POLİMER MATRİKSLİ KOMPOZİTLER (PMK)

1/118

PMK’ LERDE MATRİKS MALZEMELERİ

POLİMER LER

TERMOPLASTİKLER

KRİSTALİN

AMORF

ELASTOMERLER (KAUÇUKLAR)

TERMOSETLER

Burada incelenmeyecek, genelde sadece lastik üretiminde kompozit yapımında değerlendirilir. 2/118

Polimerler organik moleküllerdir. Mer: tek bir molekül Polimer: Küçük moleküllerin birleşmesi ve çok büyük molekülleri oluşturması Polimer molekül boyutu arttıkça ergime derecesi ve mukavemet artar.

3/118

POLİMERLERİN GENEL ÖZELLİKLERİ

Hafiflik, yüksek korozyon direnci, düşük mukavemet, yüksek sıcaklıkta kullanılamama Nispeten ucuz, kolay şekillendirilebilme (plastik poşetlerden mekanik dişlilere kadar) Fiziksel Açıdan - Işığı geçirebilirler (cam yerine kullanılabilme), - Elektriksel olarak izolatör ( Özel iletken polimerler mevcut) - Düşük sürtünme katsayısına sahip polimerler var. - Bazı polimerler ışığı elektriğe çevirir Oyuncak, ev eşyaları, yapısal, dekoratif kaplama, boya, yapıştırma, Otomobil lastiği, köpükler, paketleme malzemeleri. 4/118

Oluşum şekline göre Polimerler; Doğal olarak oluşan polimerler bitki ve hayvanlardan elde edilenler, -Odun, kauçuk, pamuk, yün, deri, ipek, enzimler, nişasta selüloz Sentetik polimerler, PE, PVC, PEET, vs.

5/118

HİDROKARBON MOLEKÜLLERİ Polimerler genelde hidrokarbon molekülleri C ve H atomlarından oluşmuşlardır. Moleküller arası bağ = kovalent Kovalent bağda : Her bir C 4 elektrona sahip Tekli bağ : Her bir H 1 elektrona sahip C – C arasında tek, çift veya üçlü bağ meydana gelebilir. Örnek:

Çift bağ

H

C2H4 (Etilen):

H H   C=C  

H

C2H4 (Asetilen) H - C  C – H

Üçlü bağ 6/118

POLİMER MOLEKÜLLERİ Polimerler çok büyük hidrokarbon molekülleridir. Polimerler makro moleküller olarak da adlandırılır. Molekülde atomlar kovalent bağlar ile bağlanarak bükülebilir çok uzun zincir oluşturur.

H H H    CCC    H H H Etilen meri

7/118

H  C  H

H H H    CCC    H H H

H  C  H

Etilen polimeri

PMK Malzeme üretiminde en çok kullanılan matriks malzemeleri ve kompozitlerinin mekanik özellikleri MAT ERIAL ABS ABS (reinforced) Acetals Acetals (reinforced) Acrylics Cellulosics Epoxies Epoxies (r einforced) Fluorocarbons Nylon Nylon (reinforced) Phenoli cs Polycarbonates Polycarbonates (reinforced) Polyesters Polyesters (reinforced) Polyethylenes Polypropylenes Polypropylenes (reinforced) Polystyrenes Polyvinyl chloride 8/118

UT S (MPa) 28-55 100 55-70 135 40-75 10-48 35-140 70-1400 7-48 55-83 70-210 28-70 55-70 110 55 110-160 7-40 20-35 40-100 14-83 7-55

E (GPa) 1.4-2.8 7.5 1.4-3.5 10 1.4-3.5 0.4-1.4 3.5-17 21-52 0.7-2 1.4-2.8 2-10 2.8-21 2.5-3 6 2 8.3-12 0.1-0.14 0.7-1.2 3.6-6 1.4-4 0.014-4

ELONGAT ION IN 50 mm (%) 75-5 75-25 50-5 100-5 10-1 4-2 300-100 200-60 10-1 2-0 125-10 6-4 300-5 3-1 1000-15 500-10 4-2 60-1 450-40

POISSON’s RAT IO () 0.35 0.35-0.40 0.46-0.48 0.32-0.40 0.38 0.38 0.46 0.35 -

En çok kullanılan üç termoplastiğin 20 oC de bazı özellikleri. Birim

Polipropilen

Naylon 6.6

Polikarbonat

Yoğunluk

g/cm3

0.90

1.14

1.06-1.20

Elasitisite Modülü

GN/m2

1.0-1.4

1.4-2.8

2.2-2.4

0.3

0.3

0.3

MN/m2

25-38

60-75

45-70

%

>300

40-80

50-100

Isı Iletkenliği

W/mC

0.2

0.2

0.2

Termal genleşme kat.

10-6C

110

90

70

Distorsiyon sıcaklığı

C

60-65

50-110

110-140

Ergime sıcaklığı

C

175

264

----

Su emme(24 s -20 oC)

%

0.03

1.3

0.1

Özellik

Poisson Oranı Çekme Mukavemeti Uzama

9/118

Tablo. Epoksi ve Polyester reçinelerin Özellikleri Birim

Epoksi Reçineler

Polyester Reçineler

Yoğunluk

g/cm3

1.1-1.4

1.2-1.5

Elasitisite Modülü

GN/m2

3-6

2.0-4.5

0.38-0.4

0.37-0.39

Özellik

Poisson Oranı Çekme Mukavemeti

MN/m2

35-100

40-90

Basma Mukavemeti

MN/m2

100-200

90-250

%

1-6

2

W/mC

0.1

0.2

Termal genleşme kats.

C

50-300

50-110

Distorsiyon sıcaklığı

C

50-300

50-110

Katılaşırken çekme

%

1-2

4-8

Su emme (24 s-20 oC)

%

0.1-0.4

0.1-0.3

Uzama Isı İletkenliği

10/118

+ = Polimer “Matriksler”

“Takviye Malz.” “Kompozit Bileşenler”

11/118

PMK Malzemelerde Takviye Malzemeleri

Cam

Karbon, Grafit

Aramid

Bor

Polimer

PMK malzemelerde kısıtlı türde takviye malzemesi kullanılmakta. Polimerler düşük sıcaklıkta üretilir ve birçok fiber üretim şartlarında polimerlerle bağ yapamazlar Sadece 5 tür takviye elemanı kullanılır. Çok nadir hallerde yüzeyleri özel olarak değiştirilmiş seramik fiberler kullanılabilir. 12/118

Sürekli fiberler değişik şekillerde örülebilir

Kabarık kumaş

Saten karga ayağı

8 li saten

5 li saten

Şekil. Özellikle polimerler için örülen değişik fiber şekilleri. 13/118

Şekil. Uygulama sahasına göre özel örülmüş fiber düzenleri

14/118

Şekil. Yük uygulama açısının değişimine göre fiberlerden elde edilecek gerilme değerlerinin değişimi. 15/118

Çekme Gerilmesi (MPa)

Fiber örgü örnekleri

Gerilme yönü ve fiberler arası açı

Cam Fiberler Cam fiber üretimi için çok değişik bileşimde cam mineralleri kullanılır. Çok değişik türde de cam fiber mevcut, Örnek: S, C, E, C, R, D. Tablo. Cam fiber üretiminde kullanılan cam çeşitleri ve bileşimleri (% ağ.)

Bileşen

E Camı

C Camı

S Camı

SiO2

52.4

64.4

64.4

Al2O3.Fe2O3

14.4

4.1

25.0

CaO

17.2

13.4

-

MgO

4.6

3.3

10.3

Na2O.K2O

0.8

9.6

0.3

10.6

4.7

-

-

0.9

-

Ba2O3 BaO

16/118

E camı = E elektriksel özellikli camı ifade eder İyi mukavemet, modül ve elektriksel özellikler Fiber üretimi oldukça kolaydır. C camı = Korozyona dayanımı temsil eder. Kimyasal korozyona karşı oldukça dirençlidir. Mekanik özellikleri E camına göre daha kötüdür. Maliyeti de yüksektir. S camı = Yüksek mukavemet ve modülü temsil eder Hem E ve hem de C camından daha yüksek maliyete sahip ve daha yüksek mukavemet ve elastik modül özellikleri sergiler. Yüksek sıcaklıkta bile mukavemetini muhafaza edebilir. 17/118

Karbon Fiberler Karbon (C) elementi = 2.268 g/cm3 C allotropik malzeme Fiber üretiminde, C fiberler hegzagonal yapıda C – C bağları arası mesafe 0,154 nm Grafit fiberlerde ise CC bağları arası mesafe 0.142 nm Şekil. Grafitin kristal yapısı 18/118

Karbon fiber PMK malzemelerin önemli özellikleri: -

Düşük yoğunluk (Alüminyumdan % 40 düşük) Yüksek mukavemet (yüksek mukavemetli çelik kadar mukavemetli) Yüksek elastik modül(Ti dan daha yüksek modül ve daha düşük yoğunluk) İyi yorulma direnci (Neredeye limitsiz yorulma ömrü) İyi sürünme direnci Düşük sürtünme, iyi aşınma direnci (yağlama altında çalışan çeliğe eşit sürtünme katsayısı) Düşük elektriksel direnç Yüksek elektromagnetik etkileşim Yüksek termal iletkenlik

19/118

Karbon fiberler değişik özellikte olabilir. Genel Özellikler:

Düşük yoğunluk Yüksek elastik modül ve yüksek mukavemet Ortalama maliyet Standart Elastik modüllü: 207-240 GPa Orta ölçekli elastik modüllü: 240-340 GPa Yüksek elastik modüllü: 340-960 GPa Fiber çapları 5-8 mikron arasında (insan saçından ince)

20/118

Takviye amaçlı Karbon fiberler üç türlüdür: 1. PAN (Polyakrilonitril) 2. PITCH (Petrol ürünlerinden) 3. Rayon (Kimyasallardan)-Artık kullanılmıyor

Karbon Fiberlerin Mekanik Özellikleri PAN Esaslı PITCH Esaslı Rayon Esaslı Elastik Modül (Mpsi) 33 - 56 23 -55 5.9 Çekme Mukavemeti(Mpsi)0.48 - 0.35 0.2 - 0.25 0.15 Uzama (%) 1.4 - 0.6 0.9 - 0.4 25 Yoğunluk (g/cm3) 1.8 - 1.9 1.9 - 2.0 1.6 Karbon miktarı (%) 92 - 100 97 - 99 99 21/118

Seçilmiş bazı C fiberlerin mekanik özellikleri Fiber Türü

Ürün Kodu

Çekme Mukavemeti (GPa)

Elastik Modül (GPa)

Uzama (%)

PAN

T300 T1000 M55J IM7

3.53 7.06 3.92 5.30

230 294 540 276

1.5 2.0 0.7 1.8

KCF200 Thornel P25 Thornel P75 Thornel P120

0.85 1.40 2.0 2.20

42 140 500 820

2.1 1.0 0.4 0.2

GP-Pitch HP-Pitch

22/118

Uzay araçlarında C fiber kompozitler başarıyla kullanılmakta. -Yükleme ve geçiş bölmelerinde ve itici kuyruklarda, solar panellerde epoksi C fiber PMK, PEEK matriks yüksek elastik modüllü C (350 GPa) PMK kompozitler Primer yapı olarak Airbus A310/A320 dikey kuyruk kutularında toklaştırılmış epoksi grafit fiber kullanılmakta. C fiber PMK malzemeler ağırlık kazanımı için otomobillerde kullanılmaya başlanmış.paneller, tamponlar, şaftlar, motor bileşenleri

Sürekli C fiber takviyeli PMK malzemeler elektronikte sıcaklığı düşürmek amacıyla kullanılmaktadır. C fiber kompozitler beton takviyesinde kullanılır. 23/118

Tablo. Tek yönlü dizilmiş C fiber takviyeli epoksi matriksli kompozitlerin ve yine epoksi matriksli farklı fiber takviyeli kompozitler ile farklı malzemelerin karşılaştırılması Gerilme (MPa)

Epoksi/C fiber (Yüksek muk.) Epoksi/C fiber (Yüksek modül) Epoksi/S cam fiber Epoksi/E cam fber Epoksi/Kevlar 49 fiber Alüminyum (7075T6) Titanyum (6Al-4V) Çelik (4130) 24/118

Çekme

Basma

E. Modül (GPa)

Yoğun. (g/cm3)

1482

1227

145

1.55

1276

1020

207

1.63

1751 1103 1310 572 1103 1300

496 490 290 -

59 52 83 69 114 207

1.99 1.99 1.39 2.76 4.43 8.01

Aramid Fiberler (Kevlar, Twaron) Cam fiberlerin performansı yetersiz kaldığında uygulanır. Savunma sanayii, balistik uygulamalar, kurşun geçirmez yelek, endüstriyel spor eşyaları Camdan daha yüksek mukavemetli ve daha hafif. Karbon fiberlerden daha sünek, Maliyeti karbon ve cam fiberlerden daha fazla

25/118

Aramid fiberler C, O, N ve H nin aromatik bir bileşimidir Kevlar ve Twaron ticari isimlerdir. Üretilen Hammaddesi: Para-phenylene-tere-phthalamide (Aramid) Polimer ilkin yıkanır ve sülfürik asitte çözündürülür Polimer yapısından dolayı çözünmüş halde kısmen yönlenmiş haldedir. Polimer çözeltisi küçük boşluklu kalıplardan ekstrüzyon işlemine maruz bırakılır. Çözeltilerin döndürülme ile üretilmesine (spinning) benzerdir. Fiberler tekrar yıkanarak kurutulur ve istenen şekillerde sarılıp veya örülür. Ekstrüzyona uğrayan her bir küçük demetin içinde 134 den 10,000 arası fiber bulunur.

26/118

Kevlar Fiber özellikleri Elastik Modül Çekme Mukavemeti Uzama Yoğunluk

MPa MPa % g/cm3

29 83 3,6 4 1,44

Kevlar 49 131 3,6 2,8 1,44

149 186 3,4 2 1,47

Şekil. Kevlar 49 fiberin taramalı elektron mikroskobunda elde edilmiş fotoğrafı. 27/118

Bor Fiber Özellikleri Yoğunluk: 2.5 g/cm3 Elastik Modül: 400 GPa Çekme Gerilmesi: 2.8 GPa Çekmede Uzama: % 0.7 Eksenel CTE: 4.9 PPM/oC) (CTE: Termal genleşme katsayısı)

SiC fiberler, Polimerik fiberler (PE, Naylon, PP) birçok uygulamada kullanılır.

28/118

Spesifik mukvemet (x106 in.)

Spesifik modül (x108 in.) 29/118

Şekil. Bazı önemli fiberlerin, metallerin ve polimerlerin spesifik gerilme ve spesifik modül değerlerinin karşılaştırılması

Tablo. Seçilmiş bazı takviye malzemeleri

30/118

Fiber Özellikleri Young Modülü Çekme Gerilmesi

x103 psi 106 psi Yoğunluk

31/118

32/118

Kompozit Üretim yöntemlerinin sınıflandırılması

PMK MALZEMELERİN TEMEL KULLANIM ALANLARI

POLİMER KOMPOZİT MALZEMELER

UZAY VE

HAVACILIK

33/118

OTOMOTİV SEKTÖRÜ

SPOR ARAÇLARI

YAPISAL UYGULAMALAR

A- Uzay ve Havacılık

Uzay Mekiğinde

Gövde kaplama bileşenleri (çelikten çok daha hafif)  Ticari Uçaklarda Kanat kısımlarının tamamı Kuyruk kısımları  Savaş uçaklarında (jetler) Kanat kısımları, kuyruk  Helikopter ve uydularda Ana ve kuyruk pervanelerinde Gövde bileşenlerinde Uydu gövdelerinde

34/118

Uzay Mekiği Bor Al+PMK Nomex fiber PMK Grafit epoksi yüksek mukavemetli PMK

Ti ile birlikte B fiber epoksi PMK

35/118

Cam fiber PMK alt tabaka kaplama

Cam fiber PMK Al üzerine kaplama yapılmış Grafit epoksi kapılar Epoksi cam örgülü PMK Örülmüş cam fiber Poliüretan PMK, ani sıcaklık değişikliklerine dayanıklı

Ticari Uçaklar

36/118

Ticari uçaklarda PMK kullanımı iki kısımda ele alınır: Birincil yapılar; uçuşta kritik, ikincil yapılar 37/118

Savaş Uçakları (Jetler)

38/118

Askeri uçakların PMK malzemelerden yapılan genel parçaları 39/118

A.B.D. Hava kuvvetleri B-2 ileri (hayalet) bombardrıman uçağı 40/118

Uçakların motor uygulamalarında kullanılan bileşenler

41/118

Uçaklarda kullanılan değişik PMK malzemeler: Uçak gövde burunları, konik parçalar,

42/118

Helikopter ve Uydular Helikopterlerde dış gövdenin nerdeyse tamamına yakını PMK malzemedir. Kullanılan PMK malzemeler özellikle Epoksi-karbon veya grafit (uçuşta kritik bölgelerde-helikopter pervanesi ve uçuş denge pervanesinde kullanılır) Polimer + Aramid fiber (balistik amaçla kullanılır) Polimer + cam fiber (Uçuşta ikincil önemli parçalarda kullanılr)

Apaçi; Dış gövde ve pervane sistemi PMK 43/118

Lynx model: gövde altı ve yan kapılar Kevlar PMK kompoziti

Helikopterlerde kullanılan PMK pervane kanatları

S-75 ACAP helikopteri, Xpervanesi (uçuş pervanesi) tamamen karbon fiber takviyeli PMK malzemeden dizayn edilmiştir. Özellikle havadan askeri araçların ve silahların naklinde kullanılır. 44/118

Plastikorganik fiber Plastikcam Plastik-cam kısa fiber

Plastik- C fiber Metaller

KA-50 helikopter gövdesinde kullanılan malzemeler

45/118

Uydu Bileşenleri

46/118

Nasa Helios, Atmosfer uydusu (meteoroloji). Kaporta tamamen PMK malzemedir. Solar paneller PMK, Ana gövde iskeleti Al-Li MMK olmasına rağmen kaporta kısmının tamamı C fiber PMK tir. 2004 yılında faaliyeti durdurulmuş ancak teleskop sistemi yenilenerek başka uydularda kullanılmaya başlanmış 47/118

B- Otomotiv sektörü Sürekli fiber demetleri bir kumaş gibi örülerek dikilmiş ve fiberler arasına polyester emdirilmiştir. Elektrikli aracın dış gövdesi 8 parçadan imal edilmiştir. Bu tür araçlarda temel avantajlar: Ağırlık tasarrufu, Ürtim maliyetinde azalma, Korozyon direnci, Termal izolasyon

Solectria electrikli oto: (a) kaporta. (b)tamamlanmış gövde. 48/118

Otomobillerde özellikle C-fiber takviyeli PMK ler revaçta  Gövde Parçaları - Kaputlar - Kapılar - Spoylerler - Alt kaportalar  İç Parçalar - Kumanda panosu kitleri - Şanzımanlar - Koltuklar - Konsoller  Other Parts - Ekzost Sistemleri - Yakıt geliş sistemleri

49/118

Sadece 160 Kg ağırlığında Monocoque otomobil gövdesi. Gövde Ti iskelet üzerine kaplanarak üretilmiş. Gövde çelikten daha yüksek elastik modüle sahip ve çeliğin ¼ kadar 50/118 bir yoğunluğa sahiptir.

Ferrari Formula 1 aracı. Tüm gövde yapısı elle yatırma yöntemi ile üretilen Epoksi C fiberden daha sonra otoklav yöntemi ile şekillendirilerek üretilmiş. Katmanlı mikroyapı

Carbon Fiber: McLaren 1 aracı 51/118

a)

c)

b)

a) tampon, b) kaput ve c) İç kumanda panosu 52/118

Volkswagen Sharan iç panel

Oto spoileri

Kevlar fiber zırhlı araç

Tamamen PMK gövdeli kamyon Hızlı tren vagonları 53/118

C- Spor Araçları Hafiflik, korozyona dayanım, arzulanan mukavemet ve ealstik modülün sağlanabilmesi, düşük sürtünme katsayısı gibi bazı ana nedenlerden dolayı PMK malzemeler spor eşyalarında yaygın olarak kullanılır

54/118

Karbon Fiber parçalar:

– Yarış bisikletleri • İskeletlerde • Çatallarda • Tekerleklerde

– Golf Sopalarında – Tenis Raketlerinde – Amrikan Futbolu ve Hokey koruyucularda – Silahlarda – Yay ve oklarda 55/118

Cam veya karbon fiber PMK

Karbon fiber PMK snowboard

56/118

D- Yapısal Uygulamalar Birçok farklı uygulama sahsı mevcut: Denizcilik, Zırh (kurşun geçirmez yelek) Askeri araçlar, İnşaat sektörü

Şekil. Karbon/epoksi kompozit koltuk değnekleri. Al dan daha yüksek mukavemetli ve % 50 daha hafif, daha estetik görünümlü 57/118

Özellikle Japonya’ da depreme dayanıklı beton veya yapı malzemeleri üretilmektedir. Beton içine C veya farklı polimer fiberle ilave edilip betonun kırılma tokluğu arttırılır 58/118

Çok amaçlı PMK malzeme dış gövdeli araç. Zırh amaçlı ve radar sinyallerini engelleyici PMK ile yapılmış. Zırh için Kevlar PMK, radar sinyali engellemek için cam fiber polyester PMK

Kişisel amaçlı kurşun geçirmez malzemeler

Kevlar fiber takviyeli kask 59/118

Denizcilikte yatlar, yelkenli kayıklar genelde cam fiber polyester PMK dir. 60/118

Nautical Transportation PMK

PMK Kompozit kasası

Preste sandwich türü dizayn ile üretilen Norveç’ e ait mayın tarama gemisi Cam fiber PMK

Yelkenliler 61/118

PMK Malzemelerde Özellikler Çelik ve Al ile karşılaştırıldığında fiber takviyeli PMK malzemelerde mekanik özellikler Yoğunluk r(kg/m3)

E. Modül E(GPa)

Çekme Mukav. s(MPa)

Spesifik Modül E/r

Spesifik Mukav. s/r

Çelik

7800

208

400

1

1

Alüminyum

2700

70

200

0.97

1.44

Nylon

1100

2.5

80

0.09

1.42

Beton

2400

40

20

0.63

0.16

Rastgele Fibee FRP

1800

20

300

0.42

3.25

(Fiberlere Paralel)

1600

200

1500

4.69

18.3

(Fiberlere dik)

1600

3

50

0.07

0.61

Tek yönlü Fiber FRP

62/118

Spesifik Modül (E/r)

Spesifik Mukavemet (s/r)

Malzeme türü

Malzeme türü

Şekil. Seçilmiş bazı kompozit ve takviyesiz alaşımların spesifik modül ve mukavemet değerleri. 63/118

Spesifik mukavemet (x106 in)

Spesifik modül (x108 in)

Birçok malzeme ve kompozitlerde spesifik mukavemet ve modül ilişkisi. 64/118

Mukavemet Modül Elektirik Direnci Sürünme Direnci Yorulma Dayanım Sınırı Yağlayıcılık Aşınma Dayanımı Termal İletkenlik

Şekil. Nylon 6.6 matriksli kompozitte özellikler 65/118

% 40 Karbon % 40 Cam Takviyesiz