Kompozit Malzemeler

Bu itibarla açık kalıp kompozit üretim yöntemi üç kategoride incelenmektedir
Püskürtme yöntemi
Ara yüzey ayırma elemanı olarak buharlaşan bir çözücüde çözülmüş fluorokarbon türevleri kullanılmaktadır Kompozit yüzeyde sert fluorokarbonlu ince film oluşurken, her türlü renklendiricilerle renklendirilebilmektedir Kalıpta kompozit ayırıcısı olarak silikon boyalarda kullanılabilir Ancak müteakip işlemler ve servis ortamlarında çeşitli sorunlar getirmektedir Politetrafluoroetilen ayırıcılar özellikle yüksek sıcaklık uygulamalarında tercih edilmektedir Bobinle beslenen sürekli elyaf, reçine ortamından geçirildikten sonra 3-5 cm’lik boylarda kesilerek hızla kalıp yüzeyine püskürtülür Kısa elyafın hızla fırlatılması kalıp yüzeyine sıkışma yapmakta, yüksek elyaf oranlı açık-kalıp kompoziti üretilebilmektedir Geniş paneller ve girift şekilli malzemelerin üretiminde elyaf püskürtme yöntemi oldukça yaygın kullanılmaktadır Elyaf püskürtme yönteminde reçine-elyaf dağılımı, elle sıvama yöntemine oranla daha düzenlidir Bir başka ifade ile elyaf püskürtme yüksek mukavemetli geniş yüzeylerin elde edilmesinde kullanılmaktadır Vakum sıvama yönteminde ince polipropilen veya polietilen folyo ile örtülen reçine elyaf fazı vakumla emilirken reçine ile birlikte hava emişi gerçekleşerek homojen reçine dağılımı ve yüksek elyaf oranı sağlanmaktadır Vakum örtü sistemi ile kuru elyaf ortamına basınç altında reçine emilerek en yüksek elyaf oranlı reçine elde edilebilmektedir

Çekme Yöntemi
Elyaf – reçine karışımı şekillendirilmiş kalıptan geçirilirken aynı zamanda da sertleştirilerek çeşitli profieller ve özel kesitli kompozit malzemelerin eldi edilmesi mümkündür
Cam elyaf ve yüksek mukavemetli elyafların uygun reçine matrisi ile çekilmesi gelecekte alüminyum ve çelik türevlerini ikame edecek boyutlara ulaşacaktır
Örgülü veya gelişigüzel dağılmış elyaf termoset reçine ortamında çekilmektedir

Presleme
Termoset veya termoplastik matris içine dağılmış takviye elemanları belli basınç altında sıkıştırılarak sertleştirilir Havacılık sektörüne yönelik kompozit ürünler için epoksi motrisler kullanılırken kar ve demiryolu taşıtları için poliester ve vinilester reçineli matrisler kullanılmaktadır 3-5 cm boyunda kesilmiş elyaflar, mikserde reçine ile karıştırılırlar reçiner katalist, dolgu malzemesi, kalıp sıyırma malzemesi ile magnezyum oksit ihtiva eder Mikserde iyice karıştırılmış hamur, uygun ortamda uzun süre saklanabilir 130-160 ºC sıcaklığa ısıtılmış kalıp boşluğuna gerekli hacimde karışım hamuru yerleştirilerek 4-21 Mpa basınç altında birkaç dakika bekletilir Parçanın özelliğine, elyaf oranına ve reçine grubuna göre sertleşme süresi 1-4 dakika arasında değişir Oldukça yüksek basıncı gerektiren metod mükemmel yüzey kalitesi yanında, mekanik özelliklere sahiptir Koltuklar çeşitli kaplar ve yapı elemanlarının imaline imkan veren presleme metodu, gelecekte alüminyum ve plastik enjeksiyon döküm ürünlerine alternatif olacaktır Presleme ile üretilen kompozit ürünler, aynı zamanda ahşap türevleri ile ikame edilebilmektedirpresleme tekniğine uygun, parça geometrileri kolaylıkla üretilebilir Presleme çelik döküm kalıplar kullanılmaktadır Mükemmel yüzey için kalıp iç yüzeyinin sert – krom ile kaplanması tercih edilmektedir

Pres şekillendirme yöntemi
Preslemede kullanılan hamura çeşitli dolgu ve renk verici malzemeler katılarak arzu edilen yüzey özellikleri elde edilebilir
Döküm Yöntemi
Genellikle partikül şeklindeki takviye fazı, sıvı reçine veya metalle birlikte hidrostatik veya pres basıncı altında dökülebilir
Özellikle aşınmaya dayanıklı kompozit malzemeler bu yöntemle üretilirler Soğukta ve sıcakta katılaşabilen reçineler ile alüminyum ve magnezyum gibi metaller bu amaçla kullanılmaktadır Piston gibi aşınmaya müsait malzemeler taneli kompozit döküm malzemelerdir Fren pabuçları ve basınç altında çalışan malzemelerin bu yöntemle üretilmesi mümkündür

Sinterleme
Bazı elyaf ve seramik malzemelerin matris tarafından ıslatılması mümkün olmadığından bağlayıcı ara yüzey oluşamamaktadır Bu amaçla elyaf yüzeyi ıslatma özelliği yüksek malzemelerle kaplanır kaplama işlemi vakum altında veya kimyasal ortamda yapılıp, elyaf sıcak pres altında sinterlenir Yöntemin en önemli avantajı, matris oranını asgari düzeyde tutmasıdır Bu metodla %10 bağlayıcı ve %90 takviye fazlı süper yüksek mukavemetli malzemeler elde edilmektedir Gelecekte özellikle uçak gövde ve kanatlarının bu yöntemle elde edilmesi ve yüksek balistik performansın elde edilmesi muhtemel görülmektedir Elyaf yüzeyini kaplayan ince metalik film basınç altında difüzyon ile elyafları birbirine bağlarken mükemmel yüzeyler oluşturmaktadır Metal matrizli kompozitlerin üstün performansları, gelecekte çelik ve özel malzemeleri önemli ölçüde kapsayacağı tahin edilmektedir

Laminasyon
En az iki ayna veya farklı elyaf veya refrakter tabakasının önceden tasarlanmış konfigrasyonla birbirine bağlanması ile ilde edilen yapıya lamine kompozit yapısı adı verilir ardışık takviye tabakaları, örgülü, dokunmuş, prese edilmiş keçeleştirilmiş veya folyo şekline getirilmiş olabilir Laminasyonda üç boyutlu konfigrasyona ulaşılabilir

Laminasyon doğruları
Örgülü, dokunmuş veya demet elyaf laminasyon yönteminde genellikle birbirine dik bağlanmaktadır Bağlayıcı olarak en çok kullanılan opoksi emdirilmiş kağıtlardır Epoksi rijit veya yüksek mukavemeti ile en çok kullanılan bağlama malzemesidir Sıcakta ve soğukta sertleşen epoksi malzemeler kullanılmaktadır Akrilik asit esterlerin oksijence zengin heroksitlerle aktifleştirilerek polimerize edilmiş reçinelerde oldukça yaygın kullanılan bağlama malzemeleridir Reaktif lastik, silikon yapıştırıcılar ile sıcakta eriyip yapıştırılan termo plastik yapıştırıcılarda yaygın olarak kullanılabilmektedir Yapıştırıcı emprenge edilmiş plakalar halinde veya doğrudan takviye fazına sürülüp prese edilerek kullanılmaktadır

Sandviç Kompozitler
İki laminat arasına, ince ince metal folyodan yapılan bal petekli bir yapının yerleştirilmesi ile elde edilen kompozit malzemelere sandviç kompozitler ada verilir
Hafif, üstün mekanik özelliklere sahip, üretimi oldukça basit ve bu malzemelerin geniş uygulamaları mevcuttur Balpetek arakesitli sandviç paneller, ilk defa 1940’lı yıllarda havacılık sektöründe kullanılmıştır Günümüzde kağıt, plastik, paslanmaz çelik, titanyum, süper alaşım, alüminyum ve benzeri metallerden balpetekleri üretilerek sandviç kompozitler yapılmaktadır Laminatlara birleştirmlede özel yapıştırıcılar dışında difüzyon veya lehimleme birleştirmeleri de yapılabilmektedir Yüksek tokluk, yüksek mukavemet ağırlık ilişkisine sahip sandviç panellerin kullanımı gelecekte daha da artacaktır

Kompozit Malzeme Kullanımında Tasarım Esasları
Makine ve yapıları imal ederken anizotropik malzeme kullanımının belli bazı avantaj ve dezavantajları vardır Avantajları; takviye doğrultusunda çok yüksek özgül mukavemet ve rijitlik, şekillendirilebilme kabiliyeti ve elastik olarak yüksek kopma uzaması, çok iyi yorulma dayanımı, kalıcı deformasyon olmaması, düşük ve kontrol edilebilir ısıl genleşme katsayısı, çok düşük enine ve ısıl elektrik iletim katsayısı, tabakal kompozitlerin tabaka yapılarının istenen amaca göre düzenlenebilmesidir Dezavantajları ise; malzeme bünyesinde hasara sebep olacak şekilde ikincil gerilmelerin meydana gelebilmesi, kritik uygulamalarda uzun zaman alan masraf gerektiren detaylı gerilme analizi gerekliliği, üretim ve kullanım yerinde yüksek sıcaklık olması durumunda fiber matris ısıl genleşmelerinin farklı olması sebebiyle hasara götüren iç gerilmeler, lineer elastik özellikleri sebebiyle gevrek kırılma tehlikesi kullanım ortamı sıcaklığının matris malzeme özellikleriyle sınırlanması sıcaklık sebebiyle özellikle polimer matrisli malzemelerde sürünme tehlikesi, bağlantı yerlerinde çok dikkatli dizayn gerekliliği olarak sayılabilir Kompozit malzemelerden yapılacak makine elemanlarının bu özellikler göz önüne alınarak tasarlanması gerekmektedir Kompozit malzemelerden yapılacak makine elemanlarının tasarımında dikkat edilecek faktörler; ısıl, mekanik, çarpma, kimyasal, elektrik ve manyetik yükleme gibi yükleme durumları, takviye şekli ve yükleme doğrultusuna göre durumu ve makine elemanlarının ağırlığı ile birleştirme yerlerinin seçimi ve birleştirme şeklidir

Tasarımda dikkat edilecek faktörleri tek tek incelersek
Yükleme Durumu
klasik malzemelerden farklı olarak, kompozit malzeme üzerine gelecek kuvvetin doğrultusu, şiddeti ve tesirleri çok büyük önem arzeder Çünkü ompozit malzemede fiberlerin takviye açısına göre malzeme üzerindeki gerilme dağılımı değişmektedir
Isıl ve Elektriksel Yükleme
ısı ve elektrik akımı direncin düşük olduğu yerlerden geçme eğiliminde olduğundan ısıl ve elektriksel iletim özellikleri cam, aramid ve seramik fiber kullanılması durumunda matris malzemeninkine yakındır Karbon fiberleri gibi iletim özelliği iyi olan fiberlerin kullanıldığı kompozitlerde ise fiber malzemesinin özelliklerine yakınlık gösterir Polimerik matrisli kompozitlerde, matris malzemeleri metallere göre yaklayık olarak %1 oranında iletim özelliğine sahiptir Fiberlerin ise yüksek iletim özellikleri vardır Kompozit içinde takviye şekli ve doğrultusu ile enerji akış sektörü arasındaki açı önemlidir İzotrop cam fiberlerinde bile boyuna ve enine iletim katsayılaı arasında %30 gibi bir fark bulunmaktadır Karbon fiberlerinde ise bu oran %0,2’ye kadar düşmektedir Bu yüzden elektrik ve ısıl yüke sahip kompozitlerin dizaynında fiber hacim oranı, takviye doğrultusu ve üretim sırasında eleman içinde boşluk kalmayacak şekilde bir üretim yapılması çok önemlidir Herhangi bir kompozit yapıda bile, kullanılan malzemelerin ısıl genleşme özelliklerinin farklı olması sebebiyle, ısı yükü altında farklı uzamalar sonucu büyük gerilmeler ortaya çıkabilir Bu gerilmeler, dışarıdan malzemeye herhangi bir yük uygulansa bile malzemede hasara yol açacak kadar büyük olabilmektedirtabakalı üretimde ise farklı tabakalar arasında aynı uzamaya rağmen takviye doğrultusundaki farklılıklar sebebiyle çarpılma şeklinde hasarlar oluşabilmektedir İzotropik malzemelerde oluşan bu gerilmeler çeşitli ısıl işlemler ile ortadan kaldırılabilirken kompozit malzemelerde bu durum mümkün olmamaktadır Bu yüzden ikincil bir yük olarak ısı yükünün de bulunduğu durumlarda malzeme tayini önem kazanır Tabakalı üretim durumunda tabakalar, uzamalar birbirini ortandan kaldıracak şekilde yerleştirilmeyidir Birleşme yerinin dizaynında, bu gerilmelerin de dikkate alınması gerekir
Yorulma, Çarpma ve Tokluk
Kompozitlerde yorulma izotrop malzemelerden oldukça farklı bir şekilde oluşur İzotrop malzemelerde değişken yüklemeye maruz bir makine elemanında oluşan çatlak tanımlanabilir bir gelişme göstererek ilerlemekte ve parça hesaplanabilen bir ömür sonunda da hasara uğramaktadır Bu malzemeler için çatlak başlangıcının hemen hemen tamamen tanımlanmış ve deneyler yapılarak gerekli sabitler bulunmuştur Kompozit malzemelerin çentik hassasiyetleri, matris malzeme çentiğin diğer fibere geçmesini geciktirdiğinden metalik malzemelere göre daha azdır Kompozitlerde yorulma olayı, malzemeye bağlı olarak farklı şekillerde meydana gelir Fiber-matris ara yüzey bağ kuvvetine bağlı olarak oluşan yorulma, yük doğrultusu ile fiber doğrultusunun farklı olduğu durumlarda oluşan yorulma şeklidir Fiber boyunca oluşan çatlağın ilerlemesi ile hasar meydana gelir Kumaş şeklindeki fakvilerde genellikle bu şekilde yorulma oluşur Fiber ve yük doğrultusu aynı olursa oldukça yüksek yorulma direnci elde edilir Bu durumda, fiber hacim oranı arttıkça yorulma direncide artmaktadır Tabakalı yapıdaki yorulma ise, mukavemetlerine göre daha yüksek gerilme uygulanan tabakalardan başlayarak yayılır Tabakalı yapının kumaş fiberlere göre yorulma dirençleri daha büyüktür
Çarpma, genellikle makine elemanlarında genellikle beklenmeyen ve hesaba katılmayan ani yüklemelere verilen addır Sünek malzemelerde çarpışma sonucu plastik deformasyon ve gözle görülebilen hasarlar oluşur Kompozitlerin çarpmaya karşı davranışı çarpmada absorbe ettikleri enerji ile belirlenir Bu da ara yüzey bağ gerilmelerinin değerine bağlıdır Eğer bağ dayanımı düşükse malzeme zayıf mukavemet özellikleri göstermekle beraber enerji absorbsiyonu iyi olacağından çarpmaya karşı iyi bir dayanım gösterecektir Çok yüksek bağ dayanımına sahip kompozitler gevrekleşme eğilimindedir Pratikte fiberlere yapılan yüzey işlemleri ile ara yüzey bağ dayanımı kontrol edilebilmektedir Tokluk, malzemenin kırılma dayanımının bir ölçüsüdür Yorulma ve çarpma yüklerine karşı kompozit malzemelerin davranışlarının belirlenmesinde önemli bir karşılaştırma parametresidir
Kimyasal Yükleme ve Çevre Şartları
Matris malzemeleri kompizitin nem, ısı ve kimyevi maddeler gibi çevre etkilerine maruz kalan kısmı olduğundan korozyon dayanımı, nem absorbsiyonu gibi çevre etkilerine karşı özelliklerini de belirlemektedir Plastik malzeme, plastik matrisli kompozitlerin çok çeşitli çevre ve kimyevi yüklere karşı yüksek performans göstermesini sağlamaktadır Metalik matrisli kompozitlerde ise kimyasal etkilere karşı direnç, malzemenin yüzeyinde meydana getirdiği koruyucu tabaka kalınlığı ile belirlenmektedir Mesela, 200 ºC’nin üzerinde özellikleri kararlı olmayan, veya kimyevi etkilere dayanıksız olan bir fiber, çok daha yüksek sıcaklıklara yada çok etkin kimyevi yüklemelere dayanabilen ve ısıl iletkenlik özellikleri iyi olmayan bir matris içinde söz konusu şartlara dayanıklı, mukavemeti yüksek bir kompozit oluşturabilmektedir Tablo 3113’te otomobil endüstrisinde alternatif malzemeler olarak kullanılan çelik, alüminyum alaşımı ve cam takviyeli plastik (CTP) kompozitlerin çeşitli yüklemeler karşısındaki davranışları, üretim şartları ve maliyetleri gibi faktörler karşılaştırmalı olarak verilmiştir

Kompozit Malzemelerin Kullanım Alanları
Otomotiv Sanayiinde Kompozit Malzeme Kullanımı
Otomobilin ağırlığını azaltmak; yakıt tüketiminde hatırı sayılır tasarruflara yol açtığından, otomobil üretici¬leri ağırlığı azaltacak yeni malzeme arayışlarına girmiş bulunuyorlar Buna ilaveten petrol yakıtlarına al¬ternatif olarak geliştirilmeye çalışılan elektrikli arabaların motorları nispeten daha az güç ürettiğinden, arabanın ağırlığı fevkalade ehemmiyet kazanır Kompozit malzemeler, katılığın özgül ağırlığa oranı bakımından çelik ve alüminyum ile karşılaştırıldığında, bu değer birkaç kat daha fazla olabilmektedir Bu sebeple kompozit malzemeler ağırlık azaltmada en önemli adaylardandır
Kompozit malzemeler arasında en yaygın olarak polimer matrisli kompozitler kullanılmaktadır Plastik matrisli olmalarına rağmen metaller kadar emniyetli tasarımları mümkündür Ön kısmı cam elyaf takviyeli polimer kompozitten yapılmış bir araba 35 mil/saat çarpma testini geçmiş bulunuyor Çarpışmalarda çelik kadar gü¬venlik sağladığı gibi, polimer kompozitler titreşim kontrolü gibi özellikleriyle de daha üstün performans göster¬meye adaydır

Polimer kompozitler matrisi, termoset veya termoplastik olmak üzere ikiye ayrılır Termoplastik polimerler (naylon gibi), uzun molekül zincirlerinden oluşur Yüksek sıcaklıklarda bu zincirlerin birbirleri üzerinde kayma¬ları sonucu, termoplastikler eriyebilme özelliğine sahiptirler Termosetler ise umumiyetle başlangıçta monomerlerden veya kısa zincirlerden oluşan sıvı bir halde bulunur Yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında, bunların ara¬larında karşılıklı bağların oluşmasıyla büyük bir moleküle dönüşerek katılaşırlar İyileştirme denen bu işlemden sonra artık polimerin erimesi söz konusu olmaz Termoset ve termoplastik polimerlerin mikro yapılarındaki bu farklılık; mekanik özelliklerine, imalat tekniklerine ve yeniden dönüşüm imkanlarına da yansır Termoplastikler molekül zincirlerinin hareket kabiliyetinden dolayı termosetlere göre daha az kırılgandır Mukavemet ve katılık gibi kompozitin mekanik özelliklerini ağırlıklı olarak elyaf takviyesi belirlediğinden, polimer matrisinin bu gibi özellikleri çok önemli değildir İmalat yöntemine gelince, termoplastikler yüksek sıcaklıklarda eritilerek şekil verilir, sonra soğutularak katı haline getirilir Ancak imalatındaki en büyük zorluk, eriyik halde bile viskozitesi çok yüksek olduğundan elyafla karıştırılması çok zordur Viskozitesini düşürmek için daha yüksek sıcaklıklara çıkarıldığında ise polimer ayrışır ve bozulur Termosetler ise yaygın olarak içinde örülü elyaf bulunan bir kalıba sıvı olarak aktarılır, sonra sıcaklık artırılarak iyileştirme işlemi yapılır Bu işlemden sonra şekil vermek mümkün olmadığından termosetlerin yeniden dönüşüm imkanı yoktur Ayrıca bu iyileştirme işlemi kimyasal bir süreç olduğundan, imalat süresini uzatmaktadır Bazı otomotiv uygulamalarında iyileştirme işlemi 5-10 dakikaya kadar inmişse de çelik veya termoplastiğin işlenmesine nazaran bu süre uzundur
Otomotiv sanayiinde şu ana kadar termosetler, termoplastiklere nazaran daha fazla kullanım alanı bulmuştur Otomobil gövdelerinde termoset kullanımı yaygın olmakla birlikte, termoplastiklere rağbet görülmeye başlandı Golf A4 ve POLO A03 dahil olmak üzere bütün yeni VW arabalarının ön kısımları cam elyaf örgütlü termoplastik tabakalardan yapılmıştır
Son zamanlarda giriş manifoldları ekseriyetle alüminyumdan imal edilmektedir Fakat bu parçaların şekilleri daha karmaşık hale geldikçe ve tek kalıpla üretilen cam elyaf takviyeli termoplastikler ağırlıktan tasarruflar sağ¬ladıkça, termoplastikler tasarımcılara cazip gelmeye başladı Ford Mondeo’nun 4 silindirli 16 valflı motorunun giriş manifoldu cam elyaf katkılı PA’dan imal edilmiştir Chevrolet giriş manifollarında cam elyaf katkılı naylon kullanmaktadır Plastik ağırlıktan tasarruf sağladığı gibi motorun performansını da artırmıştır Giriş manifoldlarının iç yüzeyi son derece pürüzsüz olmalıdır Aksi takdirde oluşacak türbülans, motorun verimliliğini azaltır Düzgün yüzeyleriyle plastik manifoldlar alüminyumla yapılanlara göre motorun verimini %5 kadar artı¬rabilmektedir Malzemenin düşük ısı iletkenliği; manifold içindeki havanın motorun sıcaklığından daha iyi yalı¬tılmasına yol açmakta; manifoldun havayı daha yoğun olarak tutmasıyla, yanma daha randımanlı gerçekleşmek¬tedir Plastik titremeyi azalttığından motorun gürültüsü azalmaktadır Avrupalı motor üreticisi PSA da Peogeot 406 vet 605, Citroen Xantia ve XM modellerinde kullanılmakta olan motorun giriş manifoldunda naylon kulla¬narak benzer faydaları elde etmektedir Alüminyumdan Naylon 46′ya geçmekle PSA manifoldun ağırlığım %50, imalat maliyetini %20, 30 azaltabilmiş, döküm sonrası işlemeyi ortadan kaldırabilmiştir
Chrysler gibi otomobil üreticileri de valf kapaklarını termoset kompozitlerinden yaparak maliyetleri %15-20 indirebilmişlerdir Plastik kompozitlerin önemli bir potansiyel uygulama alanı ön koltukların monte edildiği çatıdır Kompozitlerin fanlarda da kullanımı görülmeye başlanmıştır Plastik kompozitlere ilaveten, mühendisler matrisi metal olan kompozitleri de ciddi olarak düşünmeye başla¬mışlardır GM elektrikli taşıtının çatısında metal matrisli Boralyn kompozitini kullanmaktadır Boralyn’in katılığının özgül ağırlığa oranı, çelik ve alüminyumunkinin 15 katıdır, yoğunluğu ise alüminyumun yoğunluğuna yakındır Bütün avantajlarına rağmen kompozitlerin otomotiv sanayiinde yoğun olarak kullanılmasının önündeki iki önemli engel vardır Birincisi, kompozit parçaların hala çelikten daha maliyetli olmalarıdır İmalatı çelik gibi yüksek basınç gerektirmediğinden, plastik kompozitleri işleyen makinalar daha hafiftir ve dolayısıyla ilk yatırım maliyeti daha düşüktür Fakat malzemenin maliyetinin fazla olması ve imalat sürecinin nispeten emek yoğun olması toplam maliyeti arttırmaktadır Ancak ileride imalat teknolojisinde olabilecek yeniliklerle ve kompozit malzemelerin daha yoğun kullanımının getireceği malzeme maliyetlerindeki düşüşle, kompozit parçaların daha ucuza imal edilebileceği beklenmektedir Şu anda bir çok büyük ölçekli araştırma projelerinde daha verimli imalat teknolojilerinin geliştirilmesi için çalışılmaktadır
Kompozitlerin sanayii de yoğun olarak kullanılmasının önündeki ikinci önemli engel, kompozitlerin tasarımı ve imalatı konusunda tecrübeli ve bilgili mühendis ve teknisyen sayısının yetersizliğidir Bununla birlikte, bu engellerin zamanla aşılacağı ve kompozit malzemelerin üstün özelliklerinden otomotiv sanayiinde daha çok fay-dalanılacağı öngörülmektedir

Uçak Yapılarında Koımpozit Malzeme Kullanımı
Havacılıkta son yıllarda yapılan temel bir atılım metal malzeme yerine kompozit malzeme kullanımı konusudur Uçak yapılarında kullanılan ileri kompozitler, elyaf takviyeli kompozitlerdir Genellikle epoksi matris içinde sürekli elyaflar kullanılmaktadır Uçak yapılarında alüminyum alaşımları gibi konvansiyonel malzemelerin yerini alan kompozit malzemeler, düşük ağırlığa oranla yüksek mukaveket özelliğine sahiptirler Çizelge 41′de uçak tasarımında kullanılan kimi metal ulaşımları ile kompozit yapıların mekanik özellikleri verilmiştir Uçak yapısı için malzeme seçiminde önemli bir kriter olan mekanik özelliğin yoğunluğa oranı ile ifade edilen, özgül mekanik özellik değerleri karşılaştırıldığında bor/epoksi ve karbon/epoksi kompozitlerin konvensiyonel malzemelerden önemli farklarla üstün oldukları görülmektedir
Uçak tasarımında ilk olarak kullanılan kompozitler cam elyaf kompozitlerdir 1944′lerde “Vultee BT-15″ eğitim uçaklarında gövdenin arka kısmında kaplama malzemesi olarak cam elyaf reçineli kompozit plakalar ağaç çekirdeğin yüzeylerine yapıştırılarak sandviç paneller şeklinde kullanılmıştır (Phillips, 1987)
Cam elyaflı kompozitler, mukavemetlerinin ağırlıklarına oranı metallerden yüksek olmasına rağmen ana yapı elemanlarında kullanılmamaktadır Bunun nedeni ise sertliklerinin ağırlığa oranının düşük oluşudur ve bu oran yüksek hız uçaklarında oldukça büyük bir önem taşımaktadır (Huber, 1982)
Kompozit yapıların uçak tasarımındaki yaygın kullanımı 1960′larda başlamıştır (ABD’de bor elyaflar, İngiltere’de ise grafit elyaflar) ABD’de 1970′lerde bor/epoksi kompozitler F-111′lerin yatay kuyruklarında ve F-4′lerin istikamet dümeninde kullanılmışlardır (Grimes, 1976) Bor/epoksi kompozitler yüksek performanslı askeri uçakların dizaynında kullanılmışlar ve başarılı olmuşlardır Bu kullanıma örnek olarak F-14′lerin yatay kuyruk yüzey kaplaması ve F-15′lerin yatay ve dikey kuyrukları verilebilir (Noton, 1974)
İngiltere’de grafit epoksinin gelişimi çok yavaş olmuştur Strikemaster’ler için istikamet dümeni gibi küçük parçalar üretilmiştir ve Jaguar’ların aerodinamik frenlerinin yapımında kullanılmıştır (Lenoe, et al, 1973) 1970′lerin ortalarında ABD bor/epoksi’den grafit/ epoksi’ye geçmiştir Bunun en önemli nedeni maliyet problemidir 1979/da uçak yapımcıları tarafından “prepreg” adı altında üretilen grafit/epoksi malzemenin maliyeti 40 $/lb iken bor/epoksi’nin maliyeti 180 $/lb’dir (Hoskin and Baker, I9S6) ABD’de bu geçiş askeri uçaklarda hızlı olmuştur F-16′larda grafit/epoksi yatay ve dikey kuyruk yüzeyleri kaplamasında ve kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır ve yapısal ağırlığın %3′ünü oluşturmaktadır (Phillips, 1987) Grafit/epoksi kompozitlerin F-18′ lerde kullanımı ise yapısal ağırlığın %10′unu, toplam alanın ise %50’sini oluşturmaktadır (Phillips,1987)
AV-8B uçaklarında ise tüm kanat kaplaması ve yapısal elemanlar grafit/epoksidir Aynı zamanda yatay kuyruk yüzeylerinde gövdenin ön kısımlarında ve çeşitli kumanda yüzeylerinde kullanılarak ağırlıktan % 26′lık bir kazanç sağlanmıştır(Huber, 1982)
Avrupa’da üretilen askeri uçaklar ele alındığında, İtalyan-İngiltere-Almanya yapımı Tornado uçaklarında grafıt/epoksi yatay kuyruk kumanda yüzeylerinde kullanılmıştır (Schwartz, 1984) Fransa yapımı Mirage 2000′lerde ise bor-grafıt/epoksi karma kompozitler kanat kumanda yüzeylerinde ve düşey kuyrukta kullanılmıştır (Gay, 1989)
Gelişmiş kompozitlerin sivil uçaklardaki uygulaması askeri uçaklardan daha sonra gerçekleştirilmiştir Ancak bu konuya ilgi hızla artmaktadır Grafıt/epoksi kompozitlerin sivil yolcu uçaklarındaki ilk uygulamaları Boeing 727′lerin gövde kaplamasında gerçekleştirilmiş ve %14 ağırlık kazancı sağlanmıştır (Brooks, et al, 1980) Boeing 737′lerin aerodinamik frenleri grafit epoksi kompozitten üretilmiştir ve 1981′den itibaren 22000 uçuş saatlik kullanımları esnasında önemli bir problemle karşılaşılmamıştır Bu uçaklarda kompozit kullanımıyla %15′lik bir ağırlık kazancı sağlanmıştır (Noton, 1974)
Uçak tasarımında ağırlık kazancı önemli miktarda yakıt kazancıda sağladığından NASA’nın Uçak Enerji Verimliliği programları çerçevesinde uçak yapısı için Uompozit malzeme geliştirimine gidilmiştir 1980′lerde sadece ikinci dereceden yapısal elemanlarda kompozit kullanılırken, 1985′lerde birinci dereceden temel yapısal elemanlar için kullanılmaya başlanmıştır (Dexter, 1980) Çizelge 42′de kompozit malzeme kullanımı ile konvensiyonel malzemelere oranla elde edilen ağırlık kazançları verilmektedir Bu kazançların %11 ile %44 arasında değiştiği görülmektedir 1980′lerde Boeing 757 ve 767′lerde kuyruk grubunda, kumanda yüzeylerinde, kanatçıklarda ve flaplarda grafıt/epoksi kullanılmıştır (Schvvartz, 1984)
Bir başka gelişmiş kompozit tipi ise Kevlar (aramid)/epoksidir Uçak yapısında oldukça yaygın bir kullanımı söz konusudur Özellikle karma kevlar-grafit/epoksi yapılar kullanılmaktadır Boeing 767′lerde bu karma yapı motor kaplaması ve kanat hücum kenarı yapılarında kullanılın ıştır (Dexter, 1980) Kevların düşük basma mukavemeti bu karma yapılarda ortadan kaldırılmıştır
Küçük bir yolcu uçağı olan Lear Fan 2100′de grafit/epoksi ağırlıklı olmak üzere tüm yapı kompozittir İki kişilik “Rutan Voyager” ise durmaksızın dünyanın çevresini dolaşan bir uçaktır ve karbon/polyester ağırlıklı olmak üzere, tamamen kompozitten imal edilmiştir (Phillips, 19G7)
Lockheed-California tarafından üretilen L-1011 yolcu uçaklarında kanatçık yapısı alüminyum alaşımı yerine kompozit malzemeden üretilerek %263′l (lk bir ağırlık kazancı sağlanmıştır Maliyette ise önemli bir artış kaydedilmemiştir
Aerospatiale yapımı süpersonik yolcu uçağı Concorde’da grafityepoksi kompozit, iniş takımı kapaklarında kullanılmıştır Airbus A300 yolcu uçağında grafit/epoksi kompozitler istikamet dümeni, aerodinamik fren ve kanat hücum kenarında kullanılmıştır Aynı uçağın kanat firar kenarı ve irtifa dümeni kevlar/epoksi kompozitten üretilmiştir A320′lerde bu kısımlara ek olarak radar konisi, motor kaplaması ve tüm kuyruk grubu grafit/epoksi kompozitten üretilmiştir (Herteman, 1989)
Sürekli elyaf takviyeli kompozitleriıı uçak tasarımında geniş bir kullanım alanı söz konusudur Verilen tüm örneklerden görüldüğü gibi bor/epoksi, grafit/epoksi ve kevlar/epoksi uçak yapısında kullanılan en önemli kompozitlerdir
Kompozitlerin Basınçlı Gaz Kabında Kullanımları
Basınçlı gaz kapları konusunda, değişik malzemeler ile çok sayıda alternatif çözüm bulunmaktadır (Örneğin çelik, alüminyum, cam elyaf takviyeli plastikler gibi) İstenen yüksek emniyet faktöründen dolayı bu tür basınçlı kapların ağırlıkları genel olarak çok farklıdır Daha önceden sıkıştırılmış gazlar için hafif basınç kapları geliştirilmeye başlanmıştır Bu kapların;
Gaz ile çalışan otobüs ve kamyonlarda
Hidrojen, Helyum gibi sıkıştırılmış sanayi gazı taşıyan treylerde
kullanılması ön görülmektedir
Bu kaplar aynı büyüklükteki bütünü ile çelik olan kaplara göre çok daha hafif olup, bu hafiflik kompozit malzeme ile sağlanmıştır Cam elyafla kaplanmış alüminyum gövde gibi
Bu kombinasyon alüminyum ve cam elyafın optimum malzeme özelliklerinin kullanılmasına imkan vermektedir
Bu kapların avantajları şu şekilde gösterilebilir:
Gaz ile çalışan otobüs ve kamyonların şase ağırlığı azaltılır Şase ağırlığı / cam elyaflı kaplar ile %35 oranında azalmaktadır
Bu şekildeki gaz tankeri, çelik gövdeli bir tankere oranla yaklaşık 2 kat daha fazla gaz taşıyabilmektedir
Bu kaplar yüksek işletme performansı sağlayan kaliteli ürünlerdir Bu kapların pazara sürülmesi ile ucuz doğal gazın kullanımı artacak aynı zamanda sıvı yakıtlı motorların sebep olduğu hava kirliliği azalacaktır
Diğer kullanım alanları
Motorlar
Spor malzemelerinin üretimi (kayak, tenis raketleri)
Dişli çarklar
Özel takımlar
Kamyon yaprak yayları
Karoseri elemanları
Boru tesisatları
Depolar
Yapı işleri
Deniz araçları yapımında
Elektrik kontak malzemeleri
Nükleer reaktörler
Sürünme dirençli manyetik malzemeler
Batarya ızgaraları
Elektrik elemanları, ısıtıcılar

Sonuç
Kompozit malzemeler belirli avantajlar sağlayan özel ürünlerdir Günümüzde geniş hammadde temin olanakları ve birleştirme metotları kullanıcıya maksimum avantajı sağlayan çok sayıda kombinasyonları mümkün kılmaktadır Kompozit malzemelerin yüksek ve homojen bir kaliteyi garanti edebilmesi ve üretim maliyetlerinin kabul edilebilir düzeyde tutulabilmesi için yüksek teknolojiye dayalı bir işlemin uygulanması şarttır Dezavantajı ise, kompozit olmayan malzemelere göre daha pahalı oluşlarıdır Ancak son kullanıcı açısından ekonomik çözüm arz etmektedir Bu husus günün ve yarının kompozitleri için daha geniş ve yeni uygulama olanları açacak olan itici güç niteliğindedir