
reçinenin özelliğine bağlı olmakla birlikte genelde polyester ve vinil esterlerden biraz daha
pahalıdır.
En çok kullanılan termoset reçinelerin çeşitli özellikleri tablo 4.1.’de görülmektedir.
Tablo 4.1.. Bazı Termoset Plastik Matris Malzemelerinin Özellikleri [8]
Özellikler
Epoksi
Polyester FenolikOda Sıc.
Kürlenmiş
Yük. Sıc.
KürlenmişGelişmiş
Özgül ağırlık(gr/cm3) 1,1-1,3 1,2-1,4 1,3 1,2 1,2-1,3
Elastik modül (GPa) 2-3 2,5-3,0 3,5 2-3 5-11
Çekme Mukavemeti
(MPa) 50-70 70-90 60 50-60 50-60
Kop. Uzaması (%) 2-6 2-5 2 2-3 1,2
Maks. İşlem sıc. (oC) 70-100 100-180 180 60-80 100-125
4.1.1.4. Fenolik Reçineler
Fenolik reçineler, diğer düşük maliyetli reçinelere kıyasla yüksek yanma direncine sahiptir.
Buna ilaveten, sıcaklık değişimleri altında yüksek boyutsal kararlılık ve iyi yapıştırıcı
özellikleri de vardır. Fenolik reçineler havacılık, yük taşıma araçları ve içyapı
uygulamalarında kullanılır. Polyesterlerle rekabet edebilecek düşük maliyetlere sahiptir. En
önemli dezavantajları ise diğer matris malzemelerine göre mekanik özelliklerinin düşük
olmasıdır. Kür işleminin buharlaşma özelliği hava boşlukların oluşmasına ve yüzey kalitesinin
düşmesine neden olur. Yaş halde oldukça zararlı bir malzemedir. [6]
4.1.1.5. Diğer Termoset Reçineler
Yukarıda anlatılan termoset reçinelere ek olarak daha az kullanılan ama çeşitli spesifik
özelliklerinden dolayı bazı alanlarda kullanılan termoset reçineler bu bölümde verilecektir
Bismaleimid (BMI); Uçak motorlarında ve yüksek ısıya maruz kalan parçalarda kullanılır.
Son derece yüksek isi dayanımının yani sıra (yaşken 230°C, kuru halde 250°C) çok yüksek
maliyeti vardır(80 $/kg)
Silikon; yüksek ateş dayanımı, yüksek ısılarda ürün özelliklerini koruyabilme ve düşük
maliyete sahiptir (30 $/kg.dan az). Fakat kür işlemi için yüksek ısı gereklidir.
Siyanat Ester; Esas olarak uçak endüstrisinde kullanılır. Mükemmel yalıtkanlık özelliğine
sahiptir. Yaş durumda 200ºC’ ye kadar dayanımı vardır. [2]
Furan Reçineler; Reaksiyondan viskoz koyu kahverengi bir şurup elde edilir. Bu şurup ısı ve
katalizör ile sertleştirilecek olursa çok yüksek kimyasal dirençli katı ve erimeyen ürünler
üretilebilir. Oldukça zararlı bir bileşim olduğundan kullanılması pek tercih edilmez.
Termoset reçinelerin belli avantajlarının yanında olumsuz özellikleri de mevcuttur. Bu
özellikler Tablo 4.2.’de karşılaştırmalı olarak verilmiştir.
Tablo 4.2. Termoset Malzemelerin Avantaj ve Dezavantajları [5]
4.1.2. Termoplastik Matrisler
Bir termoplastik polimer, işlem esnasında herhangi bir kimyasal değişime uğramaz. Bunun
yerine polimer, işlem görmek için yumuşatılır, şekil verme işlemi tamamlandıktan sonra
tekrar katılaşmaya bırakılır. Termoplastiklerin şekillendirme sıcaklıklarındaki yüksek
viskoziteleri işlem yapmayı zorlaştırıcı bir etki yapmaktadır.[6]
Termoplastik polimerlerinin çeşitlerinin çok fazla olmasına rağmen matris olarak
kullanılanları sınırlıdır. Termoplastikler düşük sıcaklıklarda sert halde bulunurlar,
ısıtıldıklarında yumuşarlar. Termosetlere göre matris olarak kullanımları daha az olmakla
birlikte üstün kırılma tokluğu, yüksek sertlik ve çarpma dayanımı özellikleri, hammaddenin
raf ömrünün uzun olması, geri dönüşüm kapasitesi ve sertleşme süreci için organik çözücülere
ihtiyaç duyulmamasından dolayı güvenli çalışma ortamı sağlaması gibi avantajları
bulunmaktadır. Bunun yanı sıra termoplastik parça işlem sonrası ısıtılarak yeniden
şekillendirilebilir. Oda sıcaklığında katı halde bulunan termoplastik soğutucu içinde
bekletilmeden depolanabilir. [9]
Termoplastikler yüksek sertlik ve çarpma dayanımı özelliğine de sahiptirler. Yeni
gelişmelerle termoplastiklerin sağladığı bu artı değerleri son dönem termoset matrislerinden
977-3 Epoksi ve 52450-4 BMI reçineleri de sağlamaktadırlar.[6]
PEEK, yüksek performans uygulamalarında en çok kullanılan termoplastik matris
malzemelerinden biridir. Çok yüksek kırılma tokluğu ve darbe dayanımına sahiptir. PEEK,
epoksilerin çoğuna kıyasla oda sıcaklığında sıvı geçirgenliği çok düşük (ağırlığının %5 i
kadar) yarı kristal özellikte bir termoplastiktir. Polifilen sülfit (PPS) kimyasal direnci çok
yüksek başka bir yarı kristal termoplastiktir. Polyetermid (PEI) ve Poliamidimid (PAI) matris
malzemesi olarak kullanılan ve yüksek camsı geçiş sıcaklığına sahip amorf termoplastiklerdir.
En yoğun çalışmalar ise PA, PBT/PET ve PP gibi düşük sıcaklıklarda kullanılan polimerlerin
üzerine yapılmıştır. Tüm bu polimerlerin haricinde ABS, SAN, SMA (StirenMaleikAnhidrit),
PSU (Polisülfon), PPE (Poifenilen Eter) matris olarak kullanılır. Termoplastik malzemelerin
kullanımında en önemli özelliklerden biri işlem sıcaklıkları olduğundan Tablo 4.3.’de yaygın
olarak kullanılan bazı termoplastiklerin işlem sıcaklıkları verilmiştir.
Tablo 4.3. Bazı Termoplastik Malzemelerin İşlem Sıcaklıkları [8]
Malzeme Erime Derecesi Aralığı (oC) Maksimum İşlem Sıcaklığı (oC)PP 160-190 110PA 220-270 170PES - 180PEI - 170PAI - 230PPS 290-340 240PEEK 350-390 250
Termoplastiklerin kompozit malzemelerde matris olarak tercih edilmemelerinin başlıca
nedeni üretimindeki zorlukların yanı sıra yüksek maliyetidir. Oda sıcaklığında düşük işleme
kalitesi sağlarlar, bu onların üretimde zaman kaybına yol açmasına neden olur. Termoplastik,
reçineler malzemenin çekme ve eğilme dayanımlarının artırılması için kullanılırlar. Bazı
termoplastikleri istenilen şekillere sokabilmek için çözücülere ihtiyaç duyulabilir.
Termoplastiklerin hammaddesi, termosetlere kıyasla daha pahalıdır.[8]
Otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan termoplastikler uçak sanayisinde de yüksek
performanslı malzeme çözümlerinde kullanılmaktadırlar. Çoğunlukla enjeksiyon ve
ekstrüzyon kalıplama yöntemleri ile üretilen termoplastiklerin üretiminde GMT (Glass Mat
Reinforced Thermoplastics / Preslenebilir Takviyeli Termoplastik) olarak da üretilmektedir.
Bu yöntemle hazırlanan takviyeli termoplastikler soğuk plakaların preslenebilmesi ve geri
dönüşüm sürecine uygunluğundan dolayı özellikle otomotiv sektöründe tercih edilmektedir.
4.2. Polimer Matrisli Kompozitlerde Kullanılan Takviye Malzemeleri
Plastik matrisli kompozit malzemelerde takviye malzemesi olarak sürekli ve süreksiz elyaflar
kullanılmaktadır. Elyaflar düşük yoğunlukları ve mekanik dayanımlarının yüksek olması
nedeniyle tercih edilirler. Fiber malzemeler, hammadde halindeyken bu mekanik özelliklerini
gösteremezken, fiber formundayken son derece yüksek gerilme mukavemetlerine
ulaşabilmektedirler. [6]
Elyaflar tek yönlü kompozitlerde çok sayıda takviye malzemesinin ince bir plakaya dizilmesi
ile sürekli takviye olarak kullanılır. Tek yönlü tabaka, elyaf yönünde maksimum mekanik
özelliklere sahiptir. Eğer her yönde bu özellikler aranırsa rastgele yönlendirilmiş elyaflar
kullanılır.
Ayrıca, elyafların yüksek performanslı mühendislik malzemeleri olmalarının nedenleri
aşağıda verilen özelliklere de bağlıdır;
Üstün mikroyapısal özellikler, tane boyutlarının küçük oluşu ve küçük çapta
üretilmeleri.
Boy/çap oranı arttıkça matris malzeme tarafından elyaflara iletilen yük miktarının
artması
Elastisite modülünün çok yüksek olması [8]
Polimer esaslı kompozit malzemelerde en çok kullanılan takviye malzemeleri; cam elyaflar,
karbon elyaflar, organik elyaflar ( Aramid- Kevlar ), Bor elyaflar ve Silisyum Karbürler
(SiC)’dir. Takviye malzemesi seçiminde göz önüne alınacak unsurlar, istenen mekanik ve
çevresel etkilere dayanım özellikleri ve maliyetidir.
4.2.1. Cam Elyaflar
Cam elyafın esasını silis-kum (SiO2) meydana getirmektedir. Diğer bileşenler ise sodyum
kalsiyum, magnezyum, alüminyum, baryum ve demir gibi elementlerin oksitlerinden oluşur.
Cam elyaflar, sıradan bir şişe camından yüksek saflıktaki kuarts camına kadar pek çok tipte
imal edilirler. Polimer esaslı kompozitlerde kullanılan en yaygın ve ucuz takviye elemanıdır.
Cam elyaf üretimi için, öncelikle hammaddeler elektrik fırınlarında yaklaşık 1200-1500 °C de
ergitilir. Daha sonra ergiyen malzeme platin alaşımlı bir potanın tabanındaki binlerce delikten
ve devamında bir soğutma bölgesinden geçirilir. Daha sonra prosese uygun olarak
yerleştirilmiş bir sarma sitemi ile lifler yüksek hızlarda (20-70 m/s gibi…) çekilerek 5-20
mikron kalınlığında lifler elde edilir.(Şekil 4.1.- 4.2.) Bu lifler demet haline getirilmeden önce
bağlayıcı adı verilen bir kimyasal bileşim ile kaplanır. Bağlayıcı cinsi, kompozit malzeme
içinde cam elyafının performansını etkileyen en önemli faktörlerden birisidir. Kompozitin
mukavemeti, reçine-cam bağının kuvveti ile orantılıdır. Bu bağın kuvveti, kullanılan bağlayıcı
içindeki bağlama gruplarının cinsine bağlıdır. Bağlayıcı; film oluşturucu, bağlama grupları,
anti statik katkı, plastifiyan ve lübrikant adı verilen malzemelerin karışımından oluşmaktadır.
[5]
Şekil 4.1 Cam Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü [5]
Şekil 4.2 Cam Elyaf Üretimi Makara Kısmının Ayrıntılı Görünüşü [5]
Cam elyaf takviyesi plastik kullanılan işlerin %90’ında yer alır. Nedeni ise ucuz olması ve
bununla birlikte iyi bir ağırlık/mukavemet oranı vermesidir. Cam elyafı iyi bir kimyasal
direnç ve kolay işlenebilirlik gösterir. Çekme mukavemetleri mükemmeldir. Buna rağmen
uzun süreli yükler altında kaldıklarında bozulabilirler. [3]
Kullanılan taşların tiplerine göre değişik cam elyaf tipleri oluşturulabilir. Genel olarak 4 adet
cam elyaf tipi bulunur. Bunlar;
A (Alkali) cam elyaf; Yüksek oranda alkali içeren bir camdır. Bu nedenle elektriksel
yalıtkanlık özelliği kötüdür. Kimyasal direnci yüksek olan A camı, en yaygın cam
tipidir.[8]
E (Elektrik) cam elyaf; alümina, kireç ve borosilikat ana malzemesidir. Çekme, basma
mukavemeti ve elektrik özellikleri iyidir. Diğerlerine göre daha ucuzdur fakat darbeye
karşı dayanımı azdır.
C (Korozyon) cam elyaf; Kimyasal etkilere karşı dayanıklıdır. Genellikle kimyasal ya
da su borularında veya tanklarda iç yüzey katı olarak kullanılır.
S (Mukavemet) cam elyaf; E camından daha iyi çekme mukavemeti ve modülüne
sahiptir. Islak halde de yüksek mukavemet özellikleri gösterir. Genelde uzay ve
savunma endüstrisinde ve ağı balistik kalkanlarının imalatında kullanılır. E cama göre
pahalıdır. (Tablo 4.4.) [3]
Tablo 4.4 Çeşitli Cam Liflerin Özellikleri [8]
ÖzelliklerCam Tipi
A C E S
Özgül Ağırlık (gr/cm3) 2,50 2,49 2,54 2,48
Elastik Modül (Gpa) - 69,0 72,4 85,5
Çekme Mukavemeti (Mpa) 3033,0 3033,0 3448,0 4585,0
Isıl genleşme katsayısı
(m/m/oCx10.6) 8,6 7,2 5,0 5,6
Yumuşama sıcaklığı (oC) 727,0 749,0 841,0 970,0
Katkı Malzemeleri (%)
SiO2 72,0 64,4 52,4 64,4
Al2O3, Fe2O3 0,6 4,1 14,4 25,0
CaO 10,0 13,4 17,2 -
MgO 2,5 3,3 4,6 10,3
Na2O, K2O 14,2 9,6 0,8 0,3
Keçeler, genellikle birim alan ağırlığı ile ifade edilmektedir. Örneğin; 300-450 gr/m2
kırpılmış demetten keçenin birim alan ağırlığı 300-450 gr. olacaktır. Keçede elyaflar 7-10 cm.
boylarında olup rastgele yerleştirilmiştir. Düşük elyaf uzunluğu sebebiyle çok güçlü değildir.
Buna rağmen izotropiktir. Bu özelliğe sahip tek elyaf çeşididir. En ucuz ve en çok kullanılan
takviye şeklidir. Kalıp ve parça imalatında kullanılır. Çok sayıda bükümlü veya bükümsüz
iplikler kullanılarak üretilen dokunmuş cam kumaşlarda mevcuttur. Bu kumaşlar farklı
dokuma çeşitleri olup dört yönde ve farklı birim ağırlıklarda üretilirler. Bu kumaşlardan
yönlendirilmiş mukavemet ve yüksek elyaf oranı elde edilebilir. Ayrıca, reçine
uygulandığında kumaş kalıp içerisinde sürüklenmez, sabit olarak kalır. Kumaşlar hem elyaf
oranı olarak hem de takviyenin yerleşimi bakımından gerekli ürün özelliklerini
karşılamaktadır. Birçok kumaşta, elyafın devamlılık özelliği sayesinde mukavemet/ağırlık
oranı, keçe elyaflara göre daha yüksektir. Kumaşlarda kendi aralarında dokunmuş ve dikilmiş
kumaşlar olmak üzere iki sınıfa ayrılırlar:
Dokunmuş kumaşlar yaklaşık elli yıldan beri kompozit endüstrisinde kullanılmaktadır.
Dokunmuş kumaşlar sıkı örülmüş cam elyafından bir plaka oluşturur. Cam fitillerinin
bükümsüz olarak dokunmasıyla veya bobin üzerine sarılmadan önce tekstil bağlayıcılı ve
devamlı cam elyafın bükümlü hale getirilmesi ile elde edilen tekstil ipliklerinin dokunması ile
elde edilen ürünlerdir. Cam lifleri kalıp üzerine yerleştirildikten sonra veya önce de reçine
emdirilebilir. Dokunmuş kumaşlar dokuma tipine göre farklı isimlerde tanımlanabilir.
Genellikle bir kumaşın mekanik özellikleri, dokuma tarzından büyük ölçüde etkilenmektedir.
Örneğin düz dokuma kumaşlar çok sayıda atkı ve çözgüye sahip olup düşük mekanik
özelliklere sahiptir. [3]
Dikilmiş kumaşlar ise takviye ürünleri alanına yeni katılan bir üründür. Bu kumaşlar
“dokunmamış” olarak da bilinir. Farklı yönlerdeki elyaf kumaşları takviye performanslarına
katkıda bulunmayan çok ince polyester iplikle dikilerek birleştirilir. Bu tür kumaşlar, eşit
ağırlıktaki dokunmuş kumaşlarla karşılaştırıldığında daha yüksek performans ve mekanik
değerlere sahiptir.
4.2.2. Karbon Elyaflar
Ülkemizde henüz gelişme sürecini yaşayan CTP'lerin dünyadaki gelişim ve yaygınlaşması
büyük ölçüde doyma düzeyine ulaşmıştır. 1960'lı yıllarda ortaya çıkan ve henüz gelişme
aşamasını yaşayan ileri kompozit malzemeler ise ülkemizde yeni yeni tanınmaktadır. Karbon
elyaf 6-10nm çapında, yani insan saçından daha ince olup bileşiminde % 99 karbon bulunan
bir elyaf türüdür. Çelik, alüminyum benzer yapı malzemelerinden farklı olarak alaşım veya
bileşik halinde değildir. Bu siyah renkli elyafın polimer matris içinde kullanılmaya
başlanması ile malzeme biliminde yeni bir dönem açılmış ve günümüzde % 60'ı aşan elyaf
hacim oranlarında karbon takviyeli kompozit malzeme üretimi gerçekleştirilmiştir. Karbon
elyaf, cam elyaf ile karşılaştırıldığında yaklaşık aynı dayanıma sahip olduğu, ancak çok daha
hafif ve rijit olduğu görülür. Bunun yanı sıra karbon elyaf takviyeli kompozit malzemeler son
derece düşük ısıl genleşme, yüksek yorulma dayanımı, yüksek korozyon direnci gibi daha
başka üstünlüklere de sahiptirler. [1]
PAN tabanlı karbon elyaflar kompozit malzemeleri daha sağlam ve daha hafif olmaları için
sürekli geliştirilmektedir. Bu elyaflar ile önce gerdirilerek termoset işlemlerle 400°C’ nin
üzerine ısıtılır. İlk aşama organik malzemenin oksidasyonuna neden olur. Daha sonra
malzeme yaklaşık olarak 800°C’ de vakum altında karbonizasyon işlemine tabii tutulur ve
karbon dışındaki empüritelerden arındırılır. Malzemenin karbonizasyonundan sonra elyaflar
%50 ile %100 arasında gerdirilerek 1100° C ile 3000° C arasında ısıtılarak grafitleştirme
işlemi yapılır. Son olarak elyaflar yüzey işlemlerinden geçerler ve epoksi-fiber bağının
güçlenmesini sağlamak amacıyla epoksi kaplanılar. (Şekil 4.3.)
Şekil 4.3 Karbon Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü [1]
Karbon elyafların bir alt türü olan grafit elyaflar yaklaşık 0.008 mm çapında üretilirler. PAN
esaslı elyaf üretiminde yüksek oranda karbon içeren polyaklironitril ön mamulü kullanılır. Bu
polimerden elyaf elde etmenin esası, ısıl ve mekanik etkilerle karbon dışındaki elementlerin
giderilmesi ve güçlü karbon bağlarının elyaf eksenine getirilmeye çalışılmasıdır. Son
grafitleme işleminin sıcaklığı, grafitleşme oranını ve elyafın özelliklerini önemli ölçüde
etkiler. Kristal yapıya sahip grafit oranı arttıkça elyafın modülü de yükselir. Örneğin, 1400°C
sıcaklıkta ısıl işlem görmüş elyafın modülü 206 GPa iken, 2400°C'ta bu değer 380 GPa'ya
yükselir. Bu sayede değişik özelliklere sahip elyaf üretilmesi mümkün olur.
PAN bazlı elyaflar 2413 ila 3102 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler ve
maliyetleri düşüktür. [8]
4.2.3. Aramid Elyaflar
Aramid kelimesi bir çeşit naylon olan aromatik poliamid maddesinden gelmektedir. Aramid
elyafı piyasada daha çok ticari isimleri Kevlar (DuPont) ve Twaron (Akzo Nobel) olarak
bilinmektedir. Farklı uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için birçok farklı özelliklerde
aramid elyafı üretilmektedir.
Aramidiler -CO-NH-grupları ile aromatik karbon halkaları zincirlerinden oluşur. Polimeri
elyaf haline dönüştürmek için kuvvetli mineral asit, oleum yağı veya klor sülfonik ile
konsantre olmuş eriyik hazırlanır. Bunlar süzgeçten geçirilir ve nötralize edilmiş banyo
içinden iplik olarak çıkar.(Şekil 4.4) Hem meme şekli hem de çekme derecesi başarılı elyaf
üretimi için önemlidir. Elyaflar çekildikten sonra yıkanır, durulanır ve çekme altında 550 °C
sıcaklıklarda azot içinde ısıtılır. [5]
Şekil 4.4. Aramid Elyaf Üretiminin Şematik Görüntüsü [5]
Aramidin mekanik özellikleri grafit elyaflarda olduğu gibi elyaf ekseni doğrultusunda çok iyi
iken elyaflara dik doğrultuda çok zayıftır. Aramid elyaflar düşük ağırlık, yüksek çekme
mukavemeti ve düşük maliyet özelliklerine sahiptir. Darbe direnci yüksektir, gevrekliği
grafitin gevrekliğinin yarısı kadardır. Bu nedenle kolay şekil verilebilir. Doğal kimyasallara
dirençlidir ancak asit ve alkalilerden etkilenir. Bununla birlikte dezavantajları ise şunlardır;
Bazı tür aramid fiberi ultraviyole ışınlara maruz kaldığında bozulma göstermektedir. Sürekli
karanlıkta saklanmaları gerekmektedir. Fiberler çok iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda
reçinede mikroskobik çatlaklar oluşabilir. Bu çatlaklar malzeme yorulduğunda su emişine yol
açmaktadır. [8]
En yaygın olarak kullanılan iki aramid, Kevlar 29 ve Kevlar 49 isimlerini taşımaktadır. Bu iki
tip takviye malzemesinin diğer takviye elyaf türleriyle bir mukayesesi aşağıda verilmiştir;
Her iki Kevlar da 2344 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptir ve kopma
uzaması % 1,8 ’dir.
Kevlar 49’un elastik modülü Kevlar 29’unkinden iki kat fazladır.
Kevlar elyafın yoğunluğu cam ve grafit elyafların yoğunluklarından daha düşüktür.
Kevlar 49/Epoksi kompozitlerinin darbe mukavemeti grafit/epoksi kompozitlere
oranlar yedi kat, bor/epoksi kompozitlere oranla dört kat daha iyidir.
Uçak yapılarında, düşük basma mukavemetleri nedeniyle, karbon elyaflarla birlikte
hibrid kompozit olarak, kumanda yüzeylerinde kullanılmaktadırlar.
Aramid elyaflar elektriksel iletkenliğe sahip değildirler.
Basma mukavemetlerinin iyi olmamasının yanı sıra Kevlar/epoksi kompozitlerinin
nem absorbe etme özellikleri kötüdür. (Tablo 4.5.)
Tablo 4.5. Çeşitli Aramid Fiberlerin Mekanik Özellikleri [8]
Özellik Kevlar 29 Kevlar 49 Kevlar 149 Twaron Technora
Yoğunluk r(g/cm3) 1,44 1,45 1,47 1,44 1,39
Çap (mm) 12 12 12 12 12
Elastik Modülü E(Gpa) 60 120 160 60 90
Spesifik Modül Ef/r (MNm/kg) 42 82 110 42 65
Çekme Diyagramı Rm(Mpa) 3000 3000 2400 2600 2800
Spesifik Dayanımı Rm/r
(kNm/kg) 2080 2070 1630 1800 2010
Maksimum uzama % 3,6 1,9 1,5 3 4
4.2.4. Bor Elyaflar
Bor elyaflar aslında kendi içlerinde kompozit yapıdadırlar. Çekirdek olarak adlandırılan ince
bir flamanın üzerine bor kaplanarak imal edilirler. Çekirdek genellikle tungstendir. Karbon
çekirdek de kullanılabilir ancak bu yeni bir uygulamadır. Bor-Tungsten elyaflar, sıcak
tungsten flamanın hidrojen ve bortriklorür ( BCI3 ) gazından geçirilmesi ile üretilirler.
Böylece tungsten flamanın dışında bir bor plaka oluşur. Bor elyaflar değişik çaplarda
üretilebilirler (0.05 mm- 0.2 mm arasında). Tungsten çekirdek ise daima 0.01 mm çapında
üretilir. Bor elyaflar yüksek çekme mukavemetine ve elastik modüle sahiptirler Çekme
mukavemetleri 2758 MPa ila 3447 MPa'dır. Elastik modül ise 400 GPa'dır. Bu değer S
camının elastik modülünden 5 kat fazladır. Üstün mekanik özelliklere sahip olan bor elyaflar,
uçak yapılarında kullanılmak üzere geliştirilmişlerdir. Ancak mukavemetlerinin çok yüksek
olması nedeniyle, son yıllarda yerlerini karbon elyaflara bırakmışlardır. Bor elyafların
silisyum karbür ( SiC ) veya bor karbür ( B4C ) kaplanmasıyla yüksek sıcaklıklara dayanım
artar. Özellikle bor karbür kaplanması ile çekme mukavemeti önemli ölçüde arttırılabilir. Bor
elyafların erime sıcaklıktan 2040 °C civarındadır.
4.3. Polimer Esaslı Kompozit Malzemelerin Üretim Yöntemleri
Polimer esaslı kompozit malzemelerde üretim yöntemi seçimi; matris ve fiberlerin çeşidine,
parçayı şekillendirmek ve kür işlemi için gerekli ısıya ve maliyete bağlıdır. Genellikle
kompozit yapı tasarımında ilk olarak üretim yöntemi göz önünde bulundurulur. Çünkü
parçanın maliyeti, hacmi, şekli ve arzulanan diğer özelliklerini sağlamada üretim
yöntemlerinin belli sınırlamaları vardır. Bu nedenle tasarımcının çeşitli üretim yöntemlerinin
avantajlarını, sınırlamalarını, maliyetini, üretim kapasitesini, verimini ve özel durumlarını
bilmesi gerekir. Polimer matrisli kompozit malzeme ile üretim, genel olarak şu aşamalardan
oluşmaktadır:
1. Gereken yönlerde fiber yerleştirme
2. Fiberleri reçineyle emprenye etme
3. Fazla reçine, hava ve gazları çıkarma
4. Polimer kürleşmesi veya katılaştırma
5. Kalıptan çıkarma
6. Son işlemler (kesme, boyama vb.) [6]
Bu yöntemlerin uygulanmasında çok kesin sınırlar olmamakla birlikte yöntemlerin esası
bellidir. Bu bölümde polimer matrisli kompozit malzemelerin çeşitli üretim yöntemleri genel
olarak açıklanacaktır.
4.3.1. El Yatırması Yöntemi
El yatırması yöntemi en kolay ve en çok kullanılan yöntemlerin başında gelmektedir. Bir
basınç uygulaması olmadan reçinenin takviye elyaflara yedirilmesi ile altındaki kalıbın
şeklinin verilmesi işlemidir. Şekil 4.5.’te işlem şematik olarak görülmektedir. Bu işlem birkaç
aşamada yapılır. Bunlar;
• Uygun malzemelerin seçilmesi (Reçinenin cinsi, cam elyaf gramajı ve çeşidi),
• Gerekli miktarların hesaplanması,
• Kalıbın hazırlanması,
• Jelkot uygulaması (gerekli ise),
• Elyaf üzerine yeterli reçinenin sürülmesi,
• Kalıptaki tabakanın kürleşmesi için uygun koşullarda bırakılması.
Şekil 4.5. El Yatırması Yönteminin Şematik Görüntüsü [5]
Jelkot, CTP ile üretilecek üründe, modelin üzerine macundan (yapışmayı engelleme amaçlı
kullanılan madde) önce sürülen, dış katmanı oluşturacak malzemedir. Bu yöntemde dikkat
edilmesi gerekenler; yüzeyin düzgünlüğü için kalıp yüzeyinde çizik, toz, yağ gibi
olumsuzlukların bulunmaması, katılaştırma süresinden önce kalıbı bozmama, reçineyi
nemden koruma, hızlandırıcıların iyi karıştırılması, malzemeyi kalıptan çıkarırken kalıba ve
malzemeye zarar vermeme olarak özetlenebilir. [3]
Bu yöntemde reçine olarak epoksi, polyester, vinil ester ya da fenolik reçineler kullanılabilir.
Takviye malzemesi olarak da bilinen elyafları kullanmakta genel olarak bir sakınca yoktur.
Ancak ağır aramid elyafların bu yöntemle ıslatılması oldukça zordur. [5]
Yıllardır geniş ölçüde kullanılan bu yöntemin avantaj, dezavantajları ve uygulama alanları şu
şekilde özetlenebilir:
Avantajları:
1•Öğrenilmesi ve uygulanması çok kolay
2•Özellikle oda sıcaklığında pişen reçinelerin kullanımında düşük maliyet
3•Yönteme uygun malzeme temini çok kolaydır
1
2Dezavantajları:
3•Yöntem, tabakalamayı yapan kişinin el becerisine çok bağlıdır.
4•Yüksek “Fiber Hacimsel Yoğunluğu”na ulaşmak çok zordur.
5•Reçine oranı düşük tutulmak istendiğinde yüksek oranda hava boşlukları ve ıslanmayan
bölgeler meydana gelebilir.
6•Bu yöntemde kullanılan reçinelerin yoğunluğu ve viskozitesi düşüktür. Bu tür reçinelerin
insan sağlığı açısından ağır moleküllü reçinelere oranla daha zararlıdır.
7•Pahalı havalandırma sistemleri olmaksızın Polyester ve vinil ester için havaya karışan sitren
konsantrasyonunu yasal sınırlarda tutmak zordur.
1Rüzgâr türbin kanatları, plakalar, tekne üretimi, mimari amaçlı kalıplamalarda bu yönteme
başvurulabilir. Yoğun işçilik gerektirdiğinden az sayıda üretim için daha elverişli bir
yöntemdir.
4.3.2. Elyaf Püskürtme Yöntemi
Püskürtme yöntemi elle yatırma yöntemini aletli şekli olarak kabul edilebilir. Reçine olarak
daha çok polyester kullanılır. Takviye malzemesi olarak ise demet halinde lifler kullanılır.
Kırpılmış elyaflar kalıp yüzeyine, içine sertleştirici katılmış reçine ile birlikte özel bir tabanca
ile püskürtülür.[9] Elyafın kırpılma işlemi tabanca üzerinde bulunan ve bağımsız çalışan bir
kırpıcı sayesinde yapılır.(Şekil 4.6.) İşlem basamakları şöyle ifade edilebilir;
1• Kalıp yüzeyi bir kalıp ayırıcı madde ile kaplanır.
2• Kalıp yüzeyine jel-kaplama (jelkot) yapılır ve sertleşmesi beklenir.
3• Fiberler bir el tabancasında kıyılır (kısa fiberler haline getirilir) ve katalizör/sertleştirici ile
karıştırılan bu fiberler bir kalıba püskürtülerek üretim gerçekleştirilir.
4• Belli bir kalınlık elde edildikten sonra da malzeme genellikle ortam şartlarında pişmeye
(curing) bırakılır.
5
6
7
8Şekil 4.6. Elyaf Püskürtme Yönteminin Şematik Görüntüsü [5]
İşlemin avantajları;
1•Kısa sürede düşük maliyetli üretim,
2•Uygulanması basittir.
1Dezavantajları;
2•Elde edilen üründe reçine oranı yüksek (ağır bir yapı),
3•Kısa liflerden dolayı sınırlı mekanik özellikler,
4•Yüksek sitren içeriği (sağlık açısından zararlı),
•Düşük viskozite nedeni ile püskürtme esnasında açığa çıkan parçacıkların giysilere vs nüfuzu
daha kolaydır.
1
2Uygulama alanları ise; çeper türü basit yapılar, yük taşımanın esas olmadığı durumlar
(örneğin bir karavan gövdesi) banyo küvetleri olarak verilebilir. Şekil 4.7. de püskürtme
yöntemi ile yapılan bir banyo küvetinin resmi görülmektedir.
3
4
5Şekil 4.7 Püskürtme Yöntemiyle Küvet İmalatı [5]
4.3.3. Vakumlama Yöntemi
Vakumlu torba kalıplaması elle kalıplamanın gelişmiş bir şeklidir. Büyük karmaşık şekilli
parçaların bu teknikle üretilmesi mümkündür.[8] Vakumla sıkıştırma yöntemi, atmosferik
basıncı kullanarak lamine edilmiş parçanın kürleşene kadar basınç altında sıkıştırılmasıdır.
Artık modern oda sıcaklığında kürleşebilen reçinelerin üretilmesiyle, bu yöntem eskisi gibi
pahalı ve karışık ekipmanlara gerek duymadığından, ortalama bir laminasyon atölyesinde bile
kullanılmaktadır. Vakumla sıkıştırma yönteminde her türlü elyaf, reçine ve köpük
kombinasyonundan oluşan malzemelerle kompozit ürünler elde edilebilir. [3]
Vakum yönteminde laminasyonu sıkıştırmak için atmosferik basınçtan yararlanılır. Yapılan
laminasyon hava geçirmez bir düzenek içinde tutulur. Bu düzenek genelde bir tarafı kalıp
yüzeyi diğer tarafı ise hava geçirmez naylon kaplamadan oluşur. İşlem basamakları şu
şekildedir;
•Naylon, kalıbın üzerine yapıştırılarak içerisindeki ortamın hava geçirmezliği sağlanır. Bu
anda düzeneğin içindeki ve dışındaki hava basıncı birbirine eşittir.
•Sonra vakum pompası çalıştırılarak düzenek içindeki hava çekilir ve ortamın vakum altında
kalması sağlanır. Ortamdaki hava basıncı düştüğünden, düzenek yüzeyinde dışarıdaki
atmosferik basınçtan dolayı bir baskı oluşur. Teorik olarak ortamda yaratılabilecek maksimum
basınç 1 atm’ dir. Bu da düzenek içindeki tüm havanın alınması ile sağlanır. Fakat gerçekçi
olarak baktığımızda basınç farkı yaklaşık olarak 0,4-0,8 bar’dır. (Şekil 4.8.)
•Kürleşmeden emin olunduğunda vakum kapatılır ve tüm bileşim bir fırına alınır.
•Katılaşma süresi tamamlanınca parça kalıptan çıkartılır.
Şekil 4.8. Vakumlama Yöntemi Prensibi [3]
İşlemin avantajları;
• Düzgün olarak dağılmış ve içindeki ürünlerin özelliklerine bağlı olmayan bir baskı kuvveti
sağlanır.
•Vakumun oluşturduğu aynı baskı ile laminasyon daha ince ve hava boşluğu olmayan bir ürün
elde edilir.
•Vakumla sıkıştırma aynı zamanda ortamdaki fazla reçineyi de kontrol ederek, yüksek elyaf-
reçine oranı sağlar. Bu da yüksek mukavemet/ağırlık oranı ve üreticiye düşük maliyet
demektir
•Yöntem basittir ve çok çeşitli kalıplarda kullanılabilir.
Vakumlama yöntemi ile birçok parça üretilebilmektedir. En yaygın kullanım tekne imalatında
olmaktadır.
4.3.4. Otoklav Yöntemi
Termoset kompozit malzemelerin performanslarını artırmak için elyaf/reçine oranını artırmak
ve malzeme içinde oluşabilecek hava boşluklarını tamamen gidermek gerekmektedir. Bunun
sağlanması için malzemeyi yüksek isi ve basınca uygulayarak sağlanabilir. Vakumlama
yöntemindeki gibi sızdırmaz bir torba ile elyaf/reçine yatırmasına basınç uygulanabilir. Fakat
1 atmosferden fazla düzenli ve kontrol edilebilir bir basıncın uygulanabilmesi için dışsal
basınca ihtiyaç duyulur. Bu uygulama için, otoklav yönteminde de uygulanan ve karmaşık
şekillerde en çok kontrol edilebilen metot, dışarıdan sıkıştırılmış gazın kompozit malzemenin
içinde bulunduğu kaba verilmesidir.[2]
Otoklav, kesin basıncın, ısının ve emişin kontrol edilebildiği basınçlı bir kaptır. Vakumlama
yöntemi ile benzerdir. Fırın yerine bir otoklav kullanılır. Böylece özel amaçlar için yüksek
kalitede kompozit üretebilmek için kür şartları tam olarak kontrol edilebilir. Bu yöntem
diğerlerine oranla daha uzun sürede uygulanır ve daha pahalıdır. [8]
4.3.5. Elyaf (Flaman) Sarma Yöntemi
Bu yöntem özel biçime sahip ürünlerin seri üretimine uygundur. Elyaf sarma yöntemi sürekli
elyaf liflerinin reçine ile ıslatıldıktan sonra bir makaradan çekilerek dönen bir kalıp üzerine
sarılmasıdır. Sürekli liflerin farklı açılarla kalıba sarılmasıyla farklı mekanik özelliklerde
ürünler elde edilebilir. Yeterli sayıda elyaf katının sarılmasından sonra ürün sertleşir.
Ardından döner kalıp ayrılır.(Şekil 4.9.) Bu yöntemle yapılan ürünler genellikle silindirik,
borular, araba şaftları, uçak su tankları, yat direkleri, dairesel basınç tanklarıdır. [9]
Yöntemde matris malzemesi olarak termoset reçineler kullanılabilir, takviye malzemesi olarak
ise bir bobine sarılmış sürekli lifler kullanılır. [5] İşlem basamakları aşağıdaki gibidir;
•Bobinlere sarılı olan fiberler bir reçine banyosundan geçer
•Reçine emmiş olan fiberler hareketli bir mekanizma ile belli bir hızda ekseni etrafında dönen
mandrele istenen yön ve açıda sarılır
•İstenen kalınlığa veya katman sayısına (tabakaya) ulaştıktan sonra işlem tamamlanmış olur.
•Kurutma işlemi oda sıcaklığında ve bir fırında geçekleştirilir.
Şekil 4.9. Elyaf Sarma Yönteminin Şematik Görüntüsü [5]
Bu yöntemin avantaj ve dezavantajları şu şekilde özetlenebilir:
Avantajları;
1•Malzeme sarımı hızlı ve ekonomik bir yöntemdir
2•Reçine oranı el yatırması yöntemine göre daha iyi kontrol edilebilir
3•Bobine sarılı lifler ikinci bir işlemden geçip kumaş haline getirilmediği için maliyet
minimize edilmiş olur
4•Her katmanda farklı yönlerde sarım yapma imkânı olacağı için değişik yüklemeler yapı
tarafından karşılanabilir
Dezavantajları:
•Uygulama sahası konveks şekle sahip parçalar ile sınırlıdır
•Büyük parçalar için sarımın yapılacağı mandreller pahalı olabilir
•Düzgün bir dış yüzey elde etmek için parçanın pişme sonrası işlenmesi gerekebilir
•Düşük viskoziteye sahip reçineler genellikle üretimde kullanılır. Bu da çeşitli sağlık sorunları
ve mekanik özeliklerde düşüşü beraberinde getirir.
Çeşitli uygulama alanları;
1•Kimyasal depolama tankları
2•Borular
3•Gaz silindirleri
4•İtfaiyecilerin kullandığı teneffüs tankları olarak verilebilir.
4.3.6. Reçine Transfer (RTM) Yöntemi
Bu kompozit üretim yönteminde elle yatırma sistemlere daha hızlı ve uzun ömürlü olmakla
birlikte iki parçalı kalıp kullanmak gereklidir. Kalıbın kompozit malzemeyle yapılması çelik
kalıp maliyetine göre daha düşük kalmasına neden olmaktadır. RTM yöntemi çoğunluk
jelkotlu veya jelkotsuz her iki yüzeyinde düzgün olması istenen parçalarda kullanılır. Takviye
malzemesi kuru olarak keçe, kumaş veya ikisinin birleşimi kullanılır. Bu yöntemde içerideki
havanın dışarı çıkarılması ve reçinenin elyaf içine iyi işlemesi için vakum kullanılabilir. Şekil
4.10.’da yöntem, şematik olarak gösterilmiştir. İşlem basamakları şu şekildedir;
• Takviye malzemesi önceden kalıp boşluğu doldurulacak şekilde kalıba yerleştirilir ve kalıp
kapatılır.
• Elyaflar matris içinde geç çözünen reçinelerle kaplanarak kalıp içerisinde sürüklenmesi
önlenir.
• Reçine basınç altında kalıba pompalanır. Bu süreç daha fazla zaman ister. Matris
enjeksiyonu soğuk, ılık veya en çok 80 ºC’ a kadar ısıtılmış kaplarda uygulanabilir.
• Daha sonra kalıp içindeki malzeme katılaşır, kalıp açılarak malzemeye son işlemler yapılır.
[9]
Şekil 4.10. RTM Yönteminin Şematik Görüntüsü [8]
Avantajları; kalıp kapalı olduğu için ise zararlı gazların azalması ve gözeneksiz bir ürün elde
edilebilmesidir. Ayrıca bu yöntemle karmaşık parçalar üretilebilir. En büyük dezavantajı ise
elyafın kalıba yerleştirilmesini gerektirmesinden dolayı uzun sayılabilecek bir işçilik
gerektirmesidir.
Kullanım alanları; Concorde uçaklarında ve F1 arabalarında bazı parçalar bu yöntemle
hazırlanmaktadır.
4.3.7. İnfüzyon Yöntemi
Kompozit imalatında kullanılan RTM (Reçine Transfer Kalıplama) yönteminin bir alt kolu
olan İnfüzyon yöntemi 1980’li yıllardan beri başta ABD olmak üzere tüm dünyada, farklı
sanayi dallarında uygulanmakta olan bir kompozit imalat yöntemidir. Vakumlanmış ortam
içerisinde reçinenin ilerlemesi prensibiyle çalışan bu yöntemde, imalat hazırlıkları
tamamlanmış ürünün el değmeden üretimi amaçlanmaktadır. [3]
İnfüzyon yöntemi dört bölümden oluşur: Vakum pompası, vakum tankı (reçine toplama
tankı), kalıp ve reçine kovası (Şekil 2). Bu dört bölümün bağlantıları ve şekilleri değişebilir
ancak genel sistem mantığı hep aynıdır. İnfüzyon ile ürün imalatını aşağıdaki gibi 6 bölümde
inceleyebiliriz;
• Kalıp hazırlığı yapılır, elyaf kullanılacak ise köpükler hazırlanır.
• Reçine ve vakum hatları, kalıbın çevresine göre reçine hatları ve vakum hatları ayarlanır,
infüzyon macunu kalıbın etrafını çevreleyecek şekilde yapıştırılır ve vakum tankları hatlara
bağlanır.
• Torbalama, Vakum torbası kalıp üzerine yeterli derecede baskı yapabilmesi için kalıba göre
kesilir, özellikle derin kalıplarda elyaf yüzeyine tam olarak basması gerektiğinden derinlik
hesaba katılarak kesilmelidir. Kesildikten sonra infüzyon macunu ile kalıp etrafına sızdırmaz
şekilde yapıştırılır.
• Vakumlama, infüzyon düzeneğine vakum göstergesi bağlanır ve vakum pompası açılır.
Vakum torbasında kaçak olup olmadığı vakum göstergesi ve kaçak detektörü ile kontrol
edilir.
• İnfüzyon Hazırlığı, Reçine geçişini sağlayacak portlar düzenek üzerine bağlanır. Gerekli
reçine miktarı hazırlanır, bu miktar hazırlanırken hortum içinde kalacak reçine de hesap
edilmelidir. Reçineye gerekli katkı maddeleri eklenir ve karıştırılır.
• İnfüzyon, Hortumlar portlara takılarak reçine akışına başlanır, işlem esnasında gerekirse
vakum tankları boşaltılır ve vakum geycinde vakum değerini ayarlayıp reçinenin vakumla
düzenekte baskı halinde kalması sağlanır.
İnfüzyon yönteminin sağladığı avantajlar şöyle sıralanabilir;
1. Malzeme yapısının daha sağlam olmasına ve malzemenin daha uzun ömürlü
kullanımına olanak sağlayan düşük reçine / elyaf karışım oranı.
2. Tutarlı reçine kullanımı,
3. Malzeme yapısında ve görüntüsünde homojenlik,
4. Temiz imalat. [3]
İnfüzyon yöntemi denizcilik sektöründe, yat imalatında kullanılmakta olan bir yöntemdir.
4.3.8 Profil Çekme / Pultruzyon Yöntemi
Pultruzyon işlemi sürekli sabit kesitli kompozit profil ürünlerin üretilebildiği düşük maliyetli
seri üretim yöntemidir. “Pull” ve “Extrusion” kelimelerinden türetilmiştir. Sisteme beslenen
sürekli takviye malzemesi reçine banyosundan geçirildikten sonra 120-150 ºC’ a ısıtılmış
şekillendirme kalıbından geçilerek sertleşmesi sağlanır. Kalıplar genellikle krom kaplanmış
parlak çelikten yapılmaktadır. Sürekli elyaf kullanılmasından dolayı takviye yönünde çok
yüksek mekanik mukavemet elde edilir. Enine yükleri karşılayabilmek için özel dokumalar
kullanmak gerekmektedir. [8] Yöntem şematik olarak Şekil 4.11.’de görülmektedir.
Şekil 4.11 Pultruzyon Yönteminin Şematik Görüntüsü [8]
4.3.9.Enjeksiyonla Kalıplama Yöntemi
Fiber takviyeli termoplastiklerin, imalatında tercih edilen bir yöntemdir. Her bir kalıplama
periyodunda birkaç gramdan on kilograma kadar değişen aralıklarda parçaları
kalıplayabilecek kapasitede enjeksiyon makinelerinin kullanılması mümkündür.(Şekil 4.12.)
Enjeksiyon makinelerine beslenen kalıplama bileşikleri, boyları 3-6 m arasında değişen
granüller halinde ön karışımlardır. Enjeksiyonla kalıplama tekniğinde genellikle palet
şeklindeki ön karışımlar kullanılır.
Şekil 4.12. Enjeksiyon Yönteminin Şematik Görüntüsü [8]
Bu yöntem RTM’ ye benzer bir yöntemdir. Farklılığı reçine/elyaf karışımın kalıp dışarısında
karışmış ve eritilerek basınç altında boş kalıp içine enjekte ediliyor olmasındadır. Çocuk
oyuncaklarından uçak parçalarına kadar birçok ürün bu yöntemle üretilebilmektedir. [9]
4.3.10. Ekstrüzyon Yöntemi
Ekstrüzyon tekniği termoplastiklerin şekillendirilmesinde büyük ölçüde kullanılmakla beraber
takviyeli termoplastiklerde sınırlı oranda uygulanmaktadır. Sürekli bir yöntem olup tonajı
yüksek olduğu zaman ekonomiktir. Tüp, boru veya karmaşık şekilli profillerin üretimi
mümkündür. [8]
4.3.11. Preslenebilir Takviyeli Termoplastik (GMT) Yöntemi
GMT; keçe türünde elyaf takviyesi içeren termoplastik reçine ile yapılmış plaka şeklinde
baskılanabilir kalıplamaya hazır özel amaçlı bir takviyeli termoplastik çeşidini
tanımlamaktadır. GMT malzemesinin hazırlanması SMC ye benzemektedir. Ekstrüderden
çekilen bir termoplastik levha üzerine yumuşak haldeyken bir elyaf takviyesi yerleştirilir. Bu
katmanların üzerine bir diğer termoplastik levhada yumuşakken yerleştirilerek soğuk hadde
silindirlerinin arasından geçirilir. Sertleşen plakalar kesilerek, baskılanmaya hazır duruma
getirilir. [9]
4.3.12. Hazır Kalıplama (SMC-BMC) Yöntemleri
Hazır kalıplama bünyesinde cam elyafı, reçine, katkı ve dolgu malzemeleri içeren
kalıplamaya hazır, hazır kalıplama bileşimleri olarak adlandırılan kompozit malzemelerin
(SMC, BMC) sıcak baskı kalıplarla ürüne dönüştürülmesidir. Son bölümdeki uygulama
kısmında bu yöntem ayrıntılı olarak inceleneceğinden bu bölümde kısaca değinilecektir.
Hazır kalıplama yönteminde kullanılan bileşimler içeriklerine göre çeşitlilik göstermekle
beraber en çok iki tür hazır kalıplama bileşimi kullanılmaktadır;
SMC (Sheet Moulding Compounds) / Hazır Kalıplama Pestili; SMC takviye malzemesi
olarak kırpılmış lif ve dolgu malzemesi içeren bir reçinenin önceden birleştirilmesi ile oluşan
pestil biçiminde malzemedir. Sürekli liflerden 25-50 mm kırpılmış ve kompozitin %25-30
ağırlığında demetler kullanılır. Genellikle 1m genişliğinde ve 3mm kalınlığında üretilir.
BMC (Bulk Moulding Compounds) / Hazır kalıplama Hamuru; BMC takviye malzemesi
olarak kırpılmış lif ve dolgu malzemesi içeren bir reçinenin önceden birleştirilmesi ile oluşan
hamur biçiminde malzemedir. [eniscigemici]
Bu yöntemlerde malzemeye şekil vermek için bir dişi bir erkek kalıp kullanılır. SMC-BMC
yöntemlerinde genel olarak şu yol izlenir;
• Belirli bir miktar şarj (elyaf takviyeli reçine) kalıbın içine doldurulur.
• Bir hidrolik pres kullanılarak, dişi ve erkek kalıplar kapatılır, ısı ve basınç yardımıyla parça
kürleşmeye bırakılır.( Şekil 4.13.)
• Kürleşmeden sonra, basınç ortadan kaldırılır ve parça kalıptan çıkartılır.
Şekil 4.13. Hazır Kalıplama Yönteminin Şematik Görüntüsü [10]
Yöntemin avantajları;
• Çok geniş tasarım esnekliği
• Düzgün yüzey
• Kolayca saklanabilme, boyanabilme ve kalıp içinde yüzeyin kaplanabilmesi
• Geri dönüştürülebilme ve hazırlığında geri dönüşümlü malzeme kullanabilme
• Metal gömme parçaların yerleştirilmesi ile montaj kolaylığı
• Yüksek alev dayanımı
• Isı dayanımı
• Soğukta kırılgan olmama [9]
Birçok alanda kullanılmaya uygun ve hızlı olan hazır basınçlı kalıplama yöntemleri en çok
otomotiv yan sanayi sektöründe kullanılmaktadır. Bu yöntemle üretilen parçalara otomobil
kaportası, hızlı tren-metro vagon panelleri, konteynerler, elektrik parçaları, oyuncaklar gibi
örnekler verilebilir.
4.4. Polimer Matrisli Kompozit Malzemelerin Özellikleri
Bu bölümde polimer matrisli kompozit malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri
incelenecek, korozyon, yanıcılık, sürünme, iletkenlik ve ısıl özellikler gibi konular ele
alınacaktır.
4.4.1. Mekanik Özellikler
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 ısıl ve elektrik iletim katsayısı, tabakalı kompozitlerin tabaka yapılarının
istenen amaca göre düzenlenebilmesidir. Dezavantajları ise; malzeme bünyesinde hasara
sebep olacak büyüklükte ikincil gerilmelerin meydana gelebilmesi, kritik uygulamalarda uzun
zaman alan ve masraf gerektiren detaylı gerilme analizi gerekliliği, üretim ve kullanım
yerinde iç gerilme oluşabilmesi, lineer elastik özellikleri sebebiyle gevrek kırılma tehlikesi,
kullanım ortamı sıcaklığının matris malzeme özellikleri ile sınırlanması, sıcaklık sebebi ile
özellikle polimer matrisli malzemelerde sürünme tehlikesi, bağlantı yerlerinde çok dikkatli
tasarım gerekliliği olarak sayılabilir. Kompozit malzemelerden yapılacak makine ve yapı
elemanının bu özellikler göz önüne alınarak tasarlanması gerekmektedir. [15]
Belirli özgül özelliklerinin çok yüksek olması sebebiyle kompozit malzeme kullanımı hızla
artmakta, pek çok alanda da geleneksel malzemelerin yerini almaktadırlar. Başlangıçta
hafiflikleri sebebiyle uzay sanayinde kullanımı ile dikkat çekmişlerse de günümüzde gıda
sektöründen otomotiv sektörüne, inşaat sektöründen denizcilik sektörüne kadar hemen her
alanda kullanılmaktadırlar.
Kompozit malzeme kullanımı, izotropik malzeme şartlarında dizayn ve tasarıma alışmış
mühendis ve malzemeciler için oldukça farklı bir ortam oluşturmaktadır. İzotropik
malzemenin her yönde yalnız bir değerle ifade edilebilen özelliklerinin, kompozit malzeme
kullanımı durumunda birden çok değerle ifade edilmesi gerekmelerdir. En basit durumda, tek
yönde takviye edilmiş ortotropik yapıya sahip bir levhada takviye doğrultusunda ve buna dik
doğrultuda olmak üzere iki çekme mukavemeti, iki elastisite modülü, iki ısıl genleşme
katsayısı ile iki elektrik ve ısı iletim katsayısı gibi değerlerinin bilinmesi ve tasarımda göz
önünde bulundurulması gerekmektedir. Üstelik bu değerler doğrultulara göre büyük
farklılıklar göstermektedir. (Tablo 4.6.)
Tablo 4.6. Tek Yönde %60 Oranında Takviyelendirilmiş Epoksi Reçine Matrisli
Kompozitlerin Enine ve Boyuna Mekanik Özelliklerinin Karşılaştırılması[15]
Malzeme
Elastite
Modülü
E(GPa)
Çekme
Dayanımı Rm
(MPa)
Isıl Genleşme
Katsayısı
(10-6 1/K)
Boyuna Enine Boyuna Enine Boyuna Enine
Cam 55 16 1600 40 2 0,5
Karbon 140 98 1240 41 1,5 0,4
Kevlar 77 51 1300 20 1,35 -4
Boron 210 19 1240 70 2,2 4,5
Kompozit malzemelerin mekanik özelliklerini belirleyen dört temel faktör vardır. Bunlar;
matris malzemesinin özellikleri, fiber malzemesinin özellikleri, ara yüzey özellikleri ve
mikroyapı özellikleri olarak sayılabilir.
Kompozit malzeme içerisindeki mekanik özellikler fiber miktarı ile çok yakından ilişkilidir.
Kompozit malzemede mukavemet ve rijitlik değerlerinde en yüksek değerlere tek yönlü
sürekli fiberler ile ulaşılır.[12]
Kompozitlerde lifler kuvvet yönüne paralel veya dik yönde veyahut rastgele dağılmış
durumda bulunurlar. Lifler yönlenmiş durumda iken kompozit büyük ölçüde anizotrop olur.
Lifler rast gele dağıtılmış ise düzlemsel boyutta izotrop olurlar. Liflerle kuvvet birbirine
paralel ise liflerle matris aynı miktarda şekil değiştirir. Buna eş şekil değiştirme hali denir.[16]
(a) (b) (c)
Şekil 4.14. Paralel ve Dik Yönlenmiş Lifler ile Elastisite Modülü İlişkisi [16]
a) Ek şekil değiştirme hali (Paralel lifler)
b) Eş gerilme hali (Dik lifler)
c) Elastisite modülünün kompozitin bileşim oranı ile değişimi (rastgele lifler)
Plastik matrisli kompozit malzemelerin en belirgin özellikleri yüksek dayanım ve düşük
yoğunluktur. Bu iki özelliği bir arada bulundurabilen oldukça önemli malzemelerdir.
Özellikle taşıt araçlarında düşük yoğunluk ve yüksek mukavemetin bir arada bulunması
önemlidir. Bu durumu hava taşıtlarından bir örnek vererek açıklayabiliriz: Uçakların kendi
ağırlıkları azaldıkça taşıyacakları yük artacak ayrıca ağırlığındaki azalmayla orantılı olarak
yakıt tüketimi de azalacaktır. Bir DC 10 uçağının ağırlığında sağlanacak 1 kg.lık azalma yıllık
2900 İt yakıt tasarrufu sağlar. Bu durum 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.
Aşağıda çeşitli fiber takviyeli polimer matrisli kompozit malzemelerin bazı mekanik
özellikleri verilmektedir. [1]
Tablo 4.7. Geleneksel Bazı Malzemelerle Polimer Esaslı Kompozitlerin Karşılaştırılması [1]
Malzeme
Yoğunlu
k
(gr/cm3)
Çekme
Dayanımı
Rm (Mpa)
Young.
Mod.
(GN/m2)
Özgül
Çekme D.
α/ρ
Özgül
Mad. (E/p)
Yumuşak Çelik 7,9 459 203 26 26
Alüminyum 2,8 84 71 25 25
Boron / Epoksi 1,8 1380 275 149 149
Karbon / Epoksi
YD 1,5 1620 148 92 92
E Camı / Epoksi 1,9 1310 41 92 92
Tabloda görüldüğü üzere, bir epoksi reçinesine elyaf takviyesi yapıldığında, yoğunluk çok
önemli olmayan değişiklikler göstermekte fakat mekanik özelliklerde önemli ölçüde
iyileşmeler görünmektedir. Epoksi reçinelerin elastiklik modülü 2 ila 3,5 GPa civarından 275
GPa değerine, çekme dayanımları 50 – 90 MPa değerinden 1300 - 1600 MPa seviyelerine
çıkabilmektedir.
4.4.2. Isıl Özellikler
Plastiklerin ısıl iletkenliklerinin düşük olmasından dolayı, sürtünme veya tekrarlanan
gerilmelerin sebep olduğu sıcaklık büyümesi, malzeme içerisinde ısı birikmesine neden olur.
Bu olay ısıl yorulmaya yol açar. Isıl yorulmayı azaltmak için, plastik malzemelere katkı
maddeleri ilave edilir. Katkılı plastiklerin ısıl iletkenlikleri en az 10 kat daha yüksektir, Örn.
4–30 değerinde olan epoksilerin ısıl iletkenleri katkı mad-deleri ile takviye edildiklerinde
800–2500 değerlerine kadar çıkabilmektedir.[8]
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 uygulanmasa bile malzemede hasara yol
açabilecek kadar büyük olabilmektedir. Tabakalı üretimde ise farklı tabakalar arasında aynı
uzamaya rağmen takviye doğrultularındaki farklılıklar sebebiyle çarpılma şeklinde hasarlar
oluşabilmektedir. İzotropik malzemelerde de oluşan bu gerilmeler çeşitli ısıl işlemler ile
ortadan kaldırılabilirken, kompozit malzemede bu durum mümkün olmamaktadır. Bu yüzden
ikincil bir yük olarak ısı yükünün de bulunduğu durumlarda malzeme tayini büyük önem
kazanır. Tabakalı üretim durumunda tabakalar, uzamalar birbirini ortadan kaldıracak şekilde
yerleştirilmelidir. Birleşme yerlerinin tasarımında, bu gerilmelerin de dikkate alınması
gerekmektedir. Önceden ısıl gerilmeler hesaba katılarak yapılacak tasarımla bunların
kullanışlı hale getirilmesi mümkün olabilmektedir.
Sıcaklığın polimerlere etkisi dikkate değerdir. Termosetler amorf bir yapıya sahiptir ve ayırt
edici bir camsı geçiş sıcaklığına sahiptirler. Bu sıcaklık rijitlikten elastiki duruma geçiş
sıcaklığıdır. Yapısal polimer esaslı kompozitler camsı geçiş sıcaklığının altında işlem
görürler. Termoplastikler amorf ya da yarı kristalin yapıya sahip olduklarından, camsı geçiş
sıcaklığının yanında kristalin yapıların erime sıcaklığını da sergilerler. Polimerlerin elastisite
modülü sıcaklığın etkisiyle önemli miktarda azalabilmektedir.
4.4.3. Elektriksel Özellikler
Elektrik akımı direncin düşük olduğu yerlerden geçme eğiliminde olduğundan elektriksel
iletim özellikleri cam, aramid ve seramik fiber kullanılması durumunda matris
malzemeninkilere yakındır. Karbon fiberler gibi iletim özelliği iyi olan fiberlerin kullanıldığı
kompozitlerde ise fiber malzemesinin özelliklerine yakınlık gösterir. Polimerik matrisli
kompozit malzemelerde, matris malzemeleri metallere göre yaklaşık olarak %1 oranında
iletim özelliğine sahiptir. Fiberlerin ise yüksek iletim özellikleri vardır. Kompozit içinde
takviye şekli ve doğrultusu ile enerji akış vektörü arasındaki açı önemlidir. İzotrop cam
fiberlerinde bile boyuna ve enine iletim katsayıları arasında %30 gibi bir fark bulunmaktadır.
Karbon fiberlerde ise bu oran %0,2’ye kadar düşmektedir. Bu yüzden elektrik ve ısıl yüke
maruz kompozitlerin tasarımında fiber hacim oranı, takviye doğrultusu ve üretim sırasında
eleman içinde boşluk kalmayacak şekilde bir üretim yapılması çok önemlidir. [15]
4.4.4. Yorulma
Kompozit malzemelerde yorulma, izotropik 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 başlangıcı ilerlemesi hemen hemen tamamen
tanımlanmış ve deneyler yapılarak gerekli sabitler bulunmuştur. Kompozit malzemelerin
çentik hassasiyetleri, matris malzeme çentiğin diğer fiberlere 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 ilerlemesiyle hasar meydana gelir. Kumaş şeklindeki
takviyelerde genellikle bu şekilde yorulma oluşur. Fiber ve yük doğrultusu aynı olursa
oldukça yüksek yorulma direnci elde edilir. Bu durumda, fiber hacim oranı arttıkça yorulma
direnci de artmaktadır. Tabakalı yapıdaki yorulma ise, mukavemetlerine göre daha yüksek
gerilme uygulanan tabakalardan başlayarak yayılır. Tabakalı yapının kumaş fiberlere göre
yorulma dirençleri daha büyüktür.
4.4.5. Sürünme
Metallerin aksine, polimerler oda sıcaklığında sürünme davranışı gösterirler. Ayrıca,
polimerlerin mekanik davranışları nem ve sıcaklığa oldukça bağlıdır. Polimerler ayrıca uzun
süreli yükleme durumunda bu zorlanmaları biriktirdiğinden sürünmeye yatkındırlar.
Polimerlere elyaf takviyesinin en önemli getirilerinden biri de bu sürünme davranışını
sınırlandırmak ve iş parçalarının uzun bir süre kullanılabilir kalmasını sağlamaktır. [6]
4.4.6. Korozyon Davranışı
Matris malzemesi kompozitin nem, ısı ve kimyevi maddeler gibi çevre etkilerine ilk maruz
kalan kısmı olduğundan korozyon dayanımı, nem absorbsiyonu gibi çevre etkilerine karşı
özellikleri 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 yüzeyinden meydana getirdiği
koruyucu tabaka kalınlığı ile belirlenmektedir. Mesela, 200°C üzerinde özellikleri kararlı
olmayan veya kimyevi etkilere dayanıksız olan bir fiber, çok daha yüksek sıcaklıklara ya da
çok etkin kimyevi yüklemelere dayanabilen ve ısıl iletkenlik özellikleri iyi olmayan bir matris
içinde söz konusu şartlara dayanıklı, mukavemeti yüksek bir kompozit oluşturabilmektedir.
[15]
Polimerler neme maruz kaldıklarında ya da ıslak çevre şartlarında kullanıldıklarında, nemi
difüzyon ile absorbe ederler. Nem, dayanımı, Young modülünü ve camsı geçiş sıcaklığını
düşürür.
Plastik matrisli kompozitlerde kimyasal bozulma, matris malzemesinin, elyaf malzemesinin
ya da elyaf-matris ara yüzeyinin bozulmasının bir sebebi olabilir. Polimerler, çözücülerin
absorbe edilmesi (su dâhil), oksidasyon, UV ışınları ve termal etkilerden ötürü özelliklerini
kaybedebilir. Alkaliler, fluoridler, sıcak su ve hidroklorik asit de matris malzemesi tarafından
absorbe edilmesi halinde cam elyaflara zarar verebilir. Eğer matris malzemesinde kırık ve
çatlaklar oluşmuşsa absorbsiyon hızlanacaktır. Bu nedenle matris malzemesinin özellikleri
hem kendisinin, hem de takviye ve ara yüzey bağlantısının kimyasal çevre şartlarından
etkilenmemesi adına önemlidir. [6]
4.4.7. Yanmazlık Özelliği
Bütün organik malzemeler, polimerler de dâhil, bir alevin varlığında yanarlar. Polimer
kompozitler ısıtıldığında, polimer yapı kimyasal olarak çözünmeye başlar. Çözünmenin
başladığı sıcaklık ve yanma sonucu çıkan duman tipi polimerin yapısına bağlıdır. Farklı reçine
ve kompozitler yüksek sıcaklıklara kadar bozunmadan kalabilmektedir. Elyaf takviyeli
kompozitlerde maksimum işlem sıcaklığı reçine malzemesinden yüksek ya da düşük olabilir.
Yüksek ısıl iletkenliği olan fiberler yanıcılığı önlemeye yardımcı olurken, düşük özellikteki
fiberler ise zarar verici olabilmektedir.
5. SMC YÖNTEMİ İLE TRAKTÖR KAPORTASI İMALATI
Birçok alanda yaygın bir şekilde kullanılmaya başlayan SMC ve BMC ürünlerin yeni bir
örneği de traktör kaportalarıdır. Traktör kaportalarında 4-5 sene öncesine kadar yaygın olarak
kullanılan yöntem sac şekillendirme yöntemi idi. Zaman içerisinde kompozit malzeme
sektöründe maliyetlerin azalmasıyla kompozit malzeme üretimi yaygınlaştıkça yavaş yavaş
sac kaportaların yerini kompozit kaportalar almaya başlamıştır.
Traktör kaportalarında uzay kasa diye tabir edilen bu tasarım ve malzeme birçok avantajı da
beraberinde getirmiştir. Düşük burunlu, damla modeli, önden arkaya doğru genişleyen ve
yuvarlak hatlara sahip kaportalar sayesinde artık traktör pazarına hem estetik olarak önemli
bir sınıf atlatılmıştır, hem de mühendislik plastiklerinin yapılarından kaynaklanan önemli
kullanım avantajları sunulmuştur. [30]
Motorun ne kadar ısındığına bağlı olarak bu ısının nasıl giderilebileceği, kabinli veya kabinsiz
modellerde, modele bağlı olarak ne kadar ses ve vibrasyon yalıtımı yapılacağı ve en önemlisi
kokpitte oturan kişi için sağlanacak görüş alanının ne kadar geniş olacağı artık kaporta ve
bileşenlerinin tasarım aşamasında en ince ayrıntısına kadar hesaplanmakta ve ürün
realizasyonu bu doğrultuda gerçekleşmektedir.
SMC traktör kaportalarının getirdiği başlıca avantajlar şöyle sıralanabilir:
Tarımda kullanılan gübrelerin son derece asitli olması en kaliteli sacları bile deforme
ederken SMC ürünler kimyasal olarak inert oldukları için bu tip korozif ortamlardan
etkilenmemektedir. Ayrıca SMC kaporta boyandıktan sonra güneşten etkilenmez
Sac malzemenin puntalama, eğme, bükme gibi çok sayıda işlemi zahmetli olmakta,
SMC yönteminde ise tek işlemde ürün hazır hale gelebilmektedir.
Maliyet açısından karşılaştırıldığında sac maliyeti ile kompozit malzemenin maliyeti
neredeyse aynı duruma gelmektedir.
SMC kaportaların otomotiv sektöründe lider olamamasının tek nedeni olarak A sınıfı yüzeyin
tam olarak elde edilemeyişi gösterilmektedir.
Bu bölümde polimer esaslı kompozit malzeme ile üretim uygulaması yapılmıştır. Uygulama,
hazır kalıplama bileşenlerinden SMC yöntemi ile bir traktör kaportası imalatı ayrıntılı olarak
incelenmiştir. Uygulama için CTP Kompozit Plastik San. Ve Tic. Ltd. Şti. firmasına gidilerek
sağlıklı bir gözlem yapmak mümkün olmuştur.
5.1. SMC Hazır Kalıplama Bileşeninin Hazırlanması
SMC ilk kez 1960’ların sonunda bulunarak kullanılmaya başlanan, daha sonra cam içeriği,
daha az çeken polyesterler vb kullanılarak geliştirilen polimerik malzemeye verilen isimdir.
İsminden de anlaşılabileceği gibi kuru bir levha halinde kalıplama bileşeni – reçine
emdirilmiş kesik cam parçaları, additifler, dolgu ve katalist karışımı içeren bu karışım,
otomotiv, elektrik, ev aletleri, endüstriyel uygulamalar vb. gibi birçok alanda kullanım
bulmuştur. Temelde polyester reçinelerle kullanılan bu metot, mekanize bir metot olması,
düşük insan emeği gereksinimi, yüksek verimliliği ile yılda 10.000 ve üzerindeki parça
üretimleri için (bir kalıptan alınacak parça sayısı) ideal bir metottur. Kapalı kalıplamanın
kullanıldığı bir sistem olması, sitren emisyonları ve cam elyafı ile daha az temas açısından da
iyileştirilmiş atölye şartlarıyla diğer açık kalıplama sistemlerine oranla bir başka avantajı da
taşımaktadır. [24]
5.1.1. Formülasyon Bileşenleri
SMC kimyası, içerdiği kompozit malzemenin doğası gereği karmaşıktır. Karışım; sitren
monomer içersinde bir polyester reçine, inert bir dolgu, elyaf takviye malzemesi (genellikle
cam elyafı), bir polimerizasyon katalisti ve metal oksit kalınlaştırıcılardan oluşur. Değişik
uygulama alanlarına yönelik değişik bitmiş ürün özelliklerinde sayısız formülasyon
alternatifleri tasarlanabilir. Tipik bir SMC formülasyonu Tablo 5.1.’de verilmiştir.
Tablo 5.1. SMC Formülasyon Bileşenleri [24]
Malzeme %Doymamış Polyester Reçine 24Termoplastik Reçineler (Low Shrink Additif) 3İnert Dolgu, Kalsit 41Cam Elyaf 30Polimerizasyon Katalisti 0,3Kalınlaştırma Malzemesi 0,7İç Kalıp Ayırıcı 1
Kullanılan polyester reçineler genellikle oldukça reaktif tiplerdir. Polyesterin tip ve özellikleri
bitmiş ürün üzerinde en temel belirleyici etmenlerdir. Malzemenin kimyasal dayanımı, dış
ortama, ısıya direnci hep polyester reçinenin yapısından gelir. Yine kalıplama süreleri (kalıp
sıcaklıkları, katalist tip ve miktarıyla birlikte), kalınlaşma süresi (kalınlaştırma ajanı metal
oksit tip ve miktarıyla birlikte) üzerinde de polyester çok belirleyici bir etkiye sahiptir. Paralel
sonuçlar almada polyesterin kararlılığı da çok önemli bir etmendir. Her ne kadar mekanik
özellikler aslen kullanılan elyaf tipi, kırpıntı uzunluğu ve miktarı ile belirlense de polyesterin
yapısı da mekanik özellikler üzerinde ciddi etkiye sahiptir.
İnert dolgu olarak genellikle kalsit (CaCO3) kullanılır ve sisteme sertlik kazandırır. Dolgu ve
cam elyafı sisteme belli bir yanmazlık da vermektedir. Yanmazlığın artırılması için Kalsitle
birlikte veya kalsit yerine Alüminyum Hidroksit veya ATH (alümina trihidat) kullanılması da
söz konusu olabilir. Başka özellikler için başka dolguların kullanımı da mümkündür.
Kalınlaştırma ajanı olarak metal oksit, hidroksit veya alkolatları kullanılır. Kalınlaştırıcıların
fonksiyonu tam olarak anlaşılamamakla birlikte, pasta halindeki karışımın kalınlaşarak ele
bulaşmayan bir hamur haline gelmesini sağlarlar. Kalınlaştırıcıların reçine hidroksilleri
üzerinden zayıf bağlar kurarak bunu sağladığı düşünülmektedir. Metal stearatlar, kaydırıcı
olarak hamurda yer alarak iç kalıp ayırıcı olarak çalışırlar.
Polimerizasyon katalistleri (veya başlatıcıları) olarak sıcakla tetiklenen peroksitler
kullanılmaktadırlar. Peroksitler serbest radikal polimerizasyonunu (çapraz bağlanma
reaksiyonunu) başlatarak malzemenin sertleşmesini sağlarlar. Genelde perbenzoat bileşikleri
kullanılmakla birlikte farklı peroksitlerin kullanıldığı formüllerde tasarlanabilir. Formülde
aynı zamanda başka katkıların da performans veya süreci iyileştirme amaçlarıyla
kullanılabileceğini de belirtelim.
5.1.2. Pastanın Hazırlanması
SMC hazır kalıplama pestili imalatında kullanılan polyester reçine, dolgu maddeleri,
hızlandırıcılar, kalıp ayırıcılar ve diğer ajanlar firma bünyesinde laboratuvar şartlarında
testlerden geçirilir. İstenen özellikleri sağlayan bileşenlerin hangi oranda karıştırılacağı hassas
bir biçimde belirlenir. Bu malzemeler gerekli oranlarda mikserde karıştırılarak belirli bir
viskoziteye ulaştırılır. Dolgu maddesi olarak “kalsit” kullanılmaktadır. Karışımın en temel
bileşenlerinden biri olan bu malzeme rijitliği ve düzgünlüğü sağlamaktadır. Mikserde istenen
viskoziteye gelen malzeme elyaf ıslatmaya hazır hale gelir.
5.1.3. Elyaf Islatma ve Pestilin Hazırlanması
Bu aşama, işlemin en önemli kısımlarından biri olup matris malzemesinin, elyaflarla takviye
edildiği safhadır. Bu işlem özel SMC makinelerinde gerçekleştirilir. SMC makinesinin
çalışma prensibi Şekil 5.1.’de görülebilir. Makinenin önemli kısımları; reçinenin dökülceği iki
adet pota, iki polietilen film tabakası için iki film yürüme bandı, uygun boyutta elyaf kesici ve
sıkıştırma silindirleridir.
Mikserde hazırlanmış polyester pasta önce potadan polietilen gibi taşıyıcı bir film üzerine
akıtılır. Dışarıdan makaralar halinde satın alınmış olan cam elyaf ipi kesme makinesi içinde
20 mm boyutunda kesilir ve düzgün bir dağlımla bu pasta üzerine yayılır. İkinci bir taşıyıcı
film üzerindeki ikinci bir kısım pasta tekrar elyaf üzerine akıtılır. Daha sonra taşıyıcı filmler
arasında sandviç haline gelen bu elyaf reçine karışımı bir seri rulolar arasında sıkıştırılarak
reçinenin elyafı tamamen ıslatması sağlanır.
Şekil 5.1. SMC Elyaf Islatma ve Pestil Hazırlama Makinesi Şematik Görüntüsü
Daha sonra levhalar kalınlaşmaları (veya bu aşamaya olgunlaşma denir) için beklemeye
bırakılırlar. Bu kalınlaşma kısmı en kritik aşamalardan biridir ve genellikle 3-6 gün sürer. Bu
süre mevsim şartlarına göre de değişmektedir. Uygun sıcaklık koşullarında dahi minimum 3
gün beklenmeli fakat kesin bir sonuç için 5-6 gün daha uygun olmaktadır. Fazla beklemenin
de çeşitli olumsuzlukları vardır. Çok beklemiş bir SMC bileşeni fazla sertleşecek ve içyapısı
bozulacaktır. Ayrıca fazla sertleşmiş malzemeyi şekillendirmek için gerekli basınç ihtiyacı da
artacaktır. Bu sürenin kritik olma sebeplerinden biri de viskozitesinin pasta hazırlama
aşamasında düşük olması beklenirken (elyafı iyi ıslatabilmesi için), kalıplama aşamasında
viskozitenin elyafın pastadan ayrılmamasına yetecek düzeyde yüksek olması ama kalıplama
sırasında kalıp içersinde yayılmasına izin verecek düzeyde de kalması gerekliliğidir.
Hazırlanan kalıplama pestilleri (SMC), rulo halinde ya da sandıkta kumaş gibi katlanarak
saklanır. Genellikle 15 ˚C sıcaklıklarda bekletilen SMC pestillerinin raf ömrü takriben 6 ay
civarındadır.
5.2. SMC Sıcak Kalıplama İşlemi
Hazırlanan SMC hazır kalıplama pestillerini şekillendirmek için sıcak kalıplama yöntemi
kullanılır. Sıcak kalıplama işlemleri H tipi ya da kızaklı hidrolik preslerde gerçekleşmektedir.
Bu presler 150 – 1320 ton arası kapasitelere sahiptir.
5.2.1 Kalıbın Hazırlanması
SMC traktör kaportası sıcak kalıplama ile üretilir. Kalıbın hazırlanması; kalıp tasarımı, kalıp
üretimi, kontrol ve son işlemler olarak üç safhada gerçekleşebilmektedir. Bu işlemde
kullanılan kalıplar çelikten imal edilmiş olup kullanım yerine göre 1045 ya da 4140 çelikler
kullanılabilmektedir.
Kalıp tasarımları müşteriden gelen istekler doğrultusunda ya firma taraından gerçekleştirilir
ya da müşterilerden direk gelebilmektedir. Parçaların tasarımı Solidworks programı
yardımıyla gerçekleştirilerek simülayon eklentileri ile bir ön kontrolü sağlanır. (Şekil 5.2.)
Şekil 5.2. Kalıp ve Parça Tasarımı ile Bilgisayarda Modelleme
Parçanın kalıbı çıkartıldıktan sonra CAM programı ile CNC dik işleme tezgahlarına aktarılır.
Geniş tablalı CNC dik işleme merkezleri ile kalıplar işlenir(Şekil 5.3.). Kalıpların firma
içerisinde imal edilebilmesi ile hem kalite ve performans kontrolü, hem zaman kazancı
sağlanmaktadır. Bilgisayar destekli tasarım ve üretim sayesinde kalıplar büyüklük ve
kütlelerine göre en kısa zamanda işlenir. Bir pilot üretim gerçekleştirilir ve kalıp müşteri
tarafından onaylandıktan sonra seri üretime sorunsuz bir biçimde geçilir.
Şekil 5.3. CNC Dik İşleme Merkezinde Kalıbın İşlenmesi
5.2.2. Şarj Hazırlama ve Yerleştirme
SMC kalıplama işleminde bir dişi bir erkek olmak üzere iki kalıp kullanılmaktadır. CNC dik
işleme merkezinde işlenen kalıplar 1320 ton kapasiteli kızak sistemli ÖZKOÇ marka hidrolik
prese yerleştirilmiştir. Firmada her kalıbın bir el kitabı vardır. Bu el kitaplarında kalıbın o
güne kadar gördüğü her işlem yazmaktadır. Alt ve üst sıcaklık değerleri, soğutma aparatı,
hammadde kodu, baskı ağırlığı, pişme zamanı ve benzeri çeşitli bilgiler bu el kitaplarında
bulunmaktadır.
Yeterli viskoziteye sahip katılaşma işlemini tamamlamış rulo halindeki SMC malzeme belirli
boyutlarda kesilerek taşıyıcı film tabakalarından ayrılır. Malzemenin özelliklerine ve
akışkanlığına göre kesilen parçaların boyutu kalıp yüzeyinin yaklaşık % 80’ini kaplayacak
kadar olmalıdır. Ayrılan malzemeler kat kat dizilerek 16 kg ağırlığında bir şarj hassas
elektronik bir tartıda tartılarak hazırlanır. Daha sonra bu şarj malzemesi kalıba yerleştirilir.
(Şekil 5.4)
Şekil 5.4. Şarjın Kalıba Yerleştirilmesi
5.2.3. Kalıbın Kapatılması ve Malzemenin Şekillendirilmesi
Şarjın yerleştirilmesinini ardından kızaklı hidrolik pres ile üst kalıp önce hızlı bir şekilde şarj
yüzeyine gelir. Daha sonra 4-12 mm/s gibi yavaş bir hızla kalıplama işlemi gerçekleştirilir. Bu
işlemde kalıp sıcaklığı 150 ˚C sıcaklığındadır. Kalıp ısıtma tekniği olarak elektrikli ısıtma
kullanılmaktadır. Kalıplama (pişirme) süresi 4,5 dk civarında olup basınç 80 kg/cm2
değerindedir. Hidrolik preste emniyet için bir ışık bandı bulunmaktadır. Kalıpta insert
kısımları bulunur. Bu insert kısımları parçada insert delikleri oluşturarak parçanın montaj
kolaylığı sağlanır.
5.2.4. Kalıptan Çıkarma ve Son Kürleşme
Kalıplama işleminin sonunda, kalıp açılır ve parça dişi kalıptan ejektör pinler yardımı ile
çıkartılır.(Şekil 5.5.) Çıkartılan parçalar dış ortam sıcaklığında soğumaya bırakılır. Parça bu
esnada kürleşmeye ve kendini çekmeye devam eder. Soğuma işleminden sonra yüzeye
zımparaama işlemi uygulanarak pürüzlerin giderilmesi sağlanır.
Şekil 5.5. Kalıbın Açılması ve Katılaşmış Parça
5.3. Boyama
CTP Kompozit firmasında ayrı bir boyahane tesisi bulunmaktadır. Bu tesis zımparalama ve
hazırlık işlemlerinden ayrı bir alanda gerçekleştiğinden son kat boyama işlemi tozsuz bir
ortamda yürütülebilmektedir. Boyama işlemi esnasında çevre ve insan sağlığını koruyucu
önlemler alınmıştır. Boyanan parçalar daha sonra kurumaya bırakılır (Şekil 5.6.)
Şekil 5.6. Boyama ve Kurutma İşlemleri
5.4. Kalite Kontrol
CTP Kompozit firmasında satın alınan bütün ürünler belirli testlerden geçirilerek uygunlukları
kontrol edilmektedir. Firma bünyesindeki laboratuvarlarda her hammaddenin son ürün
oluncaya kadar her işlemi kimyasal ve mekanik testler ile denetim altında tutulmaktadır.
SMC hazır kalıplama bileşeni üretildikten sonra bir adet prototip deney çubuğu üretilerek
laboratuvarda mukavemet değerleri tayin edilir. Parçanın çekme, bükme, eğme testleri
gerçekleştirlir, viskozite ve ısı etkileri ölçülür (Şekil 5.7.)
Şekil 5.7. SMC Deney Çubuğu İçin Mekanik Test Makinesi
SMC üretimi etkileyen en önemli unsurlardan biri de kalıptır. Kalıbın hatalı olup olmadığını
kontrol etmek amacıyla dişi ve erkek kalıp arasına çok ince özel bir boya sürülerek kalıp
yavaşça kapatılır. Eğer boya kazınırsa kalıbın hatalı olduğu sonucna varılır.
5.5. Son İşlemler
Parçanın üretimi bittikten sonra sevkiyat için son kontroller yapılır. Düzeltilebilecek bir hata
varsa düzeltilir ve kaportanın havalandırma ızgarası ile birleştirme işlemi gerçekleşir. Far
boşluklarına far yuvaları takılır. Böylece parçalar sıfırdan son haline getirilerek müşteriye
eksiksiz bir biçimde teslim edilmektedir. Şekil 5.8. de parçanın son hali görülmektedir.
Şekil 5.8. SMC Malzemeden Üretilen Traktör Kaportasının Son Hali
6. SONUÇ
Kompozit malzemeler gelişen teknoloji ve çağın bir gereği olarak doğan yeni ihtiyaçlara
cevap verebilen malzemelerdir. Kullanım yerine göre çeşitli mekanik, fiziksel, ısıl vb.
özelliklerin bir arada bulunabilmesi ile mühendislikte yeni bir çığır açmıştır. Önceleri
kompozit malzeme kullanımı havacılık ve uzay sanayi benzeri ileri teknolojik sektörlerle
sınırlı kalsa da zaman içerisinde üretim ve hammadde maliyetleri düşmüş ve her alanda
muadili malzemelerle rekabet edebilecek konuma gelmiştir. Bugün otomotivden spora,
müzikten tıbba, şehircilikten inşaat sektörüne her alanda kompozit malzeme kullanımına
rastlamak mümkün olmaktadır.
Traktör kaportalarında kompozit malzeme kullanımı korozyona karşı iyi bir çözüm
sağlamakta, üretimi kolaylaştırmakta, maliyeti önemli ölçüde arttırmamakta ve bunun yanında
estetik bir görünüm kazandırmaktadır. Hafiflik ve tasarım esnekliği de göz ardı edilmemesi
gereken diğer avantajlardır.
Kompozit malzemeler konusunda bilimsel araştırmalar devam ettikçe çeşitli gelişmeler
yaşanacak ve mühendisliğin sınırları genişleyerek yaşamımızı kolaylaştıracak yeni
tasarımların önü açılacaktır.
KAYNAKÇA
[1] Aran, A. , Afacan, M. “Karbon Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemeler” “Mühendis ve
Makine” Cilt:29 Sayı:345 Ekim 1988
[2] Arıcasoy, O. , “Kompozit Sektör Raporu” İstanbul Ticaret Odası 2006
[3] Arıcı, A.A. , Genç Ç. “Yat İmalatında Kullanılan CTP malzeme ve imalat yöntemleri”
“Gemi ve Deniz Teknolojisi” Sayı: 178 16-38 Ekim 2008
[4] Arslan N., Kaman M.O. “Alüminyum, Kâğıt ve Cam Elyaf Petek Yapılı Kompozitlerin
Üretim Teknikleri ve Mekanik Özelliklerinin Araştırılması” “Dokuz Eylül Üniversitesi Fen
ve Mühendislik Dergisi” Cilt:4 Sayı:3 113-123 Ekim 2002
[5] Ataş C., “Kompozit Malzemeler Ders Notları” Dokuz Eylül Üniversitesi Makine
Mühendisliği 2008
[6] Barbero E.J. "Introduction to Composite Materials”, West Virginia University, USA 1999
[7] Bedir F., “Alüminyum kompozitlerin Üretimi, Karakteristik Özellikleri ve Endüstriyel
Uygulamaları”
[8] Eker Akdoğan A., “İmalatta Kompozit Malzemeler Ders Notları” (2008)
[9] Enişçi A, “Endüstriyel Tasarımda Polimer Esaslı Kompozit Malzemeler” “Gemi ve Deniz
Teknolojisi” 5-15 Ekim 2008
[10] Mallick, P.K., “Composites Engineering Handbook”, Marcel Dekker,Inc., Newyork
USA, 1997
[11] Peters, S.T. “Handbook of Composites” Mountain View, Calfornia, USA1998
[12] Sınmazçelik, T , "Makine Elemanlarında Kompozit Malzeme Kullanımı, Özellikleri ve
Tasarım İlkeleri", “Makina Tasarım ve İmalat Teknolojileri Kongresi”
, 65-74, 2001, KONYA
[13] Sönmez. F. Ö., “Otomotiv Sanayinde Kompozit Malzeme Kullanımı”, “Mühendis ve
Makine”, Cilt 39, Sayı 465, Mayıs 2000
[14] Şahin Y. “Kompozit Malzemelere Giriş” Seçkin Yayınevi Ankara 2006
[15] Tarakçılar A.R. ,Taşgetiren, S., Topçu M. “Mühendislik Malzemesi Olarak Kompozitler
ve özelliklerini belirleyen faktörler ”,”Mühendis ve Makine” cilt:36 sayı:420, 199 23-27
[16] Ünal O., “Yapı Malzemesi Ders Notları” 2006
[17] Yapıcı, A, Şahin, Ö.S. "Fiber Takviyeli Tabakalı Termoplastik Kompozit Levhalarda
Delik Kenar Arasında Oluşan Elasto-Plastik Gerilmeler", “Mühendis ve Makine” - Cilt: 44
Sayı: 519” 41-45 Nisan 2003
[18] Yaşar, İ.ve Arslan, F.,” Sürekli Cam Elyaf Takviyeli Polyester Matrisli Kompozitlerde
Elyaf Hacim Oranı ve Elyaf Doğrultusunun Tribolojik Özelliklere Etkisi “ Türk Mühendislik
ve Çevre Bilimleri Dergisi” ,2000 s.181-191
[19] Yılmaz R, Cam Seramik Matrisli Kompozit Malzeme Araştırmalarında Ortaya Çıkan
Problemlerin Değerlendirilmesi, “Metal Dünyası”, Sayı 165, 146-151, Şubat 2007
[20] “Spor Araçlarında Kompozit Malzeme Kullanımı” “New Scientist”, 14 Ağustos 2004
çev: Reyhan Oksay
İnternet Kaynakları
[21] http://www.istanbul.edu.tr/eng/metalurji/
[22] http://www.mtbtr.com/gezi_yayin/
[23] www.obitet.gazi.edu.tr
[24] www.poliya.com.tr
[25] www.tegim.com
[26] www.xengineer.net
[27] www.tei.com.tr
[28] www. isxtv.com
[29] www.fidaskompozit.com
[30] www.ctp.com.tr