Makine Mühendisliğinde Temel Malzemeler

Malzeme, enerji ve bilgi modern sanayinin üç temel direği olarak kabul edilir ve enerji ve bilginin gelişimi bir dereceye kadar malzemelerin ilerlemesine bağlıdır. İstatistiklere göre, bir araba yaklaşık 30.000 parçadan oluşuyor ve bu parçalar 4.000'den fazla farklı malzemeden yapılıyor.

Bir otomobilin tasarımından, malzeme seçiminden ve üretiminden kullanımına, bakımına ve bakımına kadar, malzemeler her yönüyle ilgilidir. Modern otomobil malzemelerini örnek olarak ele alırsak, ağırlık bakımından çelik, otomobilin ağırlığının 55% ila 60%'sini, dökme demir 5% ila 12%'sini, demir dışı metaller 6% ila 10%'sini, plastikler 8% ila 12%'sini, kauçuk 4%'sini, cam 3%'sini ve diğer malzemeler (boya, çeşitli sıvılar, vb.) 6% ila 12%'sini oluşturmaktadır. Şekil 1, Boeing 767 uçağında kullanılan çeşitli malzemelerin oranını göstermektedir.

Mühendislik malzemeleri, makine yapımı için malzeme temelidir. Makinelerin performansı kullanılan malzemelere bağlıdır. Makine imalatında kullanılan binlerce malzeme vardır ve bu kadar çok malzeme arasından doğru seçimi yapmak kolay değildir.

Mühendislik malzemeleri çok çeşitli ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Mühendislikte malzemeler genellikle Şekil 2'de gösterildiği gibi metal malzemeler, inorganik metalik olmayan malzemeler (seramikler), organik polimer malzemeler ve kompozit malzemeler olarak ayrılabilen kimyasal sınıflandırma yöntemine göre sınıflandırılır.

I. Metal malzemeler

Metal malzemeler, toplam kullanımın 80%'sini oluşturan demirli metaller ve demirsiz metaller de dahil olmak üzere metaller ve alaşımları için kullanılan genel bir terimdir. Metallerin özellikleri, metalik bağların doğası tarafından belirlenir.

Metal malzemeler iyi mekanik özelliklere (yüksek mukavemet, sertlik, plastisite, tokluk) ve belirli fiziksel ve kimyasal özelliklere (iyi elektrik ve ısı iletkenliği vb.) ve iyi işlenebilirliğe sahiptir. Ucuz veya orta fiyatlıdırlar, yapısal malzemeler olarak yaygın şekilde kullanılırlar ve bazıları işlevsel malzemeler olarak kullanılır, ancak kaynaklar sınırlıdır. Metal malzemeler aşırı yüksek sıcaklıklarda ve özel ortamlarda çalışamazlar.

Metal malzemeler kendilerini oluşturan elementlere göre demir içeren metaller ve demir içermeyen metaller olarak ikiye ayrılabilir. Demir içeren metaller arasında saf demir, karbon çeliği, alaşımlı çelik, dökme demir ve ferroalaşımlar gibi demir ve demir bazlı alaşımlar yer alır ve bunlar topluca çelik malzemeler olarak adlandırılır. Demir dışı metaller demir ve alaşımları dışındaki metalleri içerir, yaygın olarak kullanılanlar altın, gümüş, alüminyum ve alüminyum alaşımları, bakır ve bakır alaşımları, titanyum ve titanyum alaşımları vb.

Ana özelliklerine ve kullanım alanlarına göre metal malzemeler, metal yapısal malzemeler ve metal fonksiyonel malzemeler olarak ikiye ayrılabilir. İşleme teknolojisine göre, metal malzemeler döküm metal malzemeler, deforme metal malzemeler ve toz metalurjisi malzemeleri olarak ayrılabilir. Yoğunluğa göre metal malzemeler hafif metaller (yoğunluk 4,5 g/cm³) olarak ikiye ayrılır.

1. Çelik malzemeler

Çelik malzemeler endüstriyel saf demir, çelik ve dökme demir olarak ayrılabilir. Endüstriyel saf demir, karbon içeriği 0.02%'den fazla olmayan bir demir-karbon alaşımıdır. Endüstriyel saf demir iyi bir plastisiteye sahip olmasına rağmen mukavemeti düşüktür ve nadiren yapısal malzeme ve görünüm malzemesi olarak kullanılır.

Çelik, 0.02% ila 2.11% karbon içeriğine sahip bir demir-karbon alaşımıdır ve ayrıca az miktarda fosfor ve kükürt gibi safsızlık elementleri içerir. Kimyasal bileşimine göre karbon çeliği ve alaşımlı çelik olarak ayrılabilen ve çeşitli alanlarda yaygın olarak kullanılan birçok çelik türü vardır. Dökme demir, karbon içeriği 2.11% ila 4.0% olan bir demir-karbon alaşımıdır.

Dökme demir, uzun bir kullanım geçmişine sahip önemli bir mühendislik malzemesidir. Düşük erime noktasına, iyi döküm performansına, işlenebilirliğe, aşınma direncine ve titreşim sönümlemesine, basit üretim sürecine ve düşük maliyete sahiptir. Karmaşık yapı ve şekillere sahip çeşitli parçaları üretmek için kullanılabilir. Yaygın dökme demir malzemeler arasında gri dökme demir, dövülebilir dökme demir ve sfero dökme demir bulunur.

Karbon çeliği kaliteye göre sıradan çelik, yüksek kaliteli çelik ve yüksek kaliteli yüksek kaliteli çelik olarak ayrılabilir; kullanıma göre yapısal çelik, takım çeliği ve özel performans çeliği olarak ayrılabilir; karbon içeriğine göre düşük karbonlu çelik (karbon içeriği 0,25%'nin altında), orta karbonlu çelik (karbon içeriği 0,25% ila 0,6%) ve yüksek karbonlu çelik (karbon içeriği 0,6%'nin üzerinde) olarak ayrılabilir.

Düşük karbonlu çelik, düşük mukavemet, yüksek plastisite, yüksek tokluk ve iyi işlenebilirlik ve kaynaklanabilirliğe sahiptir, karmaşık şekillere sahip ve kaynak gerektiren parça ve bileşenlerin üretimi için uygundur; orta karbonlu çelik, ısıl işlemden sonra iyi kapsamlı mekanik özelliklere sahip belirli mukavemet, plastisite ve orta tokluğa sahiptir ve çoğunlukla dişliler ve rulmanlar gibi mukavemet ve tokluk gerektiren mekanik parçaların üretiminde kullanılır; yüksek karbonlu çelik, yüksek mukavemet ve sertliğe, iyi aşınma direncine, düşük plastisite ve tokluğa sahiptir, esas olarak aletlerin, kesici aletlerin, yayların ve aşınmaya dayanıklı parçaların üretiminde kullanılır.

Alaşımlı çelik, daha kapsamlı mekanik özelliklere ve bazı özel fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip, bir veya birkaç alaşım elementinin eklenmesiyle karbon çeliğine dayalı çeliktir. Alaşım elementleri çeliğin performansını ve işlenebilirliğini artırabilir, yaygın olarak kullanılanlar silikon, manganez, krom, nikel, alüminyum, tungsten, titanyum, bor vb. Örneğin, krom çeliğin aşınma direncini, sertliğini ve yüksek sıcaklık dayanımını artırabilir.

Alaşımlı çelik, alaşım elementlerinin toplam içeriğine göre düşük alaşımlı çelik (toplam içerik 5%'nin altında), orta alaşımlı çelik (toplam içerik 5% ila 10%) ve yüksek alaşımlı çelik (toplam içerik 10%'nin üzerinde) olarak ayrılabilir; alaşım elementlerinin türlerine göre krom çeliği, nikel çeliği, manganez çeliği, silikon çeliği, krom-nikel çeliği, manganez-silikon çeliği vb.Kullanıma göre alaşımlı yapı çeliği, alaşımlı takım çeliği ve özel alaşımlı çelik (paslanmaz çelik, ısıya dayanıklı çelik, aşınmaya dayanıklı çelik vb. gibi) olarak ayrılabilir.

2. Demir dışı metal malzemeler

(1) Alüminyum ve alüminyum alaşımları endüstride en yaygın kullanılan demir dışı metallerdir ve aşağıdaki özelliklere sahip yaygın olarak kullanılan modern malzemelerdir.

• Saf alüminyum, bakırın yaklaşık 1/3'ü olan yaklaşık 2,7 g/cm³ gibi düşük bir yoğunluğa sahiptir ve hafif metallere aittir.
• Erime noktası 660°C'dir.
• Alüminyum, bakırın yaklaşık 64% elektrik iletkenliği ile bakırdan sonra ikinci sırada mükemmel elektrik ve ısı iletkenliğine sahiptir.
• Alüminyum yüksek plastisiteye sahiptir ve çeşitli plastik işlemlerden geçebilir.
• Saf alüminyum gümüş-beyazdır ve atmosferde iyi bir oksidasyon direncine sahiptir, ancak klorür iyonları ve alkali iyonları alüminyumun oksit filmini yok edebilir, bu da onu asit, alkali ve tuz korozyonuna karşı dirençli hale getirmez.

Alüminyum alaşımı, temel olarak alüminyumdan ve diğer alaşım elementlerinin (bakır, silikon, magnezyum, çinko, manganez, nikel vb.) eklenmesinden oluşan bir alaşımdır. Alüminyum alaşımı hafiftir, güçlüdür, çeliğe yakın veya onu aşan özgül mukavemet değerine sahiptir, mükemmel elektrik iletkenliğine, termal iletkenliğe ve korozyon direncine sahiptir, işlenmesi kolaydır, darbeye dayanıklıdır ve çeşitli renklerde anodize edilebilir.

Alüminyum alaşımları genellikle işlenmiş alüminyum alaşımları ve dökme alüminyum alaşımları olarak ikiye ayrılır. Basınçla işlenmiş alüminyum alaşımları olarak da bilinen dövme alüminyum alaşımları iyi bir plastisiteye sahiptir ve haddeleme, ekstrüzyon, çekme, dövme ve diğer soğuk ve sıcak işleme yöntemleriyle levha, çubuk, tüp ve profil gibi ürünler haline getirilebilir. Mükemmel hafif malzemelerdir. Paslanmaya karşı dayanıklı alüminyum alaşımları, sert alüminyum alaşımları ve süper sert alüminyum alaşımları olarak da ayrılırlar.

Dökme alüminyum alaşımları iyi döküm performansına ve belirli mekanik özelliklere sahiptir, ancak zayıf plastisiteye sahiptir ve plastik işleme tabi tutulamaz. Çoğunlukla karmaşık şekillere, hafifliğe ve belirli korozyon ve ısı direnci gereksinimlerine sahip dökümler üretmek için kum döküm, metal döküm ve hassas döküm yöntemleri kullanılarak üretilirler. Ana alaşım elementlerine göre alüminyum-silikon, alüminyum-bakır, alüminyum-magnezyum ve alüminyum-çinko alaşımlarına ayrılırlar.

Yaygın alüminyum alaşımlı ürünler arasında alüminyum alaşımlı profiller, alüminyum alaşımlı dekoratif paneller, alüminyum folyo, alüminyum-plastik kompozit filmler ve vakumlu alüminize filmler bulunmaktadır.

(2) Bakır ve bakır alaşımları tarihte kullanılan en eski demir dışı metallerdir. Endüstride yaygın olarak kırmızı bakır, pirinç, bronz, beyaz bakır vb. kullanılır ve aşağıdaki özelliklere sahiptirler.

• Saf bakır gül rengine sahiptir ve yüzey oksidasyonundan sonra mor görünür, bu nedenle kırmızı bakır olarak da adlandırılır.
• Saf bakırın erime noktası 1083℃ ve yoğunluğu 8,96g/cm³'tür.
• Saf bakır yumuşaktır, mükemmel sünekliğe, iyi işlenebilirliğe ve kaynaklanabilirliğe sahiptir ve soğuk ve sıcak işleme ile kolayca şekillendirilebilir. Son derece ince bakır folyo haline getirilebilir ve son derece ince bakır tel haline getirilebilir.
• Saf bakır, gümüşten sonra ikinci olarak mükemmel elektrik ve ısı iletkenliğine sahiptir.
• Saf bakır güçlü anti-manyetik özelliklere sahiptir ve genellikle bir elektrik iletkeni olarak ve çeşitli anti-manyetik cihazlarda kullanılır.

Bakır alaşımları, temel malzeme olarak bakır ile belirli miktarda diğer alaşım elementlerinden (çinko, kalay, alüminyum, silikon, nikel, vb.) oluşan alaşımlardır. Kimyasal bileşimlerine göre pirinç, bronz ve beyaz bakır olarak; işleme yöntemlerine göre ise işlenmiş bakır alaşımları ve dökme bakır alaşımları olarak sınıflandırılırlar.

Pirinç (Cu-Zn alaşımı), ana alaşım elementi olarak çinko içeren bir bakır alaşımıdır. Pirinç, asil altın rengi, güçlü elektrik ve ısı iletkenliği, iyi korozyon direnci, mekanik özellikleri ve işlenebilirliği ile güzel bir görünüme sahiptir. Kesilmesi, parlatılması ve kaynak yapılması kolaydır ve levhalar, şeritler, borular, çubuklar ve profiller halinde yapılabilir. Termal ve elektriksel iletken bileşenler, korozyona dayanıklı yapısal parçalar, elastik bileşenler, soğuk damgalama parçalarıderin çekme parçalar, günlük donanım ve dekoratif malzemeler.

Bronz, pirinç ve beyaz bakır hariç diğer bakır bazlı alaşımlar için kullanılan genel bir terimdir. Yaygın alaşım elementleri arasında kalay, alüminyum, silikon, manganez, krom vb. bulunur. Bronz, sıradan bronz ve özel bronz olarak ikiye ayrılır.

Sıradan bronz, kalay bronz (Cu-Sn alaşımı) olarak da bilinen 5% ila 20% kalay içeriği ile ana alaşım elementi olarak kalay kullanır. Mavi-gri bir renge ve güçlü korozyon direncine sahiptir. Ayrıca dövme kalay bronz ve dökme kalay bronz olarak ikiye ayrılır.

Dövme kalay bronz, iyi mekanik özelliklere ve işlenebilirliğe, aşınma direncine sahip 6% ila 7%'den daha az kalay içeriğine sahiptir ve çeşitli levha, şerit, tüp ve çubuk özelliklerine göre işlenebilir.

Dökme kalay bronzu 10% ila 14% kalay içeriğine sahiptir, nispeten serttir, iyi dökülebilirliğe sahiptir ve karmaşık şekillere ve net konturlara sahip dökümler üretmek için kullanılabilir. Özel bronz genellikle alüminyum bronz, berilyum bronz, manganez bronz vb. gibi kalay içermeyen bronzları ifade eder. Çoğu özel bronz, sıradan bronzdan daha yüksek mekanik özelliklere, aşınma direncine ve korozyon direncine sahiptir.

Beyaz bakır (Cu-Ni alaşımı), ana alaşım elementi olarak nikel içeren bir bakır alaşımıdır. Beyaz bir renge sahiptir, nispeten yumuşaktır ve iyi bir korozyon direncine sahiptir. Bakır alaşımlarındaki nikel içeriği arttıkça, beyaz bakırın mukavemeti, sertliği, esnekliği ve korozyon direnci de artar. Beyaz bakır, sıradan beyaz bakır ve özel beyaz bakırı içerir.

Sıradan beyaz bakır sadece bakır ve nikelden oluşan bir alaşımdır. Özel beyaz bakır, çinko beyaz bakır, alüminyum beyaz bakır, manganez beyaz bakır vb. gibi çinko, alüminyum, manganez vb. gibi diğer alaşım elementlerinin eklenmesiyle bakır ve nikelin bir alaşımıdır. Endüstriyel olarak, beyaz bakır yapısal beyaz bakır ve elektrikli beyaz bakır olarak ikiye ayrılır.

II. Seramik Malzemeler

Seramikler, doğal veya sentetik toz bileşiklerden şekillendirme ve yüksek sıcaklıkta sinterleme yoluyla polikristal katı malzemelere dönüştürülen inorganik polimer malzemelerdir. Çok çeşitli hammadde kaynakları ile mükemmel fiziksel ve kimyasal özelliklere (korozyon direnci, optik, elektriksel, termal özellikler, yalıtım özellikleri, vb) ve mükemmel yüksek sıcaklık direncine sahiptirler. Esas olarak özel uygulamalarda (özel seramikler) ve günlük kullanımda (geleneksel seramikler) kullanılırlar. Ancak kırılgandırlar, işlenmeleri zordur ve güvenilirlikleri düşüktür.

Seramikler kullanımlarına göre sıradan seramikler, özel seramikler ve metal seramikler olarak sınıflandırılabilir.

1. Sıradan Seramikler

Sıradan seramikler hammadde olarak kil, feldspat ve kuvarstan yapılır ve sinterlenir. Avantajları sertlik, oksitlenmeme, paslanmama, yüksek sıcaklık direnci; iyi şekillendirilebilirlik ve düşük maliyettir.

Dezavantajları düşük mukavemettir ve yalıtım ve yüksek sıcaklık direnci diğer seramikler kadar iyi değildir. Çeşitli günlük seramik ürünlerde, elektrikli porselen izolatörlerde, asit ve alkaliye dayanıklı kaplarda ve reaksiyon kulesi boru hatlarında ve tekstil makineleri kılavuz parçalarında yaygın olarak kullanılırlar.

2. Özel Seramikler

Özel seramikler arasında alümina seramikler, silisyum karbür seramikler, silisyum karbür seramikler ve bor nitrür seramikler bulunmaktadır.

(1) Alümina Seramikler

Alümina seramikler (bileşim: ana kristal faz olarak Al₂O₃, az miktarda SiO₂ ile) yüksek sertlik, yüksek sıcaklık direnci (oksidasyon direnci, yüksek sürünme direnci), korozyon direnci ve iyi yalıtım özellikleri avantajlarına sahiptir; dezavantajları yüksek kırılganlık ve zayıf termal şok direncidir. Rulmanlar, içten yanmalı motorlar için bujiler, roket ve füze burun konileri, sentetik fiber nozullar ve çeşitli kesici aletler gibi aşınmaya dayanıklı parçaların üretiminde kullanılırlar.

(2) Silisyum Nitrür Seramikler

Silisyum nitrür seramikler (ana bileşen: Si₃N₄) iki yöntemle hazırlanır: sıcak presleme sinterleme ve reaksiyon sinterleme. Performans özellikleri yüksek sertlik, düşük sürtünme katsayısı, mükemmel aşınma direnci, yüksek sürünme direnci, düşük termal genleşme katsayısı ve en iyi termal performanstır. İyi kimyasal stabiliteye (hidroflorik asit hariç) ve mükemmel yalıtım özelliklerine sahiptirler.

Aşınmaya dayanıklı, yüksek sıcaklığa, korozyona dayanıklı ve potalar, yalıtım parçaları, yüksek sıcaklık yatakları, gaz türbini rotor kanatları gibi karmaşık şekilli, yüksek hassasiyetli seramik ürünlerde kullanılabilirler ve ayrıca termokupl koruma tüpleri, petrokimya pompaları için sızdırmazlık halkaları (dinamik contalar) ve kesici takımlar yapmak için de kullanılabilirler.

(3) Silisyum Karbür Seramikler

Silisyum karbür seramikler (ana bileşen: SiC) reaksiyon sinterleme ve sıcak presleme sinterleme ile hazırlanır. Yüksek sıcaklık mukavemetine, iyi termal iletkenliğe, radyoaktif elementlerden kaynaklanan radyasyona karşı dirence, iyi termal stabiliteye, sürünme direncine ve korozyon direncine sahiptirler. Roket nozul memeleri, yüksek sıcaklık yatakları, ısı eşanjörleri ve nükleer yakıt kaplama malzemeleri gibi yüksek sıcaklık yapısal malzemelerinde kullanılırlar.

(4) Bor Nitrür Seramikler

Bor nitrür seramiklerinin (ana bileşen: BN) kristal yapısı altıgen olup grafite benzer ve "beyaz grafit" olarak adlandırılır. Isı direnci, termal iletkenlik, termal stabilite ve iyi termal şok direnci gibi özelliklere sahiptir ve nükleer reaktörlerde termal nötronları emen kontrol çubuklarında kullanılabilir.

3. Sermet

Sermetin bileşimi, uygun miktarda metal tozu içeren metal oksitler veya karbürlerdir (Al2O3, ZnO, TiC, WC, vb. + Co, Ni, Cr, Fe, Mo, vb.) Hazırlama yöntemi toz metalurjisidir (işlem: toz yapımı → presleme ve şekillendirme → sinterleme → işlem sonrası vb.)

Yüksek sertlik, yüksek termal sertlik, yüksek aşınma direnci, yüksek basınç dayanımı, düşük eğilme dayanımı, yüksek elastik modül, iyi korozyon direnci, çelikten daha düşük termal genleşme katsayısı, yüksek kırılganlık ve iyi termal iletkenlik gibi özelliklere sahiptir. Sermet üç kategoriye ayrılabilir: tungsten-kobalt, tungsten-kobalt-titanyum ve evrensel sert alaşım.

• Tungsten-kobalt tipinin bileşimi WC+Co olup tipik kaliteleri YG3, YG6, YG8'dir. Dökme demir, bazı demir dışı metaller ve bakalit gibi kırılgan malzemeleri kesmek için aletler üretmek için kullanılabilir.
• Tungsten-kobalt-titanyum tipinin bileşimi WC+Ti+Co olup, tipik kaliteleri YT5, YT15, YT30'dur. Çelik gibi sert malzemeleri kesmek için takımlar üretmek için kullanılabilir.
• Evrensel sert alaşımın bileşimi WC+TiC+TaC+Co olup, tipik kaliteleri YW1, YW2'dir. İyi işleme sonuçları ile hem kırılgan hem de sert malzemeleri kesebilen aletler üretmek için kullanılabilir.

III. Polimer Malzemeler

Makromoleküller olarak da bilinen polimerler, kovalent bağlarla birbirine bağlanmış binlerce ila milyonlarca atomdan oluşan büyük moleküllerdir. Bu nedenle makromoleküller veya polimerler olarak da adlandırılırlar. Polimerlerin özellikleri, 10^4 ila 10^6'ya kadar büyük moleküler ağırlık ve moleküler ağırlık polidispersitesidir. Bağıl moleküler kütleleri genellikle on binler ila milyonlar arasındadır.

Polimer malzemeler kaynaklarına göre doğal organik polimer malzemeler (ahşap, doğal kauçuk, asfalt vb.) ve sentetik organik polimer malzemeler (plastikler, kauçuk, kimyasal lifler) olarak ayrılabilir. Ayrıca ısıtıldıklarında gösterdikleri özelliklere göre termoplastik polimerler ve termoset polimerler olarak da ayrılabilirler.

Polimer malzemelerin avantajları düşük yoğunluk, yüksek elastikiyet, aşınma direnci, yalıtım, korozyon direnci, hafiflik, yüksek özgül mukavemet (hafif ve yüksek mukavemetli malzemeler), düşük ısı iletkenliği (iyi ısı yalıtımı), iyi işlenebilirlik ve bol miktarda hammaddedir. Dezavantajları ise zayıf mekanik özellikler, özellikle düşük mukavemet, yüksek sıcaklıklara (≤300°C) dayanıklı olmaması, yanıcılık ve yanma sırasında zehirli gazların açığa çıkması ve zamanla eskimeleridir.

Polimer malzemeler üç kategoriye ayrılabilir: plastikler, kauçuk ve elyaflar.

1. Plastikler

Plastikler, camsı halde kullanılan plastisiteye sahip polimer malzemelerdir. Esas olarak reçinelerden oluşurlar, çeşitli katkı maddeleri eklenir ve belirli sıcaklıklar ve basınçlar altında işlenebilir ve şekillendirilebilirler. Plastikler termoplastikler ve termoset plastikler olarak ikiye ayrılabilir.

(1) Termoplastikler

Termoplastikler, belirli bir sıcaklık aralığında ısıtılarak tekrar tekrar yumuşatılabilen ve soğutularak sertleştirilebilen plastiklerdir.

Yaygın termoplastikler arasında polietilen (PE), polipropilen (PP), polistiren, polimetil metakrilat (PMMA) ve polivinil klorür (PVC) bulunur. Bunlar arasında polietilen en büyük üretim hacmine ve en basit yapıya sahiptir; polipropilen en hafif plastiktir; polivinil klorür en çok yönlü plastiktir ve ucuzdur; polimetil metakrilat en şeffaf plastiktir ve kırılmaz cam olarak bilinir.

(2) Termoset Plastikler

Termoset plastikler, ısıtıldıktan sonra (veya ısıtılmadan) kalıcı olarak sabitlenen ve bir kez oluşturulduktan sonra yeniden eritilemeyen ve yeniden şekillendirilemeyen plastiklerdir. İyi ısı direncine ve sürünme direncine sahiptirler.

Yaygın termoset plastikler arasında fenolik reçine, epoksi reçine ve polyester reçine bulunur. Fenolik reçine elektrik yalıtım malzemesi olarak kullanılabilir; epoksi reçine kompozit malzeme ve yapıştırıcı olarak kullanılabilir; polyester reçine fiberglas yapmak için kullanılabilir.

Plastikler kullanım alanlarına göre genel amaçlı plastikler, mühendislik plastikleri ve özel plastikler olarak da ayrılabilir.

(1) Genel Amaçlı Plastikler

Genel amaçlı plastikler, büyük üretim hacimlerine, geniş uygulama alanlarına ve düşük fiyatlara sahip plastiklerdir. Bunlar temel olarak polietilen, polivinil klorür, polistiren, polipropilen, fenolik plastikler, fenolik ve üre-formaldehit plastikler vb. içerir. Toplam plastik üretiminin 75%'den fazlasını oluştururlar ve günlük ihtiyaçlarda, ambalajlamada, tarımda ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılırlar.

(2) Mühendislik Plastikleri

Mühendislik plastikleri, belirli dış kuvvetlere dayanabilen, yüksek mukavemet ve sertliğe sahip ve iyi boyutsal kararlılığa sahip plastiklerdir. Mekanik parçalar ve mühendislik bileşenleri üretmek için metallerin yerini alabilirler. Yaygın mühendislik plastikleri arasında poliamid (PA), polikarbonat (PC), polioksimetilen (POM), politetrafloroetilen (PTFE), ABS, polimetil metakrilat ve epoksi reçine bulunur.

Bunlar arasında poliamid en çok üretilen ve en erken geliştirilen mühendislik plastiğidir; polikarbonat toksik değildir, tatsızdır, şeffaftır ve en iyi darbe direncine sahiptir; polioksimetilen kendinden yağlama özelliklerine ve yüksek boyutsal kararlılığa sahiptir; politetrafloroetilen en düşük sürtünme katsayısına sahiptir ve plastiklerin kralı olarak bilinir.

(3) Özel Plastikler

Özel plastikler, ısı direnci ve kendinden yağlama gibi özel özelliklere sahiptir ve iletken plastikler, manyetik plastikler ve ışığa duyarlı plastikler gibi özel gereksinimler için kullanılabilir. Yaygın özel plastikler arasında floroplastikler, silikon plastikler ve poliimidler bulunur.

2. Kauçuk

Kauçuk, tersine çevrilebilir deformasyona sahip yüksek elastikiyetli bir polimer malzemedir. Oda sıcaklığında elastiktir ve çok küçük dış kuvvetler altında önemli deformasyona uğrayabilir, dış kuvvet kaldırıldığında orijinal durumuna geri döner.

Kauçuk, düşük camsı geçiş sıcaklığına sahip tamamen amorf bir polimerdir ve genellikle yüz binleri aşan çok yüksek bir moleküler ağırlığa sahiptir. Hammaddelerine göre doğal kauçuk ve sentetik kauçuk olarak; formlarına göre ise blok ham kauçuk, lateks, sıvı kauçuk ve toz kauçuk olarak sınıflandırılır.

(1) Doğal Kauçuk

Doğal kauçuk iyi elastikiyete, yüksek mukavemete, iyi esneme direncine ve iyi yalıtım özelliklerine sahiptir. Bu özellikler sentetik kauçukla kıyaslanamaz. Bu nedenle, doğal kauçuk en önemli kauçuk türü olmaya devam etmektedir. Ayrıca iyi işlenebilirliğe, yapışkanlığa ve karıştırılabilirliğe sahiptir.

(2) Sentetik Kauçuk

Özelliklerine ve kullanımlarına göre genel amaçlı sentetik kauçuk, özel amaçlı sentetik kauçuk ve diğer sentetik kauçuklar (termoplastik elastomerler, toz kauçuk, sıvı kauçuk vb. gibi) olarak sınıflandırılabilen birçok sentetik kauçuk türü vardır. Genel amaçlı sentetik kauçuk tipik olarak lastiklerin ve stiren-bütadien, bütadien, kloropren, bütil, poliizopren, etilen-propilen ve nitril kauçuk gibi diğer yaygın kauçuk ürünlerin üretiminde doğal kauçuğun yerine kullanılır.

Özel amaçlı sentetik kauçuk, soğuğa, sıcağa ve yağa karşı direnç gibi özel özelliklere sahiptir ve klorosülfonlanmış polietilen, klorlu polietilen, silikon kauçuk, flororubber, akrilat, epiklorohidrin ve polisülfit kauçuk gibi belirli koşullar için kauçuk ürünler üretmek için kullanılır.

3. Lifler

Lifler, yüksek uzunluk/çap oranına ve belirli bir esnekliğe sahip ince polimer malzemelerdir. Lifler organik sentetik lifler, inorganik lifler ve doğal lifler olarak sınıflandırılır. İnorganik lifler metal lifleri, karbon lifleri, silikon bazlı lifleri ve mineral lifleri içerir. Doğal lifler bitki liflerini (kenevir ve pamuk gibi) ve hayvan liflerini (yün ve deve tüyü gibi) içerir.

Başlıca sentetik lifler polyester, poliamid ve poliakrilonitrildir. Naylon olarak da bilinen poliamid elyaflar başlangıçta DuPont'un ticari markasıydı. Mukavemet, yüksek elastikiyet ve hafiflik ile karakterize edilirler ve yaklaşık yarısı giyim ve yarısı endüstriyel üretim için kullanılır.

Dakron olarak da bilinen polyester elyaf, giyimde kullanılan yaklaşık 90% ve endüstriyel üretim için sadece yaklaşık 6% ile en çok üretilen sentetik elyaftır. Poliakrilonitril elyaflar, akrilonitrilin homopolimerlerini ve kopolimerlerini içerir ve giyim için yaklaşık 70% ve endüstriyel üretim için sadece yaklaşık 5% kullanılır.

IV. Kompozit Malzemeler

Kompozit malzemeler, mikroskobik veya makroskobik formda iki veya daha fazla katı faz bileşeninden oluşan ve kendilerini oluşturan maddelerden farklı yeni özelliklere sahip malzemelerdir.

Yüksek özgül gerilme mukavemetine ve özgül gerilme modülüne sahiptirler (bkz. Şekil 3); özellikleri tasarlanabilir ve yapısal bileşenlere dönüştürülmeleri kolaydır; anizotropik ve tekdüze olmayan özelliklere sahiptirler. Kompozit malzemeler kullanım alanlarına göre yapısal kompozit malzemeler ve fonksiyonel kompozit malzemeler olarak sınıflandırılır.

1. Yapısal Kompozit Malzemeler

Yapısal kompozit malzemeler esas olarak yük taşıyabilen takviye bileşenlerinden (cam, seramik, karbon, polimerler, metaller, doğal lifler, kumaşlar, bıyıklar, tabakalar ve parçacıklar gibi) ve takviye bileşenlerini bütünleşik bir malzemeye bağlayan ve aynı zamanda kuvvetleri ileten matris bileşenlerinden (reçineler, metaller, seramikler, cam, karbon ve çimento gibi) oluşan yük taşıyıcı yapılar olarak kullanılır.

Yapısal kompozit malzemeler genellikle matrise göre polimer matrisli kompozitler, metal matrisli kompozitler, seramik matrisli kompozitler, karbon matrisli kompozitler ve çimento matrisli kompozitler olarak sınıflandırılır.

2. Fonksiyonel Kompozit Malzemeler

Fonksiyonel kompozit malzemeler, mekanik özelliklere ek olarak piezoelektrik, iletken, radar gizliliği, kalıcı manyetik, fotokromik, ses emici, alev geciktirici ve biyo-emilebilir malzemeler gibi diğer fiziksel, kimyasal, biyolojik ve diğer özellikleri sağlayan ve geniş gelişme beklentileri olan kompozit malzemeleri ifade eder.

Gelecekte, fonksiyonel kompozit malzemelerin oranı yapısal kompozit malzemelerin oranını aşacak ve kompozit malzeme geliştirmenin ana akımı haline gelecektir. Kompozit piezoelektrik malzemeler, iletken ve süper iletken malzemeler, manyetik malzemeler, sönümleme malzemeleri, sürtünme ve aşınma malzemeleri, ses emici malzemeler, gizli ve dalga emici malzemeler ve çeşitli hassas dönüştürücü malzemeler gibi birçok işlevsel kompozit malzeme halihazırda geliştirilmiş ve bazıları uygulanmıştır.

Kompozit malzemelerin başlıca uygulama alanları arasında havacılık ve uzay, enerji endüstrisi, otomotiv endüstrisi, kimya endüstrisi, tekstil ve makine imalatı, tıbbi cihazlar, spor ekipmanları ve inşaat malzemeleri yer almaktadır.

Havacılık ve uzay alanında, kompozit malzemelerin iyi termal kararlılığı, yüksek özgül mukavemeti ve yüksek özgül sertliği nedeniyle, uçak kanatları ve ön gövdeleri, uydu antenleri ve destek yapıları, güneş pili kanatları ve kabukları, büyük fırlatma aracı kabukları, motor kabukları ve uzay mekiği yapısal bileşenleri üretmek için kullanılabilirler.

Halihazırda kompozit malzemeler ticari uçakların toplam ağırlığının sadece 50%'sini oluştururken (bkz. Şekil 4), bazı helikopterler 90%'ye ulaşmış durumdadır. Hollanda, şekli bir uçan daireye benzeyecek olan yeni bir yeşil, çevre dostu uçak türü geliştirmeyi planlamaktadır. Kullanılan kompozit malzemeler (elyaf takviyeli plastikler gibi) metallerle karşılaştırılabilir mukavemete sahip olacak, ancak ağırlık olarak çok daha hafif olacak ve böylece yakıt tasarrufu sağlayacaktır (bkz. Şekil 5).

Otomotiv endüstrisinde, kompozit malzemelerin özel titreşim sönümleme özellikleri nedeniyle, titreşimi ve gürültüyü azaltabilirler, iyi yorulma direncine sahiptirler, hasardan sonra onarımı kolaydır ve entegre kalıplama için uygundurlar. Bu nedenle, araba gövdeleri, yük taşıyan bileşenler, tahrik milleri, motor şasileri ve iç bileşenlerin üretiminde kullanılabilirler.

Kimya, tekstil ve makine imalat alanlarında, karbon fiber takviyeli reçine matrisli kompozitler gibi iyi korozyon direncine sahip malzemeler, kimyasal ekipman, tekstil makineleri, kağıt makineleri, fotokopi makineleri, yüksek hızlı takım tezgahları ve hassas aletler üretmek için kullanılabilir.

Tıp alanında, karbon fiber kompozitlerin mükemmel mekanik özellikleri ve X-ışınlarını emmemesi nedeniyle, tıbbi röntgen makineleri ve ortopedik diş telleri üretmek için kullanılabilirler. Karbon fiber kompozitler ayrıca biyouyumluluk ve kan uyumluluğuna ve biyolojik ortamlarda iyi stabiliteye sahiptir, bu da onları biyomedikal malzemeler olarak kullanıma uygun hale getirir.

Ayrıca, kompozit malzemeler spor ekipmanı üretiminde ve inşaat malzemesi olarak kullanılmaktadır. Enerji teknolojisi uygulamalarındaki gelişmiş kompozit malzeme örnekleri Tablo 1'de gösterilmektedir.

Tablo 1 Enerji teknolojisinde gelişmiş kompozit malzemelerin uygulama örnekleri