CFRP bileşikleri nelerdir ve neden faydalıdırlar?

Karbon fiber takviyeli polimerler veya CFRP’ler , son derece rekabetçi spor ekipmanlarından havacılık endüstrisine kadar geniş bir endüstri yelpazesinde uygulama alanı bulan çok düşük yoğunluklu, yüksek mukavemetli bir kompozit malzeme sınıfıdır. Teknik adı karbon fiber takviyeli polimer kompozitler olmasına rağmen, çoğu kişi bu sınıftaki malzemeleri basitçe karbon fiber olarak adlandırır .

Adından da anlaşılacağı gibi, bu bileşikler, yüksek dirençli karbon fiber kumaşla güçlendirilmiş bir polimerik veya plastik matris tarafından oluşturulur. Kompozitin nihai özellikleri, hem kullanılan reçine tipine hem de liflerin belirli özelliklerine ve ayrıca liflerin matris içinde iç içe geçme şekline ve malzeme içinde sahip oldukları yöne bağlıdır. Öte yandan, ortaya çıkan parçanın özelliklerini daha da değiştirmek için genellikle farklı katkı maddeleri eklenir.

polimerik matris

Polimer matris, karbon liflerini bir arada ve sabit bir konumda tutma işlevini yerine getirir; yapılan parçayı da şekillendirir.Bunun yerine hava ile sertleşen reçinelerin veya bazı termoplastik veya diğer polimerlerin kullanıldığı durumlar olmasına rağmen, bu hemen hemen her zaman ısıyla sertleşen bir epoksi reçineden oluşur.

Parça imalat sürecinde epoksi reçine farklı şekillerde dahil edilebilir. Bazı durumlarda, karbon fiber levhalar birbiri üzerine istiflenmeden önce reçineye batırılır; diğer durumlarda, sertleşmemiş reçine katmanları serilir, ardından bir karbon fiber levha, ardından başka bir reçine katmanı vb.

karbon lifleri

Karbon fiber üretim süreci

Karbon liflerinin üretim süreci çok ustacadır. Temel olarak, ilk olarak sentetik bir polimerik elyafın, yani bir plastiğin üretilmesi ve bükülmesinden oluşur. Bu, halihazırda sentezlenmiş bir plastiği eritip daha sonra hala sıcakken gererek veya polimerleşirken çekerek lifler şeklinde hazırlanabilir. Her durumda, nihai sonuç, binlerce karbon atomu artı hidrojen, oksijen ve muhtemelen başka bir element içeren zincirlerden oluşan bir polimer ipliktir.

Elyafın temel yapısı elde edildikten sonra, bir sonraki adım malzemenin karbonizasyonudur, yani yapının diğer tüm atomları elimine edilir. Bu genellikle sentetik elyaf bobinlerinin vakum altında veya inert bir atmosferde (yani oksijenin yokluğunda) yüksek bir sıcaklığa ısıtılmasıyla elde edilir.

Bu elyafların üretim süreci, bir üreticiden diğerine büyük ölçüde değişir. Kalite ve kimyasal ve mekanik özellikler , daha sonra kompozit oluşturacak olan tabakaları hazırlarken liflerin iç içe geçme biçimine ek olarak, büyük ölçüde sentez ve üretim yöntemine bağlıdır. Bu nedenle karbon fiber kompozitler farklı sunumlarda ve çok çeşitli fiyat aralıklarında bulunabilmektedir.

Karbon fiber laminat

Karbon fiberler, nihai parçayı belirli yönlerde güçlendirmek için stratejik olarak yönlendirilmiş tek yönlü fiberler içeren levhalar şeklinde plastik matrise sokulabilir. Liflerin mekanik direnci temel olarak ekseni boyunca gerçekleşir, bu nedenle farklı yönlerde bükülmeye karşı dayanıklı bir parça üretmek istiyorsanız, parça boyunca söz konusu yönlerde geçen lifler mutlaka malzemeye dahil edilmelidir.

İkincisi genellikle iki yoldan biriyle gerçekleştirilir. En ucuz olan ilki, elyafların hepsinin aynı yönde yönlendirildiği levhaları alıp bunları farklı yönlerde istiflemektir. Çok yaygın ve etkili bir seçim, birbirine 0°, +60° ve -60° açılarla yerleştirilmiş üç tabakayı istiflemektir. Bu konfigürasyon, minimum karbon elyafı katmanları ile tüm yönlerde nispeten tekdüze mukavemete izin verir.

Diğer bir çok yaygın seçenek, çok daha pahalı olmasına rağmen, dik olarak dokunmuş karbon lifi tabakalarının kullanılmasıdır, yani, bir kumaş yapmak için ipliklerin dokunmasıyla aynı şekilde. İki dikey yönde lifler içeren lifler, malzemeyi zaten iki yönde güçlendirir, ancak dokuma, malzeme çok yaygın bir tür olan gerilime ve esnemeye maruz kaldığında tabakaların birbirinden ayrılma eğilimini büyük ölçüde azaltarak büyük fayda sağlar. Bu tür lamine malzemelerde başarısızlık.

Yüksek mukavemet-ağırlık oranlı CFRP bileşikleri ile parça imalatı ;

Daha önce bahsedildiği gibi parçalar, karbon fiberlerin bir çeşit reçine serpiştirilerek lamine edilmesiyle yapılır, ancak parçanın genel şekli kalıplar kullanılarak verilir. Aslında üretim süreci, kalıbın iç yüzeyinde bir reçine tabakası ile başlayıp, dışarıdan görünecek bir karbon fiber levha yerleştirilerek, ardından başka bir reçine tabakası ile işlem tekrarlanmasından oluşur.

Özellikle yüksek kuvvetler gerektirmeyen parçaların imalatı durumunda, genellikle reçine sertleşirken kalıplara basmak yeterlidir ve bazı durumlarda genellikle ısıtılır. Bununla birlikte, bir uçağın gövdesinin parçaları veya bir Formula 1 arabasının kanatları gibi mümkün olan maksimum dirence sahip olması gereken kritik parçalar söz konusu olduğunda, yapıdaki olası kabarcıkları ortadan kaldırmak için parçaların vakuma tabi tutulması gerekir. . bu onun performansını etkileyebilir.

Ek olarak, bu durumlarda reçineyi daha hızlı sertleştirmek için parçalar genellikle bir otoklavda tavlanır. Bu gereklilik, karbon fiber parçaların üretimini çok pahalı hale getirir; Bu, karbon fiber levhaların zaten oldukça pahalı olduğundan bahsetmiyor.

Bu dezavantajın yanı sıra, malzemenin iletkenliği ve parça tasarım aşamalarında modellenmesi zor olan çoklu arıza modları ile ilişkili diğer bazı dezavantajlar, CFRP kompozitlerinin birçok önemli uygulamada tam potansiyelleriyle kullanılamayacağı anlamına gelir. Bunun bir örneği, SpaceX bir sonraki amiral gemisi uzay aracı olan Starship’i karbon fiberden inşa etme niyetinden vazgeçtiğinde görüldü. Uzay aracının çeşitli bileşenlerini inşa etmeye yetecek kadar büyük bir otoklav inşa etmek çok pahalı ve pratik değildi, bu yüzden bunun yerine havacılık endüstrisinde alışılmışın dışında bir seçim olan paslanmaz çelik kullanmaya karar verdiler.

CFRP Kompozitlerinin Özellikleri

Çeşitli uygulamalarda yararlanılan CFRP kompozitlerinin birçok benzersiz özelliği vardır. Onlardan bazıları:

• Çok hafif ve çok dayanıklı bir malzemedir. Çelik ve hatta titanyumdan çok daha yüksek bir ağırlık-ağırlık oranına sahiptir.
• Çok yüksek bir esneklik modülü-ağırlık oranına sahiptirler, ayrıca herhangi bir metalden daha yüksektir.
• Yorulma direnci yüksek bir malzemedir.
• Hem polimerik matris hem de içerdiği karbon fiberler kimyasal olarak inerttir, bu da CFRP kompozitlerine korozyona karşı çok iyi direnç sağlar.
• Termal genleşme katsayısı çok düşüktür, bu da CFRP kompozitlerinden yapılan parçaların ısıtıldığında veya soğutulduğunda çok az bozulmaya maruz kaldığı anlamına gelir.
• Elektrik iletkenliğine sahiptirler . Grafit çok iyi bir iletkendir ve karbon lifleri esas olarak grafittir, dolayısıyla bunları içeren bileşikler elektriği özellikle liflerin yönünde iletir. Uygulamaya bağlı olarak, bu hem iyi hem de kötü olabilir.

Bu özelliklere ek olarak, CFRP kompozitleri, belirli uygulamaya bağlı olarak dezavantajlı olabilecek bazı ek özelliklere de sahiptir:

• Ultraviyole (UV) ışığa duyarlıdırlar. UV ışığı , hem çoğu polimer reçinesini hem de karbon elyafını bozan ve mekanik özelliklerini bozan serbest radikaller tarafından çok çeşitli kimyasal reaksiyonları teşvik etme yeteneğine sahiptir. Bu genellikle radyasyonu bileşiğe ulaşmadan önce emen bir boya tabakası ile çözülür.
• Genel olarak konuşursak, CFRP kompozitler düşük darbe direncine sahiptir.
• Malzeme arızası açısından, CFRP kompozitleri güçlerinin sınırına kadar itildiğinde, karbon fiberler kırılgan olduğu için başarısızlık genellikle felakettir. Başarısızlık modları arasında delaminasyon (elyaf tabakaları birbirinden ayrıldığında) ve lif kopması bulunur.

CFRP kompozitlerinin özellikleri anizotropiktir.

CFRP kompozitlerinin yukarıda belirtilen özelliklerinin çoğunun anizotropik olduğu, yani bunların malzeme boyunca tekdüze olmadığı ve ölçüldükleri yöne bağlı oldukları belirtilmelidir. Bu, iyi tanımlanmış yönleri takip eden sıralı liflerden yapılmış olmalarının bir sonucudur. Sonuç olarak, bu yönler boyunca malzemenin özellikleri, farklı yönler boyunca olan özelliklerden çok farklıdır.

Örneğin, bir epoksi reçine içinde %70 karbon fiber içeren bir CFRP kompozitinin gerilme modülü, fiberlere dik yönde sadece 10,3 GPa değerine sahipken, aynı modülün eksenel veya uzunlamasına yönde 181 GPa değerindedir. Gerilme veya gerilme mukavemetindeki fark daha da çarpıcıdır, liflere dik yönde 40 MPa’lık bir değer sunarken, boylamasına yönde yaklaşık 40 kat daha yüksek olan 1.500 MPa’dır. Son olarak, bu bileşiğin genleşme katsayısı lifler boyunca dikey yönde olduğundan 112,5 kat daha düşüktür.

CFRP Kompozitlerinin Yaygın Uygulamaları

CFRP kompozitlerinin bir dizi üst düzey üründe kullanılmasına rağmen (çünkü diğer seçeneklerden çok daha pahalı bir malzemedir), CFRP kompozitleri başlıca dört endüstride kullanılmaktadır:

havacılık endüstrisinde

Bu bileşikler uçak imalatında ilk kez 1950’lerde kullanıldı ve endüstride kullanımları yalnızca arttı. Boeing’in 767 ve 777 uçak modelleri sırasıyla %3 ve %7 CFRP bileşikleri içerir. Bu durumlarda, bazı yapısal bileşenlerde kullanıldılar. Öte yandan, yeni Boeing 787 Dreamliner modelinde tüm gövde ve kanatlar karbon fiberden yapılıyor ve bu malzeme söz konusu uçağın ağırlığının %50’sini, hacminin ise %80’ini oluşturuyor; bu eğilim diğer uçak üreticilerinde de görülmektedir.

Öte yandan, SpaceX’in Starship için karbon fiberi terk etmesine rağmen, Rocket Lab adlı başka bir özel havacılık şirketi, tamamen karbon fiberden yapılmış yeniden kullanılabilir bir roket olacak olan yeni roketi Neutron’un yapımını duyurdu.

otomobil endüstrisinde

Yıllardır dünyanın en hızlı yarış arabaları karbon fiber kullanılarak yapılmıştır. Bu, otomobilleri hızlanırken yere yapışık tutan gövdeyi ve kanatları oluşturan ana malzeme olan sadece dış kısmın bir parçası değil, aynı zamanda şaside de var. Aslında, bir McLaren Formula 1 arabasının yapısal ağırlığının %60 ila %70’i karbon fiberden oluşur (bu, motoru, tekerlekleri ve şanzımanı saymaz).

Özel kullanıma yönelik otomobiller söz konusu olduğunda, yalnızca lüks spor otomobiller gibi en üst düzey otomobiller, kaportalarının veya yapılarının bir kısmında karbon fiber kullanır.

denizcilik endüstrisi

Hem düşük ağırlıkları hem de yüksek korozyon dirençleri, CFRP kompozitlerini hafif hizmet tekneleri ve süper hızlı tekneler yapmak için ideal kılar. Ancak günümüzde yatlar ve profesyonel kullanım amaçlı gemiler dahil olmak üzere daha büyük gemilerin yapımında giderek daha fazla kullanılmaktadırlar.

Daha az bakım gerektiren kimyasal dirence ek olarak, ağırlık tasarrufu, bu malzemenin bu endüstriye girmesinin ve alüminyum, çelik gibi diğer seçeneklerin ve hatta cam elyafı gibi diğer polimerik bileşiklerin yerini almasının ana nedenlerinden biridir.

Son derece rekabetçi sporlarda

Sporda karbon fiberin en yaygın ve göze çarpan uygulamalarından biri, yüksek performanslı bisikletlerin şasilerinin yapımındadır. Bisikletin hangi dalı olursa olsun, dağ bisikleti, yokuş aşağı veya Tour de France için yol bisikleti olsun, en iyi bisikletler neredeyse tamamen karbon fiberden yapılır.

Öte yandan, karbon fiber, üst düzey golf sopaları, yarışma oltaları, tenis raketleri ve hatta masa tenisi raketleri veya masa tenisi gibi çok dayanıklı olması gereken ince yapı elemanlarında da her yerde bulunur.

Referanslar

Boeing 787 Dreamliner – genel bakış . (son). Bilim Direkt. https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/boeing-787-dreamliner

Barta, C. (2018, 15 Ekim). Karbon Fiber: Bilgi, Yapı ve Özellikler . KarboSistem. https://carbosystem.com/fibra-de-carbono-2/

Gardiner, G. (2010, 30 Kasım). Neden CFRP? CompositesWorld. https://www.compositesworld.com/articles/why-cfrp

Giurgiutiu, V. (2016, 1 Ocak). Havacılık Kompozitlerinin Yapısal Sağlığının İzlenmesi . Bilim Direkt. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780124096059000015

Kopeliovich, D. (2012a, 2 Haziran). Karbon Elyaf Takviyeli Polimer Kompozitler [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=carbon_fiber_reinforced_polymer_composites

Gomez, JL (2021, 23 Eylül). Tek başına değersiz olan ve reçineyle birlikte her şeye değer olan karbon elyafı nedir ? diariomotor.com. https://www.diariomotor.com/que-es/tecnologia/fibra-de-carbono/

Kopeliovich, D. (2012b, 3 Haziran). %70 karbon lifleri ile güçlendirilmiş Epoksi Matris Kompozit [SubsTech] . SubsTech. https://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=epoxy_matrix_composite_reinforced_by_70_carbon_fibers

McLaren. (2020, 5 Haziran). Karbon fiberin büyüleyici hikayesi . McLaren Yarışı. https://www.mclaren.com/racing/car/fascinating-story-carbon-fibre-1654987/

López, JC (2019, 30 Haziran). Karbon fiber: nedir ve havacılık veya havacılık için olduğu kadar tüketici elektroniği için neden bu kadar çekici. . . Xataka. https://www.xataka.com/investigacion/fibra-carbono-que-que-atractiva-para-electronica-consumo-como-para-aeronautica-automocion

Zhao, Q., Zhang, K., Zhu, S., Xu, H., Cao, D., Zhao, L., Zhang, R., & Yin, W. (2019). Karbon Elyaf Takviyeli Polimerin Elektriksel Direnci/İletkenliği hakkında bir inceleme. Uygulamalı Bilimler , 9 (11), 2390. https://www.mdpi.com/2076-3417/9/11/2390/htm