Kompozit malzemeler, en az iki farklı malzemenin fiziksel ve kimyasal özelliklerini koruyarak makro düzeyde bir araya getirilmesiyle oluşturulan mühendislik malzemeleridir. Bu birleşimin temel amacı, bileşenlerin tek başlarına sahip olmadığı veya sınırlı olan özelliklerini birleştirerek daha üstün niteliklere sahip yeni bir malzeme ortaya çıkarmaktır. Kompozit yapıdaki malzemeler birbiri içinde çözünmezler; eğer çözünme gerçekleşirse bu yapı alaşım olarak adlandırılır. Kompozitler, bileşenlerinin en iyi özelliklerini bir araya getirerek genellikle daha yüksek mukavemet, daha düşük ağırlık, artırılmış korozyon direnci ve tasarım esnekliği gibi avantajlar sunar. Bu malzemeler, yapısal özelliklerin yanı sıra termal ve elektriksel özellikleri geliştirmek için de tasarlanabilir. Yapıyı oluşturan iki ana bileşen bulunur: takviye elemanı ve matris malzeme. Takviye elemanı yükü taşırken, matris malzeme takviyeyi bir arada tutar, korur ve yükün homojen dağılmasını sağlar.

^{Kompozit Malzeme Destek Elemanı Olan Fiber Malzemeler (Metalurjik)}

Tarihçe

Kompozit malzemelerin kullanımı insanlık tarihi kadar eskidir. Bilinen ilk örneklerden biri, MÖ 3400'lerde Mezopotamyalıların farklı açılardaki ahşap şeritleri yapıştırarak kontrplak üretmesidir. Benzer şekilde, eski Mısırlılar, kil ile samanı karıştırarak mukavemeti artırılmış kerpiçler imal etmişlerdir. Orta Çağ'da Moğol savaşçıları tarafından bambu, ipek, sığır tendonları, çam reçinesi ve boynuz gibi malzemelerin birleştirilmesiyle üretilen kompozit yaylar, ateşli silahların icadına kadar en etkili silahlardan biri olmuştur ve yaklaşık beş futbol sahası mesafeye ok atabilme kabiliyetine sahipti.

Modern kompozitlerin tarihi ise 20. yüzyılda başlar. 1935 yılında cam elyafın endüstriyel olarak üretilmesi, elyaf takviyeli polimer (FRP) endüstrisinin doğuşuna zemin hazırlamıştır. 1938'de epoksi gibi yüksek performanslı reçinelerin geliştirilmesiyle bu alan ivme kazanmıştır. İkinci Dünya Savaşı, kompozit malzeme araştırmalarının üretim aşamasına geçmesinde bir dönüm noktası olmuştur. Özellikle fiberglas malzemenin yüksek mukavemetinin yanı sıra radyo frekanslarına karşı şeffaf olması, bu malzemenin radar kulelerinin (radom) yapımında kullanılmasını sağlamıştır. Savaş sonrası dönemde kompozitlerin sivil uygulamaları artmıştır. 1947'de tamamen kompozit gövdeli bir otomobil test edilmiş, Türkiye'de ise kompozit kullanımı 1960'lı yıllarda Anadol otomobillerinin kaportasıyla başlamış ve 1970'lerde otobüs ve kamyon gibi ticari araçlarda da yaygınlaşmıştır. Günümüzde kompozit malzemeler, sürekli gelişen teknolojiyle birlikte geleceğin malzemeleri olarak kabul edilmektedir.

Bileşenler

Kompozit malzemeler, temel olarak matris ve takviye olmak üzere iki ana bileşenden oluşur. Bu bileşenlerin özellikleri ve bir araya getirilme şekli, nihai malzemenin performansını belirler.

Matris Malzemesi

Matris, takviye elemanlarını çevreleyen ve bir arada tutan ana malzemedir. Temel görevleri; takviye elemanlarını sabit bir geometride tutmak, gelen yükü takviye elemanlarına homojen bir şekilde dağıtmak, takviyeyi çevresel etkilerden (nem, kimyasallar, aşınma) korumak ve malzemeye tokluk ile süneklik kazandırmaktır. Matris malzemesinin türüne göre kompozitler sınıflandırılır:

• Polimer Matrisli Kompozitler (PMK): En yaygın kullanılan kompozit türüdür. Matris, termoset (polyester, epoksi, vinil ester) veya termoplastik (poliamid, polipropilen) polimerlerden oluşur. Düşük maliyet, kolay işlenebilirlik ve iyi korozyon direnci gibi avantajları vardır.
• Metal Matrisli Kompozitler (MMK): Matrisin alüminyum, magnezyum veya titanyum gibi bir metal olduğu kompozitlerdir. Yüksek sıcaklık dayanımı, aşınma direnci ve yüksek mukavemet gerektiren uygulamalarda tercih edilir.
• Seramik Matrisli Kompozitler (SMK): Matris, alümina (Al2O3), silisyum karbür (SiC) gibi bir seramik malzemeden oluşur. Çok yüksek sıcaklıklara, aşınmaya ve kimyasal etkilere karşı dayanıklıdırlar ancak kırılgandırlar. Takviye elemanları, bu malzemelerin tokluğunu artırır.
• Karbon-Karbon Kompozitler (KKK): Hem matrisin hem de takviyenin karbondan oluştuğu özel bir kompozit türüdür. Birim ağırlık başına ısı kapasitesi çok yüksektir ve bu nedenle roket ağızları ve uzay araçlarının ısı kalkanları gibi aşırı yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılır.

Takviye Malzemesi

Takviye elemanı, kompozitin mekanik özelliklerinin temel belirleyicisidir. Yükün büyük bir kısmını taşıyarak malzemeye mukavemet ve sertlik (rijitlik) kazandırır. Takviye malzemeleri farklı formlarda ve türlerde olabilir.

Sınıflandırma

Kompozit malzemeler, iç yapılarına göre farklı şekillerde sınıflandırılabilir. En yaygın sınıflandırmalar takviye elemanının şekline ve matris malzemesinin cinsine göre yapılır.

Takviye Elemanının Şekline Göre

• Parçacık Takviyeli Kompozitler: Matris içerisine küresel veya düzensiz şekilli parçacıkların dağıtılmasıyla elde edilir. Genellikle malzemenin sertliğini ve aşınma direncini artırmak için kullanılır.
• Elyaf Takviyeli Kompozitler: Matris içerisine ince ve uzun elyafların yerleştirilmesiyle üretilir. Yüksek mukavemet ve hafiflik kombinasyonu nedeniyle en yaygın kullanılan kompozit türüdür.
• Levhasal (Laminar) Kompozitler: Farklı özelliklere sahip katmanların üst üste birleştirilmesiyle (sandviç yapı) oluşturulur. Bu yapı, eğilme direncini ve rijitliği artırır.
• Doldurulmuş Kompozitler: Sürekli bir iskelet yapıya (preform veya köpük) sahip takviye malzemesinin, matris malzeme ile doldurulmasıyla üretilir.

Matris Malzemesinin Cinsine Göre

Bu sınıflandırma, yukarıda "Matris Malzemesi" başlığı altında detaylandırılan PMK, MMK, SMK ve KKK türlerini içerir. Her bir tür, kendine özgü avantajları ile farklı mühendislik ihtiyaçlarına cevap verir.

Üretim Yöntemleri

Kompozit parçaların üretimi için çok çeşitli yöntemler mevcuttur. Yöntem seçimi; parça boyutu, karmaşıklığı, üretim adedi ve istenen mekanik özellikler gibi faktörlere bağlıdır.

Açık Kalıplama Yöntemleri

Bu yöntemlerde, malzeme sertleşirken havaya maruz kalır. Genellikle düşük maliyetli ve büyük parçaların üretimi için uygundur.

Kapalı Kalıplama Yöntemleri

Bu yöntemlerde, malzeme dişi ve erkek kalıplardan oluşan kapalı bir sistem içinde kürlenir. Daha pürüzsüz yüzey kalitesi, daha yüksek elyaf oranı ve daha düşük emisyon sağlar.

• Reçine Transfer Kalıplama (RTM): Kuru elyaf takviyesi kapalı bir kalıba yerleştirilir, ardından kalıp kapatılır ve basınçla reçine enjekte edilir. Otomotiv ve havacılık sektöründe seri üretim için uygundur.
• Vakumlu Torbalama ve İnfüzyon: Elyaf takviyesi kalıba yerleştirildikten sonra üzerine vakum torbası serilir ve sistem vakum altına alınır. Vakum, atmosfer basıncını kullanarak reçinenin elyaflara emdirilmesini sağlar (infüzyon) veya önceden ıslatılmış katmanları sıkıştırır (vakum torbalama). Yüksek kaliteli ve boşluksuz parçalar üretilir.

^{Vakum İnfüzyonu İle Üretilen Gemi Gövdesi (Stuart BoatWorks LLC)}

Kullanım Alanları

Kompozit malzemeler, sundukları üstün özellikler sayesinde günümüzde hemen her endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır.

Havacılık ve Uzay Sanayii

Bu sektör, kompozitlerin en yoğun kullanıldığı alanlardan biridir. Uçakların gövde, kanat, kuyruk gibi yapısal bileşenlerinde, helikopter pervanelerinde, iç mekan tasarımlarında, kompresör ve türbin kanatlarında kullanılırlar. Hafiflikleri sayesinde yakıt verimliliğini artırırken, yüksek mukavemetleri ile güvenliği sağlarlar. Uzay araçlarında ise roket motoru kasaları ve ısı kalkanları gibi kritik parçalarda tercih edilirler.

Savunma Sanayii

Yüksek darbe dayanımı ve hafiflik, kompozitleri savunma sanayii için ideal kılar. Zırhlı personel taşıyıcılar, tanklar ve gemiler için kompozit zırhlar, personel için balistik yelekler ve kasklar bu malzemelerden üretilir.

Otomotiv ve Ulaşım

Ağırlığı azaltarak yakıt verimliliğini artırmak ve performansı yükseltmek amacıyla otomotiv sektöründe kullanılır. Gövde panelleri, kaput, spoiler, şasi ve gösterge paneli gibi parçalarda kompozit malzemelere rastlanır. Ayrıca tren, otobüs, traktör ve teleferik gibi ulaşım araçlarının çeşitli bileşenlerinde de kullanılırlar.

İnşaat ve Mimari

Korozyona uğramamaları ve tasarım esnekliği sunmaları nedeniyle inşaat sektöründe popülerdir. Cephe kaplamaları, köprü tabliyeleri, inşaat kalıpları, prefabrik tatil evleri, otobüs durakları ve soğuk hava depoları gibi uygulamaları vardır. Ayrıca mevcut yapıların depreme karşı güçlendirilmesinde karbon elyaf şeritler kullanılır.

Sağlık Sektörü

Biyouyumlulukları ve mekanik özellikleri sayesinde sağlık alanında da yer bulurlar. Ortopedide kırıkların sabitlenmesi için kullanılan iç ve dış sistemler, diş hekimliğinde dolgu malzemeleri, köprüler ve ortodontik teller kompozitlerden imal edilir.

Spor ve Tüketim Ürünleri

Hafiflik ve yüksek performans gerektiren spor ekipmanlarının üretiminde vazgeçilmezdir. Tenis raketleri, kayaklar, sörf tahtaları, bisiklet iskeletleri, yüksek atlama sırıkları ve yarış tekneleri kompozit malzemelerden yapılır. Ayrıca müzik aletleri ve robotik sistemlerde de kullanılırlar.