2. TEMEL KAVRAMLAR

2.1 Giriş

20. yüzyılın son çeyreğindeki en önemli teknolojik gelişmelerden

bir tanesi de kompozit malzemelerdir. Kompozit malzemeler iki veya

daha fazla organik veya inorganik bileşenin bir araya gelmesiyle

oluşurlar. Bileşenlerden birisi ana malzeme olan matriks, diğeri de

taşıyıcı görevi yapan fiberdir. Kompozit malzemelerin mukavemet ve

sertliğinin tamamına yakını fiber tarafından sağlanır. Matriksin görevi

ise; fiberleri birbirine bağlayarak uygun yerleşimi sağlamak, yük

dağılımını fiberlere aktarmak, fiberleri çevreden gelen risklere karşı

korumak, çatlak yayılışına karşı direnç sağlamak, yüksek sıcaklık ve

korozyona karşı koymaktır. Kompozit malzeme üretimindeki en önemli

kavram daha iyi özelliklere sahip malzeme elde etmek için fiber ve

matriksin uygun olanının seçilmesidir. Ayrıca; mukavemet, rijitlik,

yorulma, ısıl ve nem direnci gibi özelliklerin daha iyi olması için uygun

fiber yönü seçilmelidir. Bu nedenle daha özel tasarımlara ihtiyaç

duyulmaktadır. Dolayısıyla mühendislik uygulamalarında farklı fiber ve

matriks çeşidiyle karşılaşmak mümkündür.

Kompozit malzemeler; çoğu doğal ve biyolojik yapıda bulunabilir.

En çok rastlanan doğal kompozit malzeme odundur. Eski Yunan ve Mısır

uygarlıklarında; odunun ısıl büyüme ve nem tutma özellikleri

kullanılarak daha kaliteli ürün elde etmek amacıyla kontrplak üretilmiştir.

Vücudumuzda bulunan kas ve kemikler iskelet sistemimizin taşıyıcı

vazifesi yapan fiberleridir. Modern kompozit malzemeler daha yüksek

katılık/ağırlık oranlarında kullanılmaktadır.

14

En çok kullanılan kompozit malzeme türü olan fiber camlar 1950’li

yıllarda tekne yapımında ve otomobil karoserlerinde kullanılmıştır. Uçak

yapımında da uygulama alanı bulan cam fiberler ilk olarak Boeing

707’de ağırlık olarak %2 oranında, daha sonra Boeing 777’de %10

oranında kullanılmıştır. Bu oran daha özel tasarımlarda %65 değerine

kadar artmıştır. Yüksek hız uçaklarında aerodinamik etkiye ve yüksek

sıcaklıklara dayanabilecek karoserler yine kompozit malzemelerden

yapılmıştır.

Kompozit malzemelerin kullanım alanları sadece havacılıkla

sınırlandırılamaz. Spor ve elektronik malzemelerin yapımında, gemi ve

otomobil tasarımlarında ve protez gibi tıbbi malzeme yapımında da

kompozit malzemelere rastlanılmaktadır. Şimdi kompozit malzemeyi

oluşturan temel yapılar üzerinde duralım.

2.1.1 Takviye Elemanları

Kompozit malzemelerde takviye elemanı olarak fiberler

kullanılmaktadır. Fiberler mukavemet ve rijitlik sağlarlar. En çok

kullanılan fiber türleri aşağıda anlatıldığı gibidir.

Cam Fiberler: Cam fiberler orta maliyette olmasına karşın

mekanik, kimyasal ve elektriksel özellikleri oldukça iyidir. Daha çok

uçak panelleri, roket motorları, helikopter rotor pervaneleri, basınçlı

kaplar ve spor malzemeleri yapımında kullanılırlar.

Karbon Fiberler: Karbon fiberler yüksek performanslı kompozit

yapılarda en çok kullanılan takviye elemanlarıdır. Daha çok suni ipek ve

15

poliakrilonitrilden (PAN) yapılırlar. Karbon fiber takviyeli kompozit

malzemelerin mukavemet ve rijitlikleri cam fiber takviyeli kompozitlere

oranla büyük olması nedeniyle günümüzde kullanımları gittikçe

artmaktadır. Uçaklarda roket lülelerinin ve türbin kanatçıklarının

imalinde kullanılmaktadırlar.

Aramid Fiberler: Aramid fiberler mukavemetlerinin yüksek

olması nedeniyle çoğu uygulamada yer almaktadır. Bununla birlikte nemi

tutabilme özellikleri ve matrikse iyi yapışamama gibi dezavantajları da

vardır. Cam fiberden daha hafif fakat daha pahalıdırlar. Özellikle

otomobil lastiklerinin imalinde kullanılırlar. Basma dayanımları düşük

korozyon dayanımları yüksektir.

Boron Fiberler: boron fiberler ilk olarak 1960’larda kullanılmaya

başlanmıştır. Yüksek modül ve yüksek mukavemete sahip olmalarına

rağmen işleme zorluğu nedeniyle pahalıdırlar. Birleşmiş Milletler Hava

Kuvvetlerinde F-15 ve Deniz Kuvvetlerinde F-145 uçaklarının her

ikisinde de takviye elemanı olarak boron fiberler kullanılmaktadır.

2.1.2 Matriksler

Matriksler kompozit yapı içerisinde fiberleri bağlayıcı görevi

yaparlar. Uygulanan yükün tüm fiberler üzerinden taşınmasını sağlayan

elemanlardır. Matriks tipik olarak fiberden daha düşük yoğunluk, rijitlik

ve mukavemete sahiptir. Matriksler kullanılan matriks türüne göre

gevrek, sünek, elastik veya plastik olabilirler. Dolayısıyla lineer veya

lineer olmayan gerilme-şekil değiştirme davranışı gösterebilirler. En çok

kullanılan matriks türleri karbon, seramik, cam, metal ve polimerdir.

16

Karbon Matriksler: Karbon matriksler birim ağırlıklarına göre

yüksek sıcaklık kapasitesine sahiptirler. Roket lülelerinde, uçak kavrama

ve fren yastıklarında kullanılırlar.

Seramik Matriksler: Genel itibariyle gevrektirler. Yüksek sıcaklık

istenen uygulamalarda karbon, seramik, metal ve cam fiberlerle birlikte

kullanılırlar.

Cam Matriksler: cam ve cam-seramik kompozitler kendilerine

taşıyıcı görevi yapan fiberlerden daha düşük elastisite modülüne

sahiptirler. Karbon ve metal oksit fiberler genellikle cam matriksli

kompozitlere taşıyıcı görevi yaparlar. Cam ve seramik matriksli

kompozit malzemelerin en önemli özellikleri mukavemetleri ve yüksek

servis sıcaklıklarıdır. Cam matriksli kompozit malzemelerin ilk kullanım

alanları ısıl direnç gerektiren makine parçaları ve elektriksel

bileşenlerdir.

Metal Matriks: Metal matriksli kompozitlerin oksitlenebilecek

çevre şartlarında dahi yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmeleri en önemli

avantajlarıdır. En çok kullanılan metal matriksler demir, nikel, tungsten,

titanyum, magnezyum ve alüminyumdur.

Polimer Matriksler: Ucuz olduklarından en çok kullanılan matriks

türüdür. Doğal olarak kehribar, zift ve reçine şeklinde bulunurlar.

Polimerlerin proses kolaylığı ve iyi nem tutabilme gibi avantajları vardır.

Düşük yoğunluklu malzemeler olup tipik polimer matriksler zaman,

sıcaklık ve nem etkisine bağlı olarak viskoelastik ve viskoplastik

davranış gösterirler.

17

2.2 Kompozit Malzeme Türleri ve Sınıflandırılması

Kompozit malzemeler kendisini oluşturan iki fazın (matriks ve

fiber) tipine, geometrisine ve fiber oryantasyonuna bağlı olarak üç genel

kategoriye ayrılırlar (şekil 2.1). Kompozit malzemeler matriksin ve

fiberin durumuna göre aşağıdaki gibidir.

Şekil 2.1 Kompozit malzemelerin sınıflandırılması

18

Parçacıklı Kompozitler: Parçacıklı kompozitler, matriks içerisine

gelişi güzel dağılmış çeşitli şekil ve boyutlardaki parçacıkları içerirler

(Şekil 2.1). Parçacıklı kompozitler; metal olmayan parçacıkların metal

olmayan matris içerisinde yer alması (beton, cam takviyeli mika, polimer

takviyeli kauçuk gibi), metalik parçacıkların metal olmayan matris

içerisinde yer alması (alüminyum takviyeli poliüretan kauçuk gibi),

metalik parçacıkların metal matris içerisinde yer alması (bakır alaşımları

gibi) ve metal parçacıklarının metal matris içerisinde yer alması (silikon

karpit parçacıklarının alüminyum matriks içerisinde yer alması gibi) ile

meydana gelirler.

Süreksiz veya Kısa Fiberli Kompozitler: Bu kompozitler takviye

elemanı olarak bünyelerinde kısa veya kırpılmış fiber bulundururlar. Kısa

fiberler çaplarına nazaran oldukça uzundurlar ve matriks içerisinde tek

yönde bulunabilecekleri gibi gelişi güzel yerleşmiş de olabilirler. Bu tür

kompozitler öncelikle anizotropik veya ortotropik yapı eğiliminde olup

yarı izotropik yapıda da olabilirler (Şekil 2.1).

Sürekli Fiber Kompozitler: Bu tür kompozitler kesiksiz (sürekli)

fiber içermektedirler. Mukavemetleri ve rijitlikleri oldukça yüksektir.

Sürekli fiberler devamlı tek yönde yerleşebilecekleri gibi (tek yönlü

sürekli fiber kompozitler) birbirlerine dik iki ana yönde (çapraz kat veya

örgü tipi) ve birkaç farklı yönde yerleşebilirler (çok yönlü sürekli fiber

kompozitler) (Şekil 2.1).

Fiber takviyeli kompozitler kullanılan matrikse uygun olarak da

polimer, metal, seramik ve karbon matriksli kompozitler şeklinde

sınıflandırılabilirler (tablo-2.1).

19

Polimer Matriksli Kompozitler: Bu tür kompozitler termoset

(epoksi, poiamit, polyester) veya termoplastik (polieter, keton,

polisülfon) reçinelerin cam, karbon (grafit), aramid (kevlar) veya boron

fiberlerle bir araya gelmesiyle oluşurlar. Genel olarak düşük sıcaklık

gerektiren uygulamalarda kullanılırlar.

Çizelge 2.1 Kompozit malzeme tipleri

Matriks Tipi Fiber Matriks

Polimer

E-camı

S-camı

Karbon (grafit)

Aramid (kevlar)

Boron

Epoksi

Poliamid

Polyester

Termoplastik

PEEK

Metal

Boron

Borsik

Karbon (grafit)

Silikon karpit

Alümina

Alüminyum

Magnezyum

Titanyum

Bakır

Seramik

Silikon karpit

Alümina

Silikon nitrat

Silikon karpit

Alümina

Cam-seramik

Silikon nitrat

Karbon Karbon Karbon

Metal Matriksli Kompozitler: Metal matriksli kompozitler metal

veya metal alaşımlarının (alüminyum, magnezyum, titanyum, bakır)

boron karbon veya seramik fiberler gibi takviye elemanlarıyla birleşerek

20

meydana gelirler. Maksimum kullanma sıcaklıkları metal matrikslerin

erime noktalarıdır.

Seramik Matriksli Kompozitler: Seramik matrikslerin (silikon,

karpit, alüminyum oksit, cam-seramik, silikon nitrat) içerisinde seramik

fiberler bulundurmasıyla oluşurlar. Çok yüksek sıcaklık gerektiren

uygulamalarda kullanılabilirler.

Karbon/Karbon Kompozitler: Grafit veya karbon fiberlerin,

grafit veya karbon matrikse takviye yapması ile oluşurlar. Düşük

yoğunluk, yüksek ve düşük sıcaklıklara dayanabilme gibi özelliklere

sahiptir. Ayrıca; tabakalı kompozitlerde mevcuttur. Bunlar farklı

malzemelerdeki ince tabakaların birleştirilmesiyle oluşurlar. Örnek

olarak bimetaller, kaplanmış metaller, kontrplaklar ve formika verilebilir.

2.3 Temel Malzeme Yönleri

Şekil 2.2’de matriks içerisine tek yönde yerleşmiş fiberlerle

takviyeli kompozit malzemenin temel yönleri görülmektedir. Şekilden de

görülebileceği gibi fiber yönünde fiberin takviye elemanı özelliğinden

malzeme daha mukavemetli ve daha rijittir. Fakat fiber yönüne dik yönde

yük matriks tarafından taşındığından mukavemet daha düşük ve rijitlik

zayıftır. Çift yönde fiber takviyeli örgü tipi kompozit malzemelerde her

iki yönde de rijitlik ve mukavemet aynıdır. Tüm yerlere yerleşmiş fiber

takviyeli kompozit malzemelerde bu özellikler değerini yitirir. Yani daha

zayıftır.

21

Şekil 2.2 Kompozit malzemelerde temel malzeme yönleri

Kompozit malzemeler analiz edilirken ana yön olan 1 yönü fiber

yönünü, 2 ve 3 yönleri fibere dik yönleri belirtmektedir. Bu koordinat

sistemi (123) malzeme koordinat sistemi olarak adlandırılır ve fiberin

oryantasyonuna bağlıdır.

Tabakalı kompozit malzemelerde birden fazla tabaka olacağından

fiber yönlerini belirlemek için ikinci bir eksen takımı tanımlanmalıdır.

Bu koordinat sistemi xyz ile gösterilip lokal koordinat sistemi olarak

adlandırılır. Lokal koordinat sisteminin belirli bir açıyla döndürülmesiyle

yeni bir eksen takımı oluşur ki bu da x’y’z’ ile gösterilip global koordinat

sistemi olarak adlandırılır. Tabakalı kompozitlerde temel malzeme ekseni

123, her bir tabak k, x eksenine göre fiber açıları k ve lokal eksen xyz

şeklinde karşımıza çıkar. Saat ibresinin ters yönü pozitif açı iken (+k)

ters yönü eksi açıdadır (-k).

22

2.4 Tabakalı kompozitler

Tabakalı kompozitler fiber takviyeli levhaların istiflenmesi sonucu

oluşurlar. Levhalar istiflendikten sonra sıcaklık ve basınç altında

preslenirler. Bir çok tabakalı kompozit mevcuttur. Bunlardan bazıları;

karbon matriks-karbon fiber kompozit (KKK), metal-matriks kompozit

(MMK), seramik matriksli kompozit (SMK), titanyum matriksli

kompozit (TMK) vb. Şekil 2.3’te birleştirilmemiş farklı fiber açılarındaki

(-45/45/0/90) plakalar görülmektedir.

Şekil 2.3 Birleştirilmemiş (-45/45/0/90) fiber açılarındaki plakalar

Şekil 2.4’te iki adet tabaka görülmektedir. Bunlardan biri

(0/90/90/0) veya basitçe (0/90)s, ikincisi ise (90/0/0/90) veya basitçe

(90/0)s şeklindedir. Bu tabakalı kompozitlerin her ikisinin de

geometrileri, tabaka sayıları, kalınlıkları, etkiyen eksenel yük (N) ve

momentleri (M) aynıdır. Aynı eksenel çekme yükü uygulandığında aynı

23

miktarda uzama olacaktır. (0/90/90/0) olan tabakanın rijitliği (90/0/0/90)

olan tabakadan daha yüksektir. Dolayısıyla istenen rijitlik ve

mukavemette kompozit tabaka elde etmek tamamen her bir tabakanın

fiber açısına bağlıdır.

Şekil 2.4 İki çapraz kat tabakanın eksenel ve eğilme deformasyonu

2.4.1 Özel Tabakalar:

Kullanım yerlerine göre önem kazanan çeşitli kompozitler vardır.

Bunlar aşağıda anlatılan kompozit tabakalardır.

Simetrik: Bir tabakanın simetrik olabilmesi için o tabakanın her iki

kenarının orta noktaya olan uzunluklarının aynı kalınlıkta olması gerekir.

Simetrik tabakaya (+45/-45/0/90/90/0/-45/+45) veya basitçe (+45/-

45/0/90)s örnek verilebilir.

Balans (Denge): Bir tabakanın balans durumunda olabilmesi için

belirli bir kalınlığa, malzeme özelliğine ve fiber yönüne sahip plakanın, o

24

kompozit tabaka içerisinde kalınlık ve malzeme özellikleri aynı, fakat

fiber yönü ters başka bir plakanın bulunması gerekir. =0 ve =90 fiber

açılarının ters açıları sırasıyla =90ve =0 derecelerdir. Örneğin;

(0/45/90/-45) ve (0/-30/60/30/90/-60).

Açı Kat: Eğer bir kompozit tabakanın her katındaki fiberler ve -

açılarında yerleşmiş ise bu kompozit tabaka açılı kat olarak adlandırılır.

Örneğin; (30/-30/30/-30) veya basitçe (30/-30)2

Çapraz Kat: Eğer bir kompozit tabakanın her katmanı =0 ve

=90 ise bu kompozit tabaka çapraz kat olarak adlandırılır. Örneğin;

(0/90/0/90) veya basitçe (0/90)2

Yarı İzotropik: Bir kompozit tabaka simetrik ve kendisini

oluşturan katmanların fiber açıları =0, +45, -45, 90 açılarında ise bu

kompozit tabakaya yarı izotropik denir. Yarı izotropik tabakalar aynı

zamanda simetrik ve balanstır. Örneğin; (+45/-45/0/90)s, (+45/0/-45/90)s

ve (+45/90/-45/0)s.

25

2.5 Kompozitlerin Mikro ve Makromekanik Davranışları

Şekil 2.5 Kompozit malzemelerin yapım aşaması

Kompozit malzemelerin yapım aşamasında fiber çapına, parçacık

boyutuna ve takviye elemanı ile matriks arasındaki boşluğa dikkat

edilmesi gerekir (Şekil 2.5). Mikromekanik tüm bu elemanlar arasındaki

mekanik etkileşimi araştırır. Deformasyon ve gerilme durumunu, matriks

hasarını (çeki, bası, kayma gerilmeleri nedeniyle) ve fiber hasarını (çeki,

26

burkulma, kesilme nedeniyle oluşan) gibi lokal hasarları ve ara yüzey/ara

faz hasarlarını inceler. Mikromekanik davranışlar malzeme özelliklerini

etkileyen en önemli faktördür.

Plaka aşamasında malzeme genellikle homojendir ama yinede

anizotropik özellik gösterebilir. Bu nedenle analiz yapılırken bu aşamada

mekanik özelliklerin ortalaması alınır. Bu tür analize makromekanik

analiz adı verilir ve ortalama rijitlik ve mukavemet özelliklerine sahip

yarı homojen anizotropik malzeme görünümünde tek yönlü plaka özelliği

gösterir. Tabaka aşamasında makromekanik analiz plakaların

istiflenmesinin ve plaka davranışının fonksiyonu olarak düşünülür ve

böylece tabaka teorisi uygulanır. Sonuçta; her bir tabakadaki gerilme

durumu incelenirken tabaka teorisi kullanılarak sonlu elemanlar analizi

yapılır.