KOMPOZİT MALZEMELERE UYGULANAN DENEYLER

DENEYİN ADI : Kompozit Malzemelere Uygulanan Mekanik Deneyler
DENEYİN AMACI : Kompozit Malzemelerin Mekanik Özelliklerinin Saptanması
1.KOMPOZİT MALZEMELER HAKKINDA GENEL BİLGİ
( Composit materials/ Verbundwerkstoffe; Komposit-Materialien), (ya da kısaca kompozitler) makroskobik olarak birbirinden ayrı iki ya da daha fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile imal edilen malzeme türüdür.
Her kompozitte genellikle iki tip madde bulunur; matris ve takviye malzemesi. Bu malzemeler birbirlerinden farklı fiziksel özelliklere sahiplerdir, ve bir araya getirilmeleri ile oluşan kompozit malzeme her ikisinden farklı özelliklere kavuşur. Genel olarak takviye malzemesi (reinforcement / Verstaerkung) taşıyıcı görev üstlenir, ve etrafında bulunan matris faz ise onu bir arada tutmaya ve desteklemeye yarar.
Günümüzde en çok kullanılan kompozitlerden biri betondur. çimento ve kumdan meydana gelen malzeme matris çelik çubuklar ile desteklenir. Bir diğer tanınmış kompozit ise kerpiçtir. Çamur ve samanın karıştırılması ile oluşturulan bu malzeme oldukça eskiden beri bilinen belki de insanlik tarihinin en eski yapı malzemesidir ve halen Türkiye'de kırsal kesimde kullanılır. Bazı ülkelerde, (Örn;Yemen'de) bu yapı malzemesinden çok katlı yüksek yapılar inşa edilir. Yakın dönemde yaygınlaşmış ve sıkça kullanılan bir diğer polimer matrisli kompozit ise anorganik ve organik elyafların (elyaf olarak: fiberglas, karbon, aramid, polietilen, polipropilen vs.) kullanıldığı fiberglas bileşik, yani kompozit malzemelerdir.
Kompozit malzeme teknolojisi bugün hızla gelişmektedir ve hemen her gün piyasaya yeni ürünler sunulmaktadır. Artan talep ve üretim doğrultusunda maliyeti düşen kompozitler, klasik endüstriyel malzemelere karşı sağladığı pek çok fiziksel ve keza kimyasal avantajlar sayesinde pek çok branşta ve bilhassa hafif yapıların ve konstrüksiyonların temel malzemesi olma yolunda, geleceğin malzemesi olmaya adaydırlar.
1.1 Kompozit Malzeme Nedir?
İki veya daha fazla sayıdaki aynı veya farklı gruptaki malzemelerin, en iyi özelliklerini bir araya toplamak ya da ortaya yeni bir özellik çıkarmak amacıyla, bu malzemelerin makro seviyede birleştirilmesiyle oluşan malzemelere “Kompozit Malzeme” denir. Başka bir deyişle birbirlerinin zayıf yönünü düzelterek üstün özellikler elde etmek amacı ile bir araya getirilmiş değişik tür malzemelerden veya fazlardan oluşan malzemeler olarak da adlandırılabilir.
Kompozit malzeme türleri şunlardır;
1. Polimer Kompozitler,
2. Metal Kompozitler,
3. Seramik Kompozitler.


Kompozit malzemelerin üç ana elemanı bulunmaktadır. Bunlar:
1.1.1 Matris Elemanı: Kompozit malzemelerde matrisin üç temel fonksiyonu vardır. Bunlar, elyafları bir arada tutmak, yükü elyaflara dağıtmak ve elyafları çevresel etkilerden korumaktır. İdeal bir matris malzemesi başlangıçta düşük viskoziteli bir yapıda iken daha sonra elyafları sağlam ve uygun bir şekilde çevreleyebilecek katı forma kolaylıkla geçebilmelidir. Matris malzemesi, 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 polibutilen tereftalat, polietereterketon ve polietersulfon kullanımı da dikkat çekmektedir.
1.1.2 Takviye Elemanı: Matris malzeme içinde yer alan takviye elemanı kompozit yapının temel mukavemet elemanlarıdır. Düşük yoğunluklarının yanı sıra yüksek elastite modülüne ve sertliğe sahip olan elyaflar kimyasal korozyona da dirençlidir. Günümüzde kompozit yapılarda kullanılan en önemli takviye malzemeleri sürekli elyaflardır. Bu elyaflar özellikle modern kompozitlerin oluşturulmasında önemli bir yer tutarlar. Aramid, karbon, grafit, boron, silisyum karbür (SiC), alümina, cam ve polietilen malzemelerin kısa veya uzun sürekli elyaf formunda kullanıldığı ve matrisi yaklaşık % 60 hacim oranında pekiştirici işlevi olan malzemelerdir.
1.1.3 Katkılar Maddeleri: Dolgular, kimyasallar ve diğer katkılar matrise niteliklerine göre özelliklerin geliştirilmesi amacıyla ilave edilirler.
Bu gruptaki kompozit malzemeler uçak-uzay, savunma, yapı-inşaat, tüketim mallarında, korozyon dayanımı gerektiren uygulamalarda, elektrik-elektronik, denizcilik, kara taşıtlarında ve özel amaçlı uygulamalarda kullanılmaktadır. Özellikle otomotiv sektöründe giderek artan ve % 6’ya yaklaşan bir uygulama artış hızı görülmektedir.
1.2 Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması:
Yapılarında çok sayıda farklı malzeme kullanılabilen kompozitlerin gruplandırılmasında kesin sınırlar çizmek mümkün olmamakla birlikte, yapıdaki malzemelerin formuna göre bir sınıflama yapmak mümkündür. Bu sınıflama şekli aşağıda verilmektedir.
a. Elyaflı kompozitler,
b. Parçacıklı kompozitler,
c. Tabakalı kompozitler,
d. Karma kompozitler.



1.3 Kompozitler Malzemelerin Sağladığı Avantajlar
1.3.1. Yüksek mukavemet : Kompozitler yüksek mukavemet değerleri sağlayan malzemeler arasında en etkin olanlardan birisidir.
1.3.2. Hafiflik : Kompozitler birim alan ağırlığında hem takviyesiz plastiklere, hem de metallere göre daha yüksek mukavemet değerleri sunmaktadır.
1.3.3. Tasarım esnekliği : Kompozitler bir tasarımcının aklına gelebilecek her türlü karmaşık, basit, geniş, küçük, yapısal, estetik, dekoratif ya da fonksiyonel amaçlı olarak tasarlanabilir.
1.3.4. Boyutsal stabilite : Çeşitli mekanik, çevresel baskılar altında termoset kompozit ürünler şekillerini ve işlevselliklerini korumaktadırlar.
1.3.5. Yüksek Dielektrik Direnimi : Kompozitlerin göze çarpan elektrik yalıtım özellikleri, birçok komponent’in üretimi konusunda açık bir tercih nedenidir.
1.3.6. Korozyon dayanımı : Kompozitler’ in antikorrozif özelliği, diğer üretim malzemelerinden üstün olan niteliklerinden biridir.
1.3.7. Kalıplama kolaylığı : Kompozit ürünler, çelik türündeki geleneksel malzemelerde karşılaşılan birçok parçanın birleştirilmesi ve sonradan monte edilmesi işlemini tek parçada kalıplama olanağı ile ortadan kaldırmaktadır.
1.3.8.Yüzey uygulamaları : Kompozit ürünlerde kullanılan polyester reçine, özel pigment katkıları ile renklendirilmek suretiyle, amaca uygun kendinden renkli olarakta üretilebilir.
1.3.9.Şeffaflık özelliği : Kompozitler, cam kadar ışık geçirgen olabilir. Tam şeffaf olması nedeni ile ışığı yayması sayesinde, diffüze ışığın önem kazandığı seralarda ve güneş kolektörü yapımında önemli avantaj sağlar.
1.3.10.Beton yüzeylere uygulama imkanı : Beton yüzeylere, kompozitler mükemmel yapışır. Özellikle, betonun gözenekli olması nedeniyle, kompozit’i oluşturan ana malzemelerden polyester reçinenin beton gözeneklerinden sızması ve beton kütle içinde sertleşmesinden dolayı mükemmel bir yapışma sağlanır.
1.3.11.Ahşap yüzeylere uygulama imkanı : Kompozitler ahşap yüzeylere yapışma özelliğine sahiptir. Ancak ahşabın kuru olması ve stiren ihtiva eden polyester reçine ile iyi bir şekilde emdirilmesi gerekir.
1.3.12.Demir yüzeylere uygulama imkanı : Demir yüzeydeki pas ve yağ kalıntıları temizlendikten sonra kompozitlerle kaplanabilir. Bu sayede demir ve çelik yüzeyler, kompozitlerle kaplanarak korozyon etkilerinden korunmaktadır.
1.3.13.Yanmazlık özelliği : Kompozitlerin alev dayanımı, kullanılan polyesterin özelliğine bağlıdır. Alev dayanım özelliğinin arandığı yerlerde “Alev dayanımlı” polyester kullanılmalıdır.
1.3.14.Kompozitler sıcaklıktan etkilenmez : Kompozit ürünler, termoset plastikler grubundan polyester reçineler ile yapıldığı için yumuşamaz ve şekil değiştirmez. Isı dayanıklılığı kullanılan polyester reçinenin cinsine bağlıdır.
1.3.15.Kompozitler içine farklı malzemeler gömülebilir : Kompozitler çine demir, ahşap, halat, tel, mukavva, poliüretan sert köpük gibi malzemeler gömülerek mekanik özellikleri farklılaştırılabilir.
1.3.16.Tamir edilebilirlik özelliği : Tamir izlerinin görünmemesi için, onarım işleminin bir kalıp üzerinde yapılması, ya da onarımdan sonra zımpara veya boya yapılması gerekir.
1.3.17.Kompozitler kesilip delinebilir : Kompozitler, tahta gibi kolayca kesilir, delinir, zımparalanır. Bu amaçla kullanılan aletlerin sert çelik veya elmas uçlu olması halinde daha iyi sonuç alınmaktadır.
2.KOMPOZİTLERİN ÜRETİM YÖNTEMLERİ
İstenilen özelliklerde ve biçimde kompozit malzeme üretimi için bir çok yöntem bulunmaktadır.Bu yöntemlerden başlıcaları aşağıdadır;

2.1 Elle Yatırma (Hand Lay-Up)
Dokuma veya kırpılmış elyaflarla hazırlanmış takviye kumaşları hazırlanmış olan kalıp üzerine elle yatırılarak üzerine sıvı reçine elyaf katmanlarına emdirilir. Elyaf yatırılmadan önce kalıp temizlenerek jelkot sürülür. Jelkot sertleştikten sonra elyaf katları yatırılır. Reçine ise kompozit mazlemenin hazır olması için en son sürülür Bu işlemde elyaf kumaşına reçinenin iyi nufuz etmesi önemlidir. El yatırma tekniğinde en çok kullanılan polyester ve epoksi’nin yanısıra vinil ester ve fenolik reçineler de tercih edilmektedir. Elle yatırma yoğun işçilik gerektirmesine rağmen düşük sayıdaki üretimler için çok uygundur.






2.2 Püskürtme (Spray-Up)
Püskürtme yöntemi elle yatırma yöntemini aletli şekli olarak kabul edilebilir. Kırpılmış elyaflar kalıp yüzeyine, içine sertleştirici katılmış reçine ile birlikte özel bir tabanca ile püskürtülür. Elyafın kırpılma işlemi tabanca üzerinde bulunan ve bağımsız çalışan bir kırpıcı sayesinde yapılır. Püskürtülme işlemi sonrası yüzeyin bir rulo ile düzeltilmesiyle ürün hazırlanmış olur.



2.3 Elyaf sarma (Filament Winding)
Bu yöntem özel biçime sahip ürünlerin seri üretimine uygundur. Elyaf sarma yöntemi sürekli elyaf liflerinin reçine ile ıslatıldıktan sonra bir makaradan çekilerek dönen bir kalıp üzerine sarılmasıdır. Sürekli liflerin farklı açılarla kalıba sarılmasıyla farklı mekanik özelliklerde ürünler elde edilebilir. Yeterli sayıda elyaf katının sarılmasından sonra ürün sertleşir. Ardından döner kalıp ayrılır. Bu yöntemle yapılan ürünler genellikle silindirik, borular, araba şaftları, uçak su tankları, yat direkleri, dairesel basınç tanklarıdır.




2.4 Reçine Transfer Kalıplama RTM / Reçine Enjeksiyonu
Bu kompozit üretim yönteminde elle yatırma sistemlere daha hızlı ve uzun ömürlü olmakla birlikte iki parçalı kalıp kullanmak gereklidir. Kalıbın kompozit malzemeyle yapılması çelik kalıp maliyetine göre daha düşük kalmasına neden olmaktadır.
RTM yöntemi çoğunluk jelkotlu veya jelkotsuz her iki yüzeyinde düzgün olması istenen parçalarda kullanılır. Takviye malzemesi kuru olarak keçe, kumaş veya ikisinin kombinasyonu kullanılır. Takviye malzemesi önceden kalıp boşluğu doldurulacak şekilde kalıba yerleştirilir ve kalıp kapatılır. Elyaflar matris içinde geç çözünen reçinelerle kaplanarak kalıp içerisinde sürüklenmesi önlenir. Reçine basınç altında kalıba pompalanır. Bu süreç daha fazla zaman ister. Matris enjeksiyonu soğuk, ılık veya en çok 80ºC’ye kadar ısıtılmış kaplarda uygulanabilir. Bu yöntemde içerideki havanın dışarı çıkarılması ve reçinenin elyaf içine iyi işlemesi için vakum kullanılabilir. Elyafın kalıba yerleştirilmesini gerektirmesinden dolayı uzun sayılabilecek bir işçilik gerektirir. Kalıp kapalı olduğu için ise zararlı gazlar azalır ve gözeneksik bir ürün elde edilebilir. Bu yöntemle karmaşık parçalar üretilebilir. Concorde uçaklarında, F1 arabalarında bazı parçalar bu yöntemle hazırlanmaktadır.



2.5 Profil Çekme / Pultruzyon (Pultrusion)
Pultruzyon işlemi sürekli sabit kesitli kompozit profil ürünlerin üretilebildiği düşük maliyetli seri üretim yöntemidir. Pull ve Extrusion kelimelerinden türetilmiştir. Sisteme beslenen sürekli takviye malzemesi reçine banyosundan geçirildikten sonra 120-150 ºC’ye ısıtılmış şekillendirme kalıbından geçilerek sertleşmesi sağlanır. Kalıplar genellikle krom kaplanmış parlak çelikten yapılmaktadır. Sürekli elyaf kullanılmasından dolayı takviye yönünde çok yüksek mekanik mukavemet elde edilir. Enine yükleri karşılayabilmek için özel dokumalar kullanmak gerekmektedir.



2.6 Hazır Kalıplama / Conmpression Molding (SMC,BMC)
Hazır kalıplama bünyesinde cam elyafı, reçine, katkı ve dolgu malzemeleri içeren kalıplamaya hazır, hazır kalıplama bileşimleri olarak adlandırılan kompozit malzemelerin (SMC,BMC) sıcak pres kalıplarla ürüne dönüştürülmesidir. Karmaşık şekillerin üretilebilmesi, metal parçaların bünye içine gömülebilmesi, farklı cidar kalınlıkları gibi avantajları bulunmaktadır. Ayrıca ürünün iki yüzüde kalıp ile şekillenmektedir. Diğer kompozit malzeme üretim tekniklerinin olanak vermediği delik gibi komplike şekiller elde edilebilmektedir. Iskarta oranı düşüktür. Bu yöntemin dezavantajları kalıplama bileşimlerinin buzdolaplarında saklanmaları gerekliliği, kalıpların metal olmasından dolayı diğer kalıplardan daha maliyetli olması ve büyük parçaların üretimi için büyük ve pahalı preslere ihtiyaç olmasıdır.

2.7 Vakum Bonding / Vakum Bagging
Kompozit malzeme (genellikle geniş sandöviç yapılar) önce bir kalıba yerleştirilir, ardından bir vakum torbası en üst katman olarak yerleştirilir. İçeridekği havanın emilmesiyle vakum torbası, yatırılan malzemenin üzerine 1 atmosferlik basınç uygulayarak aşağıya çekilir. Sonraki aşamada tüm bileşim bir fırına yerleştirilerek reçinenin kür işlemi için ısıtılır. Bu yöntem sıklıkla elyaf sarma ve yatırma teknikleri ile bağlantılı olarak uygulanır. Kompozit malzeme tamir işlemlerinde de vakum bagging yöntemi kullanılmaktadır.



3 DENEYSEL ÇALIŞMA

3.1 Deneyde Kullanılan Malzeme ve Cihazlar

• El yatırması yöntemi ile imal edilen polyester reçine matrisli, kırpık E-camı destekli plastik matrisli kompozit malzeme ( cam hacim oranı %30),Alçak yoğunluklu polietilen.
• Üniversal çekme cihazı
• Üniversal eğme cihazı
• Çentik darbe cihazı

3.2 Kompozitlerin Çekme Deneyi



Şekil 3.2 Üniversal çekme cihazı

Rm= Fmax / S0 = N / mm2 = MPa (1)
Kesit alanı; Dairesel kesit için S0 = ∏ do2/4
Dikdörtgen kesit için S0= a×b (2)

Numunemiz dikdörtgen kesitli ve boyutları a=25,9 mm b= 5,4mm
Numunemizi üniversal çekme cihazına yerleştirildi, çeneler sıkıştırdı. Kuvvet göstergesini sıfırlandıktan sonra yükü uygulamaya başladık. Tek eksenli çekme sonucunda malzememiz 1500kp.’da koptu.Önce plastikte kopma gözlemlenmiştir.Yükün Matristen Fiberlere transfer olduğunun sesini çıtırdama haliyle duyduk.

Fmax= 1500×9,81 = 14715 N

Kesit alanı; S0 = 25.9×5,4= 139,86 mm2

Çekme dayancı (1)’den:

Rmax = 14715/139,86=105,21 MPa

3.3 Kompozitlerin Eğme Deneyi

Eğme, iki desteğe serbest olarak oturtulan, genellikle daire veya dikdörtgen kesitli düz bir deney parçasının yön değiştirmeksizin ortasına bir eğme kuvveti uygulandığında oluşan biçim değiştirmesidir.
Eğme deneyi 3 noktalı eğme şeklinde yapılır.




Eğme Dayancı (бeğ) : Max. Eğme momentinin, kesitin mukavemet momentine bölümüdür.


бeğ = Memax / W × N / mm2=MPa (3)

Memax = Fmax /2 × l/2= Fmax x l / 4 (4)




Kesit mukavemet momenti; Dairsel kesit için W= ∏ do3/ 32
Dikdörtgen kesit için W= b×h2/6 (5)

бeğ =1,5 × Fmax× l /( b×h2) = N/ mm2 =MPa (6)


Numunemizin boyutlarını h=3.88mm b=39,63mm olarak ölçtük ve eğme cihazına yerleştirdik. Göstergede kuvvet sıfırlandıktan sonra yavaş yavaş kuvvet uygulayarak eğme işlemini izlendi. Malzememiz 40-50 kp’da kırıldı.


Fmax= 50×9,81= 490,5N

(6)’dan бeğ = 1,5× 490,5 × 100 / 39,63 × 15,05 = 123,359MPa

3.4 Darbe Deneyi

Darbe deneyleri Charpy ve İzod deneyleri olmak üzere 2’ye ayrılır. Charpy yönteminde iki mesnete yatay olarak yaslanan basit bir kiriş durumundaki numunenin çentik tabanına bir sarkacın ucundaki çekiçle darbe yapılıp numunenin kırılması için gerekli enerji ölçülür.
İzod yönteminde ise numune kavrama çenesine dikey olarak yerleştirilir.

Darbe dayancı, sürtünmesiz kırma işinin kırılan kesit alanına bölümüdür.

αk = Is / Ak (J/mm2 ) Ak; kesit alanı (7)




Boyutları a=14,45; b= 6.07 ve a= 10.73; b=5.72 olan iki numunemizi çentik darbe cihazına yerleştirdik ve Charpy yöntemi ile kırma işlemini gerçekleştirdik. Cihazdan okuduğumuz enerji değeri 8,1 ve 7,9 joule’dür.

(7)’den αk = 8.1 / 14.45×6.07 = 0,092 J/mm2 ve αk2 = 7,9 / 10,73×5,72 = 0,128 J/mm2 değerlerini elde ettik.

NOT: En çok enerji adsorbe eden malzeme sünektir.

4 DENEY DEĞERLENDİRMESİ

Mekanik laboratuarımızda yaptığımız bu deneylerde kompozit malzemelerin dinamik zorlamalar karşısındaki davranışlarını inceledik. Geçtiğimiz yıllarda metalik ve plastik malzemelere uygulamış olduğumuz bu testler sayesinde hem kompozitleri diğer malzemelerle karşılaştırma hem de kendine has olan özelliklerini inceleme imkanı bulduk.

 Çekme deneyi sonucunda kompozit malzeme uzama göstermeden koptu. Kopan parçalara baktığımızda fiberleri yakından gördük.
 Eğme deneyinde ise işlem esnasında malzememiz eğilirken yükün matristen fiberlere transfer oluşunu hem kuvvet göstergesinden (kuvvet artarken yük transferi başladığında düşmeye başladı ve transfer sonunda tekrar yükseldi) görsel hem de çıkan “çıtırtılar” ile duyusal olarak tecrübe ettik.

 Malzemelerimiz eğme etkisi ile kırıldıktan sonra, kompozit malzemelerin en önemli sorunlarından ikisiyle karşılaştık: Sıyrılma ve delaminasyon. İçinde cam elyafı bulunan numunemiz, matrisi saf polyester reçine olan tabakaya yapıştırılmıştır ve deney sonunda delaminasyona uğramıştır.
SMC yöntemi ile elde edilmiş, %50 polyester reçine + %35 kalsit + %15 cam fiber içerikli kompozit numunemiz ise deney sonucunda fiber sıyrılmasına uğradı.

5 DENEY HAKKINDA GENEL ŞAHSİ DÜŞÜNCELERİM

Bu deney bana mesleki yaşamımda her zaman hatırlayacağım çok büyük bir tecrübe katmıştır. Öte yandan delaminasyon ve sıyrılma gibi her yede karşılaşamayacağımız kompozit malzeme sorunlarını görebilmek de ayrı bir şanstı.
Hocamızın ince açıklamaları sayesinde kompozit malzemelerin önemini daha çok anladığımı düşünüyorum.

Daha önce Portekiz Minho Üniversitesinde girdiğim kompozit laboratuarlarında pratik uygulamalar ve kolay anlamamı sağlayan çalışmaları yaşayamamamdan dolayı kendimi eksik hissettiğim bu dönemde, PROF. DR. AHMET ÜNAL hocama şu kısa zaman diliminde bana verdiği yoğun ,pratik ve önemli bilgilerden dolayı teşekkür borçluyum.