KOMPOZİT MALZEME NEDİR?

Kompozit Malzeme Nedir?

Bir kompozit malzeme (veya sadece kompozit), yapıldığı malzemelere göre üstün özelliklere sahip olan, iki veya daha fazla malzemenin karışımıdır. Kompozitler iki kısımdan oluşur: takviye fazı ve bağlayıcı (matris). Örneğin betonarme betonda çelik çubuklar takviye fazıdır; çubukların gömülü olduğu beton, bağlayıcı veya matristir. Genel olarak, takviye fazı üç formdan birinde bulunabilir: parçacıklar, lifler veya düz tabakalar. Kompozitler genelde, belirli bir uygulama için istenen özelliklerin tümüne sahip olan tek bir yapısal malzeme bulunamadığından geliştirilmiştir.

Kompozit malzemelerin birçok yaygın örneği çevremizde bulunabilir. Ahşap ve kemik doğal kompozitlerin örnekleridir. Odun, lignin adı verilen bir bileşiğe gömülmüş selüloz elyafından oluşur. Selüloz lifleri odunu, kırılmadan bükme yeteneğini verirken, lignin ahşabı sertleştirir. Kemik, kolajen olarak bilinen yumuşak bir protein formunun ve apatit adı verilen güçlü ama kırılgan bir mineralin birleşimidir.

Şekil 1: Kemik yapısı doğal bir kompozit örneğidir.

Geleneksel kompozitler
İnsanlar, bu tür kompozitlerin yapılarının tam olarak anlaşılmasından çok daha öncesinde, yüzyıllardır kompozit materyalleri kullanıyorlar. Örneğin, önemli bir yapı malzemesi olan beton; kaya, kum ve Portland çimentosunun bir karışımıdır. Beton değerli bir yapı malzemesidir, çünkü yapıldığı her bir bileşenden çok daha güçlüdür. İlginçtir ki, bu bileşenlerin ikisi kendiliğinden doğal kompozitlerdir. Kaya, çeşitli boyutlarda taşlı malzemelerin bir karışımıdır ve kum, küçük taneli malzemelerin bir kompozitidir.

Betonarme betonun mukavemetini daha da artırmak için geliştirilmiş bir kompozittir. Betona gömülü çelik çubuklar, betona hem mukavemet hem de esneklik katmaktadır.

Çok sert malzemelerle kullanılmak üzere tasarlanmış kesme diskleri de kompozit malzemelerdir. Tungsten karbürün ince parçacıklarını kobalt tozuyla birleştirerek yapılırlar. Tungsten karbür bilinen en sert malzemelerden biridir, bu nedenle bu yöntemle oluşturulan kompozit neredeyse tüm doğal veya sentetik materyalleri kesmek için kullanılabilir.

Evlerde kullanılan bazı alüminyum kaplama çeşitleri de kompozit malzemelerdir. İnce alüminyum metal levhalar poliüretan köpüğe bağlanır. Poliüretan köpük, poliüretan ile karıştırılmış havanın birleşiminden oluşan bir kompozittir. Poliüretan köpüğün alüminyuma birleştirilmesi, alüminyumu daha sert hale getirir ve bir evin duvarları için önemli bir özellik olan mükemmel bir yalıtım sağlar.

Kompozit Yapı
Bahsettiğimiz takviye fazlarının bulunma formlarına örnek verecek olursak, örneğin yukarıda tarif edilen kesme disklerinde takviye fazı, tungsten karbürün bir bağlayıcısındaki küçük kobalt metali parçacıklarından oluşur.Plastik bir olta, takviye fazının lif Rexbet olduğu bir kompozit örneğidir. Bu durumda, fiber bir epoksi matrisine yerleştirilmiş iplik benzeri cam şeritlerden yapılır. (Epoksi, güçlü bir plastik türüdür.)Düz tabaka takviye fazının bir örneği kontrplaktır. Kontrplak, ahşap tanelerinin farklı yönlerde çalışabilmesi için ince ahşap tabakalarının birbirine yapıştırılmasıyla yapılır.

Bu durumların her birinde bulunan bağlayıcı veya matris, takviye malzemesini destekleyen ve tutan malzemedir. Kesme tekerleğinde tungsten karbür, oltadaki epoksi plastik veya tahta tabakalarını bir arada tutmak için kullanılan yapıştırıcıdır.

Şekil 2: Takviye fazlarının türleri

Yüksek Performanslı Kompozitler
Yüksek performanslı kompozitler, çelik ve alüminyum alaşımları gibi geleneksel yapı malzemelerinden daha iyi performans gösteren kompozitlerdir. Polimer (plastik benzeri) matrislerle neredeyse bütünüyle fiber takviyeli kompozitlerdir.

Yüksek performanslı kompozitlerde kullanılan fiberler, cam, karbon, bor, silisyum karbür, alüminyum oksit ve belirli tipteki polimerler de dahil olmak üzere çok çeşitli malzemelerden yapılır. Bu lifler genellikle daha büyük filamentler veya demetler oluşturmak için iç içe geçerler. Böylece, eğer bir lif veya birkaç tekil lif koparsa, yapısal birim bütün olarak – filaman veya demet – bozulmadan kalır. Lifler genellikle kompozitlere, tasarlandıkları mukavemet ve sertlik gibi özel özellikleri sağlarlar.

Buna karşın, yüksek performanslı bir kompozitteki matrisin amacı, fiberleri bir arada tutmak ve onları dış ortamdan (ısı veya nem gibi) ve kaba kullanımdan kaynaklanan hasarlardan korumaktır. Matris ayrıca bir kompozit üzerine yerleştirilen yükü bir fiber demetinden diğerine aktarır.

Çoğu matris, polyesterler, epoksi vinil ve bismaleimid ve poliimid reçineler gibi polimerlerden oluşur. Herhangi bir matrisin fiziksel özellikleri, kompozitin nihai kullanımlarını belirler. Örneğin, matris düşük bir sıcaklıkta erir veya çatlarsa, kompozit, yalnızca erime veya çatlama noktasından daha düşük sıcaklıklarda uygulamalar için kullanılabilir.

Neden Kompozit Malzeme?
Yapısal elemanlardaki liflerin kullanımı aşağıdaki sınırlamalara sahiptir:
– Delme
– Yüzey hasarı (aşınma, aşınma ve kimyasal saldırı)
– Burkulma
– Optimum yönelim

Lifler bir sürekli matris içine gömüldüğünde bu problemler aşılır. Kompozit malzemeler, yüksek sertlik ve mukavemete sahip yeni liflerin imalatına paralel olarak geliştirilmiştir.

Bu nedenle, kompozit malzemelerin kullanılmasının ilk sebebi, liflerin olağanüstü mekanik özelliklerinden yararlanmaktır. Bu mekanik özelliklerden bazıları şu şekildedir: yüksek mukavemet, kolay şekillendirme, üstün elektriksel özellikler, ısı ve ateşe yüksek dayanım, hafiflik, titreşim sönümleme, korozyona dayanım…

İkinci neden: Takviyelerin (lif veya parçacıkların) dağılması, matriks özelliklerini (seramiklerin sertliği, metallerin yüksek sıcaklık mekanik özellikleri, polimerlerin iletkenliği) iyileştirebilir ve yeni uygulamalara yön verebilir.

Üçüncü neden: Optimize edilmiş özelliklere (örneğin, belirli sertlik veya mukavemet) sahip materyallerin veya belirli uygulamalara özel, çok işlevli özelliklerin (yani, manyetik alanın manyetik olmayan kabukları, boş CTE’li uydular için izostatik platformlar, biyo-uyumlu protez, vb.) tasarımı.

Dezavantajları:
1. Hammaddenin pahalı olması; Uçaklarda kullanılabilecek kalitede karbon m^2’lik kumaşının maliyeti yaklaşık 50 dolardır.
2. Lamine edilmiş kompozitlerin özellikleri her zaman ideal değildir, kalınlık yönünde düşük dayanıklılık ve katlar arası düşük kesime dayanıklık özelliği bulunmaktadır
3. Malzemenin kalitesi üretim yöntemlerinin kalitesine bağlıdır, standartlaşmış bir kalite yoktur.
4. Kompozitler kırılgan (gevrek) malzeme olmalarından dolayı kolaylıkla zarar görürler, onarılmaları yeni problemler yaratabilir. Malzemelerin sınırlı raf ömürleri vardır. Bazı tür kompozitlerin soğutularak saklanmaları gerekmektedir. Sıcak kurutma gerekmektedir. Kompozitler onarılmadan önce çok iyi olarak temizlenmeli ve kurutulmalıdır. Bazı durumlarda bu zor olabilir. Bazı kurutma teknikleri uzun zaman alabilmektedir

Kullanım Alanları

Günlük Ve Ticari Hayatta Kullanım: Bu amaçla, yaygın şekilde cam elyafı, cam, keçe ve cam dokuma ile polyester reçineden yapılan çeşitli ürünler kullanılmaktadır. Cam elyaf oranı % 30– 40 arasıdır. Çay tepsisi, masa–sandalye, depo, küvet, tekne, bot ve otomotiv sanayi bu kompozitlerin uygulama örnekleridir. Ayrıca formika, baskılı devre plakası, elektrikçi fiberleri, spor malzemeleri ve araç şarjı atlama sırıkları, kaynak takımı, tenis raketi, yarış kanoları değişik birleşik malzemelerden yapılan ürünlerdir.

Askeri Alanda Kullanım:
Uzay Ve Havacılık Sanayisinde: Birleşik malzemelerin uzay ve havacılık sanayinde kullanımı başta hafiflik ve sağlamlık nitelikleri sayesindedir. Amaç daha az yakıt harcamak, daha yüksek hıza ulaşmak ve verimliliği sağlamaktır. Bu kullanımda sadece maddi kazanç düşünülmeyip stratejik performanslarda dikkate alınmıştır. Özellikle titreşim, yorulma ve ısı dayanımı gibi nitelikler uzay ve havacılık sanayinde birleşik malzemelerin önde gelen avantajlarıdır. Birleşik malzemeler, değerli niteliklerden dolayı uzay ve havacılık araçlarında gittikçe daha fazla kullanılmaktadır. Bugün bir av bombardıman uçağında birleşik malzeme kullanımı toplam uçak ağırlığının yarısına ulaşmış bulunmaktadır. Bu sayede bor karbür, silisyum karbür, alümina karbon, cam ve kevlar elyafı değişik reçinelerle değişik birleşik malzemeler yapımında kullanılmaktadır.

Silah, Roket Ve Diğer Mühimmat Sanayisinde: Birleşik malzemelerin silah üretimi de kullanımı pek yaygın olmamakla beraber 3000 bara kadar dayanabilen 60 ve 81 mm gibi küçük çaplı havanlar için bazı çalışmalar olmuştur. Bu silahlar hafifliği nedeniyle piyadenin savaş performansını artırıcı niteliktedir. Roket üretiminde birleşik malzemelerin rolü oldukça büyüktür. Miğfer konusunda kevlar ve değişik reçineler kullanılmaktadır. Kurşun geçirmez yeleklerde günümüzde bitişli kevlardan, balistik testler için zırh levhaları cam ve fenolik reçineler imal edilmektedir ve tasarım alternatiflerinin bulunmasıyla git gide artacak ve birçok avantajlarıyla insanlığın hizmetine verilmiş olacaktır.

Bilinmesi Gereken Kelimeler
Lif (Fiber) : Kompozit dolgu maddeleri açısından, bir lif uzun boyuta sahip bir dolgu maddesidir.
Matris: Dolguyu bağlayan kompozit parçasıdır.
Parçacık: Kompozit dolgu maddeleri açısından, bir parçacık uzun boyuta sahip olmayan bir dolgu maddesidir.

Ayrıca bkz: https://www.youtube.com/watch?v=dbywZ4PJ3QA

 

 

Kaynaklar: http://www.scienceclarified.com/Ci-Co/Composite-Materials.html
http://www1.caminos.upm.es/estructuras/files/estructuras/Part1-Typology-1.pdf
https://slideplayer.biz.tr/slide/10173989/
http://ansys.deu.edu.tr/wp-content/uploads/2015/12/EREN_VATANGUL_2002508078.pdf