kompozit malzemeler ders notu
advertisement
SAKARYA MESLEK YÜKSEKOKULU MAKİNA VE METAL TEKNOLOJİLERİ BÖLÜMÜ METALURJİ PROGRAMI KOMPOZİT MALZEMELER DERS NOTU Doç. Dr. Adem ONAT Sakarya 2015 GİRİŞ 20. yüzyılın ikinci yarısından itibaren tekniğin hızla gelişmesi, beraberinde sanayinin temel girdisi olan malzeme ve malzeme biliminde de gelişmelerin hızlanmasını sağlamıştır. Fakat yeryüzünde ana malzemelerin sınırlı olmasından dolayı, malzemeler ve bu malzemelerin özellikleri teknolojinin gelişimine ayak uyduramamıştır. Uzay araçlarının yapımına geçilen geçen asırda, bilim adamları çağın yenilikleri ile birlikte mevcut malzemelerin özelliklerinden, bilimin gelişmesi paralelinde günün şartlarına uyacak şekilde gerek ekonomik gerekse teknik yönden daha uygun malzemeler imal etme yolunu seçmişlerdir. Dolayısıyla hem ekonomik hem daha yüksek mukavemetli ve hem de çok hafif malzemelerin oluşturulması için yapılan çalışmalar yoğunlaştırılmıştır. Böylece malzemeyi teşkil eden bileşenlerin, özellikleri farklı olan kombinasyonlarının verdikleri, kompozit malzemeler, büyük bir önem kazanmıştır. Son zamanlarda yüksek Mukavemet/Ağırlık, Rijitlik (katılık)/Ağırlık oranlarına sahip olan fiber takviyeli reçine kompozitleri, uçak ve uzay taşıtları gibi ağırlığa hassas uygulamalarda önemli kullanım sahaları bulmuşlardır. Düne kadar saçtan tahtadan yapılan tekneler, yatlar yerlerini artık polyester - cam elyaftan yapılan benzerlerine bırakıyorlar. Bakım-onarım bakımından daha avantajlı olan kompozit malzemeden yapılan tekneler aynı zamanda daha hafif, uzun ömürlü ve süratli olmaları bakımından tercih edilmektedirler. İmalat sanayisinde artık birçok parça kompozit malzemeden yapılmaktadır. 1 BÖLÜM 1. KOMPOZİT MALZEMELERİN TANIMI, GENEL ÖZELLİKLERİ VE SINIFLANDIRILMASI Kompozit malzemeler; iki ya da daha fazla malzemenin uygun özelliklerini tek malzemede toplayarak veya yeni bir özellik çıkarmak amacıyla makro düzeyde birleştirilmesi sonucu oluşturulan malzemelerdir. Bir malzemeyi kompozit olarak adlandırmak için aşağıdaki özellikleri taşımalıdır: İnsan yapısı olmalı, En az iki veya daha fazla fiziksel ve mekaniksel özelliği ayrı olan malzemelerin birleştirilmesi ve farklı ara yüzeye sahip olmalı, Herhangi bir ferdi bileşenle elde edilemeyen mekanik özelliklerin gerçekleştirilmeli Optimum özellikler elde etmek için bir malzemenin diğer malzeme içine kontrollü şekilde dağıtılmasıyla iki ayrı malzeme karıştırılarak kompozit (karma) bir malzeme oluşturulmalı, Özellikler yüksek olup kompoziti oluşturan elemanların en iyi özelliklerin bir arada toplanması gerekir Kompozit malzeme kullanılarak üretilecek olan parçalar tasarlanırken, parçanın hangi alanda kullanılacağı ve kullanıma yönelik spesifik ihtiyaçların neler olduğunun bilinmesi gereklidir. Kompozit bir parça tasarlanırken maliyet, ham malzeme özellikleri, çevre koşullarının parçaya etkisi, imalat yöntemi, kalite kontrol metotları gibi bir dizi faktör birlikte değerlendirilmelidir. Tasarımda en büyük zorluklardan birisi kompozit malzemelerin izotropik özellikler göstermemesidir. Bu yüzden tasarımcı, parçaya her yönden ne kadar yük geleceğini ve parçanın hangi noktasında ne kadar mukavemete ihtiyaç olduğunu iyi anlayıp, fiberlerin yerleşim açılarını ona göre hesaplamalıdır. Kompozit malzemelerde çekirdek olarak, bir takviye edici malzeme ve bunun çevresinde hacimsel olarak çoğunluğu oluşturan bir matris malzeme bulunmaktadır. Burada takviye edici malzeme, kompozit malzemenin mukavemet 2 ve yük taşıma özelliğini sağlamaktadır. Matris malzeme ise, plastik deformasyona geçişte oluşabilecek çatlak ilerlemelerini önler ve kompozit malzemenin kopmasını geciktirmektedir. Matris olarak kullanılan malzemenin diğer 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. Kompozit malzemelerin, parça bütünlüğü, hafiflik, yüksek mukavemet, darbe dayanımı ve uzun kullanım ömrü gibi özellikleri, geniş kullanım alanlarında avantajlar sağlamaktadır. Örneğin, cam elyafı elastik bir malzemedir. Yük altında düzgün olarak kopma noktasına kadar uzayan cam elyafı, çekme yükünün kalkması sonucunda herhangi bir akma özelliği göstermeden başlangıç boyutuna döner. Diğer metallerde ve organik liflerde bulunmayan bu elastiklik ve yüksek mukavemet özellikleri; cam elyafına büyük miktarda enerjiyi, kayıpsız olarak depolama ve bırakma olanağı sağlamaktadır. Bu özellik, dinamik yorulma dayanımı, aşınmaya karşı korunması koşulu ile otomobil, kamyon amortisör yayları ve mobilya yayları gibi ürünlerin cam elyafı takviyeli plastik malzemeden yapılabilmesini sağlamaktadır. Cam elyafı takviyeli plastiklerde, cam elyafı takviyesinin yönü önemli bir etkendir ve bu, cam elyafının reçine ile kaplanabilirliğini de etkiler. Dolayısıyla takviye miktarının artışı ile birlikte cam elyafının mukavemeti de artar. Kompozit malzemelerin bu üstün özelliklerine rağmen, yük taşıma kabiliyetinde zamanla azalma görülmektedir. Bu nedenle, tasarım yapılırken uygun bir emniyet faktörü ön görülerek, ani kırılmaların önüne geçilmesi gereklidir. Zamana bağlı olarak mukavemetin azalması, çekme dayanımının başlangıç değerinin 2/3'üne çok kısa sürede düşmesi ve 1/2'sine 50 yıl gibi bir sürede düşmesi şeklinde görülmektedir. 3 KOMPOZİT MALZEMELERİN AVANTAJ VE DEZAVANTAJLARI Kompozit malzemelerin özgül ağırlıklarının düşük oluşu, hafif yapılarda büyük avantaj sağlar. Bunun yanında fiber takviyeli kompozit malzemelerin korozyona dayanımları, ısı, ses ve elektrik yalıtımı sağlamaları da ilgili kullanım alanları için önemli bir üstünlük sağlamaktadır. Kompozit malzemelerin dezavantajlı yanlarını ortadan kaldırmaya yönelik teorik çalışmaların olumlu sonuçlanması halinde kompozit malzemeler, metalik malzemelerin yerini alabilecektir. Kompozit malzemelerin avantalarını şöyle sıralayabiliriz: a) Yüksek Mukavemet : Kompozit malzemelerin çekme ve eğilme mukavemetleri, birçok metalik malzemeye göre çok daha yüksektir. Ayrıca kaplama özelliklerinden dolayı, kompozitlere istenen yönde ve istenen bölgede gerekli mukavemet verilebilir. Böylelikle malzemeden tasarruf yapılarak, daha hafif ve ucuz ürünler elde edilebilir. b) Kolay Şekillendirme : Kompozit malzeme kullanılarak yapılan büyük ve kompleks parçalar, tek işlemle bir parça halinde kalıplanabilir. Bu da malzeme ve işçilikten kazanç sağlar. c) Elektriksel Özellikler : Uygun malzemelerin seçilmesiyle, çok üstün elektriksel özelliklere sahip kompozit ürünler elde edilebilir. d) Isıya ve Ateşe Dayanıklılık : Isı iletim katsayısı düşük malzemelerden oluşan kompozitlerin ısıya dayanıklılık özellikleri, yüksek ısı altında kullanabilmesine olanak tanımaktadır. Bazı özel katkı maddeleri ile kompozit malzemenin ısıya dayanımı arttırılabilir. 4 e) Titreşim Sönümleme : Kompozit malzemelerin sünekliği nedeniyle, doğal bir titreşim sönümleme ve şok yutabilme özelliği vardır. Bu sayede çatlak yürümesi olayı da engellenmiş olur. f) Korozyona ve Kimyasal Etkilere Karşı Dayanıklılık : Kompozit malzemeler, hava etkilerinden, korozyondan ve çoğu kimyasal etkilerden zarar görmezler. Bu özellikleri nedeniyle kompozit malzemeler, kimyevi madde tankları, boru ve aspiratörleri, tekne ve deniz araçları yapımında güvenle kullanılmaktadır. g) Kalıcı Renklendirme : Kompozit malzemelere, kalıplama esnasında reçineye ilave edilen pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir. Bu işlem ek bir masraf ve işçilik gerektirmez. Kompozit malzemeler, aşağıda belirtilecek olan dezavantajlara rağmen çelik ve alüminyuma göre birçok avantaja sahiptir. Bu nedenle kompozitler, kimyasal madde depolarında, karayolu tankerlerinde, bina cephe ve panolarında, otomobil gövde ve tamponlarında, deniz teknelerinde, komple banyo ünitelerinde, ev eşyalarında, tarım araçları gibi birçok sanayi alanında kullanılabilecek bir malzemedir. Kompozit malzemelerin dezavantajlarını şöyle sıralayabiliriz: a) Hammaddenin pahalı olması : Uçaklarda kullanılabilecek kalitede karbon m2’lik kumaşının maliyeti yaklaşık 50 $' dır. b) Lamine edilmiş kompozitlerin özellikleri her zaman ideal değildir, kalınlık yönünde düşük dayanıklılık ve katlar arası düşük kesme dayanım özelliği bulunmaktadır c) Malzemenin kalitesi üretim yöntemlerinin kalitesine bağlıdır, standartlaşmış bir kalite yoktur. d) Kompozitler gevrek malzeme olmalarından dolayı kolaylıkla zarar görürler, onarılmaları yeni problemler yaratabilir. e) Malzemelerin sınırlı raf ömürleri vardır. Bazı tür kompozitlerin soğutularak saklanmaları gerekmektedir. Sıcak kurutma gerekmektedir. Kompozitler onarılmadan 5 önce çok iyi olarak temizlenmeli ve kurutulmalıdır. Bazı durumlarda bu zor olabilir. Bazı kurutma teknikleri uzun zaman alabilmektedir KOMPOZİT MALZEMELERİN SINIFLANDIRILMASI Kompozit malzemeleri, yapılarını oluşturan malzemeler ve yapı bileşenlerinin şekillerine göre iki şekilde sınıflandırmak mümkündür. Matris malzemesinin türüne göre; Plastik Matrisli Kompozitler Metalik Matrisli Kompozitler Seramik Matrisli Kompozitler bir gruplandırma yapılabildiği gibi yapı bileşenlerinin şekillerine göre de Partikül (Parçacık) Takviyeli Kompozitler Fiber (Elyaf) Takviyeli Kompozitler Tabaka Yapılı Kompozitler (Lamine Kompozitler) Dolgu Yapılı Kompozitler şeklinde sınıflandırılabilir. YAPILARINI OLUŞTURAN MALZEMELERE GÖRE KOMPOZİT MALZEMELER 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 ayrı sınıfta incelenebilir. 6 Termoplastikler: Bu tür plastikler, ısıtıldığında yumuşar ve şekillendirildikten sonra soğutulduğunda sertleşir. Bu işlem sırasında plastiğin mikro yapısında herhangi bir değişiklik söz konusu değildir. Genellikle 5-50oC arasındaki sıcaklıklarda kullanılabilirler. Bu gruba giren plastikler şu şeklinde sıralanabilir: a) Naylon b) Polietilen c) Karbonflorür d) Akrilikler e) Selülozikler f) Viniller Termoset Plastikler: Bu tip plastiklerde ise ısıtılıp şekillendirildikten sonra soğutulduklarında artık mikro yapıda oluşan değişim nedeniyle eski yapıya dönüşüm mümkün olmamaktadır. Bu grubun belli başlı plastikleri ise şunlardır: a) Polyesterler b) Epoksiler c) Alkiter d) Aminler Plastik - Metal Fiber Kompozitler Endüstride çok kullanılan bir tür olan metal fiber takviyeli plastikten oluşan kompozitler oldukça mukavemetli ve hafif bir ürün olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu kompozitler, polietilen ve polipropilen gibi plastiklerin, Bakır, Alüminyum, bronz, çelik vs. gibi metal fiberlerle takviye edilmesiyle elde edilmekte ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Özellikle deformasyon yönünde takviye edilerek üretilen kablolar yaygın olarak kullanılmakta ve iyi bir verim alınmaktadır. 7 Plastik - Cam Elyaf Kompozitler Bu tür kompozitler isteğe göre termoplastikler veya termoset, plastikten oluşan matris ve cam liflerin uygun kompozisyonlarından 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. 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. Matris olarak kullanılan bu köpük türleri, kullanılan plastiğin de çeşitlenebilmesiyle değişik özellikte kompozit malzemelerin oluşumunu sağlayabilmektedir. Metal Matrisli Kompozitler Metallerin ve metal alaşımlarının birçoğu, yüksek sıcaklıkta bazı özellikleri sağlamalarına rağmen kırılgan olmaktadırlar. Fakatmetalik fiberler iletakviye edilmiş metal matrisli kompozitler, her iki fazın uyumlu çalışması ile yükseksıcaklıkta da yüksek mukavemet özelliklerini vermektedirler. Bakır ve Alüminyum matrisli, Wolfram veya Molibden fiberli kompozitler ve Al - Cu kompoziti, bize bu kompozisyonu veren en iyi 8 örneklerdir. Bu tip kompozitler, matrisin özelliklerini iyileştirdiği gibi bu özelliklere daha ekonomik olarak ulaşılmasını sağlamaktadır. Bu kompozitlerde metal matris içine gömülen ikinci faz, sürekli lifler şeklinde olabildiği gibi, gelişi güzel olarak dağıtılmış küçük parçalar halinde de olabilmektedir. Seramik Kompozitler Metal veya metal olmayan malzemelerin birleşimlerinden oluşan seramik kompozitler, yüksek sıcaklıklara karşı çok iyi dayanım göstermekle birlikte, rijit ve gevrek bir yapıya sahiptirler. Ayrıca elektriksel olarak çok iyi bir yalıtkanlık özelliği de gösterirler. YAPISAL BİLEŞENLERİNİN ŞEKLİNE GÖRE KOMPOZİT MALZEMELER Partikül Esaslı Kompozitler Bir matris malzeme içinde başka bir malzemenin parçacıklar halinde bulunması ile elde edilirler. Bu tip kompozitler tek veya iki boyutlu mikroskobik partiküllerin veya sıfır boyutlu olarak kabul edilen mikroskobik partiküllerin matris ile oluşturdukları malzemeler olup ortalama gömülen parçacık boyutu l µm'den büyük ve elyaf hacim oranı %25'den fazla kullanılmamaktadır. En çok kullanılan parçacıklar ise Al2O3 ve SiC'den oluşan seramiklerdir. Burada yük, elyaf ve matris tarafından birlikte taşınır ve özellikler yine izotropiktir. Bu kompozitler dayanımı iyileştirmekten ziyade beklenilmeyen alışılmışın dışında birleştirilmiş özellikler elde etmek için tasarlanmaktadır. Bu kompozitler; metal, seramik ve polimerlerin birleşiminden oluşabilirler. Sert metal uçlar ve beton da örnek olarak verilebilir. Yapının mukavemeti parçacıkların sertliğine bağlıdır. En yaygın tip plastik matris içinde yer alan metal parçacıklardır. Metal parçacıklar ısıl ve elektriği iletkenlik sağlar. Metal matris içinde seramik matris içeren yapıların (cermet), sertlikleri ve yüksek sıcaklık dayanımları yüksektir. Bunlar kollar, kulplar, elektrik parçaları, muhafazalar vb. gibi küçük parçacıkların yapımında kullanılırlar. 9 Döküm yoluyla üretilen bu tür kompozitlerde pratikte karşılaşılan bir problemde parçacık ilave edildiğinde tozların karıştırılma zorluğu ve eriyik viskozitenin düşmesi veya sıvı metalin seramik parçacıkları ıslatılamamasıdır. Islanabilirliğin iyileştirilebilmesi için; a) Katı yüzey enerjisinin artırılması, b) Sıvı metal yüzey geriliminin azaltılması, c) Katı ve sıvı ara yüzey enerjisinin azaltılması gibi parametreler üzerinde durulması gerekir. Bu nedenle de, parçacık yüzeyine kaplama yapılması ve ısıl işlem uygulanması veya matris bileşiminin ayarlanması gibi metotlar uygulanmaktadır. Metal matrisle kompozitlerde ıslanabilirliği iyileştirmek için genellikle magnezyum elementi kullanılmaktadır. Bu şekildeki bir kompozitin dayanımı; Parçacıkların büyüklüğüne, Parçacıklar arası mesafe ve homojen dağılıma, Matrisin özelliklerine, Parçacıkların özelliklerine bağlı olarak değişir. Bu tip kompozitlerde artan takviye elemanı ilavesi ile birlikte yapı içerisinde porozite vb. hatalar artmaktadır. Dolayısı ile haddeleme gibi ikinci bir işlemde uygulanabilmektedir Fiber Esaslı Kompozitler Bu tür kompozitler, birçok özelliklerde artış sağlayan, yüksek etkinliği olan liflerin ilavesiyle elde edilirler. Mühendislikte kullanılan malzemelerin pek çoğu fiber şeklinde üretildiklerinden mukavemet ve rijitlikleri kütle halindeki değerlerinden çok üst düzeyde olabilmektedir. Örneğin karbon fiberlerin çekme mukavemeti kütle halindeki grafitten 50 kat, rijitliği 3 kat daha yüksektir. Fiberlerin bu özelliğinin fark edilmesiyle fiber kompozitlerin üretilmesi süreci başlamıştır. Günümüzde düşük performanslı ev 10 eşyalarından roket motorlarına kadar 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 takviyeli kompozitlerin mühendislik performansını etkileyen en önemli faktörler fiberlerin şekli, uzunluğu, yönlenmesi, matrisin mekanik özellikleri ve fiber - matris ara yüzey özellikleridir. Şekil 1. Değişik tipte fiber kompozitler a) Tek yönlü pekiştirilmiş sürekli fiber kompozit b) Örgü formunda fiberlerle pekiştirilmiş kompozitler c) Rastgele yönlenmiş süreksiz fiber kompozit d) Yönlendirilmiş süreksiz fiber kompozit Fiberler dairesel olduğu gibi daha nadiren dikdörtgen, hekzagonal, poligonal ve içi boş dairesel kesitli olabilir. Bu kesitlerin bazı artı özellikleri olmakla birlikte (paketleme, yüksek mukavemet vs.) 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. 11 Uzun elyafların matris içinde birbirlerine paralel şekilde yerleştirilmeleri ile elyaflar doğrultusunda yüksek mukavemet sağlanırken, elyaflara dik doğrultuda oldukça düşük mukavemet elde edilir, iki boyutlu yerleştirilmiş elyaf takviyelerle her iki yönde de eşit mukavemet sağlanırken, matris yapısında homojen dağılmış kısa elyaflarla ise izotrop bir yapı oluşturmak mümkündür . Elyafların mukavemeti kompozit yapının mukavemeti açısından çok önemlidir. Ayrıca, elyafların uzunluk/çap oranı arttıkça matris tarafından elyaflara iletilen yük miktarı artmaktadır. Elyaf yapının hatasız olması da mukavemet açısından çok önemlidir. Kompozit yapının mukavemetinde önemli olan diğer bir unsur ise elyaf matris arasındaki bağın yapısıdır. Matris yapıda boşluklar söz konusu ise elyaflarla temas azalacaktır. Nem absorbsiyonu da elyaf ile matris arasındaki bağı bozan olumsuz bir özelliktir. Tabaka Yapılı Kompozitler (Lamine Kompozitler) Tabakalı kompozit yapı, en eski ve en yaygın kullanım alanına sahip olan tiptir. Bu tür kompozitler farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın kombinasyonundan oluşur. Çok değişik kombinasyonlarla tabakalanmış kompozitlerin üretimi mümkündür. Farklı elyaf yönlenmelerine sahip tabakaların bileşimi ile çok yüksek mukavemet değerleri elde edilir. Isıya ve neme dayanıklı yapılardır. Metallere göre hafif ve aynı zamanda mukavemetli olmaları nedeniyle tercih edilen malzemelerdir. Pek çok katmanlı kompozit düşük maliyet, yüksek dayanım veya hafifliğini korurken, aşınma veya abrasiv aşınma direnci, gelişmiş görünüm ve mükemmel ısıl genleşme özelliklerini kapsamaktadır. 12 Şekil 2. Açılı tabakalara sahip bir kompozitin şematik gösterimi Buna karşın korozyon ve aşınma direnci gibi önemli özelliklerin pek çoğu öncelikle kompoziti oluşturan elemanlardan birine bağlıdır. Korozyon direnci zayıf metaller üzerine, daha yüksek dirençli metallerin veya plastiklerin kaplanmasıyla korozyon özelliğinin, yumuşak metallerin sert malzemelerle birleştirilmesiyle sertlik ve aşınma direncinin, farklı fiber yönlenmesine sahip tek tabakaların birleştirilmesiyle çok yönlü yük taşıma özelliğinin geliştirilmesi mümkün olmaktadır. Elektrik şarjını depolamak için kullanılan kondansatörler esas itibariyle dönüşümlü olarak bir iletken ve bir yalıtkan katmanların üst üste gelerek meydana getirdiği katmanlı kompozitlerdir Dolgu Yapılı Kompozitler Bu tür kompozitler, 3 boyutlu sürekli bir matris malzemesinin yine 3 boyutlu bir dolgu malzemesiyle 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. 13 BÖLÜM 2. METAL ESASLI KOMPOZİT MALZEMELER Metal esaslı kompozit malzemeler, istenen ve gerekli özellikleri sağlamak üzere en az biri metal olan iki veya daha fazla farklı malzemenin sistematik bileşimiyle elde edilen yeni malzemelerdir. MMK malzemeler alaşımlarla elde edilemeyen özellikleri sağlamak üzere, bir metal matris içinde sürekli fiber veya kısa fiber, whisker veya partikül şeklinde takviye fazı içerirler. Matris, takviye fazını bir arada tutmaya yarayan bağlayıcı gibi davranır ve asıl işlevi katkı fazına yükü iletmektir. Belli bir uygulama alanında kullanılmak üzere en uygun kompoziti elde edebilmek için metal matrisli kompozitin bileşenleri hakkında tam ve ayrıntılı bilgiye sahip olmak gerekmektedir. Kompozit malzeme tasarlanırken takviye elemanının; cinsi, şekli, boyutu, dağılımı, yüzey özellikleri, kimyasal kompozisyonu, dağılım miktarı ve homojenliği gibi özgün ve yapısal özellikleri çok önemlidir. Bunun yanı sıra, metal matrisin de nitelikleri dikkate alınmalıdır. Ayrıca takviye fazı ile matris alaşımının kimyasal olarak uyumluluğu da önemli bir konudur. Günümüz şartlarında üretilebilen metal matrisli kompozit malzemeler üç gruba ayrılmaktadır. Bunlar: a) Partikül Takviyeli MMK malzemeler: Elastiklik modülünün, belli oranda da mukavemetin artmasıyla amacıyla bağlayıcı matris içine partikül şeklindeki takviye malzemelerinin ilavesi ile oluşturulan MMK malzemelerdir. Partikül takviyeli MMK malzemeler düşük maliyetlerinin yanı sıra rijitlikte dikkate değer gelişme sağlamakta olup hemen hemen izotropik özellikler gösterirler. Ancak mukavemetteki gelişme sınırlıdır. Ayrıca kopmadaki şekil değişiminin ve kırılma tokluğunun düşük olması da bu kompozitlerin zayıf yönleridir. 14 b) Whisker veya Kısa Fiber Takviyeli MMK malzemeler: Partikül takviyeli metal matrisli kompozitlere göre daha yüksek mukavemet ve yük iletimi yeteneğine sahip MMK malzemeler olup partikül esaslılara oranla daha pahalıdırlar. c) Sürekli Fiber Takviyeli MMK malzemeler: Fiberin yüksek performanslı tüm özelliklerini taşıyan MMK malzemelerdir. Sürekli fiber takviyeli MMK malzemeler elastiklik modül ve mukavemetin en iyi kombinasyonunu vermelerine karşın anizotropiktirler. Asıl zayıflıkları ise kullanılan fiberlerin ve kompozit üretim maliyetlerinin oldukça yüksek olmasından kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla belirtilen kompozit sistemlerinin her birinin kendine has üstünlükleri ve zayıflıkları söz konusudur. Tablo 1. Bazı metal matrisli kompozit malzemelerin mekanik özellikleri İlk geliştirilen MMK malzemeler, Bor fiberleriyle güçlendirilmiş Alüminyum alaşımlarıdır. Bu malzemelerde kullanılan bor fiberleri, volfram telden altlık üzerine bor kimyasal buharının yığılmasıyla elde edilmektedir. 15 Hacimce %51 bor katılarak 6061 alüminyum alaşımının çekme dayanımı 310 MPa'dan 1417 MPa'a, çekme elastik modülü ise 69 GPa'dan 231 GPa'a yükselmektedir. Al-Bor kompozit malzemeleri uzay mekiğinin gövde elemanları gibi yerlerde kullanılmaktadır. Genel olarak bakıldığında metal matrisli kompozitlerin, metallere göre üstün olan özellikleri şunlardır: • Yüksek mukavemet / yoğunluk oranı, başka bir deyişle spesifik mukavemet • Yüksek elastiklik modülü / yoğunluk oranı, başka bir deyişle spesifik modül • Daha iyi yorulma direnci • Yüksek sıcaklıklarda mukavemetini koruyabilme ve düşük sürünme oranı • Düşük termal genleşme katsayısı • Daha iyi aşınma direnci Metal matrisli kompozitlerin dezavantajları olarak ise şu maddeler sayılabilir: • Sürekli fiber takviyesinin söz konusu olduğu durumlarda zor ve karmaşık üretim prosesleri (döküm yöntemi hariç) • Metallere göre sünekliğin belli oranda azalması • Yüksek maliyetli üretim sistemi ve teçhizat • Yeni gelişen bir teknoloji olması nedeniyle firmaların ve üreticilerin deneyimsiz oluşu Özellikle döküm yönetimi ile üretilen partikül takviyeli MMK malzemeler, sürtünme ve aşınma dayanımının istendiği alanlarda küçümsenmeyecek oranda endüstriyel uygulama alanına sahiplerdir. Örneğin, Al-Grafit ve Al-SiC MMK pistonlar, yüksek aşınma dayanımı sağlamaları ve yakıt tüketimini azaltmalarından dolayı ön plana çıkmaktadırlar. Bu tür kompozitlerin diğer kullanım şekilleri yatak malzemesi, elektrik kontak malzemesi ve silindir gömleği olabilmektedir. 16 MMK MALZEMELERDE KULLANILAN MATRİS MALZEMELERİ Metal matrisli kompozitler için matris malzemesi olarak genellikle hafif metaller tercih edilmektedir. Matris malzemesi olarak genellikle Al, Ti, Mg, Ni, Cu, Co ve Zn gibi metaller ve alaşımları kullanılır. Matris malzemesi olarak MMK malzemelerde, Al, Ti ve Mg alaşımları yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu alaşımların tercih edilmesinin nedeni düşük yoğunluk ve ergime sıcaklığına sahip olmaları ve birçok seramik takviye elemanını kolay ıslatabilmeleridir. Çünkü yüksek performanslı kompozit malzeme üretimi için matris malzemesi, fiberleri veya partikülleri iyi ıslatabilmeli, iyi bir arayüzey bağı oluşturmalı, mümkün olan en düşük basınç ve sıcaklıkta hızlı şekilde katılaşma yapabilmeleri gerekmektedir. Ayrıca üretim esnasında veya bundan sonraki işlemler esnasında, matris ve takviye elemanı arasında diğer kimyasal etkileşimler olmamalı ve matris kararlı kalmalıdır. Alüminyum ve Alaşımları Metal malzemeler içinde Al ve alaşımları, gerek saf olarak gerekse alaşım olarak en yaygın olarak kullanılan malzeme gruplarından birisidir. Tablo 2. Saf Alüminyumun önemli fiziksel özellikleri 17 Saf Alüminyumun oksijene ilgisinden dolayı döküm kabiliyetinin kötü oluşu ve düşük mekanik özellikler göstermesi gibi istenmeyen özellikleri vardır. Alaşımlama yapılarak bu özelliklerde gelişme sağlanabilmektedir. Yüksek aşınma dayanımı ve düşük sürtünme değerleri için Al-Si alaşımları, düşük yoğunluk ve yüksek termal iletkenlik için Al-Mg ve Al-Cu alaşımları matris alaşımı olarak kullanılabilmektedir. Al alaşımlarının yaygın kullanılmasının nedenleri; • Dayanım / özgül ağırlık oranının yüksek olması, • Elektrik iletkenliği /özgül ağırlık oranının yüksek olması, • Atmosfere ve diğer ortamlara karşı korozyon direncinin iyi olması, • Plastik deformasyon kabiliyetinin iyi olması Alüminyum alaşımları, üretim yöntemlerine göre Dövme alaşımları ve Döküm alaşımları olarak iki ana gruba ayrılırlar. Bu iki grupta kendi içinde Sertleştirilebilen ve Sertleştirilemeyen alaşımlar olarak gruplandırılabilmektedir. Magnezyum ve Alaşımları Birçok endüstriyel uygulamada, hafif mühendislik malzemelerine olan talep sürekli artmaktadır. Magnezyumun yoğunluğu 1.74 gr/cm3 olup, yapısal uygulamalarda kullanılan en hafif metaldir. Ağırlığı Alüminyumun 2/3, Demirin 1/4, Bakır ve Nikelin ise 1/5’i düzeyindedir. Dolayısıyla magnezyum alaşımlarının, endüstriyel uygulamalardaki kullanımlarının gelecekte oldukça yaygınlaşacağı beklenmektedir. Buna bağlı olarak ta Magnezyum esaslı kompozit malzemelerin kullanımı artacaktır. Magnezyum, Alüminyum kadar mukavemetli değildir. Fakat alaşımlandırıldığında mekanik özelliklerinde iyileşmeler sağlanabilir. Magnezyum alaşımları, yüksek spesifik dayanıma, iyi dökülebilirlik özelliğine ve yüksek sönümleme kapasitesine sahiptirler. Bu nedenle uzay araçlarında, yüksek hızlı makine ve nakliye araçlarında kullanılırlar. 18 Düşük ergime sıcaklığı (650 °C) ve iyi kaynak kabiliyetine sahip olan magnezyum, yaygın olarak ta bulunabilmektedir. Ancak Magnezyum Alaşımları; • Oksijene karşı ilgisinin fazla olması, • Düşük elastik modülü ve yorulma direncine sahip olması, • Yüksek sıcaklıkta sürünme dayanımı değerinin düşük olması vb. nedenlerle daha az tercih edilirler. Tablo 3. Bazı Mg alaşımlarının bileşimi ve mekanik özellikleri En önemli alaşım elementleri Alüminyum ve Çinko olup, yaklaşık % 2.5-8 Al ve % 0.5-4 Zn ilave edilir. Bu sayede dayanım artırılabilmektedir. Magnezyum alaşımları iyi döküm kabiliyetleri yüksek alaşımlardır, Sertleştirilebilen ve Sertleştirilemeyen türleri mevcuttur. Aşınma direnci düşük olan Mg ve Al gibi metalik alaşımlara, rijit partikül takviyesi yapılarak veya grafit gibi yağlayıcı partiküller katılarak aşınma dirençleri yüksek MMK malzemeler üretilebilir. 19 Titanyum ve Alaşımları Titanyum ve alaşımları, MMK malzemelerde matris malzemesi olarak yaygın kullanım alanına sahiptir. Titanyumun korozyona karşı dayanımı çok iyidir. Yüzeyinde ince bir TiO2 tabakası oluşturarak, çok iyi korozyon direnci sağlar. Vücut içine konan parçalarda, proses kazanları vb. yerlerde bu özelliğinden dolayı titanyum ve alaşımları kullanılır. Ayrıca Ti metali, alüminyumdan daha rijit ve dayanıklıdır. Özellikle çok iyi mukavemet/özgül ağırlık oranına sahip olduğundan dolayı uçak ve uzay sanayiinde uygulama alanları bulmuştur. Metaller arasında Titanyumun ısıl genleşme katsayısı oldukça düşüktür. Özellikle yüksek sıcaklık uygulamalarında Ti alaşımları oldukça iyi performans gösterir. En önemli dezavantajı pahalı olmasıdır. Tablo 4. Ti-6Al-4V alaşımının özelliklerinin diğer alaşımlarla karşılaştırılması Ti alaşımları matris olarak kullanıldığında, takviye elemanı ile iyi bir yapışma sağlamakta olup, bu da ara yüzey mukavemetini arttırıcı bir rol oynamaktadır. MMK malzemelerde en yaygın kullanılan Titanyum alaşımları, Ti-6Al-4V, Ti-15V-3Cr-3Sn-3Al ve Ti-17Mo alaşımlarıdır. Titanyumun matris olarak kullanıldığı kompozit malzemelerde, en yaygın kullanılan takviye elemanları ise TiC ve SiC’ dür. 20 Bakır ve Alaşımları MMK malzemeler içerisinde Bakır ve alaşımlarının kullanımı özellikle elektronik sistemlerde uygulama alanı bulmuştur. Burada bakırın elektriği iyi iletebilme özelliği ön plana çıkmaktadır. Genellikle Bakır matris içerisine Grafit partiküller ilave edilerek, düşük termal genleşme katsayısına sahip, iyi iletken malzemeler elde edilebilir. Bu malzemeler elektrik kontaktörleri ve elektronik devre yapımında kullanılmaktadır. Grafit partiküller katılarak Bakır esaslı matrisin sürtünme ve aşınma özellikleri iyileştirilebilir. Diğer taraftan katı yağlayıcı olarak grafitin kullanıldığı metal matrisli kompozit malzemelerin, yatak malzemesi olarak kullanımı kurşun kullanımından kaynaklanan zehirleyici etkiyi de ortadan kaldırmaktadır. Ayrıca Al ve Cu alaşımlarının sönümleme kapasitesi içlerine grafit katıldığında önemli oranda artmaktadır. Japon Hitachi firması tarafından, dökme demirde dahil olmak üzere titreşimi sönümleyen alaşımlardan daha iyi sönümleme yeteneği olan Gradia adı altında Al-Grafit veya Cu-Grafit MMK malzemeler üretilmektedir. Bakırın en önemli dezavantajı ise, diğer bir iletken malzeme olan alüminyuma göre daha pahalı olmasıdır. MMK MALZEMELERDE KULLANILAN TAKVİYE MALZEMELERİ MMK malzemeler üretilirken, takviye elemanının seçimi, üretim tekniği, üretim esnasında takviye elemanının matris tarafından ıslatılabilmesi, takviye elemanlarının yapısal özellikleri, kompozit malzemenin fiziksel ve mekanik özelliklerini belirler. Bu nedenle takviye elemanının doğru seçilmesi ve özelliklerinin iyi bilinmesi gerekir. Kullanım yerine bağlı olmakla birlikte MMK malzemelerde, genel olarak takviye elemanından beklenen temel özellikler şunlardır: 21 • Yüksek elastik modül • Yüksek dayanım, • Düşük yoğunluk, • Matris ile kimyasal uyumluluk, • Üretim kolaylığı, • Yüksek sıcaklıkta dayanımını muhafaza etmesi, • Ekonomik olması. Metal matrisli kompozit malzemelerde en çok kullanılan takviye elemanları Al2O3, SiC, Bor, TiC ve Karbondur. Doğada bir çok seramik parçacık halinde bulunduğundan, bunlar partikül takviyeli kompozitler için geniş bir aralıkta takviye potansiyeline sahiptir. Partikül takviyeli kompozitlerin avantajları şunlardır : • Sürekli veya kısa fiberlilere göre, partikül takviyeli kompozitler daha ucuzdurlar. • Toz metalurjisi ve döküm gibi üretim teknikleri ve bunu takiben haddeleme, dövme ekstrüzyon gibi geleneksel ikincil işlemler uygulanabilir. • İzotropik özellikler gösterirler. • Rijitlikleri ve aşınma dayanımları iyidir. Uygulamalarda mukavemetin yüksek olması gerektiği durumlarda, kısa fiberler veya whisker katkılı kompozit malzemeler kullanılır. Rijitlik ve mukavemetin en kombinasyonunu ise sürekli fiber katkılı metal matrisli kompozitler verir. Ancak bu malzemeler anizotropik özelliklere ve en önemlisi de yüksek maliyete sahiptirler. Metal matrislerde kullanılan en pahalı takviye elemanı ise Bordur. Ardından sırasıyla SiC, Karbon ve Al2O3 gelmektedir. 22 Silisyum Karbür ( SiC ) Metal matrisli kompozit malzemelerde kullanılan diğer bir seramik takviye elemanı SiC’dür. SiC kovalent bağlı bir malzeme olup bu özellik, SiC fibere yüksek elastiklik modülü kazandırmaktadır. SiC fiberler genel olarak Karbon veya Tungsten altlık üzerine CVD yöntemi ile kaplanılarak üretilirler. Yaklaşık 1400°C civarında maksimum kullanım sıcaklığına sahiptirler. SiC’ün partikül ve whisker türleri de üretilmektedir. Partikül ve whisker tipinde SiC takviyeleri ile üretilen MMK malzemelere, ekstrüzyon, haddeleme gibi plastik şekil verme işlemleri yapılabilmesi de önemli bir avantaj teşkil eder. SiC’ün en önemli avantajı, maruz kaldığı yüksek sıcaklık şartları altında rijitlik ve mukavemet özelliklerini muhafaza edebilmesidir. Oksidasyon direnci yüksek olması ve ergimiş Alüminyum içindeki etkisi Bor fiberlerden daha iyi olması yanında SiC, Bor fiberlerden daha ekonomiktir. Ayrıca SiC fiberlerin termal genleşme katsayısı da Alümina ile kıyaslandığında daha düşüktür. Karbon 1950’lı yılların ikinci yarısından itibaren kullanılmaya başlamış olan karbon fiberlerin yoğunluğu düşük, çekme dayanımı ve elastiklik modülü yüksektir. Bu da spesifik dayanım ve spesifik modül değerlerinin çok yüksek olması anlamına gelmektedir. Yüksek sıcaklıklara dayanabilen karbon fiberlerin özellikleri, üretimindeki son işlemin sıcaklığına bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Karbon fiberlerde ham madde olarak Poli-Akro-Nitril (PAN), Selüloz (Rayon) ve Zift (Pitch) kullanılır. 23 Isıl genleşme katsayısı oldukça düşük olan karbon fiberler, yaklaşık 1500 °C ‘ye kadar mekanik özelliklerini korurlar. 2000°C’den sonra karbon fiberlerde sürünme başlar. Karbon fiberler azot atmosferinde kararlı olmasına rağmen 450°C üzerinde havada artan oranda oksitlenirler. Oldukça fazla türde karbon fiber olduğu göz önüne alınırsa, değişik fiber tiplerine bağlı olarak oksidasyona uğrama oranının da farklılık gösterdiği söylenebilir. SiC ve B4C kaplamalar karbon fiberlerin oksidasyona karşı direncini arttırmaktadır. Alümina ( Al2O3 ) Metal matrisli kompozitlerde ana hedef, düşük yoğunluklu ve yüksek dayanımlı malzemeler elde etmektir. Bu özellikler genelde yapı içine katılan seramik faz ile sağlanır. Alüminanın sahip olduğu yüksek sıcaklık dayanımı, yüksek modül ve rijitlik, takviye elemanı olarak kullanılmasının en önemli nedenlerindendir . Alüminanın takviye elemanı olarak en yaygın kullanıldığı matris malzemeleri Alüminyum ve alaşımlarıdır. Al2O3, SiC ile karşılaştırıldığında daha düşük modül ve dayanıma, daha yüksek yoğunluğa sahiptir. Fakat Al2O3 maliyet açısından, SiC’e göre daha avantajlıdır Titanyum Karbür ( TiC ) TiC, yüksek sıcaklıkta mekanik özelliklerini muhafaza edebilmesi nedeniyle kompozit malzemelerde takviye elemanı olarak kullanılmaktadır. Yüksek sıcaklık uygulamalarında, yüksek modül, yüksek mukavemet ve iyi sürünme dayanımı gibi özelliklerini koruyan TiC’ün, diğer takviye malzemelerine göre en büyük dezavantajı yoğunluğunun fazla olmasıdır (ρ= 4.93 gr/cm3). Bu özelliği, TiC takviye malzemesinin yaygın olarak kullanımını engellemiştir. 24 Titanyum ve nikel bazlı alaşımlarda, TiC partikül takviyesi yapılması ile kullanım sıcaklığı 1100°C’nin üzerine kadar çıkarılmıştır. Ayrıca Alüminyum matris, TiC partiküller ile takviye edilerek, piston ve biyel kolları imal edilmiştir. Bu şekilde aşınmaya karşı dayanımın arttığı belirlenmiştir. Bor Bor fiberler, Borun genelde Kimyasal Buhar Biriktirme (CVD) yöntemi ile Karbon veya Tungsten altlık (çekirdek) üzerine kaplanması ile üretilir. Üretim aşamasında Bor fiberin, Al ve Ti gibi metallerle hızla reaksiyona girmesi ve Tungsten tel ile bor kaplama sırasında reaksiyon oluşması, Borun dış yüzeyine yakın yerde eksenine dik şekilde basma gerilmeleri oluşmasına neden olur. Bu da bor fiberi kırılgan yapar. Bunu önlemek için borun üzerine CVD metoduyla SiC veya B4C kaplanır ve kaplama kalınlığı 25-45 μm kadardır. Uygulanan ısıl işlem ile hibrid yapı üzerindeki kalıntı gerilmeler giderilir. Fiberin dayanımını azaltacak aşırı tane büyümesini önlemek için, sıcaklık dikkatlice kontrol edilmelidir. Bor fiberler çok yüksek elastiklik modülü değerine sahiptir, fakat oldukça pahalıdırlar. METAL MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELERİN ÜRETİM YÖNTEMLERİ Metal matrisli kompozit malzemelerin, geleneksel malzemeler karşısında üstün mekanik özellikler sergilemesi, son yıllarda bu malzemelerin üretim teknikleri üzerinde daha yoğun çalışmalar yapılmasına yol açmıştır. Buna rağmen, bu malzemelerin üretim maliyetleri hala yüksek değerlerdedir. Metal matrisli bir kompozit malzemenin üretim tekniği; üretilecek parçanın şekline, istenilen mekanik ve fiziksel özelliklere, matrise, takviye elemanı şekli ve türüne göre belirlenir. Her üretim yönteminin kendine özgü avantajları ve dezavantajları mevcuttur. Ancak tüm kompozit üretim yöntemleri, geleneksel malzeme üretim yöntemleri ile karşılaştırıldığında matris ve takviye fazı arasındaki etkileşimler nedeniyle karmaşıklığıyla dikkat çekmektedir. 25 Üretim yöntemlerini katı faz üretim yöntemleri, sıvı faz üretim yöntemleri ve diğer yöntemler olarak sınıflandırılabiliriz: a ) Katı Faz Üretim Yöntemleri • Toz Metalurjisi Teknikleri • Difüzyon Bağı Yöntemi b ) Sıvı Faz Üretim Yöntemleri • Sıvı Metal İnfiltrasyon • Sıkıştırma Döküm • Sıvı Metal Karıştırma • Plazma Püskürtme c) Diğer Yöntemler • Rheocasting ve Compocasting Döküm Teknikleri • Vidalı Ekstrüzyon • In-Situ Tekniği • XD Tekniği Üretim yönteminin seçiminde, üretilecek mamul veya yarı mamulün önceden belirlenen fiziksel ve mekanik özelikleri değerlendirilip, şu parametreler dikkate alınarak yöntem belirlemesi yapılır: Çalışma sıcaklığı aralığı Takviye malzemesi şekli Matris malzemesi ile takviye malzemesinin uyumu Matris ve takviye malzemelerinin ek işlem gereksinimi Matris malzemesi ile takviye malzemesi arasında oluşabilecek reaksiyonlar Elde edilecek üründen istenen boyut tamlığı Takviyenin matris malzemesi içerisinde dağılımının homojen olması Matris-takviye arayüzey bağının tam olarak sağlanabilmesi. 26 Katı Faz Üretim Yöntemleri Metal esaslı kompozitlerin yaygın kullanılan döküm, toz metalürjisi ve infiltrasyon gibi üretim yöntemleri vardır. En yaygın ve ucuz olan döküm tekniği ile; belirli bir büyüklüğün altındaki seramik parçacıkları homojen olarak matris içinde karıştırılamamaktadır. Döküm işleminin gerçekleştirilebilmesi için gerekli olan akışkanlığı sağlayabilmek için karıştırılan takviye malzemesi oranı sınırlı kalmak zorundadır. Takviye malzemesinin matris içinde homojen dağılması ve topaklanmaların parçalanması için, erime sıcaklığının üzerinde bir sıcaklıkta uzun bir süre karıştırma işlemine devam etmek gerekir. Bu da takviye malzemesi ve matris malzemesi arasında istenmeyen reaksiyonların oluşmasına neden olmaktadır. Toz Metalürjisi tekniğinin pahalı olmasına karşılık bu yolla istenilen oranda ve istenilen büyüklükte tozların ara yüzeyde reaksiyon oluşturmaksızın karıştırılarak kompozit üretilmesi mümkün olmaktadır.Toz metalürjisi ile kompozit üretimi üzerinde bir çok çalışmalar yapıImış olmasına rağmen henüz geniş ölçüde endüstriyel kullanıma geçmiş değildir. Toz Metalurjisi Tekniği Metal matrisli kompozit malzemelerin üretiminde kullanılan en yaygın yöntemlerden biri toz metalurjisi tekniğidir. Seramik partiküllerin sıvı metal tarafından ıslatılmasındaki güçlük nedeniyle toz metalurjisi ile kompozit üretimi ilk geliştirilmiş tekniklerden birisidir. Bu teknikte genel olarak partikül veya whisker formunda takviye elemanları ile toz haldeki metal kullanılarak, metal matrisli kompozit malzeme oluşturulur. Yaygın kullanılan takviye elemanları SiC , Grafit ve TiC, en çok kullanılan matris malzemeleri ise Al ve Ti’dir. İstenilen forma sahip bir kalıp içerisinde preslenerek ön mukavemet kazandırılan tozlar daha sonra sinterlenerek mukavemetlendirilir. 27 Sıcak preslemede, presleme ve sinterleme işlemleri birarada yapılır. Toz halindeki matris metali , whisker veya elyaf şeklindeki pekiştiriciler karıştırılarak preslerde şekillendirilirler. Soğuk presleme uygulandığında boşluksuz, kompakt bir yapının elde edilmesi için yüksek basınç uygulanır bu da pekiştiricilerde (takviye malzemesinde) hasara sebep olur. Bu nedenle sıcak presleme uygulaması tercih edilir. Şekil 3. Metal matrisli kompozit malzemelerin toz metalurjisi tekniği ile üretim aşamaları Toz metalurjisi yöntemiyle metal matrisli kompozit malzeme üretiminde, matris ve takviye elemanlarının tozları öncelikle karıştırılır ve istenen şekli verebilecek bir kalıbın içine boşaltılır. Daha sonra bu toz karışımını sıkıştırabilmek amacıyla basınç uygulanır. Ardından toz parçacıkları arasındaki birleşmeyi kolaylaştırmak amacıyla sıkıştırılmış toz karışımı yeterli miktarda katı hal difüzyonu oluşturacak şekilde ergime noktasının altında bir sıcaklıkta sinterlenir . 28 Toz presleme ve sinterlemenin ayrı ayrı yapıldığı bu yöntemde elde edilen malzeme yoğunluğu çok iyi değildir. Bu nedenle artık günümüzde yaygın olarak sıcak presler (HP) kullanılmaktadır. Bu işlemde tozlar karıştırıldıktan sonra, toz sıkıştırma ( presleme ) ve sinterleme işlemi aynı anda yapılır. Bir başka deyişle, toz karışımı sıcak preslenir. Bu şekilde yoğunluk artarken, takviye - matris arayüzey bağıda önemli ölçüde kuvvetlenir. Sıcak presleme sonucunda üretilen parça ekstrüzyon, haddeleme ve dövme gibi ikincil işlemlerin ardından kullanıma hazır hale gelir. Bir diğer alternatifte izostatik sıcak preslemedir (HIP). Bu yöntem ise son şekle yakın, çok yüksek yoğunluklu malzeme üretimi için daha uygundur. Ancak oldukça pahalıdır. Toz metalurjisi yöntemi ile üretilen parçaların genelde sıvı hal üretim yöntemleriyle üretilmiş parçalardan daha iyi mekanik özelliklere sahip oldukları bilinmektedir. Özellikle partikül takviyeli metal matrisli kompozitlerin üretiminde bu yöntemin tercih edilmesinin nedenleri (avantajları) şu şekilde sıralanabilir ; • Toz metalurjisi (TM) ile üretilen metal matrisli kompozit malzemelerin üretimi daha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilmektedir. Bunun sonucunda matris ve takviye elemanı arasında daha az etkileşim olmaktadır. Böylece mekanik özelliklerin azalmasına neden olan istenmeyen arayüzey reaksiyonları en aza indirgenmiş olmaktadır. • Takviye elemanının matris içinde homojen dağılımının sağlanabilmesi ancak TM yöntemiyle gerçekleştirilebilmektedir. Döküm metotlarında tam homojen olmayan parçacık dağılımı elde edildiğinden TM yöntemi tercih edilmektedir. • Döküm tekniği yerine TM yöntemi kullanılarak parçacık veya whisker takviyeli kompozit üretimi hem daha kolay olmakta hem de daha homojen yoğunluklu kompozit parça üretilebilmektedir. • Toz Metalurjisi yöntemiyle partikül takviyeli metal matrisli kompozit üretiminde takviye partiküllerin kontrolü mümkün olduğundan, yapının kontrolü de mümkündür. Çünkü yapı içerisinde dağılmış partikül boyutları ile yapının mekanik özellikleri arasında direkt ilişki vardır. 29 • Yüksek takviye hacim oranının elde edilmesi mümkün olmaktadır. Bundan dolayı da yüksek modüllü, düşük termal genleşme katsayısına sahip kompozitler üretilebilmektedir. Toz Metalurjisi yönteminin üstünlüklerine rağmen bazı dezavantajları da mevcuttur: • Toz karıştırma işlemi sırasında, kısa fiber takviyesinin yapıldığı uygulamalarda kısa fiberler kırılabilmektedir. • Büyük parçalar için çok yüksek basınç gerektirmesi maliyeti arttırır. Sıcak presleme sonrası genelde parçaya son şeklini vermek için ekstrüzyon, haddeleme veya dövme gibi ikincil işlem yapmak gereklidir. • Bunlara ek olarak, toz kullanımı temizlik gerektirir. Aksi halde yabancı maddeler, artıklar vb. malzeme içine nüfuz ederek mekanik özellikler üzerine olumsuz etki yapabilmektedir. Difüzyon Bağı Yöntemi Difüzyon bağı oluşturma işlemi, katı halde kompozit malzeme üretim tekniklerinden en pratik olanlarından birisidir. Bu yöntem vakumda presleme yöntemi olarakta isimlendirilmektedir. Yöntemde, matris malzemesi metal folyo veya levha şeklinde kullanılmaktadır. Difüzyon bağı yönteminde, takviye elemanları metal folyolar üzerine istenilen açıda ve miktarda yerleştirilebilmekte ve bu işlemler tamamlandıktan sonra ergime sıcaklığına yakın bir sıcaklık altında basılarak veya haddelenerek matris ile takviye arasında bir bağ oluşturulmak suretiyle kompozit malzeme üretilmektedir. 30 Üretilen kompozit malzemenin dayanımı difüzyon bağına bağlıdır. Bu işlemde difüzyon bağı oluşumu için matris malzemesi ve takviye yüzeylerinin çok temiz ve oksitsiz olması gerektiğinden kimyasal olarak temizleme işlemleri yapılmaktadır. Şekil 4. Difüzyon bağı (vakumda presleme) yöntemi ile kompozit malzeme üretimi Difüzyon bağı oluşturma işleminde; sıvı halde üretim tekniğinde karşılaşılan problemlerden birisi olan takviye malzemelerinin bozulma veya ayrışmasına pek rastlanmamaktadır. Bunun sebebi, işlemlerin sıvı halde üretim tekniğine göre daha düşük sıcaklıklarda gerçekleşmesidir. Vakum altında yapılan haddelenerek difüzyon bağı oluşturma işlemi, gaz altında veya atmosfer basıncında yapılan işlemlerden daha verimli ve başarılıdır. Ancak yöntem 31 oldukça pahalı bir yöntem olup sınırlı malzeme formu ve çeşidi ile gerçekleştirilmektedir. Difüzyon bağı yönteminde matris malzemesi olarak Al ve Ti alaşımları, takviye malzemesi olarak da SiC, Al2O3, Bor ile Karbon gibi tek fiber yada fiber demetleri kullanılmaktadır. SIVI FAZ ÜRETİM YÖNTEMLERİ Sıvı Metal İnfiltrasyon Yöntemi Metal matrisli kompozitlerin üretim metotları arasında yaygın olarak kullanılan bir tekniktir. Bu işlemde esas prensip, bir kap veya tüp içerisine yerleştirilmiş fiberler arasına sıvı halindeki metal matrisin emdirilmesidir. İlk işlem olarak istenilen profilde ön şekillendirme yapılmakta, fiberlerin yönlendirilmesi ve hacimsel oranı bu aşamada ayarlanmaktadır. Ön şekiller kalıba bir bağlayıcı ile tutturulduktan sonra kalıp içerisine ergimiş metal emdirilmekte ve katılaşmaya bırakılmaktadır. Ergimiş metalin emdirilmesi fiber hacim oranının yüksek olduğu durumlarda biraz daha zordur. Fiberler arası mesafenin az olduğu bu gibi durumlarda ergimiş metal ya basınç altında veya vakumla emdirilmektedir. Böylece matrisin, fiberlerin arasına girmesiyle açığa çıkacak atıl gazlar da yapı içerisinde sıkışmayarak dışarı atılmaktadır. Hızlı ve yüksek üretim kapasitesine sahip olması ve son ürün şekline yakın üretim imkanı sağlaması gibi avantajları nedeniyle bu teknik, metal matrisli kompozit malzeme üretiminde önemli bir yer edinmiştir. Sıvı metal infiltrasyon işlemi; atmosfer basıncında, yüksek basınç altında, koruyucu gaz atmosferi altında ya da vakum şartlarında yapılabilir. İşlemlerin vakum altında 32 yapılması fiberlerin yüzey aktivitesini arttırdığından dolayı ergimiş metalin ıslatma kabiliyeti artmakta ve kompozitin kalitesini olumlu yönde arttırmaktadır. Uygulamada karşılaşılan bazı problemler bu yönteme sınırlamalar getirmektedir. Sıkıştırma Döküm Yöntemi Sıkıştırma döküm yöntemi; metal bir kalıp içerisine yerleştirilen, ön ısıtma yapılmış, seramik fiber veya başka bir takviye malzemesinden oluşmuş ön şekle, kuvvet yardımıyla ergiyik metalin emdirilmesi ve böylece sıkıştırılan ergiyik metale yüksek basınç uygulanarak katılaştırılması işlemidir. Şekil 5. Sıkıştırma döküm yöntemi Bu fikir başlangıçta 1878'de Chernov tarafından, katılaşmakta olan ergiyik malzemeye, buhar basıncı uygulanması şeklinde önerilmiştir. Ancak, yöntemin ticari hale getirilmesi son yıllarda olmuştur ve esas olarak Avrupa ve Japonya'da bu konuda yoğunlaşılmıştır. Bu yöntem, takviyeli ve takviyesiz, yüksek hassasiyetli mühendislik parçalarının üretilmesinde kullanılmaktadır. C, SiC, AI2O3 ve paslanmaz çelik fiber gibi çoğu takviye malzemesi, ergiyik metalle uygun bir şekilde ıslanmadıkları için, infiltrasyon yöntemiyle kompozit malzeme üretimi 33 zordur. Buna karşılık, sıkıştırma döküm tekniğinde ergiyik metal, fiber demetlerinden oluşan ön şekil içerisine kuvvet yardımıyla emdirilir; bu arada absorbe olmuş ve sıkışmış gazlar da atılır. Ayrıca, whisker veya partiküller ergiyik metalle, sıkıştırma döküm öncesinde karıştırılabilmekte ve SiC, Al2O3 partikülleri ve Si3N4 wishkerleri içeren Al alaşımı matrisli kompozit malzemeler bu şekilde üretilebilmektedir. Sıkıştırma döküm yöntemiyle üretilen kompozit malzemelerin kalitesini etkileyen işlem değişkenleri; kalıp ön ısıtma sıcaklığı ve uygulanan basınç miktarıdır. Ayrıca, sıkıştırma hızı ve takviyeler arası boşluk da işlemi etkileyen faktörlerdir. 70-100 MPa'lık basınçların uygulanmasıyla, katılaşma süresinin çok kısa tutulması nedeniyle, matris ile takviye malzemesi ara yüzeyinde reaksiyon meydana gelmemesi, boşluksuz ve yüksek dayanımlı kompozit malzemelerin elde edilmesini sağlar. Bu da birçok türde takviye ile kompozit malzeme üretimine olanak sağlar. Al2O3-Al, C-Mg, SiCw-Al, Si3N4W-Al kompozit malzemeleri, bu yöntemle kolaylıkla üretilebilirler. Otomotiv, havacılık, spor ve diğer alanlarda MMK'lerin kullanımındaki yıllık %12-15'lik artış oranı, sıkıştırma döküm gibi üretim yöntemlerinin kullanımının faydasını açık bir şekilde ortaya koymaktadır. Yüksek basınç gerektirmesi ve parça boyutunda sınırlamalara neden olması bu yöntemin en büyük dezavantajı olmakla birlikte, pratik kullanımda sıkıştırma döküm yöntemi, kısa zamanda, karmaşık şekilli MMK parça üretimi için en verimli yöntemdir. Plazma Püskürtme (Metal Püskürtme ) Yöntemi Özellikle parçacık takviyeli MMK malzemelerin üretiminde kabul görmüş bir yöntemdir. Plazma püskürtme, atomize edilmiş ergimiş metal parçacıklarının takviye elemanları 34 üzerine istenilen kalınlıkta püskürtülmesi işlemidir. Püskürtülen ergiyik metal parçacıkları, takviye elemanlarına yapışmakta ve hızla katılaşmaya başlamaktadır. Bu tip üretim yöntemi alüminyum gibi ergime sıcaklığı düşük olan metallerde uygulanmaktadır. Bu üretim metoduyla matris malzemesi takviye elmanı üzerine istenilen kalınlığı verecek şekilde püskürtülerek karmaşık şekilli parçalar üretilebilir. Bu yöntem takviyeler arası mesafenin kontrolü ve takviyelerin daha rahat yönlendirilebilmesi gibi avantajlara sahiptir. Üretim esnasında ergimiş metal zerrecikleri takviye elemanına temas eder etmez katılaştığından sıvı halde üretim tekniğinin dezavantajlarından olan takviye-matris arasında oluşan ara yüzey reaksiyon problemleri en aza indirgenir. Bu yöntemle en çok alüminyum-bor kompozitleri üretilmektedir. Bunun yanında Al-SiC partikül takviyeli kompozitlerde üretilmektedir. Koruyucu gaz jeti ile birlikte ergimiş veya toz halindeki matris malzemesine yine toz haldeki takviye malzemesinin katılıp beraberce bir katman üzerine püskürtülmesi yöntemi "Osprey yöntemi" olarak adlandırılmıştır. Katman kalınlığı ve işlem süresi kontrol edilebilen yöntemle düşük porozite değerleri elde edilebilmekte ve bu yöntem özellikle SiC partikül takviyeli kompozit üretiminde sıklıkla tercih edilmektedir. Şekil 6’da Osprey yöntemi gösterilmiştir. Şekil 6. Osprey yöntemi 35 Sıvı Metal Karıştırma Teknikleri Sıvı metal karıştırma tekniklerinde, ön ısıtma yapılmış veya ön işlemlerden geçerek hazırlanmış takviye malzemeleri, sürekli karıştırılan ergimiş metal içerisine değişik yöntemlerle katılmakta ve daha sonra döküm işlemi yapılmaktadır. Takviye malzemesini sıvı metal içine karıştırmak için geliştirilen yöntemlerden bazıları aşağıdaki gibidir: • Bir enjeksiyon tabancası kullanarak takviyenin ergimiş metal içerisine enjeksiyonu • Ergimiş metal kalıba dökülürken takviye ilavesi • Mekanik bir karıştırıcı ile ergimiş metal içerisinde vorteks oluşturma ve takviyenin vorteks içine verilerek karışımın sağlanması • Karşılıklı hareket eden çubuklar kullanılarak parçacıkların sıvı metal içine atılması • Merkezkaç etki ile ince parçaların sıvı metal içerisine dağıtılması • Ultrasonik etki ile sıvı titreştirilirken takviyenin ilavesi • Çok yüksek vakum altında uzun süre de sıfır yerçekimi etkisi ile karışım sağlanması Karıştırma işleminin atmosfere açık olarak yapılması ergimiş metalin atmosferden gaz alması problemini oluşturduğundan dolayı işlemin koruyucu gaz veya vakum altında yapılması önerilmektedir. Yöntem kolay ve ucuz bir yöntem olmasına rağmen literatürde, çökelme, topaklanma, segregasyon oluşumu, istenmeyen ara yüzey reaksiyonlarının oluşumu, takviye malzemesinin karıştırma esnasında hasar görmesi gibi sorunların oluştuğu da belirtilmektedir. 36 DİĞER ÜRETİM YÖNTEMLERİ Rheocasting ve Compocasting Döküm Tekniği Rheocasting ve Compocasting olarak bilinen döküm yöntemleri kısa fiber veya partikül takviyeli metal matrisli kompozit malzemeler için uygulanan yöntemlerin en ekonomiklerinden biridir. Matris malzemesi, karıştırma üniteli bir ergitme fırınının içine yerleştirilip ergime sıcaklığının 40-50 °C üzerinde ısıtılmakta, sıcaklık homojenize edilmekte ve sıvı metal sıcaklığı kontrollü olarak düşürülmektedir. Alaşım %40-50 katı hale geldiğinde matris malzemesinin içine takviye malzemesi eklenmeye başlamaktadır. Takviyenin ilavesi esnasında sıcaklık yükseltilmeye başlamakta ve takviyenin tamamı iyi şekilde ıslatılıncaya kadar sıcaklık arttırılarak karıştırma işlemi devam etmektedir. Nispeten düşük viskoziteye sahip karışım doğrudan basit kütük şeklinde dökülebilir, bu durumda yöntem "Rheocasting" adını almakta eğer karışım ergime sıcaklığı üzerinde karıştırılarak döküm gerçekleştirilirse "Compocasting" adı verilmektedir. Vidalı Ekstrüzyon Polimer ürünlerin işlemleri için geliştirilen ve kullanılan vidalı ekstrüzyon yöntemi Dow laboratuvarları tarafından Mg alaşımı esaslı kompozit malzeme üretimi için kullanılmıştır. Yöntemde matris malzemesini oluşturacak olan Mg, küçük parçacıklar halinde takviye partiküller ile birlikte bir haznenin içine doldurulur. Haznenin ağzı, hazırlanan karışımın, vidalı ekstrüzyon sisteminin içerisine kolayca doldurulabilmesi için uygun bir geometride yapılmıştır. Hazneden beraberce ilerleyen matris ve takviye malzemesi aynı anda hem ısıtılıp hem de karıştırılmaktadır. İlerleme esnasında matris malzemesi ergime sıcaklığı civarına geldiğinde yarı katı yarı sıvı haldeki karışım sistemin sonundaki kalıp içine beslenir. 37 Bu yöntemle sürekli formda kompozit malzeme üretimi yapılabilmektedir. In-Situ Tekniği In-Situ tekniğinde, bir ötektiğin yönlenmiş olarak katılaştırılması ile iki fazlı bir yapı ortaya çıkmaktadır. Fazlardan biri matris diğeri ise matris içine dağıtılmış lamel, plaka veya fiber şeklinde fazdır. Uygulamaların çoğu alüminyum, nikel ve kobalt esaslı alaşımlar kullanılarak yapılmaktadır. Tek işlemle elde edilirler ve içyapıları oldukça kararlıdır. XD Sentezi Tekniği Martin Marietta tarafından geliştirilen yöntem, takviye fazın sıvı metal içer,sinde bir bileşik ilavesi ile oluşturulması prensibine dayanmaktadır. Bu yöntem ile sıvı metal fazı içerisinde pek çok seramik bileşik oluşturulabilmektedir. Partiküller sıvı metalin içinde oluşturulduğundan tek kristalli ve oksitlenmemiş ara yüzeylere sahiptir. Oluşan parçacık boyutları, proses parametrelerinin etkisiyle 0,2-10 μm arasında değişmektedir. Ergitilmiş Matrisin Sızdırılması ve Sıcak Preslenmesi Çoğunlukla cam seramik matrislerin üretimi için tercih edilen yöntemdir. Whisker halindeki fiberlerin, matris malzemesini içeren sıvı içinde dağılması sağlanır. Elde edilen ergitilmiş matris, kalıpta sıcak preslenir. Eğer takviye malzemesi olarak süreksiz fiberler kullanılacaksa Sıcak İzostatik Presleme tekniği (HIP) uygulanır. 38 Cam seramikler bu tekniğin uygulanmasına çok yatkındırlar. Çünkü pekiştirme düşük sıcaklıklarda (800-1000°C) ve basınçta gerçekleştirilebilir. Düşük sıcaklıklarda işlem yapılması zararlı fiber-matris reaksiyonlarının minimuma inmesini sağlar. Uygulanan düşük basınç da fiberlere gelen mekaniksel zararı azaltır. Kimyasal Buhar Kaplama ve Sızdırma Bu yöntem 800°C gibi düşük sıcaklıklarda uygulanabilir ve malzeme üzerine herhangi bir basınç uygulanması gerekmez. Avantajları: Karmaşık şekilli parçalar bu metodla üretilebilir. Ekonomik , düşük maliyetli bir sistemdir. Bu yöntemin dezavantajları ise şunlardır; Yavaş bir tekniktir. Hiçbir zaman istenilen yoğunluk sağlanamaz. İmal edinilecek parçaların boyutları sınırlıdır Şekil 7. SiC-SiC Matrisli Seramik Matrisin Kimyasal Buhar Sızdırma Teknigi İle Elde Edilmesi 39 Kimyasal Reaksiyonla Bağlama • Silisyum nitratla takviyelenmiş silisyum karbür (SiC) bu metodla üretilir. Fiber önce silisyum ile temas ettirilir. Sonradan azot ile sinterlenerek fiberin etrafında silisyum nitrat oluşumu sağlanır. Silisyum, fiberin üzerine püskürtülerek kaplanabilir. Bu metodla yüksek kimyasal özellikler kazandırılmasına karşın, bu melot şu anda sadece basit şekilli parçalara uygulanabilmektedir. METAL MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELERİN MEKANİK ÖZELLİKLERİ Metal matrise sürekli fiber takviye ilave edilmesi halinde elde edilen MMK malzemelerin özelliklerinin büyük bir kısmı karışım oranları kanununa (ROM) göre belirlenirken, kısa fiber veya partikül katkılı metal matrisli kompozitlerde bu durum söz konusu değildir. Metal matrisli kompozitlerde malzeme özellikleri katkı hacim oranı ile uyumlu değişim göstermektedir. Metal matrisin cinsi, takviyenin cinsi, şekli, boyutu, dağılımı, miktarı, üniform dağılması, kompozitin üretim yöntemi ve işlem parametreleri, mikroyapı içinde oluşan fazlar, matris ile katkının kimyasal uyumluluğu, ek olarak termomekanik ve ısıl işleme tabi tutulması gibi birçok etken MMK malzemelerin özelliklerinin belirlenmesinde rol oynamaktadır. Yoğunluk Yoğunluk, MMK malzemelerin en önemli özelliklerinden birisidir. Katkı olarak kullanılan malzemelerin yoğunlukları genelde matris alaşımınınkine yakındır ve dolayısıyla metal matrisli kompozitin yoğunluğunu pek değiştirmemektedir. Bununla birlikte genel olarak katkı malzemesi, matris malzemesinden daha rijit ve daha mukavemetlidir. Bu özellik metal matrisli kompozitlerin kullanımında en önemli faktörlerden olan, spesifik modül 40 ve spesifik mukavemet gibi özelliklerin, metal malzemelere oranla çok üstün olması sonucunu ortaya çıkarmaktadır Tablo 5. Bazı malzemelerin spesifik modül değerleri Elastiklik Modül Metal Matrisli Kompozit malzemelerde, elastiklik modül, takviye hacim oranının artışı ile belirgin bir şekilde yükselir. Takviye elemanı olan partikül veya fiberin elastiklik modülünün, metal matris malzemesinin elastiklik modülünden fazla olması bu artışın en temel nedenidir. Bu artışta takviye şeklide bir faktör olmakla birlikte, elastiklik modülünün belirlenmesinde etkin olan faktör, takviye malzemesinin hacim oranıdır. Tablo 6. Partikül takviyeli Al MMK malzemede, partikül hacim oranına bağlı olarak elastisite modülünün artışı 41 MMK malzemeler oda sıcaklığında takviye edilmemiş metal alaşımlarına göre göstermiş oldukları yüksek elastiklik modülü özelliklerini, yüksek sıcaklıklarda da sürdürmektedirler. Tablo 7. % 20 hacim oranında Al2O3 takviyeli Al 2124-T6 alaşımında elastiklik modülünün sıcaklığa bağlı olarak değişimi Mukavemet Metal matrisli kompozit malzemelerde mukavemet, takviye elemanının hacim oranının artışı ile artar. Takviye hacimsel oranı ve takviye boyut oranına bağlı olarak kompozit mukavemeti matematiksel olarak ifade edilebilmektedir. Ancak bu ifadelerde mikroyapı modifikasyonları, dislakasyon yoğunluğu, ısıl işlem sertleşmesi gibi faktörler göz önüne alınmadığı için elde edilen sonuçların geçerliliği azalmaktadır. Oda sıcaklığında, 6061 (Al-Mg-Si) matrisli SiC partikül takviyeli kompozit malzemede partikül hacim oranına bağlı olarak elastiklik modülü, akma ve çekme mukavemetinin değişimi aşağıdaki tabloda gösterilmiştir. 42 Tablo 8. 6061Al-SiC kompozit malzemesinde, partikül hacim oranına bağlı olarak bazı mekanik özelliklerin değişimi. Sürekli fiber takviyeli kompozitlerde dayanım, partikül takviyelilere oranla daha fazladır. Tek yönlü fiberle takviye edilmiş kompozitlere bir kuvvet uygulandığında kompozit elastik deformasyona uğrar. Matris, fiber ve kompozitin uzama miktarları aynı kabul edilir. Kısacası εm = εf = εc’dir. Kısa fiber veya partikül takviyeli kompozitlerde ise bu eşitlik geçersizdir. Mukavemet artışının büyüklüğü aynı zamanda, matris alaşımının mikroyapısına da bağlıdır. Yaşlandırma sertleşmesine tabi tutulmuş alaşımlar iç gerinimlere karşı daha hassastırlar ve gerinim artışı ile şekil verme oranı, hızlı bir azalma gösterir. Bir kompozitte, dayanım artışı elde edilebilmesi, kompozit malzemede meydana gelen gerilmeyi matristen daha mukavemetli olan takviye partikülüne transfer edebilme yeteneğine bağlıdır. Bu da partikül ile matris arasında kuvvetli bir arayüzey bağlantısı ile olur. Arayüzey bağı zayıf olduğu zaman, malzemeye herhangi bir gerilme uygulanması durumunda, gerilme takviye partiküle transfer olamadan hasar meydana gelecektir. 43 Kompozit, mukavemet açısından takviyesiz matristen bile daha zayıf olacaktır. Çünkü yükü çeken efektif alan azalacaktır. Bu nedenle metal matrisli kompozit malzemelerde takviye-matris arayüzey bağının iyi olması gerekmektedir. Bu yönde yapılan çalışmalar, parçacık yüzeyine kaplama yapılması, ısıl işlem uygulanması veya matris bileşiminin ayarlanması şeklindedir. Eğilme mukavemeti açısından bakıldığında ise, uygulanan ısıl işlemlerin ve takviye malzemelerinin etkisinin önemli olduğunu görülmektedir. Isıl işlem, malzemenin eğilme mukavemetini arttırabilmektedir. Belli bir noktadan sonra, ısıl işlem sıcaklığının artması ile mukavemet değerleri azalır. Bunun yanında, kompozitteki takviye fazının miktarının artmasının eğilme mukavemeti değerini düşürdüğü görülmüştür. Bunun nedeni ise takviye fazı miktarının artması ile kompozitin sünekliğinin azalmasıdır. Partiküllerin homojen dağılması da, izotropik özelliklerin sağlanması açısından önemlidir. Partiküllerin homojen dağılımının, en iyi oranda sağlanabildiği üretim yöntemi ise toz metalurjisi yöntemidir. Şekil 8. Partikül takviyeli MMK malzemelerde partikül çapının çekme mukavemetine etkisi. Yapılan araştırmalardan ortaya çıkan sonuçlara göre MMK malzemelerin dayanımı aşağıdaki özelliklere bağlı olarak değişmektedir: 44 • Partiküllerin oranına, • Partiküllerin büyüklüğüne, • Partiküllerin homojen dağılımına, • Partiküllerin özelliklerine, • Matris malzemesinin özelliklerine • Ara yüzey özelliklerine % Uzama (Süneklik) Metal matrisli kompozit malzemelerdeki en önemli dezavantaj süneklikteki azalmadır. Yüzde uzama değeri, takviye elemanı oranının artmasıyla hızlı bir şekilde azalmaktadır. Yapılan çalışmalar, kompozit malzemedeki hasarın, partikül kırılması ve matris içerisindeki partikül yığılmaları arasında oluşan boşlukların birlikte etkisi sonucu oluştuğunu göstermektedir. Bunun nedeni, iri parçacıkların daha fazla gerilmeye maruz kalması ve daha fazla çatlak başlangıç hatası içermesidir. Partikül yığılması ile meydana gelen hasarın nedeni, bu bölgede oluşmuş üç eksenli gerilmeye bağlanmaktadır. Çalışmalar partikül kırılmasını engellemek için, kaba partiküllerden kaçınılması gerektiğini göstermiştir. Partikül kırılmasını engellemek ve partiküle verimli bir şekilde yük transfer etmek için yüksek bir ara yüzey mukavemeti gereklidir. Ayrıca partikül dağılımı da kompozitin uzamasına etki edecek, homojen bir dağılım kopma uzamasını arttıracaktır. Ekstrüze edilmiş malzemede, partikül dağılımı daha homojendir ve bu da % uzama değerini artırır. 45 Tablo 9. 6092 ( Al-Mg-Si)-SiC kompozit malzemesinde, partikül hacim oranına bağlı olarak sünekliğin değişimi Çizelgede 6092 (Al-Mg-Si)-SiCp kompozit malzemesinde, partikül hacim oranına bağlı olarak sünekliğin değişimi görülmektedir. Belli bir hacim oranında, maksimum uzama elde etmek için gerekli özellikler şunlardır: Homojen partikül dağılımı ince ( <10 μm), Homojen partikül boyutu, Yüksek ara yüzey mukavemeti, Sünek bir matris Yüksek Sıcaklık Dayanımı Metal matrisli kompozit malzemelerin ticari açıdan önemli bir özelliği de yüksek sıcaklık dayanımıdır. Bu özelliği sağlayan en önemli faktör seramik esaslı takviye malzemesinin yüksek sıcaklıkta göstermiş olduğu dayanımdır. Şekil 9’da Al 6061 metal matrisli kompozitte, SiC whisker takviyesinin sıcaklık dayanımı üzerine etkisi gösterilmiştir. Şekil’de görüldüğü gibi whisker takviyesi ile malzeme, yüksek sıcaklıklarda daha iyi mukavemet göstermektedir. 46 Şekil 9. Al 6061 metal matrisli kompozitte, SiC whisker takviyesinin ve sıcaklığın dayanıma etkisi Şekil 10. Bazı metal matrisli kompozitlerde sıcaklığa bağlı olarak spesifik çekme mukavemetinin değişimi Kırılma Tokluğu Kırılma tokluğu değeri, çatlak oluşumuna ve ilerlemesine karşı direncin bir göstergesidir. Yüzde uzama değeri fazla olan, yani plastik deformasyon kabiliyeti fazla olan malzemelerin kırılma tokluğu değeri yüksektir. Genelde takviye oranının artması ile tokluk düşmektedir. Bu düşüş % 0’dan %10 takviye oranına kadar oldukça belirgindir. Yüksek takviye hacim oranlarında ise bu düşüş çok azdır. Yaşlandırılabilen matrislerde, yaşlandırma işlemi ile tokluk bir miktar azalır. Partikül boyutunun büyük olması da kırılma tokluğunu arttırır. Metal matrisli 47 kompozit malzemelerde tokluğun optimizasyonu ve değerlendirilmesinin zor olmasının nedeni pek çok parametreye bağlı olmasından dolayıdır. Metal matrisli kompozitlerin toklukları aşağıdaki faktörlere bağlıdır: • Takviye fazı özellikleri ve tipi, • Takviye elemanı miktarı ve doğrultusu, • Matris alaşımları ve özellikleri, • Matris-takviye elemanı ara yüzeyi bağı, • Uygulanan üretim metodu ve takviye elemanının dağılımı, • Porozite seviyesi ve matris içindeki yığılma etkisi gibi mikroyapısal değişiklikler Aşağıdaki çizelgede bazı partikül takviyeli metal matrisli kompozit malzemelerin kırılma tokluğu değerleri verilmiştir: Tablo 10. Bazı partikül takviyeli metal matrisli kompozit malzemelerin kırılma tokluğu değerleri. Termal Genleşme Özellikle seramik ve karbon takviye malzemelerinin düşük termal genleşme katsayısına sahip olmalarından yararlanılarak, düşük termal genleşme katsayısına sahip MMK malzemelerin üretimi mümkün olmaktadır. 48 Bu özelliklerden yararlanılarak değişik oranlarda kullanılan takviye malzemeleri ile üretilen MMK malzemeler, mikro elektronik parça imalatında, hassas ölçme cihazlarında ve düşük ısıl genleşme özelliği aranan parçaların imalinde kullanılabilmektedirler. Havacılık ve uzay uygulamalarında da, çok düşük ısıl genleşme katsayılı kompozit malzemeler (Al matris-C takviye) oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Buna örnek olarak Hubble uzay teleskopunda anten destek yapılarının karbon fiber takviyeli Al MMK malzemlerden yapılmasını gösterebiliriz. Bu kullanımda göz önüne alınan en önemli iki faktör, yüksek eksenel modül değeri ve sıfıra yakın termal genleşme katsayısıdır. Bu sayede güneş ışınlarına direkt olarak maruz kalınan bölgelerde boyutsal stabilite sağlanmaktadır. Şekil 11. Bazı metal matris malzemeleri ve takviye elemanlarının termal genleşme katsayılarının sıcaklıkla değişimi 49 Tablo 11. Al ve Cu metal matrisli kompozit malzemelerde takviye hacim oranının artışı ile termal genleşme katsayısının değişimi Şekil 12. Alüminyum metal matrisli kompozit içerisine SiC partikül katılmasıyla ısıl genleşme katsayısının değişimi ve buna eşdeğer bazı malzemeler Yorulma Malzemelerin statik zorlanmada dayanabileceği maksimum gerilmeden daha düşük, tekrarlanan gerilmelerin etkisiyle hasara uğramasına yorulma denir. Yorulmadan kaynaklanan kırılmalar çevrimsel gerilmeler sonucu oluşarak, çatlak başlangıcı, çatlağın kritik boyuta ilerlemesi ve kırılma olarak gerçekleşir. Çatlak başlangıcında olduğu gibi 50 çatlak ilerlemesinde de çok sayıda ilave faktörün (çevre, frekans, sıcaklık ve mikro yapısal faktörler) etkisi vardır. Malzeme içerisinde, yorulma hasarına yol açacak mikro çatlak oluşum ve ilerleme mekanizmalarını azaltan her türlü faktör yorulma dayanımını arttırmaktadır. Sürünme Sürünme, sabit deformasyondur. yük altında Sıcaklık, malzemenin sürünmeyi zaman arttırıcı bir içinde göstermiş olduğu Yüksek sıcaklık faktördür. uygulamaları için metal matrisli kompozit malzemelerin sürünme özelliği çok önemlidir. Kısa fiber ve partikül takviyeli MMK malzemeler üzerinde yapılan deneylerde, sürünme hızının, takviye hacim oranının artışı ile düştüğü görülmüştür. Şekil 13. Titanyum matrisli, TiB partikül takviyeli kompozitte, 600°C sıcaklıkta, partikül hacim oranına bağlı olarak sürünme oranının değişimi 51 Aşınma Direnci Aşınma, aşındırıcı bir ortamda bulunan malzemenin yüzeyinde zamanla meydana gelen malzeme kaybıdır. Partikül takviyeli MMK malzemelerin, metal alaşımlarına göre en önemli üstünlüklerinden biride aşınma özellikleridir. SiC, Al2O3 , TiC , B4C gibi sert partiküller , metal matrisin aşınma direncini arttırırken, grafit partiküller de yağlayıcı özellik sağlarlar. Yapılan çalışmalar, partikül takviyeli Al matrisli kompozitlerde aşınma direncinin, takviye elemanı miktarı ile doğru orantılı olarak arttığını göstermektedir Aşınma direncini etkileyen diğer bir faktör ise matris malzemesinin sertliğidir. Alüminyum ve alaşımları çelik veya dökme demirle mukayese edildiğinde, genelde daha düşük sertliğe sahiptirler. Bu alaşımlar bundan dolayı yoğun aşınmaya maruz kalan yerlerde kullanılamamaktadır. Takviye elemanı ilavesiyle aşınma direnci artmakta, bu sayede de MMK malzemeler aşınma direncinin önemli olduğu uygulama alanlarında kullanılabilmektedirler. Bir çok çalışma, partikül takviyeli MMK malzemelerin abrazif aşınma özelliğinin, takviye edilmemiş alaşımlara göre çok daha iyi olduğunu göstermektedir. Bununla beraber aşınma mekanizması etkileyen çok sayıda değişken olduğu unutulmamalıdır. Bu değişkenler; • Test geometrisi, • Uygulanan yük, • Test süresi, • Matris ve takviye malzemesi • Sıcaklık, • Nem • Diğer çevresel faktörlerdir. 52 METAL MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN KULLANIM ANLANLARI 80’li yılların başında belli sektörlerdeki gelişmeler, özellikle gelişmiş motorlar ile havacılık ve uzay araçları üretimi için yüksek sıcaklık malzemelerine olan gereksinim, metal matrisli kompozit malzemelere olan ilginin artmasında başlangıç noktası oluşturmuştur. Metal matrisli kompozit malzemeler halen pahalı olmalarına karşın, metaller veya plastik matrisli kompozitlerle karşılanamayan yüksek teknolojiye dayalı gereksinimler bu malzemelerle karşılanabilmektedir. ABD’de çoğu araştırma bazında ve askeri amaçlı olmak üzere 1988’de yirmi milyon dolar olan metal matrisli kompozit pazarı 2000 yılında ortalama %20’lik bir artış göstermiştir. Dünya pazarında en büyük payı alüminyum metal matrisli kompozit malzemeler almaktadır. Sürekli Fiber Takviyeli Metal Matrisli Kompozit Malzeme Uygulamaları Yüksek maliyetli sürekli fiber katkılı metal matrisli kompozitler, yüksek mukavemet ve ısı direnci gerektiren ancak maliyetin önemli olmadığı veya kaçınılmaz olarak katlanıldığı alanlarda havacılık, uzay endüstrisi ve enerji sektöründe uygulama olanağı bulmaktadır. Uzay araçlarının karşılaştıkları çok yüksek sıcaklık ve basınç göz önüne alındığında, yüksek dayanımlı ve hafif malzemelerin kullanılması gereksinimi vardır. Uzay araçlarının karşılaştığı yüksek sıcaklıklar plastik matrisli kompozitler ve bir kaçı dışında geleneksel metaller ve alaşımları için çok yüksektir. Titanyum ve alaşımları gibi, hafif ve yüksek sıcaklıkta kullanılabilen malzemelere, elastisite modülü yüksek, yüksek dayanımlı seramik veya karbon fiberler katılarak elde edilen metal matrisli kompozitler, uzay araçlarının karşılaşacağı ortamlara dayanma yeteneğine sahip olacaktır. Örneğin, uzay mekikleri, metal matrisli kompozitlerin bu alandaki ilk üretim uygulamalarından birini temsil etmektedir. Ana gövdeyi destekleyen kafes sistemi ile kirişlerde ve iniş takımı parçalarında tek yönlü bor-alüminyum metal matrisli kompozit borular kullanılmıştır. Göv-de kafes sistemini destekleyen 159 kg gelen bor-alüminyum borular %44’lük bir ağırlık kazancı sağlamaktadır. 53 Şekil 14. Karbon fiber katkılı Mg matrisli kompozit uydu destek parçaları Uzay yapılarının ortam ve çalışma şartları gereği düşük ağırlık, yüksek rijitlik, düşük ısıl genleşme ve boyutsal kararlılığa sahip olması gereklidir. Bor ve karbon fiber katkılı metal matrisli kompozitler, uzay araçları ve yapılarında, boyutça kritik uygulamalar için yüksek rijitlik ve düşük ısıl genleşme katsayılı malzemeler olarak gelecek kuşak malzemeleri temsil etmektedir. Şekil 15’de uzay mekiği gövdesinde kullanılan bor fiber takviyeli alüminyum tüpler gösterilmiştir Şekil 15. Uzay mekiği gövdesindekullanılan bor fiber takviyelialüminyum tüpler NASA’da yapılan araştırmalarda yüksek dayanımlı ticari Al-alaşımları ile en son geliştirilmiş üretim süreçlerinin birleştirilmesi sonucu üretilen metal matrisli kompozitler ısıl çevrimler sırasında şekil değişimi göstermemektedirler. P100 karbon fiber katkılı 2024 Al alaşımı kompoziti , 1000 ısıl çevrim sonrası bile şekil değişimi 54 göstermemektedir. Bu metal matrisli kompozitler özel işlem süreçleri sonrasında, boyutça kritik uzay yapıları için mükemmel malzemeler haline gelmişlerdir. Jet motorları, fan kanatları, uçak kanatlarının yüzeyleri ve yapı destekleri, iniş takımı parçaları, bisiklet iskeleti ve golf sopaları gibi alanlar sürekli bor fiber katkılı metal matrisli kompozitlerin diğer uygulama alanlarıdır. Gerek sivil ve gerekse askeri havacılıkta kullanılan uçaklardan beklenen performans giderek artmaktadır. Örneğin, Amerikan Deniz ve Hava Kuvvetleri ile NASA yetkilileri Mach 25 orbitalinde ve yüksek irtifalarda 4000-8000 mph hızlarında uçabilecek uçaklar istemektedir. Bu hızlarda uçağın gövdesi boyunca sıcaklığın 760 oCye, burnunda ise yaklaşık 1800 0C’ye erişeceği hesaplanmaktadır. Bu amaçla Avco’s Specialty Materials Division (Lowell, MA, USA) silisyum karbür ve titanyum aluminiti kimyasal olarak buhar kaplama ile birleştirilmektedir. Bu yolla üretilen 14μm çaplı SiC fiberleri kumaş gibi dokunarak titanyum levhaları arasına koyulup sıcakta preslenir. Avco patentli bu teknoloji oldukça pahalıdır. Elektrik iletkenliği ve elektronik devre kartları, entegre ve hibrid devre yapımı uygulamalarıyla ilgili olarak zift esaslı karbon fiberler, fiber boyunca çok yüksek elastisite modülüne, ısı iletimine ve negatif ısıl genleşme katsayısına sahiptir. Ancak fiberler, enine düşük modüle ve yüksek ısıl genleşme katsayısına sahiptir, başka bir deyişle bu fiberlerin özellikleri çok anizotropiktir. Hitachi Ltd’nin Gradia (Cu- %20 C fiber) kompozitinden yapılmış kaymalı elektrik kontaktörleri düşük ısıl genleşme katsayısı ile yüksek elektrik iletkenliğini birleştirmesi nedeniyle geleneksel malzemelerden daha yüksek performans gösterirler. Bunlara benzer şekilde bor fiber takviyeli alüminyum kompozitlerde elektriksel uygulamalarda sıklıkla kullanılır. Otomotiv sektöründe ise bu konuda öncü olan Japon otomotiv sektörü olmuştur. Otomotiv endüstrisinde metal matrisli kompozit malzemelerin üretiminde ve uygulanmasında öncü olan Japon Toyota firması alümina fiber katkılı dizel motor pistonlarını yaklaşık olarak 20 yıldır üretmektedir. Bilineceği gibi bu uygulamada hafiflik, spesifik modül ve mukavemet, yorulma özellikleriyle birlikte aşınma direnci 55 önemlidir. Bu konu üzerinde yoğun araştırmalar yapan diğer bir firmada Honda firmasıdır . Partikül, Kısa Fiber ve Whisker Takviyeli Metal Matrisli Kompozit Malzeme Uygulamaları Yaygın olarak kullanılan yapısal amaçlı metaller ve alaşımlarla karşılaştırıldığında metal matrisli kompozitler çok daha yüksek spesifik modül ve spesifik mukavemet değerleri göstermektedir. Bu nedenle yapısal amaçlı metal matrisli kompozitler, ağırlık bakımından kritik uygulamalar için hem başlangıçta hem de işletme ömrü boyunca oluşacak maliyetlerin düşürülmesi fırsatını vermektedir . Özellikle Amerikan havacılık sanayi bu konuda öncü niteliğindedir. Savaş uçaklarının gövde, kanat ve kuyruklarında kullanılabilecek SiC whisker katkılı metal matrisli kompozit malzemeler bazı firmalar tarafından üretilmektedir. Askeri amaçlı yapı, örneğin güdümlü füze uygulamalarında parçalarda hafiflik, boyut kararlılığı ve gövdedeki parçaların birbiri ile birleştirilmesinde ısıl genleşme katsayılarının uyumluluğu gerekli olduğu için malzeme seçimi çok önemlidir. Metal matrisli partikül veya kısa fiber takviyeli kompozit malzemeler otomotiv endüstrisinde önemli bir konuma sahiptir. Yüksek spesifik modülleri ve yorulma dayanımları, aşınma di-rençleri, düşük ısıl genleşme katsayıları bu alanda kullanımlarını sağlayan özelliklerden bir kaçıdır. Metal matrisli kompozitler açısından bir başka önemli husus araç ağırlığındaki % 10-20’lik azalmanın beraberin-de yakıt tüketiminde % 5-10 gibi bir iyileşmeyi getirmesidir. Bu özellikler, günümüz otomobillerinde metal matrisli kompozitlerin kullanımını arttırmaktadır. Otomotiv endüstrisinde kısa fiber, whisker veya partikül katkılı metal matrisli kompozitlerde genelde, uygun özellikleri nedeni ile matris malzemesi olarak alüminyum alaşımları kullanılmaktadır. Yolcu ve yük taşıtlarında bu kompozitler, öncelikle hafiflikleri sebebiyle şaft olarak kullanım alanı bulmaktadır. Spesifik modüllerinin hem 56 çelikten hem de alüminyumdan önemli miktarda yüksek olabilmesi nedeniyle bu kompozitlerde daha uzun şaft üretmek mümkündür. Bu uygulama için genellikle 6xxx serisi Al alaşımları kullanılmaktadır. Otomotiv endüstrisinde, bu kompozitlerin diğer bir yaygın kullanım alanı fren diskleri olup, öncelikli yararı disklerdeki % 50-60’lık ağırlık azalmasıdır. Dökme demirden bir fren diski 5.4 kg iken, partikül takviyeli MMK fren diski 2.5 kg’dır. İvmelenme artışı ve fren mesafesinin azalmasının yanında dökme demirden yapılmış olanlara oranla MMK fren disklerinde fren gürültüsü azalırken, daha homojen sürtünme ve daha az aşınma oluşmaktadır. Ayrıca fren diskinin ulaştığı sıcaklık da önemli bir tasarım parametresidir. En çok karşılaşılan sıcaklıklar 300 °C ve al-tındaki sıcaklıklar iken 450 °C gibi yüksek sıcaklıklara da rastlanılmaktadır . Toplam araç ağırlığını azaltmak üzere tüm büyük otomobil üreticileri, dökme demir motor bloklarının yerine alüminyum esaslı kompozit motor bloğu teknolojileri geliştirmektedirler. Bu değişimin ağırlık kazancı 15-35 kg kadardır. MMK malzemeden üretilen motor blokları boyutsal kararlılık ve blok rijitliğini geliştirerek motordaki sürtünmeyi azaltıp motorun verimini arttırmaktadır. Silindir bölgesi 200 °C ye kadar aşırı sıcaklık ve yanma yüklenmelerine maruz kaldığından aşınma direnci, yorulma ve sürünme gibi özellikler de önemli olmaktadır. Yapılan testlerde, dökme demirler-le karşılaştırıldığında, % 10-20 hacim oranında Al2O3 ve-ya SiC partikül katkılı silindir gömleklerinin çok daha iyi özelliklere sahip olduğu görülmüştür. Şekil 16’da SiC partikül takviyeli Al metal matrisli kompozit silindir gömleği görülmektedir Şekil 16. SiC partikül takviyeli Al metal matrisli kompozit silindir gömleği (Inasmet) 57 Şekil 17. Partikül takviyeli MMK kompozit fren elemanları Partikül takviyeli MMK malzemeler havacılıkta da kullanım alanı bulmuşlardır. Uçakların gövde elemanlarının imalatında kullanım alanları gittikçe artmaktadır. Şekil18’ de F-16 uçaklarında kullanılan SiC partikül takviyeli 6092 Al alaşımı matrisli MMK malzeme görülmektedir. Ayrıca bazı helikopterlerin pervanelerinde ve uçuş tertibatlarında bu kompozitler kullanılmaktadır . Şekil 18. F-16 uçağı gövdesinde partikül takviyeli MMK malzeme kullanımı Seramik whisker ve kısa fiber takviyeli MMK malzemeler, otomotiv uygulamalarında ve askeri uygulamalarda kullanılabilmektedirler. SiC whisker takviyeli MMK malzemeler, gelişmiş askeri tanklarda palet malzemesi olarak kullanılmakta, bu sayede tankın ağırlığı azaltılmaktadır. Kısa fiber takviyeli MMK malzemeler otomobillerde, piston ve silindir uygulamalarında kullanılabilmektedir. Basınçlı dökümle üretilen, grafit ve alümina takviyeli MMK motor bloğu Şekil 19’da verilmiştir 58 Şekil 19. Grafit ve alümina takviyeli MMK motor bloğu MMK malzemeler otomotiv endüstrisinde diğer bir kullanım şekli de biyel koludur. Biyel kolu için öncelikli tasarım özelliği 150-180oC’de yüksek ömür sağlayan yorulma dayanımıdır. Bu uygulama için uygun kompozitlerden biri, toz metalurjisi ile üretilmiş 2080 Al matrisli %15 SiC partikül takviyeli metal matrisli kompozitdir. Bu kompozit, belirtilen sıcaklıklarda çok iyi yorulma dayanımına sahiptir. Metal matrisli kompozitlerin otomotiv endüstrisinde diğer bir kullanımı ise piston ve silindir gömlekleridir. Al-Gr partikül takviyeli kompozit malzemeden yapılmış piston ve silindir gömleklerinin, içten yanmalı motorlarda kullanımının önemli miktarda yakıt kazancı sağlarken aynı zamanda bu parçalarda aşınmanın da azaldığı görülmüştür. Ayrıca Honda firması 1990’dan beri alümina ve karbon kısa fiber takviyeli alüminyum silindir gömleklerinin üretimini gerçekleştirmektedir. Şekil 20 ve 21’de alüminyum esaslı kompozit malzemelerden üretilen motor parçaları görülmektedir. Şekil 20. SiC partikül takviyeli Al kompozit biyel kolu 59 Şekil 21. Alümina kısa fiber takviyeli alüminyum kompozit piston Fiber takviyeli MMK malzemeler ise yüksek mukavemet ve yüksek elastiklik modülü gerektiren uygulamalarda kullanılmaktadırlar. Örnek olarak, karbon fiber takviyeli MMK malzemeler Hubble uzay teleskobunun anten dalga kılavuzu olarak kullanılmaktadır. Bor fiber takviyeli 6061 alüminyum alaşımı matrisli kompozit malzemeler, uzay mekiklerinin ana kargo bölümlerinde destek elemanı olarak kullanılmaktadırlar. Şekil 22’de yüksek spesifik mukavemete ve elastiklik modülüne sahip hacimce %50 bor fiber takviyeli 6061 alaşımı matrise sahip MMK kompozit malzemenin uzay mekiği kargo bölümünde destek olarak kullanımı görülmektedir. Şekil 22. Uzay mekiği destek parçası olarak kullanılan fiber takviyeli MMK malzeme 60 MMK malzemeler spor endüstrisinde de kullanım alanı bulmuşlardır. MMK malzemeden üretilmiş tenis raketleri, kayaklar, kayak sopaları, golf sopaları, bisiklet parçaları mevcuttur. Partikül takviyeli metal matrisli kompozit malzemeler, elektronik ve optik uygulamalarda da kullanılmaktadır. Elektronikte, entegre ve hibrid devre yapımında, özellikle ısıl genleşme katsayının düşük olması nedeni ile bu tür kompozitler kullanılır. Optik sistemlerde de, uzay teleskopları, yansıtıcı ayna malzemeleri ve kızıl ötesi görüntü tarama sistemleri parçaları olarak kullanım alanları vardır. 61 BÖLÜM 3. POLİMER ESASLI KOMPOZİT MALZEMELER İlk modern sentetik plastiklerin 1900'lerin başında geliştirilmesinin ardından, 1930'larm sonunda plastik malzemelerin özellikleri diğer malzeme çeşitleri ile rekabet edecek düzeyde gelişmeye başlamıştır. Kolay şekillendirilebilir olması, metallere oranla düşük yoğunlukta olması, üstün yüzey kalitesi ve korozyona karşı dayanımı plastiğin yükselmesindeki en önemli özelliklerdir. Birçok üstün özelliğinin yanı sıra sertlik ve dayanıklılık özelliklerinin düşük olması plastik malzemelerin güçlendirilmesi için çalışmalar yapılmasına neden olmuştur. Bu eksikliğin giderilmesi amacıyla 1950'lilerde polimer esaslı kompozit malzemeler geliştirilmiştir. Kompozitler, özellikle polimer kompozitler yüksek mukavemet, boyut ve termal kararlılık, sertlik, aşınmaya karşı dayanıklılık gibi özellikleriyle pek çok avantajlar sunmaktadırlar. Ayrıca kompozit malzemeler dayanıklılık ve sertlik yönünden metallerle yarışabilecek olmasına rağmen çok daha hafiftirler. Kompozit malzemeler reçine (Matrix) ve takviye (Reinforcement) bileşenlerinden oluşurlar. Kompozitler temel olarak kalıp görevi gören reçine içine gömülmüş sürekli veya kırpılmış elyaflardan oluşmaktadır. Bu bileşenler birbirleri içinde çözülmezler veya karışmazlar. Kompozit malzemelerde elyaf sertlik, sağlamlık gibi yapısal özellikleri, plastik reçine malzemesi ise elyafın yapısal bütünlüğü oluşturması için birbirine bağlanması, yükün elyaf arasında dağılmasını ve elyafın kimyasal etkilerden ve atmosfer şartlarından korunmasını sağlar. Matrisler Kompozit malzemelerde polimer esaslı matrislerin yanı sıra metal, seramik türevi malzemelerde matris olarak kullanılmaktadır. Diğer matrislerin kullanılmasına rağmen kompozit malzemelerin % 90'ı polimer esaslı matrislerle üretilmektedir. Matris 62 malzemelerinin genellikle plastik esaslı olmasından dolayı kompozit malzemeler de genellikle takviye edilmiş plastikler olarak adlandırılırlar. Metal matrisler büyük çaplı uygulamalarda kullanılmak için çok pahalı ve çalışılmaları çok zordur. Seramik matrisler ise yüksek oranda kırılgan olmalarından dolayı yeterli dayanıklılığa sahip olmamaları nedeniyle kullanım alanları yüksek ısı ile kullanılan yerlerle sınırlanmaktadır. Karbon matrisli kompozit malzemeleri üretmek çok zor ve çok pahalıdır. En çok tercih edildikleri uygulamalar yarış arabalarının ve uçakların fren balatalarıdır. Tüm diğer matris alternatifleri arasında ticari olarak en uygun olan plastik matrisler arasında ise en çok kullanılan termoset esaslı olan polyester ve epoksi reçineleridir. Matrisler güçlü yapıştırma, çevre ve atmosfer şartlarına yüksek dayanım ve yüksek mekanik özellikler gösterirler. Bir matrisin öncelikle sağladığı mekanik özellikler yüksek sertlik ve yüksek dayanıklılık değerleridir. İyi bir malzeme sert olmalıdır, fakat gevrek bir malzemenin gösterdiği davranışlardan dolayı performansı düşmemelidir. Bu özellikleri büyük ölçüde karşılayan polimer esaslı matrisler Termoset ve Termoplastik Matrisler olarak iki tür olarak bulunmaktadır; Termoset Matrisler Termoset esaslı kompozit malzeme matrisleri olarak en çok kullanılanlardır. Termoset plastikler sıvı halde bulunurlar, ısıtılarak ve kimyasal tepkimelerle sertleşir ve sağlamlaşırlar. Termoset polimerlerin polimerizasyon süreci termo plastiklerden farklı olarak geri dönüşü olmayan bir süreçtir. Yüksek sıcaklıklarda dahi yumuşamazlar. Çoğu termoset matris sertleşmemeleri için dondurulmuş olarak depolanmak zorundadır. Dondurucudan çıkarılıp oda sıcaklığında bir müddet (1-4 hafta arası) bekletildiğinde sertleşmeye başlar ve özelliklerini kaybederek biçim verilmesi zor bir hâl alır ve kullanılamaz duruma gelir. Dondurucu içinde olmak şartıyla raf ömürleri ise 6 ila 18 ay arasında değişmektedir. Termoset reçineler kimyasal etkiler altında çözülmez ve olağandışı hava şartlarında dahi uzun ömürlü olmaktadırlar. Aşağıda en yoğun kullanılan matrisler ve genel özellikleri yer almaktadır; 63 Polyester: Özellikle denizcilik ve inşaat alanında en çok kullanılan termoset reçinedir. Kompozit malzemelerde kullanılan 2 tür polyester reçine vardır; • Ortoftalik Polyester: Daha ekonomiktir. • İsoftalik Polyester: Suya dayanım gibi daha iyi özelliklere sahiptir Polyester reçinelerini polimerizasyon süreçlerinin tamamlaması için katalizör ve hızlandırıcı olarak adlandırılan ek maddelere ihtiyaç duyarlar. Türkiye'de Cam Elyaf A.Ş.’nin yanı sıra Boytek Reçine, Boya ve Kimya Sanayi Ticaret A.Ş. gibi firmalar da genel amaçlı kullanımlar için polyester üretmektedir. Reçinelerin avantaj ve dezavantajları; Kolay kullanım, Çok düşük maliyet, Sertleşme sırasında yüksek oranda çekme Zehirli Sitiren gazı yayma Orta mekanik özellikler Kısa raf ömrü Epoksiler: Geniş kullanım alanına sahiptirler, (prepregs olarak) havacılık, spor, ulaşım, askeri ve deniz araçları elemanları. İyi mekanik özellikler Suya dayanım Islakken 140°C, kuruyken 220°C 'ye kadar ısı dayanımı Sertleşme sırasında düşük oranda çekme Yüksek maliyet Cilde aşırı zararlı Doğru karışım son derece önemli 64 Vinil ester: Son derece yüksek kimyasal/çevresel dayanım Polyesterden daha yüksek mekanik özellikler Polyesterden daha pahalı, İyi özellikler için ikincil kür işlemi gerekir. Sertleşme sırasında yüksek oranda çekme Fenolikler: Ateşe dayanım ihtiyacı olan yerlerde kullanılır. Kür işleminin buharlaşma özelliği hava boşlukların oluşmasına ve yüzey kalitesinin düşmesine neden olur. Uçakların iç bölümlerinde, deniz araçlarının motorlarında ve demiryollarında kullanılır. Yüksek ateş dayanımı, Düşük maliyet, Yaş halde son derece zararlı, Oldukça kırılgan, Düşük yüzey kalitesi, Silikon: Yüksek ateş dayanımı Yüksek ısılarda ürün özelliklerini koruyabilme Kür işlemi için yüksek ısı gereklidir Poliamidler Poliamid elyafı sektörde Naylon adıyla bilinmektedir. Naylon elyafı; kimyasal elyafların üretilmesinde öncü konumda olan, çok kullanılan ve çok çeşitleri olan bir elyaftır. 65 Hammaddesi petroldür. İlk kimyasal elyaf elde etme çalışmaları ve araştırmaları sırasında naylon elyafının polyester karşısında sağlamlık açısından daha ileride olması, bu elyafın polyester ve diğer kimyasal elyafların üretim çalışmaları içinde ön plana çıkmasını sağlamıştır. Bu güne kadar en çok bilinen naylon elyafları, poliamid 6 ve poliamid 6.6’dır. Genel olarak bütün poliamid elyaflarına naylon denilmesinin yanında, aslında naylon terimi poliamid 6.6 elyafı için öngörülmüştür. Poliamid 6 elyafına da perlon denilmektedir. Bununla beraber bu iki poliamid tipine göre daha az öneme sahip bir tip de poliamid 11’dir. Buna ise rilsan adı verilmektedir. Poliüretan Poliüretan; 1937 yılında Otto Bayer ve çalışma arkadaşları tarafından (Leverkusen, Almanya) bulunan, karbamat bağlantıları içeren organik üniteler zincirinden oluşan polimerlerdir. İzosiyonat ve hidroksil grupları arasındaki reaksiyon ürününü (üretan) tekrarlar şeklinde ihtiva eden polimer "Poliüretan" olarak adlandırılmaktadır. Polimerin morfolojisi; kullanılan diol ve İzosiyanat ın molekül, strüktür ve karakterine göre şekil alır. Poliüretan köpükler, ısı ve ses izolasyon maddesi olarak, mobilyaların, kırılacak maddelerin taşınmasında ve döşemelerde kullanılır. Sert poliüretan köpükler ince yapıya sahip uçak kanatlarının içine konur. İlk sert poliüretan köpük 1947 yılında, esnek poliüretan köpükler 1954 yılında üretilmiştir. 1960 lı yılların başında ise otomobil sanayinde yarı sert poliüretan köpükler üretilerek oldukça yaygınlaşan ve sanayileşen hammaddenin günümüzde bilinen yaklaşık 11 bin türevi üretilmektedir. 66 Termoplastik Matrisler: Termoplastik polimerlerinin çeşitlerinin çok fazla olmasına rağmen matris olarak kullanılan polimerler sınırlıdır. Termoplastikler düşük sıcaklıklarda sert halde bulunurlar ısıtıldıklarında yumuşarlar. Termosetlere göre matris olarak kullanımları daha az olmakla birlikte üstün kırılma tokluğu, hammaddenin raf ömrünün uzun olması, geri dönüşüm kapasitesi ve sertleşme prosesi için organik çözücülere ihtiyaç duyulmamasından dolayı güvenli çalışma ortamı sağlaması gibi avantajları bulunmaktadır. Bunun yanı sıra şekil verilen termoplastik parça işlem sonrası ısıtılarak yeniden şekillendirilebilir. Oda sıcaklığında katı halde bulunan termoplastik soğutucu içinde bekletilmeden depolanabilir. Termoplastikler yüksek sertlik ve çarpma dayanımı özelliğine de sahiptirler. Yeni gelişmelerle termoplastiğin sağladığı bu artı değerleri son dönem termoset matrislerinden 977-3 Epoksi ve 52450-4 BMI reçineleri de sağlamaktadırlar. Tablo 12. Belli başlı termoplastik reçineleri ve işlem sıcaklıkları Erime sıcaklık Maksimum işlem aralığı (°C) sıcaklığı (°C) PP 160-190 110 PA 220-270 170 PES- poli eter sülfon - 180 PEI- polieterimid - 170 PAI- poliamid imide - 230 PPS- polfenilen sulfit 290-340 240 PEEK- polieter eter keton 350-390 250 Malzeme Termoplastiklerin kompozit malzemelerde matris olarak tercih edilmemelerinin başlıca nedeni üretimindeki zorlukların yanı sıra yüksek maliyetidir. Oda sıcaklığında düşük işleme kalitesi sağlarlar, bu onların üretimde zaman kaybına yol açmasına neden olur. Bazı termoplastikleri istenilen şekillere sokabilmek için çözücülere ihtiyaç duyulabilir. Termoplastikler termosetlere kıyasla hammaddesi daha pahalıdır. 67 Devamlı kullanım sıcaklıkları 60°C ile 245°C arasında değişebilen termoplastik reçine çeşitleri bulunmaktadır. Başlangıçta amorf yapılı reçinelerden polietersulfon (PES) ve polieterimid (PEI) matris olarak kullanılmaktaydı. Sonraki dönemde ise havacılık sektörü uygulamaları için çözücülere karşı dayanım önemli bir kriter olarak ortaya çıkmıştır. Bu ihtiyaç sonrasında Polietereterketon (PEEK) and Polifenilen sulfid (PPS) gibi yarı-kristal yapılı plastik malzemeler geliştirilmiştir. Ayrıca sınırlı oranlarda Poliamidimid (PAI) ve Polimid gibi plastiklerde kullanılmaktadır. Bu polimerler diğer termoplastiklerden farklı olarak polimerizasyonlarım kür aşamasında tamamlarlar. En yoğun çalışmalar ise PA, PBT/PET ve PP gibi düşük sıcaklıklarda kullanılan polimerlerin üzerine yapılmıştır. Tüm bu polimerlerin haricinde ABS, SAN, SMA (StirenMaleikAnhidrit), PSU (Polisülfon), PPE (Poifenilen Eter) matris olarak kullanılır. Termoplastik reçineler malzemenin çekme ve eğilme dayanımlarının artırılması için kullanılırlar. Otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan termoplastikler uçak sanayisinde de yüksek performanslı malzeme çözümlerinde kullanılmaktadırlar. Çoğunlukla enjeksiyon ve ekstrüzyon kalıplama yöntemleri ile üretilen termoplastiklerin üretiminde GMT (Glass Mat Reinforced Thermoplastics / Preslenebilir Takviyeli Termoplastik) olarak ta üretilmektedir (Bkz. kompozit malzeme üretim yöntemleri). Bu yöntemle hazırlanan takviyeli termoplastikler soğuk plakaların preslenebilmesi ve geri dönüşüm sürecine uygunluğundan dolayı özellikle otomotiv sektöründe tercih edilmektedir. Kompozit Malzemelerde Takviye Amacıyla Kullanılan Elyaflar Doğal elyaflar (artık yerlerini sentetik elyaflara bırakmışlardır) Sentetik, organik elyaflar; Naylon, aramid (düşük yoğunluklu ve güçlü elyaflardır) Sentetik inorganik, elyaflar; Cam,karbon boron vb. 68 En çok kullanılan kompozit malzeme kombinasyonları; Cam elyafı+ polyester, karbon elyafı+epoksi ve aramid elyafı+epoksi birleşimleridir. Kompozit malzemeler katlı tabakalar veya ince tabakalar halinde uygulanabilmektedir. 1940'larin sonlarında geliştirilen CTP (Cam Takviyeli Polyester-CTP/ Glassfiber Reinforced Polyester/GRP, FIBERGLASS) günümüzde en çok kullanılan ve ilk modern polimer esaslı kompozit malzemedir. Bugün üretilen tüm kompozit malzemelerin yaklaşık olarak % 85'i CTP'dir ve çoğunlukla tekne gövdeleri, spor araçları paneller ve araba gövdelerinde kullanılmaktadır. CTP ve diğer kompozit kombinasyonları günümüzde tercih edilmesinin ve kullanımlarındaki artışın mutlak sebepleri sağlamlıkları ve hafiflikleridir. Çeşitli plastik malzemelerin seramik, metal bazen de sert polimerlerin elyafları ile güçlendirilerek ileri derecede faydalar sağlayan malzemeler üretmek mümkündür. İçindeki plastik sayesinde kolaylıkla şekil verilebilen ve takviye elyaflar sayesinde son derece sağlam, sert ve hafif olan bu malzeme kombinasyonları, kompozitler her gün yepyeni uygulama alanlarında karşımıza çıkmaktadırlar. Ayrıca metallere kıyasla malzeme yorulması, malzeme üzerinde hasarların tolere edilmesi ve korozyona dayanıklılık özellikleri bakımından avantaj sağlamaktadır. Titanyum ve çelik gibi metallerin bazı uygulamalarda ihtiyaç duyulan kritik düzeyde ısı, mekanik özellikleri günümüz kompozitleri karşılamamaktadır. Yeni geliştirilen matris malzemelerle, elyafların tüm karakteristik özellikleri metaller kadar bilinememektedir. Bazı karmaşık biçimler düşük maliyetler çerçevesinde üretilememektedir. Kompozitler kg başına düsen üretim maliyeti rakamları metallerden, özellikle alüminyum, daha yüksektir. 69 Şekil 23. Kompozit Malzemelerinin Uçak Yapımında Kullanıldığı Yerler Takviye Malzemeleri (Elyaflar) Kompozit malzemelerde kullanılan elyafların fiziksel biçimleri, oluşturulan yeni malzemenin özellikleri üzerinde çok önemli bir faktördür. Takviyeler temel olarak 3 farklı biçimde bulunmaktadırlar; parçacıklar, süreksiz ve sürekli elyaflar. Parçacık genelde küresel bir biçimde olmamasına rağmen her yönde yaklaşık olarak eşit boyutlardadır. Çakıl, mikro balonlar ve reçine tozu parçacıklar takviyelerine örnekler arasında sayılabilir. Takviye malzemelerinin bir boyutu diğer boyutlarına göre daha fazla olduğunda elyaflardan bahsetmeye başlarız. Süreksiz elyaflar (doğranmış elyaflar, öğütülmüş elyaflar veya whiskers-püskül) birkaç milimetreden birkaç santimetreye kadar değişen ölçülerde olabilmektedir. Çoğu lifin çapı birkaç mikrometreyi geçmemektedir. Bu nedenle elyafın parçacık halden lif haline geçişi için çok fazla bir uzunluğa gerek yoktur. Sürekli elyaflar ise tel sarma yöntemi gibi yöntemlerde kesilmeden ip şeklinde kullanılmaktadır. Elyaflar en yüksek mekanik özelliklerini enlerinden daha çok boylarına gösteririler. Bu özellikler kompozit malzemelerin metallerde rastlanmayan aşırı anisotropik malzeme özelliği göstermelerine neden olur. Bu nedenle tasarım aşamasında elyafların reçine içindeki yerleşimleri ve geometrilerini göz önünde 70 bulundurmak çok önemlidir. Malzemenin anisotropik özelliği tasarım aşamasında ürünün uygun yerinde kullanılarak avantaja dönüşebilir. Bazı durumlarda malzemenin dayanımı artırmak, tüm yönlerde eşit mukavemet elde etmek için elyaflar kumaş olarak dokunurlar. Sürekli liflerle hazırlanan dokuma elyaf kumaşlarının farklı amaçlar için geliştirilmiş türleri vardır. Şekil 24. Elyaf Dokuma Türleri Cam elyafının günümüzde en çok kullanılan ve geçerli takviye malzemesi olmasına rağmen gelişmiş kompozit malzemelerde genellikle saf karbonun elyafı kullanılmaktadır. Karbon elyafı cam elyafına oranla daha güçlü ve hafif olmasına rağmen üretim maliyeti daha fazladır. Hava araçlarının iskeletlerinde ve spor araçlarında metallerin yerine kullanılmaktadır. Karbon elyafından daha güçlü ve aynı zamanda daha pahalı olan ise bor elyafıdır. Şekil 25. Karbon Elyaf Örnekleri 71 Polimerler matris olarak kullanılmalarının yanı sıra kompozitler için elyaf üretilmesinde de kullanılmaktadır. Kompozit malzemeye çok yüksek düzeyde sağlamlık katan ve sertlik kazandıran Kevler (Aramid) bir polimer elyafıdır. Hafiflik ve güvenilir konstrüksiyon amaçlanan ürünlerdeki kompozit malzemelerde aramid kullanılır. Malzemelerin Anisotropik Ve İzotropik Özellikleri Uzun lifli elyaflar kullanıldığında liflerin yönlerini değiştirilerek farklı yönlerde farklı mekanik özellikler elde etmek mümkündür. Bu duruma anisotropik özellikler denir. Metal gibi bazı malzemeler her yönde aynı mekanik özellikleri gösterirler, bu duruma ise isotropik özellik denir. Kompozit malzemelerde kullanılan başlıca elyaf türleri; Cam elyafı, Karbon (Graphite) elyafı, (PAN -polyacrylonitrile- ve zift kökenli) Aramid (Aromatic Polyamid) elyafı, (Ticari ismi; Kevlar-DuPont) Bor elyafı, Oksit elyafı, Yüksek yoğunluklu polietilen elyafı, Poliamid elyafı, Polyester elyafı, Doğal organik elyaflar Bu elyaflar arasından en çok Cam, Karbon ve Aramid elyafları kullanılmaktadır. Bu üç elyaf türü de güçlü, sert ve sürekli biçimde üretilebilmektedirler. Cam Elyafı Cam elyafı silika, kolemanit, alüminyum oksit, soda gibi cam üretim maddelerinden üretilmektedir. Cam elyafı, elyaf takviyeli kompozitler arasında en bilinen ve kullanılandır. Cam elyafı özel olarak tasarlanmış ve dibinde küçük deliklerin bulunduğu özel bir ocaktan eritilmiş camın itilmesiyle üretilir. Bu ince lifler soğutulduktan sonra makaralara sarılarak kompozit hammaddesi olarak nakliye edilir. Özellikle cam elyafı ile 72 matris arası yapışma gücünü arttıran "silan" bazlı ve elyaf üzerinde ince film oluşturan kimyasalların sonra kullanım sahaları artmıştır. Elyaflar işlem sırasında dayanıklılıklarının %50'sini kaybetmelerine rağmen son derece sağlamdırlar. Cam elyafı halen aramid ve karbon elyaflarından daha yüksek dayanıklılık özelliğine sahiptir. Elyaf kumaşları genellikle sürekli cam elyafının lifleri ile üretilmektedir. İşlemler sırasında değişik kimyasalların eklenmesi ve bazı özel üretim yöntemleri ile farklı türde cam elyafı üretilebilmektedir; Şekil 26. Cam elyafı üretimi • A Cam - Pencerelerde ve şişelerde en çok kullanılan cam çeşididir. Kompozitlerde çok fazla kullanılmaz. • C Cam - Yüksek kimyasal direnç gösterir, depolama tankları gibi yerlerde kullanılır. • E Cam -Takviye elyaflarının üretiminde en çok kullanılan cam türüdür. Düşük maliyet, iyi yalıtım ve düşük su emiş oranı özelliklerine sahiptir. 73 Türkiye'de şişe cam Grubuna bağlı olan Cam Elyaf Sanayi A.Ş. tarafından E camı elyafı üretilmektedir. Hem yurtiçine, hem yurt içine satış yapan firmadan doğrudan veya bayileri aracıyla ürün satın almak mümkündür. 1976'dan beri faaliyet gösteren firma Avrupa'nın önemli elyaf üreticilerinden biridir.S + R Cam - Yüksek maliyetli ve yüksek performanslı bir malzemedir. Yalnız uçak sanayisinde kullanılır. Elyaf içindeki tellerin çapları E Cam'ın yarısı kadardır, böylelikle elyaf sayısı fazlalaşır dolayısıyla birleşme özelliklerinin daha güçlü olması anlamına gelen daha sert yüzey elde edilebilmektedir. Cam elyafının kullanım amacına bağlı olarak elyaf sarma biçimleri farklı olabilir. Elyaf çapı ve demetteki lif sayısı farklılaşabilir. Cam elyafı biçimlendirildikten sonra yıpranmaya dayanımın artması için kimyasallarla bir kaplama işlemi yapılır. Kaplama malzemesi olarak genellikle elyafın kompozit malzemeye uygulanmasından önce kolaylıkla kaldırılabilen ve suyla çözülebilen polimerler kullanılmaktadır. Elyaf ile reçinenin birbirine iyi yapışması çok önemlidir. İyi yapışmamaktan dolayı birbirinden kayan takviye malzemesi ve matris, kompozit malzemenin sertliğini ve sağlamlık performansını düşürür. Bu durumun engellenmesi için elyaf kimyasallarla kaplanır. Karbon Elyafı Karbon lifi ilk defa karbonun çok iyi bir elektrik iletkeni olduğu bilinmesinden dolayı üretilmiştir. Cam elyafının metale göre sertliğinin çok düşük olmasından dolayı sertliğin 3-5 kat artırılması çok belirgin bir amaçtı. Karbon elyafları çok yüksek ısıl işlem uygulandığında elyaflar tam anlamıyla karbonlaşırlar ve bu elyaflara grafit elyafı denir. Günümüzde ise bu fark ortadan kalkmaktadır. Artık karbon elyafı da grafit elyafı da aynı malzemeyi tanımlamaktadır. Karbon elyafı epoksi matrisler ile birleştirildiğinde olağanüstü dayanıklılık ve sertlik özellikleri gösterir. Karbon fiber üreticileri devamlı bir gelişim içerisinde çalışmalarından dolayı karbon elyaflarının çeşitleri sürekli değişmektedir. Karbon elyafının üretimi çok pahalı olduğu için ancak uçak sanayinde, spor gereçlerinde veya tıbbi malzemelerin yüksek değerli kullanılmaktadır. Karbon elyafları piyasada 2 biçimde bulunmaktadır: 74 uygulamalarında Sürekli Elyaflar: Dokuma, örgü, tel bobin uygulamalarında, tek yönlü bantlarda, ve prepregmarda kullanılmaktadır. Bütün reçinelerle kombine edilebilirler. Kırpılmış Elyaflar: Genellikle enjeksiyon kalıplamada ve basınçlı kalıplarda makine parçaları ve kimyasal kimyasal valf yapımında kullanılırlar. Elde edilen ürünler mükemmel korozyon ve yorgunluk dayanımının yanı sıra yüksek sağlamlık ve sertlik özelliklerine de sahiptirler. Karbon Elyafının Üretim Süreci: Karbon elyafı çoğunlukla iki malzemeden elde edilir; Zift Göreceli olarak daha düşük mekanik özelliklere sahiptir. Buna bağlı olarak yapısal uygulamalarda nadiren kullanılırlar. PAN (Poliakrilonitril) Daha sağlam ve daha hafif kompozit malzeme üretiminde kullanılmakta olup sürekli geliştirilmektedir. PAN'ın karbon elyafına dönüştürülmesi birbirini takip eden dört aşamada gerçekleştirilmektedir: 1. Oksidasyon: Bu aşamada elyaflar hava ortamında 300 derecede ısıtılır. Bu işlem, elyaftan H'nin ayrılmasını daha uçucu olan O'nin eklenmesini sağlar. Ardından karbonizasyon aşaması için elyaflar kesilerek graphite teknelerine konur. Polimer, merdiven yapısından kararlı bir halka yapısına dönüşür. Bu işlem sırasında elyafın rengi beyazdan kahverengiye, ardından siyah olur. 2. Karbonizasyon: Elyafların yanıcı olmayan atmosferde 3000° C'ye kadar ısıtılmasıyla liflerin 100% karbonlaşma sağlanması aşamasıdır. Karbonizasyon işleminde uygulanan sıcaklık üretilen elyafının sınıfını belirler; 75 Karbon Elyafı Sınıfları (Grades) Karbonizasyon Isısı (°C) 1000'e kadar 1000-1500 1500 - 2000 (Grafit) 2000 Karbon elyafı sınıfı Elastik modül (GPa) Düşük Standart Orta Yüksek modül Modül modül modül 200'e kadar 200 - 250 250 – 325 325 3.Yüzey İyileştirmesi karbonun yüzeyinin temizlenmesi ve elyafın kompozit malzemenin reçinesine daha iyi yapışabilmesi için elektrolitik banyoya yatırılır. 4. Kaplama; Elyafı sonraki işlemlerden (prepreg gibi) korumak için yapılan nötr bir sonlandırma işlemidir. Elyaf reçine ile kaplanır. Genellikle bu kaplama işlemi için epoksi kullanılır. Kompozit malzemede kullanılacak olan reçine ile elyaf arasında bir ara yüz görevi görür. Karbon elyafının tüm diğer elyaflara göre en önemli avantajı yüksek modül özelliğidir. Karbon elyafı bilinen tüm malzemelerle eşit ağırlıklı olarak karşılaştırıldığında en sert malzemedir. Aramid Elyafı; Aramid kelimesi bir çeşit naylon olan aromatik polemid' den maddesinden gelmektedir. Aramid elyafı piyasada daha çok ticari isimleri Kevlar (DuPont) ve Tvvaron (Akzo Nobel) olarak bilinmektedir. Farklı uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için birçok farklı özelliklerde aramid elyafı üretilmektedir. Önemli Özellikleri; Genellikle rengi sarıdır Düşük yoğunlukludur. Yüksek dayanıklılık 76 Yüksek darbe dayanımı Yüksek aşınma dayanımı Yüksek yorulma dayanımı Yüksek kimyasal dayanımı Kevlar elyaflı kompozitler Cam elyaflı kompozitlere göre 35% daha hafiftir E Cam türü elyaflara yakın basınç dayanıklılığı Aramid elyafının dezavantajları 1- Bazı tür aramid elyafı ultraviyole ışınlara maruz kaldığında bozulma göstermektedir. Sürekli karanlıkta saklanmaları gerekmektedir. 2- Elyaflar çok iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda reçinede mikroskobik çatlaklar oluşabilir. Bu çatlaklar malzeme yorulduğunda su emişine yol açmaktadır. Genellikle polimer matrisler için takviye elemanı olarak kullanılan aramid elyafının bazı kullanım alanları: Balistik koruma uygulamaları; Askeri kasklar, kurşungeçirmez yelekler... Koruyucu giysiler; eldiven, motosiklet koruma giysileri, avcılık giysi ve aksesuarları Yelkenliler ve yatlar için yelken direği Hava araçları gövde parçaları Tekne gövdesi Endüstri ve otomotiv uygulamaları için kemer ve hortum Fiber optik ve elektromekanik kablolar Debriyajlarda bulunan sürtünme balatalarında ve fren kampanalarında Yüksek ıs ve basınçlarda kullanılan conta, salmastra vb. En çok bilinen ve kullanılan aramid elyafı Dupont firmasının tescilli ismi olan Kevlar'dır. Kevlar 29, and Kevlar 49 olarak iki çeşidi bulunmaktadır. Kevlar 29 üstün darbe 77 dayanımı özelliğine sahiptir ve bu nedenle çoğunlukla kurşungeçirmez yelek gibi uygulamalarda kullanılırlar. Tablo 13. Belli başlı elyafların karşılaştırılması Malzeme Yoğunluk Çekme Dayanımı Elastik Modül (g/cm3) (MPa) (GPa) E-Cam 2.55 2000 80 S-Cam 2.49 4750 89 Alüminyum 3.28 1950 297 Karbon 2.00 2900 525 Kevlar 29 1.44 2860 64 Kevlar 49 1.44 3750 136 POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN ÜRETİM YÖNTEMİLERİ İstenilen özelliklerde ve biçimde kompozit malzeme üretimi için birçok yöntem bulunmaktadır. Bu yöntemlerden bazıları aşağıdadır; Elle yatırma (hand lay-up) Dokuma veya kırpılmış elyaflarla hazırlanmış takviye kumaşları hazırlanmış olan kalıp üzerine elle yatırılarak üzerine sıvı reçine elyaf katmanlarına emdirilir. Elyaf yatırılmadan önce kalıp temizlenerek jel kot sürülür. Jel kot sertleştikten sonra elyaf katları yatırılır. Reçine ise kompozit malzemenin hazır olması için en son sürülür Bu işlemde elyaf kumaşına reçinenin iyi nüfuz etmesi önemlidir. El yatırma tekniğinde en çok kullanılan polyester ve epoksi'nin yanı sıra vinil ester ve fenolik reçineler de tercih edilmektedir. Elle yatırma yoğun işçilik gerektirmesine rağmen düşük sayıdaki üretimler için çok uygundur. 78 Püskürtme (spray-up) Püskürtme yöntemi elle yatırma yöntemini aletli şekli olarak kabul edilebilir. Kırpılmış elyaflar kalıp yüzeyine, içine sertleştirici katılmış reçine ile birlikte özel bir tabanca ile püskürtülür. Elyafın kırpılma işlemi tabanca üzerinde bulunan ve bağımsız çalışan bir kırpıcı sayesinde yapılır. Püskürtülme işlemi sonrası yüzeyin bir rulo ile düzeltilmesiyle ürün hazırlanmış olur. Şekil 27. Püskürtme Yöntemi Püskürtme Tabancası Elyaf sarma (filament winding) Bu yöntem özel biçime sahip ürünlerin seri üretimine uygundur. Elyaf sarma yöntemi sürekli elyaf liflerinin reçine ile ıslatıldıktan sonra bir makaradan çekilerek dönen bir kalıp üzerine sarılmasıdır. Sürekli liflerin farklı açılarla kalıba sarılmasıyla farklı mekanik özelliklerde ürünler elde edilebilir. Yeterli sayıda elyaf katının sarılmasından sonra ürün sertleşir. Ardından döner kalıp ayrılır. Bu yöntemle yapılan ürünler genellikle silindirik, borular, araba şaftları, uçak su tankları, yat direkleri, dairesel basınç tanklarıdır. 79 Şekil 28. Elyaf sarma Makinesi Reçine transfer kalıplama RTM / reçine enjeksiyonu Bu kompozit üretim yönteminde elle yatırma sistemlere daha hızlı ve uzun ömürlü olmakla birlikte iki parçalı kalıp kullanmak gereklidir. Kalıbın kompozit malzemeyle yapılması çelik kalıp maliyetine göre daha düşük kalmasına neden olmaktadır. RTM yöntemi çoğunluk jel kotlu veya jel kotsuz her iki yüzeyinde düzgün olması istenen parçalarda kullanılır. Takviye malzemesi kuru olarak keçe, kumaş veya ikisinin kombinasyonu kullanılır. Takviye malzemesi önceden kalıp boşluğu doldurulacak şekilde kalıba yerleştirilir ve kalıp kapatılır. Elyaflar matris içinde geç çözünen reçinelerle kaplanarak kalıp içerisinde sürüklenmesi önlenir. Reçine basınç altında kalıba pompalanır. Bu süreç daha fazla zaman ister. Matris enjeksiyonu soğuk, ılık veya en çok 80°C'ye kadar ısıtılmış kaplarda uygulanabilir. Bu yöntemde içerideki havanın dışarı çıkarılması ve reçinenin elyaf içine iyi işlemesi için vakum kullanılabilir. Elyafın kalıba yerleştirilmesini gerektirmesinden dolayı uzun sayılabilecek bir işçilik gerektirir. Kalıp kapalı olduğu için ise zararlı gazlar azalır ve gözenekli bir ürün elde edilebilir. Bu yöntemle karmaşık parçalar üretilebilir. Concorde uçaklarında, Fi arabalarında bazı parçalar bu yöntemle hazırlanmaktadır. 80 Şekil 29. RTM yöntemi Profil çekme / pultruzyon (pultrusion) Pultruzyon işlemi sürekli sabit kesitli kompozit profil ürünlerin üretilebildiği düşük maliyetli seri üretim yöntemidir. Pull ve Extrusion kelimelerinden türetilmiştir. Sisteme beslenen sürekli takviye malzemesi reçine banyosundan geçirildikten sonra 120-150 °C'ye ısıtılmış şekillendirme kalıbından geçilerek sertleşmesi sağlanır. Kalıplar genellikle krom kaplanmış parlak çelikten yapılmaktadır. Sürekli elyaf kullanılmasından dolayı takviye yönünde çok yüksek mekanik mukavemet elde edilir. Enine yükleri karşılayabilmek için özel dokumalar kullanmak gerekmektedir. Hazır kalıplama / conmpression molding (SMC, BMC) Hazır kalıplama bünyesinde cam elyafı, reçine, katkı ve dolgu malzemeleri içeren kalıplamaya hazır, hazır kalıplama bileşimleri olarak adlandırılan kompozit malzemelerin (SMC, BMC) sıcak pres kalıplarla ürüne dönüştürülmesidir. Karmaşık şekillerin üretilebilmesi, metal parçaların bünye içine gömülebilmesi, farklı cidar kalınlıkları gibi avantajları bulunmaktadır. Ayrıca ürünün iki yüzü de kalıp ile şekillenmektedir. Diğer kompozit malzeme üretim tekniklerinin olanak vermediği delik gibi komplike şekiller elde edilebilmektedir. Iskarta oranı düşüktür. Bu yöntemin dezavantajları kalıplama bileşimlerinin buzdolaplarında saklanmaları gerekliliği, kalıpların metal olmasından dolayı diğer kalıplardan daha maliyetli olması ve büyük parçaların üretimi için büyük ve pahalı preslere ihtiyaç olmasıdır. Hazır kalıplama 81 yönteminde kullanılan bileşimler içeriklerine göre çeşitlilik göstermekle beraber en çok iki tür hazır kalıplama bileşimi kullanılmaktadır; • Hazır kalıplama pestili / SMC (sheet moulding composites) • Hazır kalıplama hamuru / BMC (bulk moulding composites) SMC: takviye malzemesi olarak kırpılmış lif ile dolgu malzemesi içeren bir reçinenin önceden birleştirilmesi ile oluşan pestil biçiminde malzemedir. Sürekli lifler, 25-50 mm kırpılmış olarak ve kompozitin toplam ağırlığının %25-30 oranında kullanılır. Genellikle im genişliğinde ve 3mm. kalınlığında üretilir. BMC: takviye malzemesi olarak kırpılmış lif ve dolgu malzemesi içeren bir reçinenin önceden birleştirilmesi ile oluşan hamur biçiminde malzemedir. Hazır kalıplama bileşimlerinin avantajları; Çok geniş tasarım esnekliği Düzgün yüzey Kolayca kaplanabilme, boyanabilme ve kalıp içinde yüzeyin kaplanabilmesi Geri dönüştürülebilirle ve hazırlığında geri dönüşümü malzeme kullanabilme Metal gömme parçaların yerleştirilmesi ile montaj kolaylığı Yüksek alev dayanımı Sıcaklık dayanımı Soğukta kırılgan olmama enjeksiyon kalıplama (injection moulding) Bu yöntem RTM'ye benzer bir yöntemdir. Farklılığı reçine/elyaf karışımın kalıp dışarısında karışmış ve eritilerek basınç altında boş kalıp içine enjekte ediliyor olmasındadır. Sadece düşük viskoziteye sahip termoset reçineler bu yöntemde kullanılabilir. Diğer yöntemlere göre daha hızlıdır. Çocuk oyuncaklarından uçak parçalarına kadar bir çok ürün bu yöntemle üretilebilmektedir. 82 Vakum bonding / Vakum bagging Kompozit malzeme (genellikle geniş sandeviç yapılar) önce bir kalıba yerleştirilir, ardından bir vakum torbası en üst katman olarak yerleştirilir. İçerideki havanın emilmesiyle vakum torbası, yatırılan malzemenin üzerine l atmosferlik basınç uygulayarak aşağıya çekilir. Sonraki aşamada tüm bileşim bir fırına yerleştirilerek reçinenin kür işlemi için ısıtılır. Bu yöntem sıklıkla elyaf sarma ve yatırma teknikleri ile bağlantılı olarak uygulanır. Kompozit malzeme tamir işlemlerinde de vakum bagging yöntemi kullanılmaktadır. Şekil 30. Vakum bagging Otoklav / autoclave bonding Termoset kompozit malzemelerin performanslarını artırmak için elyaf/reçine oranını artırmak ve malzeme içinde oluşabilecek hava boşluklarını tamamen gidermek gerekmektedir. Bunun sağlanması için malzemeyi yüksek ısı ve basınca uygulayarak sağlanabilir. Vakum bagging yöntemindeki gibi sızdırmaz bir torba ile elyaf/reçine yatırmasına basınç uygulanabilir. Fakat l atmosferden fazla düzenli ve kontrol edilebilir bir basıncın uygulanabilmesi için dışsal basınca ihtiyaç duyulur. Bu uygulama için, otoklav yönteminde de uygulanan ve kompleks şekillerde en çok kontrol edilebilen metoda, dışarıdan sıkıştırılmış gazın kompozit malzemenin içinde bulunduğu kaba verilmesidir. Otoklav kesin basıncın, ısının ve emişin kontrol edilebildiği basınçlı bir kaptır. Vacuum bbagging yöntemi ile benzerdir. Fırın yerine bir otoklav kullanılır. Böylece özel amaçlar 83 için yüksek kalitede kompozit üretebilmek için kür şartları tam olarak kontrol edilebilir. Bu yöntem diğerlerine oranla daha uzun sürede uygulanır ve daha pahalıdır. Preslenebilir takviyeli termoplastik/glass mat reinforced thermoplastics (GMT) Keçe türünde elyaf takviyesi içeren termoplastik reçine ile yapılmış plaka şeklinde preslenebilir kalıplamaya hazır özel amaçlı bir takviyeli termoplastik çeşidini tanımlamaktadır. GMT nin hazırlanması SMC ye benzemektedir. Ekstruderden çekilen bir termoplastik levha üzerine yumuşak haldeyken bir elyaf takviyesi yerleştirilir. Bu katmanların üzerine bir diğer termoplastik levhada yumuşakken yerleştirilerek soğuk hadde silindirlerinin arasından geçirilir. Sertleşen plakalar kesilerek preslenmeye hazır duruma getirilir. POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN KULLANIM ALANLARI Kompozit malzemeler artık gittikçe artan oranlarda ve yeni sektörlerde kullanılmaya başlanmıştır. Uzun zaman uçak sanayisindeki ihtiyaçların yönlendirdiği kompozit malzeme gelişimleri son dönemde yeni birçok sektörde birçok farklı amaç için kullanılmaktadır. Havacılık Sanayi Özellikle ileri kompozit malzemeler havacılık sanayinde çok geniş uygulama alanları bulmaktadır. Komposite malzemelerinin hafifliklerine oranla üstün mekanik özellikleri uçaklarda ve helikopterlerde sadece içi mekan değil yapısal parçalarında polimer esaslı kompozitlerle üretilmesine neden olmaktadır. B2 bombardıman uçağı gövde panelleri; karbon fiber+epoksi A380 yolcu uçağı kanat panelleri ve flapler; karbon fiber+epoksi 84 A380 yolcu uçağı burun bölümü (radome); CTP A380 yolcu uçağı dikey stabilizer; Aramid fiber+epoksi Zemin Plakası; Airbus 300/600 uçaklarında kullanılan karbon takviyeli Polieterimid Uçak EAPS kapağı; (Karbon Elyafı + PEEK) Şekil 31. Kompozitlerin kullanıldı yolcu uçağı Denizcilik Sanayi Yelkenli Gövdesi; CTP, Balsa ve polimer köpük üstüne cam, aramid karbon dokumaları ile kaplanması Yat, Tekne Arkası Platform Basamaklar; CTP Yelken Direği; Kevlar+Epoksi 85 Şekil 32 CTP Deniz araçları Spor Araçları Kompozit malzemelerin popüler olduğu yeni sektörler arasında spor araç ve gereçleri her geçen gün daha da öne çıkmaktadır. Özellikle ağırlığın azalması, dolayısıyla hareket kabiliyetinin artması, ve dayanıklılığın artmasına neden olan cam ve karbon elyafı takviyeli kompozitler kullanılmaktadır. Kompozitler kano, sörf ve yatlar için çok önemli olan malzeme yorgunluğu ve darbe dayanımı konusunda üstün özelliklere sahiptirler. Dağ bisikletleri en iyi katılık/ağırlık oranı ve en düşük ağırlık özellikleri kazanmak için karbon elyafı ile üretilmektedir. Korozyona dayanım, şok emme ve sağlamlık gibi üstün özellikler kazandırmaktadır. Ayrıca golf sopası, tenis raketi gibi spor ürünlerinde ağırlığı düşürmek için karbon elyafı takviyeli kompozit malzemelerden üretilmektedirler. Su kayağı; Termo plastik prepreg Kar kayağı; Ahşap üzerine sarılmış karbon, aramid, cam elyafı karışımı+epoksi Kano küreği; (%33 Cam+Poliftalamid) Su kaydırakları: CTP Sörf Tahtaları:; CTP Bisiklet; (Karbon+Poliamid 6), yaklaşık kg ağırlığında Reebook Spor Ayakkabı; termoplastik poliüretan, petek (honeycomb) Golf Sopası; Karbon Fiber+Epoksi 86 Tenis Raketi; Aramid (Kevlar) + Epoksi Zıpkın Gövdesi; Karbon Fiber+Epoksi Palet; Karbon Fiber+Epoksi Şekil 33. Spor malzemeleri Korozyona Dayanıklı Ürünler Su tankı; CTP Mazgal Olukları; CTP Yeraltı Boruları; Marketlerde Dondurulmuş Gıda Reyonu Kaplaması; CTP Rasathane Kubbesi; CTP Açık Saha Dolapları: CTP Çit; CTP İlan Panoları; CTP 87 Sağlık sektörü Tekerlekli sandalye; Cam veya Karbon Elyaf takviyeli Polyester Tıbbi Tetkik Cihazları Dış Muhafazaları; CTP Şekil 34 Yapay bacaklar Ulaşım Sektörü Traktör Kaporta Kabin Oturma Birimi; SMC Toplu Taşıma Araçları Oturma Birimi; SMC Konteyner Tabanı; GMT Otobüs Havalandırma Kanalları Port Bagaj Parçaları Gösterge Paneli; CTP Açık Alan Servis (Golf Arabası) araçları kaporta, tavan; CTP Teleferik; CTP, Maçka teleferiği Tren; Kompozit prepreg ve dokuma malzemeler türleri artan oranlarda tren 88 Konstrüksiyonunda maliyet ve ağırlık düşürmek amacıyla kullanılmaktadır. İskelette ağırlığın düşürülmesi enerji tasarrufu sağlamakla beraber daha hızlı araçların geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır. Ayrıca trenlerde malzemelerin yüksek katılığa sahip olmaları iskeletin desteklenmesine gerek olmaması anlamına gelmektedir ki böylece yolcu taşıma bölümü ayrılan mekân artırılabilmektedir. Tren konstrüksiyonunda kolay ve hızlı değişebilen genellikle prepreg levhalar kullanılır. Böylece tekil zarar gören paneller hızla değiştirilebilmektedir. Otomotiv Otomobil firması müşterilerinin ihtiyaçlarına karşılık vermek çevresel şartların baskısı altında daha hafif otomobiller üretmektedirler. Hafifi otomobiller daha çabuk hızlanabilen, daha çabuk durabilen ilerlemek için daha küçük bir motora ve daha az benzine ihtiyaç duyan araç anlamına gelmektedir. Cam Sileceği; %30 Cam+PBT Fitre Kutusu; Mercedes, %35 Cam+Poliamid 66 Pedallar; %40 Cam+Poliamid 6 Dikiz Aynası; %30 Cam+ABS Far Gövdesi; BMW, %30 Cam+PBT Hava Giriş Manifoldu; BMW, Ford, Mercedes, %30 Cam+Poliamid 6 Otomobil Gösterge Paneli; GMT Otomobil Spoiler; CTP Otomobil Yan Gövde İskeleti; Ford, CTP Otomobil kaporta; Corvette, SMC CTP 89 Şekil 35. GM otomobil ön panel FORMULA l Arabaları; Formula l arabalarının yapımına ait düzenlemeler çok özeldir ve titizlikle uygulatılmaktadır. Arabanın tüm ağırlığı 605 kilogramı aşmamalıdır. Tasarım mühendisleri en az ağırlıkla en sağlam çözümü bulmak durumundadırlar. Daha önceleri yarış arabalarında hafif bir metal olan alüminyum kullanılmaktaydı artık kompozit malzemeler çok daha düşük ağırlıklarla sertlik iki ye katlanabilmektedir. Ayrıca karmaşık parçaların kompozit malzemelerle üretilebilmesi Fi otomobillerin üretiminde gerekli parça sayısı azaltabilmektedir. Alüminyumla 200'den fazla parçayla üretilen gövde ve şase beş parçaya düşürülmüştür. Kompozit malzemeler metal cıvatalar gibi bağlantı parçaları ile birleştirilmek yerine epoksi reçinesi ile birbirlerine bağlanmaktadır. F1arabalarında aşağıda belirtilenlerle beraber birçok parça kompozit malzeme kullanılmaktadır. Motor kaplaması Burun kapağı Ön ve arka kanatlar, spoiler Ana gövde. Mühendislik Elektrik dağıtım Panoları; CTP 90 Müzik aletleri London College of Furniture ve diğer bazı yerlerde ileri kompozit malzemelerle müzikal enstrümanlar yapılması üzerine çalışmalar bulunmaktadır. İleri kompozit malzemelerle yapılan yaylı sazlarda boyun kısmının tellerin gerilmesinden dolayı deforme olması karşılaşılan temel sorunlardandır. Keman; Karbon Fiber+Epoksi Gitar; Karbon lamine tabakalar arası polimer köpük Akustik Gitar; Grafit-Epoksi Çello; Karbon + Epoksi Şekil 36. Karbon+epoksi Kemanlar 91 Yapı sektörü Köprü Tabanı;CTP Trabzanı;CTP Yürüme yolları;CTP Taşıyıcı Konstrüksiyon;CTP Bina Balkon Korkuluğu CTP Kapı;CTP Taşıyıcı Konstrüksiyon, Yüzme Havuzu, Kapı Saçağı, Yer karoları; SMC Bina Kaplama Panelleri: CTP Küvet; CTP Lavabo; CTP Sokak Lambası; 92 BÖLÜM 4. SERAMİK MATRİSLİ KOMPOZİT MALZEMELER Seramik malzemeler, yüksek sıcaklığa dayanıklı ve hafif oldukları (d= 1,5 - 3,0 gr/cm3) için oldukça çekicidir. Seramik matrisli kompozit malzemeler genellikle yüksek sıcaklıkta çalışması gereken parçalar için kullanılılırlar. Sert ve kırılgan malzemeler olan seramik malzemeler, çok düşük kopma uzaması gösterirler, düşük tokluğa sahiptirler ve termal şoklara karşı dayanıksızdırlar. Bu nedenle liflerle takviye edilirler. Buna karşılık çok yüksek elastiklik modülüne ve çok yüksek çalışma sıcaklıklarına sahiptirler. Üç tip seramik matrisli kompozit malzeme vardır: Sürekli fiberli kompozitler Süreksiz fiberli kompozitler Partiküllü kompozitler Matris veT akviye Malzemelerri Seramik matrisli kompozit malzemelerde; matris malzemesi olarak Al2O3, SiC, Si3N4 ve B4C yaygın olarak kullanılmaktadır. Seramik malzemeleri takviye etmemizin veya güçlendirmemizin nedeni plastik ve metallerden farklıdır. Plastik ve metaller, yüksek mukavemete sahip olmalarına karşın seramikler, mukavemetin yanısıra özellikle yüksek tokluk ve ısıl dayanıma sahiptirler. Takviye elemanı olarakta genellikle Al2O3 ve SiC seramik malzemeler fiber formuna getirilerek kullanılmaktadır. 93 Sürekli Fiberler: Sürekli fiberlerle takviye edilmiş seramik matrisli kompozit malzemede matris zayıflasa bile fiberler, uygulanan yükü taşımaya devam ederler. Fakat herhangi bir çatlak yada çentik durumunda seramik matrisli kompozit malzeme özelliklerini (mukavemetini) kaybeder, deforme olur hatta geri dönülmesi imkansız yıkım gerçekleşebilir. Özellikle 2 çeşit fiberin kullanımı, seramik matrisli kompozitlerin üretiminde daha yaygındır. Bunlar; Silisyum Karbür (SiC ) ve Alüminadır (Al2O3). Sürekli fiberlerin tokluklarının diğerlerine göre daha yüksek olması, tercih edilme nedenlerini arttırmıştır. Özellikle SiC, üretim tekniklerine uygun ve elde edilmesi daha kolay olduğu için tercih edilir. Süreksiz Fiberler: Seramik süreksiz fiberlerin kırılma direnci yüksektir. Whiskerler, monolitik seramiklerin kırılma direncini arttırırlar. SiC, ZrO2 ve TiC en çok kullanılan fiberlerdir. Tablo 14. Süreksiz fiberler Matris Si3N4 Al203 SiC wisker Egilme Gerilmesi Kırılma Tokluğu % Mpa Mpa. √m 0 400-650 5-7 10 400-500 6,5-9,5 30 350-450 7,5-10 0 .......... 4,5 10 400-510 7,1 20 520-790 7,5-9,0 94 Partiküller Takviye malzemeleri partikül halinde matris malzemesi içine ilave edilir. SERAMİK MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN TOKLAŞTIRMA MEKANİZMALARI Seramik matrisli malzemelerin 3 ana mekanizma ile toklaştığına inanılmaktadır. Her 3 mekanizmada takviye malzemelerinin, seramikte çatlak ilerlemesini engellemesine bağlıdır. Bu mekanizmalar şöyle özetlenebilir; 1- Çatlak saptırma: Çatlak, takviye malzemesine rastladığında yön değiştirmek zorunda kaldığından hareket etmesi zorlaşmakta ve çatlağın hareketi için daha yüksek gerilmelere ihtiyaç olmaktadır. 2- Köprü oluşturma: Fiberler çatlak üzerinde köprü oluşturarak malzemenin birarada kalmasına yardımcı olurlar ve bu nedenle de çatlağın ilerlemesi için daha fazla gerilmeye ihtiyaç duyulur. 3- Fiber çıkması: Fiberlerin çatlayan matris malzemesinden dışarı çekilmesi için gereken sürtünme enerjisi enerji yutmakta ve çatlağın ilerlemesi daha fazla gerilme gerektirmektedir. Yüksek dayanım için matris ile fiber arasındaki arayüzey bağının iyi olması gerekmektedir. Eğer malzeme yüksek sıcaklıkta kullanılacaksa, matris ve fiberin genleşme katsayılarının birbirine çok yakın olması gerekmektedir. 95 SERAMİK KOMPOZİTLERİN KULLANIM ALANLARI Sürekli Fiber Kompozitler Sürekli fiber kompozitler, son derece gelişmiş ileri kompozit malzemelerdir. Başlıca uygulama alanları şunlardır: Sürekli fiber kompozitler, yüksek sıcaklık kararlılığı ve ve korozyon dirençleri nedeni ile hem uzay Sanayiinde hem de değişik endüstriyel alanlarda uygulama alanı bulurlar. Türbin motor parçaları Sıcak gaz filtreleri Roket motorları için türbin disklerinde Isı değiştirici tüpleri Zırhlarda Petrol borularında korozyona maruz kalan parçalarda Separatörlerde Isıl işlem fırınlarında Dizel motorlarında eksoz valflerinde Motor yalıtımı Fren diskleri Süreksiz Fiber Kompozitler Süreksiz takviye malzemeleri; parçalar, plakalar, whiskers yada dalgalı fiberleri içerir ve genelde polikristalin seramik cam veya cam-seramik matrise ilave edilir. Uygulamanın en önemli noktası matris malzemesidir ve en önemli matris malzemesi alüminadır. Ayrıca, SiC, Si3N4, müllit yada alümina silikat matris malzemesi de kullanılır. Başlıca uygulama alanları şunlardır: 96 Isı değiştirgeçleri Termal koruma sistemleri Korozyona dayanıklı parçalar Partiküllü Kompozitler Partikül takviyeli seramik matrisli kompozit malzemelerin en önemli özellikleri Sıcak İzostatik Presleme (HIP) gibi basit üretim teknikleri kullanılarak imalatının basit olmasıdır. Seramik matrisli kompozitler, uçaklarda alçak basınç türbinlerine (LPT, Low Pressure Turbine) ait sabit parçalarda (egzoz gömleği, flapler, v.b.) kullanılabilmektedirler. Yüksek sıcaklıktaki mükemmel mukavemet değerlerine bağlı olarak, uzay roketi motorları, sandviç zırhlar, çeşitli askeri amaçlı parçalar imali ile uzay araçları bu ürünlerin başlıca kullanım yerleridir . Seramiklerin yüksek ısıl dayanımlarından yararlanılmış ve seramik kompozitler kullanılarak seramiklerin kırılganlık özelliği giderilmiştir. Aşağıdaki şekilde bu gaz türbininde kullanılan Seramik Matrisli Kompozit malzemeler türbin üzerinde gösterilmiştir . 97 Şekil 37. Seramik Matrisli kompozitlerin Kullanımı Seramik katmanlı kompozitler 1000°C’nin üzerinde birkaç yüz saat kaldıklarında basınç ve fiber malzemesine bağlı olarak 2 çeşit sorunla karşılaşmaktadır. Yüzeyinde oksit tabakası bulunan fiber oksit sıcaklığa oldukça dayanımlı olmasına karşın, sürünme özellikleri iyi değildir. Öte yandan, yüzeyinde oksit olmayan fiber malzemelerinin (SiC) sürünme özellikleri iyi olmakla birlikte, koruyucu kaplama olmasına rağmen matris malzemesi ile reaksiyona girerek kimyasal değişime uğrayabilmekte, bu da yapısal sorunlara yol açmaktadır. Bu nedenle 1000°C'nin üzerinde SMK'lerin kullanımı sınırlıdır. Monolitik seramikler, bu problemleri içermemelerine karşın kırılganlık ve çatlama riskleri vardır. 98 BÖLÜM 4. ÇÖZÜMLÜ ÖRNEK PROBLEMLER Örnek 1 Çözüm 1 99 Örnek 2 Çözüm 2 100 Örnek 3 Çözüm 3 101 Örnek 4 Çözüm 4 102 KAYNAKLAR 1. Erdoğan, M. Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri, Cilt II, Nobel Yayın Dağıtım, 1998, Ankara. 2. Şahin. Y. Kompozit Malzemelere Giriş Ders Notları, Gazi Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, 1996. 3. Gül. F. İnem B., Döküm yolu ile SiCp kompozit geliştirilmesi, Savunma Sanayindeki Teknolojik Gelişmeler Sempozyumu Bildiri, Kitabı, Cilt II, 5-6 Haziran Kara Harp Okulu Öğretim Başkanlığı, Teknik Bilimler Bölümü, Ankara, 999-1003. 4. Şahin, Y. Ph.D. The University of Aston in Birmingham, 1994. 5 . Şahin, Y, Metal matriksli kompozitlerin fabrikasyon teknikleri üzerine bir inceleme, 2. Makine tasarım ve imalat kongresi, ODTÜ, Makine Mühendisliği Bölümü, UMTİK 994, Ankara. 6. Gül F., Doktora Tezi, Döküm yoluyla alüminyum temelli parçacık takviyeli kompozit geliştirme, Marmara Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 1999, İstanbul. 7. Kök, M., Doktora Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Elazığ, Eylül-2000 8. Durman, M., Akbulut, H. and Yılmaz F., Saffil (A1203) fîbre takviyeli Al-Si matris kompozitlerin üretimi ve özelliklerinin incelenmesi, metal 7.Uluslar Arası Metallurji ve Malzeme Kongresi, Ankara, 1993, 1114-1154. 9.Akbulut, H, Durman, M ve Yılmaz, F. SiCp alüminyum-silisyum alaşımlı kompozitlerin üretimi ve özelliklerinin incelenmesi, 7.Uluslar Arası Metallurji ve Malzeme Kongresi, Ankara, 1993, 1183-1194. 10. Şahin Y. Elyaf takviyeli metal matriksli kompozitlerin aşınma ve sürtünme davranışlarının incelenmesi, 7.Denizli Malzeme Sempozyumu, 2-4 Nisan 1997, PAÜ, Mühendislik Fakültesi, Çamlık, Denizli. 11. Olcay Y., Akyol M., Gemci R., 2002, Polimer Esaslı Lif Takviyeli Kompozit Malzemelerin arabirim Mukavemeti Üzerine Farklı Kür Metotların Etkisinin İncelenmesi, Uludağ Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık fakültesi, Cilt 7, Sayı l, Bursa 12. Philips N. L.,1989, Design with Advance Composite Materials,Springer-Verlag, The Design Council, Great Britain Younnossi O., Kennedy M., Graser J. C L, 2001, Military Airframe Costs The Effects of Advanced Materials and Manufacturing Processes, Project Air Force, RAND, Pittsburg, USA 13. Cam Elyaf, 1997, Bülten Sayı 6, Cam Elyaf Sanayi A.Ş., 103 14. www.science.org.au/nova/059/059key.htm > Putting it together – the selence and technology of composite materials 15. www.fibersource.com > FiberSource: The Manufactured Fiber Industry 16. http://plastics.about.com/library/weekly/aa060297.htm > Composites / Plastics - VVhat's a Composite 17. www.geocities.com/CapeCanaveral/1320 > Vince Kelly's Carbon Fiber Homepage 104
