Parçacık Takviyeli Kompozit Malzemeler

Parçacık takviyeli kompozit malzemeler birbirinden kimyasal olarak farklı matris ve matristen daha sert bir takviye fazının fiziksel olarak biraraya gelmesiyle elde edilirler. Metal, seramik veya polimer bir matris içerisinde seramik partiküllerinin, whiskerlerin ya da kırpılmış elyaf gibi takviye fazlarının bulunduğu bir kompozit grubudur. Çimento matris içerisine takviye edilmiş agregaların oluşturduğu beton, partikül takviyeli kompozitlerin en temel örneklerinden biridir. Matrise parçacık takviyesinin asıl amacı dayanım artışı sağlamanın dışında elektriksel, termal, tribolojik özelliklerde iyileştirme elde edebilmektir [13,17].

Parçacık takviyeli kompozitleri iri parçacıklı kompozitler ve dispersiyonla sertleştirilmiş kompozitler olarak alt gruplara ayırmak mümkündür. İri parçacıklı kompozitlerde matris ve takviye fazı etkileşimi makro boyuttadır. Takviye fazlarının boyutu 1-50 µ aralığında değişebilir. Takviye fazının hacimce konsantrasyonu ise % 15-40 aralığındadır. Kesici takımlarda kullanılan TiC veya WC takviye edilmiş Co ve Ni alaşımlarından oluşan sermetler bu kompozit grubuna bir örnek olarak verilebilir. Şekil 2.5’ te WC-Co kaynaşık karbürün sembolik hali görülmektedir. Dispersiyonla sertleştirilmiş kompozit malzemelerde sert ve inert takviye fazı matris içerisinde üniform olarak dağılmıştır. Takviye fazının boyutu 0.1 µm veya bu değerden daha küçüktür. Takviye fazının hacimce konsantrasyonu ise % 15-40 aralığındadır. Dispersiyonla sertleştirilmiş kompozit malzemeler genellikle toz metalurjisi metoduyla metalik bir matris içerisinde takviye fazının homojen olarak disperse edilmesi yoluyla üretilirler. % 14 Al2O3 takviyeli Al-SAP (Sintered Aluminum

Powder) kompozit bu gruba bir örnek olarak verilebilir [21,22]. Şekil 2.6’ da Al-SAP kompozitin mikroyapı görüntüsü görülmektedir.

Parçacık takviyeli kompozit malzeme üretiminde matris ve takviye fazının uyumu fazlasıyla önem arz etmektedir. Matris ve takviye fazı arasında istenen arayüzey özellikleri elde edilemezse takviye fazı nihai kompozit malzemenin mekanik özelliklerini olumsuz etkiler. Bu sebeple takviye edilecek fazlara yüzey işlemi uygulamak veya matrisin ıslatma kabiliyetini çeşitli yöntemlerle geliştirmek birçok bilimsel çalışmaya ve sektörel uygulamaya konu olmuştur [13,23].

Şekil 2.5. İri parçacıklı kompozit malzemelere örnek olarak WC-Co kaynaşık karbürün sembolik gösterimi [24].

Şekil 2.6. Dispersiyonla dayanımı artırılmış Al/Al2O3 kompozitin 10.000 büyütmedeki

mikroyapı görüntüsü [25].

2.1.3. Yapısal Kompozit Malzemeler

Yapısal kompozit malzemeler genellikle monolitik ve homojen bir dış katman ve kompozit malzemeden oluşan iç katmanlardan meydana gelen kompleks malzemelerdir. Bu kompozit malzeme grubunda nihai kompozit malzemenin özellikleri bileşenlerin özelliklerine bağlı olmanın dışında her bileşenin geometrik

dizaynınada bağlıdır. Yapısal kompozit malzemeleri genel olarak lamine kompozitler ve sandviç kompozitler olarak iki temel gruba ayırmak mümkündür [26].

Lamine kompozit malzemeler, iki boyutlu ahşap, metal ya da fiber takviyeli polimerik levha veya panellerin üst üste istiflenmesiyle üretilen bir kompozit malzeme grubudur. Levha veya paneller mukavemet artışı istenen yöne bağlı olarak istiflenerek laminasyon işlemiyle biraraya getirilir. Bazı yönlerden dezavantajları bulunan farklı malzemelerin üstün özelliklerinin kombine edilerek birçok yönden avantajlı malzemeler üretme fikrinin bir ürünü olarak bu malzemeler ortaya çıkmıştır. İnşaat, havacılık, otomobil, spor ve uzay endüstrileri gibi birçok sektörde yaygın olarak kullanılan malzemeler haline gelmişlerdir. İnce ahşap plakaların farklı doğrultularda biraraya getirilmesiyle oluşan kontraplak, polimer bir matris içerisine takviye edilmiş fiberlerden oluşan prepreglerin istiflenmesiyle oluşan tabakalı kompozitler ve yekpare metal levhaların arasına takviye edilen fiber dolgulu polimerik kompozitlerden oluşan fiber metal lamine kompozitler bu kompozit grubunun en temel örnekleridir [26–28]. Şekil 2.7. ve Şekil 2.8’ de tabakalı kompozitler ile bal peteği çekirdekli sandviç panelin sembolize edilmiş halleri görülmektedir.

Bir yapısal kompozit sınıfı olarak kabul edilen sandviç paneller, hafif kirişler veya nispeten yüksek sertlik ve mukavemete sahip paneller olarak tasarlanan malzemelerdir. Bir sandviç panel iki dış tabaka arasında dış katmanlardan daha kalın aramid ya da alüminyumdan yapılmış bir çekirdek kısmın birbirlerine yapıştırılmasıyla elde edilir. Dış tabakalar nispeten sert ve güçlü bir malzemeden, tipik olarak alüminyum alaşımlarından, elyaf takviyeli plastiklerden, titanyum, çelik veya kontrplaktan yapılır; yapıya yüksek sertlik ve mukavemet kazandırırlar ve yüklemeden kaynaklanan gerilme ve basınç gerilmelerine dayanacak kadar kalın olmalıdırlar. Çekirdek malzeme hafiftir ve düşük elastisite modülüne sahiptir. Çekirdek malzemeler tipik olarak üç kategoriye ayrılır: bunlar sert polimerik köpükler (yani fenolikler, epoksi, poliüretanlar), ahşap (balsa ağacı vb.) ve bal peteği şeklindeki yapılardır. Yapısal olarak, çekirdek kısmı bazı özelliklere sahip olmalıdır. Her şeyden önce, dış katmanlar için sürekli destek sağlayacak dayanıma sahip olmalıdır. Ek olarak, enine kesme gerilmelerine dayanacak yeterli kesme mukavemetine sahip olmalı ve ayrıca

yüksek kesme dayanımı sağlayacak (panelin bükülmesine karşı koymak için) kadar kalın olmalıdır [26–28].

Şekil 2.7. Lamine kompozit üretimi için fiber takviyeli polimerik kompozitlerin istiflenmesi [26].

Şekil 2.8. Bal peteği çekirdekli sandviç panelin yapısını gösteren şematik diyagram [26].

BÖLÜM 3

FİBER METAL LAMİNE (FML) KOMPOZİTLER

Yapısal bileşenlerin ağırlığının azaltılması farklı endüstriyel sektörlerin temel amacıdır. Bu temel amaç ise birincil yapısal bileşenler için fiber kompozitlerin uygulama alanlarının artmasına yol açmıştır. Bu hedefi amaçlayan yeni ve hafif bir malzeme grubu olan fiber / metal lamine kompozitler (FML) geliştirilmiştir. Yapısal kompozit malzemeler grubunun bir alt grubu olan tabakalı kompozit malzemeler sınıfına dahil edebileceğimiz fiber metal lamine kompozitler, mevcut yapısal malzemelere kıyasla performansı için yaygın olarak araştırılan bir malzeme grubudur [29–31].

Endüstriyel ve yapısal uygulamaların çoğunda malzeme seçimindeki önemli parametreler özgül dayanım, ağırlık ve maliyettir. Fiber Metal Lamine kompozitler (FML), fiberle güçlendirilmiş plastik bir katmanı sandviçleyen metal katmanların kombinasyonundan oluşan hibrit bir kompozit yapı ailesidir. Genellikle kullanılmakta olan metal alüminyum, magnezyum veya titanyumdur. Elyaf takviyeli tabaka ise cam elyaf, karbon elyaf ve aramid elyaf takviyeli kompozittir. FML' ler, geleneksel kompozit lamineye kıyasla yüksek korozyon direnci, olağanüstü mukavemet / ağırlık oranı gibi mükemmel mekanik özellikler sağlarlar [32,33]. Şekil 3.1.’ de fiber metal lamine kompozit sembolik olarak görülmektedir.

Fiber Metal Lamine Kompozitler halihazırda havacılık ve uzay sanayinde yoğun şekilde kullanılan malzemelerdir. Alüminyum matrisli ve fiber takviyeli kompozitler (ARALL, CARALL, GLARE) ticari olarak üretilmekte ve sektörde kullanılmaktadır. Fakat alternatif metal alaşımlarıyla veya farklı fiber takviyelerle lamine kompozit malzeme üretimi hala gelişmeye açık bir alan olarak cazibesini korumaktadır.

Şekil 3.1. Fiber metal lamine kompozitin sembolik gösterimi [30].