kompozİt malzemeler · bu malzemeler, genellikle sandviç yapıların üretiminde; yüksek...

1

KOMPOZİT MALZEMELER

Prof.Dr.Serkan SUBAŞI

Düzce Üniversitesi

Teknoloji Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü

2

2-TAKVİYE MALZEMELERİNE GÖRE SINIFLANDIRMA

Kompozit malzemelerde kullanılan başlıca elyaf türleri

Cam elyafı

Karbon (Graphite) elyafı

Aramid (Aromatic Polyamid) elyafı, (Ticari ismi: Kevlar)

Bor elyafı

Bazalt elyafı

Yüksek yoğunluklu polyetilen elyafı

Poliamid elyafı

Polyester elyafı

Doğal organik elyaflar

Seramik elyaflar

3


KARBON ELYAFI:

Yüksek teknoloji ürünü olarak kompozit pazarının genişbir kısmı, karbon veya grafit elyaf ürünlerindenyararlanmaktadır.

Karbon lifi ilk defa karbonun çok iyi bir elektrik iletkeniolduğu anlaşıldıktan sonra üretilmiştir.

4


KARBON ELYAFI:

Karbon elyafları çok yüksek ısıl işlem uygulandığındaelyaf tam anlamıyla karbonlaşırlar ve bu elyaflara grafitelyafı denir.

Günümüzde ise bu fark ortadan kalkmaktadır. Artıkkarbon elyafı da grafit elyafı da aynı malzemeyitanımlamaktadır.

Karbon elyafı epoksi matrisler ile birleştirildiğindeolağanüstü dayanıklılık ve sertlik özellikleri gösterir.

Karbon fiber üreticilerinin devamlı bir gelişim içerisindeçalışmalarından dolayı karbon elyaflarının çeşitleri süreklideğişmektedir.

5


KARBON ELYAFI:

Karbon elyafı piyasada 4 biçimde bulunmaktadır:

1) Sürekli elyaf

2) Kırpılmış elyaf

3) Dokuma elyaf

4) Karbon elyaf levha

6


KARBON ELYAFI:

1) Sürekli elyaf: Dokuma, örgü, tel bobin uygulamalarında, tek yönlü bantlarda kullanılmaktadır.

Bütün reçinelerle birlikte üretilebilmektedir.

7


KARBON ELYAFI:

2) Kırpılmış elyaf: Genellikle enjeksiyon kalıplamada ve basınçlı kalıplarda makine parçaları ve kimyasal valf yapımında kullanılırlar. Elde edilen ürünler mükemmel korozyon ve yorgunluk dayanımının yanısıra yüksek sağlamlık ve sertlik özelliklerine de sahiptirler.

8


KARBON ELYAFI:

3) Dokuma elyaf: Sürekli karbon elyaflar farklı dokuma teknikleri ile, tek yönlü, çift yönlü ve çok yönlü dokunmuş karbon elyaf dokuma kumaşlar üretilmektedir.

9


KARBON ELYAFI:

4) Karbon elyaf levha: Karbon elyaf dokuma kumaşlar epoksi veya polyester reçineler emdirilerek üretilmektedir.

10


KARBON ELYAFI:

Karbon elyafı genellikle ziftten veya PAN’den(Poliakrilonitril) elde edilir.

Zift tabanlı karbon elyafları göreceli olarak daha düşükmekanik özelliklere sahiptir.

Buna bağlı olarak yapısal (taşıyıcı özellikli)uygulamalarda nadiren kullanılırlar.

PAN tabanlı karbon elyafları kompozit malzemeleri dahasağlam ve daha hafif olmaları için sürekligeliştirilmektedir.

PAN’ın karbon elyafına birbirini takip eden dörtaşamada dönüştürülmektedir:

11


KARBON ELYAFI:

1. Oksidasyon:

Bu aşamada elyaf hava ortamında 300oC’de ısıtılır. Buişlem elyaftan hidrojenin ayrılmasını daha uçucu olanoksijenin eklenmesini sağlar.

Ardından karbonizasyon aşaması için elyaflar kesilerekgrafit teknelerine konur. Polimer, merdiven yapısındankararlı bir halka yapısına dönüşür. Bu işlem sırasındaelyafın rengi beyazdan kahverengiye döner ve ardındansiyah olur.

12


KARBON ELYAFI:

2. Karbonizasyon:

Elyafların yanıcı olmayan atmosferde 3000°C’ye kadarısıtılmasıyla liflerin 100% karbonlaşma sağlanmasıaşamasıdır.

Karbonizayon işleminde uygulanan sıcaklık üretilenelyafın sınıfını belirler.

3. Yüzey iyileştirmesi;

Karbonun yüzeyinin temizlenmesi ve elyafın kompozitmalzemenin reçinesine daha iyi yapışabilmesi içinelektrolitik banyoya yatırılır.

13


KARBON ELYAFI:

4. Kaplama:

Elyafın sonraki işlemlerde aşınmasını önlemek içinyapılan nötr bir sonlandırma işlemidir. Elyaf reçine ilekaplanır.

Genellikle bu kaplama işlemi için epoksi kullanılır.

Kompozit malzemede kullanılacak olan reçine ile elyafarasında bir arayüzey görevi görür.

14


KARBON ELYAFI:

Karbon elyafının diğer tüm elyaflara göre en önemli avantajı yüksek modülüs özelliğidir.

Karbon elyafı bilinen tüm malzemelerle eşit ağırlıklı olarak karşılaştırıldığında en sert malzemedir.

Buna rağmen karbon elyafının bazı dezavantajları vardır:

Yüksek sıcaklıkta oksitlenmeye hassas olması

Fiyatının yüksek olması

15


ARAMİD ELYAFI:

Aramid kelimesi bir çesit naylon olan aromatik poliamidmaddesinden gelmektedir.

Aramid elyafı piyasada daha çok ticari isimleri Kevlar(DuPont) ve Twaron (Akzo Nobel) ile bilinmektedir.

Farklı uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için birçok farklı özelliklerde aramid elyafı üretilmektedir.

16


ARAMİD ELYAFI:

Geçen yirmi yıl boyunca, yüksek teknoloji ürünleriolarak bilinen aramid elyafı önemli bir mesafe katetmişolup uzay, denizcilik, spor ürünleri, eğlence, otomotivve silah endüstrisi gibi klasik kompozit pazarlarına hitapetmiştir.

Yüksek düzeyde yönlendirilmiş olan bu polimer, düşükyoğunluk ile yüksek modül ve yüksek düzeyde yapışmaözelliği ile yüksek mukavemet/ağırlık oranını üründe biraraya getirmektedir.

17


ARAMİD ELYAFI:

Mukavemet ve modül değerleri yanısıra, liflerinkolaylıkla ıslatılabilmesi ve üründe darbe dayanımıözellikleri dolayısıyla yaygın olarak kullanılan reçinelerinçoğunluğu ile kullanılabilmektedir.

Aramid elyafının negatif ısıl genleşme katsayısındandolayı, ısıl yayılmanın önem taşıdığı ortamlarda faydasağlamaktadır.

18


ARAMİD ELYAFI:

Aramid elyafı, fiyat/performans değerlerini sağlamaküzere tasarlanmış cam ve karbon elyafınınkombinasyonu şeklinde olan hibrid ürünler halinde demevcuttur.

19


ARAMİD ELYAFI:

Aramid ürünleri iplik, fitil, kırpılmış elyaf şeklindemevcuttur.

Aramid elyafı iplik olarak farklı desenlerde dokunmuşkumaş şeklinde, fitil olarak da elyaf sarma veya şeritşeklinde kullanılmaktadır. Kırpılmış lifler ise hazırkalıplama bileşimlerinin içine karıştırılmaktadır.

20


ARAMİD ELYAFI:

Önemli özellikleri:

Yüksek çekme dayanımı

Yüksek darbe dayanımı

Yüksek aşınma dayanımı

Yüksek yorulma dayanımı

Yüksek kimyasal dayanımı

Kevlar elyaflı kompozitler cam elyaflı kompozitlere göre %35 daha hafif olması

E cam türü elyaflara yakın basınç dayanıklılığı

Yüksek yangın dayanımı

Düşük yoğunluklu oluşu

21


ARAMİD ELYAFI:

Dezavantajları ise şöyle sıralanabilir:

Bazı tür aramid elyafı ultraviole ışınlara maruz kaldığında bozulma göstermektedir.

Sürekli karanlıkta saklanmaları gerekmektedir.

Elyaf reçine ile çok iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda reçinede mikroskopik çatlaklar oluşabilir.

Bu çatlaklar malzeme yorulduğunda su emişine yol açmaktadır.

22


Aramid Elyafı Kullanım alanları: Genellikle polimer matrisleriçin takviye elemanı olarak kullanılan aramid elyafının bazıkullanım alanları şunlardır:

Balistik koruma uygulamaları: Askeri kasklar, kurşun geçirmez yelekler

Koruyucu giysiler: Eldiven, motosiklet koruma giysileri, avcılık giysi ve aksesuarları

Yelkenliler ve yatlar için yelken direği, tekne gövdesi

Hava araçları gövde parçaları

Endüstri ve otomotiv uygulamaları için kemer ve hortum

Fiberoptik ve elektromekanik kablolar

Debriyajlarda bulunan sürtünme balatalarında ve fren kampanalarında

23


ARAMİD ELYAFI BAZI KULLANIM ALANLARI

24


BAZALT ELYAFI:

Bazalt kayaçlarının bilinen ilk işlenmişhalidir. 1840 yılında SwanseaÜniversitesi’nin Bazalt Taş Yünü üretiminikeşfetmesi ile başlamıştır.

Hawaii adalarındaki yanardağların lav püskürtmesisonucu tesadüfen keşfedilen Bazalt Taş Yünü üretimi140 yıl sonra, Sovyet Sosyalist Cumhuriyetler birliğinin1960 yılında Bazalt kayalarından sonsuz elyaf üretiminiaraştırmaya başlamasıyla çok farklı bir boyutataşınmıştır.

25


BAZALT ELYAFI:

Sovyetler Birliği’nin 1985′te; günümüzde kullanılanBazalt sürekli elyafı üretmeyi başarmasıyla, bu elyafıuzay ve havacılık sanayiinin yanında otomotiv, inşaat,izolasyon ve savunma sanayi gibi birçok endüstri içinkompozit ürünler geliştirerek kullanıma sunmuştur.

Bazalt elyaf; Dokuma kumaşın yanısıra, Kesik Elyaf,Çubuk Donatı, Mesh(ızgara) ve izolasyon tabakalarışeklinde temin edilebilmektedir.

26


BAZALT ELYAFI:

27


BAZALT ELYAFI:

28


BOR ELYAFI:

Boron sert, IIIA grubunda yer alan refrakter bir

elementtir. Yarı iletken özellik göstermektedir.

1960’lı yıllarda üretilmeye başlanmıştır.

Bor elyafı, ticari amaçlı olarak mevcut yüksek

teknoloji ürünleri arasında piyasaya çıkan ilk

üründür.

Çok sağlam ve dayanıklı

Yüksek yoğunluklu ve

Yüksek Maliyetlidir.

29


BOR ELYAFI:

Boron fiber destekli kompozitlerin üretimi

(koruyucu ve refrakter kaplamalar) ve elektronik

bileşenler gibi önemli uygulamalarda

kullanılmaktadır.

• Ortalama çekme mukavemeti = 3445 MPa

• Elastiklik Modülü= 414 GPa

• Yoğunluk = 2.6 g/cm³

30


BOR ELYAFI:

Bor Elyaf Üretimi:

Çekirdek olarak adlandırılan ince bir flamanın üzerinebor kaplanarak üretilmektedir.

Çekirdek genellikle Tungstendir.

Karbon çekirdek de kullanılabilir ancak bu yeni biruygulamadır.

Bor elyafı; bor’un kimyasal buharının çok ince bir tungstenteli üzerinde yoğunlaştırılması ile üretilmektedir. Çoksağlam ve dayanıklı bir takviye malzemesi olup, yüksekmaliyeti kullanımını sınırlandırmaktadır. Piyasada yalnızcaşerit halinde bulunmaktadır.

31


BOR ELYAFI:

32


Bor Fiber Katkılı Kompozit Uygulamaları

Şekil: F-15 savaş uçaklarının yatay ve dikey kuyruklarının dış kaplamaları Bor-

epoksi kompozit malzeme ile üretilmektedir.

33



Şekil: Sikorsky S-70 helikopterlerin yatay kuyruğu bor-epoksi kompozit malzeme

ile üretilmektedir.

34



Golf sopalarında da bor elyaf-epoksi kullanılmaktadır. Bazı durumlarda karbon

elyaf ve bor elyaf ikisi birlikte takviye malzemesi olarak kullanılmaktadır.

35


SERAMİK ELYAFLAR:

Seramik elyaflar metal oksitlerden üretilmişlerdir.Yüksek termal dayanıma, yüksek elastik modülüne vekimyasal dirence sahiptirler.

Genellikle alüminyumoksit, alüminyum-bor-silikat,alüminyum-bor-krom’dan üretilirler. Genellikle bez vekeçe formunda üretilirler.

36


SERAMİK ELYAFLAR:

Refrakter Seramik Elyaf Ürünleri

37


DİĞER ORGANİK ELYAFLAR:

Termoplastik polyester ve naylon liflerin, kompozitpazarında yeni kullanım alanları bulmaktadırlar.

Takviyelerin her iki çeşidi de, hem darbe dayanımı hemde kimyasal ortamlarla karşılaştığında yüksekperformans özelliklerini ürüne katmaktadırlar.

Ancak diğer elyaf çeşitleriyle karşılaştırıldığında, hemdaha düşük sertlik hem de daha düşük ısı dayanımı gibikısıtlamalar bulunmaktadır.

Organik lifler yüzey keçeleri veya tülleri üretiminde dekullanılmaktadırlar. Bu özel ürünler kimyasal dayanım vedış yüzey görünümünün önem kazandığı uygulamalardakullanılmaktadır.

38


Kompozitlerde Kullanılan Bazı Elyafların Mekanik ve Fiziksel Özellikleri

Çekirdek (Core) Takviye Malzemeleri

Bu malzemeler, genellikle sandviç yapıların

üretiminde; yüksek mukavemetli ve ince iki

kompozit tabaka arasında çekirdek (core) olarak

kullanılırlar.

Amaç, malzeme kalınlığını hafif yapılar ile

arttırarak rijitliği arttırmaktır. Bu malzemeler

yüksek mukavemetli alt ve üst yüzeylere

(tabakalara) yük transferini bir yüzeyden

diğerine aktarabilecek güçlü yapıştırıcılar ile

bağlanır.



Sandviç konstrüksiyon kullanılarak, yüzde 3

oranında bir ağırlık artışı ile eğilme dayanımının 3,5

kat, rijitliğin 7 kat artırılabilmesi sağlanabilmektedir.

Sandviç yapılı ürünlerde, ara malzeme, yüksek

mukavemetli iki cidar arasına yapıştırılmaktadır.


Sandviç yapı

uygulaması


Kesme yükünün ara malzeme ve yapıştırıcının

dayanım değerini aşmadığından emin olmak,

tasarımda dikkate alınması gereken bir

husustur.

Cidarlar herhangi bir malzeme olabilir.

Kompozit pazarında en yaygın olanları cam,

karbon, alüminyum, kontraplak veya yüksek

basınçlı laminatlardır.



Ara malzeme üç temel kategoriye ayrılmıştır.

1. Köpükler

2. Bal Peteği

3. Tahta / Balsa Ağacı


2-TAKVİYE MALZEMELERİNE GÖRE SINIFLANDIRMAÇekirdek (Core) Takviye Malzemeleri - (Köpük)

Poliüretan Köpük Dolgulu Sandviç Panel

Taşyünü ve Camyünü Dolgulu Sandviç Panel


Çekirdek (Core) Takviye Malzemeleri (Honeycomb)


Çekirdek (Core) Takviye Malzemeleri - (Honeycomb)


Çekirdek (Core) Takviye Malzemeleri- (Honeycomb)


Çekirdek (Core) Takviye Malzemeleri - (Tahta-Balsa)

Lamine

Parke

Ladin

Kavak


Çekirdek (Core) Takviye Malzemeleri - (Tahta-Balsa)

Çekirdek Takviye Malzemeleri Balsa ağacı kullanılarak snowboard yapımı


Snowboard yapımı

snowboard ve tekne yapımı yapımı


Tekne yapımı

kompozİt malzemeler · bu malzemeler, genellikle sandviç yapıların üretiminde; yüksek...

Documents