Günümüzde sıklıkla tercih edilen ve kullanılan polimer matrisli kompozitler, üstün özellikler sunar. Mühendislik malzemeleri olarak kullanılan bu malzemeler, geri dönüştürülebilir olmalarıyla da öne çıkar. Bir dizi avantaj sunan bu kompozitlerin farklı üretim yöntemleri ve uygulamaları bulunur.

Polimer Matrisli Kompozitlerin Tanımı

Polimer matrisli kompozitler (PMK) mühendislik malzemeleri olarak karşımıza çıkar. Karbon, polietilen, aramid ve benzeri yüksek performans sunan fiberlerde ve matris malzemesi olarak kullanılan polimerlerdeki yaşanan gelişmeler sayesinde polimer matrisli kompozit kullanımı yaygınlaşmıştır.

Polimerler esasen yapı malzemeleri olarak kullanılması için yeterli mekanik özelliklere sahip malzemeler değillerdir. Dolayısıyla geliştirilmeye ihtiyaç duyarlar. Polimerler kolay üretildiğinden imal edilen kompozitler, geliştirilen özellikler ve avantajları bir arada sunar.

Polimerler yüksek ısı ve basınca ihtiyaç duymaksızın üretilebilir. Böylelikle daha komplike parçalar daha kolay üretilebilir. Düşük sıcaklıkla üretilebildiğinden takviye elamanlarında bozulma yaşanmaz. Polimer matrisli kompozitlerin üretimi için basit ekipmanlar yeterlidir.

Polimer Matrisli Kompozitlerin Yapısı

PMK termoset ve termoplastik olacak şekilde kullanılabilir. Bu iki yapıya ek olarak cam fiber, karbon fiber, alümina fiber, aramid fiber ve bor fiber seçenekleri de mevcuttur. Bu seçenekler arasında en yaygın kullanılanı cam elyaftır.

Termoset Polimerler

Termoset polimerler kullanılarak üretilen kompozitler, iç yapısı gereği hassastır. Dolayısıyla yüksek performans sunması beklenen ürünlerde kullanıldığı takdirde istenmeyen hatalar doğurabilir. PMK’lerde yaygın kullanılan termoset polimerler polyester, epoksi, vinil ester, fenolik, poliüretan, silikon ve amino reçine olarak sıralanabilir.

Termoset polimerler, termoplastik polimerlere kıyasla daha yüksek donanım sağlar. Yapılan ilk polimer matrisli kompozitler, termoset polimerler kullanılarak yapılmıştır.

Termoplastik Polimerler

Termoplastik polimer

Tüm plastik malzemeler arasında en fazla kullanılan plastik malzeme termoplastik malzemedir. Bu oran %80 gibi ciddi bir orandır. Kompozit üretiminde termoplastik kullanarak ürün performansını arttırmak ve maliyeti düşürmek mümkün olduğundan, termoplastik kullanımı giderek yaygınlaşır.

Termoplastik polimerlerde sertleşme işlemine gerek duyulmadığından maliyet azalır. Çünkü termoplastik polimer, kendiliğinden sertleşen bir malzemedir. Bu düşük maliyet üreticiler tarafından termoplastik polimerlerin tercih edilmesini sağlar.

Termoplastik malzeme çevresel koşullar ve kimyasallar karşısında yüksek mukavemet gösteren bir malzemedir. Bunun yanında termoplastikler geri dönüştürülebilir malzemelerdir. Tüm bu özellikler bu malzemelerin tercih sebebi olarak gösterilebilir.

Polimer Matrisli Kompozitlerin Üretimi

PMK farklı yöntemler ile üretilebilir. Hangi yöntemin seçileceği parçanın kalitesi, özelliği, miktarı ve maliyetine uygun olacak şekilde tercih edilmelidir. Sıklıkla tercih edilen üretim yöntemleri aşağıdaki gibidir:

1. Elle Yatırma (Hand Lay-up) Yöntemi

Elle yatırma yönteminde fiber takviyeli termoset kompozitler bir kalıp içinde veya üzerinde el ile ya da elle kullanılan aletler üretir. Bu yönteme temas kalıplaması da denir. Bunun nedeni parçanın üzerine yatırıldığı kalıbın şeklini almasıdır. Bu yöntem her çeşit fiber takviyesi için kullanılabilir. Fakat genellikle cam fiber takviyeli kompozit üretimi için tercih edilir. Bu yöntemin kullanılacağı termoset reçinelerin oda sıcaklığının altında ve sıvı halde olması gerekir. Bu şartları sağlayan termoset reçineler polyesterler, epoksiler, bazı fenolikler, furanlar, silikonlar ve poliimidlerdir. Pürüzsüz yüzey üretmek için yüzeyin kalıpla temas etmesi gerekir. Bu sebeple kalıp yüzeye göre tasarlanmalıdır.

Bu yöntem basit olduğundan sıklıkla tercih edilir ve düşük maliyetli bir yöntemdir. Bütün şekillerde üretim yapmak mümkündür. Depo, tekne, kanal üretimi ve büyük yapı tamirlerinde sıklıkla tercih edilir.

Emek gerektiren bir yöntemdir ve el emeği gerektirdiği için ürün kalitesi üretimi yapan kişiye bağlıdır. İki yüzeyin de düzgün olması istenen süreçler için uygun bir yöntem değildir. Yüksek sayıda küçük parça üretimi yapmak için basınçlı kalıplama yöntemi çok daha etkili bir yöntemdir. Kalınlık kontrolü açısından hassasiyet gösteren bir yöntem değildir. Ayrıca elle yatırma yönteminde fiber-reçine oranını ayarlayabilmek güçtür.

2. Püskürtme Yöntemi

Püskürtme Yöntemi

Püskürtme yöntemi, elle yatırma yönteminin makineleştirilmiş versiyonu olarak düşünülebilir. Bu yöntemde kesilmiş fiberler ve reçineler kalıba aynı anda uygulanır. Püskürtme yönteminde elle yatırma yöntemine kıyasla daha komplike şekillerde üretim yapmak mümkündür. Manuel rulolama işlemi ile püskürtmeden sonra oluşabilecek hava kabarcıkları giderilir ve fiberler sıkılaştırılır.

Elle yatırma yönteminde olduğu gibi ürün kalitesi üretim yapan kişiye bağlıdır. Fiber-reçine oranı, katman kompozisyonu ve kalınlığını etkiler. En fazla %35 fiber içeren kompozit yapılar üretilebilir.

Püskürtme yöntemi de elle yatırma yöntemindeki gibi büyük ve komplike şekillerde ekonomik üretim yapabilen bir yöntemdir. Bu yöntemin bir diğer avantajı ise makineleşmeye açık olduğundan iççi maliyetlerini aza indirgemesidir. Ayrıca bu yöntemle işçiler diğer yöntemlere kıyasla polyester reçinenin yaydığı zehirli stiren gazından daha iyi korunur.

3. Otoklav ile Kalıplama Yöntemi

Yüksek basınç ve sıcaklıkta çalışan kapalı ortamlar otoklav ortamlardır. Isı ve basıncın aynı anda uygulanmasıyla işlem öncesinde hazırlanan lamineler konsolide olur ve eğer varsa sıkışmış hava giderilir ve termoset reçine kürlenir.  Bu işlem sonucunda fiber oranı %65’e kadar ulaşabilen, yüksek kaliteli ürünler elde etmek mümkündür. Bu avantajların yanında maliyet gerektiren bir uygulamadır.

4. Elyaf Sarma Yöntemi

Elyaf Sarma yöntemi

Bu yöntemde sürekli fiberler reçineden geçer ve ayırıcıyla kaplanan parçanın üstüne kaplanır. Bu kompozit üretim tekniği yarı otomatiktir. Elyaf sarma yöntemi ile çok yüksek fiber oranlı, yüksek mukavemet gösteren PMK üretmek mümkün.

Pozitif eğime sahip parçalar üretimine olanak sağlar. Termoset kürleme işleminden önce basınç ile şekillendirme yaparak egatif eğime sahip parçalar üretmek te mümkün.

Yarı otomatik bir yöntem olduğundan daha az çalışanla üretim yapılabilir. Yüksek fiber kullanımına olanak sağlar. Tekrarlı malzeme üretimi yapılabilir.

Karmaşık şekillerde ya da çok küçük parçalar üretmek çok zordur. Otoklav kadar olmasa da maliyetli bir yöntemdir.

Polimer Matrisli Kompozitlerin Uygulamaları

Polimer matrisli kompozitler çok çeşitli alanlarda kullanılabilen malzemelerdir. Bu sektörler aşağıdaki gibi sıralanabilir:

1. Ulaşım Araçları

Otomotiv, havacılık ve denizcilik uygulamalarında polimer matrsili kompozitler birçok farklı kullanım alanına sahiptir.

Otomotiv araçlarında genellikle lastikler, kayışlar, hortumlar ve otomotiv gövdelerinde sıkça tercih edilir. Bazı çok pahalı spor arabaların gövdelerinde ana yapı malzemesi olarak karbon fiberle güçlendirilmiş polimer matrisli kompozit tercih edilir. Polimer matrisli kompozitlerin ilk olarak ticari bir üründe kullanılması 1993 yılında üretilen Toyota Camry için üretilen triger kayış kapağı ile olmuştur. Sonraki aşamalarda bu kayış kapağını tamponlar, gövde panelleri, motor parçaları gibi aksamlar izledi.

Havacılık araçlarında da polimer matrisli kompozitler kendilerine kullanım alanı bulur. Ağırlığı azaltmanın yanında performansı arttırdığı için havacılık ve uzay sektörlerinde sıkça tercih edilir. Bunlara ek olarak sundukları üstün fiziksel özellikler uçak bileşenlerinde tercih edilmesinin başlıca sebeplerindendir.

Deniz araçları arasında polimer matrisli kompozitler en sık fiberglas teknelerde tercih edilir. PMK kullanımı ile cam elyaf yerine daha hafif ve sert bir malzemeden yararlanılabilir. Bu da son zamanlarda tekne yapımında sıklıkla tercih edilir.

2. Tıbbi Cihazlar

Genellikle tıbbi cihazların ana bileşenleri polimerler ve kompozitlerdir. MRI tarayıcıları, röntgen koltukları, masalar, mamografi plakları, tekerlekli sandalyeler ve protezler gibi birçok cihazda polimer matrisli kompozit kullanımına rastlamak mümkündür. PMK içeren karbon nanotüpleri veya TiO2 nanotüpleri kırık kemik tedavisindeki süreyi azaltır.  Ayrıca nanokompozitlerin teşhis ve tedavi süreçlerinde olası kullanım alanları da hali hazırda araştırılmaktadır.

3. Kişisel Koruyucu Ekipman

Aşırı sıcak veya soğuk gibi zorlu hava koşulları altında, yangında (itfaiyeciler gibi), ölümcül silahlara karşı (kolluk kuvvetleri gibi) ve bunlara benzer daha farklı tehlikeli durumlarda kullanılan ekipmanlarda polimer matris kompozit kullanımına rastlamak mümkündür. Çünkü PMK kimyasallara, zorlu hava şartlarına, aşınmaya, elektriğe ve çok daha fazlasına karşın koruma sağlar.

4. Spor Malzemeleri

Performans ayakkabılarında, doğal deriye alternatif olması açısından PMK bazlı sentetik derilerde sıklıkla tercih edilir. Spor malzemelerinde PMK kullanarak bakteri ve mantarların oluşumuna sebep olan nem başta olmak üzere spor malzemelerinde var olan tehditlerin önüne geçilmiş olur. PMK’ler hafif, yüksek mukavemet gösteren, kolay işlenen, yüksek performans sunan ve farklı tasarımlara izin veren bir yapıda olduğundan spor malzemelerinin yapı malzemesi olarak kullanılır.

5. Endüstriyel Ekipman

PMK’ler çok farklı endüstriyel ekipmanlarda kullanılabilir. Neredeyse tüm endüstriyel alanlarda PMK kullanımına rastlamak mümkündür.