Kompozit Malzemeler

En az iki farklı malzemenin birbiri içerisinde fiziksel olarak karıştırılması ile elde edilen yeni malzemlerdir. 

Bileşenler arasında atom alışverişi olmamakta yani kimyasal olarak birbirini etkilememektedir. En az iki farklı malzemeden meydana gelirken genelde "matris" adı verilen ana bileşen ve "takviye elemanı" adı verilen başka bir bileşenden oluşur. 

Amaç; tek bir malzemeden elde edilemeyen mekanik ve/ veya fiziksel özelliklerin geliştirilmesi, bir araya getirilmesidir.

Kompozit malzeme kriterleri;

- Doğal olarak var olan yapılar hariç (kemik, ağaç, ...) çeştili yöntemler ile üretilmiş,

- 2 veya daha fazla kimyasal ve/ veya fiziksel olarak birbirinden farklı fazdan oluşan,

- Özellikleri, bileşenlerinin herhangi biri tarafından elde edilemeyen.

Matris;

- Kompozit parçaya şeklini verir.

- Takviye elemanlarını çevresel etkilerden korur.

- Takviye elemanlarına yük aktarır.

- Hem matris malzemesine hem de takviye elemanına bağlı özelliklere (tokluk, ...) katkı sunar.

 

Takviye elemanı;

- Kompozite mekanik özellikleri verir. (dayanım, rijitlik, ...)

- Termal genleşme katsayısı, termal taşınım, iletkenlik gibi özellikleri belirlemede baskın rol oynar.

Avantajları;

- Hafif,

- Yüksek spesifik sertlik ve yüksek spesifik dayanım,

- Maddelerin fiziksel ya da mekanik özelliklerinin yöne bağlı olarak değişmesi (anizotropik),

- Karmaşık şekillerde üretilebilme kolaylığı,

- Parçalı üretim tekniği ile sistem maliyetinin düşürülmesi,

- Kolay bağlanabilirlik,

- Yüksek kırılma direnci,

- Düşük termal genleşme,

- Düşük elektrik iletkenliği.

Dezavantajları;

- Malzeme maliyeti,

- Belirlenmiş dizayn kurallarının eksikliği,

- Uzun geliştirme süreleri,

- Birleştirici varlığı ile maliyeti,

- Düşük süneklik,

- Nem etkisi,

- Kullanılabildiği sıcaklık limitleri,

- Gizli hasarlar (iç çatlak, ...),

- Darbelere dayanıksız olmaları.

Karbon Fiber Nedir?

Karbon fiber, karbon atomlarından oluşan bir polimer kompozittir ve genellikle çok ince iplikler (yaklaşık 5-10 mikrometre kalınlığında) halinde üretilir. Bu fiberler, yüksek mukavemet, hafiflik ve mükemmel dayanıklılık gibi özellikler sunar. Karbon fiberler, genellikle epoksi reçine, polyester veya benzeri polimerler ile birleşerek kompozit malzemelere dönüşür. Karbon fiber, uçaklar, yarış arabaları, spor ekipmanları ve uzay teknolojileri gibi yüksek performans gerektiren alanlarda yaygın olarak kullanılır.

Karbon Fiber Üretim Aşamaları

1- Yarn/Filament Üretimi (İplikleşme): Karbon fiber üretimi, genellikle polimerlere (en yaygın olarak PAN – poliacrilonitril) dayalı ipliklerin üretilmesiyle başlar. Bu polimerler, ince iplikler haline getirilir. Bu aşama, genellikle "spinning" olarak adlandırılır ve polimerler çözülerek ince ipliklere dönüştürülür.

2- Karbonizasyon (Carbonization): İplikler veya lifler, karbonlaşma sürecinden geçirilir. Bu aşamada, iplikler 1000-3000°C arasında yüksek sıcaklıklarda, oksijen eksikliği altında ısınarak, polimer yapılarındaki karbon atomları birbirine bağlanarak karbona dönüşür. Karbonizasyon işlemi, yaklaşık 3-4 gün sürebilir ve bu süreç sonunda karbon fiberler, çok yüksek dayanıklılığa sahip ve düşük yoğunluklu hale gelir.

3- Otoklav (Autoclaving): Bu aşama, karbon fiberin daha da güçlendirilmesi ve istenilen son özelliklerin elde edilmesi için uygulanan bir ısıl işlem sürecidir. Otoklav, yüksek sıcaklık ve basınç altında yapılan bu işlem, fiberlerin daha dayanıklı hale gelmesini sağlar ve polimerlerin tam olarak kürlenmesini garanti eder. Karbon fiber matları bu süreçle birleştirilerek sertleşen kompozitler haline gelir.

4- İşlem ve Şekillendirme (Weaving, Braiding, etc.): Karbon fiberler, istenilen şekle sokulmak için dokuma veya örgü işlemleriyle şekillendirilir. Bu aşamada, fiberler genellikle tek tek iplikler olarak kullanılır ve çeşitli örgü tiplerine (örneğin, 1×1, 2×2 örgüler) göre düzenlenir.

5- Son Ürün Haline Getirme: Bu aşama, kompozitlerin son şekline sokulması için gerekli olan adımları içerir. Karbon fiber tabakaları, genellikle pre-preg (ön-emprenye edilmiş) reçine ile birleştirilir, ardından ısıtılır ve şekillendirilir.

Islak ve Kuru Karbon Fiberi

Islak Karbon Fiber (Wet Layup): Islak karbon fiber üretiminde, karbon fiberler reçine ile ıslatılır ve ardından istenilen kalıp üzerine yerleştirilir. Bu yöntemde, reçine, fiberlerle birleşmeden önce uygulama alanına dökülür ve sonrasında vakumlama veya basınç uygulaması ile hava ve fazla reçineyi atarak malzeme yerleştirilir. Bu yöntem, genellikle daha düşük maliyetli ve daha basittir, ancak yüksek dayanıklılık gereksinimlerini karşılamada genellikle sınırlıdır.

Kuru Karbon Fiber (Dry Layup veya Prepreg): Kuru karbon fiberde, fiberler önceden reçine ile emprenye edilmiş bir halde kullanılır. Bu pre-preg karbon fiberler, reçineyi zaten içerdiği için sonradan reçine eklenmesine gerek yoktur. Kuru karbon fiberler genellikle otoklavda sertleştirilir ve yüksek dayanıklılık sağlanır. Kuru karbon fiber kullanımı, daha güçlü, dayanıklı ve hafif yapılar oluşturulmasını sağlar, ancak bu işlem daha pahalıdır ve daha karmaşık bir üretim süreci gerektirir.

Kıyaslama:

• Maliyet: Islak karbon fiber genellikle daha ucuzdur çünkü daha az işlem gerektirir. Kuru karbon fiber ise daha pahalıdır, ancak daha güçlü ve dayanıklıdır.
• Dayanıklılık: Kuru karbon fiber daha yüksek dayanıklılığa sahiptir, çünkü reçine homojen olarak yerleştirilmiştir ve bu, kompozitin daha sağlam olmasını sağlar.
• Kullanım Alanı: Islak karbon fiber genellikle düşük bütçeli projelerde kullanılırken, kuru karbon fiber daha yüksek performans gerektiren endüstrilerde tercih edilir.

Prepreg ve Ön-Emprenye Edilmiş Karbon Fiber

Prepreg (Ön-Emprenye Edilmiş Karbon Fiber): Prepreg, karbon fiberin önceden reçine ile emprenye edilmesidir. Bu, fiberlerin kalite kontrolünü sağlar ve her lifin doğru miktarda reçine almasını garanti eder. Prepreg karbon fiberler genellikle vakum infüzyon, autoklav veya sıcaklık ve basınç altında şekillendirilir.

• Avantajları:
  • Homojen reçine dağılımı.
  • Yüksek dayanıklılık ve dayanıklılık.
  • Kolay kullanım ve zaman kazancı.
• Dezavantajları:
  • Depolama gereksinimleri (soğuk hava deposunda saklanması gerekir).
  • Daha pahalıdır.

Ön-Emprenye Edilmiş Karbon Fiber: Ön-emprenye edilmiş karbon fiberler, bir tür karbon fiber kompozit malzeme olup, karbon lifleri ve reçinenin önceden birleştirilmiş olduğu malzemelerdir. Bu işlem, fiberlerin homojen olarak reçine ile kaplanmasını ve dolayısıyla üretim sürecinin daha verimli hale gelmesini sağlar. Prepreg, özellikle otoklavda sertleşen ve yüksek performans isteyen uygulamalar için tercih edilir.

1×1 ve 2×2 Örgüler Arasındaki Farklar

1×1 Örgü (Plain Weave): 1×1 örgü, her iki yönde de aynı sayıda karbon fiberin sırasıyla çaprazlandığı en temel ve yaygın dokuma şeklidir. Bu örgü tipinde, her iplik, bir sonraki sırada bir iplik ile çaprazlaşır.

• Avantajları:
  • Eşit güç dağılımı.
  • Yüksek dayanıklılık.
  • Kolay üretim.
• Dezavantajları:
  • Sıkı dokuma nedeniyle daha az esneklik.
  • Genellikle daha ağırdır.

2×2 Örgü (Twill Weave): 2×2 örgüde, her iki yönde her iki karbon fiber birbiriyle çaprazlanır. Bu dokuma tipi, daha esnek ve daha şık bir görünüm sunar. Ayrıca, 2×2 örgü, daha az gerginlik oluşturur ve daha iyi şekillendirme imkanı sunar.

• Avantajları:
  • Daha esnek ve hafif yapılar.
  • Daha şık ve estetik bir görünüm.
  • Daha iyi şekil alabilirlik.
• Dezavantajları:
  • Eşit güç dağılımı sağlamak daha zor olabilir.
  • Üretimi daha karmaşıktır.

Kıyaslama:

• Dayanıklılık: 1×1 örgü, 2×2'ye göre genellikle daha dayanıklıdır çünkü her lif daha fazla yönlü baskıya dayanabilir.
• Esneklik: 2×2 örgü daha esnek ve şekil alması daha kolaydır, bu nedenle aerodinamik uygulamalarda veya kıvrımlı yüzeylerde tercih edilebilir.
• Ağırlık: 2×2 örgü, 1×1 örgüye göre genellikle daha hafif olabilir çünkü daha az lif dokuması içerir.

Her iki örgü tipi de karbon fiberin kullanım amacına göre seçilir. 1×1 örgü, daha sağlam yapılar için tercih edilirken, 2×2 örgü estetik ve esneklik gerektiren durumlarda kullanılır. 

[Faydalanılan kaynaklar hakkında bilgi almak için ulaşılabilinir.]