Kompozitler Kompozit Malzemelere Giriş Prof. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 1/27 KOMPOZ İT MALZEMELER Prof. Dr. Hatem AKBULUTProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 2/27 10000 M.Ö. 2000 M.Ö. 1940’ lar 1960’ lar 1971 1970’ ler 1976 Saman ve Çamur Kontraplak Cam Fiber Takviyeli Polimerler (GFRP) Karbon Fiber Takviyeli Polimerler (CFRP) Kevlar Metal Matriks Kompozitler (MMK) Seramikler Kompozitlerin TarihçesiProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 3/27 G İRİŞ Modern teknolojiler: Uzay, Uçak, yapısal ve otomotiv endüstrileri Hafif, üstün ve spesifik özelliklere sahip yeni malzemelere ihtiyaç duymakta. Uzay, havacılık ve otomotiv sektörlerinde, mukavemet/a ğırlık, mukavemet/yoğunluk oranları gibi malzeme özellikleri önemli Kompozitler çok yüksek özelliklere sahip Üretim maliyetleri yüksek Son yıllarda geli şmeler hızlı (ucuz üretim ve malzeme temini) Kompozit tarihçesi çok eski yıllara dayanır Örnek: Kemik ve di ş doğal kompozit malzemeler Saman ve çamur karı şmı (kerpiç tu ğlalar) Muhtemelen ilk suni kompozitlerProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 4/27 Metaller Seramikler Polimerler • Yüksek yo ğunluk • Orta ve yüksek ergime noktası • Orta ve yüksek elastik modül • Reaktif • Sünek • Düşük yoğunluk • Yüksek ergime noktası • Çok yüksek elastik modül • Reaktif de ğil • Gevrek • Çok dü şük yo ğunluk • Dü şük ergime noktası • Çok dü şük elastik modül • Çok reaktif • Sünek ve gevrek Malzeme TürleriProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 5/27 Kompozit Olu şturma AmaçlarıProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 6/27 KOMPOZİT İN TANIMLANMASI Metaller Seramikler Polimerler Camlar Elasto- merler KompozitlerProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 7/27 İnsan tarafından üretilmelidir Farklı bile şenlerle beraber kimyasal olarak birbirinden farklı en azından iki malzeme kombinasyonundan olu şmalıdır. Kompozit malzemeyi oluşturan ayrı malzemeler üç boyutlu olarak birle şmelidirler. Kompozit , kendisini meydana getiren bile şenlerin tek başlarına sahip olamayacakları özellikleri göstermelidir Kompozit terimi en geni ş manada: Çok kristalli birçok metal ve metal olmayan parça Bir malzemenin kompozit sayılabilmesi için:Prof. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 8/27 Hangi malzeme kompozit, hangi malzeme monolitik malzeme? Yapı seviyelerini göz önünde bulundurmak gerekir. Bunlar; Atomik Seviye: Tek molekül ve kristal hücrelerine göre Tüm malzemeler, iki veya daha fazla sayıdaki farklı atomların bir arada bulunması durumunda kompozittir. (katı eriyikler, ala şımlar, polimerler ve seramikler kompozit) Mikroyapısal Seviye: İki kristal, faz, iki molekül kompozit. Çelikler, dökme demirler, intermetalikler kompozit sınıfına girer. Makroyapısal Seviye: Kaba olarak iki bile şenin olu şturduğu yapılar (matriksler, partiküller, fiberler) Farklı makrobile şenler mevcut. Kompozit olarak bilinen bazı malzemeleri kapsamamaktadır. Daha kapsayıcı olması için bile şenlerin tabiatları ve iki karakteristikleri daha göz önüne alınmaktadır.Prof. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 9/27 Bu özellikler; i) Kompoziti meydana getiren bile şenler genelde hemen hemen farklı kimyasal yapıya sahiptirler, ii) Birbirleri içinde çözünmezler. Bu şartlar altında kompozit malzemelerin tanımı: "Bir kompozit malzeme, temel olarak birbiri içinde çözünmeyen ve birbirinden farklı şekil ve/veya malzeme kompozisyonuna sahip iki veya daha fazla makrobile şenin karı şımından veya birle şmesinden meydana gelen malzeme sistemidir"Prof. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 10/27 Ara faz (bağ fazı) Matriks Arayüzey Fiber Şekil. Fiber ve matriks arayüzeyi ve bile şenler arasında meydana gelen arafaz. Kompozit üstün özellik içermeli (arayüzey ba ğı yeterli olmalı) Bu durumda teknolojik olarak malzeme kompozit sayılabilirProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 11/27 Arayüzeyde ba ğ çeşitleri farklıdır. Bile şen türü, üretim sıcaklığı, ön işlemlere göre ba ğ türü de ğişebilir. Arayüzey ba ğ türleri: (a) Moleküler etkile şim, (b) Elektrostatik çekim, (c) Elementlerin kar şılıklı difüzyonu, (d) Gruplar arası kimyasal reaksiyon, (e) Yeni bile şik olu şturacak şekilde kimyasal reaksiyon (özellikle MMK larda), (f) Mekanik kitlenme.Prof. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 12/27 Kompozit Malzemelerdeki Yapı Bile şenleri Şekil. Kompozitlerdeki farklı bile şen şekilleri. kompozitlerdeki bile şenler; i) fiberler, ii) partiküller, iii) levhalar, iv) tabakalar ve v) dolgular olarak tanımlanmaktadırlarProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 13/27 Kompozit Malzemelerin Sınıflandırılması Farklı sınıflandırmalar yapılmaktadır Malzeme kombinasyonları (Metal-organik veya metal-inorganik) Bile şen fazların karakteristikleri (Matriks sistemleri), Bile şenlerin da ğılımları (Sürekli, süreksiz), Fonksiyonları (Elektiriksel veya yapısal) Bile şenlerin şekline göre yapılan genel bir sınıflandırma: 1. Fiberli kompozitler, fiberler + matriks veya matriksiz fiber. 2. Levhasal kompozitler, düz plakalar + matriks veya levha ile matriksiz yapı. 3. Partikül kompozitler, partiküller + matriks veya partikül ile matriksiz yapı. 4. Doldurulmu ş(veya iskelet) kompozitler, sürekli bir iskelet matriksin ikincil bir malzemeyle doldurulması. 5. Tabakalı kompozitler, farklı bile şen tabakalarından olu şmu ş kompozit.Prof. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 14/27 Yap ı ısal bile şenlerin şekline göre kompozit sınıflandırmasProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 15/27 Fiberler bir malzemenin en üstün özelliklerini sergiler. Fiber takviyeli kompozit malzemelerin kullanımlarını kısıtlayan en önemli olay yüksek mukavemete ve elastik modüle sahip fiberlerin üretimlerinin güçlük ve maliyet Fiber takviyeli kompozit malzemelerdeki fiber şekilleri değişik olabilir. a) Sürekli fiber takviyeli kompozitler b) Kısa fiber takviyeli kompozitler şeklindedir. Fiber-Matriks KompozitleriProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 16/27 Şekil. Fiber şekilleri ve mümkün fiber da ğılımları. Kısa fiber veya whisker takviyeli kompozit (düzlemsel dağılmış) Kısa fiber veya whisker takviyeli kompozit (üç boyutta da ğılmış) Sürekli fiber takviyeli kompozit Kısa fiber veya whisker takviyeli kompozit (tek boyutlu düzen)Prof. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 17/27 Levhasal Kompozitler Matriks fazi içindeki levha şekilli takviye elemanları Al-grafit (levha) sistemi Levhalar; pullar, cam, mika ve metal olabilir En çok bilinen metal levhalar AlB2 ve Be levhalar. Partikül Kompozitler İki makro ölçekli partikül veya bir matriks içinde partikül. Partikül takviyeri metal, seramik veya polimer olabilir. Doldurulmuş Kompozitler Ön hazırlanmı ş iskeletlere (bal pete ği, preform) matriks malzemesi döküm veya basınç yoluyla doldurulur. Tabakalı Kompozitler Farklı özellikteki en az iki tabaka birle ştirilir. Polimer-cam, Metal-seramik, seramik-polimerProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 18/27 Kompozitler Partikül Takviyeli Fiber Takviyeli Yapısal Kaba Partikül Dispersiyonla Sertle ştirme Sürekli (Yönlenmi ş) Süreksiz (Kısa) Tabakalı Sandwich Paneller Tek Yönlü Rastgele Da ğılmı şProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 19/27 KOMPOZ İT MALZEMELER METAL MATR İKSL İ POL İMER MATR İKSL İ SERAMİK MATR İKSL İ KARBON- KARBON En yaygın kabul gören sınıflama türü: Matriks malzemesi türüne göre sınıflamadırProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 20/27 Kompozit Malzemelerin Önemi ve Genel Kullanım Alanları Kompozit performansı için en önemli anahtar parametreler; Mukavemet/a ğırlık oranı veya spesifik mukavemet Metal Mat- riksli Kom- pozitler Seramikler İntermetalik ve İntermetalik Kompozitler Karbon/Karbon Kompozitleri Seramik Kompozitler Geleneksel Malzemeler Ti ve Süperala şımlar Şekil. Çe şitli motor malzemelerinin çalışma sıcaklılığı ve mukavemet/a ğırlık oranına göre performans haritaları.Prof. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 Yıllar Spesifik Mukavemet [inç] x 10 6 Wood,Stone Bronze Cast Iron Steel Aluminum Composites Aramid Fibers, Carbon FibersProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 22/27 Şekil. Tarih boyunca malzemelerin relatif önemi ve ileriki yıllarda kullanılması düşünülen malzeme tahmini . Relatif Önem YıllarProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 23/27 Yy l Tüketim (bin Ton) 0 100 200 300 400 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 Uzay/havacy ly k/askeri Alet Y n?aat Tüketim Korozyona dayany kly malz. Elektrik Denizcilik Ta?y macy ly k Di?er Şekil. Kompozit Malzemelerin çeşitli kullanım alanları ve kullanım miktarlarının yıllara göre de ğişimi. Yıl Tüketim (Bin ton)Prof. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 24/27 Kompozitler için seçilmi ş bazı takviye malzemeleriProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 25/27 Kompozit malzemelere üç örnek mikroyapı, a) tabakalı bir kompozit olan kontraplak, b) Yüksek mukavemetli cam fiber ve yumu şak matriksten olu şan PMK, c) Bir partikül kompozit olan ve çimento matriksinde farklı boyutlu kum ve çakıl takviye betonProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 26/27 Son yıllarda özellikle uzay ve uçak araçlarında kompozit malzemelerin kullanımları yaygınla şmıştır. Bazı önemli kompozit kullanım alanları; - Boeing 757 ve 767 uçaklarında % 30 dan fazla polimer matriksli kompozit kullanılmıştır - Douglas AV8B Harier Avcı uçaklarında kanatlar ve gövde karbon fiber takviyeli kompozit - Voyager uçağı petrol ürünlerine dayanıklı kompozit malzeme - Corvette, Ferarri, Avanti, Toyota ve Ford otomobillerinde - Spor malzemeleri, tenis raketi, kayak, bisiklet, spor ayakkabıları - Amerikan uydularında, NASA ara ştırmalarındaProf. Dr. Hatem AKBULUT 09 Şubat 2007 Cuma METALURJ İ VE MALZEME MÜHEND İSLİĞ İ 27/27 Sistem Program Amaç Sonuç Mg-ThO2 SPAR I Mikron altı ThO2‘ nın dispersiyonu Gaz, boşluk, çekme bo şlu ğu yok Mg-ThO2 SPAR II Mikron altı ThO2 ‘ nın dispersiyonu Üniform da ğılım, aglomerasyon yok. Be-BeO SPAR III Tane inceltme Üniform da ğılım, aglome- rasyon zamanı uzun Ag-SiC Skylab Whiskerle sertle ş- tirilmi ş kompozit Üniform da ğılım, iyi özellikler InBi-Cu fiber Apollo 14 Cu fiberlerin dispersiyonu Üniform da ğılım InBi- SiCw Apollo 14 SiC whiskerlerin dispersiyonu Üniform da ğılım InBi-W Apollo 14 Islatılabilirli ği zayıf W' un dispersiyonu İyi ıslanma, üniform da ğılım Al-Pb Texus I Islatılabilirlik temas açısının dü şürülmesi İdeal da ğılıma yakın bir dağılım Ag-cam Texus I Islatılabilirlik ve homojen da ğılım Segregasyon dü şük ve daha ince yapi Tablo. Dökümle üretilen MMK malzeme sistemleri içinde uzay i şlemler ile elde edilen malzeme sistemleri.