OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
POLİMER ESASLI ELYAF TAKVİYELİ KOMPOZİT MALZEMELERDE
ÜRETİM TEKNİĞİNİN MEKANİK ÖZELLİKLER ÜZERİNDEKİ ETKİSİ
İsmail Durgun1, Onur Vatansever2, Rukiye Ertan3, Nurettin Yavuz2
TOFAŞ ARGE Yeni Yalova Yolu Cad. No:574 Bursa/Türkiye
Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Bursa
3
Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Bursa
1
2
ÖZET
Otomotiv sanayinde taşıtta yakıt sarfiyatını azaltmak amacıyla yapılan çalışmaların en başında taşıtı hafifletmek
gelmektedir. Metal malzemeler ile ağırlıkta sınırlı bir azalma gerçekleştirilirken, kompozit malzemeler ile istenen
hafiflik ve yüksek dayanıma sahip parçalar üretilebilmektedir. Kompozit malzemeler, iki veya daha fazla malzemenin
kombinasyonundan meydana gelmektedir. Matriks malzemeye bir veya daha fazla destekleyici malzeme ilavesiyle
oluşan malzemelerdir. Bu çalışmada polimer esaslı karbon ve cam elyaf takviyeli kompozit bir malzemenin farklı
üretim teknikleri ile üretilmesi durumundaki mekanik özellikleri incelenmiştir. Matriks malzemesi olarak epoksi reçine
kullanılmıştır. Karşılaştırılması yapılan üretim teknikleri el yatırma, vakum torbalama ve vakum infüzyondur.
Mekanik özelliklerin tespitinde kullanılacak olan çekme ve üç nokta eğilme deneyleri için 1 mm kalınlığındaki
plakalardan standartlara uygun numuneler kesilerek test edilmiştir. Elde edilen sonuçlardan üretim tekniğine bağlı
mukavemet ve elastisite modülü değerleri birbirileriyle karşılaştırılarak yorumlanmıştır.
Anahtar kelimeler: Kompozit, el yatırma, vakum torbalama, vakum infüzyonu, dayanım.
THE EFFECT OF THE MANUFACTURING METHODS ON MECHANICAL PROPERTIES IN POLYMER
BASED CARBON FIBER REINFORCED COMPOSITE MATERIALS
ABSTRACT
At the top of the investigations in order to reduce the fuel consumption of the vehicle in automotive industry are
reducing the vehicle weight. While metal materials obtain a limited reduction in weight, it is possible to produce the
parts which have in desired weight and high strength with composite materials. Composite materials consist of a
combination of two or more materials. These materials occurred of the addition of one or more supporting material. In
this study the mechanical properties of a polymer-based carbon and glass fiber reinforced composite material have been
investigated in the case of the production by different manufacturing techniques. Epoxy resin was used as a matrix
material. The compared manufacturing methods are hand lay-up, vacuum bagging and vacuum infusion. in the detection
of the mechanical properties the tensile and three-point bending strength were used as samples were cut from plates 1
mm thickness according to the standards. From the obtained results the strength and modulus of elasticity values were
interpreted and compared with each other related to the production techniques.
Keywords: Composite, hand lay-up, vacuum bagging, vacuum infusion, strength.
1
karşılaştırıldığında oldukça düşük dayanıma sahiptir
[6].
Polimer matriksli elyaf takviyeli kompozit
malzemelerin üretiminde ise farklı kalıplama usulleri
kullanılmaktadır. Bunlarda el yatırma elyaflarla
hazırlanmış takviye kalıp üzerine elle yatırılarak,
üzerine sıvı reçine dökülerek veya sürülerek elyaf
katmanlarına
emdirilir.
Vakum
torbalama
yönteminde kompozit malzeme önce bir kalıba
yerleştirilir, ardından bir vakum torbası en üst
katman olarak yerleştirilir. İçerideki havanın
emilmesiyle vakum torbası, yatırılan malzemenin
üzerine bir atmosferlik basınç uygulayarak aşağıya
çekilir. Sonraki aşamada tüm bileşim bir fırına
yerleştirilerek reçine kür işlemi için ısıtılır.
Vakum infüzyon yönteminde ise tek taraflı
kapalı kalıplama yöntemi olup elyaf kalıp içine
yatırılır ve kumaşın üstüne esnek bir film
yerleştirilir. Film kenarlarından havaya karşı izole
edilir ve kalıp içerisindeki hava vakum ile çekilir ve
enjeksiyon bağlantı noktası açılarak reçine kalıbın
içine verilir. En son parçaya kür işlemi uygulanır ve
vakum kesilerek film kaldırılır ve parça kalıptan
çıkarılır.
Bu çalışmada elle yatırma, vakum torbalama
ve vakum infüzyon yöntemleri kullanılarak üretilen
polimer esaslı karbon elyaf takviyeli kompozit
malzemelerin çekme ve üç nokta eğilme deneyleri
yapılarak dayanım ve elastisite modülleri
birbirileriyle karşılaştırılmıştır.
1. GİRİŞ
Gelişen teknoloji ile birlikte taşıtlarda güvenlik
ve konfor gibi taleplerin artması, kullanılan parça
sayısında ve taşıt ağırlığında da önemli artışlar
meydana getirmiştir. Taşıt ağırlığının artması ise
yakıt tüketimi ve hava kirliğinin artmasına, taşıtın
ivmelenme ve frenleme performansının düşmesine
neden olmuştur. Otomotiv üreticileri taşıtın
ağırlığını arttırmadan beklenen bu ihtiyaçları
karşılamak üzere farklı çözümler geliştirmişlerdir.
Bunlardan en fazla tercih edilen çözümler arasında
tasarımda değişiklik yapmak veya kullanılan
malzemeleri hafifletmek gelmektedir. Bir taşıtta
kullanılan yüksek yoğunluktaki malzemelerin
başında çelik alaşımları gelmekle birlikte
alüminyum alaşımları da ikinci sırada yer
almaktadır. Bu malzemelere mekanik özellikler
açısından alternatif olabilecek, aynı zamanda istenen
hafifliği sağlayabilecek bir malzeme türü kompozit
malzemelerdir.
Kompozit malzemeler belirli özellikleri
biraraya toplamak için tek başlarına özellikleri
yeterli olmayan, farklı malzemelerin istenen
özellikleri sağlayacak doğrultuda uygun üretim
teknikleri ve oranlarda fiziksel olarak makro yapıda
bir araya getirilmesi ile oluşur. Bu malzemelerle
ilgili yapılan çalışmalar çok eski tarihlere
dayanmaktadır. Son 10 yıldır da otomotiv sanayiinde
kullanımının araştırılması ve uygulamalarını görmek
mümkündür.
Farklı üretim teknikleriyle ve parametreleriyle
üretilen kompozit malzemelerin birbirine göre
avantaj ve dezavantajları birçok çalışmada
karşılaştırılmıştır
[1-4].
Polimer
matrisli
kompozitlerde, matris malzemesi olarak en çok
kullanılan malzeme termoset esaslı malzemelerdir.
Bu malzemelerin üretiminde molekülleri birbirlerine
çapraz bağlı olduğu için bir defaya mahsus ısıtılıp
biçim verilir, bundan sonra malzemeye tekrar ısı
verilip şekil elde edilemezler.
Günümüzde kompozit yapılarda kullanılan en
önemli takviye malzemeleri ise sürekli elyaflardır.
Bunlardan aramid, karbon ve cam elyafların değişik
formları kompozitlerin oluşturulmasında önemli yer
tutar. Cam elyafı elastik bir malzemedir yük altında
düzgün olarak kopma noktasına kadar uzar ve çekme
yükünün kalkması sonucunda herhangi bir akma
özelliği göstermeden başlangıç boyutuna döner.
Diğer metallerde ve organik liflerde bulunmayan bu
elastiklik ve yüksek mukavemet özellikleri; cam
elyafına büyük miktarda enerjiyi, kayıpsız olarak
depolama ve bırakma olanağı sağlamaktadır [5].
Karbon elyaf pahalı olmasına rağmen yüksek
dayanım gerektiren ve/veya sıcaklığa karşı dayanım
uygulamalarda sıklıkla tercih edilen bir takviye
malzemesidir. Cam elyaf ise çoğunlukla ucuz olması
sebebiyle tercih edilir. Karbon elyaf ile
2. MALZEME ÜRETİMİ VE TESTİ
Bu çalışmada kullanılan kompozit malzeme
epoxy reçine esaslı karbon ve cam elyaf takviyelidir.
Numuneleri elde etmek için el yatırma, vakum
torbalama ve vakum infüzyon yöntemleri
kullanılmıştır (Şekil 1). Bu yöntemlerin uygulanışı
ile ilgili detaylı bilgiler birçok çalışmada mevcuttur
[7], [8].
El Yatırma ile gerçekleştirilen Cam Elyaf
uygulamalarında 1 kat Cam Elyaf, Karbon Elyaf
uygulamalarında ise 3 kat Karbon Elyaf
kullanılmıştır. Vakum Torbalama ve Vakum
İnfüzyon
ile
gerçekleştirilen
Cam
Elyaf
uygulamalarında 2 kat Cam Elyaf, Karbon Elyaf
uygulamalarında 5 kat karbon elyaf kullanılmıştır.
Çekme ve eğme deneylerinde kullanılacak
numunelerin genişlik ve uzunluk ölçüleri plastik
malzemeler için çekme standardı olan ISO 527-2 ve
eğme standardı olan ISO 178’e göre belirlenerek 5
adet çekme numunesi ve 5 adet eğme numunesi
çıkacak şekilde plaka boyutu 130 mm x 245 mm
olarak belirlenmiştir. Bu malzeme gruplarının
miktarları Tablo 1’de verilmiştir. Çekme ve eğme
deneylerinde Zwick/Roell Z010 markalı cihaz
kullanılmıştır.
2
elastisite modülü sonuçları grafik üzerinde
gösterilmiştir. Buna göre en yüksek çekme dayanımı
değeri vakum torbalama ve vakum infüzyonda elde
edilmiştir. El yatırma ile elde edilen çekme dayanımı
ve elastisite modülü değerleri diğer yöntemlere göre
% 52-55 daha düşük elde edilmiştir. Çünkü vakum
torbalama ve vakum infüzyon yöntemlerinde
kullanılan kapalı kalıp prosesi reçine emisyonunu
minimum düzeyde tutar. Yüksek bir hacim
konsantrasyonuna sahip olduğu için de yapısal
kararlılığı oldukça yüksektir [9]. Vakum torbalama
el yatırma yöntemine göre daha az hava kabarcığı ve
boşluklar meydana gelir. Vakum sayesinde reçinenin
liflerin arasına nüfuz etmesi kolaylaşır ve basınç ile
fazlalık reçine atılmış olur. Vakum infüzyonla elde
edilen numunelerde reçinenin elyaf yüzeyine
dağılımı ve emilimi aynı miktarda olduğundan
reçine birikmeleri veya elyaf katlanmaları meydana
gelmez bu da malzemenin yapısında ve
görüntüsünde homojenlik sağlar.
(a)
(b)
(c)
Şekil 1. Kompozit malzemelerin; (a) El yatırma, (b)
Vakum Torbalama ve (c) Vakum İnfüzyon
yöntemleriyle üretimi.
Şekil 2. El yatırma, vakum torbalama ve vakum
infüzyon yöntemleriyle üretilmiş polimer esaslı
kompozitlerin çekme dayanımı sonuçları.
Numuneleri elde etmek için, plaka üretiminde
Cam Elyaf-Epoksi ve Karbon Elyaf-Epoksi,
malzeme grupları ve bu malzeme gruplarının El
Yatırma, Vakum Torbalama ve Vakum İnfüzyon
yöntemleri kullanılmıştır. Bu malzeme gruplarının
miktarları Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1. Plaka Üretiminde Kullanılan Malzeme
Miktarları
Şekil 3. El yatırma, vakum torbalama ve vakum
infüzyon yöntemleriyle üretilmiş polimer esaslı
kompozitlerin elastisite modülleri.
Karbon elyaf ile desteklenen kompozit
malzemelerin cam elyafa göre daha yüksek
mukavemet değerlerine sahip olduğu birçok
araştırmacı tarafından tespit edilmiştir. Bu çalışmada
da cam elyaf ile elde edilen numunelerde, üretim
şeklinden bağımsız, karbon elyaf takviyeli olanlara
göre el yatırma ile üretilenlerde %62, vakum
torbalama ile üretilenlerde %80 ve vakum infüzyon
3. DENEYSEL SONUÇLAR
Farklı yöntemlerle üretimi gerçekleştirilen
numuneler çekme ve üç nokta eğilme deneylerine
tabi tutulmuştur. Şekil 2’de ve Şekil 3’de çekme
deneyi ve sonucunda elde edilen çekme dayanımı ve
3
ile üretilenlerde %75 bir dayanım düşüşü
görülmüştür.
Üç nokta eğilme deneyi sonucunda elde edilen
sonuçlar da çekme deneyi ile uyumlu olup en yüksek
dayanım değerleri vakum infüzyon yönteminde elde
edilmiştir (Şekil 4. ve Şekil 5). Cam elyaf takviyeli
numunelerin eğme mukavemeti karbon elyaf
takviyeli olanlara göre el yatırma ile üretilenlerde
%55, vakum torbalama ile üretilenlerde %75 ve
vakum infüzyon ile üretilenlerde %76 daha düşük
bir dayanım elde edilmiştir. Eğme modülleri de cam
elyaf takviyeli numunelerde daha düşük elde
edilmiştir.
dayanım sergilediği görülmüştür. Üretim teknikleri
açısından değerlendirildiğinde sırasıyla el yatırma,
vakum torbalama ve vakum infüzyon yöntemlerinde
dayanım artışı gerçekleşmiştir.
KAYNAKLAR
1. Zhang, K., Gu, Y., Min li, Zhang, Z., 2014, Effect
of rapid curing process on the properties of
carbon fiber/epoxy composite fabricated using
vacuum assisted resin infusion molding,
Materials & Design, Vol. 54, pp. 624-63.
2. Park, S.Y., Choi, H.S., Choi, W.J., Kwon, H.,
2012, Effect of vacuum thermal cyclic
exposures
on
unidirectional
carbon
fiber/epoxy composites for low earth orbit
space applications, Composites Part B:
Engineering, Vol. 43, Issue 2, pp. 726-738.
3. Dong, C., Davies, I.J., 2014, Flexural and
tensile moduli of unidirectional hybrid epoxy
composites reinforced by S-2 glass and T700S
carbon fibres, Materials & Design, Vol. 54, pp.
893-899.
4. Tomita, Y., Morioka, K., Iwasa, M., 2001,
Bending fatigue of long carbon fiberreinforced epoxy composites, Materials Science
and Engineering: A, Vol. 319–321, pp. 679-682.
5. Vatangül, E., 2008 Kompozit Malzemelerin
Mekanik Özelliklerinin Belirlenmesi ve
Ansys 10 Programi ile Isil Gerilme Analizi,
Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi
Makine Mühendisliği Bölümü Bitirme Projesi p.
87.
6. Berthelot, J.-M., Composite Materials:
Mechanical
Behavior
and
Structural
Analysis, Springer, 1999, p. 645.
7. Yöney, H., 2007 El Yatırma Yöntemi ile Elyaf
Takviyeli Kompozit Yapıların Üretilmesi ve
Özellikleri, Marmara Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, p. 177.
8. Genç, Ç., 2006, Cam Elyaf Takviyeli
Plastiklerin Üretim Yöntemlerinin Deneysel
Karşılaştırılması, Kocaeli Üniversitesi Fen
Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, p. 115.
9. Mazumdar,
S.,
2001,
Composites
Manufacturing: Materials, Product, and Process
Engineering, CRC Press, 2001, p. 416.
Şekil 4. El yatırma, vakum torbalama ve vakum
infüzyon yöntemleriyle üretilmiş polimer esaslı
kompozitlerin eğilme dayanımı sonuçları.
Şekil 5. El yatırma, vakum torbalama ve vakum
infüzyon yöntemleriyle üretilmiş polimer esaslı
kompozitlerin eğilme modülleri.
4. SONUÇ
Kompozit malzemeler, iki veya daha fazla sayıda
malzemenin, üstün özelliklerini bir araya toplamak
amacıyla birleştirilmesiyle oluşan malzemelerdir.
Günümüzde hemen hemen her sektörde uygulama
alanına sahiptirler. Bu çalışmada, cam ve karbon
elyaf destekli polimer esaslı kompozit malzemelerin
farklı üretim teknikleri kullanılarak çekme ve üç
nokta eğilme deneyleri sonucundaki davranışları
yorumlanmıştır. Elde edilen sonuçlardan karbon
elyaf ile üretilen numunelerin üretim tekniğinden
bağımsız olarak cam elyafa göre daha yüksek bir
4
Download

Polimer Esasli Elyaf Takviyeli Kompozit Malzemelerde