Kompozit Nedir? Kompozit Malzemeler ve Özellikleri

Kompozit malzemeler; iki veya daha fazla malzemenin, geleneksel malzemelerden daha iyi mühendislik özelliklerine sahip olacak şekilde birleştirilmesiyle oluşturulan malzemelerdir. Bu şekilde oluşturulan malzemelerle birlikte rijitlik, mukavemet, hafiflik, korozyona karşı direnç, termal özellikler, yorulma ömrü ve aşınma direnci gibi mühendislik yapılarındaki birçok önemli özellik geliştirilebilir.

Kompozit malzemeler başta havacılık, inşaat, enerji, ulaştırma, deniz araçları ve spor ürünleri olmak üzere oldukça geniş bir kullanım alanına sahiptir.




Malzemeler genel anlamda polimer, metal ve seramik olarak üç ana temelde gruplandırılırlar. Bu farklı malzemelerin mekanik ve fiziksel özelliklerinden kaynaklanan farklı üstünlükleri bulunmaktadır. Polimerler, metal ya da seramik malzemelerin tamamının ya da birkaçının üstün özelliklerinin aynı anda tek bir malzemede toplanması amacıyla yapılan birleştirme çalışmaları sonucu ortaya çıkan yeni malzemeye kompozit molarak isimlendirilmektedir.

kompozit

Malzemelerin mekanik ve fiziksel özellikleri; rijitlik, sağlamlık, korozyon dayanımı, tokluk, sertlik, uv dayanımı, ısı iletim kabiliyeti, elektrik iletkenlik kabiliyeti, yorulma, düşük yoğunluk, ısı dayanımı şeklinde sıralanabilir. Bu özelliklerin çoğunun en iyi şartlarının aynı malzemede bulunabilmesi mümkün olmamaktadır. Arzu edilen teknik özelliklere sahip iki ya da daha fazla farklı malzeme yapısının teknolojik karışım, birleşim yöntemleriyle bir araya getirilerek; teknik özelliği beklenen yönde geliştirilmiş yeni bir malzeme oluşturulması kompozit malzeme üretiminin temel hedefidir.

Kompozit Malzemeler Nelerdir?

Bir malzemenin kompozit malzeme olarak adlandırılabilmesi için malzemenin şu özelliklere sahip olması gerekir;

  1. İçyapısındaki bileşenlerin ve kimyasal özelliklerin farklı olduğu en az iki farklı malzemenin birleşimi ile oluşmalıdırlar.
  2. Bu kompozit malzemelerin üç boyutlu bir şekilde birleşmeleri gerekmektedir.
  3. Kompozit oluşturulurken meydana gelen bileşenlerin kompozit özelliğini kazandıktan sonra farklı özellikte bileşikler sağladığını gösterebilmelidir

Kompozit malzemelerin ortaya çıkarılmasında malzeme özelliklerinde;

  • Hafifleştirme çalışmaları,
  • Gerilme dayanımları,
  • Korozyon dayanımı,
  • Termal özelliklerin iyileştirilmesi,
  • Elektrik iletkenliği,
  • Akustik özellikler,
  • Estetik kaygı,
  • Maliyet

gibi iyileştirmeler hedeflenmektedir.

Kompozit malzemeler 2 ayrı bileşenden ortaya çıkmaktadır. Bunlar matris ve matris içinde dağılmış olarak bulunan fiber takviye elemanlarıdır. Matris, gevrek ve kırılgan olan takviye elemanlarını çevresel ve dış etkilere karşı korur ve kompozit malzemenin kopmasını önler, takviye malzemesi ise kompozit malzemenin yük taşıma ve mukavemetini artırır.

Kompozit malzemenin birleştiricisi olan matris malzemeler aşağıdaki görevleri yerine getirmektedir;

  • Fiberlerin bağımsız olarak kompozit yapı içerisinde hareketini engeller ve fiber yapıları bir arada tutar.
  • Kompozit yapıya gelen yükleri fiber takviye elemanlarına aktarmakla görevlidir.
  • Kompozit malzemenin formunu oluşturur,
  • Matris faz, fiberleri sararak çevresel etkilerden korur.

Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları

Kompozit malzemelerin kullanım alanları kısaca şu şekilde sıralanabilir;

  • Hafiflik ile beraber üstün mekanik özellikleriyle havacılık sektöründe
  • Yüksek dayanıklılık ve hafiflik ile hareket kolaylığının sağalabildiği spor malzemelerinde
  • İnşaat sektörü (Çit, Yürüme Yolları, Bina Balkon Korkuluğu, Taşıyıcı Konstrüksiyon vb. )
  • Yelkenli ve bot gövdelerinde
  • Müzik aletleri (Çello, keman vb.)
  • Otomotiv sektöründe
  • Sağlık sektöründe (Protez, diş)

Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması

Kompozit malzemelerin oluşturulmasında sonsuz sayıda malzeme kombinasyonu oluşturulabilir. Bu da kompozit malzemelerin sınıflandırılmasında kesin bir sınır çizilmesini mümkün kılmamakla birlikte, kompozit malzemeleri, yapılarındaki malzemeler ve yapılarındaki bileşenlerin şekline göre farklı biçimde sınıflandırılabilir.

  • Matris Yapılarına Göre Kompozitler
    • a) Metal Matrisli Kompozitler
    • b) Seramik Matrisli Kompozitler
    • c) Polimer Matrisli Kompozitler
      • 1. Termoplastik Malzemeler
      • 2. Termoset Malzemeler
        • Epoksiler
        • Polyesterler
        • Fenolikler
        • Silikonlar
        • Poliamidler
        • Poliüretanlar
        • Siyanet esterler
      • 3. Elastomer Malzemeler
    • d) Karbon-Karbon Kompozitler
    • e) Nano Kompozitler
  • Takviye Elemanlarına Göre Kompozitler
    • a) Elyaf Takviyeli Kompozitler
    • b) Parçacık Takviyeli Kompozitler
    • c) Tabakalı Kompozitler
    • d) Karma (hibrid) Kompozitler
    • e) Levhasal Kompozitler




Kompozitler heterojen yapılarından dolayı malzemenin her tarafında aynı özellik görülmez. Ayrıca anizotropik davranışa sahip olduklarından fiziksel özellikleri kompozit içindeki bileşenlerin farklı yönlenmesine göre değişir.

Kompozit bir malzemedeki fazlar arasındaki arayüzler
Kompozit bir malzemedeki fazlar arasındaki arayüzler. a) birincil ve ikincil fazlar arasında doğrudan bağlanma, b) birincil fazları bağlamak için üçüncü bir bileşen eklenerek arafaz oluşturulması.

Matris Malzemesine Göre Kompozitler

Polimer Matrisli Kompozitler: Polimer matrisli kompozitler endüstride ucuz ve diğer kompozitlere göre ele edilmesi kolay olduğu için yaygın olarak kullanılır. Matris malzemesi olarak termosetler ve termoplastikler kullanılır. Böylece kolay şekillendirildikleri gibi aynı zamanda oldukça hafiftirler. Takviye elemanı olarak karbon, cam, aramid, Al2O3, SiC, B4C kullanılır. Polimer matrisli kompozitler uzay ve savunma sanayisinde tercih edilir. Güçlendirme amaçlı kullanılan bu kompozitler genellikle cam ve karbon ile takviye edilerek kullanılır.

Metal Matrisli Kompozitler: Metal matrisli kompozit malzemeler, yüksek süneklik ve tokluk özellikleri sahip metaller ile elastik modülü ve mukavemeti yüksek olan seramik malzemelerin bir araya getirilmesiyle oluşur. Matris malzemesi olarak hafif oldukları için Al, Ti, Fe, Ni ve Mg alaşımları tercih edilir. Takviye elemanı olarak Al2O3, SiC, TiC, B4C kullanılır. Metal matrisli kompozit malzemelerin gelişme süreci son yıllar içerisinde malzeme mühendisliği alanındaki büyük ilerlemeler görülmüştür. Metal matrisli kompozit malzemeler üzerine gerçekleştirilen ilk çalışmalar sürekli fiber takviyeli kompozitler temel alınarak yapılmıştır. Bu alandaki çalışmalar sürecinde sürekli fiber takviyeli kompozit malzemelerin üretim aşamalarının karmaşık ve maliyetlerinin yüksek olmasından dolayı bu tür kompozitlerin imalatı zorlaşmış ve istenen yüksek performansa ulaşılması istenen düzeyde olamamıştır. Sürekli fiberlerin bu tip problemlerinin olmaması süreksiz takviyeli kompozitlerin geliştirilmesine, özellikle alümina (Al2O3) kısa fiber ve SiC whisker takviyeli kompozitlerin geliştirilmesine yol açmıştır (Aydın, 2019)

Seramik Matrisli Kompozitler: Seramik matrisli kompozitler yüksek sıcaklıkta çalışması istenen yerlerde kullanılır. Sert ve kırılgan yapıya sahiptir. Kopma uzaması ve tokluğunun düşük olmasına rağmen yüksek elastik modül ve yüksek çalışma sıcaklığı özelliğine sahiptir. Seramik fiberler sayesinde ani kırılma dayanımı artırılmıştır. Matris malzemesi olarak Al2O3, SiC, B4C kullanılırken takviye elemanı olarak Al2O3, SiC gibi seramik malzemeler kullanılır.

Takviye Malzemesine Göre Kompozitler

Parçacık Takviyeli Kompozitler: Matris malzemesine küçük parçaların eklenerek matrisin deformasyonlara karşı dirençli olmasını sağlayan kompozitlerdir. Parçacık takviyeli kompozitlerin mekanik özelliklerinin iyileşmesi matris ile parçacık ara yüzeyindeki bağın kuvvetli olmasına bağlıdır. Kompozit malzemelerin üretim süreçlerindeki gelişmeler sonucunda, parçacık takviyeli kompozitlerin kullanımı gittikçe artmaktadır. Bu kompozitlerin düşük maliyete ve yüksek performansa sahip olması avantaj oluşturmaktadır. Parçacık olan takviye elemanları küresel, kübik, tek tip veya farklı tip geometrilere sahip parçacıklar matris yapı içerisinde rastgele dağılmış veya yönlendirilmiş halde bulunabilirler. Matris yapı içeresinde yönlendirilmiş halde bulunan parçacık takviye elemanı belirli yönde özel zorlamalara karşı dayanım sağlaması mümkündür.

Fiber Takviyeli Kompozitler: Fiber takviyeli kompozit malzemeler, sünek matris malzemesi ile mukavemeti ve elastiklik modülü yüksek olan fiberlerin birleştirilmesiyle elde edilirler. Fiber takviyeli kompozit malzemelerde yük taşıma kapasitesi oldukça yüksektir. Kompozit malzemeye uygulanan yükü matris fazı fiberlere transfer eder. Böylelikle yüksek mukavemete sahip olan fiber takviyesi uygulanan yükün büyük bölümünü taşıyabilmektedir. Matris yapı içerisine yerleştirilen fiberler, tek yönlü veya yönlendirilmiş halde bulunabilirler. Kompozitlerde uygulanacak yükün doğrultusuna bağlı olarak fiberler yerleştirilirler. Yönlendirilmiş fiberlerin yanı sıra örgü formunda olan fiberler de mevcuttur. Özellikle, yüksek mukavemet, rijitlik ve hafiflik gibi özelliklere sahip olan fiber takviyeli kompozit malzemeler uzay ve havacılık sektörlerinde kullanılan bir malzeme grubudur. Aşağıdaki şekilde farklı morfolojilere sahip kompozit malzemeler gösterilmiştir.

Fiber takviyeli kompozit malzemelerin farklı morfolojileri
a) Rastgele yönlenmiş süreksiz fiber, b) Yönlendirilmiş süreksiz fiber kompozit c) Tek yönlü pekiştirilmiş sürekli fiber kompozit d) Örgü formunda fiberlerle pekiştirilmiş kompozitler

Tabakalı Kompozitler: Tabakalı kompozit malzemeler farklı türde ve farklı formlarda takviye içeren tabakalardan oluşur. Bu tabakaların özelliklerine bağlı olarak yüksek mekanik özelliklere sahip kompozitler üretmek mümkündür. Korozyon dayanımı yüksek, yüksek taşıma kapasitesine sahip olan tabakalı kompozitler askeri ekipman olarak kullanımı mümkündür. Tabakalı kompozitler iki boyutlu düzlemde yüksek dayanıma sahip olduklarından karmaşık formda malzeme üretmek mümkündür.

Hibrit Kompozitler: Hibrit yapılı malzemeler net olarak tanımlanmamış bir malzeme kategorisi içinde bulunmaktadır ancak genel itibariyle “belirli bir mühendislik amacıyla iki veya daha fazla takviye elemanıyla belirli bir düzenlenme miktarda bir yapı oluşturmasıyla” hibrit yapılı malzemeler meydana gelir (Martinsen vd. 2015). Hibrit malzemeler, tek bir takviye elemanıyla oluşturulan kompozitlere nazaran üstün mekanik özellikler göstermektedir. Bu takviye elemanı elyaf-elyaf karışımıyla imal edilse bile tabakalı ve sandviç panellerle imalatı da yapılmaktadır. Hibrit malzeme teknikleri genel olarak kompozit malzemeler, polimerler veya metal malzemeleri tek
bir çatı altında toplamaktadır. Böylece bu teknikler malzeme tiplerinin üstünlüklerini tek bir malzeme içinde toplama fırsatı sağlamaktadır. Metal alaşımlı malzemeler sayesinde yüksek sıcaklıkta dahi malzemelerin rijitliği ve yapısal dayanımı korunmakta, fiber takviyeli kompozitler ise işlevsellikle katmakta ve malzeme birleşimine aşınma ve özgül dayanımı sağlamaktadır

Matris Fazı Nedir?

Matris fazı (ilk faz) süreklidir ve esnektir, takviye elemanlarını aşınma, darbe, korozyon, çeşitli kimyasal ve fiziksel etkilere karşı korur, yapıya rijitlik, şekil vererek bir arada tutar, takviye elemanına yük ve kuvvet aktarımında köprü görevi görür. Matris takviye elemanlarını birbirlerinden izole ederek bir yönü ile bağımsız davranmalarını ve böylece çatlak ilerlemesi gibi hasarların yavaşlamasını ve durmasını sağlar. Seçilen matris malzemesinin özelliklerine bağlı olarak kompozit malzemenin süneklik, darbe direnci, basınç dayanımı gibi özellikleri değiştirilebilir.

Takviye Fazı Nedir?

Takviye fazı; (ikinci faz); genellikle matrise göre daha rijit ve dayanıklıdır. Takviye elemanının temel amacı matris yapıya destek, gelen yükün %70-90 oranında taşımak ve malzeme hacmini arttırmaktır. Matris içinde sürekli veya rastgele düzenlemelerde bulunabilen takviyenin yapı içerisindeki formu, cinsi, oranı, parça içindeki dağılımı ve yönü kompozitin mukavemetini önemli ölçüde etkilemektedir. Kompozit malzemeler kullanılan takviye elemanların şekilleriyle anılırlar.

Arayüz Nedir?

Arayüz, kompozit malzemedeki birincil ve ikincil fazlar arasındaki sınırdır.. Takviye ve matris fazlarının arayüzlerinde fiziksel, kimyasal ve mekanik etkileşimler vardır. Bu yüzden arayüz kimyasallara ve çevre etkisine dirençli olmalıdır. Kompozitin etkin biçimde çalışması için, fazların birleştiği arayüzde iyi bağlanması gerekir. Lifler, matrise uygulanan gerilmeyi arayüz boyunca aktarır ve güçlendirir. Arayüzdeki yapışma, gerilmenin ne kadar etkili transfer edileceğini belirler.

Arafaz Nedir?

Arafaz; (üçüncü bileşen) birincil ve ikincil fazlar arasına eklenen yapıştırıcı bir tabakaya benzer. Matris ve fiber arasında yük transferini sağlarken, yükün verimli şekilde iletilebilmesi için ara faz adezyonunun kuvvetli olması şarttır. Yük altında ara faz bölgesi matristen daha az dayanım gösterirse fiber ve matris ara yüz ayrılması ve delaminasyon hasarları oluşur. Genellikle kırılgan özellik göstermesine rağmen oluşan herhangi bir kuvveti çözülmeye ve kırılmaya uğramadan takviye fazına iletmektedir. Malzemenin elastisite modülünü etkileyen en önemli bölgedir. Ara faz, çekme, uzama, kesme, eğilme, darbe, yorulma, kırılma tokluğu ve hasar mekanizmaları gibi kompozitlerin mekanik özellikleri açısından önemlidir.

Kompozit Malzemelerin Karşılaştırılması

Kompozitlerin mühendislik malzemeleriyle karşılaştırılması
Kompozitlerin mühendislik malzemeleriyle karşılaştırılması




Geleneksel tek parça olarak davranan (monolitik) malzemeler ile kompozit malzemeler arasında karşılaştırma
Geleneksel tek parça olarak davranan (monolitik) malzemeler ile kompozit malzemeler arasında karşılaştırma (Chawla, K. K. (2012). Composite materials: science and engineering)

Kompozit Malzemelerin İmal Edilmesi

Kompozit malzemelerin üretim yöntemleri;

  1. Plazma Püskürtme
  2. Elle yatırma
  3. Hızlı Katılaştırma
  4. Yarı Katı Karıştırma
  5. Toz Metallurjisi
  6. Sıvı Metal Emdirmesi
  7. Sıkıştırmalı veya Sıvı Dövme Döküm
  8. Sıvı Metal Karıştırması
  9. Elyaf Sarma
  10. Reçine Enjeksiyon Kalıplama Tekniği (RTM)
  11. Otoklav İşleme
  12. Vakum İnfüzyon
  13. Basınçlı ve Basınçsız İnfiltrasyon
  14. Difizyon Bağlama ve Vakumda Presleme
  15. Sıcak Presleme ve Sıcak İzostatik Presleme
  16. Prepreg Kalıplama Tekniği

olarak sayılabilir.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir