Polimer Matrisli Kompozitler günümüzde sıklıkla kullanılan bir malzeme olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu malzemenin sıklıkla kullanılmasının nedeni ise sunduğu üstün özelliklerdir.
Çeşitli araştırmaları derleyerek hazırladığım bu yazıda polimer matrisli kompozit malzemelerin özelliklerini, kullanıldıkları alanları ve spesifik olarak otomotiv endüstrisindeki kullanımını inceledim.
Kompozit Malzemelerin Yapısı
Polimer matrisli kompozitlerden bahsetmeden önce kompozit malzemelerin yapısını incelemek ve kompozit malzemeleri tanımak gerekiyor. Kompozit malzemelere baktığımızda; kompozitler ileri malzeme grubunun en önemli üyelerinden biri olarak kabul edilmektedir.
Kompozitler; iki ya da daha fazla sayıdaki malzemelerin özelliklerini tek bir malzemede toplamak için bileşenlerini koruyacak şekilde makro düzeyde birleştirilmesi ile oluşturulan yapay malzemelerdir.
Kompozit malzemelerde matris; ana fazı oluşturmaktadır. Tek başına istenilen özelliklerin tümüne sahip olmayan ana faza; takviyelerin eklenmesi ile kompozit malzemeler oluşur. Bu araştırma yazısında inceleyeceğimiz polimer matrisli kompozitlerde; ana faz polimerlerdir.
Kompozit malzemeler genel olarak düşük dayanıma sahip bir ana matristen ve ana matrisi güçlendirecek takviye malzemelerden oluşmaktadır. Kompozit malzemelerin dayanımını artırmak ya da istenilen özellikleri eklemek için takviyelerden yararlanılır.
Kompozit malzemelerde ana matrisin genel olarak özelliği; takviyeleri dış etkenlere karşı korumak ve tüm kompozit yapıyı bir arada tutmaktır.
Polimerler
Polimere baktığımızda ise polimer kelimesinin kökeni Yunancadır ve “poli” ile “meros” kelimelerinin birleşiminden oluşur. Poli; çok anlamına gelirken meros ise parça anlamına gelir. Bu iki kelimenin kökeninden de anlaşılacağı üzere polimerler küçük moleküllerin birbirine eklenmesi ile oluşturulan uzun zincirli moleküllerdir.
Polimerlerin üç çeşidi bulunmaktadır; termoplastik, termoset ve elastomer. Plastik malzeme olarak da bilinen suni polimerler günümüzde sıklıkla kullanılmaktadır. Yapılan araştırmalara göre dünyada yıllık 300-400 ton arası polimer üretilmektedir ve gelişmekte olan ile gelişmiş ülkelerde polimer teknolojisinin gelişme hızı yüzde 10’u aşmaktadır.
Bunun en büyük sebebi ise polimerlerin düşük maliyetli olması, kolay işlenebilmeleri, hafif olmaları ve korozyon ile kimyasal etkenlere karşı dirençli olmalarıdır.
Polimer Matrisli Kompozit Malzemeler
Polimer matrisli kompozit malzemeler günümüzde pek çok alanda kullanılmaktadır. Kara ve deniz araçlarının parçalarında, boya, inşaat, ambalaj, elektrik-elektronik gibi endüstrilerde kullanılan polimer matrisli kompozitlerin kullanımında yıllar içinde artış görülmektedir.
Bu artışın sebebi ise polimer matrisli kompozit malzemelerin sunduğu kullanım avantajlarıdır. Dayanıklılık, darbe dayanımı, esneklik, hafiflik, sağlamlık gibi sunduğu artı
özellikler sayesinde polimer matrisli kompozitler pek çok endüstride kullanılmaktadır.
Polimer matrisli kompozitler iki kategoriye ayrılır. Bu kategoriler; sürekli elyaf kompozitler ve parçacık dolgulu kompozitlerdir. Bu iki kategoriyi karşılaştırmamız gerekirse ise özellikle sürekli elyaf içeren kompozitlerin yüksek performans istenilen alanlarda daha sık kullanıldığı
göze çarpmaktadır.
Sürekli Elyaf Kompozitler; bu kompozitler ince elyafların matris yapıda yer alması ile oluşmuştur. Elyaflarla pekiştirilmiş kompozit malzemeler endüstride sıklıkla kullanılır ve çok geniş bir kullanım alanına sahiptir. Burada elyaf yapının hatasız olması mukavemet açısından oldukça önemlidir ve pekiştirtici olarak cam, karbon kevlar ve boron kullanılır.
Parçacık Dolgulu Kompozitler; ise başka bir matrisin içinde bir malzemenin parçacık halinde bulunması ile elde edilir. Burada yapının dayanıklılığı kullanılan parçacıkların sertliği ile alakalıdır.
Polimer Matrisli Kompozitlerin Yapısı
Polimer Matrisli Kompozitlerde termoset ve termoplastikler kullanılabilir. Bunlara ilave olarak ise cam fiber, karbon fiberler, alümina fiberler, aramid fiberler ve bor fiberler kullanılır. Bunlar arasında en bilinen ve en çok kullanılan ise cam elyaflardır.
Termoset Polimerler
Termoset polimerler; termoplastiklere göre daha gevrektirler ve daha yüksek dayanım gösterirler. İlk polimer matrisli kompozitler; termoset polimerlerden yapılmıştır.
Termoset polimerlerden yapılan kompozit malzemeler iç yapı hassasiyetlerine sahiptirler ve bu sebeple yüksek performans beklenen kompozit ürünlerde istenmeyen hatalara sebep olabilirler.
Polimer matrisli kompozitlerde yaygın olarak kullanılan termoset polimerler ise; polyesterler, epoksiler, vinil esterler, fenolikler, poliüretanlar, silikonlar ve amino reçinelerdir.
Termoplastik Polimerler
Termoplastik tüketimi tüm plastik malzemeler içerisinde yaklaşık yüzde 80’lik bir orandadır. Ürün performansını artırmak ve harcamaları azaltmak için kompozit malzemelerede
termoplastikten giderek daha fazla yararlanılmaktadır.
Termoplastik polimerlerde sertleştirme işlemi yapılması gerekmez, soğuduğunda kendiliğinden sertleşirler ve bu da maaliyeti azaltmaktadır. Bu sebeple de genelde maliyetli olan kompozit malzemelerde üreticiler tarafından tercih edilmektedirler.
Aynı zamanda termoplastikler çevresel şartlara, kimyasallara ve petrol türevlerine karşı yüksek bir dayanım gösterir. Termoplastik matrisli kompozitler geri dönüştürülebildikleri için
de giderek daha fazla alanda kullanılmaktadır.
Polimer matrisli kompozitlerede en sık kullanılan termoplastik polimerler ise; polietilen, polipropilen, polivinil klorür, poliamid, polikarbonat ve poliasetaldir. [2]
Üretim Yöntemleri
Polimer matrisli kompozitlerin üretimi için uygun matris takviye ve ilave malzemelerini seçmek ve bu malzemelerin doğru bir şekilde yapılandırılmış olması gerekmektedir.
Üretim yapılırken en önemsenmesi gereken adımlardan biri ise polimerizasyondur.
Polimer matrisli kompozitler üretilirken kullanabilecek yöntemler çeşitlidir. Bu yöntemler; el yatırma yöntemi, püskürtme yöntemi, pres kalıplama yöntemi, transfer kalıplama yöntemi, vakumla kalıplama yöntemi, soğuk kalıplama yöntemi, otoklavda kalıplama yöntemi, filament sarma yöntemi ve matris enjeksiyon yöntemi olarak sıralanabilir. Bu yöntemler dışında başka yöntemler de bulunmaktadır.
Otomotiv Endüstrisinde Polimer Matrisli Kompozit Kullanımı
Polimer matrisli kompozitlerden yararlanılan sektörler arasında otomotiv sektörü de bulunmaktadır. Otomotiv sektörü yıllar içinde geçirdiği teknolojik değişimler ile yeni gereksinimleri ortaya çıkarmıştır.
Günümüzde iklim krizi ile beraber en çok üstünde durulan konulardan biri de daha doğa dostu taşıtların üretilmesidir. Bu noktada polimer kompozitlerden yararlanılabilmektedir.
Otomobillerde geçtiğimiz yıllara göre polimer matrisli kompozitlerin kullanımı artmıştır.
Türkiye’de 1960’lı yıllarda polimer matrisli kompozitler Anadol marka arabalarının ilk olarak kaportalarında kullanılmıştır. Bunun devamında ise bu kompozit malzemelerin kamyon, otobüs, ticari vb. araçlarda kullanımı giderek artış göstermiştir. [3]
Otomobil endüstirisinde kullanılan polimer matrisli kompozit malzemelerin büyük bir kısmını ise termoplastikler oluşturmaktır. Oransal olarak bakmamız gerekirse otomotiv sektöründe; %50 termoplastik kullanılırken, %24 termoset kompozitler kullanılmaktadır.
Otomotiv endüstrisinde kompozit malzemelerin kullanımı;
• Ürünü hafifletmek,
• Darbe direnci,
• Yakıt tasarrufu,
• Düşük karbon dioksit salınımı,
• Yüksek dayanım,
• Enerji sönümleme,
gibi katkılar sağlar. Özellikle polimer matrisli kompozit kullanımı araç ağırlığını azalttığı için, otomotiv şirketleri tarafından tercih edilmektedir. Hafifleyen otomotivlerde hız ve performans artışı görülürken aynı zamanda ağırlığın azalması çevre kirliliği açısından da önemli sonuçlar doğurmaktadır.
Karbondioksit salınımının düşürülmesi iklim krizi sebebi ile birçok otomotiv markası tarafından üstüne çalışmalar yapılan bir hedeftir. Bu hedef karbon elyaf takviyeli polimerik kompozit kullanımını da arttırmıştır. Çünkü ağırlığı azalan araçlar daha az karbon salınımı
yapmaktadır.
Aynı zamanda cam elyaf takviyeli kompozit malzemelerin kullanımı otomotiv firmaları için maliyet avantajı da yaratır.
Üreticiler araç içi ses yalıtımını sağlamak için de son yıllarda polimer matrisli kompozitlerden yararlanmaktadırlar.
Ses yalıtımı için polimer matrisli kompozit sandviçlere yönelen üreticiler istenilen sonuca ulaşmaktadırlar. Bahsedilen özellikler sebebi ile hem otomotiv endüstrisinde hem de birçok endüstride polimer matrisli kompozitler kullanılmaktadır.
Ana fazı polimerden oluşan kompozit malzemelere eklenen doğru takviyelerle esnek, dayanıklı ve dirençli malzemeler elde edilmektedir. Teknolojik gelişmelerle doğrusal olarak gelişim gösteren polimer teknolojisi de daha gelişmiş kompozitler elde etmeye olanak tanımaktadır.
Kaynakça:
1- Otomotiv Endüstrisinde Kullanılan Polimer Matrisli Kompozit Malzemeler, Saffet Gülmez.
2- Polimer Matrisli Kompozitlerin Endüstri Ürünleri Tasarımında Önemi ve Geleceği, Murat Sönmez.
3- Polimer Matrisli Kompozitlerde Partikül Malzemesinin İç Yapısı, Yüksek Mühendis Onur Çoban.
Hazırlayan:
Nilsu Kotil
