Havacılık alanında kompozit malzemeler, hem geniş fiziksel, mekanik ve kimyasal karakteristiklerinden hem de yapısal düzenleme ile özelliklerinin değiştirilmesinden dolayı yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu anlamda kompozit malzeme kullanımındaki artışın en önemli sebebi yüksek mukavemet/ağırlık oranıdır. Ağırlığının azaltılması daha fazla yük, yakıt ve yolcunun taşınabilmesi sağlar. Kompozit parçalar metal parçalar kadar mukavimlidirler ve onlardan daha hafiftirler. Bununla birlikte kompozit malzemelerin, kompleks ve aerodinamik profilli şekilleri rahatlıkla alabilmeleri bir diğer avantajları oluşturur. Kompozit malzemelerin kullanılması ile birlikte yapıyı oluşturan parça ve bağlama elemanı sayısı azalır. Böylece konstrüksiyon basitleşir ve maliyette düşer. Kompozitler oldukça esnek, titreşimlere dayanıklı bir yapıya sahip oldukları için metal yapılarda görülen yorulma olayı meydana gelemeyecek şekilde dizayn edilebilirler. Ayrıca metaller gibi korozyona uğramazlar. Yüksek yüzey direnci, kompozitlerin bir diğer avantajını oluşturmaktadır. Kompozitler metallerde görülen gerilme çatlakları oluşturmadan rahatlıkla esneyebilirler.
Uçak yapımında kullanılan malzemelere bakıldığında uzun yıllar boyunca ağırlıklı olarak alüminyuma bağlı kalındığı görülmektedir. Bugün de kanat gibi önemli parçaların üretimi bu malzeme ile gerçekleştirilmektedir. Ancak günümüz araçlarında alüminyum oranı düşmüş durumdadır onun yerine artık termostat, termoplastik, seramik vb. elyaflı kompozit malzemeler; kompozit-kompozit ya da metal-kompozit gibi birden fazla malzemenin bir araya getirilmesi ile oluşturulan melez malzemeler ya da alüminyum-lityum alaşımı gibi alaşımlar kullanılmaktadır. Örneğin 1990’lı yıllarda üretilen boeing 757’lerde %78 Al, %3 kompozit kullanılmasına karşın, 2010’da hizmete giren yeni bir yolcu uçağı tasarımında %65 kompozit, %11 Al kullanılmıştır.
Kompozit malzeme kullanımının artış hızının yavaş olmasının iki nedeni vardır; sertifikasyon zorluğu ve maliyettir. Bu günlerde kompozit malzeme araştırmalarında en çok önem verilen konulardan biri de¸termostat yerine düşük maliyetli termoplatik matris malzemelerinin geliştirilmesidir. Polyetheretherketone (PEEK) ve polyetherimide (PEI) gibi termoplastik malzemeler; hem dayanıklı hem de üretimi kolay ve ucuz kompozitler oluşturulmasına olanak sağlamaktadır.
Kompozitler hacimsel olarak birbirine göre farklı şekil ve özelliklere sahip iki veya daha fazla elemandan oluşan ve bu elemanlar arasındaki sınırın rahatlıkla görülebildiği, bu elemanların olumlu özelliklerinin bir araya getirildiği malzemelerdir. Kompozit malzemelerin ana unsurları matris ve takviye malzemeleridir. Başlıca takviye elemanları fiberler, pullar, taneler, tanecikler ve tabaklar iken matrisler ise polimer, metaş ve seramik esaslı malzemeler olabilir.
Uçak Yapımında Kullanılan Kompozit Malzemeler
Günümüzde kompozit malzemeler alanındaki çalışmalara üç ana kategoride sürdürülmektedir. Bunlar; fiber takviyeli; tane takviyeli, ve tanecik takviyeli kompozit malzemelerdir. Malzeme ne olursa olsun kompozit düşük elastiklik modülüne sahip matristen ve matristen 10-1000 kat daha fazla mukavemet ve tokluk değerlerine sahip takviye elemanından oluşur.
Tanecik takviyeli kompozit malzemelerde matris içerisinde 0,01-0,1 µm boyutunda, hacimce oranı %1-15 arasında değişen üniform olarak dağılmış ince tanecikler bulunur. Bu tür kompozit malzemelerde ana yükü matris taşır, tanecikler dislokasyon hareketini önlerler.
Tane takviyeli kompozit malzemelerde, tane boyutu 1 µm’yi aşar ve hacimce oranı %25’in üzerinde olabilir. Bu durumda yük matris ve taneler arasında paylaşılır, matris şekil değiştirme değeri belirli bir büyüklüğü ulaştığında taneler mekanik sınırlandırma etkisi yaparlar.
Fiber takviyeli kompozit malzemelerde, fiberler yükü taşıyan ana elemanlardır. Matrisin görevi ise yükü fiberlere iletmek ve dağıtmaktır. Kullanılan fiberlerin çapları 0,1-100 µm arasında, hacimce oranları ise %10-70 arasında değişmektedir. Günümüzde kompozit malzeme alanındaki çalışmalar, daha ziyade fiber takviyeli kompozit malzemeler üzerinde yoğunlaşmaktadır. Bu kompozitlerin kullanımı ile birlikte havacılık alanında önemli miktarda ağırlık tasarrufu ve performans artışı sağlanmıştır.
Sın 30 yılda reçine ve fiber teknolojisinde büyük gelişmeler sağlanarak geliştirilen kompozit malzemelerde, konvensiyonel malzemelerin elastiklik modülüne ulaşılmıştır. Bu nedenle kompozit malzemeler; kaplamalar, takviye parçaların kontrol yüzeyleri ve flaplarda kullanım alanları bulmuşlardır. Uçaklar genellikle gövde ağırlık kontrolü, uzun hizmet ömrü, sistem dizaynının ana hatları ve maliyet karakterlerinin yanı sıra belirli navlun, mesafe, seyirsürati, irtifa gibi performans gereksinimlerini karşılayacak şekilde dizayn edilirler. Diğer tüm koşulların eşit olduğu durumda ağırlığı en az tutan dizayn kriteri en uygun dizayn kriteri olacaktır. Buna göre uygun özelliklere sahip hafif malzemeler en iyi özellikleri sağlayacaktır. Kompozit malzeme tasarımında iki önemli unsur vardır. Bunlardan birincisi matristeki fiberin yönlenme doğrultusudur. İkincisi ise malzeme dizaynın da aerodinamik koşullarınında göz önünde bulundurulması zorunluluğudur. Bu koşullar gerçekleştiğinde, kompozit malzemelerin imalata uygunluğu, bakım maliyetinin düşük ve mekanik özelliklerinin iyi olması uçak tasarımın da büyük avantaj sağlar.
Fiber Kompozit Malzemeler
Uçak yapıları için kullanılan kompozit malzemeler genellikle fiber kompozitler sınıfına aittir. Uçak endüstrisinde kullanılan kompozit malzemelerde yaygın olarak cam, karbon, bor ve polimerik fiberler kullanılmaktadır. Aşağıdaki şekilde yaygın kullanılan kompozitlerin fiberlere göre bir uçaktaki genel dağılımı görülmektedir.
Cam Fiberleri
Mühendislik açısından cam ilginç bir malzemedir. Çünkü maliyeti düşük, spesifik mukavemeti iyi, darbe direnci yüksek , kimyasal ve termal stabilitesi ve şekillendirme kabiliyeti iyidir. Mükemmel yalıtkanlık özelliğinden dolayı termal yalıtkanlık istenilen yerlerde, dielektrik özelliklerinden dolayı radomlarda tercih edilmektedir. Cam fiber takviyeli kompozitlerin genel kullanım sıcaklıkları 1470C’nin altında olmasına rağmen, 5370C civarı sıcaklıklarda düvenle kullanılabilmektedir. Polyamid reçineleri ile kullanıldığında kullanım sıcaklıkları bir misli artmaktadır.
Bütün bunların yanında can fiberlerin bazı olumsuz özellikleri de vardır. Bunlar; başta düşük elastiklik modülüdür. Hava araçlarında kritik tokluk ve basma özellikleri de diğer dezavantajlarıdır. Düşük elastiklik modülü plastik matrisler de fazla gerilime neden olur, bu ise gerilim uygulandığında kırılmalara sebebiyet verir, dolayısıyla yorulma ömrü kısa olur. Bu özellik basınçlı kap uygulamalarında göz önüne alınması gereken bir faktördür. Havacılık kompozitlerinde kullanılan cam fiberleri E-camı, S-camı ve C-camı’dır.
E-camı kumun haricinde maksimum oranda kalsiyumoksit içermektedir. Bu cam türü yüksek elastiklik ve yorulma dayanımı gerektiren parçalarda kullanılır. S-camı maksimum oranda alüminyum ve demiroksit içermektedir ve yüksek sıcaklık direnci gereken, fazla yüklenen parçalar için üretilir. C-camı ise maksimum oranda sodyum ve potasyumoksit içerir ve korozyon direnci yüksek bir cam türüdür.