Görüntüleme: 0 Yazar: Site Editörü Yayınlanma Tarihi: 2025-05-16 Kaynak: Alan
Elyaf takviyeli plastik ( FRP ) (aynı zamanda elyaf takviyeli polimer ), elyaflarla güçlendirilmiş bir polimer matrisinden yapılmış kompozit bir malzemedir. Lifler genellikle cam, karbon, aramid veya bazalttır. Nadiren kağıt, ahşap veya asbest gibi diğer lifler de kullanılmıştır. Polimer genellikle bir epoksi, vinilester veya polyester ısıyla sertleşen plastiktir; fenol formaldehit reçineleri halen kullanılmaktadır.
FRP'ler havacılık, otomotiv, denizcilik ve inşaat endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Balistik zırhlarda da yaygın olarak bulunurlar.
Bir polimer genellikle kademeli büyüme polimerizasyonu veya ekleme polimerizasyonu yoluyla üretilir. Polimerlerin malzeme özelliklerini geliştirmek veya herhangi bir şekilde değiştirmek için çeşitli maddelerle birleştirildiğinde sonuç plastik olarak anılır. Kompozit plastikler, istenen belirli malzeme ve mekanik özelliklere sahip bir nihai ürün elde etmek için farklı malzeme özelliklerine sahip iki veya daha fazla homojen malzemenin birleştirilmesinden kaynaklanan plastik türlerini ifade eder. Fiber takviyeli plastikler, plastiklerin mukavemetini ve elastikiyetini mekanik olarak arttırmak için özel olarak fiber malzemeleri kullanan bir kompozit plastik kategorisidir. Fiber takviyesi olmayan orijinal plastik malzeme, matris veya bağlayıcı madde olarak bilinir. Matris, daha güçlü, daha sert takviye filamanları veya lifleri ile güçlendirilmiş, sert fakat nispeten zayıf bir plastiktir. Elyafla güçlendirilmiş bir plastikte mukavemet ve elastikliğin artırılma derecesi, hem elyafın hem de matrisin mekanik özelliklerine, birbirlerine göre hacimlerine ve matris içindeki elyaf uzunluğuna ve yönelimine bağlıdır. [1] Matrisin güçlendirilmesi, tanım gereği, FRP malzemesinin, yalnızca matrisin mukavemeti ve elastikiyetine göre artan mukavemet veya elastikiyet sergilemesi durumunda meydana gelir. [2]
Bakalit ilk elyaf takviyeli plastiktir. Dr. Leo Baekeland başlangıçta gomalakın (lak böceklerinin dışkısından yapılan) yerini alacak bir şey bulmak için yola çıkmıştı. Kimyacılar birçok doğal reçine ve elyafın polimer olduğunu anlamaya başlamıştı ve Baekeland, fenol ve formaldehitin reaksiyonlarını araştırdı. İlk önce 'Novolak' adı verilen ve hiçbir zaman piyasada başarıya ulaşamayan çözünebilir fenol-formaldehit şellak üretti, ardından asbest için o zamanlar kauçukla kalıplanan bir bağlayıcı geliştirmeye yöneldi. Fenol ve formaldehite uygulanan basınç ve sıcaklığı kontrol ederek, 1905'te hayalini kurduğu sert kalıplanabilir malzemeyi (dünyanın ilk sentetik plastiği) üretebildiğini buldu: bakalit. [3] [4] Buluşunu 5 Şubat 1909'da Amerikan Kimya Derneği'nin bir toplantısında duyurdu. [5]
Ticari kullanım için elyaf takviyeli plastiğin geliştirilmesi 1930'larda kapsamlı bir şekilde araştırılıyordu. Birleşik Krallık'ta Norman de Bruyne gibi öncüler tarafından önemli araştırmalar yapıldı. Özellikle havacılık sektörünün ilgisini çekti. [6]
Cam şeritlerin seri üretimi, 1932'de Owens-Illinois'teki bir araştırmacı olan Games Slayter'ın kazara bir basınçlı hava jetini erimiş cam akışına yönlendirip elyaf üretmesiyle keşfedildi. Cam yünü üretmeye yönelik bu yöntem için patent başvurusu ilk kez 1933'te yapıldı. [7] Owens, 1935'te Corning şirketine katıldı ve yöntem, Owens Corning tarafından 1936'da patentli 'fiberglas' ('bir'ler') üretmek üzere uyarlandı. Başlangıçta, fiberglas, büyük miktarda gazı hapseden liflere sahip bir cam yünüydü ve bu da onu özellikle yüksek sıcaklıklarda bir yalıtkan olarak kullanışlı kılıyordu.
Kompozit bir malzeme üretmek için 'fiberglas'ı plastikle birleştirmek için uygun bir reçine 1936 yılında du Pont tarafından geliştirildi. Modern polyester reçinelerin ilk atası 1942 yılında üretilen Cyanamid reçinesidir. O dönemde peroksit kürleme sistemleri kullanılmaya başlanmıştır. [8] Fiberglas ve reçinenin birleşimiyle malzemenin gaz içeriğinin yerini plastik aldı. Bu, yalıtım özelliklerini plastiğin tipik değerlerine düşürdü, ancak şimdi ilk kez kompozit, yapısal ve yapı malzemesi olarak büyük bir güç ve vaat gösterdi. Kafa karıştırıcı bir şekilde, birçok cam elyaf kompozit 'fiberglas' (genel bir isim olarak) olarak adlandırılmaya devam etti ve bu isim aynı zamanda plastik yerine gaz içeren düşük yoğunluklu cam yünü ürünü için de kullanıldı.
Owens Corning'den Ray Greene, 1937'de ilk kompozit tekneyi ürettiği biliniyor ancak kullanılan plastiğin kırılgan yapısı nedeniyle o dönemde daha fazla ilerleme kaydedilmedi. 1939'da Rusya'nın plastik malzemelerden bir yolcu teknesi, Amerika Birleşik Devletleri'nin ise bir uçağın gövdesi ve kanatlarını inşa ettiği bildirildi. [9] Fiberglas gövdeye sahip ilk araba 1946 yapımı Stout Scarab'tı. Bu modelden sadece bir tane üretildi. [10] Ford'un 1941 prototipi ilk plastik araba olabilirdi, ancak kısa bir süre sonra imha edildiği için kullanılan malzemeler konusunda bazı belirsizlikler var. [11] [12]
İlk fiber takviyeli plastik uçak ya ilk kez 12 Mayıs 1937'de uçurulan Fairchild F-46 ya da Kaliforniya yapımı Bennett Plastik Uçaktı. [13] 1942'nin sonlarında Wright Field'da yerleşik XBT-16 olarak adlandırılan modifiye edilmiş bir Vultee BT-13A üzerinde fiberglas bir gövde kullanıldı. [ GFRP bileşenlerine 18 ]. yönelik takımlarda önemli bir gelişme, 1943 yılında Republic Aviation Corporation tarafından yapılmıştır
Karbon elyaf üretimi 1950'lerin sonlarında başladı ve 1960'ların başlarından itibaren İngiliz endüstrisinde yaygın olmasa da kullanıldı. Aramid elyaflar da bu sıralarda üretiliyordu ve ilk olarak DuPont tarafından Nomex ticari adı altında ortaya çıktı. Günümüzde bu elyafların her biri, endüstride belirli bir mukavemete veya elastik niteliklere sahip plastikler gerektiren her türlü uygulama için yaygın olarak kullanılmaktadır. Cam elyaflar tüm endüstrilerde en yaygın olanıdır, ancak karbon elyafı ve karbon elyaf aramid kompozitleri havacılık, otomotiv ve spor malzemeleri uygulamalarında yaygın olarak bulunur. [2] Bu üçü (cam, karbon ve andaramid), FRP'de kullanılan önemli elyaf kategorileri olmaya devam ediyor.
Bugünkü ölçekteki küresel polimer üretimi, düşük malzeme ve üretim maliyetlerinin, yeni üretim teknolojilerinin ve yeni ürün kategorilerinin polimer üretimini ekonomik hale getirmek üzere bir araya geldiği 20. yüzyılın ortalarında başladı. Sektör nihayet 1970'lerin sonunda dünya polimer üretiminin çeliğin üretimini geçmesiyle olgunlaştı ve polimerler bugün her yerde bulunan malzeme haline geldi. Elyaf takviyeli plastikler başından beri bu endüstrinin önemli bir unsuru olmuştur.
FRP iki farklı proses içerir; birincisi elyaflı malzemenin üretildiği ve oluşturulduğu prosestir, ikincisi ise elyaflı malzemelerin kalıplama sırasında matrise bağlandığı prosestir. [2]
Takviye Elyafı hem iki boyutlu hem de üç boyutlu yönlerde üretilir
İki Boyutlu Elyaf Takviyeli Polimer, elyafların yalnızca malzemenin x yönünde ve y yönündeki düzlemi boyunca hizalandığı lamine bir yapı ile karakterize edilir. Bu, hiçbir elyafın kalınlık boyunca veya z yönünde hizalanmadığı anlamına gelir; boydan boya kalınlıktaki bu hizalama eksikliği, maliyet ve işleme açısından bir dezavantaj yaratabilir. Maliyetler ve işçilik artar çünkü ıslak elle yatırma, otoklav ve reçine transfer kalıplama gibi kompozitlerin imalatında kullanılan geleneksel işleme teknikleri, önceden oluşturulmuş bir bileşeni kesmek, istiflemek ve birleştirmek için yüksek miktarda vasıflı işgücü gerektirir.
Üç boyutlu Elyaf Takviyeli Polimer kompozitler, x yönünde, y yönünde ve z yönünde elyaf içeren üç boyutlu elyaf yapısına sahip malzemelerdir. Üç boyutlu yönlendirmelerin geliştirilmesi, endüstrinin imalat maliyetlerini azaltma, kalınlık boyunca mekanik özellikleri artırma ve darbe hasarı toleransını iyileştirme ihtiyacından kaynaklandı; bunların hepsi iki boyutlu fiberle güçlendirilmiş polimerlerle ilgili problemlerdi.
Fiber ön kalıpları, fiberlerin matrise bağlanmadan önce nasıl üretildiğidir. Fiber ön kalıplar genellikle tabakalar, sürekli matlar veya sprey uygulamaları için sürekli filamentler halinde üretilir. Elyaf ön kalıbını üretmenin dört ana yolu dokuma, örgü, örgü ve dikişten oluşan tekstil işleme teknikleridir.
Dokuma, iki boyutlu lifler üretmek için geleneksel bir şekilde yapılabileceği gibi, üç boyutlu lifler oluşturabilen çok katmanlı bir dokumada da yapılabilir. Bununla birlikte, z yönünde lifler oluşturmak için çok katmanlı dokumanın çok sayıda çözgü ipliği katmanına sahip olması gerekir; bu da üretimde birkaç dezavantaja, yani tüm çözgü ipliklerinin tezgahta kurulması için gereken süreye neden olur. Bu nedenle, çok katmanlı dokumaların çoğu şu anda nispeten dar genişlikte ürünler veya ön kalıp üretiminin maliyetinin kabul edilebilir olduğu yüksek değerli ürünler üretmek için kullanılmaktadır. Çok katmanlı dokuma kumaşların kullanımında karşılaşılan temel sorunlardan bir diğeri, birbirine sırasıyla 0' ve 90' dışında açılarla yönlendirilmiş lifler içeren bir kumaş üretmenin zorluğudur.
Fiber ön kalıpları üretmenin ikinci ana yolu Örgüdür. Örgü, dar enli düz veya boru şeklindeki kumaşların imalatına uygundur ve büyük hacimli geniş kumaşların üretiminde dokuma kadar yetenekli değildir. Örgü, uzunlukları boyunca kesit şekli veya boyutu değişen mandrellerin üstünden yapılır. Örgü, yaklaşık bir tuğla büyüklüğündeki nesnelerle sınırlıdır. Standart dokumadan farklı olarak örgü, birbirine 45 derecelik açılarda lif içeren kumaşlar üretebilir. Üç boyutlu elyafların örülmesi, dört adımlı, iki adımlı veya Çok Katmanlı Kilitleme Örgüsü kullanılarak yapılabilir. Dört adımlı veya sıralı ve sütunlu örgü, istenen ön formun şeklini oluşturan iplik taşıyıcı sıralarını ve sütunlarını içeren düz bir yatak kullanır. Dizinin dışına ek taşıyıcılar eklenir; bunların kesin konumu ve miktarı, tam ön kalıp şekline ve gereken yapıya bağlıdır. İplikleri birbirine kenetleyen ve örgülü ön formu üreten dört ayrı sıra ve sütun hareketi dizisi vardır. Dokumada kamış kullanımına benzer bir işlemle yapıyı sağlamlaştırmak için iplikler her adım arasında mekanik olarak yapıya zorlanır. İki aşamalı örgü, dört aşamalı işleme benzemez çünkü iki adım, eksenel yönde sabitlenmiş çok sayıda iplik ve daha az sayıda örgü ipliği içerir. İşlem, örgü taşıyıcılarının eksenel taşıyıcılar arasındaki yapı boyunca tamamen hareket ettiği iki adımdan oluşur. Bu nispeten basit hareket dizisi, dairesel ve içi boş şekiller de dahil olmak üzere esasen herhangi bir şekle sahip ön kalıplar oluşturma kapasitesine sahiptir. Dört aşamalı sürecin aksine, iki aşamalı süreç mekanik sıkıştırma gerektirmez; süreçte yer alan hareketler, örgünün yalnızca iplik gerilimiyle sıkı bir şekilde çekilmesine olanak tanır. Son örgü türü, silindirik bir örgü çerçevesi oluşturmak üzere bir araya getirilen bir dizi standart dairesel örgüden oluşan, çok katmanlı, birbirine kenetlenen örgüdür. Bu çerçeve, silindirin çevresi etrafında bir dizi paralel örgü yoluna sahiptir, ancak mekanizma, iplik taşıyıcılarının bitişik katmanlara kenetlenen ipliklerle çok katmanlı bir örgülü kumaş oluşturan bitişik yollar arasında aktarılmasına izin verir. Çok katmanlı kilitleme örgüsü, birbirine kenetlenen ipliklerin öncelikle yapı düzleminde olması ve dolayısıyla ön formun düzlem içi özelliklerini önemli ölçüde azaltmaması bakımından hem dört adımlı hem de iki adımlı örgülerden farklıdır. Dört aşamalı ve iki aşamalı işlemler, örgü iplikleri ön kalıbın kalınlığı boyunca ilerledikçe daha yüksek düzeyde birbirine bağlanma üretir, ancak bu nedenle ön kalıbın düzlem içi performansına daha az katkıda bulunur. Çok katmanlı kilitleme ekipmanının bir dezavantajı, iplik taşıyıcılarının ön kalıbı oluşturmak için geleneksel sinüzoidal hareketinden dolayı ekipmanın, iki adımlı ve dört adımlı makinelerle mümkün olan iplik taşıyıcı yoğunluğuna sahip olamamasıdır.
Elyaf ön kalıplarının örgülenmesi, geleneksel Çözgü ve Atkı Örme yöntemleriyle yapılabilir ve üretilen kumaş çoğu kişi tarafından genellikle iki boyutlu kumaş olarak kabul edilir, ancak iki veya daha fazla iğne yatağına sahip makineler, katmanlar arasında geçen ipliklerle çok katmanlı kumaşlar üretme kapasitesine sahiptir. İğne seçimi ve örgü ilmek aktarımı için elektronik kontrollerde ve kumaşın belirli alanlarının tutulmasına ve hareketlerinin kontrol edilmesine olanak tanıyan gelişmiş mekanizmalardaki gelişmeler. Bu, minimum malzeme israfıyla kumaşın gerekli üç boyutlu ön kalıp şeklini almasına olanak tanıdı.
Dikiş, dört ana tekstil üretim tekniği arasında tartışmasız en basit olanıdır ve özel makinelere en küçük yatırımla gerçekleştirilebilir. Temel olarak dikiş, 3 boyutlu bir yapı oluşturmak için bir kumaş katmanları yığını boyunca dikiş ipliğini taşıyan bir iğnenin yerleştirilmesinden oluşur. Dikişin avantajları, hem kuru hem de önceden emprenye edilmiş kumaşın dikilmesinin mümkün olmasıdır, ancak önceden emprenye edilmiş kumaşın yapışkanlığı işlemi zorlaştırır ve genellikle önceden emprenye edilmiş malzeme içinde kuru kumaşa göre daha fazla hasar yaratır. Dikişte aynı zamanda kompozit endüstrisinde yaygın olarak kullanılan standart iki boyutlu kumaşlar da kullanılır, bu nedenle malzeme sistemlerine aşinalık hissi vardır. Standart kumaşın kullanımı aynı zamanda bileşenin kumaş yerleşiminde, üretilebilecek elyaf yönelimleri üzerinde kısıtlamalara sahip olan diğer tekstil işlemleriyle mümkün olandan daha yüksek derecede bir esnekliğe izin verir. [19]
FRP bileşenlerinin şeklini oluşturmak için genellikle sert bir yapı kullanılır. Parçalar, 'kaplama plakası' olarak adlandırılan düz bir yüzey üzerine veya 'mandrel' olarak adlandırılan silindirik bir yapı üzerine yerleştirilebilir. Ancak fiber takviyeli plastik parçaların çoğu bir kalıp veya 'alet' ile oluşturulur. Kalıplar içbükey dişi kalıplar, erkek kalıplar olabilir veya kalıp, üst ve alt kalıpla parçayı tamamen çevreleyebilir.
FRP plastiklerin kalıplama işlemleri, fiber ön kalıbın kalıbın üzerine veya içine yerleştirilmesiyle başlar. Elyaf ön-formu, kuru elyaf veya 'prepreg' olarak adlandırılan ölçülmüş miktarda reçineyi zaten içeren elyaf olabilir. Kuru elyaflar ya elle reçine ile 'ıslatılır' ya da reçine kapalı bir kalıba enjekte edilir. Parça daha sonra kürlenir ve matris ve lifler kalıbın yarattığı şekilde kalır. Reçineyi sertleştirmek ve son parçanın kalitesini artırmak için bazen ısı ve/veya basınç kullanılır. Farklı şekillendirme yöntemleri aşağıda listelenmiştir.
Önceden emprenye edilmiş malzemeden ayrı ayrı tabakalar serilir ve balon benzeri bir kese ile birlikte dişi tarzı bir kalıba yerleştirilir. Kalıp kapatılır ve ısıtılmış bir prese yerleştirilir. Son olarak, mesane, malzeme katmanlarını kalıp duvarlarına doğru zorlayarak basınçlandırılır.
Hammadde (plastik blok, kauçuk blok, plastik tabaka veya granüller) takviye edici lifler içerdiğinde, sıkıştırılarak kalıplanmış parça, elyafla güçlendirilmiş plastik olarak nitelendirilir. Daha tipik olarak, sıkıştırmalı kalıplamada kullanılan plastik ön kalıp, takviye edici lifler içermez. Sıkıştırmalı kalıplamada, SMC, BMC'nin bir 'önformu' veya 'şarjı' kalıp boşluğuna yerleştirilir. Kalıp kapatılır ve malzeme basınç ve ısı ile içeride şekillendirilir ve sertleştirilir. Sıkıştırmalı kalıplama, desen ve kabartma detaylarından karmaşık eğrilere ve yaratıcı formlara, hassas mühendisliğe kadar uzanan geometrik şekiller için mükemmel detaylandırmayı maksimum 20 dakikalık sertleştirme süresi içinde sunar. [20]
Önceden emprenye edilmiş malzemeden ayrı ayrı tabakalar serilir ve açık bir kalıba yerleştirilir. Malzeme ayırıcı film, hava alma/havalandırma malzemesi ve bir vakum torbasıyla kaplanır. Kısmen vakum çekilir ve kalıbın tamamı bir otoklava (ısıtılmış basınçlı kap) yerleştirilir. Parça, sıkışmış gazları laminattan çıkarmak için sürekli bir vakumla kürlenir. Bu, havacılık endüstrisinde çok yaygın bir işlemdir çünkü bir saatten birkaç saate kadar süren uzun, yavaş kürleme döngüsü nedeniyle kalıplama üzerinde hassas kontrol sağlar. [21] Bu hassas kontrol, havacılık endüstrisinde güç ve güvenliği sağlamak için ihtiyaç duyulan tam laminat geometrik formları yaratır, ancak aynı zamanda yavaştır ve emek yoğundur, bu da maliyetlerin genellikle onu havacılık endüstrisiyle sınırlandırdığı anlamına gelir. [20]
Önceden emprenye edilmiş malzeme tabakaları çelik veya alüminyum bir mandrelin etrafına sarılır. Prepreg malzemesi naylon veya polipropilen çello bantla sıkıştırılır. Parçalar tipik olarak vakumlu torbalama ve bir fırında asma yoluyla toplu olarak kürlenir. Sertleştikten sonra çello ve mandrel, içi boş bir karbon tüp bırakılarak çıkarılır. Bu işlem güçlü ve dayanıklı içi boş karbon tüpler oluşturur.
Islak yerleştirme şekillendirme, şekillendirme aletine yerleştirildiklerinde fiber takviyesini ve matrisi birleştirir. [2] Takviye Elyafı katmanları açık bir kalıba yerleştirilir ve daha sonra kumaşın üzerine dökülüp kumaşa işlenerek ıslak bir reçine ile doyurulur. Daha sonra kalıp, reçinenin genellikle oda sıcaklığında kürlenmesi için bırakılır, ancak bazen uygun bir kürlenmeyi sağlamak için ısı kullanılır. Bazen ıslak bir döşemeyi sıkıştırmak için bir vakum torbası kullanılır. Bu işlem için en yaygın olarak cam elyafları kullanılır; sonuçlar yaygın olarak fiberglas olarak bilinir ve kayaklar, kanolar, kanolar ve sörf tahtaları gibi yaygın ürünlerin yapımında kullanılır. [20]
Sürekli cam elyaf şeritleri, hem şeritleri kesen hem de bunları polyester gibi katalize edilmiş bir reçineyle birleştiren, elde taşınan bir tabancaya doğru itilir. Emdirilmiş doğranmış cam, operatörün uygun olduğunu düşündüğü kalınlık ve tasarımda kalıp yüzeyine vurulur. Bu süreç, ekonomik maliyetle büyük üretim süreçleri için iyidir, ancak diğer kalıplama süreçlerinden daha az dayanıklı ve zayıf boyutsal toleransa sahip geometrik şekiller üretir. Design Tanks LLC, bu süreci kullanan en iyi üreticilerden biridir. [20]
Makineler, elyaf demetlerini ıslak bir reçine banyosundan çeker ve dönen bir çelik mandrel üzerine belirli yönlerde sarılır. Parçalar oda sıcaklığında veya yüksek sıcaklıklarda kürlenir. Mandrel çıkarılır ve son geometrik şekil bırakılır ancak bazı durumlarda bırakılabilir. [20]
Elyaf demetleri ve yarık kumaşlar ıslak bir reçine banyosundan çekilir ve kaba parça şekline dönüştürülür. Doymuş malzeme, kalıp içinden sürekli olarak çekilirken ısıtılmış kapalı kalıp kürlemesinden ekstrüde edilir. Pultrüzyonun son ürünlerinden bazıları yapısal şekillerdir, yani I kirişi, açı, kanal ve düz levha. Bu malzemeler merdivenler, platformlar, küpeşte sistemleri tank, boru ve pompa destekleri gibi her türlü fiberglas yapıyı oluşturmak için kullanılabilir. [20]
da denir Reçine infüzyonu . Kumaşlar, daha sonra ıslak reçinenin enjekte edildiği bir kalıba yerleştirilir. Reçine tipik olarak basınçlandırılır ve reçine transfer kalıplamada vakum altında olan bir boşluğa zorlanır. Vakum destekli reçine transfer kalıplamada reçine tamamen vakum altında boşluğa çekilir. Bu kalıplama işlemi, hassas toleranslara ve ayrıntılı şekillendirmeye izin verir, ancak bazen kumaşı tamamen doyurmada başarısız olabilir ve bu da nihai şekilde zayıf noktalara neden olabilir. [20]
FRP, termoplastiklerin cam elyaflarının özel tasarım programlarına uyacak şekilde hizalanmasına olanak tanır. Takviye elyaflarının yönünün belirlenmesi, polimerin mukavemetini ve deformasyona karşı direncini artırabilir. Cam takviyeli polimerler, polimer lifleri uygulanan kuvvete paralel olduğunda deforme edici kuvvetlere karşı en güçlü ve en dirençlidir ve lifler dik olduğunda en zayıftır. Dolayısıyla bu yetenek, kullanım bağlamına bağlı olarak hem bir avantaj hem de bir sınırlamadır. Dik liflerin zayıf noktaları doğal menteşeler ve bağlantılar için kullanılabilir, ancak aynı zamanda üretim süreçleri lifleri beklenen kuvvetlere paralel olarak uygun şekilde yönlendirmede başarısız olduğunda malzeme arızasına da yol açabilir. Kuvvetler liflerin oryantasyonuna dik olarak uygulandığında polimerin mukavemeti ve elastikiyeti tek başına matristen daha azdır. UP ve EP gibi cam takviyeli polimerlerden yapılmış dökme reçine bileşenlerde, elyafların yönelimi iki boyutlu ve üç boyutlu dokumalarda yönlendirilebilir. Bu, kuvvetlerin muhtemelen bir yönelime dik olduğu durumlarda, başka bir yönelime paralel oldukları anlamına gelir; bu, polimerdeki zayıf nokta potansiyelini ortadan kaldırır.
Aşağıdaki durumlarda FRP malzemelerde yapısal arıza meydana gelebilir:
Çekme kuvvetleri matrisi fiberlerden daha fazla gererek malzemenin matris ve fiberler arasındaki arayüzde kesilmesine neden olur.
Liflerin ucuna yakın çekme kuvvetleri, matrisin toleranslarını aşarak lifleri matristen ayırır.
Çekme kuvvetleri aynı zamanda fiberlerin toleranslarını aşabilir ve fiberlerin kırılmasına ve dolayısıyla malzemenin bozulmasına neden olabilir. [2]
Bir termoset polimer matris malzemesinin veya mühendislik sınıfı termoplastik polimer matris malzemesinin öncelikle FRP'lere uygun olabilmesi ve kendisinin başarılı bir şekilde güçlendirilmesini sağlaması için belirli gereksinimleri karşılaması gerekir. Matrisin, uygun bir sertleşme süresi içinde maksimum yapışma için fiber takviyesiyle uygun şekilde doyurulabilmesi ve tercihen kimyasal olarak bağlanabilmesi gerekir. Matrisin ayrıca lifleri, mukavemetlerini azaltacak kesik ve çentiklerden korumak ve kuvvetleri liflere aktarmak için tamamen sarması gerekir. Liflerin de birbirinden ayrı tutulması gerekir ki, arıza meydana gelirse mümkün olduğunca lokalize olsun, arıza meydana gelirse matrisin de benzer nedenlerle elyaftan ayrılması gerekir. Son olarak matris, takviye ve kalıplama işlemleri sırasında ve sonrasında kimyasal ve fiziksel olarak stabil kalan bir plastikten olmalıdır. Lif katkılarının takviye malzemesi olarak uygun olabilmesi için matrisin çekme mukavemetini ve elastisite modülünü arttırması ve aşağıdaki koşulları sağlaması gerekir; lifler kritik lif içeriğini aşmalıdır; liflerin mukavemeti ve sertliği, yalnızca matrisin mukavemetini ve sertliğini aşmalıdır; ve lifler ile matris arasında optimum bağ olmalıdır
'Fiberglas takviyeli plastikler' veya FRP'ler (genellikle sadece fiberglas olarak anılır), tekstil kalitesinde cam elyafları kullanır. Bu tekstil elyafları, yalıtım uygulamaları için kasıtlı olarak havayı hapsetmek için kullanılan diğer cam elyaf türlerinden farklıdır (bkz. cam yünü). Tekstil cam elyafları değişen kombinasyonları olarak başlar . 2, Al 2O 3, B 2O , CaO veya MgO'nun 3, toz formunda SiO Bu karışımlar daha sonra doğrudan eritme yoluyla yaklaşık 1300 santigrat derece sıcaklıklara ısıtılır, ardından kalıplar çapı 9 ila 17 µm arasında değişen cam elyaf filamentlerini çıkarmak için kullanılır. Bu filamanlar daha sonra daha büyük iplikler halinde sarılır ve taşıma ve ileri işlemler için bobinlere eğrilir. Cam elyafı, plastiği güçlendirmenin açık ara en popüler yoludur ve bu nedenle, ortak lifli nitelikleri nedeniyle bazıları aramid ve karbon elyaflara da uygulanabilen çok sayıda üretim prosesine sahiptir.
Fitil, filamentlerin daha büyük çaplı iplikler halinde döndürüldüğü bir işlemdir. Bu iplikler daha sonra yaygın olarak dokuma takviyeli cam kumaşlar ve matlar için ve sprey uygulamalarında kullanılır.
Fiber kumaşlar, hem çözgü hem de atkı yönüne sahip ağ şeklinde kumaş takviye malzemesidir. Fiber paspaslar, cam elyaftan yapılmış ağ şeklinde dokunmamış paspaslardır. Paspaslar, kesilmiş elyaflarla kesilmiş boyutlarda veya sürekli elyaflar kullanılarak sürekli paspaslar halinde üretilir. Kıyılmış cam elyafı, cam iplik uzunluklarının 3 ila 26 mm arasında kesildiği işlemlerde kullanılır; daha sonra iplikler, en yaygın olarak kalıplama işlemlerine yönelik plastiklerde kullanılır. Cam elyaf kısa şeritler, en yaygın olarak enjeksiyon kalıplama için termoplastikleri güçlendirmek için kullanılan 0,2-0,3 mm'lik kısa cam elyaf şeritleridir.
Karbon fiberler, poliakrilonitril fiberler (PAN), Pitch reçineleri veya Rayon yüksek sıcaklıklarda (oksidasyon ve termal piroliz yoluyla) karbonize edildiğinde oluşturulur. Daha ileri grafitleştirme veya germe işlemleri yoluyla, elyafın mukavemeti veya elastikiyeti sırasıyla arttırılabilir. Karbon fiberler, çapları 4 ila 17 µm arasında değişen, cam fiberlere benzer çaplarda üretilir. Bu lifler nakliye ve daha sonraki üretim süreçleri için daha büyük ipliklere sarılır. [2] Diğer üretim süreçleri, daha sonra gerçek takviyelerde kullanılabilen, cam için açıklananlara benzer karbon kumaşlar, kumaşlar ve matlar halinde dokuma veya örgüyü içerir. [1]
Aramid lifleri en yaygın olarak Kevlar, Nomex ve Technora olarak bilinir. Aramidler genellikle bir amin grubu ile bir karboksilik asit halid grubu (aramid) arasındaki reaksiyonla hazırlanır; [1] Bu genellikle aromatik bir poliamidin sıvı konsantrasyondaki sülfürik asitten kristalize bir elyafa dönüştürülmesi durumunda meydana gelir. [2] Lifler daha sonra büyük halatlar veya dokuma kumaşlar (Aramid) halinde dokunmak için daha büyük iplikler halinde eğrilir. [1] Aramid elyaflar, mukavemet ve sertlik açısından değişen niteliklere dayalı olarak değişen derecelerde üretilir, böylece malzeme, imalat sırasında sert malzemenin kesilmesi gibi belirli tasarım gereksinimlerine göre uyarlanabilir. [2]
| Takviye malzemesi [2] | En yaygın matris malzemeleri | Geliştirilmiş özellikler |
|---|---|---|
| Cam elyafları | YUKARI, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE | Mukavemet, esneklik, ısı direnci |
| Ağaç lifleri | PE, PP, ABS, HDPE, PLA | Eğilme mukavemeti, çekme modülü, çekme mukavemeti |
| Karbon ve aramid elyaflar | EP, YUKARI, VE, PA | Esneklik, çekme mukavemeti, basma mukavemeti, elektrik mukavemeti. |
| İnorganik parçacıklar | Yarı kristal termoplastikler, UP | İzotropik büzülme, aşınma, basınç dayanımı |
Fiber takviyeli plastikler, ağırlık tasarrufu, hassas mühendislik, sınırlı toleranslar ve hem üretim hem de operasyonda parçaların basitleştirilmesini gerektiren her türlü tasarım programı için en uygunudur. Kalıplanmış bir polimer eseri, dökme alüminyum veya çelik eserden daha ucuz, daha hızlı ve üretimi daha kolaydır ve benzer ve bazen daha iyi toleransları ve malzeme mukavemetini korur.
Airbus A310'un dümeni
Alüminyum levhadan yapılmış geleneksel bir dümene göre avantajları şunlardır:
Ağırlıkta %25 azalma
Parçaları ve formları daha basit kalıplanmış parçalar halinde birleştirerek bileşenlerde %95 azalma.
Üretim ve işletme maliyetlerinde genel azalma, parça ekonomisi, daha düşük üretim maliyetlerine yol açar ve ağırlık tasarrufu, uçağın uçurulmasının işletme maliyetlerini düşüren yakıt tasarrufu sağlar.
Motor emme manifoldları cam elyafı ile güçlendirilmiş PA 66'dan yapılmıştır.
Bunun dökme alüminyum manifoldlara göre avantajları şunlardır:
Ağırlıkta %60'a kadar azalma
Geliştirilmiş yüzey kalitesi ve aerodinamik
Parçaları ve formları daha basit kalıplanmış şekillerde birleştirerek bileşenlerde azalma.
Cam elyafı ile güçlendirilmiş PA 66'dan (DWP 12–13) yapılmış otomotiv gaz ve debriyaj pedalları
Damgalı alüminyuma göre avantajları şunlardır:
Pedallar, hem pedalları hem de mekanik bağlantıları birleştirerek tasarımın üretimini ve çalışmasını basitleştiren tek üniteler halinde kalıplanabilir.
Lifler, dayanıklılığı ve güvenliği artırarak belirli streslere karşı takviye yapacak şekilde yönlendirilebilir.
Alüminyum pencere, kapı ve cephelerde cam elyaf takviyeli poliamidden üretilen ısı yalıtım plastikleri kullanılarak ısı yalıtımı sağlanır. 1977 yılında Ensinger GmbH pencere sistemleri için ilk yalıtım profilini üretti.
FRP, binaların ve köprülerin kirişlerini, kolonlarını ve döşemelerini güçlendirmek için uygulanabilir. Yükleme koşullarından dolayı ciddi hasar gördükten sonra bile yapı elemanlarının mukavemetini arttırmak mümkündür. Hasar görmüş betonarme elemanlar durumunda, bu öncelikle elemanın gevşek kalıntıların temizlenmesi ve boşlukların ve çatlakların harç veya epoksi reçine ile doldurulması yoluyla onarılmasını gerektirir. Eleman onarıldıktan sonra, elyaf tabakalarının epoksi reçine ile emprenye edilmesi ve ardından bunların elemanın temizlenmiş ve hazırlanmış yüzeylerine uygulanmasıyla ıslak, elle serme yoluyla güçlendirme sağlanabilir.
İstenilen mukavemet artışıyla ilgili olarak kirişlerin güçlendirilmesi için tipik olarak iki teknik benimsenir: eğilme güçlendirmesi veya kesme güçlendirmesi. Çoğu durumda her iki güç artışının da sağlanması gerekli olabilir. Bir kirişin bükülmesini güçlendirmek için, elemanın çekme yüzüne (üst yükleme veya yer çekimi yüklemesi uygulanan basit destekli bir elemanın alt yüzü) FRP levhalar veya plakalar uygulanır. Ana gerilebilir lifler, iç esnek çelik takviyesine benzer şekilde kirişin uzunlamasına ekseninde yönlendirilir. Bu, kirişin mukavemetini ve sertliğini arttırır (ünitenin sapmasına neden olmak için gereken yük), ancak sapma kapasitesini ve sünekliği azaltır.
Bir kirişin kesme mukavemetini arttırmak için, FRP, kirişin uzunlamasına eksenine enine yönlendirilmiş liflere sahip bir elemanın ağ (yanlarına) üzerine uygulanır. Kesme kuvvetlerine karşı direnç, iç çelik üzengi demirlerine benzer şekilde, uygulanan yükleme altında oluşan kesme çatlaklarının kapatılmasıyla sağlanır. FRP, elemanın açıkta kalan yüzlerine ve istenen güçlendirme derecesine bağlı olarak çeşitli konfigürasyonlarda uygulanabilir; bu konfigürasyonlar şunları içerir: yan bağlama, U-sargılar (U-ceketler) ve kapalı sargılar (tam sargılar). Yan yapıştırma, FRP'nin yalnızca kirişin yanlarına uygulanmasını içerir. FRP serbest kenarlarında beton yüzeyinden kopmadan kaynaklanan kopmalardan dolayı en az kesme dayanımı sağlar. U-sargılar için FRP, kirişin yanları ve alt (gerilme) yüzü çevresinde sürekli olarak 'U' şeklinde uygulanır. Bir kirişin tüm yüzlerine erişilebiliyorsa, en fazla mukavemet artışını sağladıkları için kapalı sargıların kullanılması tercih edilir. Kapalı sarma, elemanın tüm çevresine FRP uygulanmasını içerir, böylece serbest uçlar kalmaz ve tipik arıza modu liflerin kopmasıdır. Tüm sarma konfigürasyonları için FRP, elemanın uzunluğu boyunca sürekli bir tabaka halinde veya önceden tanımlanmış bir minimum genişliğe ve aralığa sahip ayrı şeritler halinde uygulanabilir.
Döşemeler alt (gerilme) yüzlerine FRP şeritler uygulanarak güçlendirilebilir. Bu, levhaların çekme direncinin FRP'nin çekme mukavemeti ile desteklenmesi nedeniyle daha iyi bir bükülme performansı ile sonuçlanacaktır. Kiriş ve döşemelerde FRP güçlendirmenin etkinliği, yapıştırma için seçilen reçinenin performansına bağlıdır. Bu özellikle yan yapıştırma veya U-sargılar kullanılarak kesme güçlendirmesi için bir sorundur. Sütunlar genellikle kapalı veya tam sarmada olduğu gibi çevreleri FRP ile sarılır. Bu sadece daha yüksek kesme direnci sağlamakla kalmaz, aynı zamanda kolon tasarımı için daha önemli olan eksenel yükleme altında artan basınç dayanımıyla sonuçlanır. FRP sargı, kolonun yanal genleşmesini kısıtlayarak çalışır; bu da, kolon çekirdeği için spiral takviyenin yaptığına benzer şekilde sınırlandırmayı arttırabilir.
Haziran 2013'te KONE asansör şirketi, asansörlerdeki çelik kabloların yerine Ultrarope'un kullanılacağını duyurdu. Karbon fiberleri yüksek sürtünmeli polimerle yalıtır. Çelik kablonun aksine Ultrarope, 1.000 metreye kadar kaldırma gerektiren binalar için tasarlandı. Çelik asansörler 500 metrede zirveye çıkıyor. Şirket, 500 metre yüksekliğindeki bir binada asansörün çelik kablolu versiyona göre yüzde 15 daha az elektrik gücü kullanacağını tahmin etti. Haziran 2013 itibarıyla ürün tüm Avrupa Birliği ve ABD sertifikasyon testlerinden geçmiştir. [22]
FRP, takviyesiz plastiklerin ve diğer malzeme seçimlerinin mekanik veya ekonomik olarak uygun olmadığı bir güç veya esneklik modülü ölçümü gerektiren tasarımlarda kullanılır. Bu, FRP kullanımına yönelik birincil tasarım düşüncesinin, malzemenin ekonomik olarak ve özellikle yapısal iyileştirmelerden yararlanacak şekilde kullanılmasını sağlamak olduğu anlamına gelir. Ancak bu her zaman geçerli değildir; liflerin yönelimi aynı zamanda liflere dik bir malzeme zayıflığı da yaratır. Bu nedenle, fiber takviyesinin kullanımı ve bunların yönelimi, nihai formun mukavemetini, sertliğini ve elastikiyetini ve dolayısıyla nihai ürünün çalışmasını etkiler. Üretim sırasında liflerin yönünün tek yönlü, 2 boyutlu veya 3 boyutlu olarak yönlendirilmesi, nihai ürünün mukavemet, esneklik ve esneklik derecesini etkiler. Kuvvet yönünde yönlendirilen lifler, bu kuvvetlerden kaynaklanan bozulmaya karşı daha fazla direnç gösterir ve bunun tersi de geçerlidir; dolayısıyla, bir ürünün kuvvetlere dayanması gereken alanları aynı yöndeki liflerle güçlendirilecek ve doğal menteşeler gibi esneklik gerektiren alanlar, kuvvetlere dik yöndeki lifleri kullanacaktır. Daha fazla boyut kullanmak bu senaryoyu ortadan kaldırır ve liflerin tek yönlü yönelimi nedeniyle belirli zayıf noktalardan kaçınmaya çalışan nesneler oluşturur. Mukavemet, esneklik ve esneklik özellikleri aynı zamanda nihai ürünün geometrik şekli ve tasarımı aracılığıyla büyütülebilir veya azaltılabilir. Bunlar, uygun duvar kalınlığının sağlanması ve tek parça halinde kalıplanabilen çok işlevli geometrik şekillerin oluşturulması, eklemleri, bağlantıları ve donanımı azaltarak daha fazla malzeme ve yapısal bütünlüğe sahip şekiller oluşturma gibi tasarım hususlarını içerir. [2]
Plastiğin bir alt kümesi olan aleve dayanıklı plastikler, plastik atıkların imhası ve geri dönüştürülmesiyle ilgili bir takım sorun ve endişelerden sorumludur. Plastikler geri dönüşüm konusunda özel bir zorluk teşkil etmektedir çünkü bunlar çoğu zaman ayrılamayan ve işlenmemiş hallerine geri döndürülemeyen polimerlerden ve monomerlerden türetilmektedir; bu nedenle tüm plastikler yeniden kullanım için geri dönüştürülemez; hatta bazı tahminler, plastiklerin yalnızca %20 ila %30'unun geri dönüştürülebileceğini iddia etmektedir. Elyafla güçlendirilmiş plastikler ve bunların matrisleri, bu imha ve çevresel kaygıları paylaşıyor. Bu endişelere ek olarak, elyafların matristen çıkarılmasının ve yeniden kullanım için korunmasının zor olması, FRP'nin bu zorlukları daha da artırdığı anlamına geliyor. FRP'leri temel malzemelere, yani elyaf ve matrise ve matrisi ayrı ayrı kullanılabilir plastiklere, polimerlere ve monomerlere ayırmak doğası gereği zordur. Bunların hepsi günümüzün çevreye duyarlı tasarımına yönelik kaygılardır. Plastikler genellikle diğer malzemelerle karşılaştırıldığında enerji tasarrufu ve ekonomik tasarruf sağlar. Ayrıca biyoplastikler ve UV ile parçalanabilen plastikler gibi daha çevre dostu yeni matrislerin ortaya çıkmasıyla FRP çevresel duyarlılık kazanacaktır. [1]
Uzun elyaf takviyeli termoplastik
^ Şuraya git: a b c d e Smallman, RE ve RJ Bishop. Modern Fiziksel Metalurji ve Malzeme Mühendisliği. 6. baskı. Oxford: Butterworth-Heinemann, 1999.
^ Yukarıya git: a b c d e f g h i j Erhard, Gunter. Plastiklerle Tasarım. Trans. Martin Thompson. Münih: Hanser Publishers, 2006.
Yukarı git^ Amato, Ivan (29 Mart 1999). 'Leo Baekeland'. Zaman 100 . ZAMAN.
Yukarı git^ 'Leo Baekeland'. Plastikler . İngiltere tarih sitesi. 28 Haziran 2000.
Yukarı git^ 'Yeni Kimyasal Madde' (PDF). New York Times. 6 Şubat 1909.
Jump up^ Sentetik Reçine – Uçak Yapımında Kullanım, The Times, Londra İngiltere, 5 Ekim 1936 Pazartesi, sayfa 14, Sayı 47497
Yukarı git^ ABD Patent Numarası 2133235: Cam Yünü Yapma Yöntemi ve Aparatı İlk Slayter cam yünü patenti, 1933.
Jump up^ Güçlendirilmiş plastik teknelerin 50 yılı, George Marsh, 8 Ekim 2006, http://www.reinforcedplastiks.com/view/1461/50-years-of-reinforced-plastik-boats-/
Yukarıya Git^ Dikkate Değer İlerleme – plastik kullanımı, Evening Post, Wellington, Yeni Zelanda, Cilt CXXVIII, Sayı 31, 5 Ağustos 1939, Sayfa 28
Yukarı git^ Plastikte geleceğin arabası, The Mercury (Hobart, Tazmanya), 27 Mayıs 1946 Pazartesi, sayfa 16
Yukarı git^ 'Savaş sonrası otomobil'. Bradford Günlük Kaydı . 28 Mart 1941. s. 12. Erişim tarihi: 17 Haziran 2015 – Newspapers.com aracılığıyla. 
Yukarı git^ 'Savaş sonrası otomobil'. Corpus Christi Times . 12 Ocak 1942. s. 3. Erişim tarihi: 17 Haziran 2015 – Newspapers.com aracılığıyla.
Yukarı git^ 'Kalıplardan yapılan plastik uçaklar ordunun planıdır'. Greeley Günlük Tribünü . 24 Haziran 1938. s. 2. Erişim tarihi: 12 Ağustos 2015 – Newspapers.com aracılığıyla.
Yukarı git^ İkinci Dünya Savaşı'nın Amerikan Savaş Uçakları, David Donald, Aerospace Publishing Limited, 1995, sayfalar 251–252, ISBN 1-874023-72-7
Jump up^ Yeni malzemelerin kullanımının hızlandırılması, Ulusal Araştırma Konseyi (ABD) Yeni Malzemelerin Hızlandırılmış Kullanımı Komitesi, Washington, Ulusal Bilimler Akademisi – Ulusal Mühendislik Akademisi, Springfield, Va, 1971, sayfa 56–57, WP Conrardy
Yukarı git^ BT-15 Uçağı için kalıplanmış cam elyaf Sandviç Gövdeler, Ordu Hava Kuvvetleri Teknik Raporu 5159, 8 Kasım 1944
Yukarı git^ Güçlendirilmiş plastik el kitabı; Donald V. Rosato, Dominick V. Rosato ve John Murphy; Elsevier; 2004; sayfa 586
Yukarı git^ Kompozitlerin Tarihi, Tim Palucka ve Bernadette Bensaude-Vincent, http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/materials/public/composites/Composites_Overview.htm
Yukarı git^ Tong, L, AP Mouritz ve Mk Bannister. 3D Elyaf Takviyeli Polimer Kompozitler. Oxford: Elsevier, 2002.
^ Yukarıya git: a b c d e f g Kompozit kalıplama
Yukarı git^ Doğan, Fatih; Hadavinia, Homayoun; Donçev, Todor; Bhonge, Prasannakumar S. (5 Ağustos 2012). 'Etkilenen kompozit yapıların yapışkan bölge arayüz elemanları ve eşitlik bozma temasıyla ayrılması'. Orta Avrupa Mühendislik Dergisi . 2(4): 612–626. doi:10.2478/s13531-012-0018-0.
Jump up^ 'UltraRope'un yüksek binaları tek noktadan yakınlaştıracağı duyuruldu'. Phys.org. Erişim tarihi: 13.06.2013.
>>>>>Not: Makale https://en.wikipedia.org/wiki/Fibre-reinforced_plastik sitesinden alınmıştır<<<<