Kompozit Malzeme Nedir?

İleri teknoloji veya modern teknoloji malzemeleri olarak da bilinen kompozit malzemelerin, alışılmış diğer mühendislik malzemelerine göre bir çok üstünlüğü vardır. Mühendislik malzemelerinden beklenen başlıca mekaniksel özellikler; çekme, basınç, eğilme, akma, yorulma mukavemeti, sertlik, rijitlik, tokluk, aşınma direncidir. Fiziksel özellikler ise; elektriksel iletkenlik/yalıtkanlık, ısıl iletkenlik/yalıtkanlık, manyetik özellikler, yoğunluk vb. gibidir. Bunların dışında malzemenin birim maliyeti, gereken tonaj, kolay bulunabilirlik, işlenebilme ve kolay şekillendirebilme özellikleri de mühendisler ve işletmeciler tarafından dikkate alınır. Bunu bir örnekle açıklayalım:

Reaktif madde  veya çözeltiler içeren bir deponun tamamen paslanmaz çelikten yapılması fazla maliyetli olur. Tamamen plastikten yapılması durumunda ise yeterli mukavemet sağlanamayabilir. Paslanmaz çeliğe göre çok daha ucuz olan düşük karbonlu saçlardan yapılan bir konstrüksiyonun reaktiflerle temas eden yüzeylerinin PVC (polivinilklorür) gibi plastik malzeme ile kaplanmasıyla mukavemet ve kimyasal direnç  özelliklerinin her ikisi de ekonomik bir şekilde elde edilir.

Kompozit Üretimi

İki malzeme, orijinal malzemelerde elde edilemeyen bir özellik kombinasyonunu elde etmek için birleştirildiğinde kompozitler üretilir. Kompozit malzemeler alışılmışın dışındaki bükülmezlik, mukavemet, ağırlık, yüksek sıcaklık performansı, korozyon direnci, sertlik ve iletkenlikten oluşan kombinasyonları elde etmek için seçilebilir. Kompozitler, metal-metal, metal-seramik, metal-polimer, seramik-polimer, seramik-seramik vaya polimer-polimer olabilmektedir. Kompozit malzemelerde yapıyı oluşturan bileşenler birbiri içinde çözünmezler, kimyasal olarak inert davranırlar. Ancak özellikle metalik sistemlerde düşük oranda bile olsa, bir miktar çözünme ve bileşenler arasında kompozit özelliklerini etkileyebilen ara yüzey reaksiyonları görülebilir.

Günümüzde kompozit malzeme üretiminde çokça kullanılan cam liflerin üretiminin ilk olarak MÖ. 1600’lü yıllarda eski Mısır’da yapıldığı ve 18. Hanedan devrinden kalma olduğu, çeşitli kalınlık ve renkte cam lifleri ile bezenmiş amorfların varlığından anlaşılmaktadır. Liflerin (cam) sanayisinde kullanımı ile ilgili ilk kayıt 1877 tarihlidir. Hidrolik bağlayıcılar ve elyaf malzeme kullanılarak yapay taş plakların üretilmesi yöntemleri ile ilgili olarak bu yüzyılın başında alınmış patentlere rastlanmaktadır. Halen Anadolu’nun birçok yerinde saman-kerpiç ve alçı-bitkisel lif ya da hayvan kılları ile yapılmış kompozitlerin kullanıldığı bilinmektedir.

İnşaat Mühendisliği Ve Kompozit Malzeme

İnşaat mühendisliği açısından kompozit malzemeye örnek verecek olursak en önemli kompozit malzeme betonarmedir. Bilindiği gibi beton yüksek basınç dayanımının yanında daha küçük bir çekme mukavemetine sahiptir ve hesaplarda bu değer yok sayılır. Donatı olarak bilinen betonarme çeliğinin ise çekme dayanımı yüksek, basınç dayanımı düşüktür. Beton içine yerleştirilen donatılar sayesinde yapı hem basınç hem de çekme kuvvetlerine karşı yeterli mukavemeti göstermektedir.

Kompozit Malzemelerin Yapı Bileşenleri

Kompozit malzemeler metalik, organik veya inorganik esaslı yapı bileşenlerinin kombinasyonlarından oluşur. Matris, fiberler, partiküller, tabakalar başlıca yapı bileşenleridir. Bu yapı bileşenlerinin tek tek ne ifade ettiğini açıklamak faydalı olacaktır.

Matris

Ortam malzemesi olarak da nitelendirilen ve hacim bileşeni olan matrisin esas fonksiyonu; fiber, partikül, tabakalar gibi yapı bileşenlerinin kendi bünyesinde dağılmasını sağlamak, bu bileşenler arasında bağlayıcı bir faz etkisi göstermek, gelen gerilmeleri pekiştirici faza (lif, tabaka, partikül) iletmektir.

Pekiştirici Faz

Fiberler (lif), partiküller, tabakalar kompozit malzemenin iç yapısını oluşturan bileşenlerdir. Bu bileşenler çoğu zaman bir matris malzemesi içinde yer almakla beraber bazı kompozitler malzemelerde hacim bileşeni olan matris mevcut değildir. İki veya daha fazla sayıda farklı malzeme tabakalarının arasında bir bağ oluşturarak meydana getirdiği birleşik tabakalar ve sandviç yapılar bu tür kompozit malzemelere örnek gösterilebilir. Farklı türde fiberlerden oluşan bazı keçe ve dokumalarda tek başlarına veya bağlayıcı bir fazda kullanılırlar.

Arayüzey

Kompozit malzemeler en az iki yapı bileşeninden meydana geldiği için bileşenler arasında sınır oluşturan bir ara yüzey mevcuttur. Bu arayüzey monolitik malzemelerdeki tane sınırlarına özdeştir.

Arafaz

Bazı kompozitlerde yapı bileşenleri arasında arafaz olarak adlandırılan ayrı bir bölge görülebilir. Arafazın meydana gelme sebepleri; kaplama tabakaları ve yapı bileşenlerinin birbiri içinde düşük oranlarda çözünmesi sonucu ortaya çıkan katı eriyik bölgeleri veya bileşenleri arasındaki reaksiyonla oluşan kimyasal bileşiklerdir.

Kompozitlerin Sınıflandırılması

Kompozit malzemeleri değişik şekillerde sınıflandırmak mümkündür. Matris malzemesinin türüne göre metalik, polimerik, seramik vb. bir gruplandırma yapılabildiği gibi takviye malzemelerinin şekline göre parçacık, fiber ve katmanlı olmak üzere de sınıflandırılabilir.

Çimento ve çakıl karışımı olan beton bir parçacık takviyeli kompozit, polimer matris içine gömülmüş olan cam fiberler içeren cam elyafı (fiberglass) bir fiber takviyeli kompozit, ağaç kaplama katmanlarının dönüşümlü olarak yapıştırıldığı kontrplak ise bir katmanlı kompozittir.

Parçacık Takviyeli Kompozit Malzemeler

Parçacık takviyeli kompozit malzemelerde, üniform olarak dağılmış sert ve gevrek malzeme yumuşak ve daha sünek bir matrisle kuşatılmıştır. Aslında yapı, iki fazlı dağılım mukavemetlendirilmiş metal alaşımlara benzemektedir. Buna karşın, kompozitlerde dağılan parçacıkları oluşturmak için faz dönüşümü kullanılmaz.

Parçacık takviyeli kompozit malzemelere örnek vermemiz gerekirse; semente karbürler, aşındırıcılar, elektrik kontaklar, polimerler, döküm kalıpları ve maçalar, beton ve asfalttır. İnşaat mühendisliği açısından önemli olan beton ve asfalt hakkında detaylı bilgi vermek faydalı olacaktır.

Beton ve Asfalt

Yaygın yapı malzemesi olan beton ve asfalt da parçacık takviyeli kompozitlerdir. Bu malzemelerdeki agrega genellikle bir portland çimentosu veya bitüm matrisinde bağlanır. Beton bir kum, çakıl, çimento ve su kompozitidir. Kum ve çakıl, portland çimentosu ve sudaki mineraller arasındaki bir çimento reaksiyonuyla bağlanır.

Asfalt ise kum, çakıl ve bitüm kompozitidir. Bitüm bir termoplastik polimerdir. Asfaltın özelliklerini kum, çakıl ve bağlayıcı özellikleri ile bunların nispi oranlarını belirler. Termoplastik polimer zincirlerinden oluşan bağlayıcı, kum ve çakıl parçacıklarını birbirine bağlar. Bağlayıcı nispeten dar bir kullanışlı sıcaklık aralığına sahiptir, sıfırın altındaki sıcaklıklarda gevrek olur.

Fiber Takviyeli Kompozitler

Mühendislikte kullanılan malzemelerin pek çoğu fiber şeklinde üretildiklerinden mukavemet ve rijitlikleri kütle halindeyken gösterdikleri değerlerin çok üstüne çıkabilirler. Örneğin karbon fiberlerin çekme mukavemeti kütle halindeki grafitten 50 kat, rijitliği ise 3 kat daha yüksektir.

Fiberlerin bu özelliği  “whisker “olarak adlandırılan ve çapları 5-25µ kadar olabilen küçük çaplı fiberlerde çok daha belirgin olarak görülebilir. Mukavemet ve rijitlikteki artışlar esas olarak yapı hatalarındaki azalma ile ilgilidir. Çapları 0.15mm’den 0.003 mm ‘ye kadar değişebilen fiberlerle, çok daha küçük çaplı whiskerlerin sahip olduğu bu özellikler malzeme bilimci ve mühendislerin ilgisini çekmiştir ve bu tür malzemelerden mukavemet arttırıcı işlemlerde yararlanma düşüncesi doğmuştur. Günümüzde metalik, organik veya seramik esaslı fiberlerden yapılan kompozitler düşük performanslı ev eşyaları ve spor malzemelerinden, yüksek performanslı roket motorları ve uçak kanatlarına kadar değişen çeşitli uygulamalara sahiptirler.

Tabakalı (Katmanlı,Laminar) Kompozit Malzemeler

Tabaka yapılı kompozitler, farklı özelliklere sahip en az iki tabakanın kombinasyonundan oluşur. Tabakaları bir araya getirmekteki amaç, değişik fiziksel mekaniksel veya kimyasal özelliklerin kazanılmasına yönelik olabilir. Çok değişik kombinasyonlarla tabakalanmış kompozitlerin üretimi mümkündür. Metaller üzerine uygulanan metalik, organik veya seramik kaplamalar; cam-plastik-cam tabakalarından oluşan kompozitler kağıt üzerine kaplanmış plastik kompozitleri, reçine emdirilmiş kağıt tabakalarından oluşan kompozitler, farklı fiber yönlenmesine sahip tek tabakaların birleştirilmesiyle elde edilen yapılar bu tür kompozitlere örnek olarak verilebilir.

Korozyon direnci zayıf metaller üzerine, daha yüksek dirençli metallerin veya plastiklerin kaplanmasıyla korozyon özelliğinin, yumuşak metallerin sert malzemelerle birleştirilmesiyle sertlik ve aşınma direncinin, farklı fiber yönlenmesiyle sahip tek tabakaların birleştirilmesiyle çok yönlü yük taşıma özelliğinin geliştirilmesi ile mümkündür.

Katmanlı kompozit malzemeler çok ince kaplamalar, kalın koruyucu yüzeyler, giydirmeler, ikili metaller, katmanlar ve pek çok diğer malzemelerden meydana gelmektedir. Pek çok  katmanlı kompozit düşük maliyet, yüksek dayanım veya hafifliği korurken, korozyon direnci, gelişmiş görünüm ve mükemmel ısıl genleşme özelliklerini kapsamaktadır.

Pul Kompozitler

Kompozit malzeme terminolojisinde küçük boyutlu, genişlik/kalınlık oranı yüksek olan, film veya düz levha şekilli partiküller pul, bunların uygun bir matris veya bağlayıcı faz ile oluşturdukları yapılar da pul kompozitler olarak adlandırılırlar. Matris içindeki pulların konsantrasyonu düşük olabileceği gibi birbiri ile temas etmelerini sağlayacak derecede yüksek değerler de olabilir.

Dolgu Kompozitler

Dolgu tipindeki kompozitler, adından da anlaşılacağı gibi, üç boyutlu sürekli bir matris malzemesinin yine üç boyutlu dolgu maddesi ile doldurulması ile oluşan malzemelerdir. Matris çeşitli geometrik şekillere sahip bir iskelet veya şebeke yapısındadır. Düzgün petekler, hücreler veya süngere benzeyen gözenekli yapılar arasında metalik, organik veya seramik esaslı dolgu maddeleri yer alabilir. Bu tür kompozitlerin üretimi için birbiri içinde çözünmeyen, kimyasal reaksiyon vermeyen bileşenlerin seçilmesi gerekir.

Günümüzde kullanılan doldurulmuş türdeki kompozitlerin önemli bölümünde gözenekli bir yapıya sahip matris kullanılır. Matris üretimi sırasında oluşan bu düzensiz yapıdaki gözenekler metalik, seramik veya polimerik malzemelerle doldurulur.

Kaynaklar / References

• Atatürk Üniversitesi Yapı Malzemesi Dersi Ders Notları

• Turkchem Kimya Sanayi Haber Portalı

• Beemef Yapı