Catalog

MALZEME TEKNOLOJİSİ Yarının malzemeleri: Kompozitler Kompozit (birleşik) malzeme bugün en çok otomotiv ve uçak/uzay sektörıerinde kullanmyor. ağara adamının taş baltasından uzay mekiğıne kadar teknolojideKİ tüm gelışmeler uygun malzemelerin bulunması ile mümkün olabildi. Metal, seramik ve polimer gibi saf malzemelerin flziksel ve kimyasal özellıklerının evrimsel bir süreç içinde ıslahı ile çağdaş bilim ve teknolojiye ulaşıldı. Fakat artık kaçınılmaz bir duraklamd içine gfren saf malzeme bilim ve teknolojisi, baş döndürücü hızla gelişen ileri teknolojılerin gereksinmelerini karşılayamaz oldu. Böylece, istenen malzeme özelliklerini elde etmek için saf malzemelerin heterojen yapılar halinde bir araya getirilmesi esasına dayanan "kompozitler" dönemine gelindi. Kompozit (birleşik) malzeme, saf malzemelerden oluşan iki veya daha çok formun aralarında bir kimyasal reaksiyon olmadan, fakat kuvvetli bir bağ ile bir araya getirilmiş bıçimidir. Kompozit malzemenin fiziksel özellikleri, onu meydana getiren saf malzemelerin fiziksel Özellıklerının toplamıdır. Kompozit yapılarda bir saf malzemenin istenmeyen özellikleri diğer malzemenin/malzemelerın istenen özellikleri ile örtülür. Yani malzeme tasarımcısının yapacağı iş, elindeki bir saf malzemenin özelliklerini iyıleştirmek değil, istediği özelliklere sahip saf malzemeleri birleştirmektır Bunu bir örnekle açıklayalım. lerle uyumsuzluk göstermeleri ve polimer matrisler içinde homojen dağılımlarını sağlamanın oldukça güç olması (1). Elyaf takviyeli plastiklerin üretim teknolojisindeki hızlı gelişmeler de dikkat çekiyor. Pultrüzyon yönteminde, devamlı elyaflar hareket halinde iken bir polimer ile kaynaştırılıyorlar. Yakın zamanlara kadar yalnızca termosetlerle kullanılan pultrüzyon yöntemi Phillips Petroeum Co. tarafından termoplastiklere de uygulandı (9). Sonuçta ise oldukça iyi mekanik özelliklere, kusursuz kimyasal dayanıklılığa, yüksek sıcaklıkta kararlılığa, alevlenme direncine, oldukça iyi yüzey özelliklerine, düşük habbe sayısına ve ikincil şekıllendirilebilme özelliklerine sahip bir kompozit elde edildi. Diğer bir yeni kompozitleme yöntemi ise Verton pultrüzyon yöntemi (2). Burada, matris polimeri ile sıkıştırılarak doldurulan elyaf demetleri küçük parçalar halinde kırpılıyor ve sonra karıştırılarak kalıplanıyor. Uzmanlara göre, metal ve polimer esaslı kompozit teknolojisindeki niteliksel ve niceliksei patlamadan en büyük payı otomotiv ve havacılık sanayileri alacak (Tablo 1). Ford, Ferrari, Toyota, Corvette ve Pontiac'ta şimdiden bazı çelik parçalar polimer veya metal esaslı kompozitlerle değiştirildi. (3, 4.) Tablo 1: Bugün ABD'de kullanılan plastik kompozitlerin sektörlere göre dağıhmı (1). Sektör Otomotiv Uçak/uzay Inşaat Denizcilik Paslanmaya karşı Askeri (hava dışında) Ev eşyası Elektronik Belirlenmeyen Oran (%) Reha Akçakaya M amacındadır Uzmanlar, kompozitler alanındaki gelışmelerın beklenenden çok daha hızlı olduğu konusunda birleşiyorlar (13). Modern kompozitlerin kullanımı Kompozitleri matris (taban) malzemelerine, takviye malzemelerine veya takviye malzemesi formuna göre sınıflandırmak mümkün. Genellikle metal veya polimer gibi yumuşak, çekme dayanımı düşük ve sünekliği fazla olan bir matris, cam veya seramik gibi çekme dayanımı çok yüksek fakat kırılgan bir malzemenin elyaf, kıl kristal (vvhisker), tanecık veya plakalarıyla takviye edilir. Böyle bir kompozit yük altında kaldığında matris deforme olur ve yükün elyaflar arasında eşit olarak dagılmasını sağlar. Elyaf kopması halinde oluşacak çatlak ise, matrisin tok (tough) yapısı nedeniyle çok yavaş ilerler Fakat bu sağlamlaşlırma mekanızmasının çalışabilmesi için takviye malzemesi ile matris arasında çok sağlam bir bağ oluşması, yani yük altında elyafların matristen sıyrılıp çıkmamaları gerekir. (4). Modern kompozitlerin kullanım alanlarına birkaç örnek vermek gerekirse: Deniz araçları ve ev eşyası yapımında uzunca bir süredir kullanılan cam elyaf takviyeli termoset ve termoplastikler; alumina veya silisyum karbür kıl kristalleriyle takviye edilmiş aluminyum alaşımından yapılan motor pistonları, uçak ve uzay aracı yapı elemanları, sür tünmeli makine parçaları; başka seramik tanecikleriyle toklaştırılmış seramiklerden yapılan ve aşınma direnci çok yüksek olan makine parçaları... Cam elyaflar elverişli fiziksel özellikleri ve ekonomik oluşları ile termoset ve termoplastik esaslı kompozitlerin en önemli takviye malzemesi olarak 1930 yılından bu yana kullanılmakta. Geçici deri ve solunum yolu tahrışlerıne yol açmalarına rağmen cam elyaflar, insanlar için çok az hayati tehlike oluşturuyorlar (5). Yoğunluk ve/veya çekme dayanımı bakımından camdan daha üstün özelliklere sahip bulunan karbon/grafit, alumina ve silisyum karbür elyaflar ise panalı oluşları nedeniyle kompozitlerde şimdilik çok sınırlı olarak kullanılıyorlar. Bununla birlikte, her geçen gün daha ekonomik üretim yöntemlerinın geliştirildiği göz önüne alınırsa, gelecekte özellikle karbon ve silisyum karbür elyafların tümüyle cam elyafların yerini alabileceği sonucuna varılabılır (6). Kimi uzmanlar ise cam elyaflı kompozit malzemelerin parlak bir geleceğe sahip olduğu görüşündeler. (7). Cam, elyaflı kompozitlerin en önemli takviye malzemesi. Bugün, termoset ve termoplastik matrıslere daha iyi yapışan, daha sağlam ve üretim maliyeti daha düşük cam elyafları yapılmaya çalışılıyor. VVısconsın Üniversitesi'nde gerçekleştirilen bir yöntemle, kompozisyonunda hiç silika ve bor bulunmamasına rağmen E camına göre ıki kat daha yüksek rıjıtlığe sahip, kimyasal dayanıklılık ve maliyet açısından da E camından daha üstün olan bir cam elyafı üretilıyor (8). ' Camdan başka malzemelerden yapılan elyaflar da plastik esaslı kompozitlerin üretiminde kullanılıyorlar. ' 43 22 '8 5 5 4 3 3 3 Selüloz elyaflar Düşük yoğunluk ve yüksek aşınma direncine sahip oldukları gibi sağlığa zarar vermeyen, hammaddesi de bol ve ucuz olan selüloz elyaflar da polimer takviyesinde kullanılıyorlar. Selüloz elyafların dezavantajları ise, nem çeker olmaları nedeniyle matris örnekler Asfalt yol kaplaması taş ve asfalttan oluşan kompozit bir malzemedir. Taş parçaları çok sağlam olmalarına rağmen, birbirleri üzerinde yuvarlanmaları ve etrafa saçılmaları nedenıyle tek başlarına emniyetli bir trafik akışına izin vermezler. Asfalt ise taş parçalarının aksine taşıt lastiklerı ve toprağı çok iyi kavrar, fakat tek başına kullanılırsa akışkanlığı nedeniyle zamanla deforme olur. Bir kompozit olan asfalt yol kaplaması ise taşın sağlamlığı ve asfaltın bir arada tutma özelliğini birleştirir: Taş, yoldan geçen taşıtın ağırlığını karşılar, asfalt da taşların dagılmasını önler. Günlük yaşantımızdan tanıdığımız modern kompozitler de vardır Örneğın: Tahta, şlşe mantarı, bal peteği, yumurta kabuğu, kemik, vb. Oemek ki, doğada da organik malzemelerin yetersiz kaldığı durumlarda bu malzemeler uygun çiftler halinde bir araya getirilerek gereken özelliklere sahip kompozitler oluşturulmuş. Bugün, henüz oldukça yeni olan, fakat başdöndürücü bir hızla gelişen kompozit mühendisliği geleceğın önemlı sanayi kollarına, özellikle de otomotiv ve havacılık sanayilerine yeni ve güvenilir malzemeler sunarak, bu sanayi kollarının karşısında duran ağır ekonomık tehditleri ortadan kaldırma I Modern kompozitler sayesinde gerçekleştirilebilen bir başka yenilik öne dönük kanatlı uçaklar. Klasik arkaya dönük kanatlara oranla % 1020 daha az hava direnci yaratan ve uçakta %2025 ağırlık azalması sağlayan öne dönük kanatların uygulanabılmesi için üretilen kompozit, grafit ve bor elyafı takviyeli polimer tabakalarından oluşan ve uçuş sırasında ortaya çıkan kuvvetlere karşı koyabilecek esnek bir malzeme (10). ABD tarafından uzaya gönderilen uzay mekiğinin burun konisi ise bir karbon bağlayıcı içindeki grafit elyaflarından yapılan bezin silisyum karbür ile kaplanarak tabakalar halinde bir araya getirilmesiyle elde edilmiş bir kompozit malzeme. I Türkiye ilgisiz Şüphesiz ki modern teknolojinin bütün alanlardakı gelişimi, istenen nitelikteki malzemelerin varlığına bağlı. Başta metal teknolojılerı olmak üzere, konvansiyonel saf malzeme teknolojilerinin yukarıda da bazı örnekleri sunulan bu gereksinmeyi artık karşılayamayacakları g^rülüyor. Türkiye ise dünyanın bilim ve teknoloji üreten ülkelerinde büyük bir hızla gelişen kompozit teknolojisine karşı oldukça ilgisiz görünüyor. Cam takviyeli termoset ve termoplastik uygulamalarından başka kompozitler konusunda yurdumuzda önemli bir etkinlik yok. Bilim ve sanayi dünyamız, bu konuda sessiz, belki de bu önemli gelişmelerden habersiz. Bugün makul düzeyde yatırımlarla başlayabilecek araştırma çalışmalarının, yakın gelecekte Türkiye'yi malzeme konusunda hızla çağın gerisinde bırakacak bir sonucu önleyeceği inancındayız. Profesör kendinlze gelin! Uzay zamanda bir boşluğa düşmedik, sadece bir barda sarhoş olduk!.. 10