Karbon elyaf takviyeli plastik

Karbon elyaf takviyeli plastik veya karbon elyaf takviyeli polimer (CFRP ya da CRP) sağlam, hafif ve pahalı bir çeşit kompozit malzeme, elyaf takviyeli polimerdir. Cam elyafı'ına (cam takviyeli plastik) benzer şekilde bu kompozit yapıya mukavemet veren malzemeye karbon elyafı denilir. Polimer için en çok epoksi kullanılsa da polyester, vinil ester ya da naylon gibi başka maddelerin de kullanıldığı görülebilir. Kevlar veya alüminyum yapılarında karbon, cam gibi diğer güçlendiricilerle birlikte kullanılır. Grafit takviyeli polimer ya da Grafit elyaf takviyeli polimer (GFRP) de karbon elyafıyla takviyeli bu tür yapıları nitelemek için de kullanılır. Cam elyaf takviyeli malzemelerin de GFRP olarak tanımlanabilmesi ve karışıklık yaşanması nedeniyle bu isimlendirme çok sık kullanılmaz. Bazı ürün tanıtımlarında ise kısaca grafit elyafı denilir.

Uzay araçları ve otomotivde birçok uygulaması olan karbon destekli polimerler, güç-ağırlık oranının önemli olduğu yelkenliler ile son dönem bisiklet ve motosikletlerde de kullanılır. Gelişen üretim teknikleri ile birlikte maliyetlerin azalması bu malzemelerin dizüstü bilgisayarlar, balık oltaları, okçuluk sporu ekipmanları, raketler, telli müzik aletleri, golf ekipmanları gibi çok çeşitli alanlarda uygulamaların görülmesine imkân tanır.

CFRP'ler kompozit malzemelerdir. Bu durumda kompozit iki kısımdan oluşur: bir matris ve bir takviye. CFRP'de takviye sağlamlığı veren karbon elyafıdır. Matris genellikle takviyeleri birbirine bağlamak için epoksi gibi bir polimer reçinedir.^[1] CFRP iki farklı elementten oluştuğu için, malzeme özellikleri bu iki elemente bağlıdır.

Takviye, CFRP'ye sırasıyla stres ve elastiklik modülü ile ölçülen mukavemet ve sertlik verir. Çelik ve alüminyum gibi izotropik malzemelerin aksine CFRP yönlü mukavemet özelliklerine sahiptir. CFRP'nin özellikleri, karbon elyafın yerleşimlerine ve polimere göre karbon elyaflarının oranına bağlıdır.^[2] Karbon elyafların ve polimer matrisin özelliklerini kullanan kompozit malzemelerin net elastik modülünü belirleyen iki farklı denklem, karbon elyaf takviyeli plastiklere de uygulanabilir.^[3] Aşağıdaki denklem,

${\displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+V_{f}E_{f}}$

uygulanan yük yönünde yönlendirilmiş elyaflı kompozit malzemeler için geçerlidir. ${\displaystyle E_{c}}$ toplam kompozit modülüdür, ${\displaystyle V_{m}}$ ve ${\displaystyle V_{f}}$ sırasıyla kompozitteki matris ve elyafın hacimsal oranlarıdır ve ${\displaystyle E_{m}}$ ve ${\displaystyle E_{f}}$ sırasıyla matrisin ve elyafların elastik modülleridir.^[3] Elyafların uygulanan yüke göre enlemesine yönlendirildiği kompozitin elastik modülünün diğer aşırı durumu aşağıdaki denklem kullanılarak bulunabilir:^[3]

${\displaystyle E_{c}=\left({\frac {V_{m}}{E_{m}}}+{\frac {V_{f}}{E_{f}}}\right)^{-1}}$

Karbon fiber takviyeli plastiklerin kırılma tokluğu aşağıdaki mekanizmalar tarafından belirlenir: 1) karbon elyaf ve polimer matris arasındaki bağın ayrılması, 2) elyafın dışarı çekilmesi ve 3) CFRP levhalar arasında katmanlara ayrılma.^[4]

Tipik epoksi bazlı CFRP'ler, kırılmaya karşı %0.5'ten daha az gerinme ile neredeyse hiç plastisite göstermez. Epoksili CFRP'ler yüksek mukavemetli ve elastik modüllü olsalar da, gevrek kırılma mekaniği başarısızlık felaketle sonuçlandığından mühendisler için hata tespitinde benzersiz zorluklar çıkarır.^[4] Bu nedenle CFRP'leri sertleştirmeye yönelik son çabalar, mevcut epoksi malzemesini değiştirmeyi ve alternatif polimer matrisi bulmayı içerir. Benzer elastik modülü ve çekme mukavemeti ile daha büyük bir tokluk sergileyen PEEK, bu tür yüksek umut vadeden bir malzemedir.^[4] Ancak, PEEK'in işlenmesi çok daha zor ve daha pahalıdır.^[4]

Başlangıçtaki yüksek mukavemet-ağırlık oranına rağmen, CFRP'nin tasarım sınırlaması, tanımlanabilir bir yorgunluk sınırı olmamasıdır. Bu, teorik olarak, stres döngüsü kırılmasının göz ardı edilemeyeceği demektir. Çelik ve diğer birçok yapısal metal ve alaşımlar tahmin edilebilir yorulma veya dayanıklılık sınırlarına sahipken, kompozitlerin karmaşık kırılma modları, CFRP'nin yorulma kırılması özelliklerinin tahmin edilmesinin ve buna karşı tasarlanmasının zor olduğu anlamına gelir. Sonuçta, kritik döngüsel yükleme uygulamaları için CFRP kullanırken mühendislerin hizmet ömrü boyunca uygun bileşen güvenilirliği sağlamak için önemli ölçüde sağlamlık güvenlik marjlarında tasarım yapmaları gerekebilir.

Sıcaklık ve nem gibi çevresel etkilerin çoğu CFRP dahil olmak üzere polimer bazlı kompozitlere önemli etkileri olabilir. CFRP'ler mükemmel korozyon direnci gösterirken, geniş sıcaklık aralıklarında nemin etkisi özellikle matris-elyaf arayüzünde CFRP'lerin mekanik özelliklerinin bozulmasına yol açabilir.^[5] Karbon elyafların kendileri malzemeye yayılan nemden etkilenmezken, nem polimer matrisini plastikleştirir.^[4] Bu, sıkıştırma, tabakalar arası kesme ve darbe özellikleri gibi CFRP'lerde matris tarafından baskın olarak etkilenen özelliklerde önemli değişikliklere yol açtı.^[6] Motor fan kanatlarında kullanılan epoksi matris, jet yakıtı, yağ ve yağmur suyuna karşı geçirimsiz olarak tasarlanmış olup ultraviyole ışınlarından zararı en aza indirmek için kompozit parçalar dış ortam boyasıyla boyanır.^[4][7]

Karbon elyaflar, CRP parçaları alüminyum veya yumuşak çeliğe yapıştırıldığında galvanik korozyon'na neden olabilir ancak paslanmaz çelik veya titanyuma bağlanmaz.^[8]

Karbon Elyaf Takviyeli Plastiklerin işlenmesi çok zordur ve kesici uçları çok fazla aşındırır. CFRP işlemede kesici uç aşınması, kesme işleminin elyaf yönüne ve işleme durumuna bağlıdır. Kesici uçların aşınmasını azaltmak için CFRP ve CFRP metal yığınının işlenmesinde çeşitli kaplamalı takımlar kullanılır.^[9]

CFRP'nin birincil öğesi bir karbon filamenti'dir; bu, poliakrilonitril (PAN), rayon veya petrol zift gibi bir öncülden polimer üretilir. PAN veya rayon gibi sentetik polimerler için, tamamlanmış karbon elyafın nihai fiziksel özelliklerini geliştirecek şekilde polimer zincirlerini başlangıçta hizalamak için öncül ilk önce kimyasal ve mekanik işlemler kullanılarak filament ipliklere eğirilir. Filament ipliklerin eğrilmesi sırasında kullanılan öncü bileşimler ve mekanik işlemler üreticiler arasında farklılık gösterebilir. Çekme veya eğirme işleminden sonra, polimer filament iplikler karbon olmayan atomları uzaklaştırmak (karbonizasyon) için ısıtılır ve nihai karbon lifleri üretilir. Karbon elyaflı filament iplikler, kullanım kalitelerini iyileştirmek için ayrıca işlenebilir, ardından bobin’lere sarılır.^[10] Bu elyaflardan tek yönlü bir tabaka oluşturulur. Bu tabakalar yarı-izotropik yerleşimde örn. birbirine göre 0°, +60° veya -60° birbiri üzerine katmanlanmıştır.

Temel elyaftan, iki yönlü bir dokuma levha, yani 2/2 örgülü bir dimi oluşturulabilir. Çoğu CFRP'nin yapıldığı süreç, oluşturulan parçaya, gereken bitişe (dış parlaklık) ve parçanın kaç adet üretileceğine bağlı olarak değişir. Ayrıca matris seçiminin bitmiş kompozitin özellikleri üzerinde önemli etkisi olabilir.

Birçok CFRP parçası, camelyafı ile desteklenen tek bir karbon kumaş tabakası ile yapılır. Bu kompozit parçaları hızlı şekilde yapmak için kıyıcı tabanca adı verilen bir araç kullanılır. Karbon elyaftan ince bir kabuk oluşturulduğunda, doğrayıcı tabanca camelyaf rulolarını kısa boylarda keser ve aynı anda reçine püskürterek camelyafı ve reçinenin yerinde karışmasını sağlar. Reçine, sertleştirici ve reçinenin ayrı ayrı püskürtüldüğü harici karışım veya her kullanımdan sonra temizlenmesi gereken dahili bir karışımdır.

İmalat yöntemleri aşağıdakileri içerebilir:

CFRP parçaları üretmenin bir yöntemi, karbon elyaf kumaş tabakalarını nihai ürün şeklinde bir kalıp halinde katmanlamaktır. Kumaş liflerinin hizalanması ve dokuması, ortaya çıkan malzemenin mukavemet ve sertlik özelliklerini optimize etmek için seçilir. Kalıp daha sonra epoksi ile doldurulur ve ısıtılır veya hava ile sertleştirilir. Ortaya çıkan parça, korozyona karşı çok dayanıklı, sert ve ağırlığına göre sağlamdır. Daha az kritik alanlarda kullanılan parçalar, bir kalıbın üzerine kumaş dökülerek, epoksi elyaflara önceden emdirilmiş ('pre-preg olarak da bilinir) veya üzeri "boyalı" olarak üretilir. Tek kalıp kullanan yüksek performanslı parçalar genellikle vakumla torbalanır ve/veya otoklav ile sertleştirilir çünkü malzemedeki küçük hava kabarcıkları bile mukavemeti azaltır. Otoklav yöntemine bir alternatif, şişirilebilir hava kesecikleri veya sertleştirilmemiş serilmiş karbon elyafların içindeki EPS köpük aracılığıyla iç basıncı kullanmaktır.

Nispeten az sayıda kopyaya ihtiyaç duyulan basit parçalar için (günde 1-2), bir vakum torbası kullanılabilir. Cam elyafı, karbon elyafı veya alüminyum kalıbı parlatılır, mumlanır ve kumaş ve reçine uygulanmadan önce ayırıcı madde uygulanır ve parçanın sertleşmesine imkan vermek için vakumlama yapılır ve bir kenara bırakılır. Vakum kalıbında reçineyi kumaşa uygulamanın üç yolu vardır.

İlk yöntem elledir ve iki bileşenli reçinenin kalıba koyulmadan ve sonra torbaya konulmadan önce karıştırılıp uygulandığı bu yönteme ıslak döşeme denir.

İkinci yöntem, vakum reçineyi küçük bir tüpten torbaya çekerken, kuru kumaş ve kalıbın torbanın içine yerleştirilir ve daha sonra reçineyi kumaş boyunca eşit bir şekilde yaymak için delikli bir tüp veya benzer bir şey aracılığıyla infüzyonla yapılır. Tel dokuma tezgahı torbanın içinde delikler gerektiren bir tüp için mükemmel çalışır. Bu reçine uygulama yöntemlerinin her ikisi de, çok küçük deliklerle parlak bir yüzey elde etmek için reçineyi eşit şekilde yaymak için el işçiliği gerektirir.

Kompozit malzemeleri yapmanın üçüncü yöntemine, kuru döşeme denir. Burada, karbon elyaf malzeme reçine ile emprenye edilir (pre-preg) ve kalıba yapışkan filme benzer bir şekilde uygulanır. Montaj daha sonra sertleşmesi için vakuma konulur. Kuru döşeme yönteminde en az miktarda reçine atığı olur ve ıslak döşemeye göre daha hafif yapılar elde edebilir. Ayrıca, daha büyük miktarlarda reçinenin ıslak yerleştirme yöntemleriyle dışarı atılması daha zor olduğundan, önceden emprenye edilmiş parçalar genellikle daha az iğne deliğine sahiptir. Minimum reçine miktarları ile iğne deliği giderme genellikle artık gazları tahliye etmek için otoklav basınçlarının kullanılmasını gerektirir.

• Karbon nanotüp

Wikimedia Commons'ta Karbon elyaf takviyeli plastik ile ilgili ortam dosyaları bulunmaktadır.

• Japonya Karbon Fiber Üreticileri Birliği27 Mart 2018 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. (İngilizce)
• Güney Mississippi Üniversitesi Polimer Bilimleri Bölümü resmî sitesinde yer alan karbon fiber hakkındaki bilgiler 23 Kasım 2010 tarihinde Wayback Machine sitesinde arşivlendi. (İngilizce)