Kompozit Malzemeler Nedir ?

Kompozit Malzemeler Nasıl Ortaya Çıktı ?

Kompozit Malzemeler konvensiyonel malzemeler olan metaller, seramikler ve plastiklerin yerine alternatif olması amacıyla ortaya çıkmış bir malzeme grubudur. Özellikle son yüzyılda gelişmeleri hızlandırılmış, mekanik özellikleri sürekli geliştirilmiştir. Kompozit malzemeler geliştirilme amacı, düşük ağırlık ve yüksek dayanıma olan ihtiyaç olmuştur.

Kompozit Malzemeler in Tanımı ;

Kompozit malzemeler; en az iki veya daha fazla sayıdaki malzemelerin belli kurallar çerçevesinde bir araya getirilmesiyle oluşturulmuş, kullanılan malzemelerin iyi özelliklerini alan malzeme grubuna denir.

Yönelmeler

Kompozit malzemeler ile ilgili örnek verecek olursak, karbon fiberler, fiber-glass malzemeler iyi birer örnek teşkil ederler.

Kompozit malzemeler elde edilmesindeki temel kural bir matriks fazı oluşturulmasıdır. Bu matriks fazı metalik olabilir. Örnek olarak bu metalik matriks fazı içerisine karbür fazı eklenmesi kompozit malzeme oluşturur. Ancak; çeliğe alaşım için eklenen elementler ile kompozit malzeme oluşturulamaz. Çünkü mikroskop altında homojen bir yapıya sahiptir.

Kompozit malzemeler elde edilmesindeki diğer husus ise, matriks fazı içerisine takviye elemanı eklenmesidir. Takviye elemanının asıl amacı malzeme üzerine gelen kuvveti taşımaktır. Matriks ve takviye elemanlarını kompozit malzemeler içersinde bir arada düşünmek gerekmektedir. Örneğin bu tip malzeme içerisinde takviye elemanı olarak elyaf kullanılırsa, elyafın dizilme yönünde, matriksin dayanımı arttırılmış olur. Kompozit malzemeler içerisine elyaf eklenmesi, malzemelerin süneklik özelliklerinin arttırılmasına yarar.

Kompozit Malzemeler’in Avantaj ve Dezavantajları

Avantajları ;

malzemeler avantaj-dezavantaj

  • Dayanımın fazla olması
  • Paslanmaya karşı dayanımın yüksek olması
  • Sıcaklıklar karşısında özelliklerini yitirmemesi
  • İletkenlik
  • Güzel görünüm
  • Düşük ağırlık

Dezavantajları ;

  • Üretiminin yüksek teknoloji gerektirmesi
  • Üretimde Know-How gerektirmesi
  • İmalatın ilk yatırım maliyetinin fazla olması
  • Metallerde olduğu gibi eritilip tekrar üretilebilme özelliğinin olmaması
  • Sıcaklık dayanımı iyi olmasına rağmen metaller kadar iyi bir dayanıma sahip olmaması

Bu tip malzemelerin dayanımları çeliklerden bile 10 kat daha yüksek olabilmektedir. Buna karşın çeliklerde bulunan paslanma olayı, bu tip malzemelerde gözlenmez. Bu özelliğinden dolayı, özellikle günümüzde taşıtlarda kullanımı artmaktadır.


Plastik malzemelerin de çeliklere göre avantajı paslanma dayanımıdır. Çünkü bildiğiniz gibi plastik malzemeler de paslanmaz. Ancak; bu malzemelerin bir dezavantajı yüksek sıcaklıklarda yumuşamasıdır. Bu tip malzemelerin kullanımı, hem paslanma dayanımı sağlar, hem de yüksek sıcaklıklarda dayanım sağlar.

Çelikler ile kıyaslandığında, bu tip malzemelerdeki bir diğer artı ise ağırlıktır. Aynı dayanıma sahip bir çelik ile kıyaslandığında, bu tip malzemelerin ağırlıkları yarı yarıyadır. Bu da bu tip malzemelerin taşıtlarda kullanımında ağırlık avantajı sağlamaktadır. Düşük ağırlık, düşük yakıt tüketimi demek, yani aynı yakıt ile daha uzun mesafeler kat etmeye yaramaktadır.

Kompozit Malzemeler ve Dezavantajlarının Açıklanması

Diğer malzemeler gibi, geniş bir kitle tarafından üretilip kullanılamamaktadır. Bunun başlıca nedeni, geleneksel malzemeler, insanlar tarafından yüzyıllardır üretilip kullanılmakta ve insanların bu malzemeler ile ilgili genel olarak bir bilgi birikimi vardır. Ancak; bu tip malzemeler için bu durum söz konusu değildir. Diğer malzemelere oranla, nasıl üretileceği güçlü bir know-how gerektirmektedir.

Bu tip malzemelerin imalatı için gerekli yatırım genellikle diğer malzemelere göre daha yüksektir. Çünkü, halen genel bir alana hitap etmemektedirler. Hammaddeleri demir-çelik sektöründeki gibi ucuz değildir ve imalat cihazları pahalıdır. Düşük hacimlerde üretim yapılabilse bile, büyük tonajlı imalatlar için yüksek yatırım maliyeti gerekir.

Güzel bir yabancı makale için aşağıdaki bağlantıyı inceleyebilirsiniz.

https://compositesuk.co.uk/composite-materials/introduction


Bu malzemeler, bir çok yönden metallere göre avantajlı olsa da, geri dönüşümü olmaması açısından metallere göre dezavantajlı durumdadır. Örnek olarak, kullanım ömrünü doldurmuş bir dökme demir ya da düşük alaşımlı çelik, tekrar eritilir ve döküm yoluyla bambaşka bir malzeme olarak imal edilebilir iken, kompozitlerde bu durum ne yazık ki söz konusu değildir.

Kullanım Amaçları

kompozit malzemeler kaput

Karbon Fiber Otomobil Parçaları

Günümüz endüstrisinde bu tip malzemeler haricinde, en çok kullanım alanı gören malzeme grubu metallerdir. Metallerin çok kullanılmasının nedeni, üretim yönteminin yüzyıllarca yıldır insanoğlu tarafından bilinip geliştirilmesi ve kolay olmasıdır. Diğer malzeme grubu ise seramiklerdir. Seramikler de aynı şekilde, metaller gibi insanoğlunun uzun yıllardan beri kullandığı, geliştirdiği bir malzeme grubudur. Plastik malzemeler, metal ve seramikler kadar olmasa da kullanım miktarı her yıl artmaktadır.

Rüzgar Türbini

İnsanoğlunun yeni malzeme arayışı, mevcut malzemelerin gelişen teknolojiye ayak uyduramamasıdır. Örnek olarak, son yüzyılda normal çeliğe göre kullanımı artan paslanmaz çeliğin, en ufak bir kullanım hatasında kolaylıkla paslanabilir hale gelmesidir. Ya da seramik malzemelerin, paslanmaya karşı dayanımı iyi olmasına rağmen, kırılganlık özellikleri metallere göre çok düşüktür. Plastik malzemelerin ise, paslanma ve kırılganlık özelliklerinin metallerden iyi olmasına rağmen, yüksek sıcaklıklarda kullanılamaması yine, farklı malzeme arayışlarına neden olmuştur.

Paslanmaz Çelikler ile ilgili yazımıza aşağıdaki linkten ulaşabilirsiniz…

https://www.metalurjimalzeme.net/paslanmaz-celik/

Mühendislikte, bir malzemenin kullanılabilir olması demek her açıdan mükemmel bir malzeme olması demek değildir. Mühendislik, kullanım alanına göre en iyi malzemenin kullanılmasıdır. Yani basit bir konstrüksiyonda, çok yüksek çekme dayanıma sahip bir çelik alaşımının kullanılması gereksizdir ayrıca ekstra maliyet getirir.

Günümüzde bir malzemenin tercih edilmesi aşağıdaki özelliklere sahip olmasını gerektirir;

  • Yüksek dayanım
  • Rijitlik
  • Tokluk
  • Düşük Ağırlık
  • Korozyon Dayanımı
  • Sıcaklık Dayanımı
  • Kullanım yerine göre iletkenliği veya yalıtkanlığı vb.

Kompozit Malzemeleri Ne Zaman Kullanmalısınız ?


Bütün mühendislik malzemelerinde olduğu gibi, kompozit malzemelerde de güçlü ve zayıf yanlar vardır. Bütün mühendislik dallarında öğretildiği gibi, her prosese uygun bir malzeme asla yoktur. Uygun yerlerde kullanılacak malzeme vardır. Bu nedenle bu tip malzemeleri her yer için kullanabiliriz algısı tamamen yanlıştır. İyi bir tasarımcı her zaman en uygun malzemeyi seçmek zorundadır.

Her ne kadar kompozit malzemeler, en az iki tip malzemenin birleştirilerek istenen özelliğinin ön plana çıkarılması için tasarlanmış olsa da, işler gerçekte bu şekilde yürütülememektedir.

Yangına Dayanıklı Kablo

Örnek olarak, yangına dayanıklı bir komponent üretilmek isteniyor ise, malzemenin ana matriksi yangına dayanıklı bir üründen üretilmelidir.

Aşağıdaki nedenlerden dolayı kompozit malzemelerin kullanımı her geçen yıl daha da artmaktadır.

  • Dizayn kolaylığı sağlaması. İstenen ürünlerin tek bir kalıptan çıkabilecek şekilde üretilebilmesi. ( Döküm Gibi. )
  • İstenen özelliklerin ön plana çıkarılabilmesi
  • Korozyona karşı yüksek dayanım
  • Dayanım ile birlikte tokluğun da arttırılabilmesi
  • Taşıma sektöründe yakıt tüketiminin azaltılması ve yüksek hızlı taşıtların imal edilmesine olanak sağlanması
  • Off-Shore dediğimiz deniz üstlerine kurulan platformların uzun ömürlü şekilde hizmet verebilmesi
  • Önceden bahsettiğimiz gibi, korozyona karşı dayanımının harika olmasından dolayı, deniz suyunun korozif etkisinden etkilenmemesi dolayısıyla uzun yıllar paslanmadan kullanılabilmesi.
  • Hem yüksek sıcaklıklar için üretilebilmesi hem de bazı özelliklerinin ( matris ) değiştirilerek kriyojenik yani sıfır derecenin altındaki uygulamalarda kullanılabilmesi. ( Düşük sıcaklıklarda yüksek tokluk sağlar. )
  • Yüksek yalıtkanlık özelliklerinden dolayı, radar dalgalarını yansıtabilmesi dolayısı ile askeri uygulamalarda ve hava taşıtlarında kullanılabilmesi.

Teknoloji Gelişimi

kompozit malzemeler teknoloji

Teknolojinin gelişmesiyle, metal, seramik ve plastiklerin tek başlarına kullanıldığı yapılar yetersiz kalmaktadır. Örnek olarak havacılık endüstrisinde bu malzemeler yerine metaller kullanılırsa, mühendislik açısından verimsiz bir yapı elde edilmiş olacaktır. Çünkü, özellikle havacılık endüstrisinde kullanılan malzemelerin hem yüksek dayanıma sahip olması hem de olabildiğince hafif olması gerekmektedir. Bu nedenle, bilim insanları yeni malzemeler arayışına girmişlerdir. Tam da bu noktada bu malzemeler kendilerine sağlam bir yer edinmiştir.

Science Direct ilgili makalesi için aşağıdaki bağlantıyı inceleyebilirsiniz.

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/composite-materials

Artık birçoğumuzun kulağının aşina olduğu karbon fiber kullanımı günden güne artmaktadır. Bundaki başlıca faktör, dayanımlarının çelikler kadar iyi olması ve çeliklerden çok daha hafif olmasıdır. Örnek verecek olursak, otomobillerde her geçen yıl karbon fiber kullanımı artmaktadır. Bunun nedeni, otomobillerin ağırlığının azaltılmak istenmesidir. Düşük ağırlık, yakıt tüketimine doğrudan pozitif yönde etki edecektir. Ayrıca, otomobillerin tavanının hafif ve dayanıklı malzemelerden üretilmesi, ağırlık merkezini aşağıya çekeceği için, araçların yol tutuşları ve devrilme dirençleri de artacaktır. Ancak; halen günümüzde bu tip yeni malzeme üretimi metallere göre yüksek maliyetlidir ve her araçta kullanılması ekonomik açıdan mümkün değildir.

Tasarım aşamasında düşünülürken, malzemenin dayanacağı yük, korozyon dayanımı, elastiklik ihtiyacı vb. özellikler hesaba katılır. Bir mühendis olarak, maliyet de önemli bir girdidir. Teknolojinin gelişmesiyle bu malzemeler çeşitlenmekte ve üretim maliyeti de günden güne azalmaktadır. İlerleyen yıllarda, çeliklerin yerini tamamen bu tip yeni malzemelerin alacağını söyleyemeyiz ancak; Dünya’da büyük ölçüde çelik tüketimi azalırken, kompozit tüketiminin artması, bu tip malzemelerin ilerleyen yıllarda karşımıza daha çok çıkacağını göstermektedir.

Seramik malzemeler ile ilgili yazımız için aşağıdaki bağlantıyı inceleyebilirsiniz.

https://www.metalurjimalzeme.net/seramik-malzemeler/

Polimer malzemeler ile ilgili ODTÜ’nün hazırladığı kısa video aşağıdaki gibidir…

https://www.youtube.com/watch?v=oF_bZNVDGjg

Kompozit malzemeler ile ilgili wikipedia yazısına aşağıdaki bağlantıdan ulaşabilirsiniz.

https://en.wikipedia.org/wiki/Composite_material