Performans

3.3.1. Takviye edici fiberler

Bir kompozitin sıkıştırma ve kayma özellikleri daha çok matriks ve arayüzeyden etkilense de çekme mukavemeti ve rijitliği direkt olarak fiberlerden etkilenir. Şekil 3.1’deki grafik, yoğun olarak kullanılan takviye edici fiberlerin relatif spesifik rijitliklerini ve mukavemetlerini gösterir. Yüksek mukavemetli aluminyum alaşımı (7000 serisi) ve berilyum da karşılaştırma için konulmuştur. Yüksek mukavemetli çeliklerin ve titanyum alaşımlarının aluminyum alaşımlarıyla hemen hemen aynı noktada olabileceği unutulmamalıdır, bunlar grafiğin karışık olmaması ve kolay anlaşılır olması için grafiğe dahil edilmemiştir. Bütün fiberler metallerden daha

büyük spesifik mukavemet verirler. Torayca® T-800 gibi orta modulusa sahip bir karbon fiber eşit ağırlıkta aluminyum alaşımından altı kat daha rijit ve dokuz kat daha mukavemetlidir. Diğer karbon fiberler oldukça yüksek rijitlik verirler. E-camı, aramid Kevlar 49 ve karbon Torayca® T-300 gibi fiberlerin hepsi yüksek mukavemet; karbon ve aramid ise rijitlik avantajları verirler. Sonuç olarak mevcut fiberler geniş çalışma şartlarını karşılamak için kompozitler açısından temel malzemelerdir [11].

Şekil 3.1: Kompozitler için fiber takviyelerinin spesifik mekanik özelliklerinin karşılaştırması [11]

3.3.2. Takviye yerleşimi

Bir kompozitin yapısı farklı seviyelerde şu şekilde tanımlanabilir: submikroskobik yapı (>1 µm), fiber ile matriks arasındaki arayüzeyle çalışıldığında önemlidir; mikroskobik yapı (~10 µm) fiber yapısıyla ilgilidir; mesoskobik yapı ise (100 µm – 1 mm) fiber/lamina boyut aralığıdır ve makro yapı ise birkaç metrelik komponent boyut aralığıyla ifade edilir. Bu seviyelerden mikro- ve meso- yapılar mekanik performansın belirlenmesinde en önemli etkendirler. Bir kompozit; silindirik fiberlerde mükemmel tek eksenli düzen için 0,91 olan teorik fiber hacim oranı (Vf)

gibi sadece sınırlı bir fiber oranı içerebilir. Pratikte fiber oranı, seçilen fiber yerleşimiyle kontrol edilir. Basit bir tek eksenli düzen durumunda pratik en üst limit

yaklaşık olarak 0,8 (%80)’dir. Bu, oldukça yüksek rijitlik ve mukavemete sahip yüksek bir anizotropik laminat ile sonuçlanır. Rijitlik, Voigt ve Reuss karışım kuralı eşitlikleriyle uygun bir şekilde modellenmiştir. Bunlar, fiber ve matriks modülü sırasıyla 100 ve 1 olan bir kompozit için Şekil 3.2’de gösterilmiştir. Bu; uygulama sınırının 0,8 olduğu fiber oranında dik yönde önemli bir takviye etkisi yokken eksenel yönde fiber oranı üzerinde modulusun lineer bağımlılığını gösterir. Bu nedenle laminatlar farklı yönlerde dizilen fiberlerden oluşmalıdır. Fiberlerin maksimum uygulanan gerilim yönüne 0°, 90° ve ±45° yönünde dizilimleri standart haline gelmiştir. Farklı katman oranlarıyla mekanik özelliklerin mümkün kombinasyonlarının tam spektrumu elde edilebilir. Kayma rijitliği ve mukavemet ±45° yatırmayla maksimize edilirken maksimum rijitlik 0° katman oranının maksimize edilmesiyle elde edilir [11].

Şekil 3.2: Tek eksenli fiberli kompozitlerin rijitliği için karışım kuralı eşitliğinin gösterimi. Fiberlere dik yönde Reuss eşitliği uygulanırken fiberlere paralel yönde lineer Voigt ilişkisi

uygulanır [11]

Fiberlerin tek başlarına boyutlarından bahsetmek yerine pratikte fiberlerin yığın halinde, iplikler (tow) (tekstil adlandırması) ya da lifler (strands) (cam terminolojisi) olarak bilinen şekilde üretildiğini söylemek daha uygun olur; bu ise birkaç yüz ile birkaç bin filamanı içerebilir. Bazen bükülmüş küme içinde birkaç ipliğin (lifin) bir

araya getirilmesiyle daha büyük yığınlar elde etmek gerekli olabilir. Bu, filaman yatırma ve pultruzyon gibi proseslerde direkt olarak kullanılabilen lineer takviye gerektirir. Bunlar; gelişigüzel matları, prepregleri, dokunmuş ya da örülmüş fabrikleri, örgüleri ve tek eksenli katmanların dikildiği ya da çok-katmanlı, çok- eksenli fabrik oluşturmak için bağlandığı bazı kıvrılmamış fabrikleri içerir. 0°, 90° ve ±45° oryantasyonlardaki fiber katmanlarının birleştiği fabrikler mevcuttur. Fabrikler ayrıca üç boyutlu takviye ölçümünü vermek için fabrik düzlemi yönünde ilerleyen fiber oranı konusunda geliştirilmektedir. Veri bir boşlukta paketlenebilen fiber miktarının bir limiti vardır. Böylece çoklu yönlerde yerleştirilen fiberlerle herhangi bir yöndeki kesir azaltılmalıdır. Geometrik etmenler ve üretim etmenleri toplam fiber oranını yaklaşık olarak 0,5 olarak sınırlarken dengeli bir düz dokunmuş kumaş her iki yönde de %50 fiber içerir. Böylece her yönde eşit 0,25 Vf oranı olur,

bununla birlikte takviye etkinliği dokuma prosesinin neden olduğu kıvrım ile azalır. Gelişigüzel bir mat, fiberlerin paketlenmesinde etkisiz bir metottur. Toplam fiber oranı yaklaşık olarak 0,3 değerini geçmemelidir ve bütün yönlerde dağıldıklarında herhangi birinin rijitleşme etkisi, tek eksenli düzenle elde edilenden %10’dan daha azdır. Gelişigüzel bir matın avantajı, düşük başlangıç maliyeti ve prosesin kolaylığıdır. Böylece bütün fiber yerleşimi, uygun takviye formatının ve üretim metodunun seçimiyle kontrol edilebilir. Tablo 3.1; farklı formatlarla elde edilebilen maksimum Vf’yi, tek eksenli düzen için 1 olan, yarı-izotropik yatırma ile 0,3 olan ve

gelişigüzel üç boyutlu yatırma ile 0,12 olan oryentasyon faktörünü gösterir. Bu iki faktörün sonucu, fiber rijitlik oranı olan takviye etkinliği ya da rijitlik indeksini verir. Buna göre gelişigüzel bir matın rijitlik indeksi 0,09 ve düzgün bir üç boyutlu düzenin 0,02’den daha fazla değilken tek yönde dizilim 0,8 rijitlik indeksine sahiptir. Böylece kompozitin mekanik performansı, fiber tipi ve takviye formatının seçimiyle belirlenebilir. Ayrıca maliyet de bu faktörlerin seçimiyle belirlenebilir [11].

Tablo 3.1: Farklı takviye formatıyla elde edilen maksimum Vf değerleri [11]

Takviye formatı Vf max

Yönlenme faktörü (Co)

Rijitlik indeksi (ηRF)

Uygun prosesler

UD iplik 0,80 1,00 0,80 Filaman sarma, pultrüzyon UD prepreg 0,65 1,00 0,65 Otoklav, RFI Çok eksenli prepreg* 0,60 0,31 0,19 Otoklav, RFI 2D Kıvrılmamış

fabrik* 0,55 0,30 0,17 RFI, RTM

Dokunmuş 2D

fabrik*# 0,50 0,27 0,14 RTM, Elle yatırma Ortogonal 3D fabrik 0,40 0,30 0,12 RTM

Gelişigüzel düzlemsel 0,30 0,30 0,09 SMC, RTM, Elle yatırma

Gelişigüzel 3D kısa

fiber 0,20 0,12 0,02 BMC, IM [T/P]

* Yarı-izotropik yatırma; # Kıvrılma etkisi verir. 3.3.3. Proses etmenleri

Proses, bütün kompozitlerde son maliyetin büyük bir kısmı olarak düşünülebilir. Bütün proseslerde fiber oranı ve yerleşimi kalıp içinde kontrol edilirken, komponenti istenen şekilde üretmek gerekir. Ayrıca doğru reçine kür seviyesine (termosetlerde) ve kristaliniteye (termoplastiklerde) ulaşıldığından emin olmak gerekir. Bunun yanında kabul edilebilir seviyede porozite içerebilir. Ayrıca üretim etmenleri de vardır: toplam komponent sayısı ve gerekli ürün oranı ortamdaki uygun yatırım seviyesine etki eder ve hangi üretim metodunun uygulanabilir olduğu belirlenebilir [11].