Kompozit Malzemeler

Malzeme, neredeyse üretim yapılan tüm endüstriyel sektörlerde ana girdiyi teşkil eden temel unsurdur. Basit bir tava üretilmek istendiğinde genellikle biraz metal yeterli olurken, otomobil üretmek istediğinizde malzeme çeşitliliğinizi metal ve alaşımları, cam, plastik gibi çeşitlerle arttırmanız gerekir. Geçtiğimiz 20.yy’a ismini veren uzay çalışmaları ve havacılık sektöründe ise çoğu uygulamalarda geleneksel malzemelerin yetersiz kaldıkları veya uygun olmadıkları görülmektedir. Dahası artan enerji maliyetleri ve verimliliğin çevre üzerindeki etkilerinin oldukça ön plana çıktığı 21.yy’da önceden beridir kullanılan geleneksel malzemelere bile alternatif malzeme arayışları ortaya çıkmıştır. İşte kompozit malzemeler; geleneksel malzemelerin ihtiyacı karşılayamadığı durumlarda kullanılmak üzere geliştirilen, bir takım ayırt edici özelliklere ve tanımlara sahip malzeme grubunun genel adıdır. Gelişen malzeme teknolojisi ile üretilen ürünler arasında sıkı bir bağ olduğu göz önüne alındığında malzeme gelişiminin bir süreç olduğu ve ilerlemeye devam ettiği görülmektedir. Bununla birlikte bazen üretilen malzemenin yeni bir nihai ürüne bazen de bir ihtiyacın yeni bir malzemeye giden yolu açtığı bilinmelidir.

Tanım olarak kompozit malzemeler; en az iki farklı malzemenin, birbirine karışmadan birleşmesiyle oluşan, kendisini oluşturan bileşen malzemelerin özelliklerinden daha iyi özellikler sunabilen malzemelerdir. Bu tanıma uyan ve hemen herkes tarafından bilinen örnek malzeme betonarmedir. Beton ve içerisine yerleştirilen çelik donatılarla birlikte elde edilen yapı olan betonarme artık en az betonun basma mukavemeti kadar basma mukavemetine ve içerisindeki çelik donatılar sayesinde betonun tek başına sahip alamayacağı kadar yüksek çekme mukavemetine sahiptir. Böylece binanın kendi ağırlığını betonun basma mukavemeti ile ve olası deprem anında oluşacak yanal itme kuvvetlerini de donatının çekme mukavemeti ile karşılayabilen bir malzeme elde edilmiş olur. Burada dikkat edilmesi gereken husus bileşenlerin oranlarının nihai ürün üzerindeki etkisidir. Çelik donatının miktarı/oranı arttıkça betonarmenin çekme mukavemeti de artar. Bu şekilde ihtiyaç nispetinde bir betonarme üretilerek mühendisliğin iki temel amacı olan fonksiyonellik ve ekonomiklik ilkeleri sağlanmış olur.

Günümüzde kompozit malzemeler daha çok hafifliğin ve bununla birlikte dayanımın da ön planda olduğu havacılık, denizcilik ve kara taşımacılığı gibi hareketli alanlarda tercih

edilmektedir. Örneğin bir hava aracında düşük yoğunluk (dolayısıyla düşük ağırlık), yüksek mukavemet, rijit ve bununla birlikte korozyon direnci de iyi olan malzemelere ihtiyaç duyulur. Bir otomobil için ise üretilen gücün otomobilin toplam ağırlığına oranı artık değerlendirmelerde önem verilen bir kriter haline gelmiştir. Geleneksel malzemelerde bu özelliklerin hepsini veya bir kaçını bir arada bulmak pek mümkün değildir. Genellikle rijit malzemelerin darbe dayanımları düşük olurken yine mekanik açıdan mukavemetli malzemelerde de yoğunluk yüksek olmaktadır. Özellikle polimer matrisli kompozitlerde elde edilen özgül mukavemet (mukavemet/ özgül ağırlık) ve özgül elastisite modülü değerleri kompozit malzemeleri hareketli sistemlerde kullanım için çok iyi bir alternatif haline getirmektedir. Gelişen malzeme teknolojileri sayesinde kompozit bileşenlerinde sağlanan iyileşmeler, üretilen kompozitlerin de daha iyi özellikler sunması yönünde katkı sağlamakta ve ihtiyaç duyulan malzemelerin üretimi için çalışmalar sürekli devam etmektedir.

Kompozit malzemeler temel olarak 2 bileşenden oluşur. Bunlar ana yapıyı oluşturan matris ve bu matris içerisinde yer alan takviye eleman(lar)ıdır. Bazı durumlarda matrisin özelliklerini geliştirmek amacıyla eklenen katkılar da üçüncü bir bileşen olarak sayılabilir.

Kompozit malzemeleri matrislerine, takviye elemanlarına veya üretim yöntemlerine göre sınıflandırmak mümkündür. Matris yapılarına göre metal matrisli kompozitler (MMC), seramik matrisli kompozitler (CMC) ve polimer matrisli kompozitler (PMC) olarak sınıflandırabileceğimiz kompozit malzemelerin takviye elemanlarına göre sınıflandırılması Şekil 4. 1’deki gibi yapılabilir. Ayrıca bu sınıflandırmaya dâhil edilmeyen fakat yeni bir kompozit türü olarak ortaya çıkmaya başlayan nano kompozitler de yaygınlaşan kompozit türlerindendir.

Şekil 4. 1. Kompozit malzemelerin takviye elemanlarına göre sınıflandırılması

Bir malzemenin kompozit malzeme sayılabilmesi için şu şartları sağlaması gerekir;

 Doğal malzeme olmayıp insan eliyle bir araya getirilmiş olması.

 Kimyasal özellikleri bakımından bileşenleri birbirlerinden farklı, en az iki farklı fazdan meydana gelmiş ve ara yüzeye sahip olmaları.

 Bileşenlerin birbirlerine karışmayıp, makro düzeyde bir araya gelmiş olması.

Ayrıca odun gibi doğal yapılar ve bir boyutta çok ince bir kesit halinde görülen boya ve diğer kaplamalar kompozit olarak tanımlanmazlar.

Kompozit malzemeler kullanılacağı alana göre diğer bir deyişle duyulan ihtiyaca göre tasarlanır ve üretilir. Bu tasarım ve üretim sürecinde aranılan özelliklere uygun olacak kompozit malzemeyi üretmek için uygun yöntem ve bileşenler seçilerek işe başlanır. Örneğin aşınmaya dirençli bir kompozit üretip aynı zamanda da hafif olması isteniyorsa Al matrisi içerisine karbür takviyesi ile elde edilecek bir parçacık takviyeli metal matrisli kompozit işe yarayabilir. Fakat bir otomobilin gövdesi veya bir uçağın yatay dengeleyicisi söz konusu olduğunda polimer matrisli sürekli elyaf takviyeli bir kompozit malzeme gerektiği aşikârdır. İstenilen özellikleri karşılayabilecek kompozit malzemeyi üretebilmek için kompozit malzemeyi oluşturan yapıların iyi tanınması ve analiz edilmesi gereklidir. Yüksek sıcaklık uygulamalarında öncelikli olarak seramik matrislere yer verilmesi gerekirken ağırlığın önemli olduğu uygulamalarda polimer matrisli kompozitlerin daha iyi olacağı gibi bilgiler malzeme tasarımı yapılırken dikkate alınmalıdır.

Kompozitler Partikül Takviyeli Kompozitler Büyük Parçacık Takviyeli Komp. Küçük Parçacık Takviyeli Komp. Elyaf Takviyeli Kompozitler Sürekli Elyaf Takviyeli Komp. Süreksiz Elyaf Takviyeli Komp. Düzenli Yönlenmiş Elyaf Rastgele Yönlenmiş Elyaf Yapısal Kompozitler Lamina (Tabakalı) Komp. Sandviç Panel Komp.