Yüksek Performanslı Elyaflar

KOMPOZİTLERDE KULLANILAN  LİFLERİN KİMYASAL VE FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ

Elyaflar kompozitlerde matris ve güçlendirici olarak kullanılırlar. Matris malzeme içinde yer alan elyaf takviyeler kompozit yapının temel mukavemet elemanlarıdır. Düşük yoğunluklarının yanısıra yüksek elastite modülüne ve sertliğe sahip olan elyaflar kimyasal korozyona da dirençlidir. Günümüzde kompozit yapılarda kullanılan en önemli takviye malzemeleri sürekli elyaflardır. Bu elyaflar özellikle modern kompozitlerin oluşturulmasında önemli bir yer tutarlar.Cam elyaflar teknolojide kullanılan en eski elyaf tipleridir. Son yıllarda geliştirilmiş olan bor, karbon, silisyum karbür ve aramid elyaflar ise gelişmiş kompozit yapılarda kullanılan elyaf tipleridir . Elyafların ince çaplı olarak üretilmeleri ile, büyük kütlesel yapılara oranla yapısal hata olasılıkları en aza indirilmiştir. Bu nedenle üstün mekanik özellikler gösterirler. Ayrıca, elyafların yüksek performanslı mühendislik malzeme­leri olmalarının nedenleri aşağıda verilen özelliklere de bağlıdır.

Şekil 1: Kompozitlerde kullanılan elyaflar

1. Üstün mikroyapısal özellikler, tane boyutlarının küçük oluşu ve küçük çapta üretilmeleri.

2. Boy/çap oranı arttıkça matris malzeme tarafından elyaflara iletilen yük miktarının artması.

3. Elastite modülünün çok yüksek olması. 

 Tablo 1: Matris olarak kullanılan bazı liflerin özellikleri

	Yoğunluk	Özgül Mukavemet	Kopma uzaması	Asit/baz etkisi	Erime Noktası	Camsı Geçiş Aralığı	Nem Alabilirliği
	(g/cm³)	g/denye	%		(°C)	(°C)	(%)
i. Poliester	1.36 - 1.38	2,4-7	12-55	Oldukça dayanıklı	250 - 260	80 - 110	0.2 - 0.5
iii. Poliamid	1.13 - 1.14	3,5-7	15-80	Dayanıklı	250 - 260	90 - 95	3.5 - 4.5
vi. Polipropilen	0.90 - 0.92	1,5-6,6	15-35	Dayanıklı	165 - 175	-10	0
vii. Polietilen	0.95 - 0.96	3,5-7,7	10-45	Dayanıklı	125 - 135	-	0

Kompozitlerde Kullanılan Güçlendirici (Yüksek Mukavemetli ) Elyafların Özellikleri

Cam elyaflar: Cam elyaflar, sıradan bir şişe camından yüksek saflıktaki kuartz camına kadar pek çok tipte imal edilirler. Cam amorf bir malzemedir ve polimerik yapıdadır. Üç boyutlu moleküler yapıda, bir silisyum atomu dört oksijen atomu ile çevrilmiştir. Silisyum metalik olmayan hafif bir malzemedir, doğada genellikle oksijenle birlikte silis (SiO₂) şeklinde bulunur. Cam eldesi için silis kumu, katkı malzemeleri ile birlikte kuru halde iken 1260 °C civarına ısıtılır ve soğumaya bırakıldığında sert bir yapı elde edilir. 

Şekil 2: Cam Elyafının Yapısı

Cam elyafların bazı özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir .

1. Çekme mukavemeti yüksektir, birim ağırlık başına mukavemeti çeliğinkinden yüksektir.

2. Isıl dirençleri düşüktür. Yanmazlar, ancak yüksek sıcaklıkta yumuşarlar.

3. Kimyasal malzemelere karşı dirençlidirler.

4. Nem absorbe etme özellikleri yoktur, ancak cam elyaflı kompozitlerde matris ile cam elyaf arasında nemin etkisi ile bir çözülme olabilir. Özel elyaf kaplama işlemleri ile bu etki ortadan kaldırılabilir.

5. Elektriği iletmezler. Bu özellik sayesinde elektriksel yalıtımın önem kazandığı durumlarda cam elyaflı kompozitlerin kullanılmasına imkan tanırlar. 

Şekil 3: Cam elyafı tipleri ve fiziksel özellikleri

Cam elyaf imalinde silis kumuna çeşitli katkı malzemeleri eklendiğinde yapı bu malzemelerin etkisi ile farklı özellikler kazanır. Dört farklı tipte cam elyaf mevcuttur.

1. A (Alkali) Camı: A camı yüksek oranda alkali içeren bir camdır. Bu nedenle elektriksel yalıtkanlık özelliği kötüdür. Kimyasal direnci yüksek, en yaygın cam tipidir.

2. C (Korozyon) Camı: Kimyasal çözeltilere direnci çok yüksektir.

3. E (Elektrik) Camı: Düşük alkali oranı nedeniyle elektriksel yalıtkanlığı diğer cam tiplerine göre çok iyidir. Mukavemeti oldukça yüksektir. Suya karşı direnci de oldukça iyidir. Nemli ortamlar için geliştirilen kompozitlerde genellikle E camı kullanılır .

4. S (Mukavemet) Camı: Yüksek mukavemetli bir camdır. Çekme mukavemeti E camına oranla %33 daha yüksektir. Ayrıca yüksek sıcaklıklarda oldukça iyi bir yorulma direncine sahiptir. Bu özellikleri nedeniyle havacılıkta ve uzay endüstrisinde tercih edilir. Cam elyaflar genellikle plastik veya epoksi reçinelerle kullanılırlar.  
Tablo 2: Cam Lifi türleri ve üreticiler

Cam

R-Glas S-Glas E-Glas Hollow S-2

Vetrotex/SaintGobain Vetrotex/SaintGobain Vetrotex/SaintGobain Owens Corning

Karbon: Karbon, yoğunluğu 1.7 gr/cm3 olan kristal yapıda bir malzemedir. Karbon elyaflar cam elyaflardan daha sonra gelişen ve çok yaygın olarak kullanılan bir elyaf grubudur. Hem karbon hemde grafit elyaflar aynı esaslı malzemeden üretilirler. Bu malzemeler hammadde olarak bilinirler. Karbon elyafların üretiminde üç adet hammadde mevcuttur. Bunlardan ilki rayondur (suni ipek). Bu hammadde inert bir atmosferde 1000 - 3000 °C civarına ısıtılır ve aynı zamanda çekme kuvveti uygulanır. Bu işlem mukavemet ve tokluk sağlar. Ancak yüksek maliyet nedeniyle rayon elyaflar uygun değildirler. 

Şekil 4: Karbon elyafının Yapısı

Elyaf imalatında genellikle rayonun yerine poliakrilonitril (PAN) kullanılır. PAN bazlı elyaflar 2413 ila 3102 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler ve maliyetleri düşüktür. Petrolün rafinesi ile elde edilen zift bazlı elyaflar ise 2069 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler. Mekanik özellikleri PAN bazlı elyaflar kadar iyi değildir ancak maliyetleri düşüktür. 

 Karbon elyafların en önemli özellikleri düşük yoğunluğun yanısıra yüksek mukavemet ve tokluk değerleridir. Karbon elyaflar, nemden etkilenmezler ve sürünme mukavemetleri çok yüksektir. Aşınma ve yorulma mukavemetleri oldukça iyidir. Diğer özellikleri:

•      Yüksek çekme dayanımı ve modulu

•      Yüksek elyaf kırılması

•      Düşük yoğunluk (çeliğe göre)

•      Yüksek sürtme dayanımı

•      İyi titreşim sönümleme

•      Kimyasal pasif

•      Korozyona uğramaz

•      Düşük negatif termal genleşme

•      İyi ısı iletimi ve dayanımı

•      düşük  röntgen ışını soğurma

•      Magnetik değil

•      İyi elektrik iletkenliği

•      Nem almama
Tablo 5: Karbon lifinin özellikleri ve diğer liflerle karşılaştırması

Bu nedenle askeri ve sivil uçak yapılarında yaygın bir kullanım alanına sahiptirler. Karbon elyaflar çeşitli plastik matrislerle ve en yaygın olarak epoksi reçinelerle kullanılırlar. Ayrıca karbon elyaflar alüminyum, magnezyum gibi metal matrislerle de kullanılırlar .

Aramid elyaflar: Aramid "aromatik polyamid" in kısaltılmış adıdır. Polyamidler uzun zincirli polimerlerdir, aramidin moleküler yapısında altı karbon atomu birbirine hidrojen atomu ile bağlanmışlardır.

Şekil 5: Aramid lifinin yapısı

 İki farklı tip aramid elyaf mevcuttur. Bunlar Du Pont firması tarafından geliştirilen Kevlar 29 ve Kevlar 49'dur. Aramidin mekanik özellikleri grafit elyaflarda olduğu gibi elyaf ekseni doğrultusunda çok iyi iken elyaflara dik doğrultuda çok zayıftır. Aramid elyaflar düşük ağırlık, yüksek çekme mukavemeti ve düşük maliyet özelliklerine sahiptir. Darbe direnci yüksektir, gevrekliği grafitin gevrekliğinin yansı kadardır. Bu nedenle kolay şekil verilebilir. Doğal kimyasallara dirençlidir ancak asit ve alkalilerden etkilenir.
Tablo 4: Aramid Çeşitleri ve üreticileri

Para-Aramid	Kevlar Technora Twaron	DuPont/USA Teijin/J Accordis / NL
Meta-Aramid	Nomex Conex	DuPont/USA Teijin/ J

Her iki kevlarda 2344 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptir ve kopma uzaması %1.8'dir. Kevlar 49'un elastik modülü kevlar 29'unkinden iki kat fazladır. Kevlar elyafın yoğunluğu cam ve grafit elyafların yoğunluklarından daha düşüktür. Kevlar49/Epoksi kompozitlerinin darbe mukavemeti grafit epoksi kompozitlere oranla yedi kat, bor/epoksi kompozitlere oranla dört kat daha iyidir.

Tablo 5: Aramid lifinin özellikleri

Özellik	Birim	Kevlar 29	Kevlar 49	Kevlar 149
Kopma Dayanımı	Gpa	3,62	3,62	3,44
Kopma Modulu	GPa	83	124	186
Kopma Uzaması	%	4.0	2.9	2.0
Lif çapı	µm	12	12	12
Yoğunluk	g/cm³	1.44	1.44	1.47
Bozulma Sıcaklığı	°C	>500	>500	>500

Uçak yapılarında, düşük basma mukavemetleri nedeniyle, karbon elyaflarla birlikte hibrid kompozit olarak, kumanda yüzeylerinde kullanılmaktadırlar. Aramid elyaflar elektriksel iletkenliğe sahip değildirler. Basma mukavemetlerinin iyi olmamasının yanısıra kevlar epoksi kompozitlerinin nem absorbe etme özellikleri kötüdür.