TARIFNAME DARBEYE DAYANIKLI MALZEMELERDE KULLANIM IÇIN KARBON VE ULTRA YÜKSEK MOLEKÜLER AGIRLIKLI POLIETILEN FIBERLERDEN OLUSAN HIBRIT KUMASLAR Teknik Alan Mevcut bulus, gelistirilmis darbe direnci performansina sahip karbon ve ultra yüksek moleküler agirlikli polietilen (UHMWPE) fiberlerden olusan bir hibrit kumas ile ilgilidir. Önceki Teknik Elektrikli araçlar, daha temiz ve daha verimli tahrik sistemleri sayesinde içten yanmali motorlarin kullanildigi araçlara en umut verici alternatiflerden biridir. Tipik bir elektrikli araçta, akü grubu, akü grubunu önden ve arkadan darbelerden korumanin yani sira, mümkün oldugunca az dikkat çekmesini saglamak için aracin zeminine monte edilmektedir. Bununla birlikte, akü grubu, akü grubuna çarpabilecek ve içine girebilecek yollardaki moloz ve taslar gibi zemin darbeleri nedeniyle yine de deforme olabilmektedir. Zemin darbeleri akü grubunda hasara neden olmasinin yaninda yanginlara da neden olabilmektedir. Bu nedenle birçok elektrikli araç, zemin darbesinden akü grubunu muhafaza etmek ve korumak için sekillendirilmis ve konumlandirilmis olan, elektrikli aracin altina monte edilmis olan örnek olarak bir darbeye dayanikli nesne gibi bir koruyucu malzeme içermektedir. Genel olarak, yüksek özgül mukavemetleri ve sertlikleri nedeniyle bahsedilen darbeye dayanikli malzemelerde karbon fiber kompozitler kullanilmaktadir. Bununla birlikte, yollardaki moloz gibi bölgesel darbe hasarina maruz kaldiklarinda, karbon fiber kompozitlerin, dogasindan kaynaklanan kirilganliklari ve zayif tokluklari nedeniyle delaminasyonlarin veya çatlaklarin neden oldugu mekanik özelliklerde azalma ve hatta servis sirasinda yikici hasarlar yasamasi muhtemeldir. Bu sorunu çözmek için hibrit kompozitler yani karbon fiber ve diger fiberlerden olusan kompozitler önerilmistir. En yaygin kullanilan fiberler cam fiberler, poliaramid, keten veya bazalt gibi dogal fiberler ve polietilen fiberler gibi poliolefin fiberlerdir. Bunlar arasinda, ultra yüksek moleküler agirlikli (UHMWPE) fiberler, düsük, yüksek eksenel özgül mukavemeti ve modülüsü, yüksek uzama ve mükemmel enerji absorpsiyon performansi nedeniyle iyi bir adaydir (Hu, Yuan, ve digerleri "Damage tolerance of 2-dimentional UHMWPE/CF hybrid woven laminates subjected to low-velocity impact." Teknigin bilinen durumunda bulunan karbon ve UHMWPE fiberleri içeren hibrit malzemelerin örnekleri asagida verilmistir. EP 0 310 203 sayili dokümanda, iyi sönümleme özelliklerine sahip filamanlarin toplam filaman miktarinin hacimce yaklasik %30 ila %50'si oldugu bir matriste mekanik titresimlere karsi büyük ölçüde farkli sönümleme tepkilerine sahip filaman kombinasyonlarindan bahsedilmektedir. Yüksek sönümleme özelliklerine sahip olan filamanlar özellikle UHMWPE'den yapilmis filamanlardir ve düsük sönünileme özelliklerine sahip olan filamanlar cam fiberler veya karbon fiberlerdir. Filamanlardan üretilen kompozit ürünler, özellikle epoksi reçineden yapilmis bir matris olmak üzere bir matris içine gömülmektedir. EP 3 006 489 sayili dokümanda, ultra yüksek molar kütleli bir dogrusal polietilenden (UHMWPE) olusan bir yüksek performansli polietilen fiber filamanlari ile örülmüs olan ve bir düsük kürleme sicaklikli epoksi reçinenin bir matrisi içine emprenye ettirilmis ve en yüksek 100°C sicaklikta kürlenmis olan karbon filamanlardan olusmus kompozit kumaslar açiklanmaktadir. Kumas, dokuma yönlerinden birinde (atki veya çözgü) UHMWPE fibere alternatif olarak karbon fiberin kullanimini ve diger yönde dik açilarda tek UHMWPE fiberin kullanimini içermektedir. Kumas agirlikça %50 UHMWPE ve %50 karbon fiberden olusmaktadir. US 4,983,433 sayili dokümanda iki tür filamandan olusan bir çift karisik dokuma veya örülmüs kumas olan bir fiber takviyeli plastik için bir takviye açiklanmaktadir. Kullanilan filamanlardan biri, söz konusu kumasin toplam yüzey alaninin %60 ila %90'ini kaplayan bir UHMWPE filamanidir. Diger filamanlar karbon veya cam filamanlar olabilmekte ve kumasin toplam arka yüzey alaninin UHMWPE olan yüksek performansli polimer fiber, ve cam fiberler ve karbon fiberlerden olusan gruptan seçilen hacimce %100 ila %80 fiber içeren bir kumas A'dan en az bir katman; hacimce %20 ila 70 arasinda tercihen UHMWPE olan yüksek performansli polimer fiber, ve cam fiberler ve karbon fiberlerden olusan gruptan seçilen hacimce %80 ila %20 fiber içeren bir kumas B'den en az bir katmani; ve bir matris materyalini içeren bir çok katmanli hibrit kompozit açiklanmaktadir. fiber ve bir polimerik olmayan fiber içeren hibrit kumaslar açiklanmakta olup, burada HPPE fiberin kesit alani, polimerik olmayan fiberin kesit alanina esittir veya bundan daha küçüktür. Tercihen, hibrit kumas HPPE fiberden hacimce %15- 50 içermektedir. UHMWPE fiber içeren hibrit kumaslar açiklanmaktadir. UHMWPE ve karbon fiberler kumasin çözgü, atki veya çözgü ve atki yönlerinde karistinlabilmektedir. Bu dokümanda ayrica söz konusu hibrit kumaslar kullanilarak üretilen kompozit malzemeler açiklanmaktadir. Hu ve meslektaslari, gelistirilmis darbe direnci elde etmek için, atki ve çözgü yönünde 2: 1'lik bir karboanHMWPE oraninda UHMWPE ve karbon fiberlerden yapilmis iki boyutlu dokuma kumaslar içeren laminatlari açiklamaktadir (Hu, Yuan, ve digerleri "Damage tolerance of 2-dimentional UHMWPE/CF hybrid woven laminates subjected to low-velocity impact." Materials & Design 191 Bununla birlikte, gelistirilmis darbe direncine sahip bir hibrit kumas elde etmek için kullanilan UHMWPE fiberlerin özelliklerini gelistirmek mümkündür. Mevcut bulus, karbon fiberler ve UHMWPE fiberler içeren bir hibrit kumasi açiklamakta olup, burada UHMWPE fiberler, gerilme dayanimini gelistirmek ve dolayisiyla hibrit kumasin darbe direnci özelliklerini gelistirmek için bükülmektedir. Hibrit kumas tercihen agirlikça %50-70 karbon fiberler ve %30-50 UHMWPE fiberler içeren dokuma bir kumastir. Mevcut bulus konusu hibrit kumas, endüstriyel, insaat ve askeri uygulamalar gibi darbeye dayanikli malzemelerde önceden emprenye edilmis malzemelerin kullanildigi çesitli alanlarda kullanilabilmektedir. Bulusun Ayrintili Açiklamasi Burada kullanildigi sekliyle "fiber" veya "filaman" terimleri, uzunluk boyutunun enine veya genislik boyutundan daha büyük oldugu uzatilmis bir göVdeyi ifade etmektedir ve bunlar dairesel, düz, dikdörtgen veya enine kesit olarak düzensiz olabilmektedir. Bir tekli fiber yalnizca bir filamandan veya çoklu filamanlardan olusturulabilmektedir. "Kumas" terimi, genel olarak sürekli bir katman olusturacak sekilde düzenlenmis çok sayida fiberi ifade etmektedir ve burada açiklanan fiberler veya filamanlar kullanilarak yapilan dokuma, tek yönlü ve/Veya dokuma olmayan kumas/fiber matrislerini içerebilmektedir. "Hibrit kumas" terimi, en az iki farkli türde fiber veya filaman içeren bir kumasi ifade etmektedir, yani fiberler veya filamanlar farkli kimyasal yapilara ve özelliklere sahiptir. yogunluk (titre) birimini ifade etmektedir. Bir fiberin titresi için alternatif bir ölçü, söz konusu fiberin 1000 metresi basina söz konusu fiberin kütlesini (gram olarak) temsil eden tex'tir. "Tenasite" terimi, gerilmemis bir numunenin (N/tex, g/denye, GPa) birim dogrusal yogunlugu basina kuvvet olarak ifade edilen çekme gerilmesini belirtmektedir. "Çekme modülüsü" terimi, tenasitedeki degisimin gerinimdeki (N/tex, GPa) degisime oranini ifade etmektedir. Bulus konusu hibrit kumasta kullanilan iki çesit fiber asagida daha detayli açiklanacaktir: dtex arasinda bir titreye sahip olabilmektedir. Özellikle karbon fiber, 500 ila olabilmekte ve 1000 ila 48000 arasinda bir filaman sayisina sahip olabilmektedir. Karbon fiber ticari olarak ticari olarak temin edilebilen ürünler olarak satin alinabilmektedir. UHMWPE fiber: Mevcut bulus baglaminda ultra yüksek moleküler agirlik, en az 400 kg/mol agirlik ortalamali bir moleküler agirlik olarak kabul edilmektedir. Birinci ipligin UHMWPE fiberleri, teknikte bilinen herhangi bir teknige göre, örnek olarak eriyik, çözelti veya jel egirme yoluyla üretilebilmekte veya ticari olarak mevcut ürünler olarak satin alinabilmektedir. UHMWPE fiberler ayrica küçük miktarlarda, genellikle %5'ten az, tercihen %3'ten az olmak üzere antioksidanlar, termal stabilizatörler, renklendiriciler, akis hizlandiricilar vb. gibi geleneksel katki maddeleri içerebilmektedir. Fiberler, örnegin 20 ila 4800 denye, herhangi bir uygun denyede olabilmektedir. UHMWPE fiberlerin çekme mukavemetinin, fiberleri bükerek gelistirilebilecegi bulunmustur. Örnegin, 4800 denyelik bir UHMWPE fiberin, 1600 denyelik üç UHMWPE fiberini birlikte bükmekten daha yüksek çekme mukavemetine sahip oldugu bulunmustur (Tablo 1). UHMWPE fiberlerin çekme mukavemetinin metredeki artan büküm sayisi ile arttigi, metrede 55-65 bükümde maksimum degere ulastigi ve metredeki daha fazla bükümde azaldigi tespit edilmistir (Tablo 2). Bu nedenle UHMWPE fiberlerin özellikleri büküm yapilarak uygulamaya göre istenildigi gibi ayarlanabilmektedir. Bükülmüs UHMWPE fiberler kullanilarak üretilen hibrit kumaslar, gelistirilmis darbe direnci özelliklerine sahiptir. Tablo 1 Metre basina degisen sayida bükümde birlikte bükülmüs üç adet 1600 denye UHMWPE fiberin ve bir adet 4800 denye UHMWPE fiberin fiziksel özelliklerinin karsilastirmasi Tablo 2 Metre basina degisen sayida bükümde 4800 denye UHMWPE fiberlerin fiziksel özellikleri mukavemeti (N) (cN/Dtex) . . . . . . . . . (cN/Dtex) Maksimum yük Bulus konusu hibrit kumas agirlikça %50-70 karbon fiberler ve %30-50 UHMWPE fiberler içermektedir. Daha tercihen, hibrit kumas agirlikça %55-65 karbon fiber ve %35-45 UHMWPE fiber içermektedir. En çok tercih edilen bir uygulamada, hibrit kumas agirlikça %60 karbon fiber ve %40 UHMWPE fiber içermektedir. Bu oranin en yüksek darbe direni özellikleriyle sonuçlandigi bulunmustur. Bulusa göre hibrit kumas, tercihen, tipik olarak, benzer veya farkli bilesime sahip olabilen bir tek atki ipligi veya çoklu atki ipligi ve benzer veya farkli bilesime sahip olabilen tek bir çözgü ipligi veya çoklu atki ipligi içeren bir dokuma kumastir. UHMWPE ve karbon fiberler hibrit kumasin çözgü, atki veya çözgü ve atki yönlerinde karistirilabilmektedir. Fiberler çözgü yönünde karistirildiginda, çözgü yönü UHMWPE ve karbon fiberleri içerirken, atki yönü UHMWPE veya karbon fiberleri içermektedir. Fiberler atki yönünde karistirildiginda, atki yönü UHMWPE ve karbon fiberleri, çözgü yönü ise UHMWPE veya karbon fiberleri içermektedir. Fiberler çözgü ve atki yönlerinde karistirildiginda hem çözgü yönü hem de atki yönü UHMWPE ve karbon fiberleri içermektedir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda, UHMWPE ve karbon fiberler çözgü ve atki yönlerinde karistirilmaktadir. UHMWPE'nin karbon fiberlere orani, çözgü ve atki yönlerinde esit veya farkli olabilmektedir. Tercih edilen bir uygulamada, UHMWPE'nin karbon fiberlere orani, çözgü ve atki yönlerinde esittir. Tercihen, dokunmus hibrit kumas türü, düz dokuma kumas, fitilli dokuma kumas, saten dokuma kumas, tek yönlü kumas veya çok katmanli çok eksenli kumastir. Hibrit kumasin alan yogunlugu tercihen 10 ila 3000 g/m2 arasindadir. Daha arasindadir. Bulus konusu hibrit kumas kompozitlerde kullanilabilmektedir. Bir kompozit, en az bir kumas ve farkli bir formda bir malzeme, örnegin bir matris malzemesi, örnegin kumasa emprenye edilmis ve/veya kumas üzerine kaplanmis bir ko(polimer) reçinesi içeren bir malzemeye karsilik gelmektedir. Matris malzemesi tipik olarak kumas arasina emprenye edilmis ve istege bagli olarak daha sonra sertlestirilmis bir sivi (ko)polimer reçinedir. Sertlestirme veya kürleme, teknikte bilinen herhangi bir yöntemle, örnegin bir kimyasal reaksiyonla veya eriyik halden kati hale katilastirilarak yapilabilmektedir. Uygun matris malzemesi örnekleri, termoplastik reçineler, epoksi reçineler, polyester veya vinil ester reçineler veya fenolik reçineleri içermekte olup bunlarla sinirli degildir. Mevcut bulusa göre hibrit kumas, yüksek darbe direnci özelliklerini korurken ve böylece daha fazla ve çesitli uygulama firsatlari saglarken gelistirilmis çekme mukavemeti ve modülüsü göstermektedir. Tercihen hibrit kumas uygulanarak elde edilen kompozit asagidaki özellikleri göstermektedir: en az 28 GPa'lik, daha tercihen en az 32 GPa'lik çekme modülüsü; en az 475 MPa, tercihen en az 535 MPa çekme mukavemeti; ve yüksek darbe özellikleri, yani en az 40, tercihen en az 46 J gibi yüksek enerji emme kapasitesi. Örnekler Asagidaki örnekler mevcut bulusu tasvir etmeyi amaçlamaktadir, ancak mevcut bulusun kapsamini sinirlandirmasi amaçlanmamistir. Materyaller 239 GPa'lik bir çekme modülüsüne, 1600 tex'lik bir titreye ve 4.2 GPa'lik bir tenasiteye sahip olan, ticari olarak temin edilebilen 24K karbon fiber (24000 filaman) kullanilmistir. 1600 denyelik üç UHMWPE filaman, metre basina 60 bükümde ring egirme ile birlestirilmistir. Elde edilen UHMWPE fiber 775 cN/dtex'lik bir çekme modülüsüne, 4800 denye'lik bir titreye ve 28 cN/dtex'lik bir tenasiteye sahiptir. Hibrit kumas Agirlikça %60 karbon ve %40 UHMWPE içeren 2x2 fitilli düzenlemeden olusan bir hibrit kumas üretilmistir. Atki ve çözgü yönleri, 2:1 oraninda UHMWPE fiberler ve karbon fiberler içermektedir. Atki yogunlugu 3.8 olarak ayarlanmistir. Hibrit kumasin alan yogunlugu 1000 g/m2,dir. özellikleri asagidaki Tablo 3'te verilmektedir. UHMWPE fiber daha düsük bir yogunluga sahip oldugu için, karbon ve UHMWPE'den yapilan hibrit kumas, hafif bir çözüm sunmaktadir. Tablo 3 Agirlikça %60 karbon ve %40 UHMWPE içeren %100 karbon kumas ve hibrit kumasin fiziksel özellikleri Karbon kumas Hibrit kumas Elastisite Modülüsü (GPa) 63 32.32 Enerji Emilimi (J) 22.8 46.6 Yogunluk (g/cm3) 1.78 1.46 Özetle mevcut bulus, karbon fiberler ve ultra yüksek moleküler agirlikli polietilen fiberler içeren bir hibrit kumas önermektedir; söz konusu hibrit kumas dokuma bir kumastir ve söz konusu hibrit kumas agirlikça %50-70 karbon fiberleri ve %30-50 Mevcut bulusun bir uygulamasinda, söz konusu ultra yüksek moleküler agirlikli polietilen fiberler, metre basina 20 ila 80 büküme sahiptir. Mevcut bulusun bir baska uygulamasinda, söz konusu ultra yüksek moleküler agirlikli polietilen fiberler, metre basina 40 ila 80 büküme sahiptir. Mevcut bulusun bir diger uygulamasinda, söz konusu ultra yüksek moleküler agirlikli polietilen fiberler, metre basina 55 ila 65 büküme sahiptir. Mevcut bulusun yine bir diger uygulamasinda, söz konusu ultra yüksek moleküler agirlikli polietilen fiberler, 1600 ila 4800 denye,lik bir titreye sahiptir. Mevcut bulusun bir baska uygulamasinda, söz konusu ultra yüksek moleküler agirlikli polietilen fiberler, monofilaman fiberlerdir. Mevcut bulusun bir baska uygulamasinda, söz konusu hibrit kumas, agirlikça içermektedir. Mevcut bulusun bir baska uygulamasinda, söz konusu hibrit kumas, agirlikça %60 karbon fiber ve %40 ultra yüksek moleküler agirlikli polietilen fiber içermektedir. Mevcut bulusun bir baska uygulamasinda, söz konusu hibrit kumas, düz dokuma kumas, fitilli dokuma kumas, saten dokuma kumas, tek yönlü kumas veya çok Mevcut bulusun bir baska uygulamasinda, söz konusu karbon fiberler ultra yüksek moleküler agirlikli polietilen fiberler ile, çözgü, atki veya çözgü ve atki yönlerinde karistirilmaktadir. Mevcut bulus ayrica yukarida açiklanan hibrit kumastan en az bir katmani içeren bir kompozit önermektedir. TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR TR