Ders 2

2. TEMEL KAVRAMLAR
2.1 Giriş
20. yüzyılın son çeyreğindeki en önemli teknolojik gelişmelerden
bir tanesi de kompozit malzemelerdir. Kompozit malzemeler iki veya
daha fazla organik veya inorganik bileşenin bir araya gelmesiyle
oluşurlar. Bileşenlerden birisi ana malzeme olan matriks, diğeri de
taşıyıcı görevi yapan fiberdir. Kompozit malzemelerin mukavemet ve
sertliğinin tamamına yakını fiber tarafından sağlanır. Matriksin görevi
ise; fiberleri birbirine bağlayarak uygun yerleşimi sağlamak, yük
dağılımını fiberlere aktarmak, fiberleri çevreden gelen risklere karşı
korumak, çatlak yayılışına karşı direnç sağlamak, yüksek sıcaklık ve
korozyona karşı koymaktır. Kompozit malzeme üretimindeki en önemli
kavram daha iyi özelliklere sahip malzeme elde etmek için fiber ve
matriksin uygun olanının seçilmesidir. Ayrıca; mukavemet, rijitlik,
yorulma, ısıl ve nem direnci gibi özelliklerin daha iyi olması için uygun
fiber yönü seçilmelidir. Bu nedenle daha özel tasarımlara ihtiyaç
duyulmaktadır. Dolayısıyla mühendislik uygulamalarında farklı fiber ve
matriks çeşidiyle karşılaşmak mümkündür.
Kompozit malzemeler; çoğu doğal ve biyolojik yapıda bulunabilir.
En çok rastlanan doğal kompozit malzeme odundur. Eski Yunan ve Mısır
uygarlıklarında; odunun ısıl büyüme ve nem tutma özellikleri
kullanılarak daha kaliteli ürün elde etmek amacıyla kontrplak üretilmiştir.
Vücudumuzda bulunan kas ve kemikler iskelet sistemimizin taşıyıcı
vazifesi yapan fiberleridir. Modern kompozit malzemeler daha yüksek
katılık/ağırlık oranlarında kullanılmaktadır.
14
En çok kullanılan kompozit malzeme türü olan fiber camlar 1950’li
yıllarda tekne yapımında ve otomobil karoserlerinde kullanılmıştır. Uçak
yapımında da uygulama alanı bulan cam fiberler ilk olarak Boeing
707’de ağırlık olarak %2 oranında, daha sonra Boeing 777’de %10
oranında kullanılmıştır. Bu oran daha özel tasarımlarda %65 değerine
kadar artmıştır. Yüksek hız uçaklarında aerodinamik etkiye ve yüksek
sıcaklıklara dayanabilecek karoserler yine kompozit malzemelerden
yapılmıştır.
Kompozit malzemelerin kullanım alanları sadece havacılıkla
sınırlandırılamaz. Spor ve elektronik malzemelerin yapımında, gemi ve
otomobil tasarımlarında ve protez gibi tıbbi malzeme yapımında da
kompozit malzemelere rastlanılmaktadır. Şimdi kompozit malzemeyi
oluşturan temel yapılar üzerinde duralım.
2.1.1 Takviye Elemanları
Kompozit malzemelerde takviye elemanı olarak fiberler
kullanılmaktadır. Fiberler mukavemet ve rijitlik sağlarlar. En çok
kullanılan fiber türleri aşağıda anlatıldığı gibidir.
Cam Fiberler: Cam fiberler orta maliyette olmasına karşın
mekanik, kimyasal ve elektriksel özellikleri oldukça iyidir. Daha çok
uçak panelleri, roket motorları, helikopter rotor pervaneleri, basınçlı
kaplar ve spor malzemeleri yapımında kullanılırlar.
Karbon Fiberler: Karbon fiberler yüksek performanslı kompozit
yapılarda en çok kullanılan takviye elemanlarıdır. Daha çok suni ipek ve
15
poliakrilonitrilden (PAN) yapılırlar. Karbon fiber takviyeli kompozit
malzemelerin mukavemet ve rijitlikleri cam fiber takviyeli kompozitlere
oranla büyük olması nedeniyle günümüzde kullanımları gittikçe
artmaktadır. Uçaklarda roket lülelerinin ve türbin kanatçıklarının
imalinde kullanılmaktadırlar.
Aramid Fiberler: Aramid fiberler mukavemetlerinin yüksek
olması nedeniyle çoğu uygulamada yer almaktadır. Bununla birlikte nemi
tutabilme özellikleri ve matrikse iyi yapışamama gibi dezavantajları da
vardır. Cam fiberden daha hafif fakat daha pahalıdırlar. Özellikle
otomobil lastiklerinin imalinde kullanılırlar. Basma dayanımları düşük
korozyon dayanımları yüksektir.
Boron Fiberler: boron fiberler ilk olarak 1960’larda kullanılmaya
başlanmıştır. Yüksek modül ve yüksek mukavemete sahip olmalarına
rağmen işleme zorluğu nedeniyle pahalıdırlar. Birleşmiş Milletler Hava
Kuvvetlerinde F-15 ve Deniz Kuvvetlerinde F-145 uçaklarının her
ikisinde de takviye elemanı olarak boron fiberler kullanılmaktadır.
2.1.2 Matriksler
Matriksler kompozit yapı içerisinde fiberleri bağlayıcı görevi
yaparlar. Uygulanan yükün tüm fiberler üzerinden taşınmasını sağlayan
elemanlardır. Matriks tipik olarak fiberden daha düşük yoğunluk, rijitlik
ve mukavemete sahiptir. Matriksler kullanılan matriks türüne göre
gevrek, sünek, elastik veya plastik olabilirler. Dolayısıyla lineer veya
lineer olmayan gerilme-şekil değiştirme davranışı gösterebilirler. En çok
kullanılan matriks türleri karbon, seramik, cam, metal ve polimerdir.
16
Karbon Matriksler: Karbon matriksler birim ağırlıklarına göre
yüksek sıcaklık kapasitesine sahiptirler. Roket lülelerinde, uçak kavrama
ve fren yastıklarında kullanılırlar.
Seramik Matriksler: Genel itibariyle gevrektirler. Yüksek sıcaklık
istenen uygulamalarda karbon, seramik, metal ve cam fiberlerle birlikte
kullanılırlar.
Cam Matriksler: cam ve cam-seramik kompozitler kendilerine
taşıyıcı görevi yapan fiberlerden daha düşük elastisite modülüne
sahiptirler. Karbon ve metal oksit fiberler genellikle cam matriksli
kompozitlere taşıyıcı görevi yaparlar. Cam ve seramik matriksli
kompozit malzemelerin en önemli özellikleri mukavemetleri ve yüksek
servis sıcaklıklarıdır. Cam matriksli kompozit malzemelerin ilk kullanım
alanları ısıl direnç gerektiren makine parçaları ve elektriksel
bileşenlerdir.
Metal Matriks: Metal matriksli kompozitlerin oksitlenebilecek
çevre şartlarında dahi yüksek sıcaklıklarda kullanılabilmeleri en önemli
avantajlarıdır. En çok kullanılan metal matriksler demir, nikel, tungsten,
titanyum, magnezyum ve alüminyumdur.
Polimer Matriksler: Ucuz olduklarından en çok kullanılan matriks
türüdür. Doğal olarak kehribar, zift ve reçine şeklinde bulunurlar.
Polimerlerin proses kolaylığı ve iyi nem tutabilme gibi avantajları vardır.
Düşük yoğunluklu malzemeler olup tipik polimer matriksler zaman,
sıcaklık ve nem etkisine bağlı olarak viskoelastik ve viskoplastik
davranış gösterirler.
17
2.2 Kompozit Malzeme Türleri ve Sınıflandırılması
Kompozit malzemeler kendisini oluşturan iki fazın (matriks ve
fiber) tipine, geometrisine ve fiber oryantasyonuna bağlı olarak üç genel
kategoriye ayrılırlar (şekil 2.1). Kompozit malzemeler matriksin ve
fiberin durumuna göre aşağıdaki gibidir.
Şekil 2.1 Kompozit malzemelerin sınıflandırılması
18
Parçacıklı Kompozitler: Parçacıklı kompozitler, matriks içerisine
gelişi güzel dağılmış çeşitli şekil ve boyutlardaki parçacıkları içerirler
(Şekil 2.1). Parçacıklı kompozitler; metal olmayan parçacıkların metal
olmayan matris içerisinde yer alması (beton, cam takviyeli mika, polimer
takviyeli kauçuk gibi), metalik parçacıkların metal olmayan matris
içerisinde yer alması (alüminyum takviyeli poliüretan kauçuk gibi),
metalik parçacıkların metal matris içerisinde yer alması (bakır alaşımları
gibi) ve metal parçacıklarının metal matris içerisinde yer alması (silikon
karpit parçacıklarının alüminyum matriks içerisinde yer alması gibi) ile
meydana gelirler.
Süreksiz veya Kısa Fiberli Kompozitler: Bu kompozitler takviye
elemanı olarak bünyelerinde kısa veya kırpılmış fiber bulundururlar. Kısa
fiberler çaplarına nazaran oldukça uzundurlar ve matriks içerisinde tek
yönde bulunabilecekleri gibi gelişi güzel yerleşmiş de olabilirler. Bu tür
kompozitler öncelikle anizotropik veya ortotropik yapı eğiliminde olup
yarı izotropik yapıda da olabilirler (Şekil 2.1).
Sürekli Fiber Kompozitler: Bu tür kompozitler kesiksiz (sürekli)
fiber içermektedirler. Mukavemetleri ve rijitlikleri oldukça yüksektir.
Sürekli fiberler devamlı tek yönde yerleşebilecekleri gibi (tek yönlü
sürekli fiber kompozitler) birbirlerine dik iki ana yönde (çapraz kat veya
örgü tipi) ve birkaç farklı yönde yerleşebilirler (çok yönlü sürekli fiber
kompozitler) (Şekil 2.1).
Fiber takviyeli kompozitler kullanılan matrikse uygun olarak da
polimer, metal, seramik ve karbon matriksli kompozitler şeklinde
sınıflandırılabilirler (tablo-2.1).
19
Polimer Matriksli Kompozitler: Bu tür kompozitler termoset
(epoksi, poiamit, polyester) veya termoplastik (polieter, keton,
polisülfon) reçinelerin cam, karbon (grafit), aramid (kevlar) veya boron
fiberlerle bir araya gelmesiyle oluşurlar. Genel olarak düşük sıcaklık
gerektiren uygulamalarda kullanılırlar.
Çizelge 2.1 Kompozit malzeme tipleri
Matriks Tipi
Fiber
Matriks
Polimer
E-camı
S-camı
Karbon (grafit)
Aramid (kevlar)
Boron
Epoksi
Poliamid
Polyester
Termoplastik
PEEK
Metal
Boron
Borsik
Karbon (grafit)
Silikon karpit
Alümina
Alüminyum
Magnezyum
Titanyum
Bakır
Seramik
Silikon karpit
Alümina
Silikon nitrat
Silikon karpit
Alümina
Cam-seramik
Silikon nitrat
Karbon
Karbon
Karbon
Metal Matriksli Kompozitler: Metal matriksli kompozitler metal
veya metal alaşımlarının (alüminyum, magnezyum, titanyum, bakır)
boron karbon veya seramik fiberler gibi takviye elemanlarıyla birleşerek
20
meydana gelirler. Maksimum kullanma sıcaklıkları metal matrikslerin
erime noktalarıdır.
Seramik Matriksli Kompozitler: Seramik matrikslerin (silikon,
karpit, alüminyum oksit, cam-seramik, silikon nitrat) içerisinde seramik
fiberler bulundurmasıyla oluşurlar. Çok yüksek sıcaklık gerektiren
uygulamalarda kullanılabilirler.
Karbon/Karbon Kompozitler: Grafit veya karbon fiberlerin,
grafit veya karbon matrikse takviye yapması ile oluşurlar. Düşük
yoğunluk, yüksek ve düşük sıcaklıklara dayanabilme gibi özelliklere
sahiptir. Ayrıca; tabakalı kompozitlerde mevcuttur. Bunlar farklı
malzemelerdeki ince tabakaların birleştirilmesiyle oluşurlar. Örnek
olarak bimetaller, kaplanmış metaller, kontrplaklar ve formika verilebilir.
2.3 Temel Malzeme Yönleri
Şekil 2.2’de matriks içerisine tek yönde yerleşmiş fiberlerle
takviyeli kompozit malzemenin temel yönleri görülmektedir. Şekilden de
görülebileceği gibi fiber yönünde fiberin takviye elemanı özelliğinden
malzeme daha mukavemetli ve daha rijittir. Fakat fiber yönüne dik yönde
yük matriks tarafından taşındığından mukavemet daha düşük ve rijitlik
zayıftır. Çift yönde fiber takviyeli örgü tipi kompozit malzemelerde her
iki yönde de rijitlik ve mukavemet aynıdır. Tüm yerlere yerleşmiş fiber
takviyeli kompozit malzemelerde bu özellikler değerini yitirir. Yani daha
zayıftır.
21
Şekil 2.2 Kompozit malzemelerde temel malzeme yönleri
Kompozit malzemeler analiz edilirken ana yön olan 1 yönü fiber
yönünü, 2 ve 3 yönleri fibere dik yönleri belirtmektedir. Bu koordinat
sistemi (123) malzeme koordinat sistemi olarak adlandırılır ve fiberin
oryantasyonuna bağlıdır.
Tabakalı kompozit malzemelerde birden fazla tabaka olacağından
fiber yönlerini belirlemek için ikinci bir eksen takımı tanımlanmalıdır.
Bu koordinat sistemi xyz ile gösterilip lokal koordinat sistemi olarak
adlandırılır. Lokal koordinat sisteminin belirli bir açıyla döndürülmesiyle
yeni bir eksen takımı oluşur ki bu da x’y’z’ ile gösterilip global koordinat
sistemi olarak adlandırılır. Tabakalı kompozitlerde temel malzeme ekseni
123, her bir tabak k, x eksenine göre fiber açıları k ve lokal eksen xyz
şeklinde karşımıza çıkar. Saat ibresinin ters yönü pozitif açı iken (+k)
ters yönü eksi açıdadır (-k).
22
2.4 Tabakalı kompozitler
Tabakalı kompozitler fiber takviyeli levhaların istiflenmesi sonucu
oluşurlar. Levhalar istiflendikten sonra sıcaklık ve basınç altında
preslenirler. Bir çok tabakalı kompozit mevcuttur. Bunlardan bazıları;
karbon matriks-karbon fiber kompozit (KKK), metal-matriks kompozit
(MMK), seramik matriksli kompozit (SMK), titanyum matriksli
kompozit (TMK) vb. Şekil 2.3’te birleştirilmemiş farklı fiber açılarındaki
(-45/45/0/90) plakalar görülmektedir.
Şekil 2.3 Birleştirilmemiş (-45/45/0/90) fiber açılarındaki plakalar
Şekil 2.4’te iki adet tabaka görülmektedir. Bunlardan biri
(0/90/90/0) veya basitçe (0/90)s, ikincisi ise (90/0/0/90) veya basitçe
(90/0)s şeklindedir. Bu tabakalı kompozitlerin her ikisinin de
geometrileri, tabaka sayıları, kalınlıkları, etkiyen eksenel yük (N) ve
momentleri (M) aynıdır. Aynı eksenel çekme yükü uygulandığında aynı
23
miktarda uzama olacaktır. (0/90/90/0) olan tabakanın rijitliği (90/0/0/90)
olan tabakadan daha yüksektir. Dolayısıyla istenen rijitlik ve
mukavemette kompozit tabaka elde etmek tamamen her bir tabakanın
fiber açısına bağlıdır.
Şekil 2.4 İki çapraz kat tabakanın eksenel ve eğilme deformasyonu
2.4.1 Özel Tabakalar:
Kullanım yerlerine göre önem kazanan çeşitli kompozitler vardır.
Bunlar aşağıda anlatılan kompozit tabakalardır.
Simetrik: Bir tabakanın simetrik olabilmesi için o tabakanın her iki
kenarının orta noktaya olan uzunluklarının aynı kalınlıkta olması gerekir.
Simetrik tabakaya (+45/-45/0/90/90/0/-45/+45) veya basitçe (+45/45/0/90)s örnek verilebilir.
Balans (Denge): Bir tabakanın balans durumunda olabilmesi için
belirli bir kalınlığa, malzeme özelliğine ve fiber yönüne sahip plakanın, o
24
kompozit tabaka içerisinde kalınlık ve malzeme özellikleri aynı, fakat
fiber yönü ters başka bir plakanın bulunması gerekir. =0 ve =90 fiber
açılarının ters açıları sırasıyla =90ve =0 derecelerdir. Örneğin;
(0/45/90/-45) ve (0/-30/60/30/90/-60).
Açı Kat: Eğer bir kompozit tabakanın her katındaki fiberler  ve -
açılarında yerleşmiş ise bu kompozit tabaka açılı kat olarak adlandırılır.
Örneğin; (30/-30/30/-30) veya basitçe (30/-30)2
Çapraz Kat: Eğer bir kompozit tabakanın her katmanı =0 ve
=90 ise bu kompozit tabaka çapraz kat olarak adlandırılır. Örneğin;
(0/90/0/90) veya basitçe (0/90)2
Yarı İzotropik: Bir kompozit tabaka simetrik ve kendisini
oluşturan katmanların fiber açıları =0, +45, -45, 90 açılarında ise bu
kompozit tabakaya yarı izotropik denir. Yarı izotropik tabakalar aynı
zamanda simetrik ve balanstır. Örneğin; (+45/-45/0/90)s, (+45/0/-45/90)s
ve (+45/90/-45/0)s.
25
2.5 Kompozitlerin Mikro ve Makromekanik Davranışları
Şekil 2.5 Kompozit malzemelerin yapım aşaması
Kompozit malzemelerin yapım aşamasında fiber çapına, parçacık
boyutuna ve takviye elemanı ile matriks arasındaki boşluğa dikkat
edilmesi gerekir (Şekil 2.5). Mikromekanik tüm bu elemanlar arasındaki
mekanik etkileşimi araştırır. Deformasyon ve gerilme durumunu, matriks
hasarını (çeki, bası, kayma gerilmeleri nedeniyle) ve fiber hasarını (çeki,
26
burkulma, kesilme nedeniyle oluşan) gibi lokal hasarları ve ara yüzey/ara
faz hasarlarını inceler. Mikromekanik davranışlar malzeme özelliklerini
etkileyen en önemli faktördür.
Plaka aşamasında malzeme genellikle homojendir ama yinede
anizotropik özellik gösterebilir. Bu nedenle analiz yapılırken bu aşamada
mekanik özelliklerin ortalaması alınır. Bu tür analize makromekanik
analiz adı verilir ve ortalama rijitlik ve mukavemet özelliklerine sahip
yarı homojen anizotropik malzeme görünümünde tek yönlü plaka özelliği
gösterir. Tabaka aşamasında makromekanik analiz plakaların
istiflenmesinin ve plaka davranışının fonksiyonu olarak düşünülür ve
böylece tabaka teorisi uygulanır. Sonuçta; her bir tabakadaki gerilme
durumu incelenirken tabaka teorisi kullanılarak sonlu elemanlar analizi
yapılır.