1—Genel Bilgi:
1.1--Farklı özelliklerdeki iki ya da daha fazla malzemeyi, istenen özellikleri sağlayacak duruma getirmek için, fiziksel olarak belirli oranlarda makro yapıda bir araya getirilerek elde edilen, kullanışlı üçüncü malzemeye kompozit malzeme denir.
1.2--Kompozit malzemelerin en büyük özelliği, mukavemetinin yüksek olması, kolay şekillendirilebilmesi, elektriksel, kimyasal etkilere ve korozyona karşı dayanıklı olmasıdır.
1.3--Kompozit malzemeler, diğer tüm malzemelere oranla, ağırlığına göre, en dayanıklı malzemedir.
1.4--Kompozit malzeme, fiber ve matrix olmak üzere iki malzemeden oluşmaktadır.
1.5--Fiber malzeme, kompozit malzemenin mukavemetini ve yük taşıma özelliğini sağlayan bileşenidir. Diğer bileşen ise, matrix malzeme olup, fiber malzemelerini yük altında bir arada tutan, yükü fiberler arasına homojen dağıtan, sürekli bir fazdır.
1.6--Fiber malzemesinin kompozit malzeme içerisindeki uzunluğu, tipi ve oryantasyon açısı, kompozit malzemenin aşağıdaki özelliklerini değiştirmektedir
1.7--Fiber malzemesi olarak karbon, çelik, cam lif, kevlar, grafit gibi mukavemeti yüksek olan malzemeler seçilir.
1.8--Matrix malzeme olarak da, thermoset reçineler (epoxy, polyester, vinylester, phenolics, polyurethanes, bismaleimides, polyimides, polybenzimidazoles), thermoplastikler (Nylon 6, polycarbonate, polyacetals, polyamide-imide), metaller (alüminyum, titanyum, magnezyum alaşımları, bakır bazlı alaşımlar, nikel bazlı alaşımlar), seramikler (slicon carbide, alüminyumoksit) kullanılabilir.
1.9--Kompozit malzemelerde, polyester ve epoxy en çok kullanılan reçinelerdendir. Bu çalışmada da fiber malzeme olarak cam lifi kullanılırken, matrix malzemesi olarak epoxy, polyester ve vinylester malzemeleri kullanılmıştır.
1.10--Kullanılan matrix malzemelerin en büyük özelliği, pek çok alanlarda kullanılabilmesi, düşük üretim maliyeti ve imalat işleminin kolay olarak yapılabilmesidir.
1.11--Bu malzemelerin mekanik özellikleri oldukça iyidir. Kullanılan matrikse bağlı olarak kompozit malzemeler, polymer matrix kompozitler, metal matrix kompozitler ve seramik matrix kompozitler olmak üzere sınıflandırılabilirler.
1.12--Ticari olarak kullanılan kompozitlerin çoğunluğu, polymer matrixli kompozit malzemelerdir. Ancak, metal matrix kompozitler ve seramik matrix kompozitler; büyük oranda, yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılmaktadır.
1.13--Kompozit malzemeler, insanlar tarafından üretildiği gibi, doğada da bulunmaktadır. Buna örnek olarak; ahşap, kaya ve kemik verilebilir. Ahşap, selüloz fiberlerinin oluşturduğu hücreler ve bu hücreler, lignin adı verilen doğal yapıştırıcı ile bağlananarak, bir kompozit yapı oluşturmuşlardır.
1.14--Kompozit malzemelerin kullanımdaki temel avantajı, yüksek rijitlik ve dayanımın hafiflikle birleştirilebilmesidir. Kompozit malzemelerin ağırlıklarının düşük olması, hafif konstrüksiyonların oluşturulması için büyük bir avantaj sağlar.
1.14.1--İmalat Sanayinde yüksek dayanımlı malzemelerin ve robot dizayn metodlarının kullanımıyla, pekçok makina elemanı, ince ve daha narin olmuştur. Bu narin makina elemanları, burkulmaya karşı daha dayanıksız hale gelmişlerdir.
1.15--Bu nedenle, kompozit malzemelerin kullanım alanı oldukça geniştir. Günümüzde fiber takviyeli polymer matrix kompozitleri, uzay, askeri ve sivil alanlarda, farklı amaçlar için kullanılmaktadır.
1.15.1--Kompozit malzemelerin; uçak, otomobil sanayi ile demiryolu ve denizaltı araçlarında, spor malzemelerinde, bisiklet çerçevelerinde, balık oltalarında, basınçlı kaplarda, güç transmisyon şaftlarında ve ortopedik uygulamalarda da kullanımı giderek artmaktadır.
2—Teknik Bilgiler:
2.1--Kompozit Malzemelerin İmalatı
1--Kompozit malzemelerin imalatında, pek çok üretim tekniği geliştirilmiştir. Bu imalat tekniklerine örnek olarak; hand layup, compression molding, pultrision ve filament winding verilebilir.
2—Kaynakça tarafından bağlı yapılan çalışmaya,Hand Layup” tekniğine göre 70 adet cam lifi, aralarına reçine (epoxy, polyester, vinylester) sürülerek üst üste konmuştur.Cam liflerin herbirinin kalınlığı 0,45 mm’dir.
2.1--Ayrıca, değişik fiber oryantasyon açılarında kompozit malzeme imal etmek için, cam lifler 0, 45 ve 90º’lik konuma getirilmiştir.
2.2--Bu konumdaki malzemeler, 12 MPa basınç ve
2.3--Bu sürenin sonunda, değişik fiber oryantasyon açılarına sahip, glass/epoxy, glass/polyester ve glass/vinylester kompozit malzemeleri imal edilmiştir.
2.4--Fırından çıkan kompozit malzemeler levha şeklinde olup, dairesel enine kesit çubuk formuna getirmek için torna tezgahında işlenmişlerdir.
2.2-- Analitik İnceleme:
1--Basmaya zorlanan çubukların kritik burkulma kuvvetleri, dört yataklama durumu için, 1744 yılında Euler tarafından sabit enine kesit kabulü altında hesaplanmıştır.
2--Bası kuvveti etkisi altında kalan bir çubuğun, kritik burkulma kuvvetinin hesaplanmasında, çubuk davranışı diferansiyel denklem olarak ifade edilmektedir.
3--Diferensiyel denklemi elde etmek için, basmaya zorlanan bir çubuğun serbest cisim diyagramı incelenmelidir. Elde edilen diferensiyel denklemin çözümü ile, değişik yataklama durumları için, kritik burkulma kuvveti hesaplanabilir.
4--Denkleme göre Bası kuvvetine çalışan narin makina elemanlarında güvenlik, kritik burkulma kuvveti tarafından sınırlanır.
5-- Denge konumunda sistem kararlı değil ise, bu konumdan oluşacak çok küçük bir değişiklik, sistemde çok büyük şekil değiştirmelere yol açacaktır. Gerilme probleminde aşırı gerilmeler; stabilite probleminde ise denge konumunun kararsızlığı yapıyı kullanılamaz hale getirmektedir.
Sistemde kararlı dengeyi sağlayan bir kritik burkulma kuvvetinden söz edilir. Sistemde meydana gelen kuvvetin, daima, bu kritik burkulma kuvvetinden küçük ya da en fazla eşit olması istenir.
6--Bu çalışmada, “Hand Layup” tekniği ile imal edilen, değişik fiber oryantasyon açılarına sahip Glass/Epoxy, Glass/Polyester, Glass/Vinylester kompozit malzemelerin kritik burkulma kuvvetleri, değişik fiber oryantasyon açıları için, analitik ve deneysel olarak bulunmuştur.
Elde edilen sonuçlar; ankastre-ankastre yataklama durumu için belirlenmiştir.
7--Sonuçlar incelendiğinde,
7.1--Fiber oryantasyon açısı arttıkça, kritik burkulma kuvveti de azalmaktadır.
7.2--En büyük kritik burkulma kuvveti, sıfır fiber oryantasyon açısında oluşmaktadır.
7.3--Ayrıca, en büyük kritik burkulma kuvveti Glass/Epoxy’de,
7.4--en küçük kritik burkulma kuvveti ise Glass/Polyester’de oluşmaktadır.
7.5--Analitik ve deneysel olarak bulunan kritik burkulma kuvvetleri, birbirlerine çok yakındır.
7.6--Eğilme rijitliği, yani EI değeri büyük olan malzemeler, burkulmaya karşı daha dayanıklı olmaktadır.
7.7--Kompozit çubukların sabit enine kesite sahip olmaları nedeniyle, EI değeri, yalnızca malzemenin elastisite modülüne bağlı olarak değişecektir. Elastisite modülü büyük olan malzemenin kritik burkulma kuvveti de büyük olacaktır.
7.8--Dolayısıyla, en büyük kritik burkulma kuvveti elastisite modülü en büyük olan Glass/Epoxy kompozit malzemesi için ve sıfır fiber oryantasyon açısında meydana gelmiştir.
7.9--Uygulanan yükün fiberler tarafından taşınması nedeniyle, fiber oryantasyon açısının sıfır derece olması, kritik burkulma kuvvetini diğer açılara bağlı olarak oldukça fazla değiştirmiştir.
7.10--Ayrıca kompozit malzemenin özellikleri, fiber oryantasyon açısına bağlı olarak değiştiğinden, kompozit malzemeye etkiyen kuvvetin yönüne bağlı olarak, fiber oryantasyon açısı düzenlenmelidir.
Kaynakça:Kompozit Malzemelerde Oryantasyon Açısının Burkulma Yüküne Etkisi--Yeliz PEKBEY*, Aydoğan ÖZDAMAR*, Onur SAYMAN** *Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi--Makina Mühendisliği Bölümü **Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü
2--Kompozitlerin Aşınma ve Mekanik Özellikleri:
1--Enerji, iletişim, ulaşım, havacılık, uzay gibi sivil ve askeri amaçlı sektörlerde ortaya çıkan yeni malzemeler karbon ve metal matriksli kompozitlerdir.
2--Bu malzemelerin ileri teknoloji gerektiren askeri ve uzay uygulamaları göreceli düşük hacimli, ve oldukça pahalıdır.
3--Ancak bu malzemelerin, ulaşım ve enerji sektörlerinde daha büyük hacimde üretim ve düşük maliyet gerektiren otomobil, diğer motorlar ve elektro-mekanik sistemlerdeki uygulamaları ticari hale gelmiştir. Yakın dönemde önemli gelişmeler beklenmektedir.
4--Metal matriks kompozit malzemeler üzerindeki ilk çalışmalar, Al ve Ti matriksleri üzerinde olmuştur.
5--Bu malzemeler fiberlerle takviye edilmiş, üstün özellikli melez (hybrid) kompozitlerdir.
6--Bu tür kompozitlerin maliyetleri oldukça yüksektir.
7--Bu gibi kompozitlerin kullanımları askeri uygulamalarla sınırlandırılmıştır .
8--Bunun yanında, whisker takviyeli MMK’ler, partikül takviyeli kompozitlere göre daha üstün özellikler vermelerine rağmen pahalılıkları ve kanserojen etkilerinden dolayı fazla tercih edilmemektedirler.
9--Takviye malzemesi olarak kullanılan seramik partiküller çok daha düşük fiyata sahiptirler ve birbiri yerine kullanılabilen çeşitli tipte takviye malzemesi elde edilebilir.
10--Metal esaslı kompozitler; yüksek elastik modülüne, yüksek çekme-basma ve kayma mukavemetine, yüksek çalışma sıcaklığına sahip olmaları ayrıca, metallerin süneklik ve tokluğunu, seramiklerin yüksek mukavemet ve yüksek elastik modül özelliklerini birleştirmelerinden dolayı son derece önemli mühendislik malzemeleri olmuştur.
11--Bu üstünlüklerinin yanında tekrar üretilebilir mikroyapı, mekanik özellikler ve düşük yoğunluk değerleri vermeleri açısından daha da önem kazanmışlardır.
12--Hava-uzay ve otomotiv endüstrisi alanlarında yeni malzemelere duyulan ihtiyaç metal matriksli kompozit (MMK) malzemelerde hızlı bir gelişmeye yol açmıştır.
12.1--Doğru dizayn ve yöntem ile yüksek dayanım ve sertlik gibi üstün özelliklere elde edilerek üretilebilirler.
13--MMK üretiminde pek çok metal ve alaşımlarının kullanılmasına rağmen alüminyumun yeri başkadır ve pek çok özelliğinden dolayı tercih sebebidir. Alüminyum’ un dışında en fazla kullanılan metal ve alaşımları da şöyle sıralanabilir: Ti, Mg, Cu, Ni, Pb, Ag, Zn, Fe, Nb, bronz, süper alaşımlar (demir esaslı) ve intermetalikler.
14--Takviye malzemelerini ise temel olarak şöyle sıralayabiliriz; sürekli fiberler, süreksiz fiberler, whiskerler, teller ve partiküller . SiC, bor, grafit, alüminyum oksit, tungsten, titanyum ve molibden gibi değişik malzemeler kompozitlerde kullanılan takviye elemanlarına örnek olarak gösterilebilir.
15--Takviye elemanlarının temel fonsiyonu gelen yükü taşımak ve matriksin rijitlik ve dayanımını arttırmaktır. Matriksin fonksiyonu ise takviye elamanı ve matriksi bir arada tutarak yük ve gerilim transferi sağlamak ve bunun yanı sıra çoğu takviye elemanının gevrek ve kırılgan olmasından dolayı onların yüzeylerini dış ve çevresel etkilere karşı korumaktır.
16--Belirgin mukavemet, rijitlik, aşınma dayanımı, kırılma, sönümleme gibi mekanik özellikler bilinen diğer malzemelere göre MMK’lerde daha yüksektir.
17--Kompozitler aynı zamanda monolitik malzemelere nazaran daha iyi termal, mekanik yorulma ve sürünme dayanımı sergileyebilir.
18--MMK’ler kontrol edilebilir termal iletkenlik ve düşük termal genleşme katsayısına da sahiptir.
18.1--Bu nedenle bu malzemeler piston segmanları, silindir hatları bağlantı rotları, direksiyon mili ve motor parçalarında uygulama alanı bulmaktadır.
19-- MMK’lerin özellikleri matriks türüne ve takviye elemanına göre belirlenir; böylece çok çeşitli dizayn edilip üretilebilirler, ancak matriks elemanı olarak genellikle SiC ve Al2O3 takviyeli alüminyum alaşımı veya kısa fiber kullanılır.
20--MMK’lerde üretim çeşidi olarak genellikle likid metodu kullanılır. Bu yöntemle çeşitli parçaların üretiminde döküm sistem ve teknolojisinde sahip olunan avantajlar kadar pek çok avantajlara rastlanmaktadır.
21--Eğer erimiş metalin döküm işlemi takviyeli erimiş haldeki Al matriks’ e direkt uygulanırsa, takviyeli komplike formda MMK parçalar üretilebilir.
21.1--Ancak takviye elemanındaki yoğunluk farkından dolayı üniform olarak dağılmış olan takviye elemanlarından oluşan bir ürün elde etmek oldukça zordur.Bu yüzden günümüzde genel olarak bu yöntem kullanılmaktadır.
22--Silisyum karbür partikül takviyesi ile üretilmiş olan metal matriksli kompozit malzemeler (MMK) özellikle caziptir, çünkü bu malzemeler takviyesiz temel alaşım’a göre oldukça belirgin özellikler sergilerler.
22.1--Bu SiC takviyeli MMK’lerin artan bir oranda piston malzemeleri, bağlantı rotları, fren rotorları olarak otomobil endüstrisinde, kullanımına yol açmıştır.
22.2--SiC takviyeli MMK’lerin sürtünme ve aşınma davranışlarının üzerinde farklı kişilerce geniş çalışmalar yapılmıştır.Genel olarak SiC takviyeli MMK’lerin aşınma dayanımı partikül boyutuna, partikülün hacimsel oranına ve matriksi oluşturan alaşımın özelliklerine bağlıdır
23--Kompozit malzemeler ile kendisini oluşturan elemanlardan tek başına elde edemeyeceğimiz özellikleri bir malzemede toplarız. Kompozit malzeme üretilmesi ile aşağıdaki bazı özellikler sağlanabilmektedir.
23.1--Sürekli gelişen kompozit üretim süreçleri ve alaşım tasarımındaki gelişmelerle özellikle süreksiz katkılı metal matriks kompozitler yakın gelecekte yüksek performans ve düşük maliyetleri ile önem kazanacaktır.
23.2--Bu kompozitler temel üretim teknikleri ile üretilebilmekte ve hem enerji hem de malzeme tasarrufu gerektiren uygulamalarda kullanılmaktadır.
23.3--Bu bağlamda yatak malzemeleri, pistonlar, silindir gömleği ve hatta motor blokları gibi daha basit ve temel uygulamalar ile öncelikli olarak güneş enerjisi pilleri, yarı veya süper iletkenlerin de içinde bulunduğu enerji, barınma ve ulaşım sektörlerinde metal matriks kompozitleri özel bir yer edinmektedir.
23.4--Bilhassa dökümle üretilen partikül takviyeli MMK’ler özellikle sürtünmenin ve aşınmanın istenmediği alanlarda küçümsenmeyecek oranda endüstriyel uygulama alanına sahiptirler. Örneğin, Al-Grafit ve Al-SiC MMK pistonlar, yüksek aşınma dayanımı vermeleri ve yakıt tüketimini düşürmeleri açısından kayda değerdirler.
24--Bu kompozit sistemleri şekillendirilmelerini, tahribatsız muayene metotlarının etkinliğini ve tasarımda en yüksek etkinlik için gerekli olan çeşitli yüklere karşı davranışlarının anlaşılmasını engelleyen çok karmaşık bağımlılıklar içermektedir.
25--Bu nedenle MMK’lerin özelliklerinin ve performanslarının öngörülmesi ve tasarımı ile ilgili bilim alanları da önem kazanacaktır. Bu çalışmada AlSi12CuNiMg alüminyum matriksli yüzde 4 Al2O4, SiC ve TiO2 partikül takviyeli ve takviyesiz kompozit malzemelerin aşınma ve mekanik özellikleri incelenmiş ve birbiriyle karşılaştırılmıştır.
25.1—Deneysel çalışmaya göre Üretilen kompozitlerde matriks malzemesinin (AlSi12CuNiMg) sertlik değerinin, Al2O3, SiC ve TiO2 partikülleri takviyesiyle arttığı gözlemlenmiştir.
1--Daha önceki yıllarda yapılan benzer çalışmalara göre ağırlıkça yüzde 20 oranında SiC takviyesi sonucunda sertliğin iki kat arttığını gözlemlemişlerdir.
2--Alüminyum oksit takviyesinin, ağırlıkça aynı oranlardaki silisyum karbür takviyesine nazaran sertlik artışında daha da etkili olduğu gözlemlenmiştir.
3--Kompozit içindeki ağırlıkça yüzde leri aynı olan A2O3, SiC ve TiO2’den oluşan 3 ayrı numuneye baktığımızda sırasıyla sertlik artışına katkılarının en fazla alüminyum oksitte ardından titanyum oksitte ve sonrasında silisyum karbürde olduğu görülmektedir.
25.2—Çalışmaya göre Çekme dayanımı 200 N/mm2 olan matriks malzemesine (AlSi12CuNiMg) yapılan partikül takviyesi sonucunda çekme dayanımında azalma meydana gelmiştir.
1--Kompozit içindeki ağırlıkça yüzdeleri aynı olan Al2O3, SiC ve TiO2’den oluşan 3 ayrı numuneye baktığımızda silisyum karbür takviyesinin çekme dayanımını, alüminyum oksit takviyesine göre daha çok azalttığı görülmüştür, titanyum oksitli kompozitte ise alüminyum oksitten düşük, silisyum karbürden daha yüksek bir çekme dayanımı göstermektedir.
25.3-- Çalışmaya göre matriks malzemesi AlSi12CuNiMg alaşımının basma dayanımının partikül takviyesi ile arttığı görülmektedir.
1--Kompozit içindeki ağırlıkça yüzdeleri aynı olan Al2O3, SiC ve TiO2’den oluşan 3 ayrı numuneye baktığımızda silisyum karbür takviyesinin basma dayanımının en düşük olduğu, alüminyum oksit ile takviyelendirilmiş kompozitin silisyum karbür takviyeli olandan daha yüksek ancak titanyum oksit takviyeli kompozitten daha düşük olduğu görülmüştür.
25.4-- Çalışmaya göre
1--AlSi12CuNiMg alaşımına eklenen AL2O3 yüzde 4, SiC yüzde 4 ve TiO2 yüzde 2 partikül takviyelerinde meydana gelen ağırlık kaybının takviyesiz AlSi12CuNiMg alüminyum alaşımına göre düşük olduğu yani aşınma dayanımını geliştirdikleri görülmüştür.
2--Bir çalışmada, Al matrikse alüminyum oksit partikül takviyesi yapılmış ve takviye elemanının aşınma dayanımı üzerinde olumlu bir etki yaptığı sonucuna varılmıştır.
25.5-- Ağırlıkça yüzde 4 takviyelendiricilerle üretilen kompozit numunelerinin çekme deney numunelerinin kopma yüzeylerinden çekilmiş olan SEM görüntüleri genelinde partikül elemanı ile matriks malzemesi arasında iyi bir arayüzeyin sağlanamadığı görülmektedir. Ayrıca, parlak kopma yüzeyi görüntülerinden ise sünek bir kırılma gerçekleştiği görülmektedir.
26--AlSi12CuNiMg alüminyum alaşımına ilave edilen yüzde 4 Al2O3, SiC ve TiO2 partikül takviyesinin çekme dayanımını azalttığı, sertliği ve basma dayanımını arttırdığı belirlenmiştir.
26.1--Çekme dayanımında meydana gelen bu azalma, partiküllerin çekme anında matriks içinde bir boşluk gibi davranmasının bir sonucudur. Bunun yanı sıra SEM fotoğraflarından da bu durum matriks ile partikül takviye elemanları arasında iyi bir bağlantı sağlanamamış olduğu anlaşılmaktadır.
26.2--Yüzde 4 partikül takviyeli kompozitlerin aşınma dayanımları sırasıyla Al2O3, SiC ve TiO2 takviyeli kompozitte olduğu belirlenmiştir.
26.3--TiO2 ile matriks malzemesi olarak kullanılan Al alaşımı arasında iyi bir bağlantının sağlanmadığı görülmüştür. Bu nedenle TiO2’in aşınma dayanımını geliştirici bir etki sağladığı gözlemlenmemiş olup sürtünme katsayısı üzerinde olumsuz bir etkiye neden olmuştur.
26.4--Sert seramik partikül olan TiO2’in, Al alaşımlarında özellikle aşınma dayanımını arttırıcı bir takviye elemanı olarak kullanılabilmesi için; TiO2 ve Al alaşımı yüzeyine iyi bağlanan bir ara yüzey geliştirilmelidir.
Kaynakça:Al2O3-SiC-TiO2 Takviyeli AlSi12CuNiMg Kompozitinin Aşınma ve Mekanik Özelliklerinin Karşılaştırılması--Bekir Sadık ÜNLÜ, Enver ATİK, Onur ŞEN-Celal Bayar Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü