(CF.) KARBON LİFİ

Karbon Fiber Nedir

Karbon fiber veya karbon elyaf, Arapça dilinden gelme olan, teknoloji ürünü olan ipliksi türü bir maddedir. Ana bileşimleri Karbonlaşmış akrilik elyaf (Orlon), katran ve naylondur.  Karbon elyaf (ya da karbon fiber) ileri teknoloji ürünü, ipliksi bir tür plastik madde olup Akrilik elyafın belli proseslerden geçirilmesiyle elde edilir.

Yüksek dayanıklılık, düşük yoğunluk, düşük sürtünme ve düşük ağırlık özelliklerinin üstün bileşimi ile uzay ve havacılık sanayii, savunma, otomotiv sanayilerinde, spor gereçlerinde (tenis raketi, board), yapı güçlendirme alanlarında, enerji depolamada tercih edilen bir üründür. Karbon fiberin yapısı, çelikten 4,5 kat daha hafif olmasına rağmen 3 kat daha dayanıklıdır. Karbon fiber, naylon gibi esnek ve orlon gibi de orta derecede dayanıklı değildir. Daha sert ve çok daha dayanıklıdır.

Karbon Fiberin Tarihçesi

Sanayide yaygın bir kullanımı olan karbon lifleri 19. yüzyılın sonlarında bulunmuş ve ilk kez ABD’li mucit Thomas Edison’ın 1879’da yaptığı elektrik ampulünde tel (filaman) olarak kullanılmıştır. 1879 yılında aldığı patent karbon liflerinin varlığını gösteren ilk belgedir. O zamanlar karbon elde etmek için pamuk, bambu ya da yapay ipek lifleri kapalı bir fırında kömürleşinceye kadar yakılıyordu. Ama bu yöntemle elde edilen liflerin mekanik özellikleri yetersizdi.

Karbon Fiber Elyafın Ana Maddesi Nedir?

Karbon, yoğunluğu 2.268 gr/cm3 olan kristal yapıda bir malzemedir. Karbon elyaflar cam elyaflardan daha sonra gelişen ve çok yaygın olarak kullanılan bir elyaf grubudur. Hem karbon hem de grafit elyaflar aynı esaslı malzemeden üretilirler. Bu malzemeler ham madde olarak bilinirler.

Karbon elyafların üretiminde üç adet ham madde mevcuttur. Bunlardan ilki rayondur (suni ipek). Bu ham madde inert bir atmosferde 1000 – 3000 °C civarına ısıtılır ve aynı zamanda çekme kuvveti uygulanır. Bu işlem mukavemet ve tokluk sağlar. Ancak yüksek maliyet nedeniyle rayon elyaflar uygun değildirler.

Elyaf imalatında genellikle rayonun yerine poliakrilonitril (PAN) kullanılır. PAN bazlı elyaflar 2413 ila 3102 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler ve maliyetleri düşüktür.

Petrolün rafinesi ile elde edilen zift bazlı elyaflar ise 2069 MPa değerinde çekme mukavemetine sahiptirler. Mekanik özellikleri PAN bazlı elyaflar kadar iyi değildir ancak maliyetleri düşüktür

Karbon elyafları piyasada 2 biçimde bulunmaktadır

1. Sürekli Elyaf: Dokuma, örgü, tel bobin uygulamalarında, tek yönlü bantlarda, ve prepreg‘ lar da kullanılmaktadır. Bütün reçinelerle kombine edilebilirler.
2. Kırpılmış Elyaf : genellikle enjeksiyon kalıplamada ve basınçlı kalıplarda makine parçaları ve kimyasal valf yapımında kullanılırlar. Elde edilen ürünler mükemmel korozyon ve yorgunluk dayanımının yanı sıra yüksek sağlamlık ve sertlik özelliklerine de sahiptirler.

Karbon Fiber Üretimi

• Karbon fiber %90’dan fazla karbondan oluşur. Karbon fiber üretimi çoğunlukla iki malzemeden elde edilir:
  1. Zift
  2. PAN ( poliakrilonitril )
• Zift tabanlı karbon elyaflar göreceli olarak daha düşük mekanik özelliklere sahiptir. Buna bağlı olarak yapısal uygulamalarda nadiren kullanılır.
• ¨Poliakrilonitril (PAN) polimerlerinden hem yaş çekim ve hem de kuru çekim yöntemleriyle lif üretilebilmek mümkün olmakla birlikte, üretimin yaklaşık % 85’i yaş çekim yöntemiyle, kalanı ise kuru çekim yöntemiyle gerçekleştirilmektedir. ¨Yaş çekimle elde edilen liflerin enine kesitleri yuvarlak veya böbrek biçimindedir.Kuru çekimle elde edilenler ise büyük fasülya tanesi kesitini andırır

Karbon Liflerinin Özellikleri ve Sınıflandırılması

Karbon lifinin özellikleri kullanılan hammadde, üretim aşamaları ve işlem sıcaklığı ile belirlenmektedir. Bu Nedenle karbon liflerinin sınıflandırılması yapılırken bu özellikler  dikkate  alınarak,  modüllerine,  gerilim dayanımlarına  ve  son işlem  sıcaklıklarına  göre yapılmaktadır.

Karbon Fiberin Avanlajları

• Yüksek Mukavemet: Mekanik uygulamalarda, dışarıdan gelecek herhangi bir darbeye karşı beklenmedik sonuçların ortaya çıkmaması için, malzemenin gerekli en uygun cevabı veya davranışı verebilmesi istenir.
• Kalıcı Renklendirme: Kompozit  malzemeye, kalıplama esnasında reçineye ilave edilen pigmentler sayesinde istenen renk verilebilir. Bu işlem ek bir masraf ve işçilik gerektirmez.
• Kolay Şekillendirilme: Büyük ve kompleks parçalar tek işlemle bir parça halinde kaplanabilir. Bu da malzeme ve işçilikten kazanç sağlar.
• Korozyona Ve Kimyasal Etkilere Karşı Mukavemet: Kompozitler, hava etkilerinden, korozyondan ve çoğu kimyasal etkilerden zarar görmezler.
• Titreşim Sönümlendirme: Kompozit malzemelerde süneklik nedeniyle doğal bir titreşim sönümleme ve şok tutabilme özelliği vardır

Karbon Fiberin Dezavantajları

• Kompozit malzemelerde hava zerrecikleri malzemenin yorulma özelliğini olumsuz etkilemektedir.
• Kompozit malzemeler değişik doğrultularda değişik mekanik özellikler gösterirler.
• Aynı kompozit malzeme için çekme, basma, kesme ve eğilme mukavemet değerleri farklılıklar gösterir.
• Kompozit malzemelerin delik delme, kesme türü operasyonları liflerde açılmaya neden olduğundan, bu tür malzemelerde hassas imalattan söz edilemez.

Karbon Fiberin Kullanım Alanları

Havacılık ve Uzay

• Uçak: – Uçak gövdesi, kanat ve kuyruklarında – Tavan, kiriş ve koltuklarda
• Roketler: —Enjektör konisi, motor kutusu—
• Uydular: —Antenler, batarya panelleri

—Endüstriyel Malzemeler

• Basınçlı kaplarda: Hidrolik/gaz silindirlerinde
• Makine parçaları: Rüzgar türbinleri kanatları, Pervaneler, Robot kolları, Dişliler
• Taşıma araçlarında
• Denizcilik: Yelkenliler, Yarış botları, Gemi direği
• Otomobiller: Şaftlar, Yarış arabaları
• Hızlı Trenler: Tren gövdeleri
• İnşaat Sektörü: Bina ve köprü deprem güçlendirmelerinde
• Elektrik/Elektronik malzemelerde: Antenler, Hoparlörler
• Proses ekipmanlarda: Borular, Tanklar, Karıştırma ekipmanlarında,
• Korozyona dayanıklı malzeme: Pompalar, vb

Askeri Amaçlı Malzemeler

• Hava Uygulamaları : Uçaklarda (F-22, F/A-18, AV-8B ve B-2)
• Deniz Uygulamaları: Gemi
• Kara Uygulamaları: Zırh uygulamaları, Tanklar,  Silah taşıma kapları
• Kişisel Koruyucu Ekipmanlar: Zırh, Gözlük, Miğfer
• Uzay araçları: Gövde ve fren diski ve burun  kısmı  – Titan IV solid rocket motor upgrade

Spor Malzemeleri

• Balıkçılık: Oltalar, makaraları
• Golf: Golf sopası
• Raketler: Tenis
• Bisiklet: Tekerlekler, Gövde, Dümen
• Motosikletler: Gövde, Kasklar, Susturucular
• Diğer: Beyzbol sopaları, Kayaklar, Kendo kılıçları, Bilardo malzemeleri..

Kaynak: Tubitak