Çelik talaşı/silikon kompozit malzeme üretimi ve düşük hızlı darbe özelliklerinin deneysel incelenmesi

T.C.

SELÇUK ÜNĐVERSĐTESĐ FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ

ÇELĐK TALAŞI / SĐLĐKON KOMPOZĐT MALZEME ÜRETĐMĐ VE DÜŞÜK HIZLI DARBE

ÖZELLĐKLERĐNĐN DENEYSEL ĐNCELENMESĐ

Yusuf ERDEM YÜKSEK LĐSANS TEZĐ

MAKĐNE MÜHENDĐSLĐĞĐ ANABĐLĐM DALI

KASIM - 2010 KONYA Her Hakkı Saklıdır

TEZ KABUL VE ONAYI

Yusuf ERDEM, tarafından hazırlanan “Çelik talaşı / silikon kompozit malzeme üretimi ve düşük hızlı darbe özelliklerinin deneysel incelenmesi” adlı tez çalışması 25.11.2010 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği / oy çokluğu ile Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı’nda YÜKSEK LĐSANS TEZĐ olarak kabul edilmiştir.

Jüri Üyeleri Đmza

Başkan

Doç. Dr. Hacı SAĞLAM ………..

Danışman

Prof. Dr. Ahmet AKDEMĐR ………..

Üye

Yrd. Doç. Dr. Ömer Sinan ŞAHĐN ………...

Yukarıdaki sonucu onaylarım.

Prof. Dr. Bayram SADE FBE Müdürü

TEZ BĐLDĐRĐMĐ

Bu tezdeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edildiğini ve tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.

DECLARATION PAGE

I hereby declare that all information in this document has been obtained and presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all material and results that are not original to this work.

Yusuf Erdem Makine Mühendisi

ÖZET

YÜKSEK LĐSANS TEZĐ

ÇELĐK TALAŞI / SĐLĐKON KOMPOZĐT MALZEME ÜRETĐMĐ VE DÜŞÜK HIZLI DARBE ÖZELLĐKLERĐNĐN DENEYSEL ĐNCELENMESĐ

Yusuf ERDEM

Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Ahmet AKDEMĐR

2010, 115 Sayfa

Jüri:

Prof. Dr. Ahmet AKDEMĐR Doç. Dr. Hacı SAĞLAM Yrd. Doç. Dr. Ömer Sinan ŞAHĐN

Mühendislikte, darbe sonucu oluşan enerjinin bertaraf edilmesi makinelerin, cihazların ve özellikle de insanların zarar görmemesi açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada da darbe enerjisini soğurup ısı enerjisine dönüştüren bir darbe emici çeşidi üzerine araştırma yapılmıştır. Üzerinde çalışılan malzeme çelik talaşı ile belli oranlarda karıştırılan ve farklı presleme basınçlarında preslenen soğuk silikon matrisli kompozittir. Bu kompozit malzemeden 5 farklı karışım oranında ve 3 farklı presleme basıncında 15 çift üretilmiştir. Üretimde numune boyutlarını standart hale getirebilmek için değişken kütle - sabit hacim kuralı esas alınmıştır. Sonra bunlara düşük hızlı darbe deneyleri uygulanmış ve kuvvet - zaman, kuvvet - yer değiştirme grafikleri elde edilmiştir. Bu grafiklere bağlı olarak toplam enerjiyi yutma ve yansıtma oranlarındaki değişimler yorumlanmıştır.

Anahtar Kelimeler: Düşük Hızlı Darbe, Plastik Esaslı Kompozitler, Çelik Talaşı, Darbe Emici.

ABSTRACT

MASTER SCIENCE THESIS

MANUFACTURING OF STEEL CHIP / SILICON COMPOSITE MATERIAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF LOW

VELOCITY IMPACT PROPERTIES

Yusuf ERDEM

Graduate School of Natural and Applied Sciences of Selcuk University Mechanical Engineering Master Science Branch

Advisor: Prof. Dr. Ahmet AKDEMĐR 2010, 115 Pages

Jury:

Prof. Dr. Ahmet AKDEMĐR Assoc. Prof. Dr. Hacı SAĞLAM Assist. Prof. Dr. Ömer Sinan ŞAHĐN

In engineering, absorption of energy produced by impacts is of great significance so as not to harm the machines, devices and humans as well. This study is focused on a kind of impact absorber which absorbs the impact energy and turns it into the form of heat energy. The material studied on is cold silicon matrix composites mixed with steel chip at defined rates and various pressures. At 5 different mixing rates and 3 different pressing pressure 15 pairs of samples manufactured with this composite material. In order to standardization sample dimensions, dynamic mass - static volume rule has been based on manufacturing. After this low velocity impact experiences are made and force - time, force - location difference graphics are obtained. Absorption and reflection rates differences of total energy are interpreted depending on this graphics.

Keywords: Low Velocity Impact, Plastic Maintained Composites, Steel Chip, Impact Absorber.

TEŞEKKÜR

Çalışmalarım boyunca beni yönlendiren ve bilgilerini benden esirgemeyen saygıdeğer Danışmalarım Prof. Dr. Ahmet AKDEMĐR ve Yrd. Doç. Dr. Hüseyin ARIKAN’ a, laboratuar çalışmalarımda darbe deneyinin kullanılmasında ve deney sonrası veri analizinde yardımcı olan Öğretim Üyeleri Doç. Dr. Mesut UYANER ve Öğr. Gör. Memduh KARA’ ya ayrıca maddi manevi desteklerinden dolayı aileme teşekkürü bir borç bilirim.

Yusuf Erdem Makine Mühendisi

ĐÇĐNDEKĐLER ÖZET ... iv ABSTRACT ... v TEŞEKKÜR ... vi ĐÇĐNDEKĐLER ... vii SĐMGELER ... 1 1. GĐRĐŞ ... 2 2. LĐTERATÜR ÖZETĐ ... 5 3. DARBE EMĐCĐLER ... 8

3.1. Metalik Köpük Darbe Emiciler ... 8

3.1.1. Metalik Köpük Yapıların Genel Özellikleri ... 9

3.1.2. Saf ve Ön Alaşımlı Tozlardan Köpük Üretimi ... 12

3.1.3. Boş Kalıp veya Profiller Đçerisinde Köpük Üretimi ... 12

3.1.3. Küresel Köpük Üretimi ... 13

3.1.4. Sandviç Köpük Üretimi ... 15

3.2. Elastomerik Darbe Emiciler ... 17

3.2.1. Elastomerler ... 19

3.2.2. Vulkanizasyon... 20

3.2.3. Viskoelastiklik ... 21

4. KOMPOZĐT MALZEMELER ... 29

4.1. Kompozit Malzemelerin Tanımı ... 29

4.2. Kompozit Teknolojisinin Gelişimi ... 32

4.3.1. Yapılarını Oluşturan Malzemelere Göre Kompozitler ... 33

4.3.2. Yapı Bileşenlerinin Şekillerine Göre Kompozitler ... 36

5. DARBE DENEYĐ ... 39

5.1. Charpy ve Izod Darbe Deneyleri ... 39

5.1.1. Deney Cihazları ve Numuneler ... 39

5.2. Ağırlık Düşürme Deneyi ... 42

5.2.1. Düşük Hızlı Darbe Deneyi Düzeneği ... 42

5.2.2. Düşük Hızlı Darbe Deneyinde Geri Sekme (Rebound) ... 44

5.3. Darbe Deneylerinde Kullanılan Standartlar ... 45

5.3.1. ASTM D 1709: Darbe Dayanımı için Standart Test Metotları ... 45

5.3.2. ASTM D 4272: Darbe Enerjisi için Standart Test Metotları ... 45

5.3.3. ASTM E 680: Darbe Hassasiyeti için Standart Test Metotları ... 45

6. BASMA DENEYĐ ... 46

6.1. Basma Deneyinde Gerilme Uzama ... 46

6.2. Silindirik Numuneler Đçin Basma Deneyinin Teorisi ... 48

6.3. Sünek Numuneler Đçin Basma Deneyinde Fıçı Oluşumu ... 49

7. DENEY MALZEMELERĐNĐN GENEL ÖZELLĐKLERĐ ... 52

7.1. Soğuk Silikon ... 52

7.2. Çelik Talaşı ... 56

8. DENEYSEL ÇALIŞMALAR ... 60

8.1. Çelik Talaşlarının Kullanıma Hazır Hale Getirilmesi ... 60

8.2. Kullanılan Silikonun Fiziksel Özellikleri ... 61

8.3. Karışım Parametrelerinin Belirlenmesi... 62

8.4. Numune Üretimi ... 62

8.5. Deney Cihazının Hazırlanması ... 66

8.5.1. Ağırlık Düşürme Test Cihazı ... 66

8.5.2. Vurucu Geometrisi ve Kuvvet Algılayıcı ... 69

8.5.3. Elektronik Kontrol Ünitesi ... 69

8.6. Deneyin Yapılması... 70

9. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA ... 72

9.1. Vurucu ile Deney Numunesi Arasındaki Temas Kuvvetleri ... 72

9.2. Kinetik Analiz Neticesinde Elde Edilen Yer Değiştirme Değerleri ... 84

9.3. Sadece Silikondan Üretilen Numune Đçin Elde Edilen Eğriler ... 94

9.4. Düşük Hızlı Darbede Toplam Enerji Dağılımı ... 96

9.5. Basma Deneyi Đle Kırılma (Parçalanma) Dayanımının Ölçülmesi ... 98

9.6. Deney Sonrası Numune Fotoğrafları ... 102

10. DEĞERLENDĐRME VE ÖNERĐLER ... 107

10.1. Değerlendirme... 107

10.2. Öneriler ... 108

EKLER... 112 ÖZGEÇMĐŞ... 115

SĐMGELER

a : Deney sonrası bombeleşme çapı b : Deney sonrası tutucu içinde kalan çap d : Numunenin çapı

h : Numunenin yüksekliği

h1 : Deney sonrası numunenin yüksekliği

h1.1 : Numunenin tutucu içinde kalan kısmının yüksekliği h1.2 : Numunenin içbükey kısmının yüksekliği

h1.3 : Numunenin dışbükey kısmının yüksekliği h : Deney sonrası izafi yükseklik

ρρρρc

ρρρρs

ε_{ˈ : Birim saniyede alınan yol}

KISALTMALAR DHD : Düşük Hızlı Darbe

KE : Kinetik Enerji PE : Potansiyel Enerji

MMK : Metal Matrisli Kompozit SMK : Seramik Matrisli Kompozit TM : Toz Metalürjisi

1. GĐRĐŞ

Ülkemizde ve Avrupa’da son yıllarda çevre kirliliğine sebep olan endüstriyel atıkların geri kazanımı oldukça önem kazanan konuların başında gelmektedir. Çünkü endüstriyel atıkların geri dönüşümü, çevre bilincinin oluşmasına ve bu konuyla ilgili yaptırımların artmasına neden olmuştur. Çevre kirliliğine sebep olan özellikle de bor yağı içeren talaşların bu çalışmada kullanılması geri dönüşüm adına büyük öneme sahiptir.

Günümüzün vazgeçilmez ulaşım araçları olan otomobiller arasında çeşitli nedenlerden dolayı trafik kazaları meydana gelmektedir. Bu kazalar iki araç arasında olabileceği gibi tek araç veya araç ile yaya arasında olabilmektedir. Bu kazaların oluşmasını engellemek için her ne kadar önlemler alınsa da yine de kaçınılmaz olmaktadır. Özellikle araç tasarımı alanında kazaların önlenmesi ve kaza anında oluşacak can ve mal kayıplarının azaltılması için birçok yeni güvenlik önlemleri geliştirilmektedir. Bu güvenlik önlemleri aktif ve pasif güvenlik önlemleri olarak iki başlık altında toplanabilir. Aktif güvenlik, sürücünün kazadan kaçınması için taşıtın kontrol ve frenleme yeteneklerini artıracak şekilde bilgilendirme sistemleri ve kaza ihtimalini sezip aracı bu durumdan çıkaracak şekilde devreye giren kontrol algoritmalarını içerir. Pasif güvenlik ise bir kaza ile karşılaşılması durumunda, kazanın olumsuz etkilerini mümkün olduğunca azaltmak amacıyla araç üzerinde alınan malzeme değişikliği önlemi ve yapısal iyileştirmeler gibi tasarım önlemleridir (Öztürk 2008).

Bu çalışmada, araçların önden çarpışması durumunda çarpışma enerjisini soğurarak deformasyonun sürücü ve yolcu bölgesine ilerlemesini azaltan pasif güvenlik sistemlerinden çelik talaş takviyeli plastik kompozit darbe emicilerin imal usulleri ve darbe özellikleri belirlenmiştir.

Araçların önden çarpışması durumunda aracın önündeki deformasyonun yolcu bölmesine doğru ilerlemesi güvenlik açısından istenmeyen durumlar ortaya çıkarabilir. Bu tür kazalarda aracın kinetik enerjisinin dengeli ve sürekli bir biçimde sönümlenmesi ile atalet etkileri azalır ve araç içindeki kişilere gelecek zararlar daha az olur. Araçların önden çarpışma durumunda yolcu kabinine daha az zarar gelmesi

açısından ön tamponun arkasında darbe emiciler kullanılır. Darbe emiciler, aracın sahip olduğu kinetik enerjiyi, plastik deformasyona uğrayarak belli bir oranda sönümlerler. Darbe emici blokların sönümleme özellikleri dikkate alınarak tasarlanmaları halinde, bu bloklar akordeon gibi katlanarak çarpışmadan doğacak olumsuz etkileri azaltırlar. Önden çarpışma anında ilk darbeyi alan tampondan sonra darbe emiciler üzerinde enerjinin belli bir kısmı absorbe edilir. Enerjinin absorbe edilmesi, ön darbe emicilerin akordeon şeklinde katlanarak plastik deformasyona uğraması ile gerçekleşir. Đlk çarpma anında tampon deforme olarak belli bir miktar enerjiyi absorbe eder ve arkasından darbe emiciler deforme olmaya başlar, eksenel yönde gelen tepki kuvveti en yüksek değerine ulaşır, daha sonra tepki kuvvetleri ortalama bir değer etrafında salınmaya başlar. Bu sırada yapı yerel burkulmalar ile iç içe katlanarak kısalır (Öztürk 2008).

Bu çalışmada, talaşlı imalat endüstrisinde üretimde hurdaya ayrılan metal talaşları kullanılmıştır. Metal talaşı kullanımının sebebi kolay bulunabilir olması, metal tozuna göre oldukça ucuz olması ve geri dönüşüm malzemesi olarak kullanılmasıdır. Ayrıca metal talaşlarının ergitilerek geri dönüşümünü sağlayan geleneksel geri kazanım işlemlerinden farklı olarak yani metal talaşlarının ergitilip kalıpta şekillendirmeksizin geri dönüşümünün ve ürünlerin şekillendirilmesinin yapılmasıdır.

Bu çalışma Selçuk Üniversitesi Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü laboratuarında geliştirilen özel bir ağırlık düşürme test cihazı ile yapılmıştır. Farklı karışım oranlarındaki ve farklı presleme basınçlarındaki deney numunelerine düşük hızlı darbeler yapılmıştır. Darbe sonucu kuvvetin zamana göre değişimini veren grafikler elde edilmiştir. Ayrıca yer değiştirme - zaman grafikleri elde edilmiştir. Darbe enerjisinin ne kadarlık bir kısmının malzeme tarafından yutulduğu tespit edilmiştir.

Bu çalışma iki ana kısımdan oluşmaktadır. Đlk kısımda silikon matrisli kompozit malzemenin üretim parametreleri belirlenmiş, ikinci kısımda ise bu malzemenin darbe davranışını belirlemek için darbe deneyleri yapılmıştır.

Sanayiden hazır olarak atık talaşlar alınmıştır. Talaşların yüzeysel olarak şekli ve boyutu incelenmiştir. Talaşın temiz olması içerlerinde farklı malzemelerin talaşlarını barındırmaması önem arz eder. Bunun için talaşların kimyasal içeriği

incelenmiştir. Bu aşamalardan sonra talaşın kimyasal içeriği yağ kesme sıvısı v.b. materyaller içermiyorsa ve boyutsal olarak da uygunsa kullanılmıştır.

Talaşların belli boyut aralığında olması istendiği için talaşların boyutları kullanım şartına göre büyükse öğütme işlemine tabi tutulmuştur. Öğütme işleminden sonra belli boyut aralığına sahip talaşlar delik ölçüleri belirli eleklerden geçirilerek istenilen boyut aralığına indirgenmiştir. Çünkü sıkıştırma işleminde boyut dağılım aralığı önem arz eder.

Karışım, ağırlıkça plastik matris ve çelik talaşlarının belli oranlarda katılmasıyla elde edilmiştir. Ayrıca karışımın pres altında sıkıştırılması esnasında talaş tanelerinin birbiri üzerinden kayması ve parçanın kalıp içerisinden daha rahat çıkması için karışıma % 1-1,5 oranında yağlayıcı (çinko stearat) ilave edilmiştir. Ağırlık ölçümü 0,01 g hassasiyetli terazide yapılmıştır. Ağırlıkça belli oranda bir kapta toplanan karışım, homojen bir dağılım elde edilinceye kadar belirli süre karıştırıcı içerisinde karıştırılmıştır.

Önceden üretilen silindirik kalıplardan dişi kalıp içerisine üretilecek silindirik parçanın tam ölçüsünü elde etmek için karışımdan belirli miktarda malzeme doldurulmuştur. Malzeme doldurulduktan sonra oda şartlarında preslenmiştir.

2. LĐTERATÜR ÖZETĐ

Son yıllarda yüksek dayanımlı aynı zamanda hafif malzemelere duyulan ihtiyacın artması ile metalik köpüklerin yapısal ve fonksiyonel malzeme olarak kullanımına ilgi artmıştır. Metalik köpüklerin yüksek dayanım, düşük yoğunluk, titreşim, ses ve enerji sönümleme gibi özelliklerinden dolayı özellikle otomotiv, demir yolu taşımacılığı, gemi yapımı, hafif konstrüksiyonlar, uçak ve uzay sanayi gibi alanlarda kullanımına ilişkin yoğun çalışmalar devam etmektedir (Banhart 2001).

Plastiklerin en belirgin özelliği aynı anda hem elastik hem de viskoz (sıvı) anlamına gelen viskoelastik davranış göstermeleridir. Yani yük altındaki plastikte zamanla uzama meydana gelir. Uzamayı sabit kabul edersek zaman içersinde gerilmede azalma oluşur. Bu yüzden plastikler metallerden farklı davranış sergilerler. Bu da sürünme ve gevşeme şeklinde kendini göstermektedir. Sürünmenin tarifinden sabit bir gerilme altında malzeme sürekli şekil değiştirir. Gevşeme ise; sabit şekil değiştirme miktarında iken gerilmenin sürekli azalmasıdır (Ay 1992).

Birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek amacı ile bir araya getirilmiş değişik tür malzemelerden veya fazlardan oluşan malzeme sistemine kompozit malzeme denir. Đki malzeme, orijinal malzemelerde elde edilemeyen bir özellik kombinasyonu elde etmek için birleştirildiğinde kompozitler üretilir. Kompozit malzemeler alışılmışın dışındaki rijitlik, mukavemet, ağırlık yüksek sıcaklık performansı, korozyon direnci, sertlik ve iletkenlikten oluşan kombinasyonları elde etmek için seçilebilmektedir (Erdoğan 1999).

Kompozit malzemelerin ortaya çıkışı insanların ihtiyaçları doğrultusunda gelişmektedir. Đnsanoğlu günümüze kadar tabiattaki kompozit malzemelerden istifade etmiş, bunları daha da geliştirerek günümüz malzeme biliminin önemli konularından olan kompozit malzemelere çalışmaları yönlendirmiştir. Yirminci yüzyılın yarısından sonrası Kompozit Çağı olarak tanımlanmaktadır (Ralph 1997).

Genel olarak, darbeler düşük hızlı veya yüksek hızlı olarak sınıflandırılırlar. Fakat bu kategoriler arasında açık bir geçiş yoktur. Yapılan araştırmalar bu geçişin

belirlenmesinde henüz net bir sonucun elde edilmediğini göstermektedir. Bu konuda yapılmış çalışmalardan bir kısmı düşük hızlı darbeyi, hedefin rijitliğine, malzeme özelliklerine ve çarpan cismin kütle ve rijitliğine bağlı olarak 1 ila 10 m/s arasında değişen hızlar olarak tanımlamışlardır. Düşük hızlı darbeye en basit örnek olarak kompozit malzeme üzerine (uçak kanadı gibi) imalat veya bakım esnasında kaza sonucu bir parçanın (takım aleti) düşmesi verilebilir. Düşük hızlı darbeler normal olarak çarpışma temas anında malzeme içyapısında deformasyon oluşturan darbelerdir. Bazen düşük hızlı darbe düşük enerjili darbe olarak da tanımlanır. Düşük hızlı darbede malzemenin içyapısında darbeye karşı cevap verebilmek için gerekli olan temas süresi yeterlidir ve sonuç olarak daha fazla enerji elastik olarak absorbe edilir. Bu nedenle hedefin dinamik yapısal cevabı çok büyük bir öneme sahiptir. Yüksek hızlı darbe tepkisi malzeme boyunca yayılan gerilme dalgası tarafından hakim olunur ki bu durumda malzeme darbeye karşı cevap verebilme zamanına sahip olamaz ve çok küçük bir bölgede hasar oluşur. Hasarları oluşturan darbe testleri genel olarak üç kategoride toplanmaktadır, bunlar; ağırlık düşürme testleri, sarkaç testleri (izod ve charpy) ve hava veya gaz silah (düşük hız veya balistik testler) testlerdir (Ceyhun 2003).

Literatürde darbe genelde hızlarına göre düşük, yüksek ve çok yüksek hızlı olarak sınıflandırılır. Bu sınıflandırmanın sınırlarında araştırmacılar görüş birliğine sahip değildir. Bazı araştırmacılar hız sınırları vererek sınıflandırma yapmışlar ki bu sınırlarda bile görüş ayrılıkları vardır, bazıları ise kompozit malzemedeki hasar durumuna göre sınıflandırmayı tercih etmişlerdir. Bu ikinci tür sınıflandırmada malzemede sadece tabaka ayrılmaları oluyorsa düşük hız, kompozitte delinme oluyorsa yüksek hız olarak adlandırılır (Abrate 1998).

Düşük hızlı darbe deneylerinde geri sekmenin (rebound) kontrolü ve önlenmesi deneyin güvenirliği açısından önem arz etmektedir. Bunun kontrolü genelde pnömatik sistemler sayesinde otomatik kontrolle yapılmaktadır. Bir sensör ve pnömatik bir piston yardımıyla bu sistem oluşturulmaktadır. Düşük darbe enerjisinden yüksek darbe enerjisine gidildikçe hasar oluşumu artmaktadır. Yüksek hızlı darbe enerjisi ile her iki durumda (frenleme açık-kapalı konum için) numunede hasar açısından çok büyük farklar oluşmazken, düşük hızlı darbe deneyinde

frenlemenin aktif veya pasif olması durumunda hasar durumunda büyük farklar gerçekleşmiştir (Şenel 2009).

Ağırlık düşürme deneyinde elde edilen kuvvet−zaman değişimlerinin çan eğrisi şeklinde olduğu görülmektedir. Bütün şekillerde kuvvet hızla artarak bir azami kuvvet değerine ulaşmaktadır ve daha sonra sıfıra düşmektedir. Her bir grafikte darbenin başlangıcında bir salınım meydana geldiği görülmektedir. Ayrıca darbe başlangıcında numunede meydana gelen titreşim sonucunda kuvvet algılayıcı üzerinde bir normal kuvvet oluşturduğu ve bunun sonucu olarak darbe başlangıcında salınım meydana geldiği düşünülmektedir. Kuvvet en yüksek değerine ulaşıncaya kadar hasar oluşumunun hızla devam ettiği düşünülmektedir. Salınım miktarı arttıkça oluşan hasar miktarı da artmaktadır. (Whittingham 2004).

3. DARBE EMĐCĐLER

Darbe emiciler darbelerden makinelerin zarar görmemesi ve kusursuz çalışabilmesi için büyük önem taşımaktadır. Darbe emicilerin çalışma prensiplerine göre iki ana tipi vardır. Đlk grup mekanik darbe emiciler tekrarlı darbelerde kullanılan pnömatik silindirler ve yaylardır. Bunlar makine elemanları kapsamında olduğundan detaylı incelenmemiştir. Đkinci grup ise bu çalışmada da bahsedilen daha çok kompozitlerden üretilen yekpare ve genel olarak tek kullanımlık tasarlanan köpükler, takozlar ve tamponlardır. Bu tipler darbenin şiddetine, tekrar sayısına ve hasar riskine göre tercih edilirler.

3.1. Metalik Köpük Darbe Emiciler

Son yıllarda yüksek dayanımlı aynı zamanda hafif malzemelere duyulan ihtiyacın artması ile metalik köpüklerin yapısal ve fonksiyonel malzeme olarak kullanımına ilgi artmıştır. Metalik köpüklerin yüksek dayanım, düşük yoğunluk, titreşim, ses ve enerji sönümleme gibi özelliklerinden dolayı özellikle otomotiv, demir yolu taşımacılığı, gemi yapımı, hafif konstrüksiyonlar, uçak ve uzay sanayi gibi alanlarda kullanımına ilişkin yoğun çalışmalar devam etmektedir (Banhart 2001).

Metalik köpüklerin farklı üretim yöntemleri vardır. Bunlar arasında en yaygın olarak ergiyik içerisine gaz enjekte edilmesi, ergiyik içerisine köpürtücü madde ilavesi ve toz metalürjisi yöntemleri sayılabilir (Olurin 2000).

Toz metalürjisi (TM) yöntemi, metal köpüklerin üretimi için en yaygın kullanılan yöntemlerden biridir ve bu alanda yoğun çalışmalar yapılmaktadır. Bu yöntemle, bilinen basit köpük üretiminin yanı sıra sandviç köpük, küresel köpük, içi boş kalıp veya profil içerisinde köpürtme yapılabilmektedir. Bunlara ilave olarak köpük malzemenin mekanik özelliklerini artırmak amacıyla parçacık takviyeli köpük üretimi de yapılmaktadır. TM yönteminde metal tozları, köpürtücü madde (genelde TiH2) ile karıştırılır ve preslenir. Köpürtme işlemi esnasında sıcaklığın artmayla yapı içerisindeki köpürtücü madde ayrışır ve gaz çıkışına neden olur. Ayrışma TiH2 de yaklaşık 400 ºC civarında görülür. Bu sıcaklık alüminyumun

ergime derecesinin çok altındadır. Ayrışma işlemi esnasında yüksek sıcaklıktaki metalde genleşme diğer bir değişle köpürme meydana gelir. Bilindiği gibi ergiyik içerisine seramik parçacıkların ilave edilmesi, köpüğün yüzey geriliminin ve sıvı metalin viskozitesini değiştirmektedir. Dolayısıyla ergiyik haldeki köpüğün kararlılığının bu özelliklere bağlı olarak geliştirilebildiği bilinmektedir. Bu nedenle Al esaslı malzemelerle ağırlıklı olarak SiC, Al2O3 ve çeşitli bor ihtiva eden parçacıklar ilave edilmektedir. Bu yöntemlerin kombinasyonu mükemmel enerji sönümlemesi sağlamaktadır (Matijasevic 2006).

Çok iyi bilinmektedir ki, gözenekli yapılar yalıtım, kaplama veya filtreleme işlemleri için kullanışlı malzemelerdir. Fakat yapısal uygulamalarda çok yaralı ve verimli olabileceğine inanılmaz. Yük taşıyan yapılarda (kirişler, metalik parçalar) bulunan poroziteyi azaltmak için binlerce bilimsel çalışma yapılmıştır. Buna ek olarak döküm, toz metalürjisi, kaynak ve kaplama işlemleri sonucunda üretilmiş parçalar üzerinde poroziteyi azaltma çalışmaları büyük bir hızla devam etmektedir. Bu düşüncelerin ışığında yük taşıyan malzemelerin yapısında büyük gözeneklerin, hataların olmadığını kabul etmek oldukça zordur.

Gözenekli ve köpük yapılar taşıyacakları yük dikkate alınarak seçilmelidir. Metal köpük yapılarla diğer malzemelerin köpük yapıları arasında mekanik özellikler açısından farklar vardır. Polimer malzemeler yeterli derecede rijit değildir ve seramik malzemeler de çok kırılgan bir yapıya sahiptirler. Bu nedenle metalik köpük yapıları kullanmak doğru bir seçim olarak görülmektedir (Degischer 2002).

3.1.1. Metalik Köpük Yapıların Genel Özellikleri

Metalik köpük yapılar polimerik olanlarına kıyasla daha katı bir yapıya sahip, yüksek sıcaklıklarda içyapısını daha iyi koruyabilen, sıcaklık direnci yüksek olan ve yüksek sıcaklıklarda toksit gaz oluşturmayan yapılardır. Tamamen geri çevrilebilen malzemeler olup çevreye herhangi bir zarar vermezler. En önemli avantajları ise ağırlıklarının düşük olmasıdır. Bunun yanında yönden bağımsız olarak darbe ve titreşim sönümleyebilmesi, elektromanyetik kalkan özelliği olumlu özellikleridir. Önemli termal özelliklerinden bahsedersek, sırasıyla: ergime noktaları, özgül ısıları, ısıl genleşme katsayıları, ısıl iletimi ve yüzey geçirgenliği, ateş ve ısıl sok dayanımlarıdır. Ergime noktaları aşağı yukarı o alaşımınkiyle aynıdır. Bununla

birlikte malzeme yüzeyi çoğunlukla bir oksit tabaka ile kaplıdır. Bu tabaka sayesinde ergime noktası oldukça yüksektir. Bu tabaka yüzeydeki gözenek boyutlarını (çaplarını) düşürmesine rağmen gözenek sayısının artmasına sebep olur. Tabakanın kalınlaşması gözenekli yapıyı destekler ve ergime sıcaklığını üst değerlere çeker. Eğer malzeme yeterli bir zaman süresince havada ya da bir oksit banyosu içerisinde ısıtılırsa tabaka daha fazla kalınlaşır ve daha istikrarlı bir hal alır (Feng 2002).

Özgül ısıları önemli ölçüde düşüktür. Bu özellikleri düşük ısıl kapasitenin istendiği uygulamalarda en önemli malzeme olmalarını sağlar. Isıtma ve soğutma sistemleri buna iyi birer örnektirler. Isıl sok dayanımları normal bir içyapıya sahip malzemeye kıyasla yüksek, ısı iletimi ise düşüktür. Çizelge 3.1 de, çeşitli firmaların ürettiği Al köpük malzemelerin teknik özellikleri verilmiştir. Aşağıda verilen parametreler ise yapısal hassasiyet özelliği açısından dikkate alınmış ve önem derecesine göre sıralanmışlardır (Degischer 2002).

• Đçyapı özellikleri • Đzafi yoğunluk

• Gözenekli yapının tipi (açık ya da kapalı hücre) • Kütle dağılımındaki düzensizlikler

• Hücre boyutu ve dağılımı • Hücrelerin sekli ve anizotropisi

• Hücrelerin birbirleriyle olan bağlantısı

• Bükülmüş ya da kırılmış hücre duvarlarındaki hatalar

Hücresel malzemeler genellikle sünektir (Sekil 3.2). Grafiğe bakıldığında köpük yapı, katı metalik yapıda açık bir şekilde karşılaşılmayan bir lineer elastik bir davranış göstermektedir. Sertleşme kısmından sonra çekme gerilmesi tarafında maksimum gerilme küçük uzamalara karşılık gelir (genellikle % 1-4). Katı metallerle kıyasla çok küçük miktarlardır.

Şekil 3.2 Metal ve Metalik Köpük Yapının Gerilme - Uzama Davranışlarının Kıyaslanması

3.1.2. Saf ve Ön Alaşımlı Tozlardan Köpük Üretimi

Metalik köpükler içerisine katılan köpürtücü maddenin yüksek sıcaklıkta ayrışması sonunda ya serbest olarak ya da köpürtülecek malzemeyi sınırlayan kalıbın şeklini almak suretiyle köpürme işlemi gerçekleştirilir. Çok yaygın kullanılan bir yöntemdir. Đnce levha halinde üretim yapılabildiği gibi, çeşitli geometrik şekil ve formlarda da üretim yapılabilmektedir (Şekil 3.1) (Türker 2009).

Şekil 3.1 Kapalı kalıpta üretilen Al esaslı metalik köpük

3.1.3. Boş Kalıp veya Profiller Đçerisinde Köpük Üretimi

Bu yöntemde, yarı mamul malzeme içi boş kalıp veya profil içerisine konulup daha sonra ısıtıldığında, yarı mamul genişleyerek içerisine konulduğu kalıbın şeklini alır (Şekil 3.2). Bu işlemle mamul parçalar, kapalı dış yüzey ve oldukça gözenekli bir içyapıya sahip olurlar. Bu yöntemle uygun ısıtma yapılarak kesit boyunca sürekli veya süreksiz yoğunluk değişimi sergileyen kütleler üretmek mümkündür. Profil içerisinde köpük oluşturma yöntemi ile özellikle otomobillerin çarpışmaya maruz bölgelerinde enerji sönümleyici olarak kullanılan içi köpük dolu profiller üretilmektedir. Metalik köpükle doldurulmuş boru profiller, burkulma süresince ilginç şekil ve deformasyon özellikleri gösterir. Boru içerisine dolgu malzemesi olarak kullanıldıklarında emilen toplam enerji, köpük ve borunun ayrı ayrı emdiği enerjinin toplamından daha fazladır (Davies 1983).

Şekil 3.2 Kalıp ve profil içerisinde köpürtülmüş Al köpükler

3.1.3. Küresel Köpük Üretimi

Son zamanlarda metalik köpükler küresel veya eliptik şekilde üretilmektedir. (Şekil 3.3). Bu küresel köpükler basma yüklemelerine maruz kalan sandviç yapılarda kullanılmaktadır. Üretilecek malzeme tozu ve köpürtücü madde birlikte karıştırılır, preslenir, sinterlenir ve yüksek yoğunluklu levha halinde üretilir. Daha sonra üretilecek küresel köpük çapına bağlı olarak kesilir. Köpürtme işlemi sırasında yüzey geriliminden dolayı numune küresel şekil alır. Değişik çaplarda üretilen

küresel köpükler farklı kalınlıkta tasarlanan yapılarda kullanılır. Küçük çaplı küresel köpük rahatlıkla üretilebilirken 15 mm den daha büyük çaplı kürelerin üretiminde problemler oluşmaktadır (Stöbener 2005).

3.1.4. Sandviç Köpük Üretimi

Sandviç yapılar iki rijit metal levha arasında köpürtülmüş yapılardır (Şekil 3.4). Bunlar, köpürtülme işleminden önce alüminyum, çelik ve titanyum gibi geleneksel metal levhalarının arasında haddelenerek ön taslağı oluşturur. Daha sonra uygulanan ısıl işlemle sandviç yapılar meydana geldiğinde sadece merkezdeki köpürtülecek malzeme genişleyerek köpük oluşurken yüzey levhalarının yoğunluğu değişmez (Baumesiter 2000).

3.1.5. Metalik Köpük Malzemelerin Otomotiv Endüstrisinde Kullanılması Teknoloji ile paralel olarak gelişen otomotiv sektöründe malzeme bilimi önemli bir yer tutmaktadır. Üreticiler, daha hafif ancak daha mukavemetli konstrüksiyonlar elde etmek için maliyeti çok yüksek araştırmalar yapmaktadırlar. Bu durumun ışığında metalik köpük (hücresel) malzemeler önemli bir çözüm kaynağı olarak ön plana çıkmaktadır. Đçyapının köpük seklinde olması darbe yönünü dikkate almadan yüksek darbe enerjisini sönümlemesini ve aynı zamanda hafifliği sağlamaktadır. Ayrıca metalik köpük malzemelerin çeşitli mekanik özellikleri polimerik köpük malzemelere kıyasla çok üstündür. Yüksek sıcaklık dayanımı ve yüksek sıcaklarda yapısını koruması buna örnek olarak verilebilir.

Metalik köpük malzemelerin maliyet ve kazanç ilişkisini, kullanım alanlarını dikkate alarak tanımlamak gerekir. Bir araba üretiminde, bu malzemeler maliyetli çözümleri (yüksek verimlilikle) getirirken, havacılık sektöründeki gelişmeler başka yollar üzerinde yoğunlaşmaktadır. Şu zamana kadar, otomotiv endüstrisinde birçok uygulamalar yapılmasına rağmen Al bazlı köpük malzemeler henüz seri üretimde kullanılmamıştır. Al malzemelerin kullanılan metotlar sonucunda çeşitli birleştirme, tolerans ve aşınma sorunları olması sebebiyle, çoğunlukla araçların gövdeleri demir esaslı malzemelerden yapılmaktadır. Bu nedenle Al köpük malzemeler maliyet bütçelerine katılmamaktadırlar (Türker 2009).

Yalnızca taşıtlarda aşınmaya meyilli olan bölgelerde ya da alüminyum gövdelerin içyapılarında kullanılmaktadır. Yüksek ısıl gerilmelere maruz kalan elemanlarda kompleks metalik köpük malzemeler kullanılırsa, ısıl kalkan görevi gören parçalar gibi, minimum kalınlık 8 mm nin üzerinde olması gerekir. Bu nedenle (ağırlık sorunu sebebiyle) uygun yapılar değildirler. Akustik etkisine baktığımızda, etkileyici bir miktarda düşük maliyetlere sahip çeşitli organik yalıtım malzemelerle yarışacak durumdadır. Duruma farklı bir açıdan baktığımızda, plastik tabanlı metalik köpük yapılar araba üretiminde sayısız uygulamalarda bulunabilir (Avarisli 2003).

Kendine mahsus özelliklerinden dolayı metalik köpük malzemeler darbe enerjisini absorbe edici elemanlar olarak düşünülebilir. Köpük tipine (STKT ya da eriyik tabanlı köpükler), alaşıma ve yoğunluğa bağlı olarak enerji absorbe etme davranışı belirli bir aralıkta değiştirilebilir. Bu özellik, metalik köpük yapıları

arabalarda, kamyonlarda, trenlerde ve tramvaylarda çarpışma elemanı olarak kullanabileceğimiz bir aday malzeme yapar (Feng 2002).

Đlk ve en önde gelen düşünce olarak bakıldığında, hücresel malzemelerin taşıt teknolojisinde daha fazla kullanılabilmesi için malzeme kalitesinin arttırılması gerekmektedir. Etkili bir maliyet tabanlı birleştirme metodu geliştirmek için, çelik paçalarda korozyona karşı yapılan koruma çalışmaları gibi, harcanacak çaba önemlidir. Daha ileri senelerde yapılacak çalışmalarla minimum kalınlık ve üretim maliyetleri elde edilerek polimer bazlı çalışmalarla yarışabilecek duruma gelecektir.

Otomotiv endüstrisinde, pasif güvenlik sistemleri göz önüne alındığında en önemli unsur taşıt tasarımıdır. Çok önemli olan bu özellik tasarımcıları yeni yapısal çözümlere ve malzemelere yönlendirir. Bu bağlamda Al köpük yapılar hücresel malzemelerin getirdiği olumlu özellikleri de bir araya katarak yeni bir malzeme sınıfı oluştururlar.

Günümüzün taşıtları deforme olabilen ve enerji absorbe edebilen parçalarla üretilmektedir. Bu parçalar yolcu kabininin korunması için çarpışma enerjisini absorbe ederler. Düşük hızlardaki (3-5 km/saat) çarpışmalar düşünüldüğünde, klasik üretim sonucunda elde edilmiş yapılar yeterlidir.

Bu hız değerleri asıldığında taşıt karoseri plastik deformasyona uğrar. Karoseri ile tampon arasına koyulacak, darbe ve çarpışma enerjisini emici, parçalar hız sınırını 15 km/saat civarlarına çeker. Bir insan yürüyüşünün ortalama 6 km/saat olduğu düşünüldüğünde asıl dikkat edilecek parametre, yolcu güvenliği değil, taşıtın ucuz ve kolay tamir edilebilmesidir. Bu noktada köpük yapılar olumlu mekanik özellikleri sayesinde devreye girerler.

Metalik köpük malzemelerin yakın gelecekte güncel hayatımıza gireceği ve hatta çok daha geliştirilerek savunma sanayisinde kullanılacağı kesindir. Yapılan araştırmalar ve bunların sonucunda elde edilen sonuçlar geleceğe ışık tutmaktadır (Fuganti 2002).

3.2. Elastomerik Darbe Emiciler

Kauçuklar çapraz bağlanmamış ama çapraz bağlanabilme özelliğine sahip, yani vulkanize olabilen polimerlerdir. Yüksek sıcaklıkta ve deforme edici kuvvetlerin etkisi altında koyu sıvımsı akış özelliği gösterirler. Böylece uygun

şartlarda şekillendirilebilirler. Lastik kavramı, yukarıda tarifi yapılan elastomer kavramı ile eş anlamlıdır.

Yay ve lastik tamponlar yastıklama maksadıyla dar bir kapsamda da olsa kullanılabilmektedir. Bu tür ürünlerin kullanımındaki en büyük sıkıntı, aşırı esneme etkisi yapmalarıdır. Lastik tamponlarda oluşan yaylanma etkisi yaylara göre çok daha az seviyededir. Ancak tamponların etkin yastıklama mesafesi daha kısa olduğu için mekanik darbeler ortaya çıkabilir.

Kauçuğu iki yoldan elde ederiz: tabiattan ve suni olarak. Tabi kauçuk, çoğunluğu Asya’da olmak üzere Amerika ve Afrika kıtalarındaki ağaçlardan elde edilir. Suni kauçuk ise petrol ve diğer minerallerden sentezlenir.

Kauçuğun çok geniş bir kullanım alanı vardır. Yarı mamulden nihai ürüne kadar, ev yaşantısından, endüstrinin çeşitli alanlarına kadar çeşitlilik gösterir. Araç lastiği sektörü en çok kauçuk tüketen sektördür. 2005 yılı kauçuk tüketiminin % 56 sı lastik sektörü tarafından gerçekleştirilmiştir.

Kauçuğun yoğun biçimde kullanıldığı diğer ürünlerden bazıları şöyledir: konveyör bant, kayışlar, hortum, conta, ayakkabı tabanı ve körük. Tıbbi ve endüstriyel eldivenler de kauçuk ürünleridir. Ayrıca kauçuktan çeşitli yapıştırıcı türleri de üretilmektedir.

Plastik ve Kauçuklar, Polimer (makro moleküller) adıyla tanımlanan bir bileşik sınıfına girerler. Polimerler, Monomer adı verilen küçük moleküllerin kovalent bağlarla birbirlerine bağlanarak oluşturdukları çok büyük moleküllerdir.

Monomer: CH2=CH-CH=CH2; bütadien (gaz) Polimer: ( CH2-CH=CH-CH2 )n; elastomer (katı)

Polimer Zinciri: Çok sayıda monomer molekülünün birbirine bağlanarak oluşturduğu büyük moleküller zincir olarak tabir edilir. Atomların tipine bağlı olarak polimer zincirinin belli bir hareket kabiliyeti vardır. Polimer molekülü meydana getirmek üzere kullanılan monomerlerin iki veya daha fazla fonksiyona sahip olmaları gerekir (www.kaucukdernegi.org.tr).

3.2.1. Elastomerler

Elastomerler, çok fazla uzatılabilirler sonra, elastik olarak yay gibi gerilerek orijinal uzunluklarına geri dönerler. Bu davranış lastikte çok bariz bir şekilde vardır. Bir polimerin elastomer yapı olması için bazı kriterlerin olması gerekir

Şekil 3.5 te öncesinde bu yapı kristalleşmeye karşı direnir. Elastomerler amorf yapıdadırlar. Sonrasında ise nispeten serbest zincir dönmeleri gözlenir. Üzerlerinde gerilme olmayan elastomerler sarılı, kıvrıklı vaziyette iken, üzerlerine gerilme uygulanmış elastomerler deformasyon esnasında uzamış vaziyettedirler.

Kauçuk olarak tanımladığımız elastomerler, polimerlerin seyrek çapraz bağlanması ile oluşan ağ yapısı halidir. Polimerin elastomer olması için; yüksek molekül ağırlığına, zincirler arası düşük kuvvete, gelişigüzel zincir yapısına ve çapraz bağlanabilme özelliğine sahip olması gerekir (Ay 1992).

Şekil 3.5 Kauçuk darbe emicinin iç yapısındaki elastomerler

Elastomerlerde, vulkanizasyon oluşumunda olduğu gibi bir miktar çapraz bağlanma, plastik deformasyona karşı direnci artırır. Sıcaklık, camsı dönüşüm sıcaklığı (Tg) nın üzerindedir. (Tg) camsı dönüşüm sıcaklığının altındaki elastomerler gevrekleşir (Şekil 3.6) (Ay 1992).

Şekil 3.6 Kauçuktan imal edilmiş esnek darbe emici

3.2.2. Vulkanizasyon

Çapraz bağlanma, elastomerik davranışın gerekli şartlarından birisidir. Bu çapraz bağlantı, yüksek sıcaklıklarda genellikle de “S” bileşiklerin katkısıyla kimyasal yolla elde edilen ve de tekrarlanabilen bir işlemdir. “S” atomları çift bağlı “C” atomları ile köprü şeklinde çapraz bağlantı yaparlar (Şekil 3.6) (Ay 1992).

Şekil 3.6 Vulkanizasyonun kimyasal denklemi

Vulkanize olmamış lastik yüksek çevre sıcaklıklarında yumuşamadan, düşük çevre sıcaklıklarında sertleşmeden zarar görür. Bu problemin üstesinden gelmek için çok çeşitli kimyasal işlemler denenmiştir. 1839 yılında Charles Goodyear kazara

“S” kaplı lastiği ısıtma ile vulkonizasyon olayını keşfetti. Isıtma ve soğutma durumunda lastiğin özelliğinin sabit kaldığını gördü. Çünkü lastik vulkanizasyon ile çapraz bağlantı yapmaktaydı. Elastomer malzemeler termoset polimerdir. ε, σçek ve oksitlenmeye karşı direnç vulkanizasyonla artar. ε, özellikle çapraz bağlanmanın büyüklüğü ile orantılıdır. Aşırı çapraz bağlantı uzamayı azaltır (Şekil 3.7) (Ay 1992).

Şekil 3.7 Vulkanizasyonun gerilme - şekil değiştirme diyagramı üzerindeki etkisi

3.2.3. Viskoelastiklik

Plastiklerin en belirgin özelliği aynı anda hem elastik hem de viskoz (sıvı) anlamına gelen viskoelastik davranış göstermeleridir. Yani yük altındaki plastikte zamanla uzama meydana gelir. Uzamayı sabit kabul edersek zaman içersinde gerilmede azalma oluşur. Bu yüzden plastikler metallerden farklı davranış sergilerler. Bu da sürünme ve gevşeme şeklinde kendini göstermektedir.

Sürünmenin tarifinden sabit bir gerilme altında malzeme sürekli şekil değiştirir. Gevşeme ise; sabit şekil değiştirme miktarında iken gerilmenin sürekli azalmasıdır.

Plastik malzemelerin bu davranışı matematik model ile açıklanabilir. Bu konu ile ilgili esas itibariyle iki model mevcuttur. Bunlar Maxwell Modeli ve Voight - Kelvin Modelidir. Fakat bir üçüncüsü de bu iki modelin karışımı olan karma model vardır (Ay 1992).

3.2.3.1. Maxwell Modeli

Bu model Şekil 3.8 de görüldüğü gibi seri bağlı bir yay ve bir sönümleyiciden (dash-pot) meydana gelir.

Yay için; σ1 ,ε1, E

Sönümleyici için; σ2 , ε2, η değerleri verilirse;

Yay için çekme gerilmesi ve kayma gerilmesi

σ = E . ε (3.1)

τ = G . γ (3.2)

Sönümleyici için çekme gerilmesi ve kayma gerilmesi

σ = η . ε (3.3) τ = µ . γ (3.4) formülleri ile ifade edilir.

Şekil 3.8 Maxwell modeli

Alan sabit kabul edilirse; kuvvet uygulandığında yay ve sönümleyici seri bağlı olduğundan doğan gerilme:

σ = σ1 = σ2 (3.5)

E . ε1 = η . ε2 (3.6)

σ1 ,ε1, E

σ2 , ε2, η

uygulanan yük sonucu yay hemen şekil değiştirip ε1 kadar şekil değiştirirken sönümleyici (dash-pot) zamana bağlı şekil değiştirir.

σ= η . (dε / dt) (3.7)

bu uygulanan kuvvet sonucu oluşan deformasyonun hem yay hem sönümleyicide (dash-pot) toplam şekil değiştirme miktarı:

ε = ε1 + ε2 (3.8)

olur. Bu denklemlerden hareketle önce sürünme için nasıl bir şekil değiştirme olur belirtelim. ε = ε1 + ε2 dε / dt = dε1 / dt + dε2 / dt dε / dt = 1/E . dσ1 / dt + σ / η dε = 1 / E . dσ1 / dt . dt + σ / η . dt dε = 1 / E . dσ1 + σ / η . dt ε = σ / E + σ / η . t

Bu denklemin karşılığı olan eğri Şekil 3.9 da ki gibidir.

Bu model de gerilim gevşemesi nasıl olacak onu belirtelim. Gerilim gevşemesinde kural şekil değiştirme sabit iken gerilmenin azalmasıydı.

εt = sabit dε / dt = 0

0 = 1 / E . dσ1 / dt + σ / η t= 0 başlangıcında durum

σ = σ0 uygulanan gerilme σ0 olsun; dσ / dt = - (σ0 / η) / E olur.

dσ = - (σ0 / η) / E . dt integrali alınırsa; σ(t) = σ0 . e - ( E/ η ) t şeklinde olur.

Bu model gerilim gevşeme davranışını açıklama bakımından yeterli fakat sürünmeyi, şekil değiştirmeyi açıklama bakımından yetersizdir (Ay 1992).

Şeikil 3.9 Maxwell uzama eğrisi

3.2.3.2. Voight - Kelvin Modeli

Bu model Şekil 3.10 da görüldüğü gibi paralel bağlı bir yay ve bir sönümleyiciden (dash-pot) meydana gelir. Aynı anda bir kuvvet uygulanırsa uygulanan kuvvet sonucu doğan gerilme:

σ = σ1 + σ2 (3.9)

Deformasyon sonucu meydana gelen şekil değiştirme

ε = ε1 = ε2 (3.10)

olur. Bu bilgiler ışığında doğan gerilmeyi yazarsak ve deformasyon sonucu şekil değiştirmeler eşit olduğu için;

σ = E. ε1 + η .ε2 → σ = E. ε + η .ε

Şekil 3.10 Voight - Kelvin modeli σ1 ,ε1, E

σ2 , ε2, η

Sabit bir gerilme (σ0) altında sürünmeyi incelersek; Gerilme formülünü yeniden yazar ve (ε) nu çekersek;

σ0 = E . ε + η . (dε / dt) σ0 / η = (E . ε ) / η + (dε / dt) 0 = (E . ε ) / η - σ0 / η + (dε / dt) - (dε / dt) = (E . ε ) / η - σ0 / η (dε / dt) = σ0 / η - (E . ε ) / η dε = [σ0 / η - (E . ε ) / η ] dt integrali alınırsa; ε(t) = σ0 / E [1 - e -(E / η) t ] olur.

Bu denklemin karşılığı olan eğri Şekil 3.11 de ki gibidir. Denklemdeki E / η gecikme zamanını ifade eder. Sisteme σ0 gerilmesi uygulandığında (ε) ani değil de (E / η) kadar bir gecikme ile olacak ve ancak t = ∞ olduğunda σ0 = E . ε olacaktır. Bu sonuç ise malzemenin davranışını yansıtmaz.

Bu model gerilim gevşemesini izah edemez. Zira sabit şekil değiştirme de dε / dt = 0 ise formül gereği;

σ0 = E. ε + η .(dε / dt) σ0 = E . ε + 0

gerilme sabit kalır. Oysa gerilmenin zamanla düşmesi gerekirdi. Bu sonuç ta gerçeğe uymuyor (Ay 1992).

3.2.3.3. Burger Modeli (Karma Model)

Bu model Şekil 3.12 de görüldüğü gibi diğer iki modelin birleşik halidir. Denklemi de aşağıdaki gibidir.

ε(t) = σ0 / E + σ0 / η + σ0 / E (1- e - ( E / η) t ) (I) (II) (III)

(I) : Hook özelliği - ealstiklik ifade eder. (II) : Newtonun viskoz davranışı ifade edilir.

(III) : Yük kalktıktan sonra elastik hale geçiş ifade edilmektedir.

Elastiklik plastik malzemenin fiziksel bağ kuvvetleri ile alakalıdır. Viskozluk moleküllerin kayması ile alakalıdır. Çapraz bağlanma bu değeri azaltır. Plastiğin geciken elastik tepkisi ise molekül zincirlerinin keyfi oluşumu sebebiyledir.

Görüldüğü gibi plastik malzemeler tek bir zincirden değil, birbirine bağlı birçok zincir ve alt zincirlerden meydana gelmektedir. Üstelik bu zincirler eşit şekil değiştirmemektedirler. Bu nedenle yukarıda açıklanan modeller plastik malzemenin davranışı hakkında sadece fikir verebilirler. Plastiklerin viskoelastik davranışını moleküler seviyede tam olarak ifade edemezler.

Pek çok polimer, sabit yük altında zamana bağlı olarak deformasyona karşı hassastır ve oda sıcaklığında bile orta seviyedeki gerilmelerde yani σak dan daha düşük gerilmelerde viskoelastik sürünme önemli olabilir.

Sürünme test sonuçları zamana bağlı sürünme modülü ile tarif edilir.

Ec (t) = σak / ε(t) (3.12)

4. KOMPOZĐT MALZEMELER

Kompozit malzeme, fiziksel olarak birbirinden farklı ve mekanik olarak birbirinden ayrılabilen iki veya daha fazla bileşenden meydana gelir. Birbirinden farklı bu iki bileşen matris malzeme ve matris içinde dağıtılmış olan takviye malzemesidir. Bu bileşenler birbiri içinde çözünmezler. Birleşme genellikle fizikseldir. Yüksek mukavemet ve rijitliğe sahip elyafla, kimyasal dirençli plastik matris malzemeden üretilen kompozitin mukavemet ve rijitliği elyafa, kimyasal direnci ise plastiğe yakın olur.

4.1. Kompozit Malzemelerin Tanımı

Birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek amacı ile bir araya getirilmiş değişik tür malzemelerden veya fazlardan oluşan malzeme sistemine kompozit malzeme denir. Đki malzeme, orijinal malzemelerde elde edilemeyen bir özellik kombinasyonu elde etmek için birleştirildiğinde kompozitler üretilir. Kompozit malzemeler alışılmışın dışındaki rijitlik, mukavemet, ağırlık yüksek sıcaklık performansı, korozyon direnci, sertlik ve iletkenlikten oluşan kombinasyonları elde etmek için seçilebilmektedir (Erdoğan 1999).

Kompozit malzeme makroskobik olarak birbirinden ayrı iki ya da daha fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile imal edilen malzeme türüdür. Metal, seramik ve plastik olarak bilinen malzeme tiplerinin üç ya da ikisinin makro ya da nano boyutta karışım oluşturarak yeni bir doku oluşturmasıyla meydana gelir. Ortaya çıkan malzeme; çoğu zaman kendisini meydana getiren malzemelerden mukavemet, tokluk, elastisite gibi özellikleriyle daha nitelikli hale gelebilir. Basit anlamda betonarme bir yapıdaki kolon, bünyesinde bulundurduğu metal olan demir ve seramik olan beton ile bir kompozit malzeme örneği olabilir. Zira bu çok basit bir örnektir ve bir kolon kompozit malzemeyi tam anlamı ile temsil edemez.

Kompozit malzemelerde çekirdek olarak kullanılan bir fiber malzeme ve bu malzemenin çevresinde hacimsel olarak çoğunluğu oluşturan bir matris malzeme bulunur. Bu iki malzeme grubundan fiber malzeme, kompozit malzemenin

mukavemet ve yük taşıma özelliğini sağlamaktadır. Matris malzeme ise plastik deformasyona geçişte oluşabilecek çatlak ilerlemelerini önleyici rol oynamakta ve kompozit malzemenin kopmasını geciktirmektedir. Matris olarak kullanılan malzemenin bir amacı da fiber malzemeleri yük altında bir arada tutabilmek ve yükü, lifler arasında homojen olarak dağıtmaktır. Böylelikle fiber malzemelerde plastik deformasyon gerçekleştiğinde ortaya çıkacak çatlak ilerlemesi olayının önüne geçilmiş olunur.

(a) (b) (c)

Şekil 4.1 Kompozit malzemelerde yapı türleri

Kompozitlere donatılı veya pekiştirilmiş malzemelerde denir. Pekiştirici bileşenin türüne ve düzenlenme biçimine göre üç gruba ayrılabilirler;

1. Taneli kompozitler (Şekil 4.1.a). 2. Lifli kompozitler (Şekil 4.1.b). 3. Tabakalı kompozitler (Şekil 4.1.c).

Lifli ve tabakalı kompozitlerin sağladığı özelliklerdeki artış, tanelilere göre daha yüksektir. Taneli kompozitler için en önemli örnek betondur. Sert tanelilerin sünek bir bağlayıcı madde ile birleştirilip aglomera haline getirilen kompozitlere diğer bir örnek asfalt yol kaplamalarıdır. Asfalt viskoz ve düşük mukavemetlidir. Taş ise sert ve gevrektir, kütle halinde fazla şekil değiştirmeden, çatlayarak kolayca kırılabilir. Halbuki değişik boyutlu kırma taş ile asfaltın karışımından oluşan yol kaplama malzemesi hem sünek hem de yeteri kadar mukavemetlidir.

Bu malzemelerin ortaya çıkışı insanların ihtiyaçları doğrultusunda gelişmektedir. Đnsanoğlu günümüze kadar tabiattaki kompozit malzemelerden

istifade etmiş, bunları daha da geliştirerek günümüz malzeme biliminin önemli konularından olan kompozit malzemelere çalışmaları yönlendirmiştir. Yirminci yüzyılın yarısından sonrası Kompozit Çağı olarak tanımlanmaktadır (Ralph 1997).

Son elli yılda kompozit malzemelerde kayda değer gelişmeler olmuştur, iki veya daha fazla malzeme karıştırılarak özelliklerinin geliştirilmesi başarılmıştır. Evlerin yapımında halen yaygın olarak kullanılan çamur ve saman karışımı, seramik esaslı kompozitlere temel olmuştur. Bu malzemede kompozitin ısıl yalıtım, tokluğu ve dayanımı sınırlı oranda katılan saman ile geliştirmiştir. Bu şekilde sadece yapının özelliklerini değil, mukavemet, ısı yalıtımı gibi özelliklerini de artırılmıştır (Ralph 1997).

Kompozit malzemelerin özellikleri, içerisindeki katkı maddeleri aracılığı ile geliştirilirler. Bu özellikler şunlardır;

• Mukavemet • Rijitlik • Korozyon direnci • Yırtılma direnci • Estetik • Hafiflik • Termal yalıtım • Akustik yalıtım

Bütün bu olumlu özelliklerin dışında kompozit malzemelerin uygun olmayan yanları da şu şekilde sıralanabilir:

• Kompozit malzemelerdeki hava zerrecikleri malzemenin yorulma

özelliklerini olumsuz etkilemektedir.

• Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik mekanik özellikler gösterirler.

• Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme ve eğilme mukavemet değerleri farklılıklar gösterir.

• Kompozit malzemelerin delik delme, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez.

Kompozit malzemelerde yukarıda sayılan olumlu özelliklerin hepsi aynı anda iyileşmez ve zaten buna gerek de yoktur. Ancak hangi özelliklerin iyileştirilmesi isteniyorsa kompozit malzeme o sahaya uygun şekilde imal edilir. Bileşenlerinin özellikleri bilinen bir kompozit malzemenin bazı özellikleri hesaplanarak bulunabilir (yoğunluk, elastik özellikler vb.). Bazı özellikleri için ise hesaplama tamamen mümkün değildir (yorulma dayanımı, tokluk vb.). Kompozit malzemeler, mukavemet, katılık ve hafiflikleri nedeniyle ağır metallerin yerini almaktadır. Bugün, uçaklar, uzay araçları, denizaltı araçları ve malzeme özellikleri kritik olan birçok makine elemanı kompozit malzemelerden üretilmektedir.

4.2. Kompozit Teknolojisinin Gelişimi

Kompozit malzemelerin bilinen en eski ve en geniş kullanım alanı inşaat sektörüdür. Saman ile liflendirilmiş çamurdan yapılan duvarlar ilk kompozit malzeme örneklerindendir. Bugün taş, kum, kireç, demir ve çimento ile oluşturulan kompozit malzeme evlerimizi oluşturmaktadır. Kompozit malzemeye en güncel örneklerden biri de kağıttır. Selüloz ve reçineden oluşan kağıt, günümüzde yaşamımızın her alanında eşsiz bir kullanım aracı olarak insanlığın hizmetine sunulmuştur. Günümüzde kompozit malzemelerin kullanım alanı çok geniş boyutlara ulaşmıştır.

Kompozit malzemeler, üreticinin çok sayıda standart ürünü kısa zamanda imal edebilmesi, montajdan tasarruf ve ucuz maliyet imkânları, kullanıcıya da yüksek yalıtım kapasitesi, hafiflik ve yüksek mekanik dayanım avantajlarından dolayı şehircilikte kullanılmaktadır. Montaj kolaylığı, elektriksel etkilerden korunum ve hafiflik gibi avantajlarından dolayı ev aletlerinde, başta elektriksel yalıtım olmak üzere her tür elektrik ve elektronik malzemenin yapımında kullanılmaktadır. Daha hafif malzemeyle atmosfer şartlarına dayanım ve yüksek mukavemet sağlaması sebebiyle havacılık sanayinde otomotiv sanayinde, iş makinelerinde; tasarımın esnek ve kolay olması, nakliye ve montajda büyük avantajlar sağlaması, yalıtım probleminin çözülmesi ve bakım giderlerinin azalması sebebiyle inşaat sektöründe ve tarım sektöründe geniş kullanım alanına sahiptir.

4.3. Kompozit Türleri ve Sınıflandırılması

4.3.1. Yapılarını Oluşturan Malzemelere Göre Kompozitler 4.3.1.1. Plastik - Plastik Kompozitler

Fiber olarak kullanılan plastik, yük taşıyıcı bir özelliğe sahip iken, matris olarak kullanılan plastik, esneklik verici, darbe emici ya da istenen amaca göre kullanılan plastiğin özelliğine sahip olmaktadır. Kullanılabilecek plastik türleri de iki sınıfta incelenebilir:

a) Termoplastikler: Bu tür plastikler, ısıtıldıklarında yumuşar ve şekillendirildikten sonra soğutulduğunda sertleşir. Bu işlem sırasında plastiğin mikro yapısında herhangi bir değişiklik söz konusu değildir. Genellikle 5-50 ºC arasındaki sıcaklıklarda kullanılabilirler. Bu gruba giren plastik olarak; naylon, polietilen, karbon florür, akrilikler, selülozikler, viniller sayılabilir.

b) Termoset Plastikler: Bu tip plastiklerde ise ısıtılıp şekillendirildikten sonra soğutulduklarında artık mikro yapıda oluşan değişim nedeniyle eski yapıya dönüşüm mümkün olmamaktadır. Bu gruba giren belli başlı plastikler ise; polyesterler, epoksiler, alkitler, aminler olarak verilebilir.

Liflerle pekiştirilmiş polimer kompozitler endüstride çok geniş kullanma alanına sahiptirler. Pekiştirici olarak cam, karbon, kevlar ve boron lifleri kullanılır. Çizelge 4.1 de bu liflerin özellikleri verilmiştir. Kevlar lifleri aromatik poliyamid polimerlerinden üretilir. Liflerin çapları yaklaşık 0,1 mm civarındadır. Kalınlıkları arttıkça kusur oluşma olasılığı nedeni ile mukavemetleri çok azalır. Bu lifler uygun bir bağlayıcı malzeme ile istenilen boyutta taşıyıcı kütleye dönüştürülürler (Onaran 1993).

Çizelge 4.1 Bazı takviye elamanlarının özellikleri (Onaran 1993). Malzeme Özgül Ağırlık [gr/cm3] Çekme Muk. [MPa] Elastisite Modülü [MPa] Cam Lifi 2,54 2410 70000 Karbon Lifi 1,75 3100 22000 Kevlar Lifi 1,46 3600 124000 Boron Lifi 2,36 3110 360000

Çizelge 4.1 de görüldüğü gibi karbon, kevlar ve boron liflerinin cam liflerine göre mukavemetleri ve elastisite modülleri daha yüksektir, ancak fiyatları cam lifinin yaklaşık 10-15 katı kadardır.

Polimer kompozitlerde kullanılan en önemli bağlayıcı malzeme polyester ve epoksidir. Lifler yönlenmiş veya rastgele dağılmış olabilir. Yönlenmiş lifler doğrultusunda mukavemet doğal olarak yanal doğrultudan çok daha büyük olur. Pekiştirici liflerin miktarı arttıkça kompozitin mukavemeti yükselir. Yönlenmiş çiftlerde bu miktar hacimce % 80 e kadar çıkabilir, rastgele yönlenmişlerde % 40-50 arasında kalır. Polimer kompozitlerin en önemli özellikleri yüksek özgül mukavemet ve özgül elastisite modülüdür, dolayısıyla diğer malzemelere bu yönden üstün durumdadır (Onaran 1993).

4.3.1.2. Seramik Matrisli Kompozit (SMK)

Metal veya metal olmayan malzemelerin birleşimlerinden oluşan seramik matrisli kompozitler (SMK), yüksek sıcaklıklara karşı çok iyi dayanım göstermekle birlikte, rijit ve gevrek bir yapıya sahiptirler. Ayrıca elektriksel olarak çok iyi bir yalıtkanlık özelliği de gösterirler.

Beton ve kurutulmuş çamur, seramik matrisli kompozitlerin ticari olarak tanınmasında esastır. Seramikler doğada kaya ve taşların dış etkilerle parçalanması sonucu oluşan kaolin, kil vb. maddelerin yüksek sıcaklıklarda pişirilmesi ile elde edilirler. Bunlar farklı şekillerde silikatlar, alüminatlar, ile birlikte metal oksitlerinden oluşur ve endüstriyel seramikler olarak bilinirler. Đyonik veya iyonik + kovalent bağa sahip oldukları için çok sert, gevrek ve yüksek sıcaklıklara dayanıklıdırlar. Bu malzemelerde kayma direnci yüksek olup, plastik şekil verme olmaksızın gevrek kırılırlar. Sert oldukları için A2O3 ve SiC aşındırıcı malzeme olarak kullanılırlar. Bunlara ilave olarak Si3N4 de yaygın olarak kullanılır. Bunlarla seramik matrisli kompozit üretildiğinde, 1200 °C gibi yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılabilir (Akbulut 1993).

4.3.1.3. Metal Matrisli Kompozitler (MMK)

Metallerin ve metal alaşımlarının birçoğu, yüksek sıcaklıkta bazı özellikleri sağlamalarına rağmen kırılgan olmaktadırlar. Fakat metalik fiberler ile takviye

edilmiş metal matrisli kompozitler, her iki fazın uyumlu çalışması ile yüksek sıcaklıkta da yüksek mukavemet özelliklerini vermektedirler. Bakır ve Alüminyum matrisli Volfram veya Molibden fiberli kompozitler ve Al - Cu kompoziti, bize bu kompozisyonu veren en iyi örneklerdir. Bu tip kompozitler, matrisin özelliklerini iyileştirdiği gibi bu özelliklere daha ekonomik olarak ulaşmasını sağlamaktadır. Bu metallerde metal matris içine gömülen ikinci faz, sürekli lifler şeklinde olabildiği gibi, gelişigüzel olarak dağıtılmış küçük parçalar halinde de olabilmektedirler.

Endüstride en çok kullanılan bir tür metal olan metal fiber takviyeli plastikten oluşan kompozitler oldukça mukavemetli ve hafif bir ürün olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu kompozitler, metal fiberlerin (bakır, bronz, alüminyum, çelik) polietilen ve polipropilen plastiklerini takviyelendirilmesi amacıyla elde edilmesinde kullanılmaktadır. Özellikle deformasyon yönünden takviyelendirilme yaygın olarak kullanılmakta ve iyi bir verim alınmaktadır.

Metal matrisli kompozitler (MMK), matris metal esaslı olmak üzere, iki veya daha fazla malzeme kombinasyonu ile elde edilen mühendislik malzemeleridir. Metal matrisli kompozit malzemelerin geliştirilmesinin amacı fiziksel, mekaniksel ve kimyasal özelliklerden birinin veya bir kaçının geliştirilmesine yöneliktir. Ticari malzemeler ile dayanım, süneklik, genleşme oranı ve yoğunluk gibi kombinasyonların birlikte başarıyla sağlanması sınırlıdır. MMK malzemeler sürekli fiber ve parçacıklar ile takviye edildiklerinde bu kombinasyonların bir sonucu olarak, çok özel yüksek dayanım ve modül elde edilebilmektedir. MMK lar yüksek elastik modülü, çekme-basma dayanımı, kayma mukavemeti ve servis sıcaklığının yanı sıra, metallerin sünekliği ve tokluğu ile, seramiklerin yüksek mukavemeti ve yüksek elastik modül özelliklerinden dolayı son derece önemli mühendislik malzemeleridir (Akbulut 1993).

Kompozit malzemeleri, yapılarını oluşturan malzemeler ve yapı bileşenlerinin şekillerine göre iki şekilde sınıflandırmak mümkündür. Yapı bileşenlerinin şekillerine göre parçacık esaslı kompozitler, lamel esaslı, fiber esaslı kompozitler, dolgulu (kafes) kompozitler, tabaka yapılı kompozitler v.b bir gruplandırma yapılabildiği gibi, matris malzemesinin türüne göre de plastik kompozitler, metalik kompozitler, seramik kompozitler şeklinde sınıflandırılır.

4.3.1.4. Plastik - Cam Elyaflı Kompozitler

Bu tür Đsteğe göre termoplastikler veya termoset plastikten oluşan matris ve cam liflerinin uygun kompozisyonlarında üretilmektedir. Mekanik ve fiziksel özellikleri nedeniyle cam lifler birçok durumda metal, asbest, sentetik elyaf ve pamuk ipliği gibi liflere tercih edilebilirler. Ancak cam elyaflı kompozitler, büyük kuvvetleri iletmelerine rağmen camın kırılgan olmasından dolayı çok küçük dirençlidirler. Bu tür malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri, kullanılan plastik reçineler uygun seçilerek, arzu edilen şekle sokulabilir. Plastik reçineler de daha önce belirtildiği gibi termoplastik ve termoset türünde olmaktadır. Termoset plastikler, fiberlerin de düzgün oryantasyonu ile yüksek mukavemete ulaşabilirler. Cam elyaf takviyeleri ile en çok kullanılan plastik reçineler, polyesterlerdir.

4.3.1.5. Plastik - Köpük Kompozitler

Bu tür kompozitlerde plastik, fiber olarak görev yapmakta, köpük ise matris konumunda olmaktadır. Köpükler, hücreli yapıya sahip, düşük yoğunlukta, gözenekli ve doğal halde bulunduğu gibi, büyük bir kısmı sentetik olarak imal edilmiş hafif maddelerdir. Köpük hücre yapısına göre sert, kırılgan, yumuşak ya da elastik olabilmektedir.

4.3.2. Yapı Bileşenlerinin Şekillerine Göre Kompozitler 4.3.2.1. Partikül Esaslı Kompozitler

Rijitlik ve mukavemette artış sağlayan küçük granül dolgu maddesi ilavesi ile şekillendirilirler. Partikül kompozitler, bir veya iki boyutlu makroskobik parçacıkların veya sıfır boyutlu olarak kabul edilen çok küçük mikroskobik parçacıkların matris fazı ile oluşturdukları malzemelerdir. Makroskobik veya mikroskobik boyutlu parçacıklar kompozit malzeme özelliklerini farklı şekilde etkilerler. Partikül takviyeli kompozitleri fiber ve pul kompozitlerden ayırt eden karakteristik özellikleri, parçacıkların matris içinde tamamen rastgele dağılması ve bu nedenle malzemenin izotropik özellik göstermemesidir. Partikül esaslı kompozitlerin maliyeti düşük ve rijitliği de oldukça iyidir.

4.3.2.2. Lamel Esaslı Kompozitler

Yüksek yük taşıma kabiliyeti olan büyük uzunluk / çap oranında dolgu maddesi ilave edilerek üretilir. Matris içinde yer alan pulların konsantrasyonu düşük olabileceği gibi birbiri ile temas etmelerini sağlayacak derecede yüksek değerlerde olabilir. Pul esaslı sistemin maliyeti biraz daha fazla, ancak mukavemet özellikleri iyidir.

4.3.2.3. Fiber Esaslı Kompozitler

Birçok özelliklerde artış sağlayan, yüksek etkinliği olan liflerin ilavesiyle elde edilir. Mühendislikte kullanılan malzemelerin pek çoğu fiber şeklinde üretildiklerinde mukavemet ve rijitlikleri kütle hallerindeki değerlerinden çok üstünde olabilmektedirler. Örneğin karbon fiberlerin çekme mukavemeti kütle halindeki grafitten elli kat, rijitliği ise 3 kat daha yüksektir. Fiberlerin bu özelliğinin fark edilmesi ile fiber kompozitlerin üretilmesi süreci başlamıştır. Günümüzdeki düşük performanslı ev eşyalarından roket motorlarına değin kullanım alanı bulan malzemeler olmuşlardır. Fiberler, yapı içerisinde kesintisiz uzayan sürekli fiberler veya uzun fiberlerin kesilmesiyle elde edilen süreksiz fiberler veya elyaflar şeklinde olabilirler. Fiber matris kompozitlerinin mühendislik performansını etkileyen en önemli faktörler; fiberlerin şekli, uzunluğu, yönlenmesi, matrisin mekanik özellikleri ve fiber-matris ara yüzey özellikleridir. Fiberler dairesel olduğu gibi nadiren dikdörtgen, hekzagonal, poligonal ve içi boş dairesel kesitli olabilir. Bu kesitlerin bazı artı özellikleri olmakla birlikte (paketleme, yüksek mukavemet v.s) dairesel kesitler maliyeti ve kullanım kolaylığı ile üstünlük sağlar. Sürekli fiberlerle çalışmak genelde daha kolay olmakla beraber tasarım serbestliği süreksizlere göre çok daha sınırlıdır. Sürekli fiberler süreksizlerden daha iyi yönlenme göstermelerine karşılık, süreksiz fiberlerin kullanılması daha pratik sonuçlar vermektedir (Kara 2007).

4.3.2.4. Dolgu Kompozitler

Üç boyutlu sürekli bir matris malzemesinin yine üç boyutlu dolgu maddesi ile doldurulması ile oluşan malzemelerdir. Matris çeşitli geometrik şekillere sahip bir iskelet veya şebeke yapısındadır. Düzgün petekler, hücreler veya süngere benzeyen

gözenekli yapılar arasında metalik, organik veya seramik esaslı dolgu maddeleri yer alabilir. Optimum özelliklere sahip kompozitlerin üretimi için birbiri içinde çözünmeyen, kimyasal reaksiyon vermeyen bileşenlerin seçilmesi gerekir.

4.3.2.5. Tabaka Yapılı Kompozitler

Farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın kombinasyonundan oluşur. Çok değişik kombinasyonlarla tabakalanmış kompozitlerin üretimi mümkündür. Korozyon direnci zayıf metaller üzerine, daha yüksek dirençli metallerin veya plastiklerin kaplanmasıyla korozyon özelliğinin, yumuşak malzemelerin sert malzemelerle birleştirilmesiyle sertlik ve aşınma direncinin, farklı fiber yönlenmesine sahip tek tabakaların birleştirilmesiyle çok yönlü yük taşıma özelliğinin geliştirilmesi mümkün olmuştur (Đçten 2005).