mak 4087 kompozİt malzeme mekanİĞİ - kisi.deu.edu.trkisi.deu.edu.tr/cesim.atas/kompozit malzeme...

Kaynak Kitaplar

• Mechanics of Composite Materials, Autar K. Kaw, CRC

Press(Taylor&Francis), 2006 (Türkçesi Çevirisi: Efil Yayınları)

• Fiber-Reinforced Composites: Materials, Manufacturing, and

Design, P.K. Mallick, CRC Press (Taylor&Francis), 2007.

• Mechanics of Composite Materials with MATLAB, George Z.

Voyiadjis, Peter I. Kattan, Springer, 2005.

MAK 4087

KOMPOZİT MALZEME MEKANİĞİÖğretim Üyesi: Doç.Dr. Cesim AtaşDeğerlendirme:

1. Ara S: %17.5, 2. Ara S: %17.5, Ödev/Sunum: %15, Final: %50

Kompozit Malzeme Nedir?

İki veya daha fazla malzemenin makro-

düzeyde bir araya getirilmesiyle

oluşturulan ve yeni özelliklere sahip

malzemelere Kompozit

Malzeme denir.

Mühendislikte Kullanılan Malzemeler

Metaller

Plastikler

Seramikler

Kompozitler,….

1. GİRİŞ

+

Takviye

=

“kompozit’’Polimer matriks

Kompozitlerin Kulanım Alanları

Airbus A380

Kapasite: 853 yolcu

Uzunluk : 67,90

m

Yükseklik: 24,10

m veya daha fazla

Azami boş

ağırlık: 361

t

Kanat Alanı: 846 m²

Havacılık ve savunma sanayi

Deniz taşımacılığı

•Kara taşımacılığı

•Uzay Programları

Enerji sektörü

Rüzgar Türbini

•Altyapı

ürünleri

Yapı/İnşaat

Sportif

ürünler

Ev ürünleri

Tanklar

ve basınçlı

kaplar

Kompozit malzemelerin bileşenleri

1.

Matris fazıSürekli ve ana faz.Takviye fazını

birarada

tutar ve yükü

paylaşırlar.

2. Takviye fazıMatris içindeki ikincil fazdır, matrisin dayanım ve rijitliğini

arttırır.

3. ArayüzeyMatris ile takviye fazı

arasındaki fazdır

(kimyasal, fiziksel,

mekanik). Yapışmayı

belirler.

Kompozit malzemelerin sınıflandırılması

a) Matrise Göre

Polimer

Matris

Kompozitler [Polymer Matrix Composites

(PMC)

veya Fibre

Reinforced

Polymers/Plastics

(FRP)]

:Matris olarak çeşitli reçineler, takviye malzemesi olarak da çeşitli elyaflar (cam, karbon, aramid) kullanılır.

Metal Matris

Kompozitler

(Metal Matrix

Composites,MMC):Özellikle otomotiv sanayinde kullanılan kompozitlerdir. Ör; SiC

takviyeli alüminyum matris kompozitler.

Seramik

Matris

Kompozitler (Ceramic

Matrix

Composites, CMC):Genellikle, çok yüksek sıcaklıklarda çalışan yapılarda kullanılırlar. Takviyemalzemesi olarak genellikle silicon

carbide

ve boron

nitride

gibi kısa fiberlerkullanılır.

b) Takviyeye Göre

Elyaf takviyeli kompozitler

Parçacık takviyeli kompozitler

Tabakalı

kompozit malzemeler

Bir malzemede aranan özellikler

Akma/kırılma dayanımı

Rijitlik (Elastik modülü)

Kırılma Tokluğu (Çatlak yayılmasına karşı

dayanma direnci)

Yoğunluk (birim hacim kütlesi)

Yüksek sıcaklıklara dayanma direnci

Kompozit Malzemelerin Avantaj ve dezavantajları

Avantajlar:

Yüksek dayanım

Yüksek rijitlik

Düşük ağırlık

Yüksek yorulma dayanımı

Yüksek aşınma direnci

Yüksek korozyon direnci

İstenen yönde ısıl ve termal

özellikler

Estetik görünüm

• Daha yüksek maliyet

• İşleme güçlükleri

• Geri dönüşümün genellikle olmayışı

• Kırılma uzamasının az olması

•

Bazı

kompozitler için metallere oranla

üretim zorluğu

Dezavantajlar:

Malzeme Cinsi Özgül Ağırlığı

(ρ,

gr/cm3)

Çekme Dayanı

mı

(σ,MPa)

Elastisite Modülü

(E, GPa)

Özgül Çekme Dayanı

mı

(σ/ ρ)

Özgül Modülü

(E/ ρ)

Uzama%

Alüminyum 2.8 84 71 30 25 ---

Al-2024 2.8 247 89 88 25 8-20

Al alaşımı 2.8 600 71 210 25 ---

Titanyum 4.51 700 117 192 25.1 20

Ni

Alaşımı 8.18 450-1200 204 147 24.9 26-45

Akşap

(Kayın) 0.7 110 13 157 19 ---

Alaşımsız Çelik 7.86 460 210 60 27 20

Düşük Alaşımlı

Çelik

7.8 600 207 80-250 26.5 20-30

Dökme Demir --- 275 138 --- --- 0.6

Pirinç

%30Zn 8.5 550 100 60 12 ---

Karbon/epoxy

%60

1.62 1400 220 865 135 0.8

Kevlar/epoxy 1.38 1310 83 950 60 ---

cam/epoxy

%60 1.66 1510 165 910 99 --

Cam/polyester %50

1.9 750 38 390 19.8 1.8

Kompozitler ile Klasik Malzemelerin mekanik özellikleri (Ref: komp. Mlz. Giriş-Yusuf Şahin)

Kompozit malzemeler reçine ve takviye bileşenlerinden

oluşur.Kompozitler temel olarak kalıp görevi gören reçine içine

gömülmüş

sürekli veya kırpılmış

elyaflardan oluşmaktadır.Bu

bileşenler birbirleri içinde çözülmezler veya karışmazlar.Kompozit

malzemelerde elyaf;sertlik,sağlamlık gibi yapısal özellikleri,plastik

reçine malzemesi ise elyafın yapısal bütünlüğü oluşturması

icin birbirine bağlanması,yükün elyaf arasında dağılmasını

ve elyafın

kimyasal etkilerden ve atmosfer şartlarından korunmasını

sağlar.

2. Takviye ve Matris Malzemeleri

Bir Kompozit Ürünün özelliklerini belirleyen unsurlar

Takviye elemanının (fiber) özellikleri

Matris malzemenin özellikleri

Fiber-matris ara yüzeyindeki yapışma kabiliyeti

Fiber/matris oranı

(Hacimsel Yoğunluk, Fibre

Volume

Fraction)

Takviye elemanının geometrisi ve matris içindeki yönlenmesi

(oryantasyonu)

Cam

Karbon

Boron

Alüminyum oksit

Silisyum karbür

Organik moleküller (aramidler)

…..

Başlıca Takviye elemanları

(elyaf halinde):

Cam lifiKırpılmış

Cam lifi Kırpılmış

Cam lifinden keçe kumaş

Çekirdek (Core) takviyeler

Bu malzemeler, genellikle sandviç

yapıların üretiminde; yüksek

mukavemetli ve ince iki kompozit

tabaka arasında çekirdek (core)

olarak kullanılırlar. Amaç, malzeme

kalınlığını

hafif yapılar ile arttırarak

direngenliği arttırmaktır. Bu

malzemeler yüksek mukavemetli alt

ve üst yüzeylere (tabakalara) yük

transferini bir yüzeyden diğerine

aktarabilecek güçlü

yapıştırıcılar ile

bağlanırlar. Mazumdar

MATRİS MALZEMELER (REÇİNELER)Kompozit malzeme üretiminde kullanılan bir reçineden beklenen özellikler:

. İyi mekanik özellikler

2. İyi yapışma kabiliyeti

3. İyi tokluk özellikleri

4. Çevresel etkilere direnç: Reçinelerin birtakım çevresel etkilere (UV gibi), suya ve agresif maddelere (kimyasallar) dirençlerinin yüksek olması

istenir.

REÇİNE TÜRLERİ

Fiber takviyeli kompozit imalatında

kullanılan reçineler bazen polimer olarak

anılırlar.

Polimerler basit molekül yapıların

oluşturduğu zincir yapılardır. Polimerler;

Termoplastikler ve Termosetler olarak iki

gruba ayrılır.

Termoplastikler,

metallerde olduğu gibi,

yeterli ısı

ile eriyen ve

soğutulduğunda da katılaşabilen

yapılardır. Yani geri dönüşümü

olan

polimer

yapılardır. Naylon, polipropilen, polietilen

tipik termoplastik örnekleridir.

(Mallick)

3. Polimer Matris Kompozitlerin Üretim Yöntemleri

Seçilecek üretim yöntemi; takviye malzemesine (elyaf), matris

malzemeye (reçine), parça şekline, istenen mekanik ve fiziksel

özelliklere, maliyete ve üretim hızına bağlı

olarak değişim gösterir. Bir

parçayı

üretmek için genel olarak; ham madde, kalıp, ısı

ve basınca

ihtiyaç

vardır.

Kullanılan reçine ve takviye malzemesine ilave olarak, üretim yöntemi

de bir kompozit yapının nihai özelliklerini belirlemede önemli rol oynar.

Mazumdar

Kollar& springer

Polimer Matris Kompozitlerin Üretim Yöntemleri

Termoset kompozitlerin üretim yöntemleri

Termoplastik kompozitlerin üretim yöntemleri

Kısa-fiber kompozitler

Sürekli-fiber kompozitler

Kısa-fiber kompozitler

Sürekli-fiber kompozitler

SMC kalıplamaSRIMBMC kalıplamaSpreyleme

(Sprey kalıplama)Enjeksiyon kalıplama

İplik Sarma (Filament

Winding)Çekme (Pultrusion)RTM (Resin Transfer Molding

)Elle Tabakalama (Hand

Lay

UpOtoklav prosesi (Autoclave

process)Diğer Yöntemler ( SCRIMP, RIFT, VARTM…)

Enjeksiyon kalıplamaBlow

molding

?

Termal şekillendirmeBant sarmaPresli Kalıplama (Compression

Moulding)Otoklav…..

Sprey kalıplama/Püskürtme

Reçine olarak daha çok polyester kullanılır. Takviye malzemesi olarak demet halindeki lifler kullanılır.

Kaynak: Mazumdar

3)

De-moulding

2)

Resin Cure

1)

Spray-up

Chopper Roving

Atomised

resinand catalyst

Elle Tabakalama (Hand

Lay

Up/Wet

lay-up)

Yöntem; bir kalıba elle yerleştirilen kumaşlara (elyaf) bir rulo veya fırça ile reçinenin emdirilmesi esasına dayanır.

1)

Placement ofDry Reinforcement

2)

Resin Wetting

3)

Repeated Application of Layers

4)

Resin Cure

İplik Sarma (Filament

Winding)

Çevresel sarım Helisel sarım

Polar sarım

Vakum Destekli Reçine İnfüzyon Prosesi

Vacuum bag

Vacuumoutlet

Resininlet

Mold

Sealant tape BreatherRelease film

PET/PVC foam

E-glass fabrics

Resin distribution medium Peel ply

Reçine Transfer kalıplama (Resin Transfer Molding,RTM)

İnfüzyon yönteminden farklı

olarak burada Jelkot

uygulanmış

iki kalıp kullanılır.

1)

Preform Manufacture

2)

PreformCompression

5)

De-moulding3)

Resin

Injection4)

Resin Cure

Pultrüzyon

(pultrusion)Pultrüzyon

(çekme) düşük maliyetli, yüksek-hacimde üretime imkan veren, sürekli ve otomatik bir prosestir.

Autoclave Cure

(Otoklav

Pişirme)

Sıcak Presleme (Hot Press

technique)