1
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
PLASTİK MATRİSLİ
KOMPOZİTLER
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
PLASTİK MATRİSLİ KOMPOZİTLER
• Polimer malzemeler, son 25-30 yıl içerisinde önemli gelişmeler
göstererek günlük yaşantımızda ve endüstrinin hemen her dalında
kullanılan malzemeler haline gelmişlerdir.
• Polimerler, yapıları gereği çelik ve diğer konvansiyonel
malzemelerden farklıdırlar ve onların avantajlı yanları ön plana
çıkartılarak kullanım alanları giderek genişlemektedir.
• Polimer ve polimer kompozitlerin baslıca hedefleri en az çelik kadar
sağlam, olabildiğince hafif, yüksek kullanım sıcaklıklarına dayanıklı
ve ekonomik malzeme üretimidir.
• Günümüzde ileri mühendislik malzemelerinin kullanımında hiç
şüphesiz otomotiv sektörü en büyük payı almaktadır.
• Otolarda çeşitli plastik malzemelerin kullanımı % 10 civarında ise
de tamponlar gibi bazı özel uygulamalarda plastik kompozitler
rakipsizdir2
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
NEDEN POLİMER MATRİSLİ
KOMPOZİTLER?
• Malzemede yerine göre sağlamlık, esneklik, hafiflik, çevre şartlarına
(nem, güneş ısınları, gibi) dayanıklılık, darbe dayanımı, sertlik gibi
günlük yasamda kullanılan terimlerle ifade edilen özellikler yanında
daha bilimsel bir dille ısısal genleşe katsayıları, yorulma, çatlama ve
kırılma, çekme, eğme dayanımları ve benzeri değerlerin uygunluğu
aranır.
• Bütün istenen özellikleri tek bir metal, seramik veya polimer
malzemede bulmak son derece ender rastlanan bir olaydır.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
POLİMER MATRİSLİ KOMPOZİTLER
• Çeşitli mühendislik uygulamalarında metallerin yerini tercihen
kullanılan polimer kompozitler sadece hafiflik, mekanik dayanım gibi
özellikler değil, insan dokuları ile uyum sağlayan ve sertlik derecesi
ayarlanabilen yapay doku ve organlar gibi uygulamaların dışında
"optik elyaf" ve basınç ile elektrik üretebilen" piezo elektrik özellikli
ve istenildiği gibi işlenebilen özel sistemlerin yapımında da metal ve
seramik malzemelerin yerlerine kullanılmaktadır.
• Polimer kompozitler, iki ana kategoride incelenebilir.
-- parçacık dolgulu kompozitler
-- sürekli elyaf kompozitler
• Özellikle sürekli elyaf içeren kompozitler yüksek performans
istenen alanlarda giderek daha çok kullanılmaktadir.3
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
ELYAFLI KOMPOZİTLER
• Bu kompozit tipi ince elyafların matris yapıda yer almasıyla meydana
gelmiştir.
• Elyafların matris içindeki yerleşimi kompozit yapının mukavemetini
etkileyen önemli bir unsurdur.
• Uzun elyafların matris içinde birbirlerine paralel şekilde yerleştirilmeleri ile elyaflar
doğrultusunda yüksek mukavemet sağlanırken,
elyaflara dik doğrultuda oldukça düşük mukavemet elde edilir. İki boyutlu
yerleştirilmiş elyaf takviyelerle her iki yönde de eşit mukavemet sağlanırken, matris
yapısında homojen dağılmış kısa elyaflarla ise izotrop bir yapı oluşturmak
mümkündür.
• Elyafların mukavemeti, kompozit yapının mukavemeti açısından çok önemlidir.
Ayrıca, elyafların uzunluk/çap oranlar arttıkça matris tarafından elyaflara iletilen
yük miktarı artmaktadır.
• Elyaf yapının hatasız olması da mukavemet açısından çok önemlidir. Elyaflarla
pekiştirilmiş polimer kompozitler endüstride çok geniş kullanma alanına sahiptir.
• Pekiştirici olarak cam, karbon kevlar ve boron lifleri kullanılır.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
ELYAFLI KOMPOZİTLER
Bazı elyaf veya liflerin (pekiştirici/takviye liflerin) özellikleri 4
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
ELYAFLI KOMPOZİTLER
• Kompozit yapının mukavemetinde önemli olan diğer bir unsur ise elyaf matris
arasındaki bağın yapısıdır.
• Matris yapı da boşluklar söz konusu ise elyaflarla temas azalacaktır.
• Nem absorbsiyonu da elyaf ile matris arasındaki bağı bozan olumsuz bir özelliktir.
• Günümüzde kompozit yapılarda en önemli takviye malzemeleri sürekli elyaflardır. Bu
elyaflar özellikle modern kompozitlerin oluşturulmasında önemli bir yer tutarlar.
• Cam elyaflar teknolojide kullanılan en eski elyaf tipleridir. Son yıllarda geliştirilmiş
olan bor, karbon, silisyum karbür ve aramid elyaflar ise gelişmiş kompozit yapılarda
kullanılan elyaf tipleridir.
• Elyafların ince çaplı olarak üretilmeleri ile, büyük kütlesel yapılara oranla yapısal hata
olasılıkları en aza indirilmiştir. Bu nedenle üstün mekanik özellikler gösterirler.
• Ayrıca, elyafların yüksek performanslı mühendislik malzemeleri olmalarının nedenleri
aşağıda verilen özelliklere de bağlıdır ;
--Üstün mikroyapısal özellikler, tane boyutlarının küçük oluşu ve küçük çapta
üretilmeleri.
--Boy/çap oranı arttıkça matris malzeme tarafından elyaflara iletilen yük miktarının
artması
--Elastisite modülünün çok yüksek olması
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAFLAR
• Cam elyaflar, sıradan bir şişe camından yüksek saflıktaki kuarts
camına kadar pek çok tipte imal edilirler.
• Cam amorf bir malzemedir . Üç boyutlu moleküler yapıda, bir
silisyum atomu dört oksijen atomu ile çevrilmiştir.
• Silisyum metalik olmayan hafif bir malzemedir, doğada genellikle
oksijenle birlikte silis (Si 0 2
) şeklinde bulunur.
• Cam eldesi için silis kumu, katkı malzemeleri ile birlikte kuru halde
iken 1260 ºC civarına ısıtılır ve soğumaya bırakıldığında sert bir yapı
elde edilir.
• Cam elyaf silika, kolemanit, alüminyum oksit, soda gibi cam üretim
maddelerinden üretilmektedir.
• Cam elyaf, elyaf takviyeli kompozitler arasında en bilinen ve
kullanılanıdır.5
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAFLARIN ÖZELLİKLERİ
Cam elyafın bazı özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir ;
• Yüksek çekme mukavemetine sahiptirler, birim ağırlık başına mukavemeti
çeliğinkinden daha yüksektir.
• Isıl dirençleri düşüktür. Yanmazlar, ancak yüksek sıcaklıkta yumuşarlar. Bu
özellikleri katkı malzemeleri kullanılarak iyileştirilebilir.
• Kimyasal malzemelere karşı dirençlidirler.
• Nem absorbe etme özellikleri yoktur, ancak cam elyaflı kompozitlerde matris
ile cam elyaf arasında nemin etkisi ile bir çözülme olabilir.Özel elyaf
kaplama
işlemleri ile bu etki ortadan kaldırılabilir.
• Elektriği iletmezler. Bu özellik sayesinde elektriksel yalıtımın önem
kazandığı
durumlarda cam elyaflı kompozitlerin kullanılmasına imkan tanırlar.
• Cam elyaf imalinde silis kumuna çeşitli katkı malzemeleri eklendiğinde yapı
bu malzemelerin etkisi ile farklı özellikler kazanır.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAFLARIN ÖZELLİKLERİ
Dört farklı tipte cam elyaf mevcuttur
• 1. A (Alkali) Camı
A camı yüksek oranda alkali içeren bir camdır .Bu nedenle elektriksel
yalıtkanlık özelliği kötüdür. Kimyasal direnci yüksek olan A camı, en yaygın cam
tipidir.
• 2. C (Korozyon) Camı
Kimyasal çözeltilere direnci çok yüksektir, bileşimi ve özellikleri Tablo 3.1’de
verilmektedir.
• 3. E (Elektrik) Camı
Düşük alkali oran nedeniyle elektriksel yalıtkanlığı diğer cam tiplerine göre çok iyidir.
Mukavemeti oldukça yüksektir. Suya karşı direnci de oldukça iyidir. Nemli ortamlar
için geliştirilen kompozitlerde genellikle E camı kullanılır.
• 4. S,R (Mukavemet) Camı
Yüksek mukavemetli bir camdır. Çekme mukavemeti E camına oranla %33 daha
yüksektir. Ayrıca yüksek sıcaklıklarda oldukça iyi bir yorulma direncine sahiptir. Bu
özellikleri nedeniyle havacılıkta ve uzay endüstrisinde tercih edilir.
Cam elyaflar genellikle plastik veya epoksi reçinelerle kullanılırlar. Tablo da cam elyaf
tiplerine ait kimi özellikler verilmiştir. 6
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAFLARIN ÖZELLİKLERİ
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAFLARIN ÜRETİMİ
• Cam elyaf özel olarak tasarlanmış ve dibinde küçük deliklerin bulunduğu
özel bir ocaktan eritilmiş camın itilmesiyle üretilir.
• Bu ince elyaflar soğutulduktan sonra makaralara sarılarak kompozit
hammaddesi olarak nakliye edilir.
• Özellikle cam elyaf ile matris arası yapışma gücünü arttıran "silan" bazlı ve
elyaf üzerinde ince film oluşturan kimyasalların geliştirilmesinden sonra
kullanım sahaları artmıştır.
• Elyaflar işlem sırasında dayanıklılıklarının %50‘sini kaybetmelerine rağmen
son derece sağlamdırlar.
• Elyaf kumaşları genellikle sürekli cam elyafların lifleri ile üretilmektedir.
İşlemler sırasında değişik kimyasalların eklenmesi ve bazı özel üretim
yöntemleri ile farklı türde cam elyaflar üretilebilmektedir. Cam elyaf üretimi için
genellikle dikdörtgen prizma şeklinde fırınlar kullanılmaktadır. Bu fırınlar normal cam
üretim fırınlarına benzemekle birlikte ekstra bir ısıtıcıya da sahiptir.
• Fırın ısısını sağlamak amacı ile elektrik enerjisi ve fuel oil kullanılmaktadır. Günlük
200 ton civarında cam elyaf üretecek hammaddeyi ergitebilen fırınlar mevcuttur.7
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAF ÜRETİMİ
Mekanik Lif Çekme Yöntemi
• Filamanlar kovan çıkışında mekanik yöntem ile çekilir ve daha sonra
sarılırlar. Şekil de yöntem şematik olarak gösterilmektedir. Bu yöntem cam
fiberi yönteminde en çok kullanılan yöntemdir
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAF ÜRETİMİ
Pnömatik Lif Çekme Yöntemi
• Bu üretim yönteminde ısıtıcıdan çıkan elyaflar içerisinden vakum geçen delikli bir tambura
püskürtülür.
• Bu yöntemle elde edilen elyaflar süreksizdir ve boyları 5 ila 80mm arasında değişmektedir.
• Bu süreksiz liflerin bir araya getirilmesi ile elde edilen elyaflar sürekli elyaflardan cam yününe
benzer görüntüleri ile ayrışmaktadır .
(1)Basınçlı hava girişi; (2)Joule etkisi ile ısıtılmış
kovan;(3) etekler;(4)spray boyutunu ayarlayan
aparat;(5)delikli tambur;(6) tambur vakumu; (7) akan
fiberler (8)fiberler için toplama çemberi (9) iplik (10)
şekillendirme makarası (11) sarım makarası8
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
(1)Basınçlı hava girişi; (2)Joule
etkisi ile ısıtılmış kovan;(3)
etekler;(4)spray boyutunu
ayarlayan aparat;(5)delikli
tambur;(6) tambur vakumu; (7)
akan fiberler (8)fiberler için
toplama çemberi (9) iplik (10)
şekillendirme makarası (11)
sarım makarası
Pnömatik lif çekme yöntemi
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAF ÜRETİMİ
• Cam elyaf üretimi için genellikle dikdörtgen prizma şeklinde fırınlar kullanılmaktadır. Bu fırınlar
normal cam üretim fırınlarına benzemekle birlikte ekstra bir ısıtıcıya da sahiptir.
• Fırın ısısını sağlamak amacı ile elektrik enerjisi ve fuel oil kullanılmaktadır. Günlük 200 ton
civarında cam elyaf üretecek hammaddeyi ergitebilen fırınlar mevcuttur.
• Cam elyaf ve ürünleri üç aşamada üretilmektedir.
- Cam üretimi,
- Elyaf çekimi,
- Cam elyaftan mamül satışa sunulabilecek ürünlerin üretimi.
Birinci aşamada;
• uygun ağırlık ve oranlarda seçilen hammadde bileşimi çok ince bir şekilde öğütülerek homojen bir
karışım elde etmek üzere karıştırılır.
• Daha sonra yaklaşık 1550 0C sıcaklıkta çalışan ergitme fırınına beslenir. Fırın içinde karışım
yavaşça sıvı hale geçer.
• Ergimiş cam platin/rodyum alaşımından yapılmış ve elektrik enerjisi kullanılarak +0.5 0C ,-0.5 0C
tolerans ile 1250 0C de kontrol edilen kovanlara(bushings) beslenir veya cam mermer blok haline
veya cam çubuk haline getirilip oda sıcaklığın da soğutularak ikinci bir kullanım için temiz
kontenynerlerde depolanır.
• Ancak yaygın olan doğrudan ergitme fırın tipi olduğu için kovana gelen eriyik cam elyaf çekimi için
kullanılır.9
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAF ÜRETİMİ
. Cam Elyaf Üretimi
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAF ÜRETİMİ
Birinci aşamada;
• uygun ağırlık ve oranlarda seçilen hammadde bileşimi çok ince bir şekilde öğütülerek homojen bir karışım elde
etmek üzere karıştırılır.
• Daha sonra yaklaşık 1550 0C sıcaklıkta çalışan ergitme fırınına beslenir. Fırın içinde karışım yavaşça sıvı hale
geçer.
• Ergimiş cam platin/rodyum alaşımından yapılmış ve elektrik enerjisi kullanılarak +0.5 0C ,-0.5 0C tolerans ile 1250
0C de kontrol edilen kovanlara(bushings) beslenir veya cam mermer blok haline veya cam çubuk haline getirilip
oda sıcaklığın da soğutularak ikinci bir kullanım için temiz kontenynerlerde depolanır.
• Ancak yaygın olan doğrudan ergitme fırın tipi olduğu için kovana gelen eriyik cam elyaf çekimi için kullanılır
• İkinci aşamada;
• cam elyaf çekimi gerçekleştirilir. Rodyum platin alaşımından üretilen kovanlara gelen eriyiğin 50-70 m/s gibi
yüksek bir hızda kovanlarda bulunan deliklerden akması sağlanarak cam lifleri elde edilir.
• Kovanlarda 1-2 mm çapında ve 400-800-1200-1600 ve daha fazla delik bulunur. 9 ile 20 mikron çapında çekilen
cam lifleri bir mandrel üzerine sarılarak “kek” adı verilen bir bobin üzerinde toplanır.
Üçüncü aşamada;
• cam elyaf ürünlerinin üretilmesi sağlanır. Kovandaki deliklerden ayrılan eriyik kısa sürede cam flaman haline
gelmesi için akma esnasında su püskürtülerek belli bir sıcaklığa kadar soğutulur.
• Soğuyarak ipliksi bir hale gelen flamanlar bir tambur üzerinden geçirilerek gerekli kimyasallarla yüzeyi kaplanır. Bu
işleme “apreleme” adı verilmektedir.10
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAF ÜRETİMİ
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
CAM ELYAFLAR
• Bileşenlerine bağlı olarak,
kullanışlı elyaflar dönüştürülebilen
çeşitli cam tipleri mevcuttur.
Genel kullanım, iyi elektriksel özellikler
Yüksek dielektrik değerler
Yüksek alkali içerir
İyi kimyasal dayanım
Yüksek mekanik özellikler
E
D
A
C
R,S
Tip Genel Karakteristik
Poisson Oranı
0,22 -
Maksimum Uzama % 4,4 5,2
3400 4400 Çekme Dayanımı Rm MPa
Elastiklik Modülü E GPa 73 86
2,6 2,55 Yoğunluk r g/cm³
Özellikler E-Camı R-Camı
E ve R tipi camların mekanik özellikleri
Değişik türlerdeki camların
karekteristikleri
Öz ağırlık :r = ağırlık/hacim11
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
BOR ELYAFLAR
• 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-Tungsten elyaflar, sıcak tungsten flamanın hidrojen ve bortriklorür (BCl3)
gazından geçirilmesi ile üretilirler. Böylece Tungsten flamanın dışında bor plaka
oluşur. Bor elyaflar değişik çaplarda üretilebilirler (0.05 mm ila 0.2 mm). Tungsten
çekirdek ise daima 0.01 mm çapında üretilir.
• Bor elyaflar yüksek çekme mukavemetine ve elastik modüle sahiptirler. Çekme
mukavemetleri 2758 MPa ila 3447 MPa’dır. Elastik modül ise 400 GPa’dır. Bu değer
S camının elastik modülünden beş kat daha fazladır.
• Üstün mekanik özelliklere sahip olan bor elyaflar, uçak yapılarında kullanılmak üzere
geliştirilmişlerdir. Ancak, maliyetlerinin çok yüksek olması nedeniyle, son yıllarda
yerlerini karbon elyaflara bırakmışlardır.
• Bor elyafların Silisyum Karbür (SiC) veya Bor Karbür (B4C) kaplanmasıyla
yüksek sıcaklıklara dayanım artar. Özellikle bor karbür kaplanması ile çekme
mukavemeti önemli ölçüde artırılabilir. Bor elyafların erime sıcaklıkları 2040 ºC
civarındadır.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
BOR ELYAFLAR
Çeşitli refrakter veya seramik elyaflar buhar fazında kimyasal biriktirme
yöntemi ile üretilebilmektedir.
Üretilen bazı elyaf türleri aşağıdaki gibidir:
• Bor (B) elyaflar
• Bor-karbür (B 4 C) elyaflar
• Silikon-karbür ( SiC ) elyaflar
• Bor-silikon karbür (BorSiC) elyaflar
Bu elyaflar büyük çaplarda (yaklaşık 100 mikrona kadar) üretilmektedir.
Yaklaşık 20 mikron çapındaki bir tungsten veya karbon destek çubuğu
etrafına aşağıdaki seramiklerin kaplanması ile üretilmektedirler. 40 mikron
kalınlığında bor katmanı (bor elyaflar )
• 40 mikron kalınlığında bor katmanı ve 4 mikron kalınlığında bor-karbür
katmanı (B- B 4 C elyaflar )
• Silikon-karbür katmanı (SiC elyaflar )
• Bor ve Silikon-karbür katmanı (BorSiC elyaflar )12
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
Spesifik Dayanım Rm /r (kNm/kg) 1460 1540 1300
Çekme Dayanım Rm (MPa) 3800 4000 3900
Spesifik Modül E/r (MNm/kg) 165 165 140
Elastiklik Modülü E (GPa) 430 430 410
Çap (mm) 100-150 100-150 100-150
Yoğunluk r (g/cm³) 2,6 2,6 3
Bor + B SiC Özellik Bor 4
C
Çeşitli bor elyafların mekanik özellikleri
BOR ELYAFLAR
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
SİLİSYUM KARBÜR ELYAFLAR
• Bor gibi, Silisyum karbürün tungsten çekirdek üzerine kaplanması ile
elde edilirler. 0.1 mm ila 0.14 mm çaplarında üretilirler.
• Yüksek sıcaklıklardaki özellikleri bor elyaflardan daha iyidir. Silisyum
karbür elyaf 1370 ºC’ta mukavemetinin sadece %30 ’nu kaybeder.
Bor elyaf için bu sıcaklık 640 ºC’tır.
• Bu elyaflar genellikle Titanyum matrisle kullanılırlar. Jet motor
parçalarında Titanyum, Alüminyum ve Vanadyum alaşımlı matris ile
kullanılırlar.
• Ancak Silisyum karbür elyaflar, bor elyaflara göre daha yüksek
yoğunluğa sahiptirler.
• Silisyum karbürün karbon çekirdek üzerine kaplanması ile üretilen
elyafların yoğunluğu düşüktür. 13
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
ALÜMİNA ELYAFLAR
• Alümina, Alüminyum oksittir (Al2O3).
• Elyaf formundaki alümina, 0.02 mm çapındaki alümina
flamanın Silisyum dioksit (SiO2) kaplanması ile elde
edilir.
• Alümina elyafların çekme mukavemetleri yeterince iyi
değildir ancak basma mukavemetleri yüksektir. Örneğin,
alümina/epoksi kompozitlerin basma mukavemetleri
2275 ila 2413 MPa’dır.
• Ayrıca, yüksek sıcaklık dayanımları nedeniyle uçak
motorlarında kullanılmaktadırlar.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
GRAFİT - KARBON ELYAFLAR
• Karbon, yoğunluğu 2.268 gr/cm3 olan kristal yapıda bir malzemedir.
Karbon elyaflar cam elyaflardan daha sonra gelişen ve çok yaygın
olarak kullanılan bir elyaf grubudur.
• Hem karbon hem de grafit elyaflar aynı esaslı malzemeden
üretilirler. Bu malzemeler hammadde olarak bilinirler.
• Karbon elyafların üretiminde üç adet hammadde mevcuttur.
Bunlardan ilki rayondur (suni ipek).
• Ryon inert bir atmosferde 1000 - 3000 ºC civarına ısıtılır ve aynı
zamanda çekme kuvveti uygulanır. Bu işlem mukavemet ve tokluk
sağlar. Ancak yüksek maliyet nedeniyle rayon elyaflar uygun
değildirler.
• Karbon ve grafit aynı hammaddeden elde edilirler, grafit daha
yüksek sıcaklıkta elde edilir, bu da daha yüksek saflık sağlar.
• Karbon ve grafit elyafların karşılaştırılması Tablo da verilmektedir.14
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
KARBON VE GRAFİT ELYAFLARIN
KARŞILAŞTIRILMASI
Karbon ve Grafit Elyafların Karşılaştırılması
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
KARBON ELYAFLAR
• Karbon lifi ilk defa karbonun çok iyi bir elektrik iletkeni
olduğu bilinmesinden dolayı üretilmiştir.
• Cam fiberin metale göre sertliğinin çok düşük
olmasından dolayı sertliğin 3–5 kat artırılması çok
belirgin bir amaçtır.
• Karbon fiber, epoksi matriksler ile birleştirildiğinde
olağanüstü dayanıklılık ve sertlik özellikleri gösterir.
• Karbon fiber üreticileri devamlı bir gelişim içerisinde
çalışmalarından dolayı karbon fiberlerin çeşitleri sürekli
değişmektedir.
• Karbon fiberin üretimi çok pahalı olduğu için ancak uçak
sanayinde, spor gereçlerinde veya tıbbi malzemelerin
yüksek değerli uygulamalarında kullanılmaktadır 15
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
KARBON ELYAF ÜRETİMİ
Karbon elyaflar çoğunlukla iki malzemeden elde edilir;
Zift ve PAN (Poliakrilonitril)
• Zift tabanlı karbon elyaflar göreceli olarak daha düşük mekanik özelliklere
sahiptir. Buna bağlı olarak yapısal uygulamalarda nadiren kullanılırlar.
• PAN tabanlı karbon elyaflar kompozit malzemeleri daha sağlam ve daha
hafif olmaları için sürekli geliştirilmektedir.
• Bu elyaflar ile önce gerdirilerek termoset işlemlerle 400°C’ nin üzerine
ısıtılır. İlk aşama organik malzemenin oksidasyonuna neden olur. Daha
sonra malzeme yaklaşık olarak 800°C’ de vakum altında karbonizasyon
işlemine tabii tutulur ve karbon dışındaki empüritelerden arındırılır.
• Malzemenin karbonizasyonundan sonra elyaflar %50 ile %100 arasında
gerdirilerek 1100° C ile 3000° C arasında ısıtılarak grafitleştirme işlemi
yapılır.
• Son olarak elyaflar yüzey işlemlerinden geçerler ve epoksi-fiber bağının
güçlenmesini sağlamak amacıyla epoksi kaplanılar.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
PAN ve zift proseslerinin şematik gösterimi
KARBON ELYAF ÜRETİMİ16
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
KARBON ELYAFLAR
• 1. Yüksek çekme mukavemetine ve 200 - 300 GPa değerinde orta
elastik modüle sahip olan elyaflar (High Tensile Strength “HT”)
• 2. 400 GPa değerinde yüksek elastik modüllü elyaflar (High Module
“HM”)
• Karbon elyafların en önemli özellikleri düşük yoğunluğun yanısıra
yüksek mukavemet ve tokluk değerleridir.
• Karbon elyaflar, nemden etkilenmezler ve sürtünme mukavemetleri
çok yüksektir.
• Aşınma ve yorulma mukavemetleri oldukça iyidir. Bu nedenle askeri
ve sivil uçak yapılarında yaygın bir kullanım alanına sahiptirler.
• Karbon elyaflar çeşitli plastik matrislerle ve en yaygın olarak epoksi
reçinelerle kullanılırlar.
• Ayrıca karbon elyaflar alüminyum, magnezyum gibi metal matrislerle
de kullanılırlar.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
KARBON ELYAFLAR
Karbon Elyaf Örnekleri
Elyaf Dokuma
Türleri
Farklı Karbon Elyaf Dokuma17
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
GRAFİT ELYAFLAR
• Grafit elyaflar yaklaşık 0.008 mm çapında üretilirler.
• PAN bazlı grafit elyaflar çeşitli özelliklerde üretilebilirler.
• Elyaf imalatında genellikle rayonun yerine poliakrilonitril (PAN)
kullanılır.
• PAN bazlı elyaflar 2413 ila 3102 MPa değerinde çekme
mukavemetine sahiptirler ve maliyetleri düşüktür.
Karbon Elyaf Örnekleri
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
ARAMİD ELYAFLAR
• Aramid “aromatik polyamid”in kısaltılmış adıdır.
• Polyamidler uzun zincirli polimerlerdir, aramidin moleküler yapısında
altı karbon atomu birbirine hidrojen atomu ile bağlanmışlardır.
• İki farklı tip aramid elyaf mevcuttur. Bunlar Du Pont firması
tarafından geliştirilen Kevlar 29 ve Kevlar 49 ’dur.
• Aramidin mekanik özellikleri grafit elyaflarda olduğu gibi elyaf ekseni
doğrultusunda çok iyi iken elyaflara dik doğrultuda çok zayıftır.
• Aramid elyaflar düşük ağırlık, yüksek çekme mukavemeti ve düşük
maliyet özelliklerine sahiptir.
• Darbe direnci yüksektir, gevrekliği grafitin gevrekliğinin yarısı
kadardır. Bu nedenle kolay şekil verilebilir.
• Doğal kimyasallara dirençlidir ancak asit ve alkalilerden etkilenir. 18
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
ARAMİD ELYAFLAR
Farklı uygulamaların ihtiyaçlarını karşılamak için birçok farklı
özelliklerde aramid fiberi üretilmektedir.
Önemli Özellikleri;
• Genellikle rengi sarıdır
• Düşük yoğunlukludur.
• Yüksek dayanıklılık
• Yüksek darbe dayanımı
• Yüksek aşınma dayanımı
• Yüksek yorulma dayanımı
• Yüksek kimyasal dayanımı
• Kevlar fiberli kompozitler Cam fiberli kompozitlere göre 35% daha
hafiftir
• E Cam türü fiberlere yakın basınç dayanıklılığı
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
ARAMİD ELYAFLAR
Aramid fiberlerin dezavantajları:
• 1- Bazı tür aramid fiberi ultraviole ışınlara maruz kaldığında bozulma göstermektedir.
Sürekli karanlıkta saklanmaları gerekmektedir.
• 2- Fiberler çok iyi birleşmeyebilirler. Bu durumda reçinede mikroskobik çatlaklar
oluşabilir. Bu çatlaklar malzeme yorulduğunda su emişine yol açmaktadır.
Genellikle plastik matriksler için takviye elemanı olarak kullanılan
aramid fiberinin bazı kullanım alanları
• Balistik koruma uygulamaları; Askeri kasklar, kurşungeçirmez yelekler...
• Koruyucu giysiler; eldiven, motosiklet koruma giysileri, avcılık giysi ve aksesuarları
• Yelkenliler ve yatlar için yelken direği
• Hava araçları gövde parçaları
• Tekne gövdesi
• Endüstri ve otomotiv uygulamaları için kemer ve hortum
• Fiber optik ve elektromekanik kablolar
• Debriyajlarda bulunan sürtünme balatalarında ve fren kampanalarında
• Yüksek ıs ve basınçlarda kullanılan conta, salmastra vb.19
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
ARAMİD ELYAFLAR
• Her iki kevlarda 2344 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptir ve
kopma uzaması %1.8 ’dir.
• Kevlar 49’un elastik modülü Kevlar 29’unkinden iki kat fazladır.
• Kevlar elyafın yoğunluğu cam ve grafit elyafların yoğunluklarından daha
düşüktür.
• Kevlar 49/Epoksi kompozitlerinin darbe mukavemeti grafit/epoksi
kompozitlere oranlar yedi kat, bor/epoksi kompozitlere oranla dört kat daha
iyidir.
• Uçak yapılarında, düşük basma mukavemetleri nedeniyle, karbon elyaflarla
birlikte hibrid kompozit olarak, kumanda yüzeylerinde kullanılmaktadırlar.
• Aramid elyaflar elektriksel iletkenliğe sahip değildirler.
• Basma mukavemetlerinin iyi olmamasınn yanısıra kevlar/epoksi
kompozitlerinin nem absorbe etme özellikleri kötüdür.
• Tablo ’da farklı elyaf malzemelerin epoksi matris ile oluşturduğu yarı mamul
tabaka maliyetleri, E camının maliyeti baz alınarak verilmektedir.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
Maksimum Uzama, % 3,6 1,9 1,5 3 4
Spesifik Dayanım, Rm/r (kNm/kg) 2080 2070 1630 1800 2010
Çekme Dayanımı, Rm (MPa) 3000 3000 2400 2600 2800
Spesifik Modül, Ef/r (MNm/kg) 42 82 110 42 65
Elastiklik Modülü, E (GPa) 60 120 160 60 90
Çap, (mm) 12 12 12 12 12
Yoğunluk, r (g/cm³) 1,44 1,45 1,47 1,44 1,39
Özellik Kevlar 29 Kevlar 49 Kevlar 149 Twaron Technora
Aramid monofilamanların mekanik özellikleri
ARAMİD ELYAFLAR20
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
FARKLI ELYAFLARDAN OLUŞAN
KOMPOZİTLERİN BİRİM MALİYETLERİ
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
PLASTİK MATRİSLİ KOMPOZİTLERİN
YAPI BİLEŞENLERİ
Kullanılan Matrisler
Termosetler
Termoplastikler
Kullanılan Fiberler
Cam Fiberler
Karbon Fiberler
Aramid Fiberler21
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
TERMOSET MATRİSLER
En çok kullanılan matris malzemeleridir.
Sıvı halde bulunurlar, ısıtılarak ve kimyasal
tepkimelerle sertleşir ve sağlamlaşırlar.
Termoset polimerlerin polimerizasyon süreci,
termoplastiklerden farklı olarak geri dönüşü olmayan bir
süreçtir.
Yüksek sıcaklıklarda dahi yumuşamazlar.
Termoset matris malzemelerin üretiminde kullanılan
malzeme tipleri; epoksi, polyester, vinylester ve fenolik
reçinelerdir.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
TERMOSET MATRİSLER
• Termoset plastikler sıvı halde bulunurlar, ısıtılarak ve kimyasal
tepkimelerle sertleşir ve sağlamlaşırlar.
• Çoğu termoset matris sertleşmemeleri için dondurulmuş olarak
depolanmak zorundadır. Dondurucudan çıkarılıp oda sıcaklığında bir
müddet (1-4 hafta arası) bekletildiğinde sertleşmeye başlar ve
özelliklerini kaybederek biçim verilmesi zor bir hâl alır ve
kullanılamaz duruma gelir. Dondurucu içinde olmak şartıyla raf
ömürleri ise 6 ila 18 ay arasında değişmektedir.
• Termoset reçineler kimyasal etkiler altında çözülmez ve olağandışı
hava şartlarında dahi uzun ömürlü olmaktadırlar.
• Yüksek mukavemet gerektirmeyen durumlarda en çok kullanılan
matris malzemesi polyester reçinesidir.
• Gelişmiş kompozitlerin üretiminde ise genellikle epoksi reçinesi
kullanılmaktadır 22
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
TERMOSET MATRİSLER
Epoksi Reçine Matrisler
• Epoksiler iki ya da daha fazla epoksit içeren bileşenlerden oluşurlar.
Polifenol’ün epikloridin ile bazik şartlarda reaksiyonu sonucu elde
edilirler. Viskoz ve açık renkli bir sıvı halindedirler.
• Epoksilere uygulanan kür işlemleri ile yüksek sıcaklıklara
dayanımları 150-200ºC’ a artırılabilir. Saydam ve yapışkan hal amorf
polimerlerin karakteristiğidir.
• Tüm polimerler düşük sıcaklıklarda saydamlaşırlar ve yüksek
sıcaklıklarda kauçuklaşırlar. Geçişin meydana geldiği sıcaklık
aralığına “Camsı geçiş sıcaklığı ” adı verilir.
• Camsı geçiş sıcaklığı maksimum çalışabilme sıcaklığının bir
ölçüsüdür. 100 ºC’ a arttırılabilir.
• 150-250 ºC arasında uygulanacak bir kür ile 150-250 ºC arasında
maksimum çalışma sıcaklığı sağlanabilir. Kür işlemleri uygun
katalizörlerin kullanılması ile hızlandırılabilir.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
TERMOSET MATRİSLER
Bazı Termoset Plastik Matris Malzemelerinin Özellikleri 23
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
TERMOSET MATRİSLER
• Epoksilerin avantajı ve dezavantajları aşağıdaki gibi
özetlenebilir;
Avantajları :
• Kopma mukavemetleri yüksektir.
• Elyaf yapılarla yüksek bağ mukavemeti sağlarlar.
• Yüksek aşınma direncine sahiptirler.
• Uçucu değildirler ve kimyasal dirençleri yüksektir..
• Düşük ve yüksek sıcaklıklarda sertleşebilme özelliğine
sahiptirler.
Dezavantajları :
• Polyesterle karşılaştırıldığında pahalıdır.
• Polyestere oranla daha yüksek viskoziteye sahiptirler.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
TERMOSET MATRİSLER
Polyester matrisler
• Polyesterin ana tipleri, polyester bileşeninin doymuş asitle ya da alternatif malzeme olarak glikolle
modifikasyonu temeline dayanır. Ayrıca kür işlemi ile matrisin esnekliği iyileştirilerek kopma
gerilmesi artırılabilir.
Polyester matrislerin avantaj ve dezavantajları aşağıdaki gibi özetlenebilir;
Avantajları :
• Takviyelerin neminin kolayca dışarı atılabilmesine izin veren düşük viskozite.
• Düşük maliyet.
• Çeşitli uygulamalar için geniş bir sınır içinde kolay imal edilebilirlik.
• İyi çevresel dayanım.
Dezavantajları :
• Kür sırasındaki yüksek egzotermik reaksiyon zayıf elyaf/matris bağı
mukavemetine neden olur.
• Sistem gevrekleşmeye eğilimlidir.
• Çok seyreltik alkalilere bile zayıf kimyasal direnç gösterir.24
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
TERMOSET MATRİSLER
Vinylester Reçine Matrisler
• Polyesterlere benzerler.
• En önemli avantajları elyaf ve matris arasında iyileştirilmiş bir bağ
mukavemetine sahip olmalarıdır.
Fenolik Reçine Matrisler
• Fenol, alkalin şartları altında formaldehitle yoğuştuğunda
polimerizasyon oluşur.
• Polimerizasyon asidik şartlar altında yapılır.
• Fenolik reçinelerin en büyük avantajı yüksek sıcaklık dirençleri
olmalarıdır.
• En önemli dezavantajları ise diğer matris malzemelerine göre
mekanik özelliklerinin düşük olmasıdır.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
TERMOPLASTİK MATRİSLER
• Termoplastik polimerlerinin çeşitlerinin çok fazla olmasına rağmen matris
olarak kullanılan polimerler sınırlıdır.
• Termoplastikler düşük sıcaklıklarda sert halde bulunurlar ısıtıldıklarında
yumuşarlar.
• Termosetlere göre matris olarak kullanımları daha az olmakla birlikte üstün
kırılma tokluğu, hammaddenin raf ömrünün uzun olması, geri dönüşüm
kapasitesi ve sertleşme prosesi için organik çözücülere ihtiyaç
duyulmamasından dolayı güvenli çalışma ortamı sağlaması gibi avantajları
bulunmaktadır.
• Bunun yanı sıra şekil verilen termoplastik parça işlem sonrası ısıtılarak
yeniden şekillendirilebilir.
• Oda sıcaklığında katı halde bulunan termoplastik soğutucu içinde
bekletilmeden depolanabilir.
• Termoplastikler yüksek sertlik ve çarpma dayanımı özelliğine de sahiptirler.
Yeni gelişmelerle termo plastiğin sağladığı bu artı değerleri son dönem
termoset matrislerinden 977-3 Epoksi ve 52450-4 BMI reçineleri de
sağlamaktadırlar. 25
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
TERMOPLASTİK MATRİSLER
• Termoplastiklerin kompozit malzemelerde matris olarak tercih edilmemelerinin başlıca
nedeni üretimindeki zorlukların yanı sıra yüksek maliyetidir.
• Oda sıcaklığında düşük işleme kalitesi sağlarlar, bu onların üretimde zaman kaybına
yol açmasına neden olur.
• Termoplastik, reçineler malzemenin çekme ve eğilme dayanımlarının artırılması için
kullanılırlar
• Bazı termoplastikleri istenilen şekillere sokabilmek için çözücülere ihtiyaç duyulabilir.
Termo plastikler, termosetlere kıyasla hammaddesi daha pahalıdır.
• Başlangıçta amorf yapılı reçinelerden polietersulfon (PES) ve polieterimid (PEI)
matris olarak kullanılmaktaydı.
• Sonraki dönemde ise havacılık sektörü uygulamaları için çözücülere karşı dayanım
önemli bir kriter olarak ortaya çıkmıştır. Bu ihtiyaç sonrasında Polietereterketon
(PEEK) and Polifenilen sulfid (PPS) gibi yarı-kristal yapılı plastik malzemeler
geliştirilmiştir.
• Ayrıca sınırlı oranlarda Poliamidimid (PAI) ve Poliimid gibi plastiklerde
kullanılmaktadır. Bu polimerler diğer termoplastiklerden farklı olarak
polimerizasyonlarını kür aşamasında tamamlarlar.
• En yoğun çalışmalar ise PA, PBT/PET ve PP gibi düşük sıcaklıklarda kullanılan
polimerlerin üzerine yapılmıştır. Tüm bu polimerlerin haricinde ABS, SAN, SMA
(StirenMaleikAnhidrit), PSU (Polisülfon), PPE (Poifenilen Eter) matris olarak kullanılır.
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
TERMOPLASTİK MATRİSLER
• Otomotiv sektöründe yaygın olarak kullanılan termoplastikler uçak
sanayisinde de yüksek performanslı malzeme çözümlerinde
kullanılmaktadırlar.
• Çoğunlukla enjeksiyon ve ekstrüzyon kalıplama yöntemleri ile
üretilen termoplastiklerin üretiminde GMT (Glass Mat Reinforced
Thermoplastics / Preslenebilir Takviyeli Termoplastik) olarak ta
üretilmektedir.
• Bu yöntemle hazırlanan takviyeli termoplastikler soğuk plakaların
preslenebilmesi ve geri dönüşüm sürecine uygunluğundan dolayı
özellikle otomotiv sektöründe tercih edilmektedir26
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
PEEK- polieter eter keton 350-390 250
PPS- polfenilen sulfit 290-340 240
PAI- poliamid imide - 230
PEI- polieterimid - 170
PES- poli eter sülfon - 180
PA 220-270 170
PP 160-190 110
Malzeme Erime sıcaklık aralığı (°C) Maksimum işlem sıcaklığı (°C)
BELLİ BAŞLI TERMOPLASTİK
REÇİNELERİ VE İŞLEM SICAKLIKLARI
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
ÜRETİM YÖNTEMLERİ
¾AÇIK KALIPLAMA YÖNTEMLERİ
El Yatırma Yöntemi
Püskürtme Yöntemi
Elyaf Sarma Yöntemi
Vakum Torbası Yöntemi
Otoklav Yöntemi27
04.11.2008 Prof.Dr.Ayşegül AKDOĞAN
EKER
ÜRETİM YÖNTEMLERİ:
¾KAPALI KALIPLAMA YÖNTEMLERİ
Reçine Transfer Yöntemi (RTM)
Pultruzyon Yöntemi
Ekstrüzyonla Kalıplama Yöntemi
Hazır Kalıplama Yöntemleri
BMC
SMC
