2010 -2018 Yılları Arasında Kompozit Sektörünün Gelişim Süreci

11.06.2019

Kompozit

Birbirinden farklı en az iki malzemenin aralarında bir ara yüzey oluşturarak, kimyasal bağ yapmaksızın oluşturdukları yeni malzeme grubudur. Kompozit; özgül mukavemetinin yüksek olması, hafif olması, üstün boyutsal stabilite özelliği, elastikiyet mükemmeliyeti, tasarım esnekliği, yüksek korozyon ve ısı dayanımı, düşük maliyet araç-gereç maliyeti gibi avantajlar sağlamaktadır.

Kompozitlerin Kullanım Alanları

• Denizcilik Sektörü, • Havacılık Sektörü, • Boru Teknolojisi, • Köprüler ve Taşıyıcı Sistemler, • Otomotiv Sektörü, • Rüzgâr Türbinleri, • Spor Malzemeleri.

Sayısal Verilerle Kompozit Kullanımı

• Gemi ve Tekne Yapımı : %25 • Ulaşım (Transport) : %30 • İnşaat : %15 • Kimya (Proses) : %10 • Elektronik Endüstrisi : %5 • Tüketim Malı : %7 • Havacılık – Uzay : %7 • Çeşitli : %1 Kişi Başına Tüketilen Kompozit Miktarı -Kaynak: Özel İhtisas Komisyonu Raporu - Yıl: 2010

Kompozitin Gelişimi

Teknolojinin gelişmesiyle birlikte daha düşük ağırlıkta, daha yüksek dayanıklılık kapasitesine sahip maddelere sanayinin ve günlük hayatın duyduğu ihtiyaç, yeni maddeler üretilmesi gerekliliğini ortaya koydu. İlk yıllarda bir düşünce olarak kalan yeni maddeler geliştirme fikri, kısa süre içinde oluşturulan hipotezlerle desteklenerek hayata geçirildi ve bir hayal olmaktan çıktı. Bu fikirler arasında en çok desteklenen ve uygulamaya geçirilen ise kompozit materyal fikri. Kompozit materyal fikri, iki veya daha fazla materyalin birleştirilerek, bu maddelerin tek başlarına olan performanslarını olağanüstü şekilde artırmayı amaçlıyordu. Çinko kaplı sac ve benzer olarak demir blokları çok güçlü bir şekilde destekleyerek onları yıkılmaz hale getirebilen beton, bu fikrin ortaya konduğu birkaç ilkel örnekti. Günümüzde gemi yapımından bina yapımına, ev aletleri üretiminden uzay teknolojisine kadar hemen hemen her yerde kendine yaşam alanı bulan kompozit malzemenin üretimi, son birkaç yüzyıla mal edilmiş gibi görülse de ilk örnekleri çok eskilere dayanıyor. Kompozit malzeme kavramının ortaya atılması ve bir mühendislik konusu olarak ele alınması 1940’lı yılların başında gerçekleşmiş. İlk uygulamalardan bu yana hem takviye malzemelerinde hem de matris malzemelerde birçok yeniliklere gidildi. Yeni kombinasyonlar uygulanarak, çok daha yüksek performans değerlerine sahip yeni kompozit malzemeler hayata geçirildi. Kısaca kompozit malzemeler, çok hızlı bir gelişme gösterdi ve bu gelişmeyi hızla sürdürmeye devam ederek, çağdaş bir malzeme olma niteliğini de aşıp, geleceğin malzemesi yani “yaşamın kimyası” oldu. Dünyada kişi başına kompozit tüketimi, artık bir gelişmişlik ölçütü olarak kullanılıyor. Nitekim, gelişme sürecini tamamlamış ülkelerde kişi başına kompozit kullanım miktarı, ülkemizdekinin yaklaşık 10 katına kadar yükselmiş durumda. Buna karşılık, kompozit kullanımının yıllık büyüme oranı dünyada ortalama yüzde 3 seviyesindeyken, Türkiye’de bu oranın yüzde 12 olması sevindirici. Bu gelişme sürecinin devamı halinde, Türkiye’nin gelişmiş ülkelerin kullanım miktarını yakın bir gelecekte yakalamasının mümkün olacağı tahmin ediliyor.

Kompozitin Kullanım Alanları

Kompozitler yaygın olarak; havacılık/uzay/savunma, ev aletleri ve iş ekipmanları (imalat sanayi), yapı sektörü, tüketim malları ve spor/eğlence, korozyon dayanımlı ürünler, elektrik/elektronik, denizcilik, taşımacılık ve otomotiv, askeri uygulamalar ve tarım/gıda gibi farklı sektörlerde kullanım alanı buluyor.Denizcilik Sektörü:

Kompozit malzemeler deniz suyunun aşındırıcı özelliği veya muhtemel yakıt artıkları ve kirliliğin oluşturduğu kimyasal aşınmadan etkilenmezler. Bunun yanı sıra uygulanabilirlik, tasarım esnekliği, hafif ürün üretme olanağı, minimum bakım gereksinimi, kolay tamir edilebilir olması ve birçok mekanik dayanım özelliği kompozit malzemelerin denizcilik endüstrisinde kullanımını artırmıştır. Günümüzde yelkenli ve motorlu gezi ve spor tekneleri, kurtarma filikaları, kano ve saltar, deniz bisikletleri, jet ski, sörf tahtaları, büyük-küçük katamaran tekneler, aqua parklar vb. birçok ürünün imalatında kompozit malzemeler kullanılmaktadır. • Yelkenli/motorlu tekneler, • Can kurtarma filikaları, • Şamandıralar, • Kanolar, • Dubalar-iskeleler, • Deniz motosikleti, • Sörf tahtası, • Marina ekipmanları.

Havacılık Sektörü:

Havacılık ve uzay sanayi kompozit malzeme kullanımında başı çekmeye devam etmektedir. Bu durumun altında ise emisyon azaltma ve yakıt verimliliğini artırma yönündeki hedefleri yakalama bağlamında daha hafif malzemelere geçiş yönünde pazarda hâkim olan trendler yatmaktadır. Ancak kompozit teknolojisini benimseyen diğer sektörlerle kıyaslandığında havacılık ve uzay sanayinde yeni malzemelerin onay süreci daha uzun sürmekte ve bu nedenle gereken zaman ve fırsat maliyeti oldukça yüksek olmaktadır.

Yine de geride kalan dönemde havacılık ve uzay sanayindeki belli başlı OEM’ler tasarım alanında esneklik, titreşim azaltma ve ağırlığına kıyasla yüksek dayanıklılık nedeniyle kompozit malzemelerin metallere kıyasla sunduğu avantajları anlama noktasına gelmiştir. Dolayısıyla OEM’ler o dönemden bu yana kompozit malzemeleri yük taşıyan esas yapılar ve kanatlar, gövde, kuyruk kanadı, kuyruk dümeni, kanatçıklar ve kaporta gibi yüksek hacimli bileşenlerde kullanmaya başlamıştır. Daha yakın dönemde ise kompozit malzemeler pencereler, kabin kompartımanları, kol dayamalar ve dekor şeritleri gibi ikincil uygulama alanlarında da yangın, duman ve toksisite (FST) açısından daha üstün özellikleri ve anti-mikrobiyal niteliklerinden ötürü kullanıma girmektedir. Sektörün termoplastik kullanımına geçiş süreci malzemelerin onay süreci ve uçaklarda kullanıma uygunluk belgesi alınmasında son derece muhafazakâr davranılmasından ötürü temkinli bir seyir izlemektedir. Ancak işleme teknolojisindeki gelişmeler ve geri dönüşüm olanakları ve maliyet gibi avantajlardan ötürü polyetheretherketone (PEEK), polyaryletherketone (PAEK), polyetherimide (PEI) ve polyphenylene sülfit (PPS) gibi yüksek performanslı termoplastikler termosetlerle rekabet edebilmekte ve belirli yapısal ve iç uygulamalarda kullanımları artmaktadır. Kompozit malzeme kullanımında büyük ölçüde başı çeken ticari havacılık ve uzay sektörünün 2022’ye kadar yüzde 5,5 oranında büyüme sergilemesi beklenmektedir. Havacılık ve uzay sektöründen bir dizi OEM’in kompozit malzemelere ağırlık verilen modellere odaklandığı bir tabloda bu alandaki uygulamaların yakın dönemde güçlü büyüme göstermesi muhtemeldir. Boeing 787, Boeing 777X ve Airbus A350 XWB bu bağlamda başı çeken uçaklar olacaktır. Ayrıca Commercial Aircraft Corporation of China, Ltd. (COMAC) tarafından geliştirilen ve gövdenin büyük kısmında gelişmiş kompozit malzemeleri kullanan C-919 da birçok fırsatı beraberinde getirecektir.

Şekil 1. Klasik elyaf sarma yöntemi ile CTP boru üretimi

Boru Teknolojisi: CTP Malzeme ikinci dünya savaşı sırasında geliştirilmiştir. Hızlı bir şekilde imal edilebilmesi ve dayanıklılığı gibi bazı üstünlükleri bu malzemenin köprü, deniz botları vb. imalatlarda kullanılmasına olanak vermiştir. İkinci Dünya Savaşı sonrası birçok sektörde olduğu gibi boru imalat sektöründe de yaygın bir kullanım alanı bulmuştur. İlk CTP boru 1948 yılında imal edilmiştir. CTP Boru Üreticileri Birliği’ne üye kuruluşlar tarafından bugüne kadar; yurt içinde 7.983 km, yurt dışında 5.718 km, toplamda 13.701 km CTP boru başarıyla üretilmiş, sevk edilmiş ve uygulamaya alınmıştır.

CTP Boru Üretiminde Kullanılan Hammaddeler

• Sürekli Elyaf Lifleri (Hoop) • Kırpılmış Elyaf Lifleri (Chop) • Termoset Polyester Reçine • Silis Kumu

Boru Kullanım Alanları:

• İçme Suyu, • Sulama, • Atık Su, • Yağmur Suyu, • Endüstriyel, • Tesisler, • Hidroelektrik, • Santraller, • Enerji Projeleri.

Köprüler ve Taşıyıcı Sistemler:

Kompozit köprü; betonarme ve çelik taşıyıcı sistemin beraber kullanıldığı köprü sistemleridir. Döşeme sisteminde deplasmanların azaltılması için çelik üzerinde basınç oluşan bölgelerde Stud çivileri ile betonarme plakanın birlikte çalışması sağlanarak, deplasman azaltılır. Yapımı biraz daha karışık olsa da sehim şartlarındaki iyileşme ile ekonomik köprüler projelendirilebilir. İmalat aşamasında genellikle çelik kendi ağırlığı ve ıslak betonun ağırlığını taşır. Ama beton prizini aldığında sistem gücünü kazanmış olur ve tüm trafik yükünü rahatlıkla taşır Çelik çekme ve basınç değerlerinde iyiyken beton basınç altında yüksek taşıma kapasitesine sahiptir. Kompozit yapı sistemi ise çeliğin ve betonarmenin avantajlarını birlikte sunar hem hafif hem de sağlam hem de ekonomik bir taşıyıcı sistem dizayn edilmiş olur. Basit kompozit köprü kirişi, kısa açıklıklı (8m-10m açıklıklar için ekonomik, 15 m’ye düştüğü için pahalı, max 24 m’ye kadar) dizayn edilir.

Otomotiv Sektörü:

Kompoze malzeme ortam koşullarına dayanıklı, esnek ama yeterli mekanik dayanıma sahip olmayan plastik ve/veya polyester matriks reçine ile yüksek mekanik dayanımlı takviye edici cam, karbon ve/veya aramid elyafının bir araya getirilmesi ile elde edilen üstün nitelikli bir mühendislik malzemesidir. 1946’dan sonra tüm Dünya’da ticari boyuta gelen, ilk uygulamalardan bu yana hem takviye malzemelerinde hem de matriks malzemelerde birçok yeniliklere gidilerek yeni kombinasyonlar uygulanması sonucu daha yüksek performans değerlerine sahip olan, çok hızlı bir gelişme göstererek bu gelişmeyi hızla sürdürmeye devam eden bir malzeme niteliğinde olan “kompozit malzemeler” çağdaş bir malzeme olma niteliğini de aşmış ve geleceğin malzemesi olma niteliğine ulaşmış bulunmaktadır. Sektöre ilişkin tahminler gelecek birkaç yıllık dönemde otomotiv alanında kompozit malzemeler açısından yüzde 6 ila 9 oranında yıllık büyüme rakamları öngörmektedir. Bu tahminlerin altında yatansa üreticilerin yakıt ekonomisi ve güvenlik alanındaki şartları yakalayabilmesinde karbon fiber kompozit malzemelerin oynayabileceği roldür. Ancak bu büyüme tahminleri sektörün maliyet, çevrim süresi ve ürünün ekonomik ömrü sonundaki durumuyla ilgili bir dizi şartı yerine getirebilme yeteneğine bağlı olacak ve bu bağlamda malzeme ve işleme teknolojilerinde ilerlemelere ihtiyaç duyulacaktır. Otomotiv sanayindeki en büyük büyüme potansiyeli kompozit malzemelerin bugün yalnızca küçük bir paya sahip olduğu karoser uygulamalarında yatmaktadır. Otomobil üreticileri tüketicilere çekici ve sürüş keyfi yüksek araçlar sunarken bir yandan da yakıt ekonomisi ve güvenlik alanındaki yasal gerekleri de yerine getirebilme çabaları ekseninde hafif malzemelere olan talepleri artmaktadır. Dayanıklı çelik ve alüminyum üreticilerin araç ağırlığını azaltmaya yönelik maliyet açısından etkin arayışlara girdiği bir ortamda pazar payı kazanmıştır. Çeliğe nazaran daha pahalı olmasına rağmen alüminyum geride kalan on yıllık dönemde üreticilerin aracı hafifletmek için bedel ödemeye hazır oluşundan ötürü araç şasi ve karoserinde neredeyse yüzde 10’luk bir pazar payına ulaşarak yaygın kullanım gören bir malzeme halini almıştır.

Şekil 2. Otomotivde kompozit malzeme penetrasyonu

Rüzgâr Türbinleri:

Rüzgâr türbini kanatlarından en büyük beklenti; uzun sürede dayanıklılığını koruması, aerodinamik olarak türbin enerji verimliliğine ilave katkı sağlaması, tüm dış etkenlere karşı bütünlüğünü ve yüzey kalitesini kaybetmemesi gibi özelliklerdir. Bu özellikleri sağlamak için de yapılan tüm çalışmalar ve denemeler sonucunda rüzgâr türbini kanatlarının kompozit teknolojisi ile üretilmesinin en uygun yöntem olduğu ve kullanılan malzemelerde de günden güne gelişim yaşanması ile bunun desteklendiği görülmüştür.

Rüzgâr türbinlerinin yapımında çok çeşitli malzemeler kullanılmaktadır. Rüzgâr türbinlerinden yüksek verim elde edilmesi, her birim için uygun malzemenin seçilmesiyle mümkündür. Bu nedenle, tüm koşullarda malzeme gelişim ve davranışları incelenmektedir. Genellikle tüm durumlarda malzeme seçimi için beş metot tercih edilmektedir. Bu metotlar: ekonomik ve performans karakteristikleri, özellik ölçüm değerleri, değerlerin analizi, hasar analizi, ekonomik ve fayda analizi olarak adlandırılır. Teknolojik olarak bakıldığında 1940’lı yıllardan sonra bu malzemelerin havacılık sektöründe kullanılmaya başlandığı görülmektedir. Burada amaç, çelik ve alüminyum alaşımları gibi konvansiyonel malzemelerin yerine daha düşük ağırlıkta ancak daha mukavemetli, sertlik değeri, aşınma dayanımı ve kırılma tokluğu yüksek malzemelerin geliştirilmesidir. Öte yandan tıpkı havacılık sektöründe olduğu gibi rüzgâr türbini rotor kanat yapısı için malzeme seçiminde; önemli bir kriter olan mekanik özelliğin yoğunluğa oranını ifade eden, özgül mekanik özellik değerleri açısından da kompozit malzemelerin geleneksel malzemelere oranla önemli oranda üstünlükleri olduğu da söylenebilir. İşte bu durum, türbin konstrüksiyonlarında özellikle de rotor kanat tasarımında kompozit kullanımının ön plana çıkmasına yol açmıştır.

Spor Malzemeleri: Sağlam, hafif, uzun ömürlü, yüksek gerilme dayanımına, düşük bakım giderlerine sahip, tasarım esnekliği sunan kompozit malzemeler spor ve eğlence ekipmanları üretiminde de yoğun biçimde kullanılmaktadırlar. Başlıca uygulama alanları; surf, snowboard, kiteboard, kano, kayak, tenis raketi, golf sopası, atletizm sırıkları, lunapark ekipmanları, çocuk oyun alanları, animasyon kahramanları, havuz gövdeleri vb.