KOMPOZİT MALZEMELER

Niçin kompozit:

Kompozitin çelikten hafif, alüminyumdan sağlam ve korozyona dayanıklı olduğu söylenir. Uzay, uçak ve otomotiv sanayileri gibi hafiflik/sağlamlık oranının yüksek güvenilirlikle sağlanması şart olan sektörlerde giderek yaygınlaşan kullanımı bu iddiaları doğrulamaktadır.

Tanımlar:

Kompozitlere piyasada GRP Glass Reinforced Plastic), FRP (Fiber Reinforced Plastic), MRM (Metal Reinforced Metal) gibi isimler altında rastlarız. Kompozit, birden fazla esaslı malzemenin belirli bir amaç için üniform/tam karışmış olmayan, ancak belli bir düzen içinde birlikte kullanıldığı yapıya denir. Kompozit yapılar, genelde kuvvetlendirici elyaflar bunların içinde bulunduğu bir matriks ve bir çekirdekten (bazı durumlarda) oluşur.

Malzemeler:

Kompozitlerde kullanılan malzemeleri:

A- Kuvvetlendirici elyaflar,

B- Matriks,

C- Çekirdek (Core) malzemeleri olarak sınıflandırabiliriz.

A-    Kuvvetlendirici elyaflar:

Ana matriksin içerisinde özel mukavemet sağlanması

istenen yerlerde/yönlerde bu amaçla kuvvetlendirici elyaflar kullanılır. Kuvvetlendirici

elyafları şu şekilde sınıflandırabiliriz:

1) Cam elyafları: İlk kompozit panellerin yapımında kullanılan elyaf cam elyafı idi. Günümüzde çeşitli mukavemet özelliklerine sahip E, S ve R tipi cam elyafları üretilmekte ve kullanılmaktadır. Cam elyafları oldukça iyi ıslanabilen ve kullanımı nisbeten kolay elyaflardır.

2) Aramid elyafları: 1960’lı yılların sonlarında DuPont de Nemours tarafından piyasaya sürülen Kevlar aramidlerin en bilinenidir. Son yıllarda çeşitli imalatçılar değişik ticari isimlerle piyasaya aramid elyaflar sürmüşlerdir. Aramid elyafın spesifik çekme mukavemeti çelikten yaklaşık 5 kat daha fazladır. ( Yani 1 m boyunda 1 kg ağırlığında bir aramid halat, aynı boy ve ağırlıkta bir çelik halattan 5 kat daha fazla yük taşıyabilir. Bu üstün çekme mukavemeti özelliği aramidlerin balistik koruma amaçlarıyla da kullanılmasına imkan tanımıştır. Sürtünme ve aşınmaya da çok dayanıklı olan bu tip elyaflar basmada aynı performansa sahip değillerdir.Düşük yoğunlukları ve naylon temelli hidrofob yapıları kullanılan plastik matriksin aramid elyaflarını oldukça problemli yapmaktadır. Aramidlerde, çok ileri reçine sistemlerinde bile, yapıdaki elyaf oranında %50’den iyisini elde etmek mümkün olamamaktadır. Ayrıca depolamada rutubet almaları bu ıslanmayı çok daha zor hale

getirdiğinden yapısal bütünlük için bir tehlike oluşturur.

3) Karbon elyafları:

Mukavemet olarak cam ve aramid elyaflarından çok daha üstün özellikler taşırlar. Darbelerin yutulması için ve çok düşük ağırlıkla rijitlik sağlamak amacıyla kullanılırlar. Düşük uzama seviyeleri ve kırılganlıkları başlarda problem olmuşsa da günümüzdeki yüksek uzamalı karbon elyaflarının bulunmasıyla bu problemler ortadan kalkmıştır. Plastik matriks içerisinde ıslanabilme özellikleri oldukça iyidir.

4) Diğer plastik elyaflar:

Kompozit yapılarda, az miktarda olsa da amaca uygun olarak naylon (Nomex) ve polyethylen elyaflar da kullanılmaktadır.

5) Boron elyaflar:

Metal takviyeli metal (MRM) kompozitlerde boron elyaflar kullanılır. Gaz türbini kanatları gibi yüksek ısıda üstün mukavemet gerektiren yerlerde alüminyum oksit matriks içerisinde boron elyafları kullanılır.

6) Tahta:

Çok katlı laminasyonlarda (cold moulding) şeritler halinde kuvvetlendirici elyaf olarak tahta kullanılır.

B-    Matriks:

 İçine yerleştirilmiş kuvvetlendirici elyafları katılaştığında belli bir formda tutacak ve toplam mukavemette de bir görev üstlenecek üniform dolguya matriks denir. Yapıları itibariyle matriksler plastik reçineler, metal ve seramik olarak ayrılabilir.

1) Plastik reçine matriksler: Plastik matriksler içindeki solvent buharlaşması, kimyasal polimerizasyon veya soğuyup katılaşarak sertleşen tiplerde olur.

a) Polyesterler: Reçine matrikslerin bilinen en eskilerinden ve en çok kullanılanılıdır. Islak yatırma için uygundur. Sertleşmesi egzoterm kimyasal bir polimerizasyon sonucu olur. Bu arada solventi styrenmonomer açığa çıkar. Genelde ortoftalik ve izoftalik olarak iki tip polyester kullanılır. Polyesterin saf halde korozif elementlere ve suya mukavemeti çok iyi değildir. İmalatta çalışma süresi 30-40 dakika ile sınırlıdır. Bu süreyi uzatmak için çeşitli inhibitörler kullanılabilir. Ancak reaksiyonun egzoterm özelliği ve hızının güç kontrol edilebilmesi vakum altında imalatta çok büyük zorluklar getirir.

b) Vinylesterler: Polyesterlerden sonra bulunmuş bir matriks tipidir. Vinylester reçine ıslak

yatırma için uygundur. Sertleşmesi egzoterm kimyasal bir polimerizasyon sonucu olur. Bu arada solventi styrenmonomer açığa çıkar. Vinylesterler su ve koroziflere karşı yüksek dirence sahiptirler. Polimerizasyon çeşitli ajanlar vasıtası ile 10-12 saate kadar uzatılabilir, bu sayede büyük yüzeylerde vakum tatbikatı yapılabilir.

c) Epoksiler: Epoksi reçineler de polyester ve vinylesterler gibi kimyasal polimerizasyon sonucu sertleşir. Ancak yapılarında açığa çıkan bir solvent yoktur. İmalatta çalışma süresi oda sıcaklığında 15 saat civarında olabilir. Epoksi reçineler karışımı yapılmış halde, soğuk ortamlarda (0 C altında) iki aya kadar muhafaza edilebilir. Bu özellik prepreg (preemprenye=önceden reçineyle ıslatılmış kuvvetlendirici elyaflar) sistemlerinde kullanılmasına imkan tanımaktadır. Prepreg tipi sistemlerde polimerizasyon yüksek ısı (75-180 C) altında başlatılır ve sonuçlandırılır. Ultraviole ile polimerize olantip reçineler de vardır. Desert Storm harekatında savaş alanındaki kompozit tamirler UV Curing Prepreg’lerle yapılmıştır. Polimerize olurken parlak bir yüzey oluşturduklarından ikinci yapıştırma için özel tedbir alımnası gereklidir. Reçine/elyaf oranının sıkı olarak kontrol edildiği prepreg sistemler uçak sanayiinde, yarış otomobili imalinde yoğun olarak kullanılmaktadır

d) Termoplastik reçineler: Isıtılıp sıvılaştırılan bu reçineler soğuyunca katılaşır. Genelde enjeksiyon kalıplarında kullanılır.

2) Metal matriksler: Metal matriksler genelde oldukça yüksek ısı altında çalışan ve olağan dışı mukavemet özellikleri beklenen parçalarda kullanılır. Bakır, alüminyum oksit bazı metal matrikslerdir. Bu tip yapılarda genel mukavemetin yanı sıra termal gerilmeler de hesaba katılır.

3) Seramik matriksler: Yüksek termal performans (HTP = High Thermal Performance) arandığı durumlarda seramik matriksler kullanılır. RFC (Rigid Fibrous Ceramic) bu aileden bir ürün sistemidir.

C- Çekirdek (Core) malzemesi: Çekirdek, sandviç yapılarda elyaf/matriks sisteminde oluşturulan iki deri (skin) arasına mukavemetini arttırmak üzere yerleştirilen bir malzemedir.

Çekirdek olarak kullanılan malzemeler:

1) PVC köpükler: PVC köpükler çok kullanılan bir çekirdek malzemesidir. Rutubet/su absorbsiyonu direnci iyidir. 40-300 kg/m3 yoğunluklarda bulunabilir.

Yapılarına göre:

a) Cross linked: nisbeten kırılgan ,

b) Linear: mukavemet özellikleri bozulmadan deformasyon kabul edebilen ,

c) Yüksek ısı dirençli tipleri vardır.

2) Balsa: Hafif balsa ağacı, elyafları deriye dik gelecek şekilde (end grain) kesilerek çekirdek olarak kullanılır. Balsa çekirdekli sandviçler çok iyi bir rijitlik sağlarlar. Ancak, kırılmaları ani ve büyük boyutlu (catastrophic failure) olur. Bunun yanı sıra, tabii kaynaklı malzemenin standardizasyonu imkansız denecek kadar zordur. Nispeten yüksek yoğunluğu ise, PVC köpük gibi geniş bir seçim şansı vermez.

3) Tahta: Balsa dışında tahta da, bilhassa iyi ezilme mukavemeti beklenen yerlerde çekirdek malzemesi olarak kullanılabilir. Genelde kontrplak veya lamine şeklindedir. Standardizasyonu balsadan daha iyi kontrol edilebilir. Ağırlığı önemli bir dezavantajıdır.

4) Bal peteği (Honeycomb): Bal peteği metalik veya kompozit esaslı olabilir. Metalik bal peteği çok ince alüminyumdan, kompozit bal peteği ise kağıt veya nylon/aramid elyafları ve epoksi veya fenolik bir reçineden yapılırlar. Ataşe dayanıklı Nomex en popüler bal petek sistemlerinden biridir. Bal petek sistemleri dış derilere yapıştırılması oldukça zor ama üstün mukavemet/ağırlık oranları sağlayan çekirdek yapıları oluştururlar. Ayrıca, eğimli yüzeyleri bal peteği ile dönmek için özel bir teknik gerekmektedir.

Yatırma (tatbik) tekniklerine göre sınıflama:

Elyafların matriksin içine yatırılma tekniklerine göre imalatı sınıfladığımızda şu ana yöntemlerle karşılaşırız:

A-    Islak yatırma: Kuvvetlendirici elyafların kuru olarak kalıp üzerine konarak orada reçine ile ıslatılmasına ıslak yatırma denir.       

 Islak yatırma şu şekillerde yapılır:

1) Makina ile: Elyaflar ve reçine bir makina tarafından karışım halinde püskürtülür. Seri imalat için kolay bir yöntemdir. Ancak çok kötü reçine/elyaf oranları ve dolayısıyla mukavemet özellikleri yüzünden bu yöntem uçak sanayinde pek kullanılmaz.

2) Elle: Reçine elyafa rulo veya fırça ile tatbik edilir. Bu durumda istenen reçine/elyaf oranı reçine ve elyafın ağırlık kontrolü ile sağlanır ve oldukça zordur. Elyafın tam ıslanması da problemlidir. Islanan elyafların renk değiştirmeleri bilinen en sağlıklı kontrol yöntemidir. Elle yatırma yapısal boşluk muhteviyatı (void content) en fazla olan bir imalat şeklidir ve bu sebeple uçak sanayinde fazla kullanılmaz.

3) Vakum ile: Havası boşaltılan bir örtü altında atmosfer basıncından yaralanarak elyaflar reçine ile ıslatılır. Bu pres sistemi hem iyi bir ıslanma sağlar, hem de fazla reçineyi dışarı alarak reçine/elyaf oranını istenen seviyeye getirir. Vinylester ve epoksi reçine sistemleri ile vakumla ıslatma, prepreg mertebesinde iyi sonuçlar vermektedir. Reçine elle (rulo/fırça) veya emdirme yoluyla tatbik edilebilir. Emdirme sistemlerinde DuPont de Nemours şirketinin “Scrimp” yöntemi son zamanlarda başarı kazanmaktadır.

B- Pre-emprenye (prepreg): Kuvvetlendirici elyafların önceden reçine ile ıslatılarak tatbike hazır hale getirilmesi yöntemine “prepreg” denir. Prepreg’lerde genelde epoksi reçineler kullanılır. Reçine/elyaf oranının sıkı bir şekilde kontrol edilebildiği bu yöntem uçak sanayinde yoğun olarak kullanılmaktadır. Prepregler vakum hatta basınç (7 bar) altında piştiklerinden katlar arası yapışma çok başarılıdır ve boşluk muhteviyatı (void content) asgariye indirilmiştir.

Kalıplama yöntemlerine göre sınıflama:

Kalıplama yöntemlerine göre kompozit imalat üç esas yöntemde yapılır:

A- Dişi kalıp: Kalıbın iç yüzü, bitmiş mamulün dış yüzünü oluşturursa bu yönteme “dişi kalıp” denir. İmalat dış kattan başlayarak iç katlara doğru yapılır. Enjeksiyon kalıpları da bu başlık altında kabul edilir. Dişi kalıpla yapılan imalatta mamul dış yüzeyi iyi bir finişle elde edilir. Bu, hem ağırlık tasarrufu hem de pahalı bir boyama işleminden kurtulmayı sağlar. Ancak, dişi kalıplar iyi finişli ve dolayısıyla pahalı bir model üzerinden alınan pahalı kalıplardır. Çok sayıda imalat yapılacak durumlarda parça başına kalıp maliyeti azalacağından, dişi kalıp yöntemini kullanmak akılcı olmaktadır.

B- Erkek kalıp: Kalıbın dış yüzü bitmiş mamulün iç yüzünü oluşturursa, bu yönteme “erkek kalıp” denir. Erkek kalıpla yapılan imalatta iyi bir finiş için mamul dış yüzeyinin boyanması gerekir. Bu, hem ağırlığı arttırır hem de pahalı bir boyama işlemine ihtiyaç gösterir. Ancak, erkek kalıplar oldukça basit ve ucuz kalıplardır. Tek imalat yapılacak durumlarda, erkek kalıp yöntemini kullanmak akılcı olmaktadır.

C- Sandviç (kesitler üzerine kalıpsız) sistem: Sandviç konstrüksiyon yapılarda çekirdek malzemesi kaplama görevi yapacağından, erkek kalıp bu çekirdeğe şekil verebilecek basit bir kesitler takımından ibaret olur. Bu yöntem de boya finiş gerektirir. Ancak çok büyük yapılar için çok uygun bir yöntemdir.

Yapısal imalat özelliklerine göre sınıflama:

Bir kompozit yapı genelde üç tip olabilir:

A- Monokok deri: Mamulün yapısı, bir yumurtanın kabuğu gibi, herhangi bir iç veya dış takviye olmaksızın kendini taşıyabiliyorsa buna monokok sistem denir. Küçük parçalar bu esasa göre yapılır. Parça boyutları büyüdükçe takviyesiz monokok deri yapı ağır olmaktadır. Özelliklerini sıralarsak monokok deri:

- daha ağır,

- dişi kalıp kullanılacaksa yüksek kalıp harcaması, erkek kalıp ise özel teknik gerektirir.

- model/form değiştirme yüksek maliyeti,

- izolasyon özelliği yok gibi.

- kalınlıktan dolayı imalatta ısı yükselmesi (egzoterm) problem yaratabilir.

- daha çok reçine kullanımı çevreye daha çok zarar verir.

- daha çok işçilik gerektiriyor

B- Tek deri ve takviye kaburgaları: Yapısı içten kaburga/kirişlerle takviye edilen tek deriden (single skin) oluşan sistemler bu sınıfa girer. Dişi kalıba ihtiyaç gösteren bu sistem çok iyi bir mukavemet/ağırlık oranı sağlayabilmektedir. Özelliklerini sıralarsak tek deri ve takviye kaburgaları yöntemi:

- hafif,

- dişi kalıp kullanılacağından yüksek kalıp harcaması,

- model/form değiştirme yüksek maliyeti,

- takviyelerin yapışması (secondary bonding) problemli. Bazen vida, perçin ve esnek

reçineler (akrilat bazlı) bile kullanılabiliyor,

- daha çok işçilik (kaburgaların kesilip, alıştırılıp, yerine yapıştırılması,

- takviyeler içeride hacim kaybı yaratır,

- izolasyon gerekli,

- tamir için ana kalıba ihtiyaç var.

C- Sandviç sistem: Yapının tüm yüzeyi bir çekirdeğin içi ve dışına ilave edilmiş iç ve dış derilerden oluşur. Bu yapı bir ölçüde sembolik bir I kirişe benzetilebilir. Basit bir kalıpla imal edilebilir. Özelliklerini sıralarsak:

- hafif,

- basit bir kalıp kullanılacağından düşük kalıp maliyeti,

- model/form değiştirme düşük maliyeti,

- daha az işçilik, (bal peteği sistemler için bombeli yüzeylerde özel işçilik gerekli)

- ikinci yapıştırma (secondary bonding) olmadığı için böyle bir problemi de yok,

- takviyeler olmadığı için iç hacim kaybı yok,

- yapı kendiliğinden izolasyon özelliğine sahip,

- az reçine, az çevre problemi,

- tamir kolaylığı (basit aletlerle, kalıp olmaksızın),

- yanma direnci (çekirdekten),

Uçak sanayinde kompozitlerin yeri:

Günümüzde kompozit malzemeler başlangıç noktaları olan uçak/uzay sanayinde çok daha yoğun olarak kullanılmaktadır. Maliyetlerin öne çıktığı bu dönemde kompozit malzemelerin giderek daha yoğun kullanılacakları kesindir.

Sonuç:

Metaller gibi her yönde aynı mukavemeti gösteren (non polar) üniform malzemelere karşın kompozitler bazı yönlerde daha iyi, bazı yönlerde ise daha kötü mukavemet özellikleri (polar) taşırlar. Ancak, aynı iş için, taşınması gereken yükleri çok iyi tarif edebilmişsek, polar özellikli bir kompozit yapı non polar özellikli bir üniform malzemeden daha hafif olur. Fransızların kompozit için kullandıkları çok güzel bir deyim bizce her şeyi açıklayabiliyor: “La matiere grise est la matiere premiere des composites” (beyin dokusu kompozitin ham maddesidir). Kompozitlerle tabiatı kandırıp istediğimiz malzemeyi biz oluşturabiliyoruz.

Kompozit malzeme kullanırken başarı için:

1, Ne istediğimizi çok iyi bilmek,

2- Kullanacağımız malzemeyi çok iyi tanımak gereklidir.

Burada düşülmemesi gereken hata, kompozitin ilk yıllarında yapıldığı gibi, başka bir malzeme için yapılmış tasarım ve mühendisliği, sadece malzeme fiziksel özelliklerini değiştirerek, aynen kompozite uyarlamak eğilimidir. Tasarımı malzemenin mukavemet ve imalat özelliklerini bilerek ve avantajlarından yaralanarak yürütmek başarının temelidir.