Kompozit Malzemeler Nedir? CFRP ve GFRP Rehberi

Modern bir yolcu uçağına bakın: kanatları, gövdesi, kuyruk yapısı... bunların büyük kısmı artık metalden değil, kompozit malzemelerden yapılıyor. Boeing 787'nin yapısal ağırlığının %50'si, Airbus A350'nin %53'ü kompozittir. Peki bu "mucize malzemeler" nedir ve neden bu kadar önemli?

Kompozit malzemeler, iki veya daha fazla farklı malzemenin birleştirilmesiyle oluşturulan, bileşenlerinden üstün özelliklere sahip mühendislik malzemeleridir.

Kompozit Nedir?

Kompozit, Latince "compositus" (bir araya getirilmiş) kelimesinden gelir. Mühendislik anlamında kompozit:

İki veya daha fazla farklı malzemenin kombinasyonu
Makroskopik seviyede ayırt edilebilir bileşenler
Sinerjik özellikler — bileşenlerin tek başına sahip olmadığı özellikler

Temel bileşenler:

Matris (Matrix): Takviye elemanlarını bir arada tutan, yük aktaran sürekli faz. Genellikle polimer (reçine), metal veya seramik.

Takviye (Reinforcement): Mukavemet ve rijitlik sağlayan süreksiz faz. Genellikle fiber (elyaf), partikül veya pul şeklinde.

Fiber Takviyeli Polimer Kompozitler (FRP)

Havacılık, otomotiv ve endüstriyel uygulamalarda en yaygın kompozit tipi Fiber Takviyeli Polimerlerdir (FRP - Fiber Reinforced Polymers).

CFRP - Carbon Fiber Reinforced Polymer

Karbon Fiber Takviyeli Polimer en yüksek performanslı kompozit tipidir.

Karbon Fiber Özellikleri:

Çekme dayanımı: 3,500 - 7,000 MPa
Elastisite modülü: 230 - 600 GPa
Yoğunluk: 1.75 - 1.95 g/cm³
Negatif termal genleşme katsayısı

CFRP Avantajları:

Çelikten 5x daha güçlü, %60 daha hafif
Alüminyumdan 2x daha rijit
Yorulma direnci mükemmel
Korozyon direnci
Tasarım esnekliği

CFRP Dezavantajları:

Yüksek maliyet
Darbe hasarına duyarlılık
Elektriksel iletkenlik (yıldırım koruma gerektirir)
Geri dönüşüm zorluğu

CFRP Uygulamaları:

Uçak yapıları (kanat, gövde, kuyruk)
Formula 1 araçları
Rüzgar türbini kanatları
Spor ekipmanları (bisiklet, tenis raketi)
Uzay araçları

GFRP - Glass Fiber Reinforced Polymer

Cam Fiber Takviyeli Polimer en yaygın ve ekonomik kompozit tipidir.

Cam Fiber Türleri:

E-glass: Elektriksel uygulamalar, en yaygın
S-glass: Yüksek mukavemet
C-glass: Kimyasal direnç
D-glass: Düşük dielektrik sabiti

GFRP Özellikleri:

Çekme dayanımı: 1,500 - 3,500 MPa
Elastisite modülü: 70 - 90 GPa
Yoğunluk: 2.5 - 2.6 g/cm³

GFRP Avantajları:

Düşük maliyet
İyi elektriksel yalıtım
Korozyon direnci
Kolay işlenebilirlik

GFRP Uygulamaları:

Tekne gövdeleri
Otomotiv parçaları
Boru ve tanklar
Yapı elemanları
Rüzgar türbini kanatları

Diğer Fiber Türleri

Aramid Fiber (Kevlar):

Yüksek darbe direnci
Balistik koruma
Düşük yoğunluk

Bazalt Fiber:

E-glass'tan yüksek mukavemet
İyi sıcaklık direnci
Çevre dostu

Doğal Fiberler:

Keten, kenevir, jüt
Sürdürülebilir
Otomotiv iç mekan uygulamaları

Matris Malzemeleri

Termoset Reçineler

Kimyasal reaksiyonla sertleşir, geri dönüşümsüz:

Epoksi:

En yaygın havacılık matrisi
Yüksek mukavemet ve rijitlik
İyi yapışma
Düşük büzülme

Polyester:

Ekonomik
Kolay işlenebilir
Denizcilik ve otomotiv

Vinilester:

Kimyasal direnç
Polyester/epoksi arası özellikler

Fenolik:

Yangın direnci
Uçak iç mekanları

BMI (Bismaleimid):

Yüksek sıcaklık direnci (>200°C)
Jet motor yapıları

Termoplastik Matrisler

Isıtıldığında yumuşar, yeniden şekillendirilebilir:

PEEK (Polyether Ether Ketone):

Yüksek performans
Yüksek sıcaklık direnci
Kimyasal direnç
Yüksek maliyet

PPS (Polyphenylene Sulfide):

İyi kimyasal direnç
Orta sıcaklık uygulamaları

Avantajları:

Kısa çevrim süreleri
Kaynak edilebilirlik
Geri dönüşüm imkanı
Yüksek darbe direnci

Prepreg Nedir?

Prepreg (pre-impregnated), fiber takviyenin reçine ile önceden emdirilerek hazırlandığı yarı mamul malzemedir.

Prepreg Avantajları

Kontrollü reçine oranı: Tutarlı fiber/reçine oranı
Temiz işleme: Sıvı reçine kullanılmaz
Yüksek kalite: Daha az gözenek, daha iyi mekanik özellikler
Kolay serim: Operatör dostu

Prepreg Dezavantajları

Yüksek maliyet
Soğuk zincir gerekliliği (-18°C saklama)
Raf ömrü sınırlaması
Otoklav kürü gereksinimi (genellikle)

Prepreg Türleri

Unidirectional (UD): Tüm fiberler tek yönde Woven (Dokuma): Fiberler örgü deseninde Non-crimp fabric: Dikişli çok eksenli kumaş

Kompozit Üretim Yöntemleri

El Yatırma (Hand Lay-up)

En basit yöntem:

Kalıp hazırlığı ve ayırıcı uygulama
Jelkot uygulama (varsa)
Fiber yerleştirme
Reçine uygulama ve ruloyla yayma
Katman tekrarı
Oda sıcaklığında veya fırında kür

Avantajları: Düşük yatırım, esneklik Dezavantajları: İşçilik yoğun, değişken kalite

Vakum Torbalama (Vacuum Bagging)

El yatırma + vakum:

Laminat hazırlama
Peel ply, breather uygulama
Vakum torbası ile kapatma
Vakum uygulama
Oda sıcaklığı veya fırında kür

Avantajları: Daha iyi fiber/reçine oranı, daha az gözenek Dezavantajları: Ek malzeme ve ekipman

Otoklav Kürü

Havacılık standardı:

Prepreg serim
Vakum torbalama
Otoklav'a yerleştirme
Basınç + sıcaklık + vakum uygulama
Kontrollü soğutma

Parametreler:

Basınç: 3-7 bar
Sıcaklık: 120-180°C (epoksi için)
Kür süresi: 1-8 saat

Avantajları: En yüksek kalite, düşük gözeneklilik Dezavantajları: Yüksek yatırım, yavaş çevrim

Reçine Transfer Kalıplama (RTM)

Kuru fiber + kapalı kalıp + reçine enjeksiyonu:

Kuru preform kalıba yerleştirilir
Kalıp kapatılır
Reçine basınçla enjekte edilir
Kür
Kalıptan çıkarma

Avantajları: İki tarafı da düzgün yüzey, tekrarlanabilirlik Dezavantajları: Kalıp maliyeti, preform hazırlığı

Filament Sarım (Filament Winding)

Dönen mandrel üzerine reçineli fiber sarma:

Basınçlı kaplar
Borular
Roket gövdeleri

Pultruzyon (Pultrusion)

Sürekli profil üretimi:

Reçine banyosundan geçirilen fiberler
Isıtılmış kalıptan çekilme
Sürekli profil (I, U, L kesitler)

Havacılık & Savunma

Uygulayarak Öğren, Analiz Ederek Ustalaş

AS9100, DO-178C, DO-254, NADCAP, AMS 2750 standartlarını gerçek vakalar üzerinde, interaktif araçlarla öğrenin.

Eğitimleri Keşfet

Core Tools & Araçlar

Onlarca toolkit ile standartları uygulamalı öğrenin

What-If Analizleri

Veri analizine dayalı senaryo simülasyonları

FOD Önleme Toolkit

Yabancı cisim hasarı önleme interaktif araçları

Gerçek Vaka Çalışmaları

Sektörden gerçek case study'lerle öğrenin

Kalite Kontrol ve Test Yöntemleri

Havacılık kompozitlerinde kalite kontrol kritik öneme sahiptir.

Giriş Kalite Kontrol

Prepreg Testleri:

Reçine içeriği (gravimetrik)
Fiber ağırlığı
Yapışkanlık (tack)
Gel zamanı
Raf ömrü takibi

Malzeme Sertifikası:

Mill certificate kontrolü
Batch izlenebilirliği

Proses Kontrol

Serim Kontrolü:

Oryantasyon doğrulaması
Bindirme/boşluk kontrolü
Yabancı madde (FOD) kontrolü

Kür İzleme:

Sıcaklık profili kaydı
Basınç kaydı
Vakum sızdırmazlık kontrolü

Tahribatsız Muayene (NDT)

Ultrasonik Muayene (UT):

Delaminasyon tespiti
Gözeneklilik değerlendirmesi
Kalınlık ölçümü
C-scan görüntüleme

Görsel Muayene:

Yüzey kusurları
Fiber dalgalanması
Reçine zengin/fakir bölgeler

Termografi:

Delaminasyon ve boşluk tespiti
Büyük alanların hızlı taraması

X-Ray/CT:

İç yapı inceleme
Yabancı madde tespiti
3D görüntüleme

Tahribatlı Testler

Mekanik Testler:

Çekme testi (ASTM D3039)
Basma testi (ASTM D6641)
Eğilme testi (ASTM D7264)
Kesme testi (ASTM D5379)
Darbe testi (ASTM D7136)
Yorulma testi

Fiber/Reçine Oranı:

Yakma (burn-off) testi
Asit sindirim
Gravimetrik analiz

Gözeneklilik:

Yoğunluk ölçümü
Görüntü analizi

Havacılıkta Kompozit Standartlar

Malzeme ve Proses Standartları

AMS (Aerospace Material Specifications): Malzeme spesifikasyonları
ASTM: Test yöntemleri
EN 2564: Karbon fiber prepreg
EN 2374: Cam fiber prepreg

Kalite Sistemi

AS9100: Havacılık kalite yönetim sistemi
NADCAP Composites: Özel proses akreditasyonu

OEM Spesifikasyonları

Boeing, Airbus ve diğer OEM'ler kendi kompozit spesifikasyonlarına sahiptir:

Boeing BMS
Airbus AIMS
Proses onay gereksinimleri

Kompozit Onarım

Hasarlı kompozit yapıların onarımı özel bilgi gerektirir:

Onarım Türleri

Kozmetik Onarım:

Yüzey çizikleri
Yapısal olmayan hasarlar

Yapıştırılmış Yama (Bonded Patch):

Delaminasyon
Delik onarımı
Sınırlı hasar

Civatalı Onarım:

Büyük hasar
Yüksek yük bölgeleri

Onarım Sertifikasyonu

SRM (Structural Repair Manual) gereksinimleri
Mühendislik onayı
NDT doğrulaması

Sıkça Sorulan Sorular

CFRP mi GFRP mi tercih edilmeli?

Uygulamaya bağlıdır. CFRP daha yüksek performans (mukavemet/ağırlık) sunar ama 5-10x daha pahalıdır. GFRP ekonomik uygulamalarda, CFRP havacılık ve yüksek performans uygulamalarında tercih edilir.

Kompozit malzemeler geri dönüştürülebilir mi?

Termoset kompozitler (epoksi, polyester) zor geri dönüştürülür — genellikle yakılır veya öğütülerek dolgu malzemesi yapılır. Termoplastik kompozitler daha kolay geri dönüştürülür. Sürdürülebilirlik sektörde önemli bir araştırma alanıdır.

Prepreg neden soğuk saklanmalı?

Prepreg'deki reçine oda sıcaklığında yavaşça kürlenmeye başlar (ön-reaksiyon). Soğuk saklama (-18°C) bu reaksiyonu yavaşlatır ve raf ömrünü uzatır (6-12 ay). Oda sıcaklığında raf ömrü genellikle 30 gün civarıdır.

Kompozit otoklav olmadan üretilebilir mi?

Evet. Oda sıcaklığı kürü, fırın kürü, vakum torbalama, RTM gibi yöntemler otoklav gerektirmez. Ancak havacılık kalitesi için genellikle otoklav veya OOA (Out-of-Autoclave) prepregler tercih edilir.

Delaminasyon nasıl tespit edilir?

Ultrasonik muayene (UT) en yaygın yöntemdir. C-scan ile delaminasyon haritalanır. Termografi ve tap testi de kullanılır. Görsel muayene yüzeye yakın delaminasyonları gösterebilir.

Kompozit malzemeler, hafiflik ve mukavemetin kritik olduğu her alanda metal alternatiflerin yerini almaktadır. CFRP ve GFRP başta olmak üzere fiber takviyeli polimerler, havacılıktan otomotive, enerjiden spora kadar geniş bir yelpazede kullanılmaktadır.