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