Kompozit malzemeler, iki veya daha fazla malzemenin, geleneksel malzemelerden daha iyi mühendislik özelliklerine sahip olacak şekilde birleştirilmesiyle oluşturulan malzemelerdir. Bu şekilde oluşturulan malzemelerle birlikte rijitlik, mukavemet, hafiflik, korozyona karşı direnç, termal özellikler, yorulma ömrü ve aşınma direnci gibi mühendislik yapılarındaki birçok önemli özellik geliştirilebilir.
Ortaya Çıkış Süreci
Kompozit malzemelerin kullanımı, insanlığın ilk çağlarına kadar uzanmaktadır. İnsanlar daha dayanıklı malzemelere ihtiyaç duyunca temel malzemeleri birleştirerek kompozit malzemelerin ilk adımlarını atmışlardır. Örneğin:
- Mezopotamyalılar MÖ 3400 yılında, kontrplak oluşturmak için farklı açılarda ahşap şeritleri yapıştırmışlardır.
- Eski Mısırlılar, kil ile samanın karıştırılması sonucu kerpiç üretimi gerçekleştirmişlerdir.
- Moğol savaşçılar, bambu, ipek, sığır tendonları, çam reçinesi ve boynuzlarını kullanarak kompozit yaylar üretmişlerdir. Bu yaylar, ateşli silahların üretimine kadar kullanılmıştır.
Yapısı
Kompozit malzemeler, takviye ve matris esas olmak üzere en az iki bileşenden oluşan yapılardır. Takviye malzemesi taşıyıcı görev üstlenir ve etrafında bulunan matris faz ise onu bir arada tutmaya ve desteklemeye yarar. Kerpiç örneğinden yola çıkarsak, saman takviye fazı kil ise matris fazı olmaktadır.
Matris Faz
Kompozit malzemelerde matris malzemesinin temel görevlerinden bazıları, takviye elemanının yapısal bütünlüğünü sağlama, yük transferini gerçekleştirme, çatlak ilerlemesini engelleme veya yavaşlatma ve takviye elemanını kimyasal ve fiziksel etkilerden korumadır. Polimer matrisler (termoset ve termoplastik) en yaygın kullanılan matris türleriyken, metal ve seramik matrisler daha özel uygulamalarda tercih edilmektedir. Matrisin özellikleri, kompozit yapının darbe dayanımı, delaminasyon, kimyasal direnç, su absorbsiyonu ve sürtünme direnci gibi aşındırıcı süreçlerde belirleyici rol oynar.
Takviye Faz
Kompozit malzemelerde kullanılan takviye elemanları, kompozit malzemelerin ana bileşenlerinden biridir ve üzerine gelen yükün büyük bir kısmını taşır. Bu yük aktarımının etkili bir şekilde gerçekleşebilmesi için, takviyeler ve matrisler arasında iyi bir fiziksel ve kimyasal uyum ve güçlü bir ara yüzey bağı gereklidir. Ayrıca, takviye elemanı ile matrisin ısıl genleşme katsayılarının uyumu, yapıda kalıcı gerilmelerin oluşmaması açısından kritik öneme sahiptir.
Havacılıkta Kompozit
Wright Kardeşlerin 1903 yılında ilk motorlu uçuşu gerçekleştirmesinden bu yana geçen sürede uçaklar ahşap, tel ve kumaştan imal edilmiş hassas yapılardan, ileri teknolojili malzemelerden yapılmış yüksek hızlı makinelere dönüşmüştür. Bu dönüşüm sürecinde çelik ve alüminyumun yerini giderek artan oranda kompozit malzemeler almaya başlamıştır. Havacılığın yüksek güvenlik standartları nedeniyle kompozit yaygınlaşması zor olsa da üçüncül yapılardan (Yan duvarlar, baş üstü dolapları) birincil yapılara (Kanatlar, gövde) doğru kullanım ilerlemiştir. Havacılık kompozitlerinin hafifliği yanı sıra birçok olumlu özelliğe sahiptir:
- Daha fazla hafiflik
- Yüksek darbe dayanımı
- Yüksek termal kararlılık
- Metal yorgunluğu ve korozyona dayanıklılık
- Daha düşük malzeme maliyeti
- Radara karşı görünmezlik (Radar stealth)
- Ahşap veya metal ile mümkün olmayan aerodinamik şekillerin oluşturulması
- Parça sayısının azaltılarak montaj sürecinin basitleştirilmesi
Bu özelliklerden önemi yüksek olanı havacılıkta hayati öneme sahip olan radara karşı görünmezliktir. Bazı kompozitler, radar dalgalarını içerdiği malzemeler sayesinde soğurabilir, yönlendirebilir veya dağıtabilirler. Bu durum uçakların tespit edilmesini zorlaştırır. Önemli havacılık kompozitleri ve özellikleri şu şekildedir:
Karbon Fiber Takviyeli Polimer(CFRP): Yüksek mukavemet ve düşük ağırlık sebebiyle bu kompozit havacılık alanında ilk sıradadır. Uçak gövdeleri, kanatlar, motor kaplamaları, iniş takımı kaplamaları alanlarında kullanılır.
Cam Fiber Takviyeli Polimer(GFRP): Bu kompozitin en önemli kullanıldığı yer radomlardır. Radomlarda radar dalgalarının geçişine izin verir ve bu sayede uçuş güvenliği ve emniyeti için gerekli bilgiler alınabilir. Ayrıca iç panel kaplamalarında ve yüksek darbe dayanımına sahip olduğundan helikopter pervanelerinde kullanılır.
Aramid Fiber Takviyeli Polimer(AFRP): Bu kompoziti farklı kılan esnekliğidir. Balistik koruma, helikopter rotor kanatları ve uçak yakıt tanklarında kullanılır.
Seramik Matris Kompozitler(CMC): Bu kompozit aşırı sıcaklıklara dayanımı ile öne çıkar ve 1000°C üzerindeki sıcaklıklara dayanabilir. Bu özelliği sayesinde jet motorları ve termal koruma sistemlerinde kullanılır.
Kompozit Malzeme Kullanan Uçaklar
Kompozit malzeme kullanımının yaygınlaşmasıyla birlikte havacılık sektöründe bu malzemeleri en yoğun şekilde kullanan iki uçak öne çıkmaktadır: Boeing 787 ve Airbus A350. Havacılıkta kompozit malzeme kullanımının en büyük avantajı, uçakların daha hafif olmasını sağlamasıdır. Günümüzde yaygınlaşan bu teknoloji, aslında 1980’li yıllarda Airbus A320’nin üretiminde kullanılmaya başlanmıştı. Airbus A320’nin yapımında %15 oranında kompozit malzeme tercih edilmiş ve özellikle kuyruk bölümünde kullanılarak 800 gramlık bir ağırlık tasarrufu sağlanmıştır.
Kompozit malzeme kullanımının artmasıyla 2005 yılında üretilen Airbus A380, bu teknolojiyi daha geniş ölçekte uygulayan ilk uçaklardan biri olmuştur. Dünyanın en büyük yolcu uçağı olma unvanını taşıyan Airbus A380’de %20 oranında kompozit malzeme kullanılmıştır. Özellikle “wingbox” olarak adlandırılan, kanatların bağlandığı merkez tank bölgesinde kullanılan CFRP (karbon fiber takviyeli polimer) malzemesi, yaklaşık 1.5 ton ağırlık tasarrufu sağlamıştır.
2008 yılında üretilen Boeing 787, havacılık sektöründe kompozit malzeme kullanımında önemli bir dönüm noktası olmuştur. Uçağın %50’den fazlası kompozit malzemelerden üretilmiş, böylece hafifliği, yüksek verimliliği ve uzun menzili bir araya getiren yeni nesil uçaklar yaygınlaşmaya başlamıştır. 2013 yılında üretilen Airbus A350 ise bu oranı daha da ileriye taşıyarak %53’ten fazla kompozit malzeme kullanılarak üretilmiştir.
Günümüzde birçok uçağın iç döşemeleri ve panelleri de dahil olmak üzere çeşitli bölümlerinde kompozit malzeme yaygın olarak kullanılmaktadır. Tüm bu gelişmeler ışığında, havacılık sektöründe kompozit malzeme kullanımının giderek yaygınlaştığı ve gelecekte daha da artacağı öngörülmektedir.
