Polimer matrisli kompozitler (PMK)

Polimerler, metal ve seramiklere göre çok daha karmaşık yapıdaki malzemelerdir. Matris olarak kullanılan polimerler ucuz ve kolaylıkla çalışılabilir malzemelerdir. Diğer taraftan düşük elastik modüle ve düşük kullanım sıcaklığına sahiptirler. Termoset ve termoplastikler olarak iki gruba ayrılan polimer matrisler genelde sürekli fiberlerle kullanılır. Bunlardan en önemli olanları sürekli fiberlerle takviye edilen polyester ve epoksi reçine matrislerdir.

Epoksi reçine matrisli kompozitlerin en önemli uygulamalarından biri havacılık uygulamalarıdır. Polimer matrisli kompozit malzemelerin kullanıldığı ortamlarda göz önüne alınması gereken en önemli faktörler sıcaklık ve nemdir. Özellikle bu iki faktörün beraber etkin olduğu şartlarda polimer matrisli kompozitlerin mekanik özelliklerinde hidrotermal etkilerden dolayı düşüşler meydana gelmektedir. Polimer matrisli kompozitlerin üretilmesinde en çok bilinen ve en fazla kullanılan

metotlardan bazıları; elle sıvama, telle sarmakese kalıplama işlemi, sıvı akış tekniği, takviyeli reaksiyon enjeksiyon kalıplama, ekstrüzyon ve ısıl oluşum metodlandır. Polimerlerde kullanılan takviye malzemelerinden en önemli olanları; cam fiber, kevlar fiber, bor fiber ve karbon fiberlerdir [22,23].

2.6.3.1. Fiber takviyeli polimer matrisli kompozitler

Fiber takviyeli polimer, bir polimer matris ve içine gömülmüş yüksek dayanım özelliğine sahip fiberden meydana gelen kompozit malzemedir. Fiber, polimer matrisli kompozit içersinde sürekli, süreksiz ya da bir kumaş gibi dokunmuş olarak çeşitli formlarda bulunabilir. Cam, karbon ve kevlar başlıca kullanılan fiber malzemeleridir. Çok yaygın olmamakla birlikte bor, silisyum karbür, alümina, ve çelik de kullanılmaktadır. Cam, günümüzün en yaygın fiber malzemesidir ve 1920 den beri takviye malzemesi olarak kullanılmaktadır.

Teknolojik kompozitler terimi 1960’ lı yılların sonlarından bu yana fiber takviyeli kompozitlerin gelişimi ile bağlantılı olarak kullanılmaktadır. Bu kompozitler genellikle yüksek oranda (%50 ’den fazla) fiber ihtiva etmekte ve yüksek dayanım ile yüksek elastik modüle sahiptirler. Fiber takviyeli kompozit malzemelerde iki veya daha fazla fiber kombine edildiğinde buna hibrid kompozit adı verilmektedir. Hibridlerin geleneksel ya da teknolojik fiber takviyeli polimerlere sağladığı avantajlar; sertlik, tokluk, darbe dayanımı, ve hafiflik olarak sıralanabilir. Đleri teknoloji ve hibrid kompozitler hava-uzay teknolojisinde kullanılmaktadır. Tablo 2.5’de fiber takviyeli polimerlerin özelliklerinin metal alaşımları ile kıyaslanması gösterilmektedir [13].

Mühendislik malzemesi olarak fiber takviyeli polimerler birçok ilgi çekici özelliklere sahiptir. Bunlar [13]:

1) Yüksek mukavemet-ağırlık oranı, 2) Yüksek modül-ağırlık oranı, 3) Düşük spesifik yerçekimi, 4) Đyi yorulma mukavemeti,

5) Polimer kimyasallardan etkilenmelerine rağmen iyi korozyon direnci, 6) Düşük ısıl genleşme ve boyut kararlılığı,

7) Anizotropik özellik, olarak sıralanabilir.

Tablo 2.5. Fiber takviyeli polimerlerin özelliklerinin metal alaşımları ile kıyaslanması [13]

Malzeme Spesifik Yer Çekimi Çekme Mukavemeti (MPa) Elastik Modül (GPa) Düşük karbonlu çelik 7.87 345 207 Alaşımlı çelik(ısıl işlemli) 7.87 3450 207 Alüminyum alaşımı(ısıl işlemli) 2.70 415 69

Cam fiber takviyeli polyester

1.50 205 69

Karbon fiber takviyeli epoksi

1.55 1500 140

Karbon fiber takviyeli epoksi

1.65 1200 214

Kevlar takviyeli epoksi matris

1.40 1380 76

Son otuz yılda fiber takviyeli polimerlerin kullanım alanları oldukça gelişti. Yüksek dayanım ve düşük ağırlık gerektiren ürünlerin imalinde kullanılmaya başlandı. Đleri teknoloji kompozitlerin en büyük kullanım alanlarından biri hava-uzay teknolojisidir. Tasarımcılar, uçak ağırlığını azaltmak, yakıt verimini ve yük taşıma kapasitesini arttırmak için çalışmalar yapmaktadırlar. Đleri teknoloji kompozitler, hem askeri hem de ticari uçak yapımında kullanılmaktadır. Günümüzün uçak ve helikopterlerinin büyük bir kısmı fiber takviyeli polimerlerden oluşmaktadır.

Otomotiv endüstrisi de diğer bir önemli kullanım alanıdır. Arabaların ve taşıyıcıların karoserleri bu malzemelerden yapılmaktadır. Örnek verilirse, Chevrolet Corvette uzun yıllardan beri fiber takviyeli polimerlerden üretilmektedir. Aynı zamanda cam fiber takviyeli polimerler 1940’lı yıllardan bu yana bot yapımında kullanılmaktadır. Günümüzde fiber takviyeli polimerler, spor malzemelerinin büyük bir kısmında da kullanılmaktadır. Tenis raketleri, futbol kaskları, ok ve yay, kayak ve bisiklet tekerlekleri bunlara dahildir [13].

2.6.3.2. Polimer matris malzemeleri

Polimerlerin yoğunlukları düşüktür ve polimerlerle karmaşık şekilli parçaları üretmek çok kolay olup birbirleriyle ve diğer malzemelerle birleştirilebilirler ve talaş kaldırma işlemleri kolaydır. Fakat bir kısmının ısıl dayanımları düşüktür ve bir çoğunun çevresel etkilere karşı kullanımı tehlikeli olup, düşük mekanik özelliklere sahiptirler. Kompozitler malzemelerin % 90’ı polimer esaslı matrislerle üretilmektedir [1]. Termosetler, termoplastikler ve elastomerler olmak üzere üç gruba ayrılan polimer matrisler genelde sürekli fiber takviyeli olarak kullanılır [24].

Elastomerler: Üç boyutlu şebeke yapısı oluşturacak yüksek esneklik gösteren polimerlerden meydana gelmektedir. Zayıf kuvvetlerle deforme olabilen bu kuvvet kaldırıldığında kolayca eski şeklini alabilen aynı zamanda ısı ve basınç uygulaması ile bir enjeksiyon veya ekstrüzyon cihazla biçimlendirilebilen yüksek mol ağırlıklı polimerlerdir [24].

Termosetler: Bu tip polimerlerin ise ısıtılıp şekillendirildikten sonra soğutulduklarında artık mikro yapıda oluşan değişim nedeniyle eski yapıya dönüşüm mümkün olmamaktadır [23]. Epoksi ve polyester fiber takviyeli kompozitlerde yaygın olarak kullanılır. Bunların fiziksel ve mekanik özellikleri, molekül büyüklüğüne, yoğunluğuna ve çapraz bağın uzunluğuna bağlıdır [25].

Termoplastikler: Termoplastikler, oda sıcaklığında katı malzeme olarak adlandırılırlar. Bunlar çizgisel molekül zincirleri birbirine zayıf Van der Waals bağları ile bağlanmaktadır. Rijit bir yapıya sahip değildir. Isıtılırsa yumuşar, sıcaklık arttıkça vizkositesi düşmektedir. Bu özellik bunlardan yapılan ürünleri daha ekonomik yapar ve kolay şekillenmesini sağlar. Bu tekrar soğutulduğunda yeniden sertleşir. Sıvı halde bulunduğu sıcaklıklarda vizkosite hali yüksektir. Bu nedenle ara yüzey bağı termosete göre daha zordur. Ancak şekillendirme kapasitesi iyi olduğundan kullanımı yaygınlaşmaktadır [24].