Takviye malzemesine göre kompozit malzemelerin sınıflandırılması

Kompozitler takviye malzemesine Şekil 3.2.’de görüleceği üzere elyaf takviyeli, parçacık takviyeli, tabakalı kompozitler ve karma kompozitler olarak sınıflandırılırlar.

Şekil 3.2. Kompozit malzemelerin takviye edici malzemeye göre sınıflandırılması (Kaya, 2016).

Elyaf (Lif) takviyeli kompozitler

Elyaf takviyesi genellikle çekme, eğilme, çarpılma dayanımları çok düşük veya kırılgan yapılı malzemelere uygulanır. Elyaf takviyesi ile matris malzemesinin düşük olan mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi, kırılganlığının azaltılması ve malzemenin sünekleştirilmesi amaçlanarak elde edilen yepyeni ve üstün özellikli bu malzemelere elyaf takviyeli kompozit adı verilmiştir. Elyaflar, makroskobik açıdan homojen, boyu kesitinin en az 100 katı kadar esnek olan malzemeler olarak tanımlanırlar. Elyaf takviyeli kompozitlerde, dışarıdan uygulanan yüklemeleri karşılayan ana bileşen elyaftır, polimer matris ise elyafları istenilen geometride bir arada tutan çevreyi oluşturur. Bu kompozitlerin üretiminde takviye malzemesi olarak cam elyafı, aramid elyafı, karbon elyaf gibi çeşitli elyaflar kullanılabilir (Şahin, 2006).

Cam Elyaf; kolemanit, soda, SiO2, alüminyum oksit, magnezyum oksit hammaddelerin bileşiminden elde edilir. İmali sırasında çok ince şekilde öğütülen ve homojen dağılım elde edilene kadar karıştırılan hammadde karışımı yaklaşık 1550 °C sıcaklıkta çalışan bir eritme fırınından eritilir. Erimiş cam, platin/radyum alaşımından yapılmış 1250 °C’de kontrol edilen kovanlara beslenir ve 1-2 mm çapındaki deliklerden serbest akış ile bağlayıcı hüzmesinden geçirilerek demetler halinde sarılır. Bağlayıcı hüzmesinde eriyik haldeki cam elyaf malzeme matris malzemesine tutunması için gerekli olan fonksiyonel grupları içeren kimyasal bileşim ile kaplanır. Cam elyaf üretimi için çok değişik bileşimlerde cam mineralleri kullanılmaktadır. Çizelge 3.2’de cam elyaflar üretiminde kullanılan cam çeşitleri ve ağırlıkça bileşenleri verilen E, C ve S camları belirtilmiştir.

Çizelge 3.2. Cam elyaf üretimindeki cam çeşitleri ve (% ağırlıkça) bileşimleri (Chang, 2001). Bileşen Türleri E Camı C Camı S Camı

SiO2 52,4 64,4 64,4 Al2O3, Fe2O3 14,4 4,1 25,0 BaO - 0,9 - Ba2O3 10,6 4,7 - CaO 17,2 1,4 - MgO 4,6 3,3 10,3 Na2O, K2O 0,8 9,6 0,3

E camları, elektriksel özellikli ifade eden camlardır ve camlar içerisinde maliyeti en düşük olanı ve en çok kullanılanıdır. Modül, elektriksel ve iyi mukavemet özelliklerinden dolayı kullanılırlar ve bu cam türünden elyaf üretimi oldukça kolaydır. C camı ise, kimyasal korozyona karşı oldukça dirençlidir. Ama E camına göre mekanik özellikleri daha düşüktür ve ayrıca C camının maliyeti de E camına nazaran yüksektir. S cam türü ise maliyet yönünden E ve C camından daha yüksektir. E cam türleri yüksek mukavemet ve yüksek elastiklik modül istenen kullanım alanlarında tercih edilir. Ayrıca S camı yüksek sıcaklıklarda bile mukavemetini muhafaza edebilir (K. G., Budinski ve M. K., Budinski, 2010).

Aramit Elyaflar; 1970’li yılların başlangıcında kullanılmaya başlanan aramit elyaflar diğer takviye malzemelerinden çok daha fazla mukavemet-ağırlık oranına sahiptiler. Aramit elyaflar ilk olarak, E.I. DuPont de Nemours & Company firmasında üretilmiştir. Üretimi sonrası ilk kullanım amacı otomobil lastiği ayrıca takviye malzemesi şeklinde düşünülmüştür. Zaman içerisinde üstün mukavemet, hafiflik, yüksek sertlik gibi özellikler sebebiyle kompozit, balistik,

araç lastiği, kablo, halat, yanmaz malzemeler, koruyucu giysi gibi uygulamaların gelişmesine sebep olmuştur. Aramit elyafların işlenmesi kolay olması ise ayrı bir avantajıdır. Bu avantajlarının yanı sıra artan sıcaklıklarda sürünme dayanımları yüksek olsa da basma dayanımları düşüktür ve ısıtıldıkça kısalmaktadır. Bu durum, aramit elyafların kullanım alanlarını kısıtlamaktadır. Bir diğer dezavantajı ise kolay eğilmeleridir ki bu durum da kesme işlemlerini zorlaştırmaktadır (Chang, 2001).

Karbon Elyaflar; en çok tercih edilen takviye edici eleman cam elyafı olmasına karşın gelişmiş kompozitlerde genellikle saf karbon elyafı tercih edilmektedir. KE, cam elyafına göre daha güçlü ve hafif olmasına karşın imalat proses maliyeti daha fazladır. Karbon elyaflı kompozitler havacılıkta kullanılan araçların gövdelerinde kullanılmaktadır. KE, sertlik olarak CE’nin sertliğinden 3 ila 5 kat daha kuvvetli olması ve karbonun çok yüksek elektrik iletkenliğinin olması özellikleri düşünülerek üretilmiştir. Üretilen elyaflar iki şekildedir;

 Sürekli Elyaflar: Dokuma, örgü, tel bobin uygulamalarında, tek yönlü bantlarda ve önceden reçine emdirilmiş elyaflarda kullanılmaktadır. Bütün reçinelerle kombine edilebilirler.

 Kırpılmış Elyaflar: Genellikle enjeksiyon prosesinde, basınçlı kalıplarda makine parçaları ve kimyasal valf yapımında kullanılırlar. İmalatı yapılan malzemelerin korozyon dayanımları ve yorulma dayanımlarının yüksek olmaları, ayrıca yüksek sertlik özelliklerindedirler.

Tanecik takviyeli kompozitler

Tanecik takviyeli malzemeler olarak genellikle karbonatlar, kil, mika, silikatlar, mikroküreler, tarımsal atıklar, metal tozları veya parçaları, pudra gibi malzemeler kullanılmaktadır. Tanecikli takviye edicilerin ucuz olması ve bu takviye edicilerle kompozit üretiminin kolay olması bazı sektörlerde tanecik takviyeli kompozitlerin kullanılmasında tercih sebebi olmuştur. Karmaşık geometrili ürünlerin imalatında da rahatlıkla kullanılabilirler. Ancak tanecik takviyeli kompozitler, elyaf takviyeli kompozitlere göre mekanik özellikleri bakımından daha zayıftır. Bu nedenle, mekanik dayanım ihtiyacı duyulmayan dekorasyon eşyaları, yük altında kullanılmayan genel amaçlı ürünlerin yapımında kullanılırlar. Üretilen kompozitin kalitesini artırmak için tanecik takviye ediciler ön yüzey işleminden geçirilirler. Yüzey işleminden geçirilmiş killerin saflığı, beyazlığı, modülü, esneme dayanımı, eğilme direnci artmaktadır. Mısır koçanları, mısır unu, buğday unu vb. takviye ediciler ise organik yapıda olan takviye ediciler olarak tanecik takviyeli kompozitlerde kullanılırlar (Saçak, 2005).

Tabakalı kompozitler

Birbirinden farklı özelliklerdeki en az iki tabakanın birleşmesinden oluşmaktadırlar. Tabakalar ince film veya levhalardan oluşurlar. Üretilecek kompozit malzemede, sandviç dizilimi gibi malzeme kullanımı tekrarlanarak kalınlığı ihtiyaca bağlı olarak değişmektedir. Tabakaların uyumu göz önünde bulundurulduğunda farklı özellikler ve yönlerde kompozitler elde edilebilir. Tabakalı kompozit malzemeler, polimer-cam, metal-seramik, seramik-polimer kombinasyonları kullanılarak üretilebilebir. Polimer ve cam levhalar ile elde edilen kombinasyon en yaygın olanıdır (Schwartz, 1994).

Karma kompozitler

Gelişimini günümüzde de devam ettiren en yeni kompozit çeşididir. Karma kompozitler, kompozit ile başka bir malzemenin birlerişimden oluşabilir ya da farklı takviye malzemelerinin kompozit malzemelerde kullanılması ile de elde edilebilmektedir. Karma malzemelerin en avantajlı özelliği ise, tüm bileşenlerinin özelliklerini yansıtabilmesidir. Bu davranış ile kompozitlere benzemektedirler fakat karma yapıyı meydana getiren bileşenlerden birinin kompozit olabilmesinden dolayı da kompozit malzemelerin bir sonraki adımı olarak yorumlanabilmektedir. Karma kompozitlerin en çok kullanılan örneği, polimer matrisli kompozitlerin metal malzeme ile birlikte oluşturdukları karma (sandviç) kompozitlerdir. Karma kompozitler diğer kompozitlerle kıyaslandığında nadir kullanım alanlarına sahiptir ama yapılarında bulunan üstün avantajlar göz önüne alınacak olursa ilerleyen zamanlarda sıklıkla kullanılabileceği düşünülmektedir (Kickelbick, 2006).