Kompozit Malzemelerin Yapısı

Kompozit Malzeme; ortam koşullarına dayanıklı, esnek ama yeterli mekanik dayanıma sahip olmayan plastik ve/veya polyester matriks reçine ile yüksek mekanik dayanımlı takviye edici cam, karbon ve/veya aramid elyafının bir araya getirilmesi ile elde edilen üstün nitelikli bir mühendislik malzemesidir. Kompozit malzemelerin üç ana elemanı bulunmaktadır. Bunlar:

1. Matris: Termoset veya termoplastik polimer malzeme olarak sürekli fazı oluşturur. Termosetler grubunda ağırlıklı olarak polyesterler kullanılır. Bunun yanı sıra vinil ester /bisfenol, epoksi reçine ve fenolik reçinelerin kullanımı da giderek yaygınlaşmaktadır. Termoplastik grubunda yaygın olarak poliamid ve polipropilen kullanımını görmekteyiz (yaklaşık % 68.3), bunların yanı sıra hibrid formda polietilen ve polibutilentereftalat, polietereterketon ve polietersulfon kullanımı da dikkat çekmektedir.

2. Takviye: Aramid, karbon, grafit, boron, silisyum karbür (SiC), alümina, cam ve polietilen
malzemelerin kısa veya uzun devamlı elyaf formunda kullanıldığı ve matris yaklaşık % 60
hacim oranında pekiştirici işlevi olan malzemelerdir.

Her kompozitte genellikle matris ve takviye malzemesi bulunur. Bu malzemeler birbirlerinden farklı fiziksel özelliklere sahipler ve bir araya getirilmeleri ile oluşan kompozit malzeme her ikisinden farklı özelliklere kavuşur. Genel olarak takviye malzemesi taşıyıcı görev üstlenir ve etrafında bulunan matris faz ise onu bir arada tutmaya ve desteklemeye yarar. Genel olarak Tablo 2’de Kompozit Malzemelerin Yapısı verilmiştir. Tabloda matris yapısı, takviye malzeme ve kompozit yapının şekli yer almaktadır.

Tablo 2. Kompozit Yapısı

Matris Malzemeleri Takviye Elemanları Kompozit Yapının Şekli
Polimerler Lifler Tabakalar
Metaller Granüller Kaplamalar
Seramikler Whiskers Film-Folyo
  Pudra Honey-Combs (Bal Peteği)
  Yonga Filaman Sarılmış Yapılar

Kaynak: Ayhan Enşici, İTÜ Mimarlık Fakültesi(Türkiye Kompozit Raporu,2006)

Yoğun Olarak Kullanılan Matrisler ve Genel Özellikleri:
Polyester: Özellikle denizcilik ve inşaat alanında en çok kullanılan termoset reçinedir.
Kompozit malzemelerde kullanılan 2 tür polyester reçine vardır; daha ekonomik olan ortoftalik ve suya dayanım gibi daha iyi özelliklere sahip olan isoftalik polyester. Polyester reçinelerini polimerizasyon süreçlerinin tamamlaması için katalizör ve hızlandırıcı olarak adlandırılan ek maddelere ihtiyaç duyarlar.

Epoksiler: havacılık, spor, ulaşım, askeri ve deniz araçları elemanları gibi geniş kullanım alanına sahiptirler. Avantajları iyi mekanik özellikler, suya dayanım, ıslakken 140ºC, kuruyken 220ºC ‘ye kadar ısı dayanımı ve sertleşme sırasında düşük oranda çekme; dezavantajları ise yüksek maliyet(5 – 25 $/ kg) cilde aşırı zararlı ve doğru karışımın hayati bir önemi olmasıdır.

Vinil ester: Son derece yüksek kimyasal ve çevresel dayanıma sahip ve polyesterden
daha yüksek mekanik özelliklere sahip olmasına karşın aşırı sitiren içermesi, polyesterden daha pahalı olması(4-7$/kg),iyi özellikler için ikincil kür işlemlerine ihtiyaç duyulması ve sertleşme sırasında yüksek oranda çekmesi gibi olumsuz özellikleri de vardır.
Bismaleimid (BMI): Uçak motorlarında ve yüksek ısıya maruz kalan parçalarda kullanılır. Son derece yüksek ısı dayanımının yanı sıra (yaşken 230°C, kuru halde 250°C) çok yüksek maliyeti(80 $/kg) vardır.

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. Avantajları Yüksek ateş dayanımı, düşük maliyet (4 – 8 $/kg);dezavantajları ise yaş halde son derece zararlı, oldukça kırılgan ve düşük yüzey kalitesine sahip olmasıdır.

Silikon: yüksek ateş dayanımı, yüksek ısılarda ürün özelliklerini koruyabilme ve düşük
maliyete sahiptir (30 $/kg’ dan az) Fakat kür işlemi için yüksek ısı gereklidir.

Cynate Ester: Esas olarak uçak endüstrisinde kullanılır. Mükemmel yalıtkanlık özelliğine sahiptir. Yaş durumda 200ºC’ ye kadar dayanımı vardır.

Poliimidler: Isısal özellikleri yanında mekanik özellikleri de yüksek olan poliimidler termoplast, termoset, alaşım ve sıvı halde bulunan pahalı bir plastik grubudur.
Uzay-havacılık (jet motoru), otomotiv, askeri (füze kablo yalıtımı), elektronik (fotokopi, bilgisayar parçası) ve çevre koruma; termal ve elektriksel yalıtma malzemeleri ve yanmaz kumaşlarda kullanılır.

Poliüretan: Poliüretan esaslı kompozit malzemeler tasarım esnekliği, kolay üretim, hafiflik, dayanıklılık, ısıl ve elektriksel yalıtım, çarpışmalarda enerji sönümleme ve korozyona dayanıklılık gibi faydalı özelliklerinden dolayı ayakkabı, makine sanayi, kaplamalar, boyalar, sert izolasyonlar, termoplastikler, köpükler ve medikal cihazlar gibi birçok endüstriyel alanlarda kullanılmaktadır. Özellikle farklı poliol kaynakları kullanılarak poliüretanların yapısal özellikleri kolayca istenilen yönde değiştirilebilir. Bilinen yenilenebilir kaynakların pek çoğu poliüretan sentezi için uygun hidroksil üniteleri bulunduran doğal poliol yapılarıdır. Hidroksil içermeyenler ise basit işlemler ile kolayca bu formasyona dönüştürülebilir. Bu sayede yenilenebilir kaynaklar ya kolayca poliüretan matriks üretiminde ya da farklı polimerik yapılara güçlendirici katkı maddesi olarak kullanılmışlardır. Özellikle katkı maddesi olarak kullanımlarında yenilenebilir katkı maddesi yapısındaki fonksiyonel gruplar ile matriks yapısı arasında olan etkileşimler oldukça yüksek olduğu için diğer katkı türlerine göre daha üst özellikler elde edilir. Özellikle karbohidratlar, proteinler ve bitkisel yağlar gibi polar karakterdeki yenilenebilir doğal ürünlerin katkılanması ile yüksek mekanik etkilere ve aşınmaya karşı dayanaklı kompozitler üretilebilir.
Kompozit malzemelerde kullanılan başlıca elyaf türleri;

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.

Karbon: (Graphite) elyafı, (PAN -polyacrylonitrile- ve zift kökenli):Karbon elyafı ticari olarak ilk defa 1800’lerin sonlarında, akkor lamba teli (flamenti) elde etmek amacıyla pamuk ve bambu lifinin karbonizasyonuyla elde edilerek kullanılmıştır. Takviye malzemesi olarak kullanımı ise, 1950’lerin sonlarında roket parçası üretimi için olmuştur. 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 uygulamalarında kullanılmaktadır.

Aramid: (AromaticPolyamid) elyafı,(Ticari ismi; Kevlar-DuPont):Aramid elyafı piyasada daha çok ticari isimleri Kevlar (DuPont) ve Twaron (Akzo Nobel) olarak bilinmektedir. Farklı uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için birçok farklı özelliklerde (yüksek dayanıklılık, yüksek darbe dayanımı, yüksek aşınma dayanımı, yüksek yorulma dayanımı, syüksek kimyasal dayanımı), kevlar elyaflı kompozitler cam elyaflı kompozitlere göre aramid elyafı üretilmektedir.

Bor elyafı: Bor elyaflar aslında kendi içlerinde kompozit yapıdadırlar. Çekirdek olarak adlandırılan ince bir flamanın üzerine bor kaplanarak imal edilirler. Çekirdek genellikle Tungstendir. Karbon çekirdek de kullanılabilir ancak bu yeni bir uygulamadır. Bor Elyafı, Çekme dayanımı YM (Yüksek Mukavemet) sınıfından karbon elyafına eşdeğerdir. Ayrıca Bor elyafın basma mukavemeti ise karbonun yaklaşık iki katıdır.

Sadece bu örnek bile Bor elyafının ne kadar önemli bir malzeme olduğunu anlatmaya yeterlidir. Diğer taraftan Bor elyaf diğer bütün elyaf türlerinden daha pahalıdır, mesela günümüzdeki fiyatı karbon elyafının altı katı civarındadır ki bu durum şimdilik kullanımı kısıtlamaktadır. Yüksek maliyet sebebiyle Bor elyafı şimdilik, niteliğin fiyattan daha önemli olduğu iki alanda kullanılmaktadır; Havacılık ve uzay sanayii ve Spor malzemeleri sanayii.