Kompozit Malzemelerin Tanımı ve Gelişimi

Kompozit malzemeler geniş bir kullanım alanına sahip olup, çok değişik sektörlere girdi sağlamaktadır. Bu malzemeler yaşam alanlarımızın her yerinde insanlara modern ve çağdaş çözümler sunmaktadır. Bindiğimiz otomobilde ve toplu taşıma araçlarında, yaşadığımız binalarda, kentimizin alt ve üst yapısında, denizde, havada, savunmada, tarımda çok yönlü malzeme olarak sorunlara çözüm üretmektedir.

Kompozit malzeme; doğal olarak bulunmayan, belirli bir amaç doğrultusunda bir araya getirilen bileşenlerinin birbirleri içinde çözünmediği ve bileşenlerinin hiç birinin tek başına sahip olmadığı özelliklere sahip olan bir malzeme olması gerekmektedir.

Kompozit malzemeler; belirli bir amaç doğrultusunda iki ya da daha fazla sayıdaki, aynı veya farklı tür malzemelerin özelliklerini, yeni ve tek bir malzemede toplamak için, bileşenlerin kendi sınırlarını koruyacak şekilde makro düzeyde birleştirilmesi ile oluşturulan yeni ve yapay malzemeler olarak tanımlanabilir. Kompozit malzemeler genelde düşük dayanıma sahip matris ana fazı ile bu faz içinde dağılmış takviye fazından meydana gelmektedir. Takviye ve matris fazları atomsal boyutta birleşmez, birbirleri içinde çözünmeyerek inert davranırlar.

Kompozit malzemelerin içyapıları incelendiğinde bileşenleri seçilip, ayırt edilebilir. Kompozit malzemeler makro ölçekte homojen özellikler gösterseler bile mikro ölçekte heterojen yapıya sahiptirler. Kompozit malzemeler mikroskobik açıdan homojen olan alaşımlardan bu bakımdan farklılık göstermektedir. Kompozitlerde takviye malzemesi olarak farklı morfolojilere sahip malzemeler kullanılmaktadır. Takviye malzemesinin kullanımındaki temel amaç; malzeme üzerine gelen yükün taşınması, matrisin rijitliğinin ve dayanımının arttırılmasının sağlanmasıdır. Kompozit malzeme içinde matrisin fonksiyonu ise, çoğu gevrek ve kırılgan olan takviye elemanlarını dış ve çevresel etkilere karşı korumak, kompozit malzeme üzerine gelen yükü takviye elemanlarına iletmek ve tüm kompozit yapıyı bir arada tutmak olarak sıralanabilir. Özetle bir malzemenin kompozit olarak nitelenebilmesi için; doğal olarak bulunmayan, belirli bir amaç doğrultusunda bir araya getirilen, bileşenlerinin birbirleri içinde çözünmediği ve bileşenlerinin hiç birinin tek başına sahip olmadığı özelliklere sahip olan bir malzeme olması gerekmektedir.

Günümüzde birçok alanda yaygın olarak kullanılan kompozit malzemelerin geçmişi sanılanın aksine 2. Dünya Savasına veya birkaç yüzyıl gerisine dayanmamaktadır. Kompozit malzemeler binyıllardan beri kullanılmakta ve ilk örnekleri antik çağlara kadar uzanmaktadır. Antik çağlardan beri insanlar kırılgan malzemelerin içerisine hayvansal veya bitkisel kaynaklı lifler ekleyerek bu kırılgan malzemeleri güçlendirmeye çalışmışlardır. Bunun bilinen en yaygın ve eski örneği kerpiçtir. Çamurun içine karıştırılan saman ve saplar bu malzemeye dayanım vermiş ve insanoğluna sağlam barınak yapma imkânı tanımıştır. İnsanoğlu zaman içinde kompozit malzemelerin getirdiği avantajların farkına varmış ve kullanım alanlarını yaygınlaştırmıştır. Savaş teknolojileri her zaman yeni malzemelerin sık kullanıldığı yerler olmuşlardır. Normal batılı yaylarda sıkça rastlanan, yayın belirli bir kuvvetten sonra kırılması problemini asmak isteyen Moğollar, yayın esneyen kısımlarında farklı lif yönlerine sahip hayvansal tendonlar kullanarak bu sorunu ortadan kaldırılmıştır. Kompozitlerin kullanımıyla ilgili eski bir örnek de Mısır’dan verilebilir. XVIII. Hanedan devrinden kalan farklı renk ve kalınlıktaki amforalar, daha M.Ö. 1600’lü yıllarda Mısır’da ince cam liflerinin yapıldığını ortaya koymaktadır.

Her ne kadar kompozit malzemeler antik çağlardan beri farklı amaçlara yönelik kullanılageliyor olsa da, bugün modern kompozitler olarak adlandırılan kompozitlerin yaygın kullanımının başlangıcı olarak OwensCorning firmasında çalışan bir mühendisin 1930 yılında tesadüf eseri keşfettiği fiberglasın, 1937’de Amerika Birleşik Devletleri’nde satışına başlanması gösterilebilir. Başlangıçta eriyik camın çekilmesiyle üretilen bu cam yünleri yalıtım malzemesi olarak kullanılsa da fiberglasın yapısal ürünlerde kullanımı çok gecikmemiştir.

1900’lerin basında ilk modern sentetik plastikler geliştirilmiş ve 1930’lara gelindiğinde plastik malzemeler diğer malzemeler ile boy ölçüşebilir düzeye erişmişlerdir. Plastikler, kolay şekillendirilebilmelerinin, yüksek yüzey kalitelerinin, korozyon dayanımlarının ve metallere oranla düşük yoğunluklarının getirdiği avantajlarla yükselişe geçmiştir. Ancak dayanıklılık ve sertliklerinin düşük olması plastik malzemelerin güçlendirilmesi gerekliliğini ortaya çıkartmıştır. Plastiklerin yapısal uygulamalarda zayıf kalmalarından ötürü güçlendirilmelerinin gerekliliği, keşfi aynı döneme rastlayan fiberglasın plastiklerle denenmesi için uygun ortamı yaratmıştır. Ortaya çıkan bu yeni malzeme özellikle havacılık endüstrisinin dikkatini çekmiştir. Çünkü birçok küçük ve girişimci uçak firması, birçoğu konvansiyonel malzemelerin sağlayamadığı özellikler sunacak yeni malzemelere ihtiyaç duyan farklı tasarımlar ve yenilikçi konseptler yaratmıştır. Örneğin Douglas firması ve OwensCorning Fiberglas firması ile ortaklaşa yürütülen çalışmalarda fenolikmatrisli ve fiberglas takviyeli kalıplar yapılmış ve başarıya ulaşılmıştır. Bu gelişmeyi fiberglas takviyeli kompozitlerin havacılık sektöründe farklı uygulamalar bulması takip etmiştir. 1936 yılına gelindiğinde, patenti alınan doymamış polyester matrisler kullanılabilir hale gelmiş ve hemen olmasa da nihayetinde fenolik matrislere kıyasla daha kolay küreleşebildikleri için tercih edilmeye başlanmıştır. 1938 yılında epoksinin keşfedilmesiyle birlikte daha yüksek performans gösteren matrisler kullanılabilir hale gelmiştir. Tüm bu süre içerisinde malzemelerdeki ilerlemelere paralel olarak uygulama alanları da genişlemiştir.

Gelişmekte olan kompozit malzemeler II. Dünya Savaşı’yla birlikte daha fazla uçak imal edilmesi ve kompozitlerin yapısal parçalarda kullanımının artmasıyla birlikte daha da hız kazanmıştır. Yine aynı dönemde fiberglas takviyeli teknelerin ilk örneklerine rastlanmaktadır. 1940’ların sonları ve 1950’lerin başları filament sarma, pultruzyon, vakumla kalıplama ve el-yatırma metodunu hızlandıran püskürtme tekniklerinin ilk kez denendiği, yenilikçi üretim yöntemlerinin de tohumlarının atıldığı bir dönemdir. Hücre yapılı çekirdekleri olan sandviç yapılar, ateşe dayanıklı kompozitler ve prepreg malzemeler yine II. Dünya Savası sırasında geliştirilmiştir.

Savaş sırasında malzeme üretimi yapan firmalar savaşın bitmesiyle ani ve büyük bir sorunla karşı karşıya kalmıştır. Bu firmalar savaş sırasında geliştirdikleri ekspertizden yararlanabilecekleri yeni pazarlar ve ürünler tanımlamak zorunda kalmıştır. Bazı firmalar akla gelen birçok ürünü ya da parçayı kompozit malzemeden üretmeyi denemiş, kimi fiberglas üreticileri de bu tarz firmaların geliştirdiği yeni projelerinin ekipman masraflarını karşılayarak, geliştirme maliyetlerinin düşmesi için destek olmuştur.

Fiberglas destekli tekneler gibi bazı savaş odaklı uygulamalar, doğrudan ticari uygulamalara dönüştürülmüş, 1948 yılı itibariyle binlerce ticari tekne üretilmiştir.

II. Dünya Savası sırasında arka planda kalan otomobil endüstrisinin kompozit uygulamalar için uygun olduğu kısa sürede keşfedilmiş, 1947 yılında gövdesi tamamen kompozitten yapılmış bir otomobil üretilmiş ve test edilmiştir. Makul ölçüde başarılı sayılan bu deneme, 1953 yılında çıkacak, matris malzemesinin önceden şekillendirilmiş fiberglaslara emdirilerek metal kalıplarda kalıplanması ile üretilecek olan ChevroletCorvette’in geliştirilmesine değin en başarılı örnek olarak kabul edilmiştir. Savaş sonrası dönemde üretilen bazı ürünler artık kompozitlerin ana pazarları haline gelmiştir. Korozyona uğramayan borular, depolama kapları, depolar ve mobilyalar gibi bilinen örneklerin yanında eğlence ve sinema sektöründe de farklı amaçlarla kompozit malzemeler kullanılmıştır.

1950’lerde başlayan uzaya çıkma yarışı, 1960’larda kompozitlerin gelişiminin artmasıyla iyice hız kazanmaya başlamıştır. Filament sarma yöntemi ile küçük roket motorlarının yapılması, uzay yarışının kalbini oluşturan büyük roket motorlarının yapılmasına temel oluştursa da, yüksek hassasiyette filament sarabilen makinelerin geliştirilmesine kadar önemli ölçüde gelişme kaydedilememiştir.

Kompozitlerin popülerliğini daha da arttıracak olan karbon lifi patenti (deneysel de olsa) 1961 yılında A.Shindo tarafından alınmış olsa da, ticari olarak ilk karbon fiberi üreten, yıllar sonra İngilizler olmuştur. Bu fiberler sayesinde çok hafif parçalar yüksek mukavemette üretilebilir ve uzay sektörünün beklediği özellikleri karşılayabilir hale gelmiştir. 1965 yılında bor fiberler ve 1971 yılında DuPont firmasının kullanıma sunduğu, ticari ismi Kevlar olarak bilinen aramid fiberler kompozit sektöründeki diğer önemli gelişmelerdir. Yüksek molekül ağırlıklı polietilen fiberler 1970’lerin başlarında üretilmiş, bu yüksek performanslı fiberler, fiberglas ve karbon fiberle birlikte spor ekipmanları, tıbbi gereçler, zırh uygulamaları, uzay endüstrisi ve daha birçok alanda hayret verici bir gelişime ön ayak olmuştur. Matris malzemelerindeki gelişmeler de, kompozit pazarında, özellikle de yüksek sıcaklık ve korozyon dayanımı gerektiren uygulamaların artmasına önemli katkıda bulunmuştur.

Askeri amaçlar için geliştirilen kompozit malzemelerin getirdiği avantajlar ortada olmakla birlikte, bu malzemelerin üretimindeki güçlük ve yüksek maliyetler, kompozit malzemelerin gelişiminin 1960’lı yıllara kadar sadece özel amaçlara yönelik uygulamalarla sınırlı kalmasına sebep olmuştur. 60’lardan sonra kompozit malzemeler üzerine yapılan düzenli araştırmalar ve alanı geliştirme çabaları, daha dayanıklı ve sağlam ama aynı zamanda daha hafif malzemelere ihtiyaç duyan başta havacılık, otomotiv, denizcilik, enerji ve inşaat sektörleri olmak üzere spor malzemeleri ve ev eşyaları gibi alanları kompozit malzemelerle tanıştırmıştır. Zaman içinde üretim teknolojilerindeki gelişmeler, ucuzlayan hammadde maliyetleri ve kompozit malzemeler hakkında artan teknik bilgiler, kompozit malzemelerin kullanımını daha da yaygınlaştırmıştır.

Bugün kompozit sektörü alabildiğine genişlemiştir. Elektrik ve elektronik sektöründe, elektriksel yalıtım özellikleri açısından tercih edilen kompozit malzemeler, televizyon parçaları, dikiş makineleri, saç kurutma makineleri hatta masa ve sandalye gibi gündelik hayatta sıklıkla kullanılan ürünlerde de kullanılmaktadır. Otomotiv endüstrisinde de kaporta, motor elemanları, kabin içi parçalar, fren diskleri, tampon ve lastikler gibi birçok yerde kullanılan kompozitler, inşaat sektöründe esnek ve kolay tasarım özelliği, yüksek yalıtım kapasitesi, nakliye ve montajda getirdiği avantajlar sayesinde soğuk hava depoları, paneller, inşaat kalıpları, cephe korumaları gibi çok çeşitli alanlarda tercih edilmektedir. Şehircilikte özellikle çevresel etkenlere dayanımı açısından elektrik direkleri, heykel, banklar, gişeler, kabinler, büfeler ve otobüs durakları gibi birçok kompozit malzemeler konvansiyonel malzemelere ciddi rakip olmaktadır. Kompozit sektöründe halen inşaat ve taşımacılık (hava ve kara) ilk sıralarda yer alırken uzay sektörünün geride kalmasının sebebi, değer olarak büyük de olsa adet bazında üretimin diğer sektörlere göre oldukça düşük olmasıdır. Kompozit malzemeler, performans ölçütünün önemli olduğu birçok ürün ve alanda pazar paylarını arttırmayı sürdürmektedir.Kompozit sektörü, Türkiye’de, Avrupa ve dünya büyüme oranlarının üzerinde bir büyüme göstermektedir.

Kompozit sanayinin son yıllarını özetlersek:
Kompozit pazarı, hacim olarak (Çin’in ekonomik gelişmesine paralel olarak) en fazla Çin’de gelişme göstermiştir. Bunun yanı sıra Amerika, Almanya, Japonya, Fransa ve İtalya gibi ülkelerde halen ciddi pazar potansiyeli mevcuttur.

• Uzay ve Havacılık sektörünün kompozit kullanım oranı hızlı bir artış göstermiştir.
• Rüzgar Enerjisi üretim ekipmanlarında kompozit kullanımındaki hızlı artış, bu sektörü kompozit sektörleri içerisinde üst sıralara taşımıştır.
• Otomotiv sektöründeki kullanım, tüketici istekleri doğrultusunda şekillenerek artışına devam etmiştir.
• Termoplastiklerin gelişme hızı termosetlere oranla daha fazla olmuş ve termoplastikler toplam kompozit pazarı içerisindeki paylarını arttırmayı başarmışlardır.
• Enjeksiyon proseslerinin, el yatırması tekniklerine olan oranı her geçen gün artmış ve el yatırması teknikleri daha ziyade büyük parçaların üretimleri ile sınırlı kalmaya başlamıştır.